مدیریت آب در کشاورزی

مدیریت آب در کشاورزی

بهینه‌سازی مصرف کود نیتروژن و آب آبیاری با روش سطح پاسخ در زراعت ذرت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
سید کیومرث پژوهیده 1
اصلان اگدرنژاد 2
فریبرز عباسی 3
سالومه سپهری 4
1 دانشجوی کارشناسی ارشد آبیاری و زهکشی، گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.
2 استادیار، گروه علوم و مهندسی آب، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران.
3 استاد موسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران
4 استادیار، عضو هیات علمی بخش آبیاری و زهکشی موسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی
چکیده
هدف از این پژوهش، تعیین مقادیر بهینه کود نیتروژن و آب آبیاری برای دستیابی به حداکثر عملکرد بهره‌وری مصرف آب و کود می‌باشد. بدین منظور، پژوهش حاضر با استفاده از مدل سطح-پاسخ روی گیاه ذرت دانه‌ای رقم دبل کراس 370 در مزرعه 500 هکتاری مؤسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر در دو سال زراعی انجام شد. عوامل مورد آزمایش شامل مقدار آب آبیاری در سه سطح (I1: 100، I2: 80 و I3: 60 درصد نیاز آبی) و کود نیتروژن در سه سطح (F1: 100، F2:60 و F3: صفر درصد نیاز کودی) بود. نتایج نشان داد که مدل مورد استفاده دارای خطای قابل قبول برای پیش‌بینی عملکرد (3/7 درصد)، بهره‌وری آب (3/9 درصد) و کارایی مصرف کود (24 درصد) بود. دقت این مدل برای پیش‌بینی صفات مورد نظر به‌ترتیب در دسته‌های عالی (1/0 ≥ NRMSE)، عالی (1/0 ≥ NRMSE) و متوسط (3/0 ≥ NRMSE ≥2/0) قرار داشت. کارایی مدل مورد نظر نیز مطلوب (90≤d و 5/0≤EF) بود. با افزایش مقدار کود (تغییر از 1- به سمت 1+)، عملکرد نیز افزایش داشت ولی میزان رشد عملکرد به صورت خطی نبود. تغییرات عملکرد نسبت به مقادیر آب آبیاری شیب یکنواخت‌تری داشت و نمودار آن به حالت خطی نزدیک‌تر بود. افزایش آب آبیاری تا محدوده‌ی 8/0+ سبب افزایش بهره‌وری آب گردید. مقادیر بیشتر از آن، بهره‌وری آب را کاهش داد. تغییرات کارایی مصرف کود نسبت به دو عامل مقدار کود نیتروژن (تا محدوده‌ی 9/0+) و آب آبیاری (تا محدوده‌ی 8/0+) صعودی بود. مقادیر بهینه‌ی کود نیتروژن و آب آبیاری به ترتیب در محدوده‌ی 100-60 درصد نیاز کودی و 100-70 درصد نیاز آب آبیاری بود که پس از بهینه‌سازی به‌ترتیب 71 و 100 درصد تعیین شدند. در این شرایط، عملکرد ذرت، کارایی مصرف آب و کود به‌ترتیب 7 تن در هکتار، 3/2 کیلوگرم بر مترمکعب و 33 کیلوگرم بر کیلوگرم به دست آمد.
کلیدواژه‌ها
تنش آبی
تنش کودی
عملکرد بهینه
کارایی مصرف آب
کارایی مصرف کود

عنوان مقاله English

Optimization of Nitrogen Fertilizer and Irrigation Water Using Response-Surface Methodology (RSM) in Corn Cultivation

نویسندگان English

Seyed Kioomars Pazhoohideh 1
Aslan Egdernezhad 2
fariborz abbasi 3
Saloomeh Sepehri Sadeghiyan 4
1 M.Sc. Student of Irrigation and drainage, Department of Water Sciences and Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
2 Assistant Professor, Department of Water Sciences and Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.
3 Agricultural Engineering Research Institue, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran
4 Assistant professor of Irrigation and Drainage Engineering, Agricultural Engineering Research Institute (AERI), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Karaj, Iran.
چکیده English

The purpose of this research was to determine the optimal amounts of nitrogen fertilizer and irrigation water to achieve maximum yield (Y), water productivity (WP) and fertilizer productivity (FP). For this purpose, the research was carried out on a 370 double cross hybrid corn in the 500-hectare farm of the Seed and Plant Improvement Institute (SPII) for two crop years, using response surface method. The tested factors included the amount of irrigation water at three levels (I1:100, I2:80 and I3:60% of water requirement) and nitrogen fertilizer at three levels (F1:100, F2:60, and F3:0% of fertilizer requirement). The results showed that the model used had an acceptable error for predicting yield (7.3%), water productivity (9.3%), and fertilizer productivity (24%). The accuracy of this model for predicting the desired traits was in the excellent (NRMSE≤0.1), excellent (NRMSE≤0.1), and moderate (0.2≤NRMSE ≤0.3) categories, respectively. The efficiency of the desired model was also favorable (d ≥ 90 and EF≥0.5). By increasing the amount of fertilizer (changing from -1 to +1), the yield also increased, but the rate of yield growth was not linear. The yield changes compared to irrigation water had a more uniform slope and its growth was closer to a linear line. The increase of irrigation water up to the range of +0.8 increased the efficiency of water consumption. Moreover, it reduced the efficiency of water consumption. The changes in the efficiency of fertilizer consumption were positive compared to the two factors of nitrogen fertilizer (up to the range of +0.9) and irrigation water (up to the range of +0.8). The optimal amounts of nitrogen fertilizer and irrigation water were in the range of 60-100% of fertilizer requirement and 70-100% of irrigation water requirement, which after optimization were determined as 71% and 100%, respectively. In these conditions, corn yield, water, and fertilizer productivity were 7 tons/ha, 2.3 kg.m-3, and 33 kg.kg-1, respectively.

کلیدواژه‌ها English

Water stress
Fertilizer stress
Fertilizer efficiency
Optimal performance
Water efficiency
ابراهیمی پاک، ن. ع.، اگدرنژاد، ا.، تافته، آ.، احمدی، م. 1398. ارزیابی مدل‌های WOFOST، AquaCrop و CropSyst در شبیه‌سازی عملکرد کلزا در منطقه قزوین. آبیاری و زهکشی ایران. 13(3-75): 726-715.
اگدرنژاد، ا.، ابراهیمی‌پاک، ن. ع.، تافته، آ.، احمدی، م. 1397. برنامه‌ریزی آبیاری کلزا با استفاده از مدل AquaCrop در دشت قزوین. مدیریت آب در کشاورزی. 5(2-10): 64-53.
بی­نام، 1398. آمارنامه وزارت جهاد کشاورزی، مرکز ملی آمار ایران.
توانگر، م.، عشقی زاده، ح. ر. قیصری، م. 1399. ارزﯾﺎﺑﯽ ﻋﻤﻠﮑﺮد و ﮐﺎراﯾﯽ ﻣﺼﺮف آب ﻫﯿﺒﺮﯾﺪﻫﺎی دﯾﺮرس ذرت در ﺷﺮاﯾﻂ ﻣﺘﻔﺎوت آبیاری و تقسیط کود نیتروژن. نشریه علوم آب‌وخاک. ۲۴ (۲): 249-235.
جهان، م.، امیری، م. ب.، نوربخش، ف. 1395. بررسی اثر مقادیر مختلف سوپرجاذب رطوبت و اسید هیومیک در شرایط کم آبیاری بر برخی ویژگی­های اگرواکولوژیکی ذرت (.Zea mays L) به روش سطح پاسخ. نشریه پژوهش­های زراعی ایران. 14 (4): 764-746.
جهان، م.، نصیری محلاتی، م.، خلیل زاده، ح.، بیگانه، ر.، رضوی، ا. ر. 1394. بهینه­سازی کاربرد کودهای نیتروژن، فسفر و دامی در زراعت گندم پاییزه (.Triticum aestivum L) با استفاده از روش سطح-پاسخ (RSM). نشریه پژوهش­های زراعی ایران. 13 (4): 839-823.
حمید، ز.، سلطانی‌محمدی، ا.، احمدی، م. 1401. ارزیابی روش‌های فاکتوریل کامل، تاگوچی و طرح مربع مرکزی در کاهش آبشویی نیترات از خاک تحت تیمار زئولیت. آبیاری و آب ایران. 13 (1-49): 107-90.
عباسی، ف.، چوکان، ر.، علیزاده، ح.، معینی، ر.، نوری، ر.، آقایی، ف.، شفیعی، پ. 1390. بررسی اثرات کود آبیاری سطحی بر کارایی مصرف آب، عملکرد و اجزاء عملکرد ذرت دانه­ای در کرج. گزارش نهایی پروژه تحقیقاتی. مؤسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی. شماره 40212.
عباسی، ف.، چوکان، ر.، غیبی، م. 1394. بررسی امکان کاهش تلفات نیتروژن در کودآبیاری جویچه­ای ذرت دانه­ای. گزارش نهایی پروژه تحقیقاتی. مؤسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی. شماره 48728 .
گودرزی، ف.، دلشاد، م.، منصوری، ح.، سلطانی، ف. 1400. بهینه‌سازی ‌فاکتورهای‌کود‌ نیتروژن و ‌فاصله ‌بوته ‌روی‌ ردیف‌ در‌ گیاه ‌اسفناج ‌رقم ‌Harrier به روش‌ سطح‌ پاسخ. علوم باغبانی ایران. 52 (1): 151-139.
منصوری، ح.، نوشاد، ح.، حسنی، م. 1400. بهینه­سازی مصرف کود نیتروژن و آب در چغندرقند (Beta vulgaris L.) با استفاده از مدل‌سازی سطح-پاسخ. نشریه بوم­شناسی کشاورزی. 13 (1): 72-57.
Aslan, N. 2007. Application of response surface methodology and central composite rotatable design for modeling the influence of some operating variables of a multi-gravity separator for chromite concentration. Powder Technology. 86: 769–776.
Box, G. E. P. and J. S. Hunter. 1957. Multi-factor experimental designs for exploring response surfaces. The Annals of Mathematical Statistics. 28(1): 195-241.
Box, G. E. P. and Wilson, K. B. 1951. On the experimental attainment of optimum conditions. Journal of the Royal Statistical Society: Series B (Statistical Methodology). 13: 1–45.
 
FAO. 2014. Statistical Database of the Food and Agriculture Organization of the United Nations. FAO, Rome.
Kalavathy, H.M., Regupathib, I., Pillai, M.G. and Miranda, L.R. 2009. Modelling, analysis and optimization of adsorption parameters for H 3 PO 4 activated rubber wood sawdust using response surface methodology (RSM). Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 70: 35–45.
Koocheki, A., Nassiri, M., Moradi, R. and Mansouri, H. 2014. Optimizing water, nitrogen, and crop density in canola cultivation using response surface methodology and central composite design. Soil Science and Plant Nutrition. 1: 1-13.
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: 327–34.
Li, Y., Li, Z., Cui, S., Chang, S., Jia, Ch. and Zhang, Q. 2019. A global synthesis of the effect of water and nitrogen input on maize (Zea mays) yield, water productivity and nitrogen use efficiency. Agricultural and Forest Meteorology. 268: 136-145.
Mansouri, H., Bannayan, M., Rezvani Moghaddam, P. and Lakzian, A. 2015. Management of nitrogen, irrigation, and planting density in Persian shallot (Allium hirtifolium) by using central composite optimizing method. Agricultural Science and Sustainable Production. 24(4): 41-60.
Mansouri, H., Banyan, M., Rezvani Moghaddam, P. and Lakzian, A.  2014. Management of nitrogen fertilizer, irrigation, and plant density in onion production using response surface methodology as optimization approach. African Journal of Agricultural Research. 9(7): 676-687.
Masri, M.I., Ramadan, B.S.B., El-Shafai, A.M.A. and El-Kady, M.S., 2015. Effect of water stress and fertilization on yield and quality of sugar beet under drip and sprinkler irrigation systems in sandy soil. International Journal of Agriculture Sciences 5(3): 414-425.
Montgomery, D.C. 2001. Design and Analysis of Experiments, fifth ed., John Wiley & Sons, New York. 734 p.
Namihira, T, Shinzato, N., Akamine, H, Nakamura, I, Maekawa, H, Kawamoto, and Y. Matsui, T. 2011. The effect of nitrogen fertilization to the sward on guineagrass (Panicum maximum Jacq cv. Gatton) silage fermentation. Asian-Australian Journal of Animal Science. 24: 358-363.
Preza-fontes, G., Pittelkow, C. M., Greer, K. D., Bhattarai, R. and Christianson, L.E. 2021. Split-nitrogen application with cover cropping reduces subsurface nitrate losses while maintaining corn yields, Journal of Environmental Quality, 50: 1408-1418.
Topak, R., Süheri, S. and Acar, B. 2011. Effect of different drip irrigation regimes on sugar beet (Beta vulgaris L.) yield, quality, and water use efficiency in Middle Anatolian, Turkey. Irrigation Science. 29(1): 79-89.
Wu, C.F.J. and Hamada, M. 2009. Experiments: planning, analysis, and parameter design optimization. Second edition, John Wiley and Sons, New York, 853p.
Zulkali, M. M. D., Ahmad, A. L., and Norulakmal, N. H. 2006. Oryza sativa L husk as heavy metal adsorbent: optimization with lead as model solution. Bioresource Technology. 97: 21-25.