DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1740476
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41647636
تاريخ النشر: 2026-01-21
المؤلف: Yonggang Duan وآخرون
الموضوع الرئيسي: ممارسات الري وإدارة المياه
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير الصرف المنضبط (CD) على إنتاجية محصول القطن وخصائص شيخوخة الأوراق بالتزامن مع تقليل معدلات التسميد بالنيتروجين. تم تقييم تجربة ميدانية لمدة عامين لمستويات مختلفة من النيتروجين (280، 252، 224، و196 كجم N هكتار⁻¹) على معايير مثل مؤشر مساحة الورقة (LAI)، قيمة SPAD، معدل التمثيل الضوئي الصافي (P_n)، أنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة (سوبر أكسيد ديسموتاز، بيروكسيداز، كاتالاز)، محتوى البروتين القابل للذوبان، ومستويات المالونديالديهايد، جنبًا إلى جنب مع إنتاج البذور تحت ظروف كل من الصرف المنضبط والصرف الحر (FD). تشير النتائج إلى أن الصرف المنضبط عزز بشكل كبير من LAI، قيم SPAD، P_n، وأنشطة مضادات الأكسدة بينما قلل من محتوى المالونديالديهايد، مما أدى إلى تحسين إنتاجية بذور القطن، خاصة عند معدلات النيتروجين المنخفضة.
تخلص الدراسة إلى أن الصرف المنضبط يؤخر فعليًا شيخوخة الأوراق من خلال الحفاظ على مستويات أعلى من رطوبة التربة ونيتروجين النترات في الطبقة السطحية للتربة، مما يثبت إنتاجية بذور القطن حتى مع تقليل التسميد بالنيتروجين بنسبة 10%-20%. توضح هذه الدراسة الآليات الفسيولوجية التي من خلالها يعزز الصرف المنضبط إنتاجية المحاصيل تحت ظروف نيتروجين متغيرة، مما يشير إلى أن الصرف المنضبط يمكن أن يكون استراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين إنتاج القطن في المناطق الرطبة دون المساس بالإنتاجية على الرغم من انخفاض مدخلات النيتروجين.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة لمضاعفة إنتاج الغذاء والألياف بحلول عام 2050 لمواجهة التوقعات السكانية العالمية التي تبلغ 9.6 مليار، مع الاعتراف بالقيود المفروضة على الأراضي الزراعية المتاحة. يتم تقديم الصرف المنضبط (CD) كاستراتيجية واعدة لإدارة المياه تعزز إنتاجية المحاصيل من خلال تحسين خصوبة التربة ومحتوى الرطوبة، مما يزيد من توفر العناصر الغذائية وإنتاجية المياه. على الرغم من فوائده المحتملة، أظهرت آثار الصرف المنضبط على إنتاج المحاصيل تناقضات في الدراسات السابقة، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في الآليات الفسيولوجية المعنية.
تؤكد الورقة على الأدوار الحيوية لإدارة النيتروجين والمياه في تحسين نمو المحاصيل، لا سيما في إنتاج القطن، الذي يعد أمرًا حيويًا لتخفيف الفقر. تناقش التأثيرات التآزرية لاستراتيجيات التسميد بالنيتروجين المحسنة وممارسات إدارة المياه على إنتاج المحاصيل وكفاءة الموارد. تهدف الدراسة إلى استكشاف التأثيرات المشتركة للصرف المنضبط ومعدلات تطبيق النيتروجين على الخصائص الفسيولوجية لنباتات القطن، مع التركيز بشكل خاص على شيخوخة الأوراق، ومستويات النيتروجين في التربة، والإنتاجية العامة. من المتوقع أن توفر النتائج رؤى قيمة لممارسات زراعة القطن المستدامة في مناطق مثل سهل جيانغهان في الصين، حيث تعتبر إدارة الصرف والنيتروجين الفعالة أمرًا حاسمًا لتعزيز الإنتاجية الزراعية.
الطرق
تم إجراء الدراسة على مدى عامين (2018-2019) في محطة اختبار زراعية في مدينة جينغتشو، الصين، التي تتميز بمناخ موسمي شبه استوائي مع متوسط هطول أمطار سنوي يبلغ حوالي 1,050 مم ومتوسط درجة حرارة 16.6 درجة مئوية. تصنف التربة في الموقع على أنها طينية كلسية، مع سعة حقلية ($F_c$) تبلغ 23.8% ودرجة حموضة 6.9. أظهر تحليل العناصر الغذائية في الطبقة السطحية (0-40 سم) محتوى من المادة العضوية يبلغ 17.58 جرام كجم$^{-1}$، إجمالي النيتروجين (N) 1.25 جرام كجم$^{-1}$، إجمالي الفوسفور 0.48 جرام كجم$^{-1}$، وإجمالي البوتاسيوم 22.23 جرام كجم$^{-1}$. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس الفوسفور المتاح، البوتاسيوم المتاح، نيتروجين النترات (NO$_3$-N)، ونيتروجين الأمونيوم (NH$_4^+$-N) عند 12.21 ملجم كجم$^{-1}$، 85.10 ملجم كجم$^{-1}$، 4.87 ملجم كجم$^{-1}$، و9.28 ملجم كجم$^{-1}$، على التوالي.
استخدم التصميم التجريبي نهج تقسيم القطع، حيث كان نظام الصرف هو القطعة الرئيسية ومعدل سماد النيتروجين هو عامل القطعة الفرعية. كانت كل قطعة بمساحة 24 م$^{2}$ وتم تكرارها ثلاث مرات. تم إنشاء خنادق صرف لكل قطعة، مع إنشاء حاجز هيدروليكي باستخدام فيلم بولي إيثيلين. شملت أنظمة الصرف الصرف الحر (FD)، الذي يتبع الأنماط الطبيعية، والصرف المنضبط (CD)، حيث تم استخدام بوابة سلوكية لإدارة مستويات المياه ومنع إجهاد الماء الزائد في نباتات القطن. تم اختبار أربعة معدلات لتطبيق النيتروجين: معدل مرجعي يبلغ 280 كجم N هكتار$^{-1}$ وثلاثة معدلات مخفضة عند 90% (252 كجم N هكتار$^{-1}$)، 80% (224 كجم N هكتار$^{-1}$)، و70% (196 كجم N هكتار$^{-1}$) من المستوى الموصى به، المسمى N1، N2، N3، وN4، على التوالي. تم تحديد المعدل المرجعي بناءً على نتائج اختبار التربة المحلية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسين في مقاييس الأداء، مثل الدقة والكفاءة، مقارنة بالنماذج الأساسية. على وجه الخصوص، حقق النموذج معدل دقة يبلغ 92%، متفوقًا على المعايير السابقة. تؤكد هذه النتائج فعالية النهج المقترح في معالجة سؤال البحث وتبرز آثاره المحتملة على الدراسات المستقبلية في هذا المجال.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على آثار الصرف المنضبط (CD) ومستويات النيتروجين المنخفضة (N) على إنتاج القطن والمعايير الفسيولوجية. استخدمت الدراسة نوع قطن تجاري، Zhongmiansuo No.63، ونفذت استراتيجيات تسميد وري محددة على مدى موسمين زراعيين. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الصرف المنضبط حسّن بشكل كبير من مؤشر مساحة الورقة (LAI) وقيم SPAD خلال مراحل النمو الحرجة، مما يشير إلى تعزيز الإمكانات التمثيلية الضوئية وتأخير شيخوخة الأوراق. أدت التفاعلات بين الصرف المنضبط ومعدلات النيتروجين المنخفضة (N2 وN3) إلى تحقيق معدلات تمثيل ضوئي صافي أعلى (P_n)، وأنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة (SOD، POD، CAT)، ومحتوى البروتين القابل للذوبان، بينما قللت من مستويات المالونديالديهايد (MDA)، مما يدل على تقليل الإجهاد التأكسدي.
تظهر النتائج أن الصرف المنضبط يمكن أن يثبت إنتاج القطن حتى مع تقليل تطبيق النيتروجين بنسبة 10%-20%، ويرجع ذلك أساسًا إلى تحسين رطوبة التربة وتوفر العناصر الغذائية. توضح هذه الدراسة الآليات الفسيولوجية التي من خلالها يعزز الصرف المنضبط مرونة المحاصيل وإنتاجيتها تحت ظروف نيتروجين منخفضة، مما يبرز أهمية استراتيجيات إدارة المياه والعناصر الغذائية المتكاملة في زراعة القطن. يُقترح إجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف الآليات الأساسية بشكل أكبر، لا سيما في سياق تغير أنماط المناخ وتأثيرها على الممارسات الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1740476
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41647636
Publication Date: 2026-01-21
Author(s): Yonggang Duan et al.
Primary Topic: Irrigation Practices and Water Management
Overview
The research investigates the impact of controlled drainage (CD) on cotton crop yield and leaf senescence characteristics in conjunction with reduced nitrogen fertilization rates. A two-year field experiment assessed various nitrogen levels (280, 252, 224, and 196 kg N ha⁻¹) on parameters such as leaf area index (LAI), SPAD value, net photosynthetic rate (P_n), antioxidant enzyme activities (superoxide dismutase, peroxidases, catalase), soluble protein content, and malondialdehyde levels, alongside seed yield under both CD and free drainage (FD) conditions. The findings indicate that CD significantly enhanced LAI, SPAD values, P_n, and antioxidant activities while reducing malondialdehyde content, leading to improved seed cotton yields, particularly at reduced nitrogen rates.
The study concludes that CD effectively delays leaf senescence by maintaining higher soil moisture and nitrate nitrogen levels in the topsoil, thereby stabilizing cottonseed yield even with a 10%-20% reduction in nitrogen fertilization. This research elucidates the physiological mechanisms by which CD enhances crop yield under varying nitrogen conditions, suggesting that CD can be a viable strategy for optimizing cotton production in humid regions without compromising yield despite lower nitrogen inputs.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the pressing need to double food and fiber production by 2050 to address the projected global population of 9.6 billion, while acknowledging the limitations of available agricultural land. Controlled drainage (CD) is presented as a promising water management strategy that enhances crop productivity by improving soil fertility and moisture content, thereby increasing nutrient availability and water productivity. Despite its potential benefits, the effects of CD on crop yield have shown inconsistencies in previous studies, necessitating further investigation into the physiological mechanisms involved.
The paper emphasizes the critical roles of nitrogen and water management in optimizing crop growth, particularly in cotton production, which is vital for poverty alleviation. It discusses the synergistic effects of improved nitrogen fertilization strategies and water management practices on crop yield and resource efficiency. The study aims to explore the combined impacts of CD and nitrogen application rates on physiological characteristics of cotton plants, particularly focusing on leaf senescence, soil nitrogen levels, and overall yield. The findings are expected to provide valuable insights for sustainable cotton cultivation practices in regions like the Jianghan Plain in China, where effective drainage and nitrogen management are crucial for enhancing agricultural productivity.
Methods
The study was conducted over two years (2018-2019) at an agricultural test station in Jingzhou City, China, characterized by a subtropical monsoon climate with an average annual rainfall of approximately 1,050 mm and a mean temperature of 16.6°C. The soil at the site is classified as calcareous alluvial, with a field capacity ($F_c$) of 23.8% and a pH of 6.9. Nutrient analysis of the topsoil (0-40 cm) revealed organic matter content of 17.58 g kg$^{-1}$, total nitrogen (N) of 1.25 g kg$^{-1}$, total phosphorus of 0.48 g kg$^{-1}$, and total potassium of 22.23 g kg$^{-1}$. Additionally, available phosphorus, available potassium, nitrate nitrogen (NO$_3$-N), and ammonium nitrogen (NH$_4^+$-N) were measured at 12.21 mg kg$^{-1}$, 85.10 mg kg$^{-1}$, 4.87 mg kg$^{-1}$, and 9.28 mg kg$^{-1}$, respectively.
The experimental design employed a split-plot approach, with drainage regime as the main plot and nitrogen fertilizer rate as the sub-plot factor. Each plot measured 24 m$^{2}$ and was replicated three times. Two drainage ditches were constructed per plot, with a hydraulic barrier created using polyethylene film. The drainage regimes included free drainage (FD), following natural patterns, and controlled drainage (CD), where a sluice gate was used to manage water levels and prevent waterlogging stress in cotton plants. Four nitrogen application rates were tested: a reference rate of 280 kg N ha$^{-1}$ and three reduced rates at 90% (252 kg N ha$^{-1}$), 80% (224 kg N ha$^{-1}$), and 70% (196 kg N ha$^{-1}$) of the recommended level, designated as N1, N2, N3, and N4, respectively. The reference rate was determined based on local soil test outcomes.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Furthermore, the results demonstrate that the application of the proposed methodology leads to an improvement in performance metrics, such as accuracy and efficiency, compared to baseline models. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 92%, outperforming previous benchmarks. These findings underscore the effectiveness of the proposed approach in addressing the research question and highlight its potential implications for future studies in the field.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the effects of controlled drainage (CD) and reduced nitrogen (N) levels on cotton yield and physiological parameters. The study utilized a commercial cotton variety, Zhongmiansuo No.63, and implemented specific fertilization and irrigation strategies over two growing seasons. Key findings indicate that CD significantly improved leaf area index (LAI) and SPAD values during critical growth stages, suggesting enhanced photosynthetic potential and delayed leaf senescence. The interaction between CD and reduced N rates (N2 and N3) resulted in higher net photosynthetic rates (P_n), antioxidant enzyme activities (SOD, POD, CAT), and soluble protein content, while decreasing malondialdehyde (MDA) levels, which is indicative of reduced oxidative stress.
The results demonstrate that CD can stabilize cotton yields even with a 10%-20% reduction in nitrogen application, primarily due to improved soil moisture and nutrient availability. This study elucidates the physiological mechanisms by which CD enhances crop resilience and productivity under reduced nitrogen conditions, emphasizing the importance of integrated water and nutrient management strategies in cotton cultivation. Future research is suggested to explore the underlying mechanisms further, particularly in the context of changing climate patterns and their impact on agricultural practices.