Yield response of low and high-yielding rice varieties to nutrition management improvement

مقدمه

برنج (Oryza sativa L.) به­عنوان یکی از مهم­ترین غلات جهان، از اهمیت زیادی در سبد غذایی بیش از نیمی از مردم جهان به­ویژه قاره کهن آسیا برخوردار است (Shi et al., 2020). در سال زراعی 98-1397، سطح زیر کشت این محصول در ایران که کاملا به­صورت فاریاب می­باشد، 892213 هکتار و میزان تولید آن 4422319 تن شلتوک بود (Statistical yearbook of Agriculture, 2019). با توجه به اهمیت برنج در بحث امنیت غذایی کشور، فراهم نمودن حاصلخیزی مناسب خاک با استفاده متعادل از کودهای شیمیایی و تامین عناصر غذایی مورد نیاز گیاه، یکی از جنبه های مهم مدیریت زراعی جهت حصول حداکثر عملکرد و کیفیت مطلوب محصولات زراعی و به حداقل رساندن اثرات مضر آن‌ها بر محیط زیست است.

در بحث تغذیه گیاهی، نیتروژن، فسفر و پتاسیم از جمله مهم­ترین عناصر غذایی هستند که مصرف آن‌ها برای تولید مطلوب برنج لازم است (Khajehpour, 2014). عنصر نیتروژن در ساخت اسیدهای آمینه، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک نقش اساسی دارد و از اجزای ساختمانی کلروفیل در گیاهان نیز محسوب می شود (Sun et al., 2016). مصرف متعادل کود نیتروژن، سبب بهبود فعالیت آنزیم روبیسکو و همچنین افزایش و دوام سطح برگ و محتوای کلروفیل برگ می‌شود که در نهایت می‌تواند میزان فتوسنتز و رشد گیاهان را بهبود دهد (Saberali et al., 2015; Sun et al., 2016). میزان نیاز کودی هر گیاه، به دو عامل کلی یعنی میزان تقاضای گیاه برای یک عنصر و میزان عرضه آن عنصر غذایی توسط خاک دابسته است (Dobermann et al., 2003). نتایج پژوه‌ ها نشان می‌دهد که برخلاف ارقام بومی، ارقام پرمحصول برنج، کودپذیری بیشتری دارند و برای دست یابی به بیشینه عملکرد آن‌ها، به مصرف مقدار بیشتری کود نیتروژن نیاز است (Mustafavi-Rad & Tahmasebi-Sarvestani, 2003). در شالیزارهای منطقه آسیا و باتوجه به ارقام مختلف برنج، شرایط خاکی و اقلیمی متفاوت در هر منطقه، میزان نیتروژن مورد نیاز برای دستیابی به بیشینه عملکرد، بین 70 تا 280 کیلوگرم در هکتار گزارش شده است (Fei & Shao-bing, 2017). درصورتی­که میزان نیتروژن مصرفی بیشتر از نیاز گیاه برنج باشد، علاوه بر تحریک شدید رشد رویشی و افزایش احتمال ورس و کاهش عملکرد آن، امکان تلفات آن از طرق مختلف و اثرات سوء زیست محیطی ناشی از آن نیز افزایش می­یابد (Darzi-Naftchali & Shahnazari, 2014). فسفر یکی دیگر از عناصر غذایی اساسی مورد نیاز گیاه است که به شکل­های آلی و غیرآلی در خاک وجود دارد. فسفات یک جز ساختاری مهم در ATP، فسفولیپیدها، اسیدهای نوکلئیک، کوآنزیم‌ها و فسفوپروتین ها است؛ بدین ترتیب کمبود فسفر خاک، منجر به کاهش جذب سایر عناصر غذایی گیاه، کاهش فتوسنتز، طولانی شدن سیکل زایشی، کاهش فعالیت آنزیم ها و اختلال در زنجیره انتقال پیام های سلولی و کار غشا سلولی می­شود (Barker & Pilbeam, 2007). با توجه به تاثیر قابل توجه ویژگی‌های خاک بر قابلیت دسترسی به فسفر و نیاز متفاوت ارقام مختلف برنج، میزان فسفر مورد نیاز برای دستیابی به حدکثر عملکرد برنج، بین 25  تا 75 کیلوگرم در هکتار گزارش شده است (Shahdi-Komeleh & kavousi, 2004; Sharma et al., 2009; Salehifar et al., 2011). موسسه تحقیقات برنج کشور، حد بحرانی فسفر برای برنج رقم بینام را 22 میلی­گرم در کیلوگرم گزارش کرده است؛ اگرچه در حال حاضر، مقادیر 18 و 14 میلی گرم در کیلوگرم خاک را حد بحرانی غلظت فسفر برای ارقام دیلمانی و پرمحصول برنج شالیزارهای شمال کشور در نظر می گیرند (Shahdi-Komeleh et al., 2012). عنصر غذایی مهم دیگری که برای رشد برنج ضروری است، پتاسیم می­ باشد. این عنصر با تاثیر بر توازن پتانسیل الکتروشیمیایی سلول­ها، در حرکت آب و عناصر غذایی موثر است؛ همچنین پتاسیم به باز و بسته شدن روزنه­ها نیز کمک می­کند و از این طریق، بر وضعیت آب، اکسیژن و دی اکسید کربن سلول­ها اثر گذار است (Brady & Weil, 2002). کمبود پتاسیم در گیاه، موجب کاهش مقاومت گیاه به تنش­های محیطی از جمله خشکی، گرما و حساسیت به خوابیدگی بوته در غلات می­شود (Malakouti & Tehrani, 2000). بر اساس نتایج یک مطالعه در چین، برای دستیابی به سه تا هفت تن عملکرد دانه برنج، لازم است میزان جذب پتاسیم توسط این گیاه حدود 138 تا 212 کیلوگرم در هکتار باشد (Zhang et al., 2010). حداکثر عملکرد رقم برنج خزر در رشت، با مصرف300 کیلوگرم در هکتار پتاسیم مشاهده شد (Esfehani et al., 2005). Malakouti et al (2001) بر اهمیت موجودی پتاسیم خاک هر منطقه در پاسخ کودی ارقام برنج تاکید کردند و حد بحرانی پتاسیم خاک برای ارقام پرمحصول برنج در استان مازندران را 172 میلی­گرم بر کیلوگرم خاک گزارش کردند.

تاثیر برهمکنش عناصر غذایی مختلف بر رشد و عملکرد گیاهان مختلف از جمله برنج در مطالعات گذشته مورد توجه قرار گرفته است (Fageria & Oliveira, 2014). این برهمکنش زمانی اتفاق می­افتد که فراهمی یک عنصر غذایی بر جذب و یا استفاده از عنصر غذایی دیگر تأثیر گذارد (Wilkinson et al., 2000). بنابراین مصرف متعادل عناصر غذایی در قالب یک مدیریت جامع تغذیه، از جمله مهم‌ترین مدیریت­های زراعی لازم برای کارایی پایدار نظام های زراعی محسوب می‌شودد. مرور منابع موجود حاکی از آن است که تاکنون تحقیق جامعی درباره اثرات تلفیقی مصرف بهینه هر سه عنصر غذایی نیتروژن، فسفر و پتاسیم بر عملکرد برنج در ایران گزارش نشده است. بنابراین با توجه به جایگاه پراهمیت برنج در سفره غذایی مردم ایران، این پژوهش با هدف بررسی تاثیر مصرف رایج و مطلوب نیتروژن، فسفر و پتاسیم بر میزان عملکرد ارقام کم محصول و پر محصول رایج در استان مازندران انجام شد.

مواد و روش­ها

این آزمایش­ در مزرعه­ پژوهشی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری واقع در کیلومتر نه جاده ساری-دریا در استان مازندران انجام شد. عرض و طول جغرافیایی منطقه به­ترتیب 39/36 درجه شمالی و 04/53 درجه شرقی و ارتفاع آن از سطح دریا 15- متر بود. متوسط دمای هوا 3/17 درجه سانتی­گراد و حداقل و حداکثر دمای هوای ثبت شده به­ترتیب منفی شش و 9/38 درجه سانتی­گراد بود. عملیات بذرپاشی در خزانه و برداشت ارقام مختلف برنج در استان مازندرن، به‌طور غالب در دوره بین اسفند تا شهریور انجام می­شود. روند تغییرات پارامترهای مختلف هواشناسی طی دوره در شکل 1 آمده است. مجموع بارندگی و تبخیر در این مدت به­ترتیب 243 و 819 میلی­متر بود.

شکل 1- روند تغییرات روزانه متغیرهای اقلیمی در دوره مطالعه

Figure 1. The trend of daily changes in climate variables during the study period.

قبل از انجام آزمایش­ مزرعه­ای، از لایه­های مختلف خاک مزرعه نمونه­برداری و برای آنالیز به آزمایشگاه فرستاده شد. خلاصه­ای از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک مزرعه در جدول 1 آمده است. 

جدول 1- خلاصه­ای از ویژگی­های خاک مزرعه مورد مطالعه

Table 1. Summary of soil properties of the experimental field

آزمایش­های مزرعه­ای در سال 1398 و با هدف ارزیابی واکنش ارقام مختلف برنج به مصرف متداول و بهینه نیتروژن، فسفر و پتاسیم، در قالب طرح بلوک های کامل تصادفی با آرایش تیماری کرت­های خرد شده در سه تکرار طراحی شد. کرت اصلی شامل چهار رقم برنج (فجر و شیرودی از ارقام پر محصول و طارم هاشمی و طارم دیلمانی از ارقام کم محصول) بود. برخی از ویژگی­های این ارقام در جدول 2 ارایه شده است (Ali-Neya et al., 2017). در کرت‌های فرعی، مختلف حاصلخیزی قرار داشت که شامل دو تیمار اصلی تغذیه­ای، یعنی تغذیه مطلوب با عناصر غذایی اصلی (نیتروژن، فسفر و پتاسیم) و همچنین تغذیه رایج منطقه از نظر مصرف عناصر غذایی اصلی بود. به­علاوه، تیمارهای تغذیه­ای حدواسط دو تیمار اصلی (تغذیه مطلوب و تغذیه رایج) نیز تعریف شد تا امکان کمّی کردن پاسخ عملکرد برنج را در شرایط بهبود یا عدم بهبود مصرف هرکدام از عناصر غذایی در شرایط ثابت بودن مصرف دو عنصر تغذیه­ای دیگر فراهم آورد؛ به‌علاوه سه تیمار عدم مصرف کود نیتروژن، فسفر و پتاسیم نیز به عنوان شاهد در نظر گرفته شد. لازم به ذکر است که چنین آرایش تیماری در مطالعات مزرعه­ای تعیین خلا عملکرد محصولات زراعی از جمله برنج مرسوم می باشد (Dai et al., 2013; Ruffo et al., 2015). مقدار مطلوب کود مصرفی برای هر عنصر با استفاده از پتانسیل تولید ارقام مختلف و بر اساس میزان عنصر غذایی مورد نیاز برای تولید هر تن عملکرد شلتوک برآورد شد (Dobermann et al., 2003) و بدین­ترتیب از حاصلضرب پتانسیل عملکرد مورد انتظار هر رقم در مقدار عنصر غذایی مورد نیاز برای تولید هر تن عملکرد آن، مقدار خالص آن عنصر غذایی محاسبه شد. مقدار متوسط مصرف رایج عناصر غذایی در استان مازندران نیز از طریق مشورت با کارشناسان کشاورزی منطقه به­دست آمد؛ درنتیجه 11 ترکیب مختلف از تیمارهای تغذیه­ای به شرح زیر بود:

1. تیمار رایج: مصرف نیتروژن و فسفر و پتاسیم در حد رایج منطقه (NcPcKc).

1-1. مقدار مطلوب نیتروژن+ مقدار رایج فسفر+ مقدار رایج پتاسیم (NoPcKc).

2-1. مقدار مطلوب فسفر+ مقدار رایج نیتروژن+ مقدار رایج پتاسیم (NcPoKc).                                   

3-1. مقدار مطلوب پتاسیم+ مقدار رایج نیتروژن + مقدار رایج فسفر (NcPcKo).

2. تیمار مطلوب: مصرف نیتروژن، فسفر و پتاسیم در حد مطلوب (NoPoKo).

1-2. مقدار رایج نیتروژن + مقدار مطلوب فسفر+ مقدار مطلوب پتاسم (NcPoKo).       

2-2. مقدار رایج فسفر+ مقدار مطلوب پتاسم+ مقدار مطلوب نیتروژن (NoPcKo).

3-2: مقدار رایج پتاسیم + مقدار مطلوب فسفر+ مقدار مطلوب نیتروژن (NoPoKc) .   

شاهد بدون نیتروژن: عدم مصرف نیتروژن و مصرف فسفر و پتاسیم در حد مطلوب (N0PoKo). 

شاهد بدون فسفر: عدم مصرف فسفر و مصرف نیتروژن و پتاسیم در حد مطلوب (P0NoKo).

شاهد بدون پتاسیم: عدم مصرف پتاسیم و مصرف نیتروژن و فسفر در حد مطلوب (K0NoPo).

در تیمارهای شاهد، برای این‌که کاهش رشد مشاهده شده در گیاه برنج تنها مربوط به عنصر غذایی مورد نظر محقق باشد و نه دو عنصر اصلی دیگر، نحوه اجرای تیمارهای شاهد به توصیه نشریه فنی موسسه تحقیقات بین­الملی برنج و موسسه بین­الملی تغذیه گیاهی، به‌صورت بالا یعنی عدم مصرف عنصر مورد نظر و مصرف دو عنصر دیگر در حد مطلوب در نظر گرفته شد (Fairhurst et al., 2007). بنابراین، در مجموع 11 تیمار تغذیه­ای برای هرکدام از ارقام طارم هاشمی، طارم دیلمانی، شیرودی و فجر در سه تکرار اجرا شد. در تیمار کودی رایج منطقه، مقدار نیتروژن، فسفر و پتاسیم خالص مصرفی در ارقام پر محصول (شیرودی و فجر) به­ترتیب160، 40 و60 کیلوگرم در هکتار و در ارقام کم محصول (طارم دیلمانی و طارم هاشمی) به­ترتیب 90، 20 و 40 کیلوگرم در هکتار بود. در تیمار کودی مطلوب نیز مقدار نیتروژن، فسفر و پتاسیم خالص مصرفی در ارقام پر محصول (شیرودی و فجر) به­ترتیب 260، 60 و 100 کیلوگرم و در ارقام کم محصول (طارم دیلمانی و طارم هاشمی) به­ترتیب 130، 30 و 50 کیلوگرم در هکتار بود. لازم به ذکر است که منبع کودی برای تامین نیتروژن، فسفر و پتاسیم، به‌ترتیب کود اوره (46 درصد نیتروژن)، سوپرفسفات تریپل (20 درصد فسفر) و سولفات پتاسیم (42 درصد پتاسیم) بود.

جدول 2- برخی ویژگی­های ارقام برنج مورد استفاده در این پژوهش.

Table 2. Some characteristics of rice cultivars used in this research

به­منظور اجرای آزمایش، در دی ماه سال 1397 شخم و شیار اولیه مزرعه انجام شد و دو هفته قبل از نشاکاری، عملیات گل‌خرابی و آماده­سازی نهایی زمین صورت گرفت. بذرپاشی در تاریخ 5/2/1398 در خزانه انجام شد و در تاریخ 30/2/1398، نشاکاری در کرت­های دو در سه متر ( معادل شش متر مربع) به­صورت دستی انجام شد. به‌منظور کنترل دقیق ورود و خروج آب در هر کرت، روی مرزهای آن تا عمق 30 سانتی‌متری بـا پلاستیک پوشانده شد و برای ورود و خروج آب نیز کانال‌های آبیاری تعبیه شد. فاصله بین کرت­های اصلی دو متر و بین کرت­های فرعی یک متر در نظر گرفته شد. عملیات ماله‌کشی با توجه به‌اندازه کوچک کرت‌ها، به­صورت دستی انجام شد. جهت استقرار هر چه ‌بهتر نشاها بعد از انتقال به زمین اصلی، کرت‌ها به مدت یک هفته غرقاب و ارتفاع آب در هر نوبت آبیاری آن‌ها، پنج سانتی‌متر بالاتر از سطح خاک قرار گرفت. به­جز کوددهی در تیمارهای مطلوب، سایر موارد نظیر آبیاری، وجین و سمپاشی بر اساس روش متداول در منطقه انجام شد (جدول 2). در تیمارهای کودی، پنجپنج درصد از کل کود نیتروژن نیز در خزانه مصرف شد. به‌علاوه در تیمار کودی مطلوب، 1پنج درصد کود نیتروژن و 50 درصد پتاسیم و تمام کود فسفر به­صورت پایه مصرف شد. همچنین 20 درصد کود نیتروژن در مراحل اوایل پنجه­زنی، 30 درصد در اواخر پنجه­زنی و نهایتا 30 درصد کود نیتروژن و 50 درصد کود پتاس در مرحله ساقه­رفتن مصرف شد. در تیمار کودی رایج نیز 4پنج درصد از کود نیتروژن و تمام کود فسفر و پتاسیم به­صورت پایه مصرف شد و 50 درصد مابقی کود نیتروژن نیز در اواسط پنجه­دهی مصرف شد. لازم به ذکر است که با توجه به حساسیت ارقام برنج به خوابیدگی بوته به‌ویژه در ارقام کم محصول، تقسیط مناسب کود نیتروژن برای تعیین حد مصرف بهینه کود حیاتی می­باشد. خلاصه­ای از عملیات­های زراعی انجام شده در مدت مطالعه در جدول 3 آمده است.

جدول 3- خلاصه­ای از عملیات زراعی انجام شده در مدت مطالعه

Table 2. Summary of agricultural operations were performed during the study period

برای تعیین عملکرد در زمان برداشت، پس از حذف حاشیه نیم متری از هر سمت، برداشت محصول (به‌صورت کف بر) از سطحی معادل یک مترمربع در وسط هر کرت انجام شد. پس از رسیدگی و برداشت، خوشه­ها به مدت 48 ساعت در دمای 70 درجه در داخل آون برای خشک شدن قرار گرفتند. وزن کاه و کلش و عملکرد شلتوک (برحسب کیلوگرم در هکتار) بر اساس رطوبت 14 درصد تعیین شد. پس از اطمینان از نرمال بودن توزیع خطای آزمایشی، تجزیه واریانس داده­های به‌دست آمده توسط نرم­افزار آماری SAS و مقایسه میانگین با روش LSD در سطح معنی داری پنج درصد انجام شد. برای رسم نمودارها نیز از نرم­افزار Excel استفاه شد.

نتایج و بحث

نتایج تجزیه واریانس نشان داد که اثر رقم، حاصلخیزی و برهمکنش آن‌ها بر عملکرد معنی­دار بود (جدول 4). با توجه به معنی­داری برهمکنش رقم در حاصلخیزی، تیمارهای حاصلخیزی متناسب در سطح هر واریته مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

تاثیر عدم مصرف نیتروژن، فسفر و پتاسیم

برای بررسی تاثیر کمبود یک عنصر غذایی خاص بر رشد و عملکرد گیاهان، عنصر غذایی دیگری نباید محدود کننده رشد گیاه مورد مطالعه باشد (Dobermann & Fairhurst, 2000). بر این اساس و در شرایط عدم مصرف هر کدام از عناصر نیتروژن، فسفر و یا پتاسیم، دو عنصر دیگر در حد مطلوب در خاک مصرف شد. تاثیر عدم مصرف یک ماده غذایی و کاربرد بهینه دو ماده غذایی دیگر بر عملکرد ارقام برنج در شکل 2 آمده است. در ارقام پر محصول، عدم مصرف کود نیتروژن، بیشترین نقش بازدارنده در تولید عملکرد شلتوک را داشت و پس از آن به­ترتیب عدم مصرف پتاسیم و فسفر قرار داشتند. در صورت عدم مصرف هر یک از کودهای نیتروژن، پتاسیم و فسفر، میزان عملکرد رقم شیرودی به­ترتیب 5458، 8399 و 9926 کیلوگرم در هکتار و رقم فجر به­ترتیب 4894، 7364 و 8903 کیلوگرم در هکتار بود. در ارقام کم محصول نیز کمبود نیتروژن، اصلی­ترین عامل محدود کننده عملکرد بود و پس از آن فسفر و پتاسیم موثر بودند. در صورت عدم مصرف هر یک از کودهای نیتروژن، پتاسیم و فسفر، میزان عملکرد رقم طارم هاشمی 2969، 5134 و 4925 کیلوگرم و  رقم طارم دیلمانی به­ترتیب 3028، 5408 و 5384 کیلوگرم در هکتار بود. با این­وجود، مقایسات آماری، نشان­دهنده عدم اختلاف معنی­دار عملکرد بین تیمارهای کمبود فسفر و پتاسیم در ارقام کم محصول بود. در نتیجه و با توجه به عمکرد بالاتر ارقام پر محصول، کمبود پتاسیم در مقایسه با کمبود فسفر، تاثیر بیشتری بر عملکرد این ارقام داشت، درصورتی‌که نقش آن‌ها بر عملکرد ارقام کم محصول تقریبا مشابه بود. نتایج مطالعات گذشته نیز نشان داد که ارقام مختلف برنج، نیاز متفاوتی به عناصر غذایی دارند (Zhang et al., 2010). به‌علاوه با توجه به نقش بی­همتای عنصر نیتروژن در فرآیندهای بیوشیمیایی و فیزیولوژیک گیاه و نیز به عنوان پرمصرف­ترین عنصر غذایی در گیاهان (Brady & Weil, 2002; Sun et al., 2016) و سطح پایین نیتروژن خاک (جدول1)، کاهش شدید عملکرد ارقام برج در شرایط عدم مصرف نیتروژن در مقایسه با دو عنصر دیگر کاملا توجیه­پذیر است. باتوجه به اینکه غلظت بحرانی فسفر خاک برای ارقام کم محصول برنج در مقایسه با ارقام پر محصول آن بالاتر گزارش شده است (Shahdi-Komeleh et al., 2012)؛ بنابراین پر اهمیت­تر بودن نقش فسفر در ارقام کم محصول در مقایسه با ارقام پر­محصول کاملا منطقی به‌نظر می­رسد.

جدول 4- نتایج تجزیه واریانس (میانگین مربعات) عملکرد برنج در پاسخ به تیمارهای مختلف حاصلخیزی.

Table 3. Variance analysis (Mean of squares) of rice yield in response to different fertilization treatmentes.

***، ** و *: معنی‌‌داری در سطح احتمال  001/0، 01/0 و 05/0.

***, ** and *: Significance at 0.001, 0.01 and 0.05 of probability levels, respectively.

شکل 2- پاسخ عملکرد ارقام مختلف برنج به عدم مصرف نیتروژن (N₀)، فسفر (P₀) و پتاسیم (K₀). اندیس c و o، به­ترتیب معرف مصرف رایج و بهینه می­باشند. بارهای روی ستون­ها معرف LSD برای تعیین اختلاف معنی­داری در سطح پنج درصد است.

Figure 2. Yield response of different rice cultivars to no application of nitrogen (N0), phosphorus (P0) and potassium (K0). Bars on the columns represent the LSD to determine the significant difference at the 5% of probability level.

مقایسه تاثیر مصرف رایج و بهینه عناصر غذایی

تاثیر مصرف رایج و بهینه کودهای نیتروژن، فسفر و پتاسیم بر عملکرد در شکل 3 آمده است. مصرف بهینه کودهای نیتروژن، فسفر و پتاسیم در مقایسه با مصرف رایج این سه عنصر، سبب افزایش معنی­دار 82، 65، 55 و 34 درصدی عملکرد شلتوک به‌ترتیب در ارقام شیرودی، فجر، طارم هاشمی و طارم دیلمانی شد. بر این اساس، به‌نظر می­رسد که کمبود عناصر غذایی اصلی، نقشی کلیدی در خلا عملکرد ارقام برنج در منطقه مورد مطالعه بازی می­کند. خوابیدگی ساقه، یکی از مشکلات مهم در تولید محصول برنج است و کاهش کمی و کیفی عملکرد آن را باعث می­شود و این خوابیدگی بوته تحت تاثیر میزان کود نیتروژن مصرفی قرار می­­گیرد (Omidi-Rodbaraki et al., 2013). بنابراین کشاورزان منطقه برای کاهش احتمال ورس بوته­ها که ناشی از عدم تقسط مناسب کود نیتروژن مصرفی و یا برهمکنش ناشی از سایر مدیریت­های نامناسب زراعی از جمله تراکم کشت بالا است، سعی در کاهش میزان مصرف نیتروژن نموده­اند. از طرفی با کاهش میزان مصرف نیتروژن، به‌دلیل عدم تاثیر مصرف حد مطلوب عناصر غذایی دیگری در شرایط تنش نیتروژن (Dobermann & Fairhurst, 2000)، میزان مصرف رایج عناصر غذایی فسفر و پتاسیم نیز همچون نیتروژن توسط کشاورزان منطقه کمتر از حد مطلوب مورد نیاز گیاه برنج است.

شکل 3- پاسخ عملکرد ارقام برنج به مصرف مقادیر مطلوب (N_oP_oK_o) و رایج (NcP_CK_C) نیتروژن، فسفر و پتاسیم. اندیس c و o، به­ترتیب معرف مصرف رایج و بهینه می­باشند. بارها روی ستون­ها معرف LSD برای تعیین اختلاف معنی­داری در سطح پنج درصد است.

Figure 3. Yield response of rice cultivars to application of optimum (NoPoKo) and conventional (NcP_CK_C) rates of nitrogen, phosphorus and potassium. Bars on the columns represent the LSD to determine the significant difference at the 5% of probability level.

Razavipour et al (2015) نشان دادند که مصرف 120 کیلوگرم کود نیتروژن خالص در سه قسط، باعت حداکثر عملکرد تولیدی در رقم کم­محصول طارم هاشمی شد. در یک پژوهش در چین نشان داده شد که بسته به واریته و فصل رشد برنج (میزان درجه حرارت و شدت نور) و در شرایطی که نیتروژن در سه قسط مصرف شد،  بیشترین میزان عملکرد ارقام مختلف برنج با مصرف 210 تا 300 کیوگرم در هکتار نیتروژن به‌دست آمد (Liu et al., 2019). در یک مطالعه گلخانه­ای نشان داده شد که افزایش میزان نیتروژن مصرفی می­تواند میزان جذب عناصر فسفر و پتاسیم ارقام مختلف برنج را بهبود بخشد (Yazdani-Motlagh et al., 2013). نتایج تحقیقی در موسسه تحقیقات برنج کشور نشان داد که در خاکی با میزان فسفر کم ( 7/4 میلی‌گرم فسفر در هر کیلوگرم خاک)، مصرف 75 تا 80 کیلوگرم در هکتار فسفر خالص، باعث افزایش عملکرد دانه در ارقام شیرودی، هاشمی، خزر و گوهر شد و مصرف بیشتر آن، تاثیر معنی­­دار بر عملکرد نداشت (Vahabzadeh et al, 2015; Abbasian, & Aminpanah, 2017). نتایج یک تحقیق در چین نیز نشان داد که در خاک­هایی با متوسط 110 میلی‌گرم پتاسیم در هر کیلوگرم خاک، میزان مصرف پتاسیم تا 120 کیلوگرم در هکتار، باعث افزایش عملکرد برنج شد و مصرف بیشتر آن، تاثیر معنی­داری بر عملکرد نداشت (Jiang et al., 2019). همان‌طور که پیش­تر گزارش شد، مقدار بهینه نیتروژن، فسفر و پتاسیم خالص مصرفی در ارقام پر محصول (شیرودی و فجر) به­ترتیب 260، 60 و 100 کیلوگرم و در ارقام کم محصول (طارم دیلمانی و طارم هاشمی) به­ترتیب 130، 30 و 50 کیلوگرم در هکتار بود. مجموعه گزارش­های داخلی و بین­الملی فوق نیز امکان افزایش عملکرد برنج در دامنه مصرف عناصر غذایی در این تحقیق را تایید می­نماید.

تاثیر سطوح مصرف بینابینی بهینه و رایج عناصر غذایی 

بهبود سطح مصرف سه عنصر نیتروژن، فسفر و پتاسیم در ارقام مختلف برنج، باعث افزایش چشمگیر عملکرد آن‌ها شد (شکل 3). با این­وجود، برای تعیین نقش مصرف هر عنصر به­تنهایی در افزایش و یا کاهش عملکرد، تاثیر همزمان مصرف بهینه یک عنصر غذایی در صورت مصرف رایج دو عنصر دیگر یا مصرف رایج یک عنصر در شرایط مصرف بهینه دو عنصر دیگر بر عملکرد برنج تعیین و نتایج در شکل 4 ارایه شد.

شکل 4- پاسخ عملکرد ارقام برنج به میزان مصرف کود نیتروژن، فسفر و پتاسیم در حد رایج و بهینه. اندیس c و o، به­ترتیب معرف مصرف رایج و بهینه می­باشند. بارها روی ستون­ها معرف LSD برای تعیین اختلاف معنی­داری در سطح پنج درصد است.

Figure 4. Response of rice cultivars yield to the rates of nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers in the conventional and optimal range. C and o indices represent the conventional and optimal application. Bars on the columns represent the LSD to determine the significant difference at the 5% of probability level.

با مصرف بهینه نیتروژن و مصرف رایج فسفر و پتاسیم، عملکرد رقم شیرودی و فجر در مقایسه با شرایطی که هر سه عنصر در حد رایج مصرف شدند، حدود 30 درصد افزایش یافت. در وضعیت مشابه یعنی مصرف رایج دو عنصر غذایی و مصرف بهینه عنصر دیگر، میزان افزایش عملکرد رقم شیرودی با مصرف بهینه فسفر و پتاسیم، به­ترتیب 7/14 و 3/14 درصد بود. مصرف بهینه هر یک از عناصر غذایی فسفر و پتاسیم (با لحاظ مصرف رایج دو عنصر دیگر) در مقایسه با مصرف رایج هر سه عنصر، منجر به افزایش به­ترتیب 7/13 و 13 درصدی عملکرد رقم فجر شد. نتایج همچنین نشان داد که اختلاف عملکرد بین ارقام پرمحصول در تیمارهای مشابه کودی معنی­دار نبود. به‌علاوه عملکرد ارقام کم محصول در شرایط مصرف بهینه یکی از کودهای نیتروژن، فسفر و پتاسیم (با لحاظ مصرف رایج دو عنصر دیگر) به­ترتیب 6/30، 3/5 و 5/4 درصد در رقم طارم هاشمی و 3/29، 9/6 و 4/5 درصد در رقم طارم دیلمانی در مقایسه با وضعیت مصرف رایج این عناصر افزایش یافت. نتایج نشان داد که در ارقام کم محصول بر خلاف ارقام پر محصول، مصرف بهینه فسفر و یا پتاسیم به تنهایی و بدون مصرف بهینه نیتروژن، سبب افزایش معنی­دار عملکرد در مقایسه با وضعیت مصرف هر سه عنصر به­صورت رایج نشد. نتایج پژوهش­های گذشته ثابت کرد که ارقام مختلف برنج، نیاز متفاوتی به عناصر غذایی دارند و ارقام پر –محصول، نیاز بیشتری به عناصر غذایی برای رشد مطلوب خود دارند (Shahdi-Komeleh & kavousi, 2004; Zhang et al., 2010). به‌علاوه تامین میزان نیتروژن کافی برای رشد مطلوب برنج می­تواند میزان تقاضا گیاه برای سایر عناصر غذایی همچون فسفر و پتاسیم را بهبود بخشد (Brady & Weil, 2002; Yazdani-Motlagh et al., 2013). با توجه به نتایج گزارش شده و همچنین با توجه به موجودی فسفر و پتاسیم خاک که معادل حدود40 کیلوگرم فسفر و حدود350 کیلوگرم پتاسیم در عمق 30 سانتی­متری خاک در هر هکتار بود، می­توان نتیجه گرفت که در شرایطی که میزان مصرف نیتروژن در حد رایج بوده است، میزان کافی از این دو عنصر برای تامین نیاز ارقام کم محصول در خاک موجود بوده است.

در شرایط مصرف بهینه فسفر و پتاسیم و مصرف رایج نیتروژن، عملکرد ارقام شیرودی، فجر، طارم هاشمی و طارم دیلمانی در مقایسه با مصرف بهینه هر سه عنصر غذایی به میزان 35، 31، 28 و 25 درصد کاهش یافت. میزان کاهش عملکرد این ارقام در شرایط مصرف بهینه فسفر و نیتروژن و مصرف رایج پتاسیم، به­ترتیب 24، 5/23، 7/14 و 4/14 درصد بود. نتایج همچنین نشان داد که در شرایط مصرف بهینه پتاسیم و نیتروژن و مصرف فسفر در حد رایج منطقه، ارقام شیرودی، فجر، طارم هاشمی و طارم دیلمانی، 2/14، 5/13، 5/9 و 7/9 درصد در مقایسه با شرایط بهینه کاهش عملکرد داشتند. بنابراین در شرایط توصیه بهینه کودی، بیشترین نقش در افزایش عملکرد برنج بویژه در ارقام پر محصول آن، به­ترتیب بر عهده نیتروژن، پتاسیم و فسفر بود. با این وجود،در ارقام کم محصول، اختلاف معنی­داری بین میزان تاثیر پتاسیم و فسفر بر افزایش عملکرد در شرایطی که نیتروژن در حد رایج مصرف شد، مشاهده نشد. پتانسیل تولید ماده خشک بیشتر در ارقام پر­محصول، منجر به تقاضای بیشتر آن‌ها برای عناصر غذایی خواهد شد؛ در نتیجه هرچه اختلاف بین تقاضای گیاه برای یک عنصر غذایی نسبت به موجودی آن عنصر در خاک بیشتر باشد، پاسخ گیاه به کود مصرفی نیز بیشتر خواهد بود (Brady & Weil, 2002). غلظت بحرانی فسفر و پتاسیم خاک شالیزارهای شمال کشور به‌ترتیب حدود 18-14 و 170-110 میلی­گرم بر کیلوگرم گزارش شده است (Malakouti et al., 2001; Kavousi, & Malakouti, 2006; Shahdi-Komleh et al., 2012)، از این رو به دلیل اختلاف بیشتر بین موجودی پتاسیم خاک مزرعه آزمایشی نسبت به موجودی فسفر آن در مقایسه با متوسط غلظت­های بحرانی گزارش شده برای این دو عنصر، پاسخ بیشتر ارقام برنج به مصرف پتاسیم در مقایسه با مصرف فسفر کاملا منطقی به‌نظر می­رسد.

نکته قابل توجه دیگر این بود که در شرایط مصرف بهینه عناصر غذایی مختلف، اختلاف معنی­داری در تولید عملکرد بین رقم شیرودی و فجر مشاهده شد. به‌علاوه در شرایط مصرف رایج عناصر غذایی مختلف نیز اختلاف معنی­داری در تولید عملکرد بین رقم طارم هاشمی و طارم دیلمانی مشاهده شد. بر این اساس و با توجه به اختلاف معنی­دار عملکرد بین رقم­های شیرودی و فجر در شرایط مصرف بهینه عناصر غذایی مختلف، می­توان نتیجه گرفت که احتمالا رقم فجر برای تولید حداکثر عملکرد خود به مقادیر نیتروژن، فسفر و پتاسیم کمتری در مقایسه با سطح مصرف بهینه در نظر گرفته شده در این مطالعه نیاز دارد. این نتایج کاملا مشخص می‌کند که برای بروز پتانسیل ژنتیکی تولید در هر رقم، مصرف کافی و همزمان عناصر غذایی مختلف لازم است. تقاضای یک گیاه برای یک عنصر غذایی، کاملا تحت تاثیر ژنتیک و محیط رشد اطراف آن گیاه قرار خواهد گرفت (Brady & Weil, 2002)؛ در نتیجه، هرچه پتانسل ژنتیکی تولید ماده خشک در رقم مورد نظر بالاتر و شرایط اقلیمی (نور، دما و رطوبت) و خاکی منطقه مورد کشت و کار گیاه مطلوب­تر باشد، میزان تولید ماده خشک توسط گیاه و به طبع آن تقاضای آن گیاه برای عناصر غذای بالاتر خواهد بود. به­طور مثال، Fathi et al. (2017) با بررسی پتانسیل تولید برنج در سه منطقه بابلسر، آمل و پل سفید از شهرستان­های استان مازندران نشان دادند که شدت تشعشع بالاتر و دامنه حرارتی مطلوب تر، چگونه منجر به تفاوت پتانسیل تولید بین مناطق مختلف کشت برنج شده است. بنابراین برای کاربردی کردن نتایج این تحقیق برای استفاده در مناطق دیگر، توصیه می­شود برای تعیین میزان تقاضای گیاه برای عناصر غذایی مختلف، علاوه بر پتانسیل ژنتیکی تولید در گیاه، به شرایط محیطی منطقه نیز که برای بروز پتانسیل ژنتیکی بسیار مهم است توجه شود.

نتیجه­گیری کلی

براساس نتایج این پژوهش، عدم مصرف عناصر غذایی اصلی شامل نیتروژن، فسفر و پتاسیم، باعث افت عملکرد دانه در همه ارقام برنج شد؛ با این­وجود شدت این افت عملکرد در ارقام پر محصول بیشتر از ارقام کم ­محصول بود. به‌علاوه، مصرف بهینه کودهای نیتروژن، فسفر و پتاسیم که شامل بهبود مقدار و تعداد دفعات تقسیط آن‌ها بود، در مقایسه با مصرف رایج این سه عنصر، باعث افزایش متوسط 59 درصدی در عملکرد شلتوک شد. مدیریت بهینه مصرف نیتروژن، مهم­ترین عامل افزایش تولید در بین عناصر غذایی مصرفی بود و در ارقام کم محصول بر خلاف ارقام پر محصول، مصرف بهینه فسفر و یا پتاسیم به تنهایی و بدون مصرف بهینه نیتروژن، تاثیر معنی­دار بر افزایش عملکرد برنج نداشت. به‌طور کلی، نیاز به عناصر غذایی مختلف در بین ارقام پر­محصول و کم­محصول متفاوت بود و برای بروز پتانسیل ژنتیکی تولید در هر رقم، مصرف کافی و همزمان عناصر غذایی مختلف لازم بود.

REFRENCES

1. Abbasian, A. & Aminpanah, H. (2017). Effects of previous crop and rate of phosphorous fertilizer application on yield and yield components of rice (Oryza sativa) cv. Shiroudi. Journal of Crop Ecophysiology, 11(4), 889-904. (In Persian)
2. Ali-Neya, F. & Nouri-Delavar, M. Z. H. M. 2017. Transformation in the rice production through the introduction of high-yielding cultivars. Agricultural Education and Extension Research Organization. (In Persian)
3. Barker, A. V. & Pilbeam, D. J. (2007). Handbook of Plant Nutrition, (2th ed.). CRC Press, Taylor & Francis Group. 6000 Broken Sound Parkway NW.
4. Brady, N. C. & Weil, R. R. (2002). The nature and properties of soils. Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ.
5. Dai, X., Ouyang, Z., Li, Y. & Wang, H. (2013). Variation in yield gap induced by nitrogen, phosphorus and potassium fertilizer in North China plain. PLoS ONE 8(12), 12e82147.
6. Darzi-Naftchali, A. & Shahnazari, A. (2014). Influence of subsurface drainage on the productivity of poorly drained paddy fields. European Journal of Agronomy, 56(5), 1–8.
7. Dobermann, A. & Fairhurst, T. (2000). Rice Nutrient Disorders & Nutrient Management. Oxford Graphic Printer’s Pte Ltd.
8. Dobermann, A., Witt, C., Dawe, D., Abdulrachman, S., Gines, H. C., Nagarajan, R., Son, T. T., Tan, P. S., Wang, G. H., Chien, N. V., Thoa, V. T. K., Phung, C. V., Stalin, P., Muthukrishnan, P., Babu, M., Simbahan, G. C., Adviento, M. A. A. & Bartolome, V. (2003). Estimating indigenous nutrient supplies for site-specific nutrient management in irrigated rice. Agronomy Journal, 95(4), 924-935.
9. Esfehani, M., sadrzadeh, S. J., Kavosi, M. & Dabagh Mahdi nasab, A. (2005). Effects of different amounts of nitrogen and potassium fertilizers on growth and yield and grain yield components of Khazar rice cultivar. Iranian Journal of Crop Science, 7(3), 226-240. (In Persian)
10. Fageria, N. K. & Oliveira, J. P. (2014). Nitrogen, Phosphorus and Potassium Interactions in Upland Rice. Journal of Plant Nutrition, 37(10), 1586–1600.
11. Fairhurst, T. H. Witt, C., Buresh, R. J. & Dobermann, A. (2007). Rice: A Practical Guide to Nutrient Management (2th ed.). International Rice Research Institute (IRRI), Philippines, International Plant Nutrition Institute (IPNI) and International Potash Institute (IPI), Singapore.
12. Fathi, N., Pirdashti, H., Nasiri, M. & Bakhshandeh, A. (2017). The effect of temperature and radiation intensity on yield and yield components of rice under climate conditions of Mazandaran. Journal of Crop Improvement, 19(1), 163-176. (In Persian)
13. Fei, W. & Shao-bing, P. 2016. Yield potential and nitrogen use efficiency of China’s super rice. Journal of Integrative Agriculture, 16(5), 1000–1008.
14. Jiang, W., Wang, X., Xing, Y., Liu, X., Cui, Z. & Yang, L. (2019). Enhancing rice production by potassium management: Recommended reasonable fertilization strategies in different inherent soil productivity levels for a sustainable rice production system. Sustainability, 22(11), 6522.
15. Kavousi, M. & Malakouti, M. J. (2006). Determining the critical level of potassium with ammonium acetate extract in Guilan paddy fields. Iraninan Journal of Soil Water Science, 10(3), 113-122. (In Persian)
16. Khajehpour, M. R. (2014). Principles and basics of agriculture. Jihad Daneshgahi Publications.Isfahan University of Technology. (In Persian)
17. Liu, K., Deng, J., Lu, J., Wang, X., Lu, B., Tian, X. & Zhang, Y. (2019). High nitrogen levels alleviate yield loss of super hybrid rice caused by high temperatures during the flowering stage. Frontiers in Plant Science, 10(3), 357–365.
18. Malakouti, M., Davoodi, M. H., Saadati, N., Alinejad, M., Ramezanpour, R., Mohammadi, M. & Mohammadian, M. (2001). Determining the critical limit of potassium for rice and investigating its response to potassium chloride in paddy fields of Mazandaran. Iranian Journal of Soil Water, 12(14), 54-62. (In Persian)
19. Malakouti, M. J. & Tehrani, M. M. (2000). The role of micronutrients in increasing yield and improving the quality of agricultural crops: "Microelements with macro impact". Tarbiat Modares University Press. (In Persian)
20. Mustafavi Rad, M. & Tahmasebi Sarvestani, Z. (2003). Evaluation of nitrogen fertilizer effects on yield, yield components and dry matter remobilization of three rice genotype. Journal of Agricultural Science and Natural Resources, 10(2), 21-31. (In Persian)
21. Omidi-Rodbaraki, H., Emadi, B., Abaspour-Fard M. H., Khorasani, R. & Taheri-Rad A. (2013). The Effect of different levels of silicon and nitrogen treatment on yield and lodging of local Tarom variety of rice. In: Proceedings of the 8th National Congress of Agricultural Machinery and Mechanization, 29 Jan Ferdowsi Mashhad University, Mashahd, Iran. P9.488-498.
22. Razavipour, T., Khaledian, M. R. & Rezaei, M. (2016). Effects of nitrogen levels and its splitting on rice yield and nutrient uptake in rice, Hashemi variety. Iranian Journal of Human, Environment and Health Promotion, 16(2), 153-164. (In Persian)
23. Ruffo, M. L., Gentry, L. F., Henninger, A. S., Seebauer, J. R. & Below, F. E. (2015). Evaluating management factor contributions to reduce corn yield gaps. Agronomy Journal, 107(2), 495–505.
24. Saberali, S. F., Modarres-Sanavy, S. A. M., Bannayan, M., Aghaalikhani, M., Haghayegh, G. & Hoogenboom, G. (2016). Common bean canopy characteristics and N assimilation as affected by weed pressure and nitrogen rate. Journal of Agricultural Science, 154(4), 598–611.
25. Salehifar, M., Asghari, J., Peyman, S. H. Sami Zadeh, H. & Dorosti, H. (2011). Effects of planting distance, nitrogen and phosphorus fertilizers on yield and yield component of hybrid rice (Bahar 1). Electronic Journal of Crop Production, 4(2), 155-168. (In Persian)
26. Shad, R. A. & De Datta, S. K. (1988). Fertilizer nitrogen use efficiency in direct seeded wetland rice under different water management systems. Pakistan Journal of Agricultural Recourses, 9(4), 440–447.
27. Shahdi-Komeleh, A. & kavousi, M. (2004). Investigation of the interaction of silicon and phosphorus on the growth and yield of rice (Oryza sativa). Iranian Journal of Agricultural Science, 35(3), 581-586. (In Persian)
28. Shahdi-Komleh, A., Khankeshipour, G. R., Kavousi, M., Razavipour, T., Fathi Dokht, H., Ismaili, S. & Monshizadeh, A. (2012). Nutrients of soil and rice plant nutrition. Publications of the National Rice Research Institute. (In Persian)
29. Sharma, S. N., Prasad, R., Shivay, Y. S., Dwivedi, M. K., Kumar, S. & Kumar, D. (2009). Effect of rates and sources of phosphorus on productivity and economics of rice (Oryza sativa) as influenced by crop-residue incorporation. Indian Journal of Agronomy, 54(1), 42–46.
30. Shi, X., Hu, K., Batchelor, W. D., Liang, H., Wu, Y., Wang, Q., Fu, J., Cui, X. & Zhou, F. (2020). Exploring optimal nitrogen management strategies to mitigate nitrogen losses from paddy soil in the middle reaches of the Yangtze River. Agricultural Water Management, 228(11), 105877.
31. Statistical yearbook of Agriculture. (2019). Ministry of Agriculture Jihad. Agriculture Jahad publication. Volume One: Agricultural crops. (In Persian)
32. Sun, J., Ye, M., Peng, S., & Li, Y. (2016). Nitrogen can improve the rapid response of photosynthesis to changing irradiance in rice (Oryza sativa) plants. Scientific Reports, 6 (10), 1-10.
33. Vahabzadeh, M., Isfahani, M., Alami, A., Shahdi Komleh, A., Fallah Shamsi, S. A. & Hemmati, S. (2015). Effect of phosphorus fertilizer levels and parboiling of paddy on phytic acid and mineral content of three rice (Oryza sativa) cultivars. Iranian Journal of Crop Science, 17(4), 258-272. (In Persian)
34. Wilkinson, S. R., Grunes, D.L. & Sumner, M. E. (2000). Nutrient interactions in soil and plant nutrition. In: M. E. Sumner (Ed), Handbook of Soil Science. (pp. 89–111.) Boca Raton, FL: CRC Press.
35. Yazdani-Motlagh, N., Reyhani Tabar, A. & Najafi, N. (2013). Effects of combined application of nitrogen and phosphorus on their, and as well on potassium uptake by rice plant under flooded vs. non-flooded conditions. Iranian Journal of Soil and Water, 44(2), 183-192. (In Persian)
36. Zhang, H., Xu, M., Shi, X., Li, Z., Huang, Q. & Wang, X. (2010). Rice yield, potassium uptake and apparent balance under long-term fertilization in rice-based cropping systems in southern China. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 88(2), 341–349.