DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36458-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41559148
تاريخ النشر: 2026-01-20
المؤلف: Ghanshyam Giri وآخرون
الموضوع الرئيسي: ممارسات الري وإدارة المياه
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات استراتيجيات الري المختلفة على إنتاجية الحبوب (GY) وإنتاجية المياه (WP) من القمح الشتوي تحت ظروف إجهاد حراري متغيرة على مدى أربعة مواسم زراعية متتالية (2021-2025). استخدمت الدراسة خمسة علاجات ري، بما في ذلك استراتيجيتين للري بالتنقيط (25% و50% من العجز الأقصى المسموح به، MAD) واستراتيجية ري بالفيض (50% MAD)، إلى جانب ممارسات المزارعين التقليدية وعلاجات الري بالمطر. أظهرت النتائج أن GY للري بالتنقيط الكامل، و50% MAD بالتنقيط، و50% MAD بالفيض زادت بنسبة 31.8% و40.3% و21.4% على التوالي، مقارنة بتكرار حقول المزارعين. بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق أقصى إنتاجية مياه الري (IWP) وإنتاجية المياه المحصولية (CWP) في علاج الري بالتنقيط 50% MAD، مما يبرز عدم كفاءة طرق الري التقليدية، والتي أدت إلى خسائر كبيرة في التسلل العميق.
كشفت التحليلات أن حقول المزارعين وعلاجات الري بالمطر أظهرت ضعفًا أكبر تجاه الإجهاد الحراري، خاصة خلال مراحل النمو الحرجة، مما أدى إلى تقليل استقرار الإنتاج. على النقيض من ذلك، أظهرت علاجات الري المعتمدة على ملاحظات رطوبة التربة مرونة ضد موجات الحرارة، مما يشير إلى أن اعتماد هذه الاستراتيجيات يمكن أن يخفف من الآثار السلبية لتقلب المناخ على إنتاج القمح. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية ممارسات الري الفعالة في تعزيز GY وWP، وبالتالي المساهمة في الأمن الغذائي في ظل التحديات التي تفرضها تغيرات المناخ.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للزراعة في استهلاك المياه العذبة، حيث تمثل حوالي 70% على مستوى العالم وأكثر من 80% في آسيا. القمح، وهو محصول أساسي ضروري للأمن الغذائي العالمي، يتم إنتاجه بمعدل حوالي 730 مليون طن سنويًا على مساحة 2.1 مليون كيلومتر مربع، مع متوسط إنتاجية يبلغ 3 أطنان لكل هكتار. لتلبية احتياجات الغذاء لسكان العالم المتوقع أن يصل عددهم إلى 9.6 مليار بحلول عام 2050، يجب أن يرتفع إنتاج القمح بنسبة 60%، كما أفاد البنك الدولي.
ومع ذلك، فإن توفر موارد المياه مهدد بشكل متزايد بسبب تغير المناخ ونمو السكان، مما يستلزم التركيز على الاستخدام المستدام للمياه في الزراعة لتحسين كفاءة استخدام المياه (WUE). مستويات WUE الحالية في البلدان النامية منخفضة بشكل ملحوظ، وتقديم استراتيجيات الري بالعجز يمثل نهجًا قابلاً للتطبيق لتعزيز WUE في الممارسات الزراعية. تؤكد هذه الفقرة على الحاجة الملحة لتقنيات إدارة المياه المبتكرة لضمان الأمن الغذائي في ظل تناقص موارد المياه.
طرق البحث
تم إجراء البحث على مدى أربعة مواسم زراعية متتالية من القمح (2021-2025) في مختبر إدارة المياه الميداني في أوتار براديش، الهند، الذي يتميز بمناخ رطب شبه استوائي وتربة رملية طينية. تم جمع بيانات الطقس، بما في ذلك درجات الحرارة القصوى والدنيا ($T_{max}$، $T_{min}$)، الرطوبة النسبية ($RH_{max}$، $RH_{min}$)، سرعة الرياح ($u$)، الإشعاع الوارد ($R_S$)، وهطول الأمطار ($P$)، من محطة الطقس الآلية. تم توثيق المتوسطات الشهرية لهذه المعلمات لكل موسم، مما يكشف عن تباينات في الظروف المناخية التي يمكن أن تؤثر على نمو المحاصيل.
شمل التصميم التجريبي خمسة علاجات ري، تم تكرار كل منها ثلاث مرات في ترتيب تقسيم القطع، حيث كان كل قطعة قياس 5 م × 4 م. تم مراقبة رطوبة التربة الحجمية ثلاث مرات أسبوعيًا طوال فترة المحصول باستخدام مقياس مسبار Delta-T. يسمح هذا النهج المنظم بإجراء تحليل شامل لتأثيرات استراتيجيات الري المختلفة على أداء محصول القمح عبر ظروف مناخية متغيرة.
النتائج
تقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسينات في مقاييس الأداء مقارنة بالأساليب الحالية.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، موضعة إياها ضمن السياق الأوسع للمجال. يقترح المؤلفون أن التأثيرات الملحوظة يمكن أن تؤدي إلى تقدم في التطبيقات العملية، مما يبرز الإمكانية للبحث المستقبلي لاستكشاف هذه العلاقات بشكل أعمق. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية الدراسة ومساهماتها في المعرفة الحالية.
المناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على الدور الحاسم لإنتاجية مياه الري (IWP) وإنتاجية المياه المحصولية (CWP) في تعزيز الإنتاج الزراعي وضمان الأمن الغذائي في ظل موارد المياه المحدودة. IWP، الذي يُعرف بأنه نسبة إنتاجية المحصول القابل للتسويق إلى مياه الري المطبقة، يعد مؤشرًا رئيسيًا على كفاءة الري، بينما CWP، نسبة إنتاجية المحصول إلى المياه المستهلكة من خلال التبخر والنتح، يوفر رؤى حول الاستدامة الزراعية. تسلط الورقة الضوء على أهمية إدارة الري الفعالة، خاصة من خلال طرق مثل الري بالتنقيط، التي تحافظ على المياه وتعزز نمو المحاصيل بشكل صحي من خلال تقليل مخاطر الأمراض ومنافسة الأعشاب الضارة.
كما يتم مناقشة تأثير تغير المناخ على إنتاجية المحاصيل، مع توقعات تشير إلى انخفاضات كبيرة في الإنتاج للمحاصيل الرئيسية تحت سيناريوهات الانبعاثات العالية. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تقييمات كمية لاستجابة إنتاج المحاصيل لظروف المناخ المتغيرة، مع التركيز بشكل خاص على تأثيرات الإجهاد الحراري وتباين هطول الأمطار على القمح الشتوي. تشير إلى أنه بينما تم استخدام أساليب النمذجة بشكل واسع لتحليل هذه التأثيرات، لا يزال هناك فجوة حاسمة في الدراسات التجريبية الميدانية. تهدف الأبحاث الحالية إلى معالجة هذه الفجوة من خلال التحقيق في التباين بين المواسم في إنتاجية المحصول وإنتاجية المياه للقمح الشتوي تحت علاجات ري مختلفة، مما يوفر رؤى قيمة لتحسين استراتيجيات الري في ظل تقلب المناخ.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36458-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41559148
Publication Date: 2026-01-20
Author(s): Ghanshyam Giri et al.
Primary Topic: Irrigation Practices and Water Management
Overview
This research investigates the effects of different irrigation strategies on grain yield (GY) and water productivity (WP) of winter wheat under varying heat stress conditions over four consecutive crop seasons (2021-2025). The study employed five irrigation treatments, including two drip irrigation strategies (25% and 50% maximum allowable deficit, MAD) and a flood irrigation strategy (50% MAD), alongside conventional farmers’ practices and rainfed treatments. The results indicated that the GY for fully irrigated drip, 50% MAD drip, and 50% MAD flood treatments increased by 31.8%, 40.3%, and 21.4%, respectively, compared to the farmers’ field replication. Additionally, irrigation water productivity (IWP) and crop water productivity (CWP) were maximized in the 50% MAD drip treatment, highlighting the inefficiencies of traditional irrigation methods, which resulted in significantly higher deep percolation losses.
The analysis revealed that the farmers’ field and rainfed treatments exhibited greater vulnerability to heat stress, particularly during critical growth stages, leading to reduced yield stability. In contrast, the irrigation treatments based on soil moisture observations demonstrated resilience against heat waves, suggesting that adopting these strategies could mitigate the adverse effects of climate variability on wheat production. Overall, the findings emphasize the importance of efficient irrigation practices in enhancing GY and WP, thereby contributing to food security amidst the challenges posed by climate change.
Introduction
The introduction highlights the critical role of agriculture in freshwater consumption, accounting for approximately 70% globally and over 80% in Asia. Wheat, a staple crop essential for global food security, is produced at a rate of around 730 million tons annually over 2.1 million km², with an average yield of 3 tonnes per hectare. To meet the food demands of a projected global population of 9.6 billion by 2050, wheat production must increase by 60%, as reported by the World Bank.
However, the availability of water resources is increasingly threatened by climate change and population growth, necessitating a focus on sustainable water use in agriculture to improve water use efficiency (WUE). Current WUE levels in developing countries are notably low, and the implementation of deficit irrigation strategies presents a viable approach to enhance WUE in agricultural practices. This section underscores the urgent need for innovative water management techniques to ensure food security in the face of dwindling water resources.
Methods
The research was conducted over four consecutive wheat crop seasons (2021-2025) at the Water Management Field Laboratory in Uttar Pradesh, India, characterized by a humid subtropical climate and sandy loam soil. Weather data, including maximum and minimum air temperatures ($T_{max}$, $T_{min}$), relative humidity ($RH_{max}$, $RH_{min}$), wind speed ($u$), incoming radiation ($R_S$), and rainfall ($P$), were collected from an automatic weather station. Monthly averages of these parameters were documented for each season, revealing variations in climatic conditions that could influence crop growth.
The experimental design included five irrigation treatments, each replicated three times in a split-plot arrangement, with each plot measuring 5 m × 4 m. Volumetric soil moisture was monitored three times weekly throughout the crop period using a Delta-T profile probe meter. This structured approach allows for a comprehensive analysis of the effects of different irrigation strategies on wheat crop performance across varying climatic conditions.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the application of the proposed methodology yields improvements in performance metrics compared to existing approaches.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, situating them within the broader context of the field. The authors suggest that the observed effects could lead to advancements in practical applications, emphasizing the potential for future research to explore these relationships further. Overall, the results underscore the relevance of the study and its contributions to the existing body of knowledge.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the critical role of irrigation water productivity (IWP) and crop water productivity (CWP) in enhancing agricultural output and ensuring food security amidst limited water resources. IWP, defined as the ratio of marketable crop yield to applied irrigation water, serves as a key indicator of irrigation efficiency, while CWP, the ratio of crop yield to water consumed through evapotranspiration, provides insights into agricultural sustainability. The paper highlights the importance of effective irrigation management, particularly through methods like drip irrigation, which conserves water and promotes healthier crop growth by minimizing disease risks and weed competition.
The impact of climate change on crop yields is also discussed, with projections indicating significant declines in production for major crops under high-emission scenarios. The study underscores the need for quantitative assessments of crop yield responses to varying climatic conditions, particularly focusing on the effects of heat stress and rainfall variability on winter wheat. It notes that while modeling approaches have been extensively used to analyze these impacts, there remains a critical gap in field-based experimental studies. The current research aims to address this gap by investigating the inter-seasonal variability in yield and water productivity of winter wheat under different irrigation treatments, thereby providing valuable insights for optimizing irrigation strategies in the face of climate variability.