بهینه‌سازی کاربرد کودهای نیتروژن، فسفر و دامی در زراعت گندم پاییزه (Triticum aestivum L.) با استفاده از روش سطح-پاسخ (RSM)

پژوهشهای زراعی ایران

مقاله 8، دوره 13، شماره 4 - شماره پیاپی 40، دی 1394، صفحه 823-839   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/gsc.v13i4.39788

نویسندگان

محسن جهان^* ؛ مهدی نصیری محلاتی؛ حمیده خلیل زاده؛ ریحانه بیگناه؛ سیداحمدرضا رضوی

دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

نیاز روزافزون به تولید گندم به‌عنوان اصلی‌ترین منبع تأمین انرژی جوامع انسانی، استفاده‌ی گسترده از کودهای شیمیایی را به‌ویژه در کشورهای در حال‌توسعه به‌دنبال داشته است. اولین گام در جهت کاهش مصرف کودهای شیمیایی و پیش‌گیری از پی‌آمدهای منفی زیست‌محیطی حاصل، بهینه‌سازی مصرف و افزایش کارایی این نهاده‌ها است. در این راستا و به‌منظور برآورد مقادیر بهینه مصرف کودهای شیمیایی نیتروژن و فسفر و کود دامی در زراعت گندم، با استفاده از روش‌ سطح- پاسخ، آزمایشی در قالب باکس- بنکن طراحی و طی دو سال زراعی 91-1390 و 92-1391 اجرا شد. تیمارهای آزمایشی با توجه به سطوح بالا و پایین کود نیتروژن (صفر و 300 کیلوگرم نیتروژن خالص در هکتار)، کود فسفره (صفر و 200 کیلوگرم P2O5 در هکتار) و کود گاوی (صفر و 30 تن در هکتار) طراحی شدند، به‌طوری‌که نقطه مرکزی در هر تیمار سه مرتبه تکرار شد و کلاً 15 ترکیب تیماری به‌دست آمد. عملکرد دانه، عملکرد بیولوژیک، تعداد پنجه‌ی بارور، محتوای نسبی رطوبت، تلفات نیتروژن و کارایی مصرف نیتروژن به‌عنوان متغیرهای وابسته مورد اندازه‌گیری قرار گرفتند. سپس با استفاده از مدل رگرسیونی گام‌به‌گام و برازش تابع درجه‌دو کامل به داده‌ها، سطوح پاسخ متغیرهای وابسته تحت تأثیر تیمارها محاسبه شد. نتایج نشان داد که با افزایش مصرف نیتروژن و فسفر تا سطح 200 کیلوگرم در هکتار، عملکرد دانه افزایش یافت. تعداد پنجه بارور در بوته در سطح 300 کیلوگرم در هکتار نیتروژن، با افزایش مصرف فسفر از صفر تا 200 کیلوگرم در هکتار، به‌صورت تقریباً خطی افزایش یافت. محتوای نسبی رطوبت با افزایش سطح مصرف کود دامی افزایش یافت. تلفات نیتروژن به موازات افزایش سطوح مصرف نیتروژن و کود دامی، به‌صورت خطی افزایش یافت. روند افزایش کارآیی مصرف نیتروژن، به موازات افزایش کاربرد نیتروژن و فسفر به‌صورت تابع درجه دو کاهشی بود. مقادیر بهینه‌شده‌ی کودهای نیتروژن، فسفر و دامی براساس سه سناریوی اقتصادی، زیست‌محیطی و اقتصادی- زیست‌محیطی برآورد شد. در سناریوی اقتصادی، مصرف 145 کیلوگرم در هکتار نیتروژن خالص، 200 کیلوگرم در هکتار فسفر و 18 تن در هکتار کود دامی، منجر به تولید 6500 کیلوگرم در هکتار عملکرد دانه و کارآیی مصرف نیتروژن برابر با 49/10 کیلوگرم دانه بر کیلوگرم نیتروژن مصرفی شد. در سناریوی زیست‌محیطی، با مصرف 21 کیلوگرم در هکتار نیتروژن، بدون کاربرد فسفر، با مصرف 16 تن در هکتار کود دامی، عملکرد دانه‌ای برابر با 3160 کیلوگرم در هکتار و کارآیی مصرف نیتروژن برابر با 08/9 کیلوگرم دانه بر کیلوگرم نیتروژن مصرفی حاصل شد. در سناریوی اقتصادی- زیست‌محیطی، کاربرد 145 و 34 کیلوگرم در هکتار به‌ترتیب نیتروژن و فسفر و 30 تن در هکتار کود دامی، عملکرد دانه‌ای برابر با 4031 کیلوگرم در هکتار داشت و افزایشی 36 درصدی در کارآیی مصرف نیتروژن نسبت به سناریوی اقتصادی (50/16 در برابر 49/10) را به‌دنبال داشت. با توجه به نتایج به‌دست آمده، به‌نظر می‌رسد که برای تولید گندم پاییزه، سناریوی اقتصادی-زیست‌محیطی نسبت به دو سناریوی دیگر اولویت داشته باشد، هرچند، منافع و مضار هر سناریو در برابر سناریوهای دیگر، باید در عمل و تحت شرایط واقعی سنجیده و نسبت به کاربرد آن تصمیم‌گیری شود.

کلیدواژه‌ها

تلفات نیتروژن؛ سناریوی اقتصادی-زیست محیطی؛ طرح باکس بنکن؛ عملکرد دانه؛ کارآیی زراعی مصرف نیتروژن

مراجع

1. Adesemoye, A. O., Torbert, H. A., and Klopper, J. W. 2009. Plant growth promoting rhizobacteria allow reduced application rates of chemical fertilizers. Microbial Ecology 58: 921-929.

2. Akiyama, H., Tsuruta, H., and Watanabe, T. 2000. N2O and NO emission from soils after the application of different chemical fertilizers. Chemosphere- Global Change Science 2: 313-320.

3. Al Imran, M., and Rengel, Z. 2013. Physiology of nitrogen-use efficiency. In: Improving water and nutrient use efficiency in food production system. Rengel, Z. (Ed.). 2013. WILEY-BLACKWELL. ISBN: 978-0-8138-1989-1.

4. Alexandratos, N., and Bruinsma, J. 2012. World agriculture towards 2030/2050: the 2012 revision. Global Perspective Studies Team, FAO Agricultural Development Economics Division.

5. Black, C. A., Evans, D. D., White, J. L., Ensminger, L. E., and Clark, F. E. 1965. Methods of soil analysis. In: page A.L. (Eds.). American Society of Agronomy, p. 1562.

6. Box, G., and Behnken, D. 1960. Some new three level designs for the study of quantitative variables. Technometrics 2: 455-475.

7. Carly, S., Dupre, C., Edu, D., Gaudnik, C., Gowing, D. J. G., Bleeker, A., Diekmann, M., Alard, D., Bobbink, R., Fowler, D., Corcket, E., Mountford, J. O., Vandvik, V. A., Per A., Muller, S., and Dise, N. B. 2010. Nitrogen deposition threatens species richness of grasslands across Europe. Environmental Pollution 158 (9): 2940-2945.

8. Cassidy, E. S., West, P. C., Gerber, J. S., and Foley, J. A. 2013. Redefining agricultural yields: from tonnes to people nourished per hectare. Environmental Research Letters. 8 (2013) 034015 (8pp).

9. Ciampitti, I. A., and Vyn, T. J. 2012. Physiological perspectives of changes over time in maize yield dependency on nitrogen uptake and associated nitrogen efficiencies: A review. Field Crops Research 133: 48-67.

10. Conant, R. T., Berdanier, A. B., and Grace, P. R. 2013. Patterns and trends in nitrogen use and nitrogen recovery efficiency in world agriculture. Global Biogeochemical Cycles 27 (2): 558-566.

11. Davis, J. G., Westfall, D. G., Mortvedt, J. J., and Shanahan, J. F. 2002. Fertilizing winter wheat. Agronomy Journal 84: 1198-1203.

12. Doberman, A., and Cassman, K. G. 2005. Cereal area, yield and nitrogen use efficiency and drives for future nitrogen fertilizer consumption. Science in China 48: 745-758.

13. Dobermann, A., and Cassman, K. G. 2004. Environmental dimension of fertilizer N: what can be done to increase nitrogen use efficiency and ensure global food security? In: Agriculture and the Nitrogen Cycle: Assessing the Impacts of Fertilizer use on Food Production and the Environment (ed. Mosier AR), pp. 261-278. Island Press, Washington, DC.

14. Emilsson, T., Brendtsson, J. C., Mattsson, J. E., and Rolf, K. 2007. Effect of using conventional and controlled release fertilizer on nutrient runoff from various vegetated roof systems. Ecological Engineering 29: 260-271.

15. Eriksson, L., Johansson, E., Kettaneh-Wold, N., Wikstrom, C., and Wold, S. 2008. Design of Experiments-Principales and Applications. 3rd Edition, UMETRICS Academy, Sweden.

16. Fageria, N. K. 2014. Nitrogen Management in Crop Production. New York: CRC Press. ISBN: 978-1-4822-2283-8.

17. Fageria, N. K., and Baligar, V. C. 2005. Enhancing nitrogen use efficiency in crop plants. Advances in Agronomy, 88: 97-185.

18. FAO Country Profiles for IRAN. 2014. Available at: http://www.fao.org/countryprofiles/index/en/?iso3=IRN

19. FAO Statistical Yearbook: World Food and Agriculture. 2013. Available at: http://www.fao.org/docrep/018/i3107e/i3107e00.htm

20. FAO. 2012. The State of Food and Agriculture 2012 - Investing in Agriculture for a Better Future, FAO, Rome, Italy. Available at: http://www.fao.org/docrep/017/i3028e/i3028e.pdf

21. Gastal, F., and Lemaire, G. 2002. N uptake and distribution in crops: an agronomical and ecophysiological perspective. Journal of Experimental Botany 53 (370): 789-799.

22. Hatfield, J. L., and Prueger, J. H. 2004. Nitrogen over-use, under-use, and efficiency. Crop Science 26: 156-168.

23. Hawkesford, M. J., and Barraclough, P. 2011. The Basis of Nutrient Use Efficiency in Crops. WILEY-BLACKWELL, USA. ISBN: 978-0-8138-1992-1.

24. Horwitz, W., and Latimer, G. W. 2005. Official Methods of Analysis. Association of Official Analytical Chemists (AOAC), 18th Edition. Maryland, USA.

25. Hosseini, R., Galeshi, S., Soltani, A., and Kalateh, M. 2012. The effect of nitrogen on yield and yield component in modern and old wheat cultivars. Electronic Iranian Journal of Crop Production 4: 187-199. (in Persian with English abstract).

26. International Fertilizer Industry Association. 2009. Statistics (Online). Assessment of fertilizer use by crop at the global level. Available at: www.fertilizer.org (verified 17 May 2010), Paris, France.

27. Jarvis, S., Hutchings, N., Brentrup, F., Olesen, J. E., and Van Der Hock, K. W. 2011. Nitrogen flows in farming systems across Europe. In: The European Nitrogen Assessment: source, effects and policy perspectives. Sutton, M. A., Howard, C. M., Erisman, J. W., Billen, G., Bleeker, G., Grennfelt, A., Grinsven, H. V., and Grizzetti, B. 2011. Cambridge University Press. Part III, Chapter 10.

28. Kell, D. B. 2012. Large-scale sequestration of atmospheric carbon via plant roots in natural and agricultural ecosystems: why and how. Philosophical Transactions of the Royal Society B. 367 (1595): 1589-1597.

29. Kramer, P. 1988. Measurement of plant water status: Historical perspectives and current concerns. Irrigation Science 9: 275-287.

30. Kumar, M., and Nanwal, R. K. 2006. Effect of integrated nutrient management on productivity and uptake of N and P in Pearl millet-wheat cropping system. Indian Journal of Fertilizer 2 (4): 49-53.

31. Lawlor, D. W., Lemair, G., and Gastal, F. 2001. Nitrogen, plant growth and crop yield. In: Plant nitrogen. Lea, P. J., and Morot Guardy, J. F. (Eds.). Berlin: Springer-Verlag.

32. Lehmeier, C. A., Wild, M., and Schnyder, H. 2013. Nitrogen Stress Affects the Turnover and Size of Nitrogen Pools Supplying Leaf Growth in a Grass. Plant Physiology 162 (4): 2095-2105.

33. Marino, M. A., Mazzanti, A., Assuero, S. G., Gastal, F., Echeverria, H. E., and Andrade, F. 2004. Nitrogen dilution curves and nitrogen use efficiency during winter-spring growth of annual ryegrass. Agronomy Journal 96: 601-607.

34. Mengel, K., and Kirkby, E. H. 2001. Principles of plant nutrition. Kluwer Academic Publishers, Boston. 849pp. ISBN: 978-1-4020-0008-9.

35. Moraghebi, F., Akbari Famile, M., and Hooshmandfar, A. 2011. The effect of amount and time application of nitrogen on seed protein percentage and ANU of wheat cultivar Pishtaz in Saveh region. Quarterly of Plant and Ecosystem 7 (1-29): 65-76. (in Persian with English abstract).

36. Mosier, A., Syers, J. K., and Freney, J. R. 2013. Agriculture and the Nitrogen Cycle: Assessing the Impacts of Fertilizer Use on Food Production and the Environment. Island Press, USA. 344 pages. ISBN: 1-55963-710-2.

37. Mosier, A. R., and Syers, J. K. 2004. Nitrogen fertilizer: an essential component of increased food, feed and fibber production in agriculture and the nitrogen cycle: Assessing the impacts of fertilizer use on food production and the environment. Mosier, A. R., Syers, J. K., Freney, J. R., (Eds.) SCOPE, Island Press, Washington DC, USA 65: 3-15.

38. Myers, R. H., and Montgomery, D. C. 1995. Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. John Willey & Sons, New York, USA.

39. Osborne, S. L. 2007. Utilization of existing technology to evaluate spring wheat growth and nitrogen nutrition in South Dakota. Communication in Soil Science and Plant Analysis 38: 949-958.

40. Rathke, G. W., Behrens, T., and Diepenbrock, W. 2006. Integrated nitrogen management strategies to improve seed yield, oil content and nitrogen efficiency of winter oilseed rape (Brassica napus L.): A review. Agriculture, Ecosystems and Environment 117: 80-108.

41. Raun, W. R., and Johnson, G. V. 1999. Improving nitrogen use efficiency for cereal production. Agronomy Journal 91: 357-363.

42. Schlemmer, M. R., Francis, D. D., Shanahan, J. F., and Schepers, J. S. 2005. Remotely measuring chlorophyll content in corn leaves with differing nitrogen levels and relative water content. Agronomy Journal 97: 106-112.

43. Seiling, K., Brase, T., and Svib, V. 2006. Residual effect of different N fertilizer treatments on growth, N uptake and yield of oilseed rape, wheat and barley. European Journal of Agronomy 25: 40-48.

44. Sparling, G. P., Wheeler, D., Vesely, E. T., and Schipper, L. A. 2006. What is soil organic matter worth? Journal of Environmental Quality 35: 548-557.

45. The Office for data and information technology of the ministry of Jihad Keshavarzi. 2011. Agricultural data, Vol. 1: Crops, year of 2010-2011. Publication of Deputy for Planing, Economic and International, The Office for Data and Information Technology. http://www.maj.ir/Portal/Home/Default.aspx?CategoryID=95a8e7d0-e5f0-4f2d-a241-792106c74dcc (Available On-line at: 9.8.2014).

46. Weligama, C., Sale, P. W. G., Conyers, M. K., Liu, D. L., and Tang, C. 2010. Nitrate leaching stimulates subsurface root growth of wheat and increase rhizosphere alkalization in a highly acidic soil. Plant and Soil 328: 119-132.

47. Wuest, S. B., and Cassman, K. G. 1992. Fertilizer-nitrogen use efficiency of irrigated wheat: II. Partitioning efficiency of preplant versus late-season application. Agronomy Journal 84: 689-694.

48. Zamen, M., and Blennerhassett, J. D. 2010. Effects of the different rates of ureas and nitrification inhibitors on gaseous emissions of ammonia and nitrous oxide, nitrate leaching and pasture production from urine patches in an intensive grazed pasture system. Agriculture, Ecosystems and Environment 136: 236-246.

49. Zhao, D., Reddy, K. R., Kakani, V. G., and Reddy, V. R. 2005. Nitrogen deficiency effects on plant growth, leaf photosynthesis and hyper spectral reflectance properties of sorghum. European Journal of Agronomy 22: 391-403.