مطالعه پیامدهای ناشی از تراکم جمعیتی گیاه، بر دینامیک جذب نیتروژن توسط گیاه ذرت

چکیده 

پیش بینی کارآمدی بهره گیری (استفاده) از نیتروژن (N)، که در اصطلاح به عنوان محصول دانه ای تولید شده به ازای هر واحد از کود نیتروژنی بکار گرفته شده تعریف می شود، در مورد ژنوتیپ ها و محیط های خاص گیاه ذرت (Zea mays,L) به دلیل اثرات متقابل محتمل (ممکن) معنی دار بین روش های عملی مدیریتی، بسیار سخت و پیچیده می باشد (به عنوان مثال، نرخ تراکم جمعیتی گیاه و کود نیتروژنه یا زمان بندی). هدف اصلی و عمده ی پژوهشی موجود در این مطالعه، بهره گیری از یک چارچوب کمی (مقداری) به منظور درک بهتر مکانیزم های فیزیولوژیکی است که دینامیک های N را در گیاه ذرت، در تراکم های جمعیتی مختلف نرخ های متفاوت از N کنترل می کند. هیبریدهای نیر- آیزوژنیک جفت شده (مثلا با/ بدون ذرت های تراریخته ی مقاوم به کرم ریشه (نوعی لارو ریشه خوار) )، به منظور مطالعه و بررسی آثار فردی و متقابل تراکم جمعیتی گیاه (پایین، 54000، متوسط 79000 و بالا 104000 گیاه در هر هکتار) و نرخ استفاده از کود نیتروژنه (پایین، 0، متوسط 165، و بالا330 کیلوگرم نیتروژن در هر هکتار) بر کارآمدی بهره گیری از نیتروژن و پاسخ های فیزیولوژیکی همراه آن در گیاه ذرت، در دو نقطه رشد داده شدند. تمام بیومس موجود بر سطح مزرعه (به ازای هر واحد سطح) تفکیک شده و هر دو پارامتر ماده ی خشک و میزان جذب نیتروژن در چهار مرحله ی رشدی گیاهان اندازه گیری شدند (V14, R1, R3, R6). هر دو پارامتر تراکم جمعیتی و نرخ نیتروژن بر پارامترهای رشدی و عملکرد دانه ای محصول در این مطالعه اثرگذار بودند، ولی اثر هیبرید قابل چشم پوشی بود. همانطور که انتظار می رفت، بیومس کلی موجود در سطح مزرعه و محتوی نیتروژنی در مرحله ی V14 به شدت دارای همبستگی بودند. با این حال، بیومس دانه ای تنها فاکتور کنترل کننده ی جذب نیتروژن در مرحله ی رویشی نبود، اگرچه در ذرت های بارور شده توسط نیتروژن در مقایسه با ذرت های بارورنشده توسط این ماده، غلظت های بالاتر از این ماده در ساقه ها یافت می شود، اما هر دو نوع گیاه (بارور شده و نشده) در مرحله ی v14 یک نوع بیومس مشابه در سطح مزرعه نشان دادند (از نظر مقداری). در مرحله ی R1، هر دو پارامتر تراکم جمعیتی و نرخ N به شدت روی نسبت محتوی نیتروژنی موجود در سطح مزرعه به شاخص سطح برگ تاثیرگذار بود، این نسبت با افزایش تراکم جمعیتی گیاه و کاهش نرخ استفاده از نیتروژن، کاهش نشان داد (کاهش یافت). تراکم های بالای جمعیتی گیاه ذرت به شکل قابل ملاحظه ای جذب نیتروژن در مرحله ی قبل- از تولید ابریشم را افزایش می دهد، ولی در مرحله ی بعد- از تولید ابریشم اثر نسبتا ناچیزی در شدت جذب نیتروژن در گیاهان موجود در هر دو منطقه ی کشت دارد. تفاوت های تیماری به کار رفته در مورد محصول دانه ای بیشتر در تفاوت های موجود در بیومس تولید شده در مرحله ی R6 در مقایسه با شاخص برداشت (HI) خود را نشان داد (در مورد مقادیری که هرگز از رقم 0.54 تجاوز نمی کنند و بالاتر نمی روند). بیومس کلی تولید شده در سطح مزرعه، با افزایش تراکم جمعیتی گیاه و نرخ کاربرد نیتروژن افزایش می یابد، پدیده ای که به شیوه ای مثبت، با نرخ رشد محصول زراعی بیشتر (CGR) و نرخ جذب نیتروژن (NUR) در طول دوره ی زمانی حیاتی طبقه بندی تولید ابریشم همراه خواهد بود. متوسط نرخ جذب نیتروژن در هر دو مکان کاشت برابر بود. تراکم های جمعیتی بالاتر، نرخ جذب نیتروژن را برای هر دو تیمار نیتروژنی متوسط و بالا افزایش می دهد، ولی تنها زمانی که تراکم جمعیتی گیاه به شکلی مثبت هر دو پارامتر کارآمدی بازیابی نیتروژن (NRE) و کارآمدی داخلی نیتروژن (NIE) مربوط به گیاه ذرت را تحت تاثیر قرار دهد. 

1.مقدمه و معرفی 

کارآمدی استفاده از نیتروژن (NUE) در گیاه ذرت اغلب به صورت محصول دانه ای تولید شده به ازای هر واحد از کود نیتروژنی مصرف شده تعریف می شود، و مفهوم کارآمدی استفاده از نیتروژن معمولا یک اندازه و مقدار کمی از میزان کارایی و توانایی گیاه در جذب و تبدیل نیتروژن به محصول و عملکرد دانه ای درون یک سیستم زراعی را فراهم می کند (تداعی می کند). کارایی و کارآمدی بهتر گیاه ذرت در جذب نیتروژن به منظور 1) کاهش آثار زیست محیطی مخرب ناشی از استفاده ی کودهای نیتروژنه (مثلا، کاهش آلودگی آب های سطحی و زیرزمینی توسط نیتروژن) 2) به منظور کاهش هزینه های وارد شده ناشی از کودهای نیتروژنه به ازای واحد عملکرد دانه ای (محصول دانه ای تولید شده) (مرجع) بایستی مورد توجه ویژه قرار بگیرد. به منظور دستیابی به یک درک بهتر از آثار روش های عملی مدیریتی مختلف (مثلا هیبریدها، تراکم های گیاهی، و نرخ خای استفاده از نیتروژن) در کارآمدی جذب نیتروژن توسط گیاه ذرت، آزمایش و بررسی مستقل مولفه ها و اجزای مروبط به NUE می تواند بسیار سودمند و مفید باشد (مرجع). دو مولفه ی اصلی و مهم مروبط به کارایی و کارامدی جذب نیتروژن (NUE) عبارتند از 1) کارآمدی بازیابی نیتروژن، که نشان دهنده ی توانایی گیاه موجود در سطح مزرعه برای بازیابی نیتروژن از کود نیتروژنه ی استفاده شده می باشد و 2) کارآمدی داخلی نیتروژن (NIE)، یا ظرفیت گیاهان در تبدیل نیتروژن جذب شده به محصول دانه ای نیتروژن (مرجع). ارزیابی های فردی از این مولفه های مذکور به منظور پیشرفت در درک این فرایندها و مکانیزم های فیزیولوژیکی (مثل جذب نیتروژن، جذب و ترکیب غذا، جابجایی، و ...) مربوط به چرخه ی نیتروژن درون گیاه موثر و مفید می باشد. به منظور دستیابی به کارآمدی بهتر و بالاتر در جذب نیتروژن توسط گیاه ذرت، برخی نویسندگان مشاهده کردند که مولفه ی کارآمدی بازیابی نیتروژن (NRE) در شرایط محیطی با میزان بالای نیتروژن موجود و در دسترس گیاه، از اهمیت بیشتری بخوردار می باشد، در حالیکه مولفه ی کارآمدی داخلی نیتروژن، در شرایط محیطی که مقدار نیتروژن کمی در دسترس گیاه باشد از اهمیت بیشتری برخوردار است (مرجع).

abstract

Nitrogen (N) use efficiency (NUE), defined as grain produced per unit of fertilizer N applied, is difficult to predict for specific maize (Zea mays L.) genotypes and environments because of possible significant interactions between different management practices (e.g., plant density and N fertilization rate or timing). The main research objective of this study was to utilize a quantitative framework to better understand the physiological mechanisms that govern N dynamics in maize plants at varying plant densities and N rates. Paired near-isogenic hybrids [i.e., with/without transgenic corn rootworm (Diabrotica sp.) resistance] were grown at two locations to investigate the individual and interacting effects of plant density (low—54,000; medium—79,000; and high—104,000 pl ha−1) and sidedress N fertilization rate (low—0; medium—165; and high—330 kg N ha−1) on maize NUE and associated physiological responses. Total aboveground biomass (per unit area basis) was fractionated and both dry matter and N uptake were measured at four developmental stages (V14, R1, R3 and R6). Both plant density and N rate affected growth parameters and grain yield in this study, but hybrid effects were negligible. As expected, total aboveground biomass and N content were highly correlated at the V14 stage. However, biomass gain was not the only factor driving vegetative N uptake, for although N-fertilized maize exhibited higher shoot N concentrations than N-unfertilized maize, the former and latter had similar total aboveground biomass at V14. At the R1 stage, both plant density and N rate strongly impacted the ratio of total aboveground N content to green leaf area index (LAI), with the ratio declining with increases in plant density and decreases in N rate. Higher plant densities substantially increased pre-silking N uptake, but had relatively minor impact on post-silking N uptake for hybrids at both locations. Treatment differences for grain yield were more strongly associated with differences in R6 total biomass than in harvest index (HI) (for which values never exceeded 0.54). Total aboveground biomass accumulated between R1 and R6 rose with increasing plant density and N rate, a phenomenon that was positively associated with greater crop growth rate (CGR) and nitrogen uptake rate (NUR) during the critical period bracketing silking. Average NUE was similar at both locations. Higher plant densities increased NUE for both medium and high N rates, but only when plant density positively influenced both the N recovery efficiency (NRE) and N internal efficiency (NIE) of maize plants. Thus plant density-driven increases in N uptake by shoot and/or ear components were not enough, by themselves, to increase NUE.

1. Introduction

Nitrogen use efficiency (NUE) in maize (Zea mays L.) is often defined as grain produced per unit of fertilizer N applied, and the NUE concept commonly provides a quantitative measure of the effectiveness of plants to take up and convert available N into grain yield within a cropping system. Improved maize NUE needs to be attained to (i) lessen negative environmental impacts associated with N fertilization (e.g., N losses to surface and ground water) and (ii) to reduce N fertilizer input costs per unit of grain yield produced (Cassman et al., 2003). To achieve a better understanding of the effects of different management practices (e.g., hybrids, plant densities, and N rates) on system-level NUE, it is beneficial to examine the main components of NUE independently (Salvagiotti et al., 2009). Two important components of NUE are (i) nitrogen recovery efficiency (NRE), which reflects the ability of aboveground plant parts to recover N from the fertilizer N applied, and (ii) nitrogen internal efficiency (NIE), or the capability of plants to transform the N taken up by the crop into grain N (Moll et al., 1982; Coque and Gallais, 2007). Individual evaluation of these NUE components is useful to advance understanding of the physiological mechanisms and processes (such as N uptake, assimilation, translocation, and remobilization) of the N cycle within the plant that consequently affect final grain NUE (Moll et al., 1982). To achieve high grain NUE, some authors have observed that the NRE component was more important under high N supply environments; whereas the NIE component was more essential in low N availability environments (Moll et al., 1982; Ma et al., 1998).

چکیده

1.مقدمه و معرفی

2. مواد و روش ها

2.1 روش های مدیریتی، ترکیب بندی آزمایشی، و تیمارها

2.2 فنولوژی گیاهی و اندازه گیری های آب و هوایی

2.3 اندازه گیری های بیومس موجود در سطح مزرعه

2.5 اندازه گیری های سطح برگ

2.6 تجزیه تحلیل های آماری

3.نتایج

3.1 فنولوژی

3.2 دینامیک های مربوط به توسعه ی سطح برگ

3.3 عملکرد دانه ای و مولفه های مربوط به این عملکرد

3.4 پارتیشن بندی و الگوهای تجمعی بیومس گیاهی

3.5 زمان بندی جذب نیتروژن توسط گیاه ، نرخ جذب، مقدار کمی (عددی) آن، و پارتیشن بندی آن

3.6 نسبت مقدار نیتروژن موجود در گیاه به تجمع بیومس و شاخص سطح برگ

3.7 نرخ جذب نیتروژن بعد از مرحله ی تولید ابریشم و عواقب آن (پیامدهای آن)

3.8 ارتباط های بیومس دانه و کلش، با محتوی نیتروژنی گیاه

3.9 شاخص های برداشت در مورد دانه و نیتروژن

3.10 شاخص کارآمدی (استفاده ی بهینه و مناسب) نیتروژن

4.بحث و نتیجه گیری

4.1 عملکرد محصول دانه ای، بیومس و مولفه های پارتیشن بندی

4.2 نرخ جذب نیتروژن: دوره های زمانی، توزیع و ارتباط با شاخص سطح برگ سبز

4.3 غلظت های حیاتی نیتروژن

4.4 ارتباط های بیومس دانه ای، غلظت نیتروژن دانه، و شاخص برداشت با جذب نیتروژن توسط گیاه و شیوه ی تخصیص آن

4.5 بازبینی پارامتر NUE و مولفه ها و اجزای آن

5. نتیجه گیری

abstract

1. Introduction

2. Materials and methods

2.1. Management practices, experimental arrangement, and treatments

2.2. Weather measurements and crop phenology

2.3. Aboveground biomass measurements

2.4. Nitrogen indices

2.5. Leaf area measurements

2.6. Statistical analyses

3. Results

3.1. Phenology

3.2. Dynamics of leaf area development

3.3. Grain yield and yield components

3.4. Plant biomass accumulation patterns and partitioning

3.5. Plant N uptake timing, rates, quantities, and partitioning

3.6. Ratio of plant N quantity to LAI and biomass accumulation

3.7. Pre- versus post-silking N uptake and consequences

3.8. Grain and stover biomass relationships to plant N content

3.9. Harvest indices for grain and N

3.10. Nitrogen efficiency indices

4. Discussion

4.1. Grain yield, biomass and partitioning components

4.2. N uptake: time course, distribution and relationship with green LAI

4.3. Critical N concentration

4.4. Grain biomass, grain N concentration, and harvest index relationships to plant N uptake and allocation

4.5. Overview of NUE and its components (NIE and NRE)

5. Conclusions