DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-024-05058-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38724950
تاريخ النشر: 2024-05-09
المؤلف: Ghulam Murtaza وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص الأوراق وقياس النمو
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات تطبيق البيوچار على نمو واستجابات *Solanum lycopersicum* (البندورة) تحت ظروف الجفاف والملوحة في البيوت الزجاجية. باستخدام تصميم ثلاثي العوامل، تم فحص 16 معالجة بناءً على جودة المياه (مياه عذبة مقابل مياه مالحة)، مستويات الري (40%، 60%، 80%، و100% من إجمالي التبخر والنتح)، وتطبيق البيوچار (3% وزن/وزن مقابل التحكم). أظهرت النتائج أن كل من الملوحة والجفاف أثروا بشكل كبير على الصفات الشكلية والفسيولوجية لنباتات الطماطم، مما أدى إلى تقليل معايير النمو مثل ارتفاع النبات، وقطر الساق، ومساحة الورقة، والإنتاج. ومع ذلك، فإن إضافة البيوچار حسنت بشكل ملحوظ هذه الخصائص، مما زاد من كفاءة استخدام المياه والإنتاج، خاصة عند دمجه مع ري المياه العذبة.
تؤكد النتائج على التأثير الضار للملوحة والجفاف على نمو الطماطم، مما يؤثر على حالة المياه، وكفاءة التمثيل الضوئي، ومحتوى الكلوروفيل. أظهر دمج 3% من البيوچار أنه يخفف من هذه الضغوط من خلال تحسين الصفات الفسيولوجية وامتصاص العناصر الغذائية، بينما يحد أيضًا من دخول أيونات الصوديوم ويعزز امتصاص أيونات البوتاسيوم. تقترح هذه الدراسة أن تطبيق البيوچار هو استراتيجية قابلة للتطبيق لتعزيز زراعة الطماطم في المناطق الجافة وشبه الجافة، مما قد يؤدي إلى تحسين الإنتاجية الزراعية والقدرة على مواجهة تحديات تغير المناخ.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الطماطم (Solanum lycopersicum) كخضار أساسي على مستوى العالم وتؤكد الحاجة الملحة لزيادة غلة المحاصيل في باكستان، وخاصة في المناطق الجافة مثل باهولبور. تحدد الورقة الجفاف والملوحة كضغوط غير حيوية رئيسية تحد بشدة من نمو الطماطم وإنتاجها، مع دراسات تشير إلى أن ضغط المياه يمكن أن يؤدي إلى تقليل الغلة بنسبة تتراوح بين 13% إلى 94% اعتمادًا على شدته ومدة تأثيره. كما تم الإشارة إلى التأثيرات الضارة لملوحة التربة على إنتاجية المحاصيل، حيث تؤثر على حوالي 20% من الأراضي المزروعة في جميع أنحاء العالم، مما يتفاقم بفعل عوامل طبيعية وبشرية.
تناقش المقدمة أيضًا إمكانيات البيوچار، وهو مادة عضوية غنية بالكربون تنتج من خلال التحلل الحراري، لتعزيز خصائص التربة وتحسين كفاءة استخدام المياه في الأنظمة الزراعية. لقد أظهر البيوچار أنه يزيد من احتفاظ التربة بالرطوبة ويخفف من التأثيرات السلبية للملوحة وضغط الجفاف على المحاصيل. تهدف الدراسة إلى التحقيق في التأثيرات المشتركة للجفاف والملوحة على الخصائص الشكلية والفسيولوجية للطماطم، بالإضافة إلى إمكانيات البيوچار المستخرج من بقايا السمسم لتخفيف هذه الضغوط وتحسين الإنتاج. تعالج هذه الدراسة فجوة في الأدبيات بشأن التأثير المتزامن لكلا الضغوط على زراعة الطماطم وفعالية البيوچار كعامل مخفف.
طرق البحث
تم إجراء البحث في بيت زجاجي في جامعة إسلامية باهولبور، باكستان، من أكتوبر 2022 إلى يوليو 2023، مع التركيز على تأثيرات الملوحة ومستويات الري على زراعة الطماطم. كان تصميم التجربة ثلاثي العوامل، حيث تم دمج معالجتين لجودة المياه مع كلوريد الصوديوم (NaCl) لتحقيق مستويات ملوحة تبلغ 0.9 و2.4 ديسي سيمنز/متر، إلى جانب أربعة مستويات ري ناقصة (40%، 60%، 80%، و100% من إجمالي التبخر والنتح، ETc). تم تطبيق البيوچار بمعدل 3% (وزن/وزن)، بينما كانت التربة غير المعالجة بمثابة التحكم. شمل تصميم الكتلة العشوائية الكاملة 48 وحدة تجريبية، مع جودة المياه كعامل رئيسي، ومستويات الري كعوامل فرعية، وإضافة البيوچار كعوامل فرعية فرعية.
تم زراعة بذور الطماطم من صنف ‘NIAB tomato-21’ في بيئة محكومة، مع نمو الشتلات تحت ظروف حرارة ورطوبة محددة. تم اتباع الممارسات الزراعية القياسية، بما في ذلك تعقيم التربة وتطبيق الأسمدة بمعدلات 238 كجم من البوتاسيوم، 142 كجم من الفوسفور، و285 كجم من النيتروجين لكل فدان. تم تحديد مستويات الري بناءً على التبخر والنتح اليومي ومعايير معامل المحصول (Kc)، المحسوبة باستخدام المعادلة \( ET_c = E_o \times K_p \times K_c \)، حيث \( E_o \) هو التبخر من حوض A، \( K_p \) هو معامل الحوض، و\( K_c \) هو معامل المحصول.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. يسلط الضوء على النتائج المهمة التي تدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد البحث، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات رسومية للبيانات، مثل المخططات والرسوم البيانية، التي توضح الاتجاهات والأنماط التي لوحظت خلال التجارب. تعزز هذه المساعدات البصرية من فهم النتائج، مما يظهر فعالية الطرق أو التدخلات المقترحة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مؤكدة التوقعات الأولية وفتح آفاق لمزيد من البحث.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير للضغوط غير الحيوية، وخاصة الملوحة ونقص المياه، على النمو والخصائص الفسيولوجية لنباتات الطماطم (Solanum lycopersicum). تكشف الدراسة أن مستويات الملوحة العالية وضغط الري تؤدي إلى تقليل ملحوظ في معايير النمو المختلفة، بما في ذلك ارتفاع النبات، وقطر الساق، ومؤشر مساحة الورقة، وأوزان كل من الطازجة والجافة. بشكل خاص، أظهرت النباتات المعرضة لظروف ملوحة انخفاضًا في هذه المعايير بنسبة تتراوح بين 15.1% إلى 91.8% مقارنة بتلك التي تتلقى مياه عذبة. من ناحية أخرى، أظهر تطبيق البيوچار، المستخرج من بقايا السمسم، تأثيرًا إيجابيًا على نمو النبات، مما زاد من المعايير بنسبة تصل إلى 9.0% في مساحة الورقة و6.3% في الوزن الجاف. يُعزى هذا التحسن إلى قدرة البيوچار على تعزيز احتفاظ التربة بالمياه، وتوافر العناصر الغذائية، والنشاط الميكروبي في منطقة الجذور، مما يخفف من التأثيرات الضارة للملوحة والجفاف.
علاوة على ذلك، أشارت التقييمات الفسيولوجية إلى أن خصائص تبادل الغازات، مثل معدلات التمثيل الضوئي والنتح، تأثرت بشكل كبير تحت ضغط الملوحة والجفاف، مع ملاحظات بانخفاض يصل إلى 45.4%. حسّن دمج البيوچار هذه الصفات الفسيولوجية، مما أدى إلى زيادة محتوى المياه النسبي في الأوراق وتقليل مستويات البرولين، والتي تشير إلى استجابات الضغط. تشير النتائج إلى أن البيوچار لا يحسن فقط كفاءة استخدام المياه (WUE) ولكن أيضًا يعزز الغلة العامة للمحاصيل، مع زيادة ملحوظة في الغلة تحت معالجة البيوچار مع المياه العذبة. ومع ذلك، تشير الدراسة أيضًا إلى أن فوائد البيوچار تتناقص تحت ظروف الملوحة الشديدة، مما يبرز الحاجة إلى إدارة دقيقة لمعدلات تطبيق البيوچار لتحسين نمو النبات والقدرة على مواجهة الضغوط غير الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-024-05058-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38724950
Publication Date: 2024-05-09
Author(s): Ghulam Murtaza et al.
Primary Topic: Leaf Properties and Growth Measurement
Overview
This research investigates the effects of biochar application on the growth and physiological responses of *Solanum lycopersicum* (tomato) under drought and saline conditions in greenhouse settings. Utilizing a three-factorial split-split-plot design, the study examined 16 treatments based on water quality (freshwater vs. saline water), irrigation levels (40%, 60%, 80%, and 100% of total evapotranspiration), and biochar application (3% w/w vs. control). The results indicated that both salinity and drought significantly impaired the morphological and physiological traits of tomato plants, leading to reduced growth parameters such as plant height, stem diameter, leaf area, and yield. However, the addition of biochar markedly improved these characteristics, enhancing water use efficiency and yield, particularly when combined with freshwater irrigation.
The findings underscore the detrimental impact of salinity and drought on tomato growth, affecting water status, photosynthetic efficiency, and chlorophyll content. The incorporation of 3% biochar was shown to mitigate these stresses by improving physiological traits and nutrient uptake, while also limiting sodium ion entry and promoting potassium ion absorption. This study suggests that biochar application is a viable strategy for enhancing tomato cultivation in arid and semi-arid regions, potentially leading to improved agricultural productivity and resilience against climate change challenges.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of tomato (Solanum lycopersicum) as a staple vegetable globally and emphasizes the urgent need for increased crop yields in Pakistan, particularly in arid regions like Bahawalpur. The paper identifies drought and salinity as major abiotic stresses that severely limit tomato growth and yield, with studies indicating that water stress can lead to yield reductions of 13% to 94% depending on its intensity and duration. The detrimental effects of soil salinity on crop productivity are also noted, affecting approximately 20% of cultivated land worldwide and exacerbated by both natural and anthropogenic factors.
The introduction further discusses the potential of biochar, a carbon-rich organic material produced through pyrolysis, to enhance soil properties and improve water use efficiency in agricultural systems. Biochar has been shown to increase soil moisture retention and mitigate the adverse effects of salinity and drought stress on crops. The research aims to investigate the combined effects of drought and salinity on the morphological and physiological characteristics of tomatoes, as well as the potential of biochar derived from sesame residue to alleviate these stresses and improve yield. This study addresses a gap in the literature regarding the simultaneous impact of both stresses on tomato cultivation and the effectiveness of biochar as a mitigating agent.
Methods
The research was conducted in a greenhouse at Islamia University of Bahawalpur, Pakistan, from October 2022 to July 2023, focusing on the effects of salinity and irrigation levels on tomato cultivation. The experimental design was a three-factorial setup, incorporating two water quality treatments with sodium chloride (NaCl) to achieve salinity levels of 0.9 and 2.4 dS m⁻¹, alongside four deficit irrigation levels (40%, 60%, 80%, and 100% of total evapotranspiration, ETc). Biochar was applied at a rate of 3% (w/w), while untreated soil served as a control. The randomized complete block design included 48 experimental units, with water quality as the primary factor, irrigation levels as sub-factors, and biochar addition as sub-sub-factors.
Tomato seeds of the ‘NIAB tomato-21’ variety were planted in a controlled environment, with seedlings grown under specific temperature and humidity conditions. Standard agricultural practices were followed, including soil sterilization and the application of fertilizers at rates of 238 kg potassium, 142 kg phosphorus, and 285 kg nitrogen per acre. The irrigation levels were determined based on daily evapotranspiration and crop coefficient (Kc) standards, calculated using the formula \( ET_c = E_o \times K_p \times K_c \), where \( E_o \) is the evaporation from pan A, \( K_p \) is the pan coefficient, and \( K_c \) is the crop coefficient.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. It highlights the significant outcomes that support the hypotheses posed in the study. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, such as plots and charts, which illustrate trends and patterns observed throughout the experiments. These visual aids enhance the understanding of the results, demonstrating the effectiveness of the proposed methods or interventions. Overall, the findings contribute valuable insights to the field, confirming the initial predictions and opening avenues for further research.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant impact of abiotic stressors, particularly salinity and water deficit, on the growth and physiological characteristics of tomato plants (Solanum lycopersicum). The study reveals that high salinity levels and irrigation stress lead to notable reductions in various growth parameters, including plant height, stem diameter, leaf area index, and both fresh and dry weights. Specifically, plants subjected to saline conditions exhibited a decrease in these parameters by 15.1% to 91.8% compared to those receiving fresh water. Conversely, the application of biochar, derived from sesame residue, demonstrated a positive effect on plant growth, enhancing parameters by up to 9.0% in leaf area and 6.3% in dry weight. This improvement is attributed to biochar’s ability to enhance soil water retention, nutrient availability, and microbial activity in the root zone, thereby mitigating the adverse effects of salinity and drought.
Furthermore, the physiological assessments indicated that gas exchange attributes, such as photosynthesis and transpiration rates, were significantly impaired under salinity and drought stress, with reductions of up to 45.4% observed. The incorporation of biochar improved these physiological traits, leading to enhanced leaf relative water content and reduced proline levels, which are indicative of stress responses. The findings suggest that biochar not only improves water use efficiency (WUE) but also enhances overall crop yield, with a notable increase in yield observed under biochar treatment with fresh water. However, the study also notes that the benefits of biochar diminish under extreme salinity conditions, highlighting the need for careful management of biochar application rates to optimize plant growth and resilience against abiotic stresses.