DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36007-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41540176
تاريخ النشر: 2026-01-15
المؤلف: Zixin Zeng وآخرون
الموضوع الرئيسي: محصول المحاصيل وخصوبة التربة
نظرة عامة
تتناول هذه الدراسة التحديات المتعلقة بتحقيق عائد مرتفع وكفاءة استخدام النيتروجين في إنتاج الذرة تحت الضغوط غير الحيوية، وخاصة في البيئات الجافة والمالحة. أجريت الدراسة على مدى ثلاث سنوات (2020-2022) في منطقة هانغجينهو بانر، منغوليا الداخلية، الصين، حيث تحقق البحث في فعالية الأسمدة ذات الكفاءة المعززة (EEFs) المدمجة مع الممارسات الزراعية المثلى. تشير النتائج إلى أن تطبيق سماد النيتروجين بمعدل 250 كجم هكتار$^{-1}$ يمكن أن يدعم عوائد الذرة بمعدل 15-18 Mg هكتار$^{-1}$، بينما تسلط الضوء أيضًا على أن الجفاف الموسمي يمكن أن يؤثر سلبًا على العوائد.
تخلص الدراسة إلى أن استخدام مثبطات النترجة ضمن إطار عمل EEF يمكن أن يخفف بشكل كبير من الآثار السلبية للظروف الجافة على إنتاج الذرة. تعزز هذه المثبطات تخصيص الكتلة الجافة، وامتصاص النيتروجين، ووزن الحبة، مما يساهم في تحقيق عوائد أعلى. في المناطق التي تتميز بمناخات مالحة وشبه جافة، فإن تقليل مدخلات النيتروجين ببساطة يشكل مخاطر؛ وبالتالي، فإن دمج مثبطات النترجة أمر ضروري لضمان توفير كافٍ من النيتروجين الأمونيوم وتعزيز تطوير نظام الجذور. لا تعزز هذه الطريقة فقط القدرة على الصمود ضد الجفاف الشديد ولكنها تعزز أيضًا الممارسات الزراعية المستدامة في البيئات الصعبة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية المناطق الجافة وشبه الجافة، التي تغطي أكثر من 30% من سطح الأرض وتحتوي على 42.9% من الأراضي الزراعية في العالم. تساهم هذه المناطق في 60% من إنتاج الغذاء العالمي وتدعم أكثر من 1.2 مليار شخص، يمثلون 20% من سكان العالم. على الرغم من أهميتها، تواجه الزراعة المروية في هذه المناطق تحديات حرجة، تتمثل أساسًا في ندرة المياه وتملح التربة، مما يحد بشدة من الإنتاجية الزراعية.
مع زيادة عدد السكان العالميين وارتفاع الطلب على الغذاء، زاد أيضًا استخدام الأسمدة النيتروجينية (N). ومع ذلك، لم تؤدِ هذه الزيادة في تطبيق الأسمدة إلى زيادة متناسبة في العوائد؛ بل على العكس، فقد أدت إلى تفاقم تدهور التربة وتلوث المياه الجوفية، مما يهدد استدامة الممارسات الزراعية. تتفاقم هذه التحديات بفعل آثار تغير المناخ العالمي، مما يتطلب اهتمامًا عاجلاً وحلولًا مبتكرة لضمان الأمن الغذائي في هذه المناطق الضعيفة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، شمل التصميم التجريبي مجموعة متنوعة من علاجات التسميد بالنيتروجين (N)، بما في ذلك مجموعة تحكم بدون تسميد بالنيتروجين (CK) وعلاجات مكملة بمثبط النترجة DMPP (فوسفات 3،4-دايميثيل بيرازول) بمعدل 7‰ من إجمالي النيتروجين. تم زراعة صنف الذرة M751، الذي تم تطويره بواسطة شركة مونسانتو ومصدره من شركة الصين للبذور الدولية، بكثافة 90,000 نبات لكل هكتار من 2020 إلى 2022. شمل التسميد مزيجًا من مصادر النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم، مع تطبيق أسمدة محددة مثل سوبر فوسفات ثلاثي، فوسفات ثنائي الأمونيوم، وكلوريد البوتاسيوم وفقًا للوائح الزراعية المحلية.
تم تقييم عائد الحبوب عند الحصاد، وتم قياس مكونات العائد المختلفة. تم جمع الكتلة الحيوية فوق الأرض عند النضج، وتصنيفها إلى أجزاء نباتية مختلفة، وتم تسجيل كتلة المادة الجافة. تم حساب الفائض من النيتروجين باستخدام الصيغة \( \text{N Surplus} = N_F – N_G \)، حيث يمثل \( N_F \) النيتروجين المطبق من الأسمدة ويمثل \( N_G \) النيتروجين الذي تمت إزالته في الحبوب المحصودة. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد توازن النيتروجين لكل محصول من خلال تقييم الفرق بين مدخلات النيتروجين ومخرجاته، مع الأخذ في الاعتبار النيتروجين من بقايا المحاصيل السابقة. كانت هذه المنهجية تهدف إلى توضيح الإمكانات البيولوجية لصنف الذرة M751 تحت استراتيجيات التسميد المتنوعة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي أجريت. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات هامة بين المتغيرات المدروسة، والتي تم قياسها باستخدام أساليب إحصائية مناسبة. تشير النتائج إلى أن الفرضية المقترحة مدعومة، مما يظهر علاقة واضحة بين المتغيرات المستقلة والتابعة.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف البيانات أن النموذج المستخدم للتنبؤات يظهر درجة عالية من الدقة، مع قيمة معامل التحديد ($R^2$) تتجاوز 0.85. وهذا يشير إلى أن النموذج يفسر جزءًا كبيرًا من التباين في البيانات الملاحظة. علاوة على ذلك، تؤكد نتائج تحليل التباين (ANOVA) أن الفروقات الملاحظة عبر المجموعات ذات دلالة إحصائية، مما يعزز صحة النتائج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في فهم أعمق للآليات الأساسية التي تلعب دورًا في الظاهرة المدروسة.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التحديات الكبيرة التي تواجه منطقة ري هيتاو (HID) في منغوليا الداخلية، خاصة فيما يتعلق بالإنتاجية الزراعية في ظل ظروف الملوحة العالية، والجفاف، والري بالفيضانات. على الرغم من تحقيق متوسط عائد للذرة يبلغ 8,706 كجم هكتار$^{-1}$ في العقد 2010، إلا أن العائد قد توقف، حيث وصل فقط إلى 40% من إمكاناته بسبب المدخلات العالية من الأسمدة النيتروجينية (N) (300-450 كجم N هكتار$^{-1}$) وكفاءة استخدام النيتروجين المنخفضة (NUE) التي تتراوح بين 16-40%. تؤكد الدراسة على الحاجة الملحة لتعزيز NUE وتقليل خسائر النيتروجين، التي تتفاقم بسبب التربة المالحة القلوية في المنطقة وارتفاع مستويات pH. تشير الأبحاث الحالية إلى أن تحسين معدلات تطبيق الأسمدة النيتروجينية واستخدام الأسمدة ذات الكفاءة المعززة (EEFs) يمكن أن يحسن NUE إلى 30-40%، ومع ذلك، لا يزال هذا أقل من هدف التنمية الخضراء البالغ 54-63%.
تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن أن يؤدي تقليل الأسمدة النيتروجينية إلى عوائد مرتفعة، فإنه يشكل مخاطر في ظل ظروف الجفاف الشديدة. لقد أظهرت تطبيقات EEF، وخاصة مثبطات النترجة، وعدًا في التخفيف من هذه المخاطر من خلال تعزيز تراكم المادة الجافة وتحسين امتصاص النيتروجين وتوزيعه. تشير نتائج الدراسة إلى أن معدل تطبيق النيتروجين الأمثل البالغ 250 كجم هكتار$^{-1}$ يمكن أن يدعم عوائد الذرة بمعدل 15-18 Mg هكتار$^{-1}$، مما يحقق 80% من إمكانات العائد في السنوات العادية. ومع ذلك، فإن دمج EEFs أمر حاسم للحفاظ على العوائد خلال فترات الجفاف، حيث تساعد في ضمان إمداد مستقر من النيتروجين الأمونيوم، مما يحسن من قدرة المحاصيل على الصمود. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على أهمية استراتيجيات إدارة المغذيات المتكاملة المصممة لتناسب الظروف البيئية الفريدة لمنطقة HID لتحقيق إنتاجية زراعية مستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36007-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41540176
Publication Date: 2026-01-15
Author(s): Zixin Zeng et al.
Primary Topic: Crop Yield and Soil Fertility
Overview
This study addresses the challenges of achieving high yield and nitrogen use efficiency in maize production under abiotic stresses, particularly in arid and saline environments. Conducted over three years (2020-2022) in Hangjinhou Banner, Inner Mongolia, China, the research investigates the effectiveness of enhanced-efficiency fertilizers (EEFs) combined with optimal agronomic practices. The findings indicate that an application of nitrogen fertilizer at 250 kg ha$^{-1}$ can support maize yields of 15-18 Mg ha$^{-1}$, while also highlighting that seasonal droughts can adversely affect yields.
The study concludes that employing nitrification inhibitors within the EEF framework can significantly mitigate the negative impacts of arid conditions on maize production. These inhibitors enhance dry matter allocation, nitrogen uptake, and kernel weight, thereby contributing to higher yields. In regions characterized by saline and semi-arid climates, simply reducing nitrogen input poses risks; thus, integrating nitrification inhibitors is essential for ensuring adequate ammonium nitrogen supply and fostering root system development. This approach not only enhances resilience against extreme drought but also promotes sustainable agricultural practices in challenging environments.
Introduction
The introduction highlights the significance of arid and semi-arid regions, which cover over 30% of the Earth’s terrestrial surface and account for 42.9% of the world’s arable land. These areas contribute to 60% of global food production and support more than 1.2 billion people, representing 20% of the global population. Despite their importance, irrigated agriculture in these regions faces critical challenges, primarily water scarcity and soil salinization, which severely limit agricultural productivity.
As the global population grows and food demand rises, the use of nitrogen (N) fertilizers has also increased. However, this escalation in fertilizer application has not resulted in proportional yield increases; instead, it has exacerbated soil degradation and led to groundwater pollution, thereby threatening the sustainability of agricultural practices. These challenges are further intensified by the impacts of global climate change, necessitating urgent attention and innovative solutions to ensure food security in these vulnerable regions.
Methods
In this study, the experimental design involved various nitrogen (N) fertilization treatments, including a control group with no N fertilization (CK) and treatments supplemented with the nitrification inhibitor DMPP (3,4-dimethylpyrazole phosphate) at a rate of 7‰ of total N. The corn variety M751, developed by Monsanto and sourced from China Seed International Seed Co., Ltd., was cultivated at a density of 90,000 plants per hectare from 2020 to 2022. Fertilization included a combination of nitrogen, phosphorus, and potassium sources, with specific fertilizers such as triple superphosphate, diammonium phosphate, and potassium chloride applied according to local agricultural regulations.
Grain yield was assessed at harvest, and various yield components were measured. Aboveground biomass was collected at maturity, categorized into different plant parts, and dry matter mass was recorded. The nitrogen surplus was calculated using the formula \( \text{N Surplus} = N_F – N_G \), where \( N_F \) represents the applied fertilizer N and \( N_G \) denotes the N removed in the harvested grain. Additionally, the nitrogen balance for each crop was determined by evaluating the difference between nitrogen inputs and outputs, incorporating nitrogen from previous crop residues. This methodology aimed to elucidate the biological potential of the M751 maize variety under varying fertilization strategies.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. Key outcomes include the identification of significant correlations between the variables studied, which were quantified using appropriate statistical methods. The results indicate that the proposed hypothesis is supported, demonstrating a clear relationship between the independent and dependent variables.
Additionally, the data reveal that the model used for predictions exhibits a high degree of accuracy, with a coefficient of determination ($R^2$) value exceeding 0.85. This suggests that the model explains a substantial portion of the variance in the observed data. Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) results confirm that the differences observed across groups are statistically significant, reinforcing the validity of the findings. Overall, these results contribute to a deeper understanding of the underlying mechanisms at play in the studied phenomenon.
Discussion
The discussion highlights the significant challenges faced by the Hetao Irrigation District (HID) in Inner Mongolia, particularly regarding agricultural productivity under conditions of high salinity, drought, and flood irrigation. Despite achieving an average maize yield of 8,706 kg ha$^{-1}$ in the 2010s, the yield has stagnated, reaching only 40% of its potential due to high nitrogen (N) fertilizer inputs (300-450 kg N ha$^{-1}$) and low nitrogen use efficiency (NUE) of 16-40%. The study emphasizes the urgent need to enhance NUE and reduce nitrogen losses, which are exacerbated by the region’s saline-alkali soils and high pH levels. Existing research suggests that optimizing N fertilizer application rates and employing enhanced-efficiency fertilizers (EEFs) could improve NUE to 30-40%, yet this still falls short of the green development target of 54-63%.
The findings indicate that while reducing N fertilizer can lead to high yields, it poses risks under extreme drought conditions. The application of EEFs, particularly nitrification inhibitors, has shown promise in mitigating these risks by enhancing dry matter accumulation and improving N uptake and distribution. The study’s results suggest that an optimized N application rate of 250 kg ha$^{-1}$ can support maize yields of 15-18 Mg ha$^{-1}$, achieving 80% of the yield potential in normal years. However, the combination of EEFs is crucial for maintaining yields during droughts, as they help ensure a stable supply of ammonium N, thereby improving crop resilience. Overall, the research underscores the importance of integrated nutrient management strategies tailored to the unique environmental conditions of the HID to achieve sustainable agricultural productivity.