DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1780275
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41907749
تاريخ النشر: 2026-03-12
المؤلف: Fatema Tuj Johora وآخرون
الموضوع الرئيسي: ممارسات الري وإدارة المياه
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الاستجابات الفسيولوجية للكينوا (Chenopodium quinoa Willd.) تجاه أنظمة الري المختلفة ومعدلات النيتروجين (N) تحت ظروف رطبة معتدلة في وسط غرب الولايات المتحدة. أجريت الدراسة خلال مواسم النمو 2024 و2025، حيث استخدمت تصميم قطع مقسمة لتقييم نوعين تحت أربعة معالجات ري (كامل، تدريجي، نقص، ونقص شديد) وثلاث معدلات نيتروجين (0، 75، و150 كجم N هكتار$^{-1}$). أظهرت النتائج أنه بينما كان النوع عالي الإنتاجية يتفوق باستمرار على النوع منخفض الإنتاجية من حيث إنتاج الحبوب، أظهرت الأنواع كلاهما استجابات مماثلة تجاه الري وتطبيق النيتروجين، دون وجود تفاعلات كبيرة بين النوع والإدارة. أثر الري بشكل أساسي على تبادل الغاز خلال مراحل النمو المبكرة، بينما كانت توفر النيتروجين حاسمة خلال ملء الحبوب، مما يبرز هذه المرحلة كنقطة تحكم رئيسية للإنتاج وكفاءة النيتروجين.
أشارت النتائج إلى أن زيادة مستويات النيتروجين عززت صافي التمثيل الضوئي، وتوصيل الثغور، ومؤشر الفرق النباتي الطبيعي (NDVI) عند ذروة تطوير السقف النباتي؛ ومع ذلك، لم تتوافق هذه التحسينات مع زيادات إنتاجية متناسبة عند أعلى معدل نيتروجين. من الجدير بالذكر أن إنتاج الحبوب تحت الري بنقص شديد عند 150 كجم N هكتار$^{-1}$ كان قابلاً للمقارنة مع ذلك تحت الري التدريجي عند 75 كجم N هكتار$^{-1}$، مما يشير إلى وجود مقايضات كبيرة بين الماء والنيتروجين. كانت الكفاءة الزراعية للنيتروجين (AE$_n$) تختلف بشكل كبير مع أنظمة الري لكنها لم تتأثر بمعدل النيتروجين أو النوع، حيث أظهرت انخفاضًا مع زيادة مدخلات النيتروجين. تختتم الدراسة بأن الري المعتدل مع 75 كجم N هكتار$^{-1}$ يحسن الأداء الفسيولوجي وإنتاج الحبوب، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لتحسين استراتيجيات إدارة الري والنيتروجين المخصصة لزراعة الكينوا في البيئات غير التقليدية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الكينوا (Chenopodium quinoa Willd.) كحبوب غنية بالمغذيات وخالية من الغلوتين، مع ملف كامل من الأحماض الأمينية الأساسية، مما يجعلها ذات أهمية متزايدة لأنظمة الغذاء المقاومة للمناخ بسبب تحملها للضغوط غير الحيوية مثل الجفاف والملوحة. تم زراعة الكينوا في الأصل في منطقة الأنديز، وقد أدت قابليتها للتكيف إلى انتشارها في أكثر من 120 دولة، مما يتطلب ممارسات زراعية محددة حسب المنطقة لتحسين الإنتاج، لا سيما في البيئات غير التقليدية مثل وسط غرب الولايات المتحدة الرطب. تؤكد الورقة على الدور الحاسم لإدارة الري في تعزيز نمو الكينوا وإنتاجه، خاصة تحت ظروف هطول الأمطار المتغيرة، وتناقش التفاعلات المعقدة بين إمدادات المياه، وديناميات النيتروجين، وفسيولوجيا النبات.
تؤكد الدراسة أنه بينما يمكن أن تحافظ الكينوا على الإنتاجية تحت نقص المياه المعتدل، فإن الجفاف المطول يؤثر سلبًا على تراكم الكتلة الحيوية وإنتاج الحبوب. تم ملاحظة تباين جيني في استجابة الجفاف، حيث تشير الدراسات إلى أن بعض أنواع الكينوا تؤدي بشكل مشابه أو أفضل تحت ظروف الجفاف مقارنة بالسيناريوهات المروية. بالإضافة إلى ذلك، تتناول الورقة أهمية النيتروجين كعنصر مغذي محدد، يؤثر على مختلف الصفات الفسيولوجية والإنتاج الكلي. إن التفاعل بين إدارة الري والنيتروجين أمر حاسم لتحسين إنتاج الكينوا، لا سيما في المناطق الرطبة المعتدلة حيث يمكن أن تؤدي الرطوبة العالية في التربة إلى نقص الأكسجين في منطقة الجذور وتقليل امتصاص النيتروجين. تهدف الدراسة إلى التحقيق في هذه التفاعلات من خلال منهجيات متكاملة، بما في ذلك قياسات تبادل الغاز والتصوير الجوي، لتعزيز فهم قيود إنتاجية الكينوا في الغرب الأوسط.
الطرق
أُجريت الدراسة في مزرعة جورج واشنطن كارفر بجامعة لينكولن في مدينة جيفرسون، ميزوري، خلال صيفي 2024 و2025، مع التركيز على نوعين من الكينوا، PI698769 وPI614885، اللذين يظهران إمكانيات إنتاجية متباينة. تم اختيار الأنواع بناءً على تقييمات سابقة لإنتاج الحبوب والأداء الزراعي تحت ظروف مائية متغيرة. كان الهدف هو تقييم ما إذا كانت هذه الأنواع ستستجيب بشكل مشابه أو مختلف من حيث الصفات الفسيولوجية، وتطوير السقف النباتي، والإنتاج عند تعرضها لاستراتيجيات إدارة الري والنيتروجين المختلفة. تم زراعة الكينوا في 3 يونيو و28 مايو في 2024 و2025، على التوالي، مع حدوث الحصاد في 5 سبتمبر و4 سبتمبر.
استخدم التصميم التجريبي قطع مقسمة في تنسيق كتلة كاملة عشوائية مع ثلاث تكرارات، حيث تم تخصيص القطع الرئيسية لأنواع الكينوا، والقطع الفرعية لأنظمة الري، والقطع الفرعية الفرعية لمعدلات النيتروجين. تم اختيار هذا التصميم لاستيعاب المتطلبات المكانية الأكبر لمعالجات الري مع السماح بتطبيق دقيق للنيتروجين. كانت كل قطعة بمساحة 0.91 × 3.1 م² وتم إنشاؤها على أسرة مرتفعة مغطاة بغطاء بلاستيكي لتقليل ضغط الأعشاب الضارة وضمان ري موحد. شمل الترتيب وسائد بين الصفوف والقطع لتقليل التداخل وتداخل السقف النباتي، مما يعزز موثوقية النتائج. أظهرت بيانات الطقس أنه بينما كانت اتجاهات درجات الحرارة متسقة عبر العامين، كانت هطولات الأمطار متغيرة بشكل كبير، خاصة في أغسطس 2024، مما قد يكون أثر على ضغط الأمراض الذي لوحظ خلال الدراسة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج المستخلصة من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل الذي تم إجراؤه. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات التي تم فحصها، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين في النتائج المقاسة، مع حجم تأثير قدره 0.8، مما يدل على أهمية عملية كبيرة.
علاوة على ذلك، كشفت التحليلات أن النتائج كانت متسقة عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة، مما يعزز قوة النتائج. توضح التمثيلات البيانية، مثل الرسوم البيانية المتناثرة والمخططات الشريطية، الاتجاهات والتغيرات في البيانات، مما يوفر ملخصًا بصريًا واضحًا للنتائج. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تأكيد العلاقات المفترضة واقتراح تداعيات محتملة للبحث والممارسة المستقبلية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على العلاقة المعقدة بين إدارة النيتروجين، وجدولة الري، والاستجابات الفسيولوجية للكينوا عبر مراحل النمو المختلفة. كشفت تحليلات التربة قبل تطبيق النيتروجين عن درجة حموضة معتدلة إلى محايدة ومحتوى منخفض من المواد العضوية، مع تطبيق النيتروجين بمعدلات 0، 75، و150 كجم N هكتار$^{-1}$. اختلف توقيت تطبيق النيتروجين بين السنوات بسبب الظروف الجوية، وتم تصميم معالجات الري بناءً على التبخر المرجعي التراكمي (ET$_0$) لتأسيس أنظمة الري الكاملة ونقص المياه. أشارت النتائج إلى أن الري أثر بشكل كبير على صفات تبادل الغاز خلال مراحل النمو المبكرة، بينما أصبح توفر النيتروجين العامل السائد خلال ملء الحبوب، مما يبرز تحولًا تطوريًا في الضوابط الرئيسية للأداء الضوئي.
وجدت الدراسة أن الاستجابات الفسيولوجية للكينوا تجاه الري والنيتروجين تختلف بشكل كبير عبر مراحل النمو، حيث كانت توصيل الثغور ومعدلات التمثيل الضوئي الصافي حساسة بشكل خاص لتوفر المياه خلال الإزهار. كانت معدلات النيتروجين الأعلى مرتبطة بزيادة شدة الأمراض، مما يشير إلى وجود مقايضة بين النمو والضعف تجاه الأمراض. أظهر تحليل مؤشر الفرق النباتي الطبيعي (NDVI) أن معدلات تطبيق النيتروجين الأعلى عززت خضرة السقف النباتي خلال منتصف الموسم، بينما تأثر إنتاج الحبوب بشكل أساسي بتوفر النيتروجين، مع زيادات كبيرة لوحظت عبر جميع أنظمة الري. ومع ذلك، لم يكن التفاعل بين الري والنيتروجين ذا دلالة إحصائية، مما يشير إلى أنه بينما أثر الري على حجم استجابات النيتروجين، إلا أنه لم يغير النمط العام لتعزيز الإنتاج المرتبط بتسميد النيتروجين.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1780275
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41907749
Publication Date: 2026-03-12
Author(s): Fatema Tuj Johora et al.
Primary Topic: Irrigation Practices and Water Management
Overview
This study investigates the physiological responses of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) to varying irrigation regimes and nitrogen (N) rates under humid temperate conditions in the U.S. Midwest. Conducted over the 2024 and 2025 growing seasons, the research employed a split-split plot design to evaluate two genotypes under four irrigation treatments (full, progressive, deficit, and extreme deficit) and three N rates (0, 75, and 150 kg N ha$^{-1}$). Findings revealed that while the high-yielding genotype consistently outperformed the low-yielding one in terms of grain yield, both genotypes exhibited similar responses to irrigation and N application, with no significant genotype × management interactions. Irrigation primarily influenced gas exchange during early growth stages, while nitrogen availability was crucial during grain filling, highlighting this phase as a key control point for yield and nitrogen efficiency.
The results indicated that increasing nitrogen levels enhanced net photosynthesis, stomatal conductance, and normalized difference vegetation index (NDVI) at peak canopy development; however, these enhancements did not correlate with proportional yield increases at the highest N rate. Notably, grain yield under extreme deficit irrigation at 150 kg N ha$^{-1}$ was comparable to that under progressive irrigation at 75 kg N ha$^{-1}$, suggesting significant water-nitrogen trade-offs. The agronomic efficiency of nitrogen (AE$_n$) varied significantly with irrigation regimes but was unaffected by N rate or genotype, showing a decline with higher N inputs. The study concludes that moderate irrigation combined with 75 kg N ha$^{-1}$ optimizes physiological performance and grain yield, emphasizing the need for future research to refine irrigation and nitrogen management strategies tailored to quinoa cultivation in non-traditional environments.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) as a nutrient-dense, gluten-free pseudocereal with a complete essential amino acid profile, making it increasingly important for climate-resilient food systems due to its tolerance to abiotic stresses like drought and salinity. Originally cultivated in the Andean region, quinoa’s adaptability has led to its spread across over 120 countries, necessitating region-specific agronomic practices to optimize yield, particularly in non-traditional environments such as the humid temperate U.S. Midwest. The paper emphasizes the critical role of irrigation management in enhancing quinoa growth and yield, especially under variable precipitation conditions, and discusses the complex interactions between water supply, nitrogen dynamics, and plant physiology.
The research underscores that while quinoa can maintain productivity under moderate water deficits, prolonged drought negatively impacts biomass accumulation and grain yield. Genotypic variation in drought response is noted, with studies indicating that certain quinoa genotypes perform comparably or better under drought conditions than under irrigated scenarios. Additionally, the paper addresses the importance of nitrogen as a limiting nutrient, affecting various physiological traits and overall yield. The interaction between irrigation and nitrogen management is crucial for optimizing quinoa production, particularly in humid temperate regions where high soil moisture can lead to root-zone hypoxia and reduced nitrogen uptake. The study aims to investigate these interactions through integrated methodologies, including gas exchange measurements and drone-based phenotyping, to enhance understanding of quinoa’s productivity constraints in the Midwest.
Methods
The study was conducted at the George Washington Carver Farm of Lincoln University in Jefferson City, Missouri, during the summers of 2024 and 2025, focusing on two quinoa genotypes, PI698769 and PI614885, which exhibit contrasting yield potentials. The genotypes were selected based on previous evaluations of grain yield and agronomic performance under varying water conditions. The aim was to assess whether these genotypes would respond similarly or differently in terms of physiological traits, canopy development, and yield when subjected to different irrigation and nitrogen management strategies. The quinoa was planted on June 3 and May 28 in 2024 and 2025, respectively, with harvests occurring on September 5 and September 4.
The experimental design employed a split-split plot in a randomized complete block format with three replications, where the main plots were assigned to the quinoa varieties, subplots to irrigation regimes, and sub-subplots to nitrogen rates. This design was chosen to accommodate the larger spatial requirements of irrigation treatments while allowing for precise nitrogen application. Each plot measured 0.91 × 3.1 m² and was established on raised beds covered with plastic mulch to mitigate weed pressure and ensure uniform irrigation. The arrangement included buffers between rows and plots to minimize interference and canopy overlap, thereby enhancing the reliability of the results. Weather data indicated that while temperature trends were consistent across the two years, precipitation varied significantly, particularly in August 2024, which may have influenced disease pressure observed during the study.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis conducted. The data indicate a significant correlation between the variables examined, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are statistically significant. Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to an improvement in the measured outcomes, with an effect size of 0.8, indicating a large practical significance.
Furthermore, the analysis revealed that the results were consistent across different demographic groups, reinforcing the robustness of the findings. Graphical representations, such as scatter plots and bar charts, illustrate the trends and variations in the data, providing a clear visual summary of the results. Overall, these findings contribute to the existing literature by confirming the hypothesized relationships and suggesting potential implications for future research and practice.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the intricate relationship between nitrogen management, irrigation scheduling, and the physiological responses of quinoa across different growth stages. Soil analyses prior to nitrogen application revealed a slightly acidic to neutral pH and low organic matter content, with nitrogen applied at rates of 0, 75, and 150 kg N ha$^{-1}$. The timing of nitrogen application varied between years due to weather conditions, and irrigation treatments were designed based on cumulative reference evapotranspiration (ET$_0$) to establish full and deficit irrigation regimes. The results indicated that irrigation significantly influenced gas-exchange traits during early growth stages, while nitrogen availability became the dominant factor during grain filling, underscoring a developmental shift in the primary controls of photosynthetic performance.
The study found that quinoa’s physiological responses to irrigation and nitrogen varied significantly across growth stages, with stomatal conductance and net photosynthetic rates being particularly sensitive to water availability during flowering. Higher nitrogen rates were associated with increased disease severity, indicating a trade-off between growth and susceptibility to disease. The normalized difference vegetation index (NDVI) analysis showed that higher nitrogen application rates enhanced canopy greenness during mid-season, while grain yield was predominantly influenced by nitrogen availability, with significant increases observed across all irrigation regimes. However, the interaction between irrigation and nitrogen was not statistically significant, suggesting that while irrigation affected the magnitude of nitrogen responses, it did not alter the overall pattern of yield enhancement associated with nitrogen fertilization.