بهینه‌سازی سطوح آبیاری و نیتروژن بر عملکرد، کارایی مصرف آب و کارایی مصرف نیتروژن در گیاه کینوا (Chenopodium quinoa Willd.) با استفاده از مدل‌سازی سطح- پاسخ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه اگروتکنولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

2 دانشجوی دکتری بوم‌شناسی زراعی، گروه اگروتکنولوژی، دانشگاه فردوسی مشهد

3 کارشناس ارشد هواشناسی کشاورزی، معاونت خدمات بیمه‌ای بانک کشاورزی استان خراسان رضوی

چکیده

بهینه‌سازی یکی از راهکارهای مؤثر مدیریتی برای بهبود کارایی مصرف منابع و کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی محسوب می‌شود. مدل سطح- پاسخ (RSM) مجموعه‌ای از تکنیک‌های آماری و ریاضی مورد استفاده برای بهینه‌سازی نهاده‌های تولید به شمار می‌آید. در این مطالعه، بهینه‌سازی سطوح نیتروژن و آبیاری کینوا با استفاده از طرح مرکب مرکزی (CCD) انجام شد. این آزمایش با 13 تیمار و دو تکرار در مزرعه تحقیقاتی دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد در سال زراعی 97-1396 اجرا شد. تیمارها بر اساس سطح پایین و بالای آبیاری (به‌ترتیب با 2500 و 7500 مترمکعب در هکتار) و نیتروژن (به‌ترتیب با صفر و 200 کیلوگرم نیتروژن در هکتار) تعیین شدند. عملکرد دانه، عملکرد بیولوژیک، شاخص‌های کارایی نیتروژن و کارایی مصرف آب به‌عنوان متغیر وابسته مورد اندازه‌گیری قرار گرفتند و تغییرات این متغیرها با استفاده از مدل رگرسیونی ارزیابی شد. به منظور ارزیابی کیفیت مدل پیش‌بینی شده از آزمون عدم برازش استفاده شد. مقادیر بهینه کاربرد نیتروژن و آب برای مقادیر مطلوب متغیرهای وابسته شامل عملکرد دانه، بازیافت نیتروژن، کارایی مصرف نیتروژن و کارایی مصرف آب در سه سناریوی اقتصادی، زیست‌محیطی و اقتصادی- زیست‌محیطی بررسی شد. نتایج نشان داد که اثر جزء خطی و درجه دو بر تمام صفات مورد مطالعه معنی‌دار بود. اثر متقابل دو عامل نیتروژن و آبیاری تنها بر کارایی مصرف نیتروژن و کارایی مصرف آب معنی‌دار بود. آزمون عدم برازش در مورد هیچ‌کدام از صفات معنی‌دار نشد که این امر نشان‌دهنده‌ی برازش مطلوب مدل رگرسیون درجه دو کامل بود. بیشترین عملکرد دانه با 4/3835 کیلوگرم در هکتار برای مصرف 200 کیلوگرم نیتروژن و 7500 مترمکعب در هکتار آبیاری به‌دست آمد. در سناریوی اقتصادی- زیست‌محیطی کاربرد 90 کیلوگرم نیتروژن در هکتار و 6000 مترمکعب در هکتار آبیاری موجب حصول کارایی مصرف نیتروژن با 93/15 کیلوگرم دانه بر کیلوگرم نیتروژن خاک، بازیافت نیتروژن 50 درصد، کارایی مصرف آب 5/0 کیلوگرم در مترمکعب و 3121 کیلوگرم در هکتار عملکرد دانه شد. به‌طور کلی، به نظر می‌رسد میزان مصرف منابع به‌ویژه آب و نیتروژن بر اساس سناریوی اقتصادی- زیست‌محیطی می‌تواند به‌عنوان راهکاری مطلوب در توسعه سطح زیر کشت و تولید پایدار کینوا به‌عنوان گیاهی جدید مد نظر قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


  1. Arbab Soleimani, A., and Ezzati, A. 2015. Nutritional value and functional properties of quinoa. Third National Conference on Agriculture and Sustainable Natural Resources. Tehran. (in Persian).
  2. Aslan, N. 2007. Application of response surface methodology and central composite rotatable design for modeling the influence of some operating variables of a Multi-ravity Separator for coal cleaning. Fuel 86: 769-776.
  3. Basra, S. M. A., Iqbal, S., and Afzal, I. 2014. Evaluating the response of nitrogen application on growth, development, and yield of quinoa genotypes. International Journal of Agriculture and Biology 16 (5): 886-892.
  4. Berti, M., Wilckens, R., Hevia, F., Serri, H., Vidal, I., and Mendes, C. 2000. Fertilization nitrogen ada en quinoa (Chenopodium quinoa Willd). Ciencia Investigsction Agraria 27: 81-90. (in Spanish with English abstract).
  5. Box, G. E. P., and Hunter, J. S. 1957. Multi-factor experimental designs for exploring response surfaces. The Institute of Mathematical Statistics. p. 195-241.
  6. Box, G. E. P., and Wilson, K. B. 1951. On the experiment attainment of optimum conditions. Journal of the Royal Statistical Society: Series B (Statistical Methodology) 13: 1-45.
  7. Clarke, G. M., and Kempson, R. E. 1997. Introduction to the Design and Analysis of Experiments. Arnold, London. 334 p.
  8. Dean, A., and Voss, D. 2002. Design and Analysis of Experiments. Springer Texts in Statistics. New York.
  9. Eickhout, B., Bouwman, A. F., and van Zeijts, H. 2006. The role of nitrogen in world food production and environmental sustainability. Agriculture, Ecosystems and Environment 116: 4-14.
  10. Erley, G. S. A., Kaul, H., Kruse, M., and Aufhammer, W. 2005. Yield and nitrogen utilization efficiency of the pseudocereals amaranth, quinoa, and buckwheat under differing nitrogen fertilization. European Journal of Agronomy 22 (1): 95-100.
  11. Geren, H. 2015. Effects of different nitrogen level on the grain yield and some yield components of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) under Mediterranean climatic conditions. Turkish Journal of Field Crops 20: 59-64.
  12. Goma, E. F. 2013. Effect of nitrogen, phosphorus, and biofertilizers on quinoa plant. Journal of Applied Sciences Research 9 (8): 5210-5222.
  13. Hatermink, A. E., Johnston, M. O., Sullivan, J. N., and Poloma, S. 2000. Nitrogen use efficiency of taro and sweet potato in the humid lowlands of Papua New Guinea. Agriculture, Ecosystems and Environment 79: 271-280.
  14. Heidari, N., Pouryousef, M., and Tavakoli, A. 2014. Effects of drought stress on photosynthesis, its parameters and relative water content of anise (Pimpinella anisum L.). Journal of Plant Research (Iranian Journal of Biology) 27 (5): 829-839. (in Persian with English abstract).
  15. Hosseinzad, J., Kazemieh, F., Javadi, A., and Ghafouri, H. 2013. Agricultural water management basis and mechanisms in Tabriz plain. Water and Soil Science 23 (2): 85-98. (in Persian with English abstract).
  16. Jacobsen S. E., Liu, F., and Jensen, C. R. 2009. Does root-sourced ABA play a role for regulation of stomata under drought in quinoa (Chenopodium quinoa Willd.). Scientia Horticulture 122 (2): 281-287.
  17. Jacobsen, S. E. 1998. Developmental stability of quinoa under European conditions. Industrial crops and products 7: 169-174.
  18. Jamali, S. 2016. Investigation the effect of different salinity and deficit-irrigation levels on yield and yield components of quinoa. M.Sc. Thesis, College of agriculture, Gorgan University of Agricultural Science and Natural Resources. Gorgan. Iran. (in Persian with English abstract).
  19. Jamali, S., Goldani, M., and Zeynodin, S. M. 2019. Evaluation the effects of periodic water stress on yield, yield components and water productivity on quinoa. Iranian Journal of Irrigation and Drainage 6 (13): 1687-1697. (in Persian with English abstract).
  20. Jayme-Oliveira A., Ribeiro Júnior, W. Q., Ramos, M. L. G., Ziviani, A. C., and Jakelaitis, A. 2017. Amaranth, quinoa, and millet growth and development under different water regimes in the Brazilian Cerrado. Pesquisa Agropecuária Brasileira 52 (8): 561-571.
  21. Kalavathy, H. M., Regupathib, I., Pillai, M. G., and Miranda, L. R. 2009. Modelling, analysis and optimization of adsorption parameters for H3PO4 activated rubber wood sawdust using response surface methodology (RSM). Colloids and Surfaces B: Bionterfaces 70: 35-45.
  22. Kazemi, M., Alizadeh, A., and Sharifan, H. 2019. Assessing different irrigation levels on Yield and Yield components of quinoa genotypes. Fourth National Research Conference on Development and Extension in Agriculture, Natural Resources, and Environment. Jiroft, Iran. (in Persian).
  23. Keshavarz, A., and Dehghani Sanij, H. 2012. Water Productivity Index and Solutions for Future Agricultural Activities in Iran. Economic Strategy 1: 199-233. (in Persian with English abstract).
  24. Khajavi-Shojaei, S., Moezzi, A., Norouzi Masir, M., and Taghavi Zahedkolaei, M. 2019. Study of kinetic and Isotherm for ammonium and nitrate adsorption by common reed (Phragmites australis) biochar from aqueous solution, Iranian Journal of Soil and Water Research 50 (8): 2009-2021. (in Persian with English abstract).
  25. Koocheki, A., Nassiri Mahallati, M., Amiri, M. B., and Fallah Poor, F. 2019. Optimization of nitrogen fertilizer and irrigation in wheat cultivation by central composite design. Journal of Agroecology 11 (2): 515-530. (in Persian with English abstract).
  26. Koocheki, A., Nassiri Mahallati, M., Khorramdel, S., and Morid Ahmadi, S. 2018 Optimization of plant density and nitrogen use in corn (Zea mays L.) by Central Composite Design. Iranian Journal of Field Crops Research 15 (4): 798-810. (in Persian with English abstract).
  27. Koocheki, A., Nassiri Mahallati, M., Moradi, R., and Mansouri, H. 2013. Optimization of water, nitrogen, and density in canola cultivation by central composite design. Journal of Agroecology 3 (1): 1-16. (in Persian with English abstract).
  28. Kwak, J. S. 2005. Application of Taguchi and response surface methodologies for geometric error in surface grinding process. International Journal of Machine Tools and Manufacture 45: 327-341.
  29. Latifi, H., Khorramdel, S., Nassiri Mahallati, M., and Farzaneh Belgerdi, M. R. 2018. Effects of nitrogen fertilizer and plant density on yield and nitrogen efficiency indices of sesame using a central composite design. Journal of Plant Production Research 25 (3): 125-140. (in Persian).
  30. Lilian, E. A. J. 2009. Chapter 1: Quinoa (Chenopodium quinoa Willd.): Composition, Chemistry, Nutritional, and Functional Properties. Advances in Food and Nutrition Research 58: 1-3.
  31. Manivannan, P., Abdul Jaleel, C., Sankar, B., Kishorekumar, A., Somasundaram, R., Lakshmanan, G. M. A., and Panneerselvam, R. 2007. Growth, biochemical modifications and proline metabolism in (Helianthus annusus L.) as induced by drought stress. Colloids and Surfaces 59: 141-149
  32. Matiasevich, S. B., Castellion, M. L., Maldonado, S. B., and Buera, M. P. 2006. Water-dependent thermal transition in quinoa embroys. Thermochimica Acta 448: 117-122.
  33. Montemuro, F., Maiorana, M., Ferri, D., and Convertini, G. 2006. Nitrogen indicators, uptake and utilization efficiency in a maize and barley rotation cropped at different levels and source of N fertilization. Field Crop Research 99: 114-421.
  34. Montgomery, D. C. 2001. Design and Analysis of Experiments. Fifth ed., John Wiley and Sons, New York.
  35. Myers, R. H., and Montgomery, D. C. 2002. Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments. 2nd Edition Wiley, New York.
  36. Obeng, D. P., Morrell, S., and Napier, T. J. N. 2005. Application of central composite rotatable design to modeling the effect of some operating variables on the performance of the three-product cyclone. International Journal of Mineral Processing 769: 181-192.
  37. Razzaghi, F., Bahadori-Ghasroldashti, M. R., Henriksen, S., Sepaskhah, A. R., and Jacobsen, S. E. 2020. Physiological characteristics and irrigation water productivity of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) in response to deficit irrigation imposed at different growing stages-A field study from Southern Iran. Journal of Agronomy and Crop Science 206 (3): 390-404.
  38. Rodrigues, G. C., and Pereira, L. S. 2009. Assessing economic impacts of deficit irrigation as related to water productivity and water costs. Biosystems Engineering 103: 536-551.
  39. Sepahvand, N. A., Tavazoa, M., and Kohbazi, M. 2010. Quinoa valuable plant for alimentary security and adaptation agricultural in Iran. 11th National Iranian Congress on Crop Science. 24-26 Jul. Tehran. (in Persian with English abstract).
  40. Shams, A. S. 2012. Response of quinoa to nitrogen fertilizer rates under sandy soil conditions. In Proc. 13th International Conf. Agron., Fac. of Agric., Benha Univ., Egypt (pp. 9-10).
  41. Shao, H. C., Yan, C. Y., Ning, Z., Gang, W., Yong-Bing, Y., Chang-Xing, Z., and Zan-Min, H. 2006. Investigation on the relationship of proline with wheat (Triticum spp.) anti-drought under soil water deficits. Colloids and Surfaces 53: 113-119
  42. Stikic, R., Jovanovic, Z., Majanovic, M., and Dordevic, S. 2015. The effect of drought on water regime and growth of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.). Ratar. Povrt. 52 (2): 80-84.
  43. Telahigue, D., Ben Yahia, L., Aljane, F., Belhouchett, K., and Toumi, L. 2017. Grain yield, biomass productivity and water use efficiency in quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) under drought stress. Journal of Scientific Agriculture 1: 222-232.
  44. Yang, A., Akhtar, S. S., Amjad. M., Iqbal, S., and Jacobsen, S. E. 2016. Growth and physiological responses of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) to drought and temperature stress. Journal of Agronomy and Crop Science 202 (6): 445-453.