Developing cropping systems for the ancient grain chia (Salvia hispanica L.) in two contrasting environments in Egypt and Germany

Mack, Laura

Doctoral Thesis

2020

Developing cropping systems for the ancient grain chia (Salvia hispanica L.) in two contrasting environments in Egypt and Germany

Mack, Laura

Diss_Laura_Mack.pdf (6.22 MB)

Abstract (English)

Chia (Salvia hispanica L.) seeds have been revived as functional “superfood” for human nourishment especially for vegan and vegetarian diets and are becoming increasingly widespread and present in new food products in Europe. The seeds are beneficial because of being gluten-free, containing antioxidants and a high concentration of α-linolenic acid, and having a high content of dietary fiber and high-quality protein. Chia is originally adapted to short-day conditions and grows naturally in tropical and subtropical environments. Nevertheless, it can survive under water stress and could, therefore, be cultivated in arid regions. Egypt has been classified as a water-scarce state. Due to its drought tolerance, chia might contribute to saving the scarce source “water” in Egypt and offer the chance to export these high value seeds, generating foreign exchange for reimporting e.g. wheat characterized by a higher water demand. Worldwide, the biggest problems and key challenges under climate change (CC) are water and food security in arid and semiarid regions. In the future, CC and water scarcity will significantly threaten agriculture and sustainable development. A rising population requires on the one hand an increase in food grain production, but also a change toward environmentally sound sustainable agriculture. Chia has been suggested as a favorably economic alternative for common field crops sustaining diversification and stabilization of the local agricultural economy. However, broad experience in growing chia in new environments is missing. The agronomic management has not been improved from formerly small-scale production systems. Most of the previous studies focused on seed characteristics. Information on fertilization, plant protection, and improved varieties is scarce, which are reasons for its low productivity in the countries of origin. Field experiments were conducted at the experimental station “Ihinger Hof” of the University of Hohenheim in southwestern Germany from 2015 to 2017 and in Egypt during the cropping season 2015 to 2016 at SEKEM’s experimental station located 50 km Northeast of Cairo. The present doctoral thesis was based on a project embedded in the graduate school Water-People-Agriculture (WPA) at the University of Hohenheim funded by the Anton-&-Petra-Ehrmann foundation that focuses on key water issues and water related challenges of todays society. On a final note, the main results of this thesis provide further information and expanded knowledge on chia cultivation in two contrasting environments (including a desert region) out of its center of origin. Overall, the current doctoral thesis presents a combined approach of experimental field research and crop modeling to support the optimization of farming practices of chia in new environments. A universal and nondestructive LA estimation model for chia was developed. Further, the CROPGRO model was adapted for chia to provide a preliminary model for a realistic simulation of crop growth variables. The approaches presented in this thesis may contribute to testing new environments for chia cultivation and to improving its production. Moreover, this study helped to develop further general model source codes to simulate the growth of tiny seeds. The adaptation to other Salvias should be much easier with this developed model. Future research requirements and issues requiring model improvement such as N-response and the development of code relationships that can simulate parameters of seed quality could improve the plant growth model for chia.

Abstract (German)

In den letzten Jahren entwickelte sich um Chiasamen (Salvia hispanica L.) ein regelrechter Hype. Als sogenanntes “Superfood” für die menschliche Ernährung, vor allem für Veganer und Vegetarier, wurden Chiasamen wiederentdeckt. Daher gibt es immer mehr Lebensmittelprodukte mit Chiasamen. Diese Samen sind vorteilhaft, weil sie frei von Gluten sind, ein ausgewogenes Verhältnis von Makronährstoffen aufweisen und einen hohen Anteil an Omega-3-Fettsäuren, Mikronährstoffen, Antioxidantien und Ballaststoffen enthalten. Chia ist ursprünglich an Kurztagbedingungen angepasst und in tropischen und subtropischen Gebieten verbreitet. Dennoch kommt es mit Bedingungen wie Wasserstress zurecht und kann daher auch in trockenen Regionen angebaut werden. Ägypten wurde als wasserknappes Land eingestuft. Chia kann aufgrund seiner Trockenstresstoleranz dazu beitragen die knappe Ressource „Wasser“ in Ägypten einzusparen und bietet gleichzeitig Exportmöglichkeiten. Im Gegenzug kann dadurch z.B. Weizen mit einem höheren Wasserbedarf importiert werden. Der Klimawandel und die damit verbundene mangelnde Wasser- und Ernährungssicherheit stellen eine der weltweit größten Herausforderungen in ariden und semiariden Regionen dar und gefährden in Zukunft nicht nur die landwirtschaftliche Produktion, sondern auch die nachhaltige Entwicklung. Auf der anderen Seite, erfordert eine steigende Bevölkerung einerseits eine Steigerung der Nahrungsmittelproduktion, andererseits auch den Wandel zu einer umweltverträglichen und nachhaltigen Landwirtschaft. Chia könnte eine wirtschaftliche Alternative zu den herkömmlichen Feldfrüchten darstellen und so die Diversifizierung und Stabilisierung der lokalen Agrarwirtschaft unterstützen. Es fehlt jedoch die Erfahrung zum Anbau von Chia in neuen Regionen. Die Mehrheit der bisherigen Studien zu Chia legte den Schwerpunkt auf Qualitätseigenschaften der Samen. Das traditionelle Anbausystem von Chia wurde bislang nicht modernisiert und Informationen über den Einsatz von Düngemitteln, Pestiziden und verbesserten Sorten sind nur vereinzelt zu finden, welches Gründe für eine geringe Produktivität sind. Um die gestiegene Nachfrage an Chiasamen zu decken, werden neue Erzeugerländer hinzukommen müssen, für die Anbaukonzepte fehlen. Im Zeitraum von 2015 bis 2017 wurden Feldversuche an der Versuchsstation „Ihinger Hof“ der Universität Hohenheim im Südwesten Deutschlands und in Ägypten von 2015 bis 2016 an der 50 km nordöstlich von Kairo gelegenen Versuchsstation von SEKEM durchgeführt. Die vorliegende Dissertation basiert auf einem von der Anton-&-Petra-Ehrmann-Stiftung geförderten Projekt, das sich auf die Graduiertenschule Wasser-Menschen-Landwirtschaft (WPA) an der Universität Hohenheim stützt und sich mit zentralen Fragen zum Thema Wasser und wasserbezogenen Herausforderungen der heutigen Gesellschaft befasst. Abschließend ist festzuhalten, dass die Ergebnisse dieser Arbeit neue zentrale Informationen über den Anbau von Chia in zwei unterschiedlichen Regionen (einschließlich einer Wüstenregion) außerhalb des ursprünglichen Verbreitungsgebietes liefern. Die vorliegende Dissertation stellt einen ersten und vielversprechenden Ansatz zur Entwicklung eines Blattflächenmodells für Chia dar. Darüber hinaus kombiniert die Arbeit experimentelle Ansätze in Feldversuchen mit Pflanzenwachstumsmodellen, um die Anbaumethoden von Chia in neuen Regionen zu unterstützen und zu optimieren. Dafür wurde erstmals das CROPGRO-Modell für Chia angepasst, um Ertrag und Wachstumsparameter abzubilden. Darüber hinaus trug diese Arbeit dazu bei, den allgemeinen Quellcode des Modells zu verbessern, um das Wachstum sehr kleiner Samen zu simulieren. Die Anpassung an andere Salvias sollte mit diesem entwickelten Modell ebenfalls wesentlich einfacher sein. Zukünftige Modellverbesserungen und die Integration eines Tools, das ebenfalls die Kornqualität simulieren kann, könnten das Pflanzenwachstumsmodel für Chia weiter verbessern.