بهینه‌سازی میزان کاربرد آب آبیاری، پلیمر سوپرجاذب رطوبت و کود دامی با استفاده از روش سطح-پاسخ (RSM): مطالعه روی کنجد (Sesamum indicum L.) در یک نظام زراعی اکولوژیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• محسن جهان
• مریم جوادی

گروه اگروتکنولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

10.22067/jcesc.2022.72603.1090

چکیده

باتوجه به تغییرات اقلیمی، افزایش و یا حفظ سطح کنونی تولید در شرایط بارندگی کم در مناطق نیمه‌خشک به‌عنوان چالشی مهم مطرح است و نیازمند تجدید نظر در روش‌های تولید و به‌ویژه نهاده‌های مصرفی است. در همین راستا و به‌منظور تعیین بهترین سطح آب آبیاری و نهاده‌های دوستدار محیط‌زیست شامل سوپرجاذب رطوبت و کود دامی در زراعت کنجد در یک ناحیه خشک و نیمه‌خشک، آزمایشی در قالب باکس-بنکن طراحی و طی سال زراعی 99-1398 در مزرعه دانشگاه فردوسی مشهد به اجرا درآمد. تیمارهای آزمایشی با توجه به سطوح بالا و پایین آب آبیاری (3000 و 1500 متر مکعب در هکتار)، سوپرجاذب رطوبت (160 و صفر کیلوگرم در هکتار) و کود گاوی (30 و صفر تن در هکتار) طراحی شدند، به طوری که نقطه مرکزی در هر تیمار سه مرتبه تکرار شد و کلاً 15 ترکیب تیماری به‌دست آمد. عملکرد دانه و ماده خشک، شاخص سطح برگ، وزن خشک برگ، تعداد کپسول در بوته، تعداد دانه در کپسول، وزن هزار دانه، درصد روغن دانه و کارآیی مصرف آب، به‌عنوان متغیرهای وابسته مورد اندازه‌گیری و محاسبه قرار گرفتند. سپس با استفاده از مدل رگرسیونی گام به گام و برازش تابع درجه دو کامل به داده‌ها، سطح- پاسخ متغیرهای وابسته تحت تأثیر تیمارهای آزمایشی محاسبه و رسم شد. اثر جزء خطی کود دامی از مدل رگرسیونی بر عملکرد زیستی، اثر جزء خطی آبیاری و کود دامی بر تعداد کپسول در دانه و همچنین اثر جزء خطی سوپرجاذب بر درصد روغن دانه معنی‌دار بود. اثر جزء درجه دو کود دامی بر وزن هزار دانه، در سطح احتمال یک درصد معنی‌دار بود که حاکی از اثربخشی کود دامی بر اجزای عملکرد و در نهایت عملکرد دانه است. بیشترین مقدار بهره‌وری آب آبیاری، برابر با 2/2 کیلوگرم دانه به ازای متر مکعب آب، برای سطح آبیاری2250 متر معکب حاصل شد. بهینه سازی با هدف تولید بیشترین عملکرد دانه انجام شد، که در این حالت بیشترین عملکرد دانه (4541 کیلوگرم در هکتار) با سه هزار مترمکعب آب آبیاری در هکتار، بدون سوپرجاذب و با 30 تن در هکتار کود دامی حاصل شد. در گام بعد، به منظور بررسی نقش سوپرجاذب در صرفه‌جویی آب، بهینه‌سازی با نصف آب آبیاری، 100 کیلوگرم در هکتار سوپرجاذب و بدون کاربرد کود دامی انجام شد که منجر به تولید 3380 کیلوگرم در هکتار دانه شد. در حالت سوم، نتایج بهینه‌سازی که برای آب آبیاری در دامنه 1500 تا 2250 مترمکب در هکتار (شرایط کم آبیاری)، بدون کاربرد سوپرجاذب و مقدار کود دامی از صفر تا 30 تن در هکتار انجام گرفت، نشان داد که با استفاده از 2250 متر مکعب در هکتار آب و 30 تن در هکتار کود دامی، می‌توان به عملکرد دانه‌ای معادل با 4186 کیلوگرم در هکتار دست یافت. به‌طور کلی، نتایج حاصل ازاین آزمایش نشان داد که با استفاده از نهاده‌های دوستدار محیط‌زیست، می‌توان نسبت به زراعت باثبات کنجد اقدام نمود و به عملکردی با ثبات و فراتر از عملکرد سیستم‌های رایج پرنهاده، دست یافت.

کلیدواژه‌ها

• ثبات تولید
• خشکی
• روغن دانه
• صرفه اقتصادی
• نهاده بوم سازگار

20.1001.1.20081472.1401.20.3.2.5

موضوعات

• کودهای زیستی

---

مراجع

1. Abedi-Koupai, J., Sohrab, J., and Swarbrick, G. 2008. Evaluation of hydrogel application on soil water retention characteristics. Journal of Plant Nutrition 31: 317-331. (in Persian with English abstract).
2. Alizadeh, A., and Kamali, Gh. 2008. Water requirement of plants in Iran. Emam Reza University Press. (In Persian).
3. Amiri, M. B., Jahan, M., and Rezvani Moghaddam, P. 2022. An exploratory method to determine the plant characteristics affecting the final yield of Echium amoenum Fisch. and A. Mey. under fertilizers application and plant densities. Scientific Reports, 12:1881 DOI: 10.1038/s41598-022-05724-8
4. AOAC Official methods of analysis (OMA). 2012. In: Horwitz W, Latimer GW, editors. Association of official analytical chemists (AOAC). 20^th ed. Maryland (USA). http://www.aoac.org/aoac_prod_imis/aoac/publications/official_methods_of_analysis/aoac_member/pubs/oma/aoac_official_methods_of_analysis.aspx?hkey=5142c478-ab50-4856-8939-a7a491756f48. Accessed 29 May 2012.
5. Bannayan, M., Sanjani, S., Alizadeh, A., Lotfabadi, S. S., and Mohamadian, A. 2010. Association between climate indices, aridity index, and rainfed crop yield in northeast of Iran. Field Crops Research 118 (2): 105-114.
6. Box, G., and Behnken, D. 1960. Some new three level designs for the study of quantitative variables. Technometrics 2: 455-475.
7. Dabhi, R., Bhatt, N., and Pandit, B. 2013. Super absorbent polymers-An innovative water saving technique for optimizing crop yield. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology 2 (10): 5333-5340
8. El Gendy, S. A., Hosni, A. M., Omer, E. A., and Reham, M. S. 2001. Variation in herbage yield, essential oil yield and oil composition on sweet basil (Ocimum bacilicum) grown organically in a newly reclaimed land in Egypt. Arab Universities Journal of Agricultural Science 9: 915-933.
9. El-Habbasha, S. F., Abd El Salam, M. S. and Kabesh, M. O. 2007. Response of two sesame varieties (Sesamum indicum) to partial replacement of chemical fertilizers by bio-organic fertilizers. Research Journal of Agriculture and Biological Sciences 3 (6): 563-571.
10. Eneji, A. E., Islam, R., An, P., and Amalu, U. C. 2013. Nitrate retention and physiological adjustment of maize to soil amendment with superabsorbent polymers. Journal of Cleaner Production 52: 474-480.
11. Eriksson, L., Johansson, E., Kettaneh-Wold, N., Wikstrom, C., and Wold, S. 2008. Design of experiments principles and applications. 3rd Edition, UMETRICS Academy, Sweden.
12. Fernandez, J. E., Alcon, F., Diaz-Espejo, A., Hernandez-Santana, V., and Cuevas, M. V. 2020. Water use indicators and economic analysis for on-farm irrigation decision: A case study of a super high density olive tree orchard. Agricultural Water Management, 233 (xxxx) xxxx. DOI: 1016/j.agwat.2020.106074
13. Islam, M., Xue, X., Mao, S., Ren, C., Eneji, A., and Hu, Y. 2011. Effects of watersaving superabsorbent polymer on antioxidant enzyme activities and lipid peroxidation in corn (Zea mays ) under drought stress. Journal of the Science of Food and Agriculture 91: 813-819.
14. Jahan, M., Amiri, M. B., and Noorbakhsh, F. 2017. Evaluation of the increased rates of water super absorbent and humic acid application under deficit irrigation condition on some agroecological characteristics of Zea mays L. using response surface methodology. Iranian Journal of Field Crops Research 14 (4): 746-764. (in Persian with English abstract). DOI: 22067/gsc.v14i4.48347
15. Jahan, M., and Amiri M. B. 2018. Optimizing application rate of nitrogen, phosphorus and cattle manure in wheat production: An approach to determine optimum scenario using response-surface methodology. Journal of Soil Science and Plant Nutrition 18 (1): 13-26. DOI: 4067/S0718-95162018005000102
16. Jahan, M., and Ghalenoei, Sh. 2022. Challenges and Opportunities Faced on Food Production Systems in Arid and Semi-Arid Regions under Climate Change Conditions. Annals of Agriculturl and Crop Sciences 7 (2): 1109.
17. Jahan, M., Javadi, M., Hesami, E., and Amiri, M. B. 2021. Nutritional Management Improved Sesame Performance and Soil Properties: A Function- Based Study on Sesame as Affected by Deficit Irrigation, Water Superabsorbent and Salicylic Acid. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. DOI:10.1007/s42729-021-00557-2
18. Jahan, M., and Nassiri Mahallati, M. 2020. Can Superabsorbent Polymers Improve Plants Production in Arid Regions? Advances in Polymer Technology, Volume 2020, Article ID 7124394, 8 pages. https://doi.org/10.1155/2020/7124394
19. Jahan, M., Nassiri Mahallati, M., Khalilzadeh, H., Bigonah, R., and Razavi, A. R. 2016. Optimizing of Nitrogen, Phosphorus and Cattle Manure Fertilizers Application in Winter Wheat Production Using Response-Surface Methodology (RSM). Iranian Journal of Field Crops Researc 13 (4): 823-839.
20. Jahan, M., Nassiri Mahallati, M. 2022. Modeling the Response of Sesame (Sesamum indicum) Growth and Development to Climate Change under Deficit Irrigation in a Semi-arid Region. PLOS CLIMATE (Published Online on June 30 2022). https://journals.plos.org/climate/
21. Javadi, H., Rezvani Moghaddam, P., Rashed Mohasel, M. H., and Seghatoleslami, M. J. 2021. Effect of Organic, Biological and Chemical Fertilizers on Yield, Yield Components and Oil Percent of Common Purslane (Portulaca oleracea ). Iranian Journal of Field Crops Research 19 (1): 17-32. (in Persian with English abstract). DOI: 10.22067/gsc.v19i1.84776
22. Koocheki, A., Nasiri Mahallati, M., and Momen, A. 2021. Optimization of Irrigation and Plant Density of Corn (Zea mays ) by Using Response-Surface Methodology. Journal of Agroecology 12 (4): 581-594. (in Persian with English abstract). DOI: 10.22067/agry.2020.37564
23. Kramer, P. 1988. Measurement of plant water status: Historical perspectives and current concerns. Irrigation Science 9: 275-287.
24. Latifi, H., Khorramdel, S., Nassiri Mahallati M., Vafabakhsh J., and Mollafilabi, A. 2019. Effect of nitrogen fertilizer and plant density on seed yield and oil yield of sesame using a central composite design. Iranian Journal of Field Crops Research 17(3): 427-439. (in Persian with English abstract). DOI: 22067/gsc.v17i3.72836
25. Mahajan, G., Chauhan B. S., Timsina J., and Singh, P. P. 2012. Crop performance and water- and nitrogen-use efficiencies in dry-seeded rice in response to irrigation and fertilizer amounts in northwest India. Field Crops Research 134: 59-70. DOI: 1016/j.fcr.2012.04.011
26. Mansoori, H., Banayan Aval, M., Rezvani Moghaddam, P., and Lakzian, A. 2014. Management of nitrogen fertilization, irrigation and planting density in Allium hirtifolium by using central composite optimizing method. Iranian Journal of Agricultural Knowledge and Sustainable Production 24: 40-60. (in Persian with English abstract).
27. Modafe Behzadi, N., Rezvani Moghaddam, P., and Jahan, M. 2018. The effect of organic and chemical fertilizers on qualitative and quantitative yield of indigo (Indigofera tinctoria) at irrigation levels under bam climatic conditions. Iranian Journal of Field Crops Research 16 (1): 49-65. (in Persian with English abstract). DOI: 10.22067/gsc.v16i1.54983
28. Mohajer, A. R. 2017. Imports 38 billion dollars of oil and meal over the past 25 years to the country. Interview with the Project Manager of Oil Seeds Project, Ministry of Jihad-e-Agriculture. Mehr news agency. 5 September (in Persian).
29. Morison, J., Baker, N. R., Mullineaux P. M. and Davies, W. J. 2007. Improving water use in crop production. Advances in Water Research 34 (2): 272-281.
30. Myers, R. H., and Montgomery, D. C. 1995. Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. John Willey and Sons, New York, USA.
31. Nassiri Mahallati, M., and Jahan, M. 2020. Using the AquaCrop model to simulate sesame performance in response to superabsorbent polymer and humic acid application under limited irrigation conditions. International Journal of Biometeorology. DOI: 1007/s00484-020-02001-z
32. Nassiri Mahallati, M., Koocheki, A., Fallahpour, F., and Amiri, M. B. 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 absract). DOI: 22067/jag.v11i2.31912
33. Natesan, R., Kandasamy, S., Thiyageshwari, S., and Boopathy, P. M. 2007. Influence of lignite humic acid on the micronutrient availability and yield of blackgram in an alfisol. Science World Journal 7: 1198-1206.
34. Nyakudya, I. W., and Stroosnijder, L. 2014. Effect of rooting depth, plant density and planting date on maize (Zea mays ) yield and water use efficiency in semi-arid Zimbabwe: Modelling with AquaCrop. Agricultural Water Management 146: 280-296.
35. Nykanen, V. P. S., Nykanen, A., Puska, M. A., Goulart-Silva, G., and Ruokolainen, J. 2011. Dual-responsive and super absorbing thermally cross-linked hydrogel based on methacrylate-substituted polyphosphazene. Soft Matter 7: 4414-4424.
36. Reza, A., Friedel, J. K., and Bodner, G. 2012. Improving water use efficiency for sustainable agriculture,” in Agroecology and Strategies for Climate Change, E. Lichtfouse, Ed., pp. 167-211, Springer, Berlin, Germany, 2012.
37. Rezvani Moghaddam, P. 2008. Modern and Neglected Plants. In: Modern Agronomy, Koocheki, A., and Khajeh Hosseini, M. Press of Jihad-e Daneshgahi of Mashhad, Iran. (In Persian).
38. Samavat, S., Pazuki, A., Ladan Moghaddam, A., and Samavat, S. 2008. The applied principles of organi matters in agriculture. Islamic Azad University Press, Garmsar Branch.
39. Tahami, M. K., Rezvani Moghaddam, P., and Jahan, M. 2014. The effect of organic and chemical fertilizers on growth characteristics of Ocimum basilicum Iranian Journal of Field Crops Research 5(4): 363-372.
40. Vessey, J. K. 2003. Plant growth promoting rhizobacteria as biofertilizer. Plant and Soil 255: 571-586.
41. Wang, W., and Wang, A. 2010. Nanocomposite of carboxymethyl cellulose and attapulgite as a novel pH-sensitive superabsorbent: Synthesis, characterization and properties. Carbohydrate Polymers 82: 83-91.
42. Wu, Y., Jia, Z., Ren, X., Zhang, Y., Chen, X., Bing, H., and Zhang, P. 2015. Effects of ridge and furrow rainwater harvesting system combined with irrigation on improving water use efficiency of maize (Zea mays) in semi humid area of China. Agricultural Water Management 158: 1-9.
43. Xie, L., Liu, M., Ni, B., Zhang, X., and Wang, Y. 2011. Slow-release nitrogen and boron fertilizer from a functional superabsorbent formulation based on wheat straw and attapulgite. Chemical Engineering Journal 167: 342-348.
44. Yazdani, F., Allahdadi, I., and Akbari, G. A. 2012. Impact of superabsorbent polymer on yield and growth analysis of soybean (Glycine max) under drought stress condition. Pakistan Journal of Biological Sciences 10: 4190-4196.
45. Zhong, K., Lin, Z. T., Zheng, X. L., Jiang, G. B., Fang, Y. S., Mao, X. Y., and Liao, Z. W. 2013. Starch derivative-based superabsorbent with integration of water-retaining and controlled-release fertilizers. Carbohydrate Polymers 92: 1367-1376.