SUPERVISOR
Mahdi Gheysari,Hamid Reza Eshghizadeh Samani,Morteza Zahedi,Gholam-Reza Ghorbani
مهدی قیصری (استاد مشاور) حمیدرضا عشقی زاده سامانی (استاد راهنما) مرتضی زاهدی (استاد مشاور) غلامرضا قربانی خراجی (استاد مشاور)
STUDENT
Afsaneh Nematpour
افسانه نعمت پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393
TITLE
Effect of agronomic management on growth, grain yield and silage quality of two millet species and modeling of climate change impacts
Drought stress is considered as the main environmental factor limiting crop growth and yield in the arid and semiarid regions. The possible increasing of drought risk as a result of climate change in these regions has forced field crop producers to search for drought tolerant plants. This research consisted of four studies. The first study was performed to investigate the effects of normal irrigation and drought stress (irrigation after 50 and 85% depletion of available soil water) and two nitrogen levels (0 and 112.5 kg N/ha) at four planting dates (June 22, 2015, July 6, 2015, June 14, 2016, and June 30, 2016) on biochemical and morphophysiological properties, yield, irrigation water use efficiency (IWUE), nitrogen use efficiency (NUE) and silage quality of two millet species, foxtail millet ( Setaria italica (L.) P. Beauv.) as Bastan cultivar and proso millet ( Panicum miliaceum L.) as Pishahang cultivar. Drought stress increased the contents of hydrogen peroxide (H 2 O 2) , malondialdehyde (MDA) while decreased leaf area index (LAI), chlorophyll content (Chl), carotenoid content (Car), membrane stability index (MSI) and relative water content (RWC) resulted in decreases in, the grain and biological yields and water and nitrogen use efficiencies. Moreover, ADF was reduced but leaf/stem ratio, digestibility, and silage quality improve in Pishahang as a result of drought while no significant effects observed on these traits in Bastan. The results showed that the application of nitrogen could mitigate the negative effects of drought stress on millet plants through motivating antioxidant systems and osmoregulation, alleviating lipid peroxidation and improving plant physiological traits. Nitrogen supply increased digestibility, grain and biological yield. In general, Bastan responsed to nitrogen fertigation far more than Pishahang. The positive effects of nitrogen supply on the studied traits were higher under normal irrigation than under water stress condition. Grain yield was higher in the plants sown on June 22, 2015 and June 14, 2016 under control irrigation condition, while under drought stress, July 6, 2015, and June 30, 2016 produced higher grain yields. The second study was performed to compare the quantitative and qualitative yield of millet, maize and sorghum on 14th and 30th of June, 2016, and under irrigation and nitrogen levels (similar to the previous experiment). There were no significant differences between millet (Pishahang) digestibility under stress condition with corn digestibility at both irrigation levels and sorghum digestibility in normal irrigation. Also, maximum biological yield was observed in sorghum, millet and maize, respectively. Third study was conducted to evaluate the effects of irrigation regimes (irrigation after 40 and 75% depletion of available soil water) and nitrogen levels (0, and 85 mg N kg -1 soil) on millet cultivars (Bastan and Pishahang) under two atmospheric CO 2 concentrations (390±50 and 700±50 µmol mol -1 ). Results showed that when plants were grown under combined conditions of drought with elevated CO 2 and nitrogen supply, the limitations observed under water shortage condition were reduced, H 2 O 2 and MDA productions were decreased while chlorophyll content and leaf area were increased and consequently the observed decreases in shoot dry weight were mitigated. In the fourth study, calibration and evaluation of the CSM-CERES-MILLET model was performed using field data in two crop years for two irrigation regimes and two nitrogen levels. Model evaluation results showed that NRMSE values at irrigation levels for biomass weight and leaf area index were less than 20% during growth period and Wilmot index (d) and coefficient of determinations (r 2 ) were more than 84%, which confirms the capability of the model in simulating millet yield under drought condition. Grain and biological yields will decrease in future climates in the years 2030, 2040, and 2050 compared to the last decade, with a decrease in RCP-8.5 greater than RCP-4.5. in sum, delayed sowing dates due to the lower drought effects associated, might be the proper alternative for achieving higher yields as well as improved IWUE and NUE in areas plagued with water shortage. The highest grain yields were obtained in Bastan but maximum biological yield belonged to Pishahang under both irrigation regimes. Accordingly, these two cultivars can be used for grain and forage production, respectively. Keywords Antioxidant compounds, Climate change, Digestibility, Water shortage, Millet, Nitrogen fertilizer management, DSSAT
تنش خشکی اصلی ترین عامل محیطی محدودکننده رشد و عملکرد محصولات زراعی مناطق خشک و نیمه خشک به شمار می رود. پیش بینی های تغییرات آب و هوایی، افزایش خطر رخداد خشکسالی، تولید کنندگان محصولات زراعی را به جستجوی گیاهان متحمل به خشکی در این مناطق مجبور می کند. این پژوهش در قالب چهار مطالعه انجام شد. مطالعه اول به منظور بررسی اثر رژیم های آبیاری (آبیاری پس از تخلیه 50 و 85 درصد رطوبت قابل استفاده خاک) و سطوح نیتروژن (صفر و 5/112 کیلوگرم نیتروژن در هکتار) در تاریخ کاشت های مختلف (1 و 15 تیر 1394، 25 خرداد و 10 تیر 1395) بر ویژگی های بیوشیمیایی و مورفوفیزیولوژیکی، عملکرد، کارایی مصرف آب آبیاری، کارایی مصرف نیتروژن و ویژگی های کیفی سیلاژ دو گونه ارزن، ارزن دم روباهی (رقم باستان) و ارزن معمولی (رقم پیشاهنگ) انجام شد. تنش خشکی منجر به افزایش محتوای هیدروژن پراکسید، مالون دی آلدهید و کاهش شاخص سطح برگ، محتوای کلروفیل و کارتنوئید، شاخص پایداری غشاء و محتوای نسبی رطوبت برگ شد که در نهایت منجر به کاهش عملکرد دانه و بیولوژیک و کاهش کارایی مصرف آب و نیتروژن شد. تنش خشکی هم چنین منجر به کاهش محتوای فیبر شوینده اسیدی، افزایش نسبت برگ/ساقه و افزیش قابلیت هضم و درنتیجه بهبود کیفیت سیلاژ در رقم پیشاهنگ شد در حالی که تاثیر معنی داری بر صفات یاد شده در رقم باستان نداشت. نتایج حاکی از آن است که کاربرد نیتروژن اثرات منفی تنش خشکی در گیاه ارزن را از طریق تحریک سیستم های آنتی اکسیدانی و تنظیم اسمزی، کاهش پراکسیداسیون لیپیدها و بهبود صفات فیزیولوژیکی گیاه کاهش داد. کاربرد نیتروژن منجر به افزایش قابلیت هضم و عملکرد دانه و بیولوژیک شد. به طور کلی واکنش رقم باستان به کوددهی نیتروژن به مراتب بیشتر از پیشاهنگ بود. تأثیر مثبت نیتروژن بر صفات مورد مطالعه در شرایط آبیاری نرمال بیشتر از تنش خشکی بود. عملکرد دانه در شرایط آبیاری نرمال در تاریخ های کاشت 25 خرداد و 1 تیر بیشتر از دو تاریخ کاشت دیگر بود در حالی که تحت تنش خشکی عملکرد دانه در تاریخ های کاشت 10 و 15 تیر بیشتر بود. در آزمایش دوم، مقایسه عملکرد کمی و کیفی ارزن، ذرت و سورگوم در تاریخ کاشت 25 خرداد و 10 تیر 1395 تحت سطوح آبیاری و نیتروژن (مشابه آزمایش قبل) نشان داد که بین قابلیت هضم رقم پیشاهنگ ارزن در حالت تنش با قابلیت هضم رقم ماکسیما ذرت در هر دو سطح آبیاری و قابلیت هضم ژنوتیپ IUA4 سورگوم در آبیاری نرمال تفاوت معنی داری وجود نداشت و بیشترین عملکرد بیولوژیک به ترتیب در سورگوم، ارزن و ذرت مشاهده شد. آزمایش سوم به منظور بررسی تأثیر رژیم های آبیاری (آبیاری پس از 40 و 75 درصد تخلیه رطوبت قابل استفاده در خاک) و میزان نیتروژن (صفر و 85 میلی گرم نیتروژن در کیلوگرم خاک) در ارقام ارزن (باستان و پیشاهنگ) در دو غلظت دی اکسیدکربن (50±390 و 50±700 میکرومول بر مول) انجام شد. نتایج نشان داد که وقتی گیاهان تحت شرایط ترکیبی تنش خشکی با افزایش CO 2 و مصرف نیتروژن رشد کردند، محدودیت های مشاهده شده در شرایط کمبود آب مانند تولید هیدروژن پراکسید و مالون دی آلدهیدکاهش یافت، در حالی که میزان کلروفیل و سطح برگ افزایش یافت و در نتیجه منجر به کاهش اثر تنش بر وزن خشک اندام هوایی شد. در آزمایش چهارم واسنجی و ارزیابی مدل CSM-CERES-MILLET با استفاده از داده های مزرعه ای در دو سال زراعی برای دو رژیم آبیاری و دو سطح نیتروژن انجام شد. نتایج ارزیابی مدل نشان داد که مقادیر NRMSE در سطوح آبیاری برای وزن زیست توده و شاخص سطح برگ طی دوره رشد کمتر از 20% و مقدار شاخص ویلموت و ضریب تبیین بیشتر از 84% بود که قابلیت مدل در شبیه سازی عملکرد ارزن در شرایط کم آبیاری را تایید می کند. عملکرد دانه و بیولوژیک در شرایط اقلیمی آینده در سال های 2030، 2040 و 2050 نسبت به دهه اخیر کاهش یافت و مقدار کاهش در 5/8-RCP بیشتر از 5/4-RCP بود. در مجموع، تاخیر در کاشت به دلیل کاهش اثرات تنش خشکی، ممکن است جایگزین مناسبی برای دستیابی به عملکرد بیشتر و همچنین کارایی مصرف آب آبیاری و نیتروژن در مناطقی که با محدودیت آب مواجه هستند، باشد. در هر دو رژیم آبیاری، بیشترین عملکرد دانه از رقم باستان و بیشترین عملکرد بیولوژیک از رقم پیشاهنگ به دست آمد. براین اساس، این دو رقم می توانند به ترتیب برای تولید بذر و علوفه مناسب باشند. کلمات کلیدی : ترکیبات آنتی اکسیدانی، تغییر آب و هوا، قابلیت هضم، کمبود آب، ارزن، مدیریت کود نیتروژن، DSSAT