اثر مدیریت نظام های زراعی بر تولید خالص اولیه و ضرایب نسبی تسهیم کربن در گیاه ذرت (Zea mays L.)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

• سرور خرم دل ¹
• علیرضا کوچکی ¹
• مهدی نصیری محلاتی ¹
• رضا خراسانی ²

¹ گروه زراعت و اصلاح نباتات، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

² گروه علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، ایران

10.22067/jag.v2i4.8805

چکیده

بمنظور بررسی میزان تولید خالص اولیه و برآورد تسهیم کربن به اندام های هوایی و زیرزمینی ذرت (Zea mays L.) تحت تأثیر نظام های مختلف زراعی، آزمایشی با چهار تکرار در دو سال زراعی 88-1387 و 89-1388 در مزرعه تحقیقاتی دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد انجام شد. چهار تیمار آزمایشی شامل دو نظام زراعی کم نهاده بر پایه مصرف کود دامی و کمپوست زباله خانگی، یک نظام متوسط نهاده و یک نظام پرنهاده به صورت زیر تعریف شدند: نظام کم نهاده با 30 تن کود دامی و نظام کم نهاده با 30 تن کمپوست، بدون عملیات آماده سازی زمین و با دو مرتبه وجین دستی، نظام متوسط نهاده شامل 15 تن در هکتار کمپوست، 150 کیلوگرم در هکتار اوره، دو مرتبه عملیات آماده سازی زمین و علفکش توفوردی (در مرحله پنج برگی ذرت، به میزان 5/1 لیتر در هکتار) و یکمرتبه وجین دستی و نظام پرنهاده شامل 300 کیلوگرم در هکتار اوره، چهار مرتبه عملیات آماده سازی زمین و پاراکوات (بعد از کاشت، به میزان 2 لیتر در هکتار) و توفوردی (در مرحله پنج برگی ذرت، به میزان 5/1 لیتر در هکتار) بودند. صفات اندازه گیری شده شامل وزن دانه، زیست توده اندام هوایی، وزن ریشه، زیست توده کل اندام هوایی و زیرزمینی و طول مخصوص ریشه ذرت بود. نتایج نشان داد که اثر مدیریت نظام زراعی و میزان نهادة خارجی بکار گرفته شده بر میانگین زیست توده اندام هوایی، وزن دانه، وزن ریشه، زیست توده کل اندام هوایی و زیرزمینی، نسبت زیست توده اندام هوایی به زیرزمینی، طول مخصوص ریشه و شاخص برداشت ذرت معنی دار (01/0≥p) بود. با اعمال مدیریت فشرده نظام زراعی، زیست توده اندام هوایی و نسبت زیست توده اندام هوایی به زیرزمینی افزایش و وزن دانه، وزن و طول مخصوص ریشه کاهش یافت. بیشترین و کمترین میانگین زیست توده کل به ترتیب در نظام زراعی پرنهاده و کم نهاده در شرایط بهره گیری از کمپوست به ترتیب با 6/18 و 3/10 کیلوگرم در مترمربع در فصل زراعی مشاهده شد. بیشترین طول مخصوص ریشه در نظام زراعی کم نهاده برپایه کود دامی با 8/19 سانتی متر بر سانتی متر مکعب خاک و کمترین میزان آن در نظام زراعی پرنهاده با 3/1 سانتی متر بر سانتی-متر مکعب خاک مشاهده شد. دامنة ضرایب نسبی تسهیم کربن برای بافت های مختلف ذرت در نظام های مختلف زراعی شامل RP، RS، RR و RE به ترتیب برابر با 17/0-10/0، 52/0-19/0، 39/0-23/0 و 25/0-15/0 برآورد شد. با اعمال مدیریت کم نهاده با مصرف کود دامی نظام زراعی میزان کربن تسهیم یافته به دانه، ریشه و تراوه های ریشه ای افزایش و میزان تسهیم کربن به اندام های هوایی کاهش یافت. بیشترین و کمترین میزان تسهیم کربن به ریشه به ترتیب در نظام های زراعی کم نهاده بر مبنای مصرف کود دامی و نظام پرنهاده با 5/6 و 7/2 گرم کربن بر متر مربع در فصل زراعی بدست آمد. بیشترین و کمترین تولید خالص اولیه در نظام های زراعی کم نهاده با مصرف کود دامی (6/16 گرم کربن بر متر مربع در فصل زراعی) و نظام کم نهاده بر پایه مصرف کمپوست (9/8 گرم کربن بر متر مربع در فصل زراعی) حاصل شد. بطور کلی مدیریت نظام زراعی بر مبنای بهره گیری از اصول کم نهاده با مصرف کود دامی به دلیل بهبود ویژگی های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی خاک و همچنین آزادسازی تدریجی عناصر غذایی همراه با رشد گیاه باعث افزایش تسهیم کربن به بافت های زیرزمینی و به تبع آن افزایش زیست توده اندام های زیرزمینی ذرت شد که این امر از طریق اضافه کردن بقایای ریشه به خاک می تواند با حفظ کربن در خاک مانع انتشار آن به اتمسفر شده که در نتیجه برای کاهش تولید دی اکسید کربن و تغییر اقلیم مؤثر باشد.

کلیدواژه‌ها

• تراوه ریشه ای
• تغییر اقلیم
• تولید خالص اندام هوایی
• تولید خالص اندام زیرزمینی
• ضریب نسبی تسهیم کربن

---

عنوان مقاله [English]

Effect of different crop management systems on net primary productivity and relative carbon allocation coefficients for corn (Zea mays L.)

نویسندگان [English]

• Surur Khorramdel ¹
• AliReza Koocheki ¹
• Mehdi Nassiri Mahallati ¹
• Reza Khorasani ²

¹ Department of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Iran

² Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Iran

چکیده [English]

In order to evaluate the effect of different crop management practices on corn (Zea mays L.) net primary productivity (NPP) and relative carbon allocation coefficients, a field experiment was conducted based on a completely randomized block design with four replications in the Agricultural Research Station, Ferdowsi University of Mashhad, Iran during two growing season 2008-2009 and 2009-2010. Treatments including two low input management systems based on application of cow manure and compost municipal made from house-hold waste, a medium input system and a high input system. Application of inputs and management practices were based on a basic assumption made prior to the start of the experiment. On the other words, for each of the management system the particular set of inputs were allocated. In this respect, for low input system 30 t.ha-1 cow manure or 30 t.ha-1 compost municipal made from house-hold waste, twice hand weeding were used. In medium management system, 15 t.ha-1 compost municipal made from house-hold waste, 150 kg.ha-1 urea, two seed bed operations, 1.5 l.ha-1 2, 4-D herbicide applied at five-leaf stage and one time hand weeding were used. In high input system, the inputs were two seed bed operations, 2 l.ha-1 Paraquat herbicide used after seeding and 1.5 l.ha-1 2, 4-D applied at five-leaf stage. Results showed that the effect of different crop management practices on the shoot biomass, seed weight, root biomass, total biomass, shoot biomass: root biomass (S:R), SRL and HI were significant (p≥0.01). High input management system enhanced total biomass and S:R and decreased seed weight, root biomass and SRL. The highest and the lowest total biomass observed in high input (18.3 kg.m-2.yr-1) and low input with using compost (10.3 kg.m-2.yr-1), respectively. The maximum SRL observed in low input based on cow manure application (19.8 cm.cm-3 soil) and the minimum SRL was in high input (1.3 cm.cm-3 soil). Range of relative carbon allocation coefficients to seed, shoot, root and extra-root were estimated as 0.10-0.17, 0.19-0.52, 0.23-0.39 and 0.15-0.25, respectively. Low input with cow manure application increased allocated carbon to seed, root and extra-root and decreased allocated carbon to shoot. The highest allocated carbon to root observed in low input with using manure (6.5 g C m-2.yr-1) and the lowest allocated carbon to root was in high input (2.7 g C m-2.yr-1). The maximum and the minimum NPP were obtained in low input with cow manure application (16.6 g C m-2.yr-1) and high input (8.9 g C m-2.yr-1), respectively. It seems that crop management system based on low input of cow manure application enhanced carbon allocation to below-ground biomass of corn due to improvement in soil physical, chemical and biological properties and also nutrient availability which could be regarded as an alternative to reduce CO2 production and moderate climate changes.

کلیدواژه‌ها [English]

• Above-ground net primary productivity
• Below-ground net primary productivity
• Climate change
• Extra-root
• Relative coefficient of carbon allocation

مراجع

1- Abbotte, L.K., and Murphy, D.V. 2007. Soil Biological Fertility: a Key to Sustainable Land Use in Agriculture. Springer, Technology and Engineering, 268 pp.

2- Antle, J.M. 1995. Climate change and agriculture in developing countries. American Journal of Agricultural Economics 77: 741–46.

3- Betts, R.A., Falloon, P., Goldewijk, K.K., and Ramankutty, N. 2007. Biogeophysical effects of land use on climate: model simulations of radiative forcing and large-scale temperature change. Agricultural and Forest Meteorology 142: 216–233.

4- Bolinder, M.A., Janzen, H.H., Gregorich, E.G., Angers, D.A., and Vanden Bygaart, A.J. 2007. An approach for estimating net primary productivity and annual carbon inputs to soil for common agricultural crops in Canada. Agriculture, Ecosystems and Environment 118(1-4): 29-42.

5- Clarholm, M. 1994. The microbial loop in soil. In: Beyond Biomass. K. Ritz, J. Dighton, and K.E. Giller (Eds.). pp. 221- 238. Wiley, USA.

6- Duiker, S.W., and Lal, R. 2000. Carbon budget study using CO2 flux measurement from a no till system in cereal Ohio. Soil and Tillage Research 54: 21-30.

7- Edwards J.H., Wood C.W., Thurlow D.L., Ruf M.E. 1992. Tillage and crop rotation effects on fertility status of a hapludult soil. Soil Science Society of America Journal 56(5): 1577-1582.

8- Gan, Y.T., Campbell, C.A., Janzen, H.H., Lemke, R.L., Basnyata, P., and Mc Donald, C.L. 2009. Carbon input to soil from oilseed and pulse crops on the Canadian prairies. Agriculture, Ecosystems and Environment 132(3-4): 290-297.

9- Gerke, J. 1994. Kinetics of soil phosphate desorption as affected by citric acid. Zeitscht fur Pflanzenernahrung and Bodenkunde 157: 17-22.

10- Haynes, R.J., and Naidu, R. 1998. Influence of lime, fertilizer and manure applications on soil organic matter content and soil physical conditions: a review. Nutrient Cycling in Agroecosystems 51(2): 123-137.

11- Heinemann, A.B., Maia, H.N., Dourado-Neto, A.D., Ingram, K.T., and Hoogenboom, G. 2005. Soybean (Glycine max L. Merr.) growth and development response to CO2 enrichment under different temperature regimes. European Journal of Agronomy 24: 52-61

12- Hu, S., and Zhang, W. 2004. Impact of Global Change on biological processes in soil implications for agroecosystem management. Journal of Crop Improvement 12 (1/2): 289-314.

13- Jones, D.L., and Darrah, P.R. 1994. Amino acid influx at the soil-root interface of Zea mays L. and its implications in the rhizosphere. Plant and Soil 163: 1-12.

14- Kaspar, T.C., Brown, H.J., and Kassmeyer, E.M. 1990. Corn root distribution as affected by tillage, wheel Traffic, and fertilizer placement. Soil Science Society of America Journal 55(5): 1390-1394.

15- Korner, C. 2003. Carbon limitation in trees. Journal of Ecology 91: 4-17.

16- Kutsch, W.L., Aubinet, M., Buchmann, N., Smith, P., Osborne, B., Eugster, W., Wattenbach, M., Schrumpf, M., Schulze, E.D., TomellerI, E., Ceschia, E., Bernhofer, C., Beziat, P., Carrarai, A., Di Tommasi, P., Grünwald, T., Jonesk, M., Magliulo, V., Marloie, O., Moureaux, C., Olioso, A., Sanz, M.J., Saunders, M., Søgaard, H., and Ziegler, W. 2010. The net biome production of full crop rotations in Europe. Agriculture, Ecosystems and Environment 139(3): 336-345.

17- Lambers, H., Chapin, F.S., and Pones, T.L. 2008. Plant Physiological Ecology. 2nd Edition Springer. 604 pp.

18- Lopez-Bucio, J., Hernandez-Abreu, E., Sanchez-Calderon, L., Nieto-Jacobo, M.F., Simpson, J., and Herrera-Estrella, L. 2002. Phosphate availability alters architecture and causes changes in hormone sensitivity in the Arabidopsis root system. Plant Physiology 129: 244-256.

19- Maher, R.M., Asbjornsen, H., Kolka, R.K., Cambardella, C.A., Raich, J.W. 2010. Changes in soil respiration across a chronosequence of tallgrass prairie reconstructions. Agriculture, Ecosystems and Environment xx-xx.

20- Mc Conkey, B.G., Liang, B.C., Campbell, C.A., Curtin, D., Moulin, A., Brandt, S.A., and Lafond, G.P. 2003. Crop rotation and tillage impact on carbon sequestration in Canadian prairie soils. Soil and Tillage Research 74: 81–90.

21- Mengel, D.B., and Barber, S.A. 1973. Development and distribution of the corn root system under field conditions. Agronomy Journal 66(3): 341-344.

22- Miransari M., Bahrami H.A., Rejali F., Malakouti M.J. 2009. Effects of soil compaction and arbuscular mycorrhiza on corn (Zea mays L.) nutrient uptake. Soil and Tillage Research 103: 282–290.

23- Nguyen, C. 2003. Rhizodeposition of organic C by plants: mechanisms and controls. Agronomie 23: 375– 396.

24- Oberson, A., Besson, J.M., Maire, N., and Sticher, H. 1996. Microbiological transformations in soil-organic phosphorus transformations in conventional and biological cropping systems. Biology and Fertility of Soils 21: 138-148.

25- Osborne, B., Saunders, M., Walmsley, D., Jones, M., and Smith, P. 2010. Key questions and uncertainties associated with the assessment of the cropland greenhouse gas balance. Agriculture, Ecosystems and Environment 139(3): 293-301.

26- Paustian, K., Andren, O., Clarholm, M., Hanson, A.C., Johansson, G., Lagerlof, J., Lindberg, T., Petterson, R., and Schlenius, B. 1990. Carbon and nitrogen budgets of four agroecosystems with annual and perennial crops, with and without nitrogen fertilization, Journal of Applied Ecology 27: 60–84.

27- Pernia, S.D., Hill, A., and Ortiza, C.L. 1980. Urea turnover during prolonged fasting in the northern elephant seal. Comparative Biochemistry and Physiology (Part B: Comparative Biochemistry) 65(4): 731-734.

28- Radosevich, S.R., Holt, J.S., and Ghersa, C. 1997. Weed Ecology: Implications for Management. John Wiley and Sons, Science, 589 pp.

29- Rosenzweig, C., and Parry, M.L. 1994. Potential impacts of climate change on world food supply. Nature 367: 133-138.

30- Salinger, J. 2007. Agriculture’s influence on climate during the Holocene. Agricultural and Forest Meteorology 142: 96–102.

31- Saunders, M.A. 1998. Global warming: the view in 1998. Beneld Greig Hazard Research Centre Report, University College London.

32- Senesi, N. 1989. Composted materials as organic fertilizers. Science of the Total Environment 81-82: 521-542.

33- Shimizu, M.M., Marutani, S., Desyatkin, A.R., Jin, T.J., Hata, H., and Hatano, R. 2009. The effect of manure application on carbon dynamics and budgets in a managed grassland of Southern Hokkaido, Japan. Agriculture, Ecosystems and Environment 130: 31–40.

34- Tenant, D. 1975. A test of a modified line intersect method of estimating root length. Journal of Ecology 63: 995-1001.

35- Walker, DJ., Clemente, R., and Bernal, M.P. 2004. Contrasting effects of manure and compost on soil pH, heavy metal availability and growth of Chenopodium album L. in a soil contaminated by pyritic mine waste. Chemosphere 57(3): 215-224.

36- Welbank, P.J., Gibb, M.J., Taylor, P.J., and Williams, E.D. 1974. Root growth of cereal crops. Rothamsted Experiment Station Report, Part 2, 26–66.

37- Willatta S.T. 1986. Root growth of winter barley in a soil compacted by the passage of tractors. Soil and Tillage Research 7(1/2): 41-50.

38- Yin Y., Allen H.E., Li Y., Huang C.P., and Sanders P.F. 1996. Adsorption of mercury (II) by soil: effects of pH, chloride, and organic matter. American Society of Agronomy 25(4): 837-844.