SUPERVISOR
مسعود ترابی (استاد مشاور) حمیدرضا عشقی زاده سامانی (استاد راهنما) پرویز احسان زاده (استاد مشاور) محمد خوروش (استاد مشاور)
STUDENT
Marziyeh Asadi
مرضیه اسدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394
TITLE
Modeling the effect of representative concentration pathways of green house gases on growth and yield of sorghum under different conditions of irrigation and nutrition of nitrogen
Drought stress is the most effective environmental stress on plant growth and yield. On the other hand, climate change and global warming are predicted to have a significant impact on drought and reduced crop yields. Therefore, farmers are looking for management strategies to reduce the harmful effects of climate change on crop growth. Hence, this research was conducted in four different studies. The first study was performed to investigate the effect of two irrigation regimes (normal and deficit irrigation after 55% and 85% depletion of available soil water, respectively) and two levels of nitrogen fertilizer (0 and 112.5 kg N ha -1 in the form of urea, 46% N) On physiological and biochemical traits of fifteen genotypes of sorghum (Pegah, Sepideh, GS4, GS5, GS24, GS25 GS26, GS28, KGS29, KGS33 MGS1, MGS5, SF001, SF002, SF003), an experiment was carried out as a split-split plot based on a randomized complete block design with three replications.The results showed that drought stress caused a significant reduction in biological by decreasing plant leaf area, plant height, F V /F M , chlorophyll content. In contrast, the activity of antioxidant enzymes including catalase, ascorbate peroxidase and peroxidase increased significantly under drought stress conditions. Application of nitrogen under normal irrigation and drought stress conditions led to a significant increase in all traits except chlorophyll a/b ratio and ascorbate peroxidase activity. Among the studied genotypes, SF001, SF002 and MGS5 genotypes had the highest response to nitrogen fertilizer and were the most tolerant to drought stresses for the studied traits. In the second study, the effects of planting date (30June 2016, 10June2017 and 11July2017), irrigation (% and 85% depletion of maximum allowable deficit, MAD) and nitrogen (0 and 112.5 kg N ha -1 in the form of urea, 46% N) on growth of six sorghum genotypes (three forage sorghumincluding SF002, SF001, Pegah and three grain sorghum including MGS5, GS24, GS28) and Maizewere investigated.In this study, early planting date (10June) had higher yields than late planting date (11July). In contrast, delay in planting increased the quality and digestibility of forage. Under normal and deficit irrigation conditions with nitrogen application, biomass and seed yield increased due to the positive effect of nitrogen on leaf area index, plant height, antioxidant enzyme activity, chlorophyll and carotenoid content.In terms of silage quality, crude protein, digestibility increased under normal and deficit irrigations with nitrogen fertilizer, but the effect of nitrogen on normal irrigation was greater than drought stress. The forage sorghum Pegah and the grain sorghum GS24 exhibited higher dry matter yields while they did not show significant differences on total biomass (Biomass + Grain) from that of the Maxima corn under either of the normal or deficit irrigation regimes. Also, Pegah and GS24 genotypes had the highest Irrigation water use efficiency of biomass (IWUE b ) and nitrogen fertilizer use efficiency of biomass (NUE b ) in both irrigation and nitrogen treatments. The best forage quality was related to Pegah and SF002 genotypes with the highest percentage of acetate, isovaleric acid, digestibility and the lowest percentage of Ash, ADF and NDF. In the third study,an open-top chamber experiment was conducted to investigate the growth and biochemical responses of six sorghum genotypes under two irrigation regimes (based on 40% and 75% soil-water depletion) and two N fertilizer levels (0 and 105 kgN ha –1 ), at two atmospheric CO 2 conditions (390±50 and 700±50 µmol mol -1) . The results showed that elevated CO 2 increased dry weight with a positive effect on leaf area, SPAD value, F V /F M , leaf RWC, Phe, DPPH and MSI.With the application of nitrogen, the reduction in DPPH, H 2 O 2 and MDA values was greater under water limited stress rather than control conditions. Hence, we can say that the use of nitrogen fertilizer moderated the effect of water stress on the growth of sorghum genotypes. In the fourth study, calibration and evaluation of grain sorghum model was performed using farm data in two years for two irrigation regimes with nitrogen fertilizer. The results showed that the amount of NRMSE in normal and deficient irrigation regimes was less than 20 and 30%, respectively. Also, the coefficient of determination (r 2 ) was more than 0.97, which indicates that the model is good at simulating biomass and grain yield. In addition, the model output showed that the grain yield of sorghum genotypes will decrease in future climatic conditions (2020, 2030 and 2040) and in both RCPs. Key words lanting date, Drought stress, CO 2 , Silage, Digestibility, Model, Simulation, RCP
تنش خشکی تأثیرگذارترین تنش غیرزنده محیطی است که رشد و عملکرد گیاهان را تحت تأثیر قرار میدهد. از طرف دیگر، پیشبینی میشود که پدیده تغییراقلیم و گرم شدن کرهی زمین بر شدت خشکسالی و کاهش عملکرد محصولات زراعی تاثیر داشته باشد. بنابراین، کشاورزان به دنبال راهکارهای مدیریتی جهت کاهش اثرات مضر تغییر اقلیم بر رشد، نمو و عملکرد محصولات زراعی هستند. از این رو، پژوهشی در قالب چهار مطالعه انجام شد. مطالعهی اول به منظور بررسی تاثیر دو رژیم آبیاری (آبیاری شاهد و کمآبیاری به ترتیب پس از تخلیهی 55 و 85 درصد رطوبت قابل استفاده خاک) و دو سطح کود نیتروژن (مقدار موجود، 5/112 کیلوگرم نیتروژن خالص از منبع اوره) بر صفات مورفوفیزیولوژی و بیوشیمیایی پانزده ژنوتیپ سورگوم (پگاه، سپیده، GS4، GS5، GS24، GS25، GS26، GS28، KGS29، KGS33، MGS1، MGS5، SF001، SF002، SF003)، آزمایشی به صورت کرتهای دو بار خرد شده در قالب طرح بلوکهای کامل تصادفی در سه تکرار انجام شد. نتایج نشان داد که تنش خشکی با کاهش سطح برگ بوته، ارتفاع بوته، کارایی کوانتومی فتوسیستم ?، محتوای کلروفیل منجر به کاهش معنیدار عملکرد بیولوژیک شد. در مقابل فعالیت آنزیمهای آنتیکسیدانی شامل کاتالاز، آسکوربات پراکسیداز و پراکسیداز تحت شرایط تنش خشکی به طور معنیداری افزایش یافت. کاربرد کود نیتروژن در آبیاری شاهد و تنش خشکی منجر به افزایش معنیدار کلیهی صفات مذکور به جز نسبت کلروفیل a/b و فعالیت آنزیم آسکوربات پراکسیداز شد. در بین ژنوتیپهای مورد بررسی، ژنوتیپهای SF001، SF002 و MGS5 از نظر کل صفات مورد بررسی بیشترین واکنش به کود نیتروژن و در عین حال کمترین حساسیت به تنش خشکی را داشتند. در مطالعهی دوم پاسخ ذرت (ماکسیما)، ژنوتیپهای سورگوم علوفهای (پگاه،SF001، SF002) و دانهای (GS24، GS28، MGS5) در سه محیطکاشت (10 تیر 1395، 20 خرداد و 20 تیر 1396) به سطوح آبیاری (شاهد و کمآبیاری به ترتیب آبیاری پس از تخلیهی 55 و 85 درصد رطوبت قابل استفاده خاک) و سطوح کود نیتروژن (مقدار موجود، 5/112 کیلوگرم نیتروژن خالص از منبع اوره) مورد ارزیابی قرار گرفت. در این تحقیق، در محیطکاشت زودتر(20 خرداد) نسبت به محیطکاشت دیرتر(20 تیر) عملکرد بیشتری به دست آمد. در مقابل، تأخیر در کاشت موجب افزایش کیفیت و قابلیت هضم علوفه شد. در آبیاری شاهد و تنش کمآبیاری با کاربرد کود نیتروژن، عملکرد بیوماس و دانه افزایش یافت که به دلیل تأثیر مثبت نیتروژن بر شاخص سطح برگ، ارتفاع بوته، فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدانی، محتوای کلروفیل و کارتنووئید در هر دو رژیم آبیاری بود. از نظر کیفیت سیلاژ نیز، در آبیاری شاهد و تنش کمآبیاری با کاربرد کود نیتروژن، پروتئین خام، قابلیت هضم14 و 30 ساعته افزایش یافتند ولی تاثیر نیتروژن در آبیاری شاهد بیشتر از تنش خشکی بود. ژنوتیپهای پگاه و GS24 دارای بالاترین عملکرد ماده خشک بودند و از نظر عملکرد بیولوژیک (بیوماس+ دانه) اختلاف معنیداری با ذرت تحت هر دو رژیم آبیاری شاهد یا کمآبیاری نداشتند. هچنین، این ژنوتیپها دارای بیشترین مقدار کارایی مصرف آب آبیاری بیوماس (IWUE b ) و کارایی مصرف نیتروژن بیوماس (NUE b ) در دو تیمار آبیاری و نیتروژن بودند. از نظر کیفیت سیلاژ نیز، بهترین کیفیت مربوط به ژنوتیپهای پگاه و SF002 با بیشترین درصد استات، ایزووالریک اسید، قابلیت هضم 30 ساعته و کمترین مقدار خاکستر، فیبر شوینده خنثی و اسیدی، بود. مطالعهی سوم با هدف بررسی تأثیر دو سطح آبیاری (شاهد و کمآبیاری به ترتیب آبیاری پس از تخلیهی 50 و 75 درصد رطوبت قابل استفاده خاک) و دو سطح نیتروژن خاک (شاهد یا عدم مصرف و 105 میلیگرم نیتروژن در کیلوگرم خاک به شکل اوره با 45% نیتروژن)، در شرایط CO 2 معمول (50±390 میکرومول در مول) و غنی شده (50±700 میکرومول در مول) بر رشد و عملکرد شش ژنوتیپ سورگوم (پگاه، GS24، GS28، MGS5، SF001، SF002)، انجام شد. نتایج نشان داد که دیاکسیدکربن با تأثیر مثبت بر سطح برگ، شاخص سبزینگی، حداکثر کارایی کوانتومی فتوسیستم?، محتوای رطوبت نسبی برگ، محتوای فنول، فعالیت رادیکال مهارکننده و شاخص پایداری غشاء موجب افزایش وزن خشک اندامهوایی شد. در مقابل، افزایش غلظت دیاکسیدکربن موجب کاهش فعالیت آنزیمهای آنتیاکسیدانی، پرولین، کربوهیدراتهای محلول، پراکسیدهیدروژن، نشت الکترولیت و مالوندیآلدهید شد. با کاربرد نیتروژن، کاهش فعالیت رادیکال مهارکننده، پراکسیدهیدروژن و مالوندیآلدئید در شرایط تنش بیشتر از شرایط کنترل بود. از این رو، میتوان گفت که استفاده از کود نیتروژن اثر تنش کمبود آب را بر رشد ژنوتیپهای سورگوم تعدیل کرد. در مطالعهی چهارم واسنجی و ارزیابی مدل سورگوم دانهای با استفاده از دادههای مزرعهای در دو سال زراعی برای دو رژیم آبیاری با کود نیتروژن برای دو ژنوتیپ سورگوم دانهای انجام شد. نتایج نشان داد که مقدار NRMSE در آبیاری شاهد و کمآبیاری به ترتیب کمتر از 20 و 30% و ضریب تبعیین(r 2 ) بیشتر از 97/0 بود که بیانگر کارکرد خوب مدل در شبیهسازی عملکرد بیوماس و دانه میباشد. همچنین، خروجی مدل نشان داد که در شرایط اقلیمی آینده (2020، 2030 و 2040) و در هر دو RCP، عملکرد دانهی ژنوتیپهای سورگوم کاهش خواهد یافت. کلمات کلیدی: محیطکاشت، تنش خشکی، CO 2 ، سیلاژ، قابلیت هضم، مدل، شبیهسازی، RCP