DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-025-06145-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930382
تاريخ النشر: 2025-02-10
المؤلف: Yi Cheng وآخرون
الموضوع الرئيسي: محصول المحاصيل وخصوبة التربة
نظرة عامة
تدرس الدراسة تأثير وضع النيتروجين العميق (N) على الأداء الضوئي وعائد الحبوب للذرة، مع معالجة فجوة في فهم العلاقة بين إدارة النيتروجين وملء الحبوب بعد التلقيح. باستخدام تصميم تقسيم الحقول، قيمت الأبحاث ثلاثة معدلات تطبيق للنيتروجين (225 و191.25 و157.5 كجم هكتار\(^{-1}\)) وعمقين لوضع النيتروجين (5 سم و15 سم). تشمل المعايير الرئيسية التي تم قياسها مقاييس النمو، القدرة الضوئية، الهيكل الخلوي الفرعي، استجابات مضادات الأكسدة، وخصائص ملء الحبوب.
أشارت النتائج إلى أن زيادة عمق وضع النيتروجين إلى 15 سم خففت من الآثار السلبية المرتبطة بانخفاض توفر النيتروجين، مما أدى إلى تحسينات في مؤشر مساحة الورقة (LAI)، محتوى الكلوروفيل، ومعدلات التمثيل الضوئي. على وجه الخصوص، أدى تقليل معدل تطبيق النيتروجين بنسبة 15% عند عمق 15 سم إلى زيادة بنسبة 20.7% في محتوى الكلوروفيل و7.8% في معدل التمثيل الضوئي لكل وحدة مساحة ورقة، إلى جانب فترة ملء حبوب نشطة مطولة. تشير النتائج إلى أن تطبيق النيتروجين العميق لا يخفف فقط من الإجهاد التأكسدي ولكن أيضًا يحافظ على سلامة البلاستيدات الخضراء، مما يعزز في النهاية وزن الحبوب وعائد الذرة. وتخلص الدراسة إلى أن اعتماد تطبيق النيتروجين العميق ميكانيكيًا يمكن أن يكون استراتيجية فعالة لتحسين الإنتاجية الزراعية وتعزيز إنتاج الذرة المستدام.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة لقطاع الزراعة لزيادة إنتاج الغذاء بنسبة تقارب 50% بحلول عام 2050 لتلبية احتياجات السكان العالميين المتزايدين، المتوقع أن يصل عددهم إلى 9.7 مليار. تتفاقم هذه التحديات بسبب تدهور البيئة، الذي يؤثر سلبًا على غلات المحاصيل، والاعتماد على الأسمدة النيتروجينية (N)، التي، على الرغم من كونها ضرورية لتعزيز الغلات، يمكن أن تؤدي إلى انخفاض كفاءة استخدام النيتروجين، وتحمض التربة، وتلوث البيئة. يؤكد المؤلفون على ضرورة ابتكار طرق تطبيق الأسمدة النيتروجينية لتحسين الاستدامة في الزراعة، وخاصة من خلال تقنيات الوضع العميق التي تعزز توفر المغذيات للمحاصيل.
تستعرض الورقة الدور الحاسم للتمثيل الضوئي في إنتاج المحاصيل، وخاصة في الذرة، حيث يرتبط معدل التمثيل الضوئي الصافي بعد مرحلة التلقيح ارتباطًا وثيقًا بعائد الحبوب. يعتبر التسميد الكافي بالنيتروجين أمرًا حيويًا للحفاظ على محتوى الكلوروفيل والقدرة الضوئية، وهما أمران حيويان لتراكم الكتلة الحيوية. يشير المؤلفون إلى أن تحسين إدارة تسميد النيتروجين – تحديدًا من خلال تقليل معدلات التطبيق ووضعه بشكل أعمق – يمكن أن يحسن بشكل كبير الأداء الضوئي وعائد الحبوب. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات معدلات النيتروجين المختلفة وعمق وضعها على الخصائص الفسيولوجية لتمثيل الأوراق الضوئي في الذرة الصيفية، بالإضافة إلى توضيح الآليات التي تؤثر بها هذه الممارسات على كفاءة التمثيل الضوئي وملء الحبوب.
طرق البحث
تم إجراء البحث على مدى عامين (2017-2018) في المختبر الوطني الرئيسي لعلوم المحاصيل في مقاطعة شاندونغ، الصين، التي تتميز بمناخ موسمي قاري شبه رطب. تم تثبيت محطة أرصاد جوية آلية بالقرب من الحقل التجريبي لمراقبة الظروف البيئية. قبل الزراعة، أظهر تحليل التربة محتوى من المادة العضوية يبلغ 15.71 جرام كجم$^{-1}$، ومحتوى إجمالي من النيتروجين يبلغ 0.82 جرام كجم$^{-1}$، ومحتوى متاح من الفوسفور يبلغ 16.58 ملجم كجم$^{-1}$، ومحتوى متاح من البوتاسيوم يبلغ 108.18 ملجم كجم$^{-1}$.
استخدم التصميم التجريبي ترتيب تقسيم الحقول مع ثلاثة معدلات لتطبيق النيتروجين (N) (225 كجم هكتار$^{-1}$، 191.25 كجم هكتار$^{-1}$، و157.5 كجم هكتار$^{-1}$) وعمقين لوضع النيتروجين (5 سم و15 سم). تم زراعة هجين الذرة ‘Denghai 605’ بكثافة 67,500 نبات لكل هكتار في 15 يونيو وتم حصاده في 30 سبتمبر. تم تطبيق الأسمدة، بما في ذلك البوتاسيوم والفوسفور، قبل الزراعة، وتم استخدام اليوريا ذات الإطلاق المتحكم فيه للنيتروجين، مما يضمن توفر المغذيات بما يتماشى مع متطلبات نمو الذرة. شملت الدراسة أيضًا ممارسات إدارة شاملة للري، والأعشاب، والأمراض، والآفات.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. عادةً ما يتضمن بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول التي توضح نتائج الدراسة. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات أو الدراسات السابقة لتسليط الضوء على الفروق المهمة أو التأكيدات.
في هذا القسم، قد يبلغ المؤلفون عن مقاييس محددة، مثل القيم المتوسطة، والانحرافات المعيارية، أو قيم p، لدعم ادعاءاتهم. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة أي اتجاهات أو أنماط ملحوظة في البيانات، مما يوفر رؤى حول تداعيات النتائج. بشكل عام، تخدم النتائج في التحقق من أهداف البحث وتساهم في الفهم الأوسع للموضوع قيد التحقيق.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات معدلات تطبيق النيتروجين (N) وعمق وضعه على نمو الذرة وعائدها. تشير النتائج إلى أن وضع النيتروجين العميق من الأسمدة المخفضة قد عزز بشكل كبير مؤشر مساحة الورقة (LAI) ومدة مساحة الورقة (LAD)، خاصة في معالجة D15 عند -15%N، مما أدى إلى قيم أعلى من LAI وLAD مقارنة بمعالجة D5 عند معدل تطبيق النيتروجين التقليدي (TN). كان هذا التحسن في مقاييس مساحة الورقة مرتبطًا بزيادة معدلات التمثيل الضوئي الصافي (P_n)، وموصلية الثغور (g_s)، ومعدلات النتح (T_r)، مما يشير إلى أن وضع النيتروجين العميق يمكن أن يعوض بشكل فعال عن انخفاض توفر النيتروجين ويعزز من التقاط الضوء بشكل أفضل خلال مراحل النمو الحرجة.
علاوة على ذلك، كشفت الدراسة أن وضع النيتروجين العميق لم يحسن فقط الخصائص الضوئية ولكن أيضًا أخر الشيخوخة الورقية من خلال تعزيز أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة وتقليل مستويات المالونديالديهايد (MDA)، والتي تعتبر مؤشرات للإجهاد التأكسدي. حافظت معالجة D15 عند -15%N على محتوى بروتين قابل للذوبان أعلى وسلامة البلاستيدات الخضراء، مما ساهم في تحسين كفاءة التمثيل الضوئي. وبالتالي، أدت هذه الاستراتيجية الإدارية إلى زيادة في عائد الحبوب، حيث حققت معالجة D15 زيادات في العائد بنسبة 2.4% و5.3% مقارنة بمعالجة D5 عند TN في عامي 2017 و2018، على التوالي. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية تحسين ممارسات إدارة النيتروجين لتعزيز إنتاجية الذرة من خلال تحسين التمثيل الضوئي وتأخير الشيخوخة.
القيود
يسلط قسم القيود الضوء على التحديات المرتبطة بتبني تقنيات التسميد العميق في الزراعة الحديثة، وخاصة لإنتاج الذرة. بينما تشير الدراسة إلى أن تطبيق الأسمدة النيتروجينية (N) على عمق 15 سم يمكن أن يحسن من اكتساب المغذيات، وبنية السقف، والأداء الضوئي، مما يعزز من غلة المحاصيل، إلا أنها تشير أيضًا إلى زيادة التكاليف التشغيلية بسبب زيادة استهلاك الديزل من قبل الآلات عند زيادة عمق التسميد. يمثل هذا عائقًا ماليًا للمزارعين، مما يشير إلى الحاجة إلى دعم حكومي وإعانات لتسهيل اعتماد مثل هذه التقنيات.
علاوة على ذلك، تتأثر فعالية تطبيق الأسمدة النيتروجينية عند أعماق مختلفة بالعوامل الإقليمية مثل المناخ، ونسيج التربة، وممارسات الإدارة. وبالتالي، تؤكد الدراسة على ضرورة البحث المستمر لتحديد أعماق تطبيق النيتروجين المثلى المصممة لتناسب الظروف المحلية المحددة، مما يضمن أن يتمكن المزارعون من تحقيق أقصى غلات وفوائد اقتصادية مع تقليل التكاليف المرتبطة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-025-06145-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930382
Publication Date: 2025-02-10
Author(s): Yi Cheng et al.
Primary Topic: Crop Yield and Soil Fertility
Overview
The study investigates the impact of deep nitrogen (N) placement on the photosynthetic performance and grain yield of maize, addressing a gap in understanding the relationship between N management and grain filling post-silking. Utilizing a split-plot design, the research evaluated three N application rates (225, 191.25, and 157.5 kg ha\(^{-1}\)) and two placement depths (5 cm and 15 cm). Key parameters measured included growth metrics, photosynthetic capacity, subcellular structure, antioxidant responses, and grain filling characteristics.
Results indicated that increasing the N placement depth to 15 cm mitigated the negative effects associated with reduced N availability, leading to improvements in leaf area index (LAI), chlorophyll content, and photosynthetic rates. Specifically, a 15% reduction in N application rate at 15 cm depth resulted in a 20.7% increase in chlorophyll content and a 7.8% enhancement in photosynthetic rate per unit leaf area, alongside a prolonged active grain filling duration. The findings suggest that deep N application not only alleviates oxidative stress but also sustains chloroplast integrity, ultimately enhancing maize grain weight and yield. The study concludes that adopting mechanical deep N application could serve as an effective strategy for improving agricultural productivity and promoting sustainable maize production.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the pressing need for the agricultural sector to increase food production by nearly 50% by 2050 to meet the demands of a growing global population, projected to reach 9.7 billion. This challenge is compounded by environmental degradation, which adversely affects crop yields, and the reliance on nitrogen (N) fertilizers, which, while essential for enhancing yields, can lead to low N use efficiency, soil acidification, and environmental pollution. The authors emphasize the necessity of innovating N fertilizer application methods to improve sustainability in agriculture, particularly through deep placement techniques that enhance nutrient availability for crops.
The paper outlines the critical role of photosynthesis in crop production, particularly in maize, where the net photosynthetic rate after the silking stage is closely linked to grain yield. Adequate N fertilization is crucial for maintaining chlorophyll content and photosynthetic capacity, which are vital for biomass accumulation. The authors note that optimizing N fertilization management—specifically through reduced application rates and deeper placement—can significantly improve photosynthetic performance and grain yield. The study aims to investigate the effects of varying N rates and placement depths on the physiological characteristics of leaf photosynthesis in summer maize, as well as to elucidate the mechanisms by which these practices influence photosynthetic efficiency and grain filling.
Methods
The research was conducted over two years (2017-2018) at the State Key Laboratory of Crop Science in Shandong Province, China, characterized by a temperate continental sub-humid monsoon climate. An automatic meteorological station was installed near the experimental field to monitor environmental conditions. Prior to sowing, soil analysis revealed an organic matter content of 15.71 g kg$^{-1}$, total nitrogen content of 0.82 g kg$^{-1}$, available phosphorus content of 16.58 mg kg$^{-1}$, and available potassium content of 108.18 mg kg$^{-1}$.
The experimental design employed a split-plot arrangement with three nitrogen (N) application rates (225 kg ha$^{-1}$, 191.25 kg ha$^{-1}$, and 157.5 kg ha$^{-1}$) and two N placement depths (5 cm and 15 cm). The maize hybrid ‘Denghai 605’ was sown at a density of 67,500 plants per hectare on June 15 and harvested on September 30. Fertilizers, including potassium and phosphorus, were applied prior to sowing, and controlled-release urea was used for nitrogen, ensuring nutrient availability aligned with maize growth demands. The study also included comprehensive management practices for irrigation, weeds, diseases, and pests.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables that illustrate the outcomes of the study. The results are often compared against hypotheses or previous studies to highlight significant differences or confirmations.
In this section, the authors may report on specific metrics, such as mean values, standard deviations, or p-values, to substantiate their claims. Additionally, any observed trends or patterns in the data are discussed, providing insights into the implications of the findings. Overall, the results serve to validate the research objectives and contribute to the broader understanding of the topic under investigation.
Discussion
In this study, the effects of nitrogen (N) application rates and placement depths on maize growth and yield were investigated. The findings indicate that deep placement of reduced N fertilizer significantly enhanced the leaf area index (LAI) and leaf area duration (LAD), particularly in the D15 treatment at -15%N, which resulted in higher LAI and LAD values compared to the D5 treatment at the traditional N application rate (TN). This improvement in leaf area metrics was associated with increased net photosynthetic rates (P_n), stomatal conductance (g_s), and transpiration rates (T_r), suggesting that deep N placement can effectively compensate for lower N availability and promote better light interception during critical growth stages.
Moreover, the study revealed that deep N placement not only improved photosynthetic characteristics but also delayed leaf senescence by enhancing antioxidant enzyme activities and reducing malondialdehyde (MDA) levels, which are indicators of oxidative stress. The D15 treatment at -15%N maintained higher soluble protein content and chloroplast integrity, contributing to improved photosynthetic efficiency. Consequently, this management strategy led to higher grain yields, with the D15 treatment achieving yield increases of 2.4% and 5.3% over the D5 treatment at TN in 2017 and 2018, respectively. Overall, the results underscore the importance of optimizing N management practices to enhance maize productivity through improved photosynthesis and delayed senescence.
Limitations
The section on limitations highlights the challenges associated with the adoption of deep fertilization techniques in modern agriculture, particularly for maize production. While the study suggests that applying nitrogen (N) fertilizer at a depth of 15 cm can optimize nutrient acquisition, canopy structure, and photosynthetic performance, thereby enhancing crop yield, it also notes the increased operational costs due to higher diesel consumption by machinery when fertilization depth is increased. This presents a financial barrier for farmers, indicating a need for government support and subsidies to facilitate the adoption of such technologies.
Moreover, the effectiveness of N fertilizer application at varying depths is influenced by regional factors such as climate, soil texture, and management practices. Consequently, the study emphasizes the necessity for ongoing research to identify optimal N application depths tailored to specific local conditions, ensuring that farmers can achieve maximum yields and economic benefits while mitigating the associated costs.