Agroecological study of wheat double cropping systems in conventional, sustainable and organic production agricultural systems

مقدمه

هدف کشاورزی پایدار، ایجاد سیستم‏های تولیدی بادوام و نظام‏مند است که تضادی با دیدگاه‏های زیست‏محیطی و اقتصادی- اجتماعی نداشته باشد و به ثبات در تولید همراه با حفظ منابع پایه تأکید دارد (Brower, 2004). ‏با وجود مشکلات مرتبط با کشاورزی فشرده همچون آلودگی محیط، فرسایش خاک، کاربرد سموم و کودهای شیمیایی، کشاورزی ارگانیک با افزایش فراهمی مواد آلی در خاک‏، به‏عنوان یک راهکار برای کاهش اثرات نامطلوب کشاورزی فشرده گرفته می‏شود؛ هرچند که میزان کل تولید در کشاورزی ارگانیک کمتر از کشاورزی فشرده گزارش شده است. این شکاف عملکرد، با عنوان "تفاوت ساختاری بین عملکرد سیستم‏های کشاورزی مختلف" یک نگرانی در رابطه با پتانسیل کشاورزی ارگانیک به‏عنوان راهکاری پایدار برای تأمین نیاز غذایی رو به رشد انسانی و خوراک دام می‏باشد (Schrama et al., 2018). البته (2014) Robertson et al. بیان داشتند که با گذشت زمان، شکاف عملکرد بین بوم‏نظام کشاورزی ارگانیک و فشرده کاهش خواهد یافت.

از سوی دیگر، توالی گیاهان زراعی که از اصول کشاورزی پایدار محسوب می‌شود، در واقع یک راه‌کار شناخته‌ شده‌ زراعی است که باعث بهبود عملکرد گیاهان زراعی خواهد شد. در چند سال اخیر، به‏علت جایگزین شدن سیستم‏های تک‏کشتی و پیشرفت فناوری، جذابیت استفاده از تناوب گیاهی علمی کاهش یافته است (Aynehband, 2005; Sindelar et al., 2015). بهبود عملکرد گیاه زراعی، کاهش ریسک تولید در طول سال و افزایش سود، از جمله مزایای به‏کارگیری تناوب صحیح محصولات زراعی است (Williams et al., 2012; Liebig et al., 2014). به‏علاوه، بهبود در ساختار خاک، فراهمی بهتر عناصر غیر نیتروژنه‌ و کاهش ترکیبات سمی و آللوپاتیک، از جمله مهم‏ترین فواید غیر نیتروژنه توالی گندم-بقولات بیان شد (Coulter et al., 2011; Schlegelet et al., 2019). (2016)‏Abdulahi  با بررسی توالی‏های مختلف کشت برای گیاه گندم در منطقه کرمانشاه بیان داشت که عملکرد دانه گندم در کشت متوالی نسبت به سایر تناوب‏ها کاهش داشت. همچنین بیان داشت که با توجه به این‌که عملکرد دانه گندم در توالی با آیش نسبت به توالی با سایر محصولات زراعی (نخود، ماشک و گلرنگ) برتری نداشت (در یک کلاس آماری قرار گرفت)، بنابراینبنابراین، حفظ و جایگزینی گیاهان زراعی در توالی سودمندتر بود. همچنین اظهار شد که برتری عملکرد دانه‌ گندم در توالی با لوبیا و آفتابگردان در مقایسه با تک‏کشتی، به‏دلیل تعداد و طول سنبله‌ و تعداد دانه در سنبله‌ی بیش‏تر بود.‏Debeake & Hilaire (1997) بیان داشتند که طی نه سال آزمایش، عملکرد دانه گندم در تناوب های زراعی مختلف شرایط کم‏نهاده تفاوت معنی‏داری نداشت، اما در شرایط مصرف متوسط نهاده و کم‏آبیاری و نیز مصرف زیاد نهاده و آبیاری کامل، تفاوت معنی‏دار بین عملکرد گندم در تناوب‏های مختلف مشاهده شد. بنابراین نتیجه گرفتند که در انتخاب نوع تناوب زراعی، علاوه بر نوع گیاه بایستی سایر عوامل مدیریت زراعی نیز در نظر گرفته شوند.

در مجموع و با توجه به مطالب گفته شده، هدف از اجرای این پژوهش، مطالعه خصوصیات اکوفیزیولوژیکی گندم تحت تأثیر تغییر نوع الگوی کشاورزی از فشرده به ارگانیک در نظام‏های مختلف کشت مضاعف بود.

مواد و روش‏ها

این آزمایش در طی دو فصل تابستان و زمستان سال زراعی 98 -1397 در مزرعه‏ تحقیقاتی دانشکده کشاورزی دانشگاه شهید چمران اهواز اجرا شد. آزمایش به‌صورت طرح کرت‏های یک‏بار خردشده در قالب پایه بلوک‏های کامل تصادفی و با سه تکرار انجام شد. فاکتور اصلی نوع سیستم کشاورزی در سه سطح بود که عبارتند از: 1- کشاورزی رایج (فشرده): شرایطی که تمامی نهاده‏های کودی و مبارزه با آفات در این سیستم به‏صورت شیمیایی (استفاده از سم رانداپ قبل از کاشت برای کنترل علف هرز غالب مزرعه (مرغ) انجام گرفت ولی در این سیستم کشاورزی، بقایا مدیریت نشد؛ 2- کشاورزی پایدار: این سیستم تلفیقی از ارگانیک و فشرده بود که در آن از نهاده‏های کودی شیمیایی و غیرشیمیایی (برای گیاهان ماش، کنجد و گندم معادل 5/7 تن در هکتار کمپوست و پنج تن در هکتار ورمی‏کمپوست و برای ذرت معادل 10 تن در هکتار کمپوست و 5/7 تن در هکتار ورمی‏کمپوست) استفاده شد و مبارزه با آفات، به‏صورت تلفیقی صورت گرفت. همچنین 15 درصد از بقایای گیاهی سال قبل (برای ماش: معادل 415، ذرت معادل: 216 و کنجد معادل: 656 گرم در متر مربع) به خاک برگردانده شد و 3- کشاورزی ارگانیک: در این سیستم تمامی نهاده‏های کودی به‏صورت آلی و غیرشیمیایی بود به‏گونه‏ای که برای گیاهان ماش، کنجد و گندم معادل 15 تن در هکتار کمپوست و 10 تن در هکتار ورمی‏کمپوست و برای ذرت معادل 20 تن در هکتار کمپوست و 15 تن در هکتار ورمی‏کمپوست استفاده شد. به‏علاوه محلول‏پاشی هیومیک اسید در مرحله‏ی 50 درصد از گرده‏افشانی گندم صورت گرفت و مبارزه با آفات و بیماری‏ها به‏صورت مکانیکی انجام شد. به‏علاوه 30 درصد از بقایای گیاهی سال قبل (برای ماش معادل: 830، ذرت معادل: 432 و کنجد معادل: 1312 گرم در متر مربع) به خاک برگردانده شد. فاکتور فرعی نوع گیاه زراعی پیش کاشت در کشت مضاعف با گندم و شامل کاشت گیاهان زراعی ماش، ذرت، کنجد و آیش (نکاشت) بود. کاشت گیاهان در دو مرحله صورت گرفت؛ مرحله‌ی اول شامل کشت گیاهان تابستانه قبل از گندم و مرحله‌ دوم شامل کشت گندم بود. اولین آبیاری همزمان با تاریخ کاشت هر کدام از گیاهان مورد مطالعه بود. برای ماش، تراکم 400 هزار بوته در هکتار، رقم  CN- 9- 3، میزان N- P- K معادل 50-50- 30 کیلوگرم در هکتار، تاریخ کاشت 15 تیرماه سال 97 و تاریخ برداشت اواسط مهر 1397 بود. برای کنجد، تراکم 200 هزار بوته در هکتار، رقم داراب 14، میزان N- P- K معادل 50-50- 75 کیلوگرم در هکتار تاریخ کاشت 15 تیرماه سال 97 و تاریخ برداشت اواخر مهر 1397 در نظر گرفته شد. برای ذرت، تراکم 75 هزار بوته در هکتار، رقم S.C.704، میزان N- P- K معادل 100-100- 200 کیلوگرم در هکتار، تاریخ کاشت چهار مرداد سال 97 و تاریخ برداشت اواسط آبان 1397 بود و برای گندم، تراکم 4000000 بوته در هکتار، رقم چمران دو، میزان N- P- K معادل 100-100- 110 کیلوگرم در هکتار در نظر گرفته شد و تاریخ کاشت 21 آذر سال 97 و تاریخ برداشت اواخر اردیبهشت 1398 بود.

بررسی خصوصیات کمی و کیفی گندم

بوته‏ها از مساحتی معادل دو متر‏مربع که شامل ردیف‏های میانی در هرکرت بود برداشت شد. عملکرد و اجزای عملکرد گندم شامل تعداد دانه در بوته، وزن تک‏سنبله، هزار دانه و‏ کاه، عملکرد زیستی و دانه و شاخص برداشت و میزان پروتئین دانه اندازه‏گیری شد.

اندازه‏گیری وضعیت کربن آلی خاک پس از کشت مضاعف

برای اندازه‏گیری کربن آلی خاک، یک روز پس از برداشت گندم، نمونه‏های خاک از عمق 15 سانتی‏متری اولیه‏ خاک برداشت و هوا خشک شدند و سپس به روش والکی‏بلک (Walkley and Black)، میزان کربن آلی آن‏ها اندازه‏گیری شد.

شاخص های بررسی انتقال ماده‏ی خشک عبارتند از:

= انتقال مجدد ماده‏ی خشک (گرم در بوته)  وزن اندام هوایی به‏جز دانه در زمان رسیدگی – حداکثر ماده‏ی خشک تولیدشده در زمان گرده‏افشانی (1)

(2) حداکثر ماده‏ی خشک تولیدشده در زمان گرده‏افشانی/ انتقال ماده‏ی خشک = کارآیی انتقال مجدد

(3)  100 × عملکرد دانه / انتقال مجدد ماده‏ی خشک= سهم انتقال مجدد در عملکرد دانه

(4) انتقال مجدد ماده‏ی خشک –عملکرد دانه = میزان فتوسنتز جاری (گرم در بوته)

(5) حداکثر ماده‏ی خشک تولیدشده در زمان گرده‏افشانی/ فتوسنتز جاری ماده‏ی خشک = کارآیی فتوسنتز جاری

(6) 100 × عملکرد دانه / انتقال جاری ماده‏ی خشک

سهم فتوسنتز جاری ماده خشک در عملکرد دانه

برای برآورد میزان انتقال مجدد (انتقال مواد از اندام‏های رویشی به دانه) و انتقال جاری مواد فتوسنتزی، بیست بوته در زمان گرده‏افشانی و بیست بوته در زمان رسیدگی برداشت شدند و پس از خشک کردن (قراردادن در آون با دمای 75 درجه سانتی‏گراد به مدت 72 ساعت یا بیشتر تا زمان تثبیت وزن خشک نهایی)، وزن خشک آن‌ها اندازه‌گیری شد و با استفاده از روابط 1 تا 6، شاخص‏های مورد نظر محاسبه شد. در این روابط، کاهش ناشی از تنفس در نظر گرفته نشده است و فرض شده است که تنفس برای شرایط محیطی مورد استفاده در این بررسی یکسان است.

تجریه آماری نتایج به کمک نرم افزار SAS نسخه 4/3 و مقایسه‌ میانگین‌ها به‏روش دانکن در سطح احتمال پنج درصد انجام گرفت.

نتایج و بحث

عملکرد و اجزای عملکرد

نتایج این آزمایش نشان می‏داد که همان‏طورکه انتظار می‏رفت، عملکرد دانه گندم تحت تاثیر نوع الگوی تولید قرار گرفت، به‏گونه‏ای که بیشترین (5/504 گرم در متر مربع) عملکرد دانه‏ گندم در سیستم تک‏کشتی فشرده به‏دست آمد. این برتری دور از انتظار نبود، زیرا سیستمی پرنهاده همراه با کاربرد نهاده‏های شیمیایی خاص است. البته نکته ارزشمند در این نتایج این است که هرچند عملکرد دانه گندم در روش پایدار (که در حقیقت حدواسطی بین روش فشرده و ارگانیک بود) کمتر از روش فشرده بود، ولی به‏لحاظ آماری، تفاوت معنی‏داری نداشت (پایدار: 34/514 و فشرده: 97/545 گرم در متر مربع) (جدول 1).

این مساله نشان می‏دهد که امکان کاهش کاربرد برخی نهاده‏ها مانند کود شیمیایی و جایگزینی آن‏ها با برخی نهاده‏های غیرشیمیایی (مانند کود زیستی و بقایای گیاهی) بدون افت قابل توجهی در عملکرد دانه وجود دارد. به‏هرحال، همانطور که پیش‏بینی می‏شد، کمترین عملکرد دانه (409 گرم در متر مربع) در شرایط ارگانیک به‏دست آمد (جدول 1). از دلایل این کاهش می‏توان از یک‏ به تفاوت در نوع نهاده‏ مصرفی اشاره داشت، زیرا نهاده‏های شیمیایی به‏سرعت توسط گیاه جذب و متابولیزه می‏شوند، درحالی‏که نهاده‏های آلی و زیستی، نیازمند یک فاصله‏ زمانی جهت قابل جذب شدن توسط گیاه (مانند تبدیل بقایای گیاهی به مواد معدنی) یا تأثیرگذاری بر روی گیاه می‏باشند (مانند کودهای زیستی). نکته‏ دیگری که باعث کاهش عملکرد گیاهان فعلی در سیستم‏های ارگانیک می‌شود و معمولاَ کمتر مورد توجه می‏قرار می‌گیرد این است که ارقام فعلی موجو،د اساساَ برای روش پرنهاده اصلاح شده‏اند. بنابراین هر گونه کاهش در مصرف نهاده‏های شیمیایی با تغییر در نوع آن‏ها، افت عملکرد گیاه را به‏دنبال خواهد داشت. بدیهی است این مشکل تا زمانی‏که ارقام خاص بر مبنای کشاورزی ارگانیک اصلاح شوند ادامه خواهد داشت. در این رابطه، محققان بیان داشتند که مصرف کود نیتروژنه در زمان مناس،ب به دلیل کاهش محدودیت مبدأ و افزایش دوام سطح برگ، موجب افزایش تعداد دانه در سنبله و نهایتاَ افزایش عملکرد دانه می‏شود (Spiertz and Ellen, 2008). همچنین محققان با بررسی سیستم‏های مختلف کشاورزی و ارقام مختلف گندم نشان دادند که سیستم‏ کشاورزی فشرده، به‏علت در دسترس بودن بیشتر عناصر غذایی و همچنین استقرار و توسعه سریع‏تر گیاه، از تعداد و وزن‏ هزار دانه و در نهایت عملکرد دانه بیشتری برخودار بود (Mayer et al., 2015).

بررسی اجزای عملکرد نشان می‏دهد‌ از آن‌جا‏که وزن هزار دانه در الگوی‏های مختلف کشت تفاوت معنی‏داری نداشت، به‏نظر می‏رسد که صفت تعداد دانه در وهله‏ اول و سپس وزن تک‏سنبله که خود تابعی از تعداد و وزن دانه‏هاست، بیشترین تأثیر را بر وضعیت عملکرد دانه داشته‏اند. در ادامه، زمانی‏که شاخص‏های کیفی مانند پروتئین دانه مورد بررسی قرار گیرد، مشخص می‏شود که برخلاف روند عملکرد کمی دانه، الگوی کشاورزی فشرده در مقایسه با الگوی ارگانیک به‏طور معنی‏داری درصد پروتئین دانه‏ کمتری دارا می‏باشد (6/9 در ارگانیک و 3/8 در الگوی فشرده) (جدول 1).

جدول 1- مقایسه میانگین اثر نوع سیستم کشاورزی (Conv: فشرده، Sust: پایدار و Org: ارگانیک) و نوع کشت مضاعف (M-W: ماش- گندم، C-W: ذرت- گندم، S-W: کنجد- گندم و F-W: آیش- گندم) بر خصوصیات کمی و کیفی گندم

Table 1. Mean comparison of the effect of type of agriculture systems (Conv: conventional, Sust: sustainable and Org: organic) and type of double cropping (M-W: mungbean- wheat, C- W: corn- wheat, S- W: sesame- wheat and F- W: fallow- wheat) on quantitative and qualitative characteristics of wheat yield

حروف مشابه در هر ستون، نشان‌دهنده عدم تفاوت معنی‏دار بین تیمارها می‏باشد.

Similar letters in the same column indicate non- significant difference between treatments.

دو دلیل برای این وضعیت می‏توان بیان نمود؛ اول این‏که بیشتر بودن تعداد دانه گندم در کشاورزی فشرده (47/35) (جدول 1) باعث شده است که پروتئین، بین مخازن بیشتری توزیع شود؛ بنابراین سهم هر مخزن (دانه) به لحاظ ذخیره پروتئین کاهش یافته است (با این استدلال که وزن هزار دانه، تفاوت معنی‏داری با کشاورزی ارگانیک نداشته است). دلیل دوم برای این تفاوت می‏تواند این نکته باشد که ترکیبات آلی و زیستی در مقایسه با نهاده‏های شیمیایی، به‏تدریج و دیرتر عناصر مورد نیاز گیاه به‏ویژه نیتروژن را در اختیار گیاه قرار می‏دهتد (تجزیه بقایای گیاهی به مواد معدنی و همچنین اوج فعالیت کودهای زیستی). به‏نظر می‏رسد که این مساله باعث خواهد شد که در انتهای دوره‏ رشد گیاه، عناصر به‏ویژه نیتروژن به میزان کافی در اختیار گیاه قرار گرفت و همراه با انتقال ماده‏ خشک به دانه، سهم پروتئین نیز بهبود یافته است. در این راستا محققان اظهار داشتند که سیستم همیاری گندم –باکتری در توالی‏های گیاهی با خانواده بقولات، با تأمین نیتروژن اضافی برای گیاه، حتی در شرایط نامناسب نیز در افزایش پروتئین‏های دانه نقش مؤثر و مفیدی دارد. بهبود درصد پروتئین دانه با تثبیت زیستی نیتروژن به کمک نیتروزوموناس توسط محققان گزارش شده است (Nielsen et al., 2018).

بخش دوم این آزمایش، بررسی وضعیت عملکرد و اجزای عملکرد گندم در نظام‏های کشت مضاعف بود. نتایج آن نشان داد که توالی ماش- گندم، بیشترین (47/535 گرم در متر مربع) و آیش- گندم کمترین (6/436 گرم در متر مربع) عملکرد دانه را تولید کرد (جدول 1). با وجود تفاوت در عملکرد گندم پس از گیاهان ماش، ذرت و کنجد، این اختلاف‏ها معنی‏دار نشد. اگرچه در بین گیاهان زراعی، کاشت گندم پس از کنجد، کمترین عملکرد دانه (08/486 گرم در متر مربع) را تولید کرد، اما نکته قابل توجه این است که حضور گیاهان زراعی (بقولات، غلات و دانه‏های روغنی) قبل از گندم، از عدم حضور آن‏ها (آیش) بهتر است (جدول 1). یک دلیل قابل استناد برای این وضعیت می‏تواند این نکته باشد که در کشاورزی فشرده، بخشی از نهاده‏های شیمیایی مصرفی به‏ویژه کودها، توسط گیاه تابستانه مورد استفاده قرار نگرفته و در خاک باقیمانده است و در ادامه توالی، توسط گندم مصرف شده است. همچنین برخی ترکیبات آلی مانند بقایای گیاهی گیاهان تابستانه مصرف شده ممکن است به دلیل تجزیه کند، معدنی شدن آن‏ها دیرهنگام صورت گرفته است که باعث شده است که بخشی از عناصر معدنی آن در خاک باقی بماند و توسط گیاه گندم در توالی جذب شود. این دو فرضیه می‏تواند توجیهی برای برتری حضور گیاهان تابستانه در مقایسه با آیش تابستانه باشد. ولی به‏هر‏حال، برتری عملکرد گندم در توالی پس از ماش، با هر دو عامل اثرات مفید نیتروژن زیستی و اثرات مفید غیرنیتروژنه در ارتباط خواهد بود. این مزیت حضور بقولات در توالی گندم در ادامه باعث شده که به‏لحاظ کیفی نیز بیشترین میزان پروتئین دانه گندم (01/10 درصد) در توالی ماش- گندم به‏دست آید؛ هرچند که به لحاظ آماری، تفاوتی با حضور با سایر گیاهان ندارد، ولی به‏هرحال در مجموع عدم حضور گیاهان در توالی با گندم (آیش) به‏طور معنی‏داری کمترین پروتئین دانه (24/8 درصد) را در مقایسه با حضور گیاهان در توالی با گندم را دارا بود (جدول 1). محققان اظهار داشتند که اختلاف عملکرد بین نظام‏های تولید ارگانیک و فشرده در گندم، احتمالاً تحت تاثیر دو عامل می‏باشد؛ اول این‌که اثرات فراهم‏سازی شرایط مطلوب تولید در نظام کشاورزی ارگانیک و کشت مضاعف با مدیریت گندم زمستانه برای مثال در دسترس بودن مواد مغذی خاک، سایر عوامل باروری خاک که در جهت بهبود محتوای ماده آلی خاک استفاده می‏شوند، اسیدیته، ساختار خاک و غیره طولانی‏مدت حاصل می‏شود و دیگری، زمان آزادسازی نیتروژن خالص توسط حبوبات در توالی‏های تعیین شده می‏باشد  (Mayer et al., 2015).

نتایج اجزای عملکرد بین الگوهای کشت مضاعف نشان می‏دهد که رابطه‏ معکوسی بین وزن و تعداد دانه در توالی ماش- گندم وجود داشت؛ هرچند که سایر اجزای عملکرد مانند وزن تک‏سنبله، وزن کاه و عملکرد زیستی در این توالی برتر از سایر الگوهای کشت مضاعف می‏بود. بنابراین برتری عملکرد دانه تحت تاثیر حضور ماش قبل از گندم در مقایسه با حضور ذرت و کنجد قبل از گندم، اساساَ به‏دلیل بیشتر بودن وزن هزار دانه (22/43 گرم) در این تیمار بود، در حالی‏که عکس این حالت در توالی کنجد- گندم روی داد، به‏گونه‏ای که در این توالی، کمترین وزن هزار دانه (41 گرم) و بیشترین تعداد دانه (16/35) تولید شد، اما به‏هرحال عملکرد گندم پس از کنجد، کمتر از حضور گندم پس از ماش (07/500 گرم در متر مربع) بود (جدول 1). این نتایج بیان‏گر این است که تأثیر صفت وزن هزار دانه، بیشتر از صفت تعداد دانه بوده است. به‏هرحال در مجموع، بیشترین عملکرد دانه گندم (6/603 گرم در متر مربع) در توالی ماش- گندم و در الگوی فشرده به‏دست آمد، درحالی‏که بیشترین پروتئین دانه (12/12درصد) در همین توالی (ماش- گندم) ولی در الگوی ارگانیک حاصل شد (جدول 1). از نتایج به‏دست آمده می‏توان چنین استنباط نمود که رشد اولیه گندم در توالی با کنجد، به‏علت تغذیه اولیه به‏وسیله کودهای شیمیایی (الگوی فشرده) و آلی (ارگانیک)‌ مناسب بوده است، اما در ادامه گیاه برای گسترش بیشتر سطوح فتوسنتز کننده و همچنین پرشدن دانه‏های تولیدشده با کمبود مواد غذایی روبرو شده است که دلیل این‏ امر را می‏توان تخلیه عناصر غذایی توسط ریشه‏های گسترده و قوی کنجد از نقاط مختلف خاک بیان نمود. در مقابل، حضور ماش قبل از گندم در توالی سبب شده است تا نیتروژن تثبیت شده توسط ریشه‏های ماش، به‏آرامی در خاک رها شود و در دسترس گیاه قرار گیرد. (2009) Siadat et al. در تحقیقات خود در منطقه ملاثانی اهواز نشان دادند که عملکرد گندم در توالی با یونجه، به‏ترتیب بیشتر از عملکرد این گیاه در توالی با کلزا، ذرت، آیش و کنجد بود. آن‏ها از جمله دلایل برتری این توالی کشت را افزایش بهبود نیتروژن خاک و استفاده کاراتر گندم از نیتروژن حاصل از همزیستی نسبت دادند.

جدول 2- همبستگی ساده بین صفات عملکرد و اجزای عملکرد گندم

Table 2. Simple correlation between wheat yield and its component

**، * و ns: به‌ترتیب معنی‌دار در سطح یک و پنج درصد و غیر معنی‌دار (≤0.05).

^**, ^* and ns: significant at 1% and 5% of probability levels and non- significant, respectively (≤0.05).

نتایج همبستگی بین صفات نشـان داد (جدول 2) که عملکـرد دانـه بـا صـفات تعداد دانه در سنبله، وزن هزار دانه، کاه و سنبله، عملکرد زیستی و پروتئین دانه همبستگی مثبت و معنی‏دار داشت. وجود همبستگی مثبت و معنی‏دار بین عملکرد دانه و وزن کاه می‏تواند نشان دهنده آن باشد که سهمی از ذخایر ساقه در مراحل پرشدن دانه، به دانه منتقل شده است. همچنین با بررسی وضعیت همبستگی بین تعداد دانه و وزن هزار دانه نیز می‏توان دریافت که افزایش تعداد دانه، باعث کاهش وزن هزار دانه شد.   

بررسی شاخص‏های انتقال مواد فتوسنتزی

سیستم فشرده به لحاظ شاخص‏های میزان فتوسنتز جاری (28/397 میلی‏گرم در بوته)، کارآیی فتوسنتز (01/1) و سهم فتوسنتز جاری (9/72) در مقایسه با سایر سیستم‏ها از برتری معنی‏داری برخوردار بود (جدول 3)، درحالی‏که سیستم پایدار به لحاظ شاخص‏های میزان انتقال مجدد (33/170 میلی‏گرم در بوته) و کارآیی آن (42/0) و سهم انتقال مجدد (8/33)، الگوی برتری محبود (جدول 3). این نتایج نشان می‏دهد که آن‏دسته از شاخص‏هایی که در ارتباط با فتوسنتز جاری مطرح می‏باشند، در سیستم فشرده برتر هستند؛ در مقابل آن‏دسته شاخص‏هایی که در ارتباط با انتقال مجدد مطرح می‏باشند، در سیستم پایدار برترند. به‏نظر می‏رسد که فراهمی سریع‏تر عناصر در کودهای شیمیایی و سازگاری بیشتر رقم گندم با نظام‏های فشرده همگی باعث شده است تا بوته‏های گندم، دوره‏ رشدی، سطح برگ و ارتفاع مطلوب‏تری داشته باشند این مساله، توان فتوسنتزی گیاهان را بهبود داده است و با تداوم سبزینگی، وابستگی آن‏ها را به ذخایر انتقال مجدد کمتر کرده است. در مقابل در شرایط تلفیقی (نظام پایدار) که ترکیبی از نهاده‏های شیمیایی و آلی به‏کار گرفته شده است، احتمالاَ در ابتدای رشد، شرایط مطلوب‏تر بوده است و گیاه در اواخر دوره‏ رشدی با محدودیت تولید کربوهیدرات‏های جاری توسط سطوح فتوسنتز کننده روبرو شده است؛ در نتیجه  سهم ذخایر انتقال مجدد در پر شدن دانه‏های تولید شده افزایش یافته است. در این رابطه محققان بیان داشتند که تأمین به موقع نیتروژن موجب می‏شودکه گیاه برای پرکردن دانه، به‏دلیل شاخص سطح برگ بالاتر، به‏طور عمده از فتوسنتز جاری استفاده کند، در نتیجه سهم فرایند انتقال مجدد در عملکرد دانه کاهش می‏یابد. از بین عواملی که می‌تواند موجب ایجاد تغییرات در مقادیر انتقال مجدد ماده خشک شود، می‏‏توان به شرایط آب و هوایی، نوع خاک، رقم و مدیریت زراعی اشاره کرد (Seyed Sharifi & Haydari, 2015).

در مقابل، بوم‏نظام ارگانیک به لحاظ شاخص‏های مرتبط با فتوسنتز جاری (میزان فتوسنتز جاری، کارآیی فتوسنتز و سهم آن) از کمیت پایین‏تری در مقایسه با نظام فشرده برخوردار است؛ هرچند که در برخی موارد، این تفاوت معنی‏دار نشده است. نکته‏ دیگر، بیشتر بودن کمیت شاخص سهم انتقال مجدد در ارگانیک (4/28) در مقایسه با فشرده (1/27) است‏ (جدول 3) که با توجه به فرمول محاسبه این شاخص، به‏نظر می‏رسد که عامل این برتری، کمتر بودن عملکرد دانه ارگانیک (28/409 گرم در متر مربع) در مقایسه با عملکرد دانه فشرده (04/545 گرم در مترمربع) یا به‏عبارتی مخرج کسر ‏باشد (جدول 1). همچنین به‏نظر می‏رسد که در کشاورزی ارگانیک، گیاه سهم زیادی از انرژی خود را به تولید دانه اختصاص داده است و در ادامه به‏دلیل محدودیت سطوح فتوسنتزکننده جهت پر کردن مقاصد فیزیولوژیکی تولید شده (دانه‏ها)، وابستگی گیاه به توزیع مجدد ذخایر غذایی موجود در اندام‏های رویشی افزایش یافت. بررسی سیستم‏های کشت مضاعف نیز نشان داد‏ که کمیت شاخص‏های مرتبط با انتقال مجدد در سیستم ماش- گندم (28/152 میلی‏گرم در بوته) بیشتر بود، درحالی‏که توالی آیش- گندم، بیشترین (8/340 میلی‏گرم در بوته) کمیت را برای شاخص‏های مرتبط با فتوسنتز جاری نشان می‏داد (جدول 2). این مسأله نشان می‏دهد که حضور گیاهان مختلف بقولات، غلات و دانه‏های روغنی از یک‏سو و حضور یا عدم حضور گیاه زراعی (گیاه زراعی- آیش) از سوی دیگر، تأثیرات متفاوتی بر دو بخش رشد رویشی قبل از گرده‏افشانی و رشد زایشی پس از گرده‏افشانی خواهد داشت. با توجه به این‏که حضور بقولات (ماش) در توالی با تثبیت زیستی نیتروژن و در دسترس قرار دادن آن به‏صورت پیوسته و تدریجی، شرایط رویشی مطلوب‏تری قبل از گرده‏افشانی نسبت به سایر تیمارها ایجاد کرده است، این مساله با توزیع دوباره مواد ذخیره شده در اندام‏های رویشی و پر شدن دانه‏های گندم در انتهای دوره‏ رشدی که سهم فتوسنتز جاری به مرور کاهش یافته است، نقش به‏سزایی در بهبود عملکرد دانه داشته است. Zhu et al. (2006) نشان دادند هنگامی‏که سطح نیتروژن استفاده شده در خاک در محدوده 225 تا 300 کیلوگرم در هکتار بود، عملکرد دانه گندم در وهله‏ اول به‏طور عمده تحت تاثیر جذب مواد فتوسنتزی اندام‏های سبز (فتوسنتز جاری) و پس از آن تحت تاثیر باز توزیع مواد خشک تجمع یافته در اندم‏های رویشی قبل از گرده‏افشانی بود. به‏نظر می‏رسد این تفاوت‏ها، تحت تأثیر عواملی همچون نوع گیاه تابستانه، تأثیر گیاه قبلی بر رشد اولیه‏ گندم، اثر نوع عملیات زراعی در گیاه تابستانه بر گندم و همچنین میزان نهاده‏های مصرفی در گیاه تابستانه بستگی خواهد داشت. به هر حال با بررسی برهمکنش تیمارهای آزمایش مشخص می‏شود که توالی ماش- گندم در شرایط ارگانیک، بیشترین میزان شاخص انتقال مجدد (42/228 میلی‏گرم در بوته)،کارآیی انتقال مجدد (76/62) و سهم انتقال مجدد (95/49) را داشته است، درحالی‏که توالی آیش- گندم در شرایط ارگانیک، بیشترین کمیت کارآیی فتوسنتز جاری (95/305 میلی‏گرم در بوته) و سهم فتوسنتز جاری (01/83) را دارا بود (جدول 3). این مساله نشان می‏دهد که اگرچه هر دو فاکتور نظام کشت و نوع کشت مضاعف بر شاخص‏های کارآیی مواد فتوسنتزی تأثیرگذارند، ولی به‏نظر می‏رسد که میزان تأثیرگذاری نظام کشت (ارگانیک)، بیشتر از سایر تیمارها بوده است، زیرا شاخص‏های فوق در هر دو توالی ماش- گندم و آیش- گندم در نظام ارگانیک، برتر از سایر نظام‏های کشت بودند.

بررسی‏ها نشان داد که توزیع و در دسترس قرار گرفتن نیتروژن و مواد غذایی در زمان نامناسب از دوره رشدی گیاه، موجب می‏شود که گیاه به‏نوعی در شرایط تنش قرار گیرد و تعادل منبع و مخزن به هم بخور؛، در چنین شرایطی ظرفیت مخزن (ظرفیت مخزن= اندازه مخزن × فعالیت مخزن)، بیشتر از منبع است و میزان انتقال ماده خشک افزایش می‌یابد تا بتواند بخشی از نیاز شدید مخازن (دانه‏ها) را برآورد نماید (Asseng & Van Herwaarden, 2003). Liu et al.  (2010) و (2008) Dawson et al. میزان مشارکت انتقال مجدد ماده‏ خشک ذخیره شده در اندام‏های رویشی قبل از گرده افشانی برای پر شدن دانه و بهبود عملکرد را بین 6/53 درصد تا 4/82 درصد گزارش دادند. به‏علاوه مشخص شد که بیشترین عملکرد دانه‌ گندم در تناوب دو ساله‌ ذرت-گندم و نه ساله‌ گندم-ذرت-کاهو حاصل به‌دست آمد که تناوب ذرت-گندم، بیشترین عملکرد کمی و کیفی را دارا بود، به‏گونه‏ای که درصد پروتئین دانه از 70/10 الی 12/13 درصد در بین تیمارهای مختلف متفاوت بود.

جدول 3- مقایسه میانگین اثر نوع سیستم کشاورزی (Conv: فشرده، Sust: پایدار و Org: ارگانیک) و نوع کشت مضاعف (M-W: ماش- گندم، C-W: ذرت- گندم، S-W: کنجد- گندم و F-W: آیش- گندم) بر شاخص‏های انتقال مواد فتوسنتزی در گندم.

Table 3- Mean comparison of the effect of type of agriculture systems (Conv: conventional, Sust: sustainable and Org: organic) and type of double cropping (M-W: mungbean- wheat, C- W: corn- wheat, S- W: sesame- wheat and F- W: fallow- wheat) on photosynthetic material transfer in wheat.

حروف مشابه در هر ستون، نشان‌دهنده عدم تفاوت معنی‏دار بین تیمارها می‏باشد.

Similar letters in the same column indicate non- significant difference between treatments.

بررسی وضعیت کربن آلی خاک

نتایج این پژوهش نشان داد که وضعیت کربن آلی خاک تحت تأثیر هر دو تیمار نوع الگوی کشت و کشت مضاعف قرار گرفت (شکل 1)، به‏گونه‏ای که بیشترین میزان کربن آلی در الگوی ارگانیک (45/30 میلی‏گرم در گرم) و کمترین در الگوی فشرده (5/20 میلی‏گرم در کیلوگرم) مشاهده شد. به‏علاوه با بررسی سیستم‏های کشت مضاعف مشخص شد که بیشترین و کمترین میزان کربن خاک، به‏ترتیب در کشت مضاعف ذرت- گندم (68/28 میلی‏گرم در گرم) و آیش- گندم (22/23 میلی‏گرم در کیلوگرم) به‏دست آمد. در ادامه مشخص شد که در الگوی کشت ارگانیک و پایدار در تمام کشت مضاعف‏های انتخاب شده، میزان کربن آلی خاک بیشتر از روش فشرده بود. این برتری، در الگوی کشت ارگانیک و کشت مضاعف ذرت- گندم (18/33 میلی‏گرم در گرم) نمود بیشتری داشت که با الگوی کشت پایدار و کشت مضاعف ذرت- گندم (57/31 میلی‏گرم در گرم) تفاوت معنی‏داری نداشت (شکل 1). به‏نظر می‏رسد گیاه ذرت که از گیاهان چهارکربنه محسوب می‏شود، در جذب و انتقال کربن به خاک در الگوی کشت مضاعف از برتری بیشتری برخوردار بود. به‏علاوه در الگوی ارگانیک و پایدار، به‏علت استفاده از کودهای آلی و مدیریت بقایای گیاهی، فعالیت میکروارگانیسم‏های خاک افزایش می‌یابد و این امر باعث برتری وضعیت کربن آلی خاک در این الگوهای کشت نسبت به فشرده شده است. گزارش شده است که تغییرات وضعیت کربن در لایه‏ سطحی خاک (صفر تا 15 سانتی‏متر) در سطح وسیعی تحت تأثیر نوع مدیریت کشاورزی و نوع گیاه انتخابی است. این مساله بر فعالیت و تنوع جوامع زیستی خاک و همچنین نقل و انتقالات کربن به خاک تأثیرات متفاوتی دارد (Lamb et al., 2011). محققان با بررسی الگوهای کشت مضاعف برنج نشان دادند که بیشترین میزان کربن آلی خاک در کشت مضاعف‏ سویا- برنج و کمترین آن در کشت مضاعف برنج- تنباکو و پیاز- برنج به‏دست آمد. آن‏ها بیان داشتند که کاهش کربن آلی خاک در توالی برنج با تنباکو و پیاز، به علت کم بودن یا عدم زیست‏توده‏ بقایای گیاهی است که به خاک برگردانده می‏شوند (Ratnayake et al., 2017).

شکل 1- مقایسه میانگین اثر برهمکنش تیمارهای نوع سیستم کشاورزی (Conventional: فشرده، Sustainable: پایدار و Organic: ارگانیک) و نوع کشت مضاعف (M-W: ماش- گندم، C-W: ذرت- گندم، S-W: کنجد- گندم و F-W: آیش- گندم) بر کربن آلی خاک

Figure 1. Mean comparison of the effect of agricultural system types (conventional, sustainable and organic) and type of double cropping (M-W: mungbean- wheat, C- W: corn- wheat, S- W: sesame- wheat and F- W: fallow- wheat) on soil organic carbon.

نتیجه‏گیری کلی

در مجموع نتایج حاصل از این آزمایش نشان داد که بیشترین (6/603 گرم در متر مربع) عملکرد دانه‏ گندم، در الگوی کشاورزی فشرده و کشت مضاعف ماش- گندم به‏دست آمد که از لحاظ آماری تفاوت معنی‏داری با الگوی کشاورزی پایدار نداشت. این امر نشان می‏دهد که حذف درصدی از نهاده‏های شیمیایی و جایگزین کردن آن‏ها با استفاده از نهاده‏های آلی و زیستی در مدیریت الگوی کشاورزی به‏صورت پایدار، نه تنها کاهش چشمگیری در عملکرد دانه گندم نداشته است، بلکه از لحاظ هزینه‏های زیست‏محیطی و اکولوژیکی موثر واقع خواهد شد. به‏علاوه کیفیت دانه (درصد پروتئین دانه) در بوم‏نظام پایدار، بیشتر از فشرده بود (66/9 در مقابل 38/8 درصد). در ادامه نتایج نشان داد که بیشترین (42/228) انتقال مجدد مواد فتوسنتزی ذخیره شده در اندام‏های گیاهی قبل از گرده‏افشانی، در الگوی ارگانیک و کشت مضاعف گندم- ماش حاصل شد. در مقابل، میزان و سهم فتوسنتز جاری در الگوی کشاورزی فشرده و کشت مضاعف ماش- گندم بیشتر از سایر تیمارهای آزمایشی بود. در نهایت با بررسی وضعیت کربن آلی خاک مشخص شد که در الگوی ارگانیک و پایدار، میزان کربن آلی خاک به نحو چشمگیری بیشتر از الگوی فشرده بود. بنابراین از دیدگاه اکولوژی گیاهان زراعی، روش کشاورزی پایدار با توالی ماش- گندم سیستم زراعی مطلوب‏تری خواهد بود.

REFERENCES

1. Abdulahi, A. (2016). Effect of different crop rotations on grain yield and some agronomic traits of wheat (Triticum aestivum) in dry land conditions of Kermanshah. Agroecology Journal, 8(3), 373-384. (In Persian)
2. Asseng, S. & Van Herwaarden, A. F. (2003). Analysis of the benefits to wheat yield from assimilates stored prior to grain filling in a range of environments. Plant Soil, 256, 217–239.
3. Aynehbanb, A. (2005). Alternate Crop Rotation. Mashhad University Press, P, 420. (In Persian)
4. Dawson, J. C., Huggins, D. R. & Jones, S. S. (2008). Characterizing nitrogen use efficiency in natural and agricultural ecosystems to improve the performance of cereal crops in low- input and organic agricultural systems. Journal of Field Crops Research, 107, 89-101.
5. Debaeke, P. & Hilaire, A. (1997). Production of rained and irrigated crops under different crop rotations and input Levels in southwestern France. Canadian Journal of Plant Science, 77(4), 539-548.
6. Lamb, E. G., Kennedy, N. & Siciliano, S. D. (2011). Effects of plant species richness and evenness on soil microbial community diversity and function. Journal of Plant and Soil, 338(2), 483-495.
7. Liu, E., Y. Changrong, M., Xurong, H., Wenqing, H. B., So, D., Linping, L., Qin, L. & Tinglu, F. (2010). Long term effect of chemical fertilizer, straw, and manure on soil chemical and biological properties in north-west China. Geoderma, 150, 173-180.
8. Mayer, J., Gunst, L., Mäder, P., Samson, M. F., Carcea, M., Samson, O., Carcea, V. N., Thomasen, I. K. & Dubois, D. (2015). Productivity, quality and sustainability of winter wheat under long-term conventional and organic management in Switzerland. European Journal of Agronomy, 65, 27-39.‏
9. Nielsen, D.C. & M.F. Vigil. (2018). Wheat yield and yield stability of eight dry land crop rotations. Agronomy Journal, 110, 594–601.
10. Philip Robertson, G., Gross, K. L., Hamilton, S. K., Landis, D. A., Schmidt, T. M., Snapp, S. S. & Swinton, S. M. (2014). Farming for ecosystem services: An ecological approach to production agriculture. Bioscience, 64 (5), 404-415.
11. Ratnayake, R. R., Perera, B. M. A. C. A., Rajapaksha, R. P. S. K., Ekanayake, E. M. H. G. S., Kumara, R. K. G. K., & Gunaratne, H. M. A. C. (2017). Soil carbon sequestration and nutrient status of tropical rice based cropping systems: Rice-Rice, Rice-Soya, Rice-Onion and Rice-Tobacco in Sri Lanka. Catena, 150, 17-23.
12. Robertson, G. P., Gross, K. L., Hamilton, S. K., Landis, D. A., Schmidt, T. M., Snapp, S. S. & Swinton, S. M. (2014). Farming for ecosystem services: an ecological approach to production agriculture. Bioscience. 2004, 61–
13. Schlegel, A. J., Assefa, Y., Haag, L. A., Thompson, C. R. & Stone, L. R. (2019). Yield and overall productivity under long-term wheat-based crop rotations: 2000 through 2016. Agronomy Journal, 111(1), 264-274.
14. Schrama, M., De Haan, J. J., Kroonen, M., Verstegen, H. & Van der Putten, W. H. (2018). Crop yield gap and stability in organic and conventional farming systems. Agriculture, Ecosystems & Environment, 256, 123-130.
15. Seyed Sharifi. R. & Haydari, S. M. S. (2015). Effects of bio fertilizers on growth indices and contribution of dry matter remobilization in wheat grain yield.‏ Plant Research Journal, 28 (2), 327- 343. (In Persian)
16. Siadat, S. A., Hemayati, S. S., Fathi, G. & Mashadi, A. A. (2009). Determination of the most suitable crop rotation systems in Ahwaz region. Iranian Journal of Crop Sciences, 11(2), 174-192. (In Persian)
17. Sindelar, A. J., Schmer, M. R., Jin, V. L., Wienhold, B. J. & Varvel, G. E. (2015). Long-term corn and soybean response to crop rotation and tillage. Agronomy Journal, 107(6), 2241-2252.
18. Spiertz, J. H. & Ellen, J. J. (2008). Effects of nitrogen on crop development and grain growth of winter wheat in relation to assimilation and utilization of assimilates and nutrients. Journal of Agriculture Science, 26, 210-231.
19. Walkley, A. & Black, C. A. (1934). An examination of the digestion method for determining soils organic Matter and a proposed modification of chromic acid titration method. Soil Science, 33, 29- 38.
20. Williams, J. R., Pachta, M. J., Claassen, M., Roozeboom, K., Llewelyn, R. & Bergtold, J. S. (2012). Risk analysis of tillage and crop rotation alternatives with winter wheat. Journal of Agriculture Applied Economy, 44, 561–576.
21. Zhu, G. X., Midmore, D. J., Yule, D. F. & Radford, B. J. (2006). Effect of timing of defoliation on wheat (Triticum aestivum) in central Queensland 2. N uptake and relative N use efficiency. Field Crops Research, 96, 160-167.