بهینه‌سازی سطوح آبیاری و نیتروژن بر عملکرد، کارایی مصرف آب و کارایی مصرف نیتروژن در گیاه کینوا (chenopodium quinoa willd.) با استفاده از مدل‌سازی سطح- پاسخ

بهینه‌سازی یکی از راهکارهای موثر مدیریتی برای بهبود کارایی مصرف منابع و کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی محسوب می‌شود. مدل سطح پاسخ (rsm) مجموعه‌ای از تکنیک‌های آماری و ریاضی مورد استفاده برای بهینه‌سازی نهاده‌های تولید به شمار می‌آید. در این مطالعه، بهینه‌سازی سطوح نیتروژن و آبیاری کینوا با استفاده از طرح مرکب مرکزی (ccd) انجام شد. این آزمایش با 13 تیمار و دو تکرار در مزرعه تحقیقاتی دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد در سال زراعی 971396 اجرا شد. تیمارها بر اساس سطح پایین و بالای آبیاری (به‌ترتیب با 2500 و 7500 مترمکعب در هکتار) و نیتروژن (به‌ترتیب با صفر و 200 کیلوگرم نیتروژن در هکتار) تعیین شدند. عملکرد دانه، عملکرد بیولوژیک، شاخص‌های کارایی نیتروژن و کارایی مصرف آب به‌عنوان متغیر وابسته مورد اندازه‌گیری قرار گرفتند و تغییرات این متغیرها با استفاده از مدل رگرسیونی ارزیابی شد. به منظور ارزیابی کیفیت مدل پیش‌بینی شده از آزمون عدم برازش استفاده شد. مقادیر بهینه کاربرد نیتروژن و آب برای مقادیر مطلوب متغیرهای وابسته شامل عملکرد دانه، بازیافت نیتروژن، کارایی مصرف نیتروژن و کارایی مصرف آب در سه سناریوی اقتصادی، زیست‌محیطی و اقتصادی زیست‌محیطی بررسی شد. نتایج نشان داد که اثر جزء خطی و درجه دو بر تمام صفات مورد مطالعه معنی‌دار بود. اثر متقابل دو عامل نیتروژن و آبیاری تنها بر کارایی مصرف نیتروژن و کارایی مصرف آب معنی‌دار بود. آزمون عدم برازش در مورد هیچ‌کدام از صفات معنی‌دار نشد که این امر نشان‌دهنده‌ی برازش مطلوب مدل رگرسیون درجه دو کامل بود. بیشترین عملکرد دانه با 3835.4 کیلوگرم در هکتار برای مصرف 200 کیلوگرم نیتروژن و 7500 مترمکعب در هکتار آبیاری به‌دست آمد. در سناریوی اقتصادی زیست‌محیطی کاربرد 90 کیلوگرم نیتروژن در هکتار و 6000 مترمکعب در هکتار آبیاری موجب حصول کارایی مصرف نیتروژن با 15.93 کیلوگرم دانه بر کیلوگرم نیتروژن خاک، بازیافت نیتروژن 50 درصد، کارایی مصرف آب 0.5 کیلوگرم در مترمکعب و 3121 کیلوگرم در هکتار عملکرد دانه شد. به‌طور کلی، به نظر می‌رسد میزان مصرف منابع به‌ویژه آب و نیتروژن بر اساس سناریوی اقتصادی زیست‌محیطی می‌تواند به‌عنوان راهکاری مطلوب در توسعه سطح زیر کشت و تولید پایدار کینوا به‌عنوان گیاهی جدید مد نظر قرار گیرد.

Optimization of Irrigation and Nitrogen Levels on Yield, Water Use Efficiency, and Nitrogen Use Efficiency of Quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) by Using the Surface-Response Methodology

Introduction  The optimum resource level in agroecosystems should be determined to decrease production costs, conserve resources, and mitigate environmental pollutions. Optimization is an effective and sustainable management approach to conserve resources and decline environmental pollutions. Response surface methodology (RSM) is defined as a collection of mathematical and statistical techniques used to develop, improve, or optimize a product. RSM is a statistical technique for optimization of multiple factors that determine optimum rates by combining experimental designs. Quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) is a pseudocereal, seedproducing annual crop, and a staple food in South America in ancient times, indigenous to the Andean region of South America, particularly Bolivia, Peru, Ecuador, and parts of Chile, which has the potential to grow with low inputs, mostly water and tolerate a variety of biotic and abiotic stresses. Quinoa seed is glutenfree foods, good sources of carbohydrates, goodquality proteins, lipids, vitamins, minerals, and bioactive compounds, with all the essentials, trace elements, and many vitamins. In this work, optimization of nitrogen and water rates on quinoa was done. Materials and Methods  An experiment was conducted using Central Composite Design (CCD) with 13 treatments and two replications at the Research Field of the Ferdowsi University of Mashhad during the growing season of 20172018. The treatments were allocated based on low and high water (2500 and 7500 m3 ha1, respectively) and nitrogen (0 and 200 kg ha1, respectively) levels. Seed yield, biological yield, N recovery, N use efficiency (NUE), and water use efficiency (WUE) were calculated as dependent variables, and changes of these variables were evaluated by a regression model. A lackoffit test was used to evaluate the quality of the fitted model. The adequacy of the model was tested by analysis of variance. The quality of the fitted models was judged using the determination coefficient (R2). Finally, the optimum nitrogen and water rates were computed based on economic, environmental, and economicenvironmental scenarios. Results and Discussion The results showed that the effect of linear and square components was significant on all studied characteristics. The interaction effect of full quadratic was significant on NUE and WUE. Lack of fit test had no significant effect on the studied traits. The full square model for the response variables gave insignificant lackoffit, indicating that the data were satisfactorily explained. Surfaceresponse results of the effect of irrigation and nitrogen levels on grain yield and biological yield showed that with increasing nitrogen consumption and irrigation, quinoa yield indices increased, but in terms of nitrogen use, with increasing nitrogen consumption more than 100 kg ha1, the grain yield increased with more slope. The highest value of seed yield was observed for 7500 m3 ha1 irrigation and 200 kg nitrogen ha1 with 3835.4 kg ha1. Optimum nitrogen and water rates were suggested to determine the target range of dependent variables based on three scenarios: economic, environmental, and ecoenvironmental. It is necessary to use 169.7 kg nitrogen ha1 and 7500 m3 ha1 irrigation to obtain optimum conditions under the economic scenario. The optimum nitrogen and irrigation rates based on environmental scenarios were computed from 18.18 kg nitrogen ha1 and 3409 m3 ha1 irrigation water. Application of 88.57 kg nitrogen ha1 and 5909 m3 ha1 irrigation water was found to be the optimum conditions for the ecoenvironmental scenario (NUE, N recovery, seed yield, and WUE were calculated with 15.93 kg seed kg1 N, 50.04%, 3120.76 kg ha1, and 0.5 kg seed m3 water, respectively). Conclusions Increasing nitrogen led to increased seed yield and decreased nitrogen use efficiency, whereas increasing irrigation caused an increase in seed yield and nitrogen use efficiency. In general, it seems that resource use based on the ecoenvironmental scenario may be a suitable cropping approach for the sustainable production of quinoa as a new crop.