۱٫ معرفی
کمبود آب چالش مهمی برای تولید محصولات زراعی در مصر ایجاد می‌کند و اتخاذ روش‌ها و تکنیک‌هایی را ضروری می‌کند که می‌تواند بهره‌وری آب در آبیاری را افزایش داده و استفاده از منابع آبی محدود را بهینه کند. [
۱]. توسعه روش های کشاورزی، به ویژه در مناطق خشک مانند مصر، برای جبران کمبود در تولید مواد غذایی ضروری است. [
۲]. در مصر، جایی که منابع آب آبیاری محدود است، بهره وری آب محصول (WE) اهمیت زیادی دارد. با اجرای استراتژی هایی که عملکرد دانه را اندکی کاهش می دهد و در عین حال باعث افزایش WE می شود، می توان تأثیر منفی کمبود آب بر عملکرد محصول را کاهش داد. [
۳,
۴]. در این راستا، اتخاذ شیوه‌های آبیاری مناسب که شامل کم‌آبیاری کنترل‌شده با حداقل کاهش عملکرد باشد، می‌تواند نقش حیاتی ایفا کند. کم آبیاری به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته و به عنوان یک روش پایدار در مناطق خشک با هدف به حداکثر رساندن بهره وری آب محصول شناخته شده است. تحقیقات و آزمایشات قبلی اثرات مثبت و موفقیت آمیز کم آبیاری را بر افزایش تولید محصول و مصرف آب در محصولات مختلف بدون به خطر انداختن عملکرد نشان داده است. [
۵,
۶,
۷,
۸].
کم آبیاری پتانسیل قابل توجهی برای بهبود بهره وری مصرف آب به ویژه در مناطقی با منابع آبی محدود در کشاورزی دارد. درک حساس ترین مراحل محصولات زراعی و اثرات کمبود آبیاری بر تولید گیاه بسیار مهم است. [
۹,
۱۰,
۱۱,
۱۲,
۱۳]. تقریباً ۴۷٫۲ درصد از اراضی به عنوان اراضی خشک طبقه بندی می شوند که در آن بهره وری کشاورزی محدود است. با این حال، کشت این مناطق فقیر از خاک ضروری است [
۱۴]. خاک های شنی که اغلب در چنین مناطقی یافت می شوند، برای کشاورزی حاشیه ای در نظر گرفته می شوند [
۱۴]. خاک های شنی چندین چالش از جمله محدودیت در دسترس بودن مواد غذایی، کاهش مواد آلی، کاهش توانایی نگهداری آب، کانی سازی سریع مواد آلی و شستشوی مواد مغذی را به همراه دارند. [
۱۵]. برای رفع این محدودیت‌ها، شیوه‌های کشاورزی در مناطق خشک با خاک‌های شنی به شدت به نهاده‌های خارجی مانند کودهای آلی و معدنی بستگی دارد.
میزان کاربرد خاک و کمپوست در افزایش دسترسی به مواد مغذی مفید است [
۱۶,
۱۷]. استفاده از کاه برنج به عنوان یک منبع پایدار برای رفع کمبود آب در مناطق خشک در مطالعات قبلی برجسته شده است. [
۱۸]. با این حال، اصلاح‌های آلی در خاک‌های شنی به سرعت تجزیه می‌شوند و به کاربردهای مکرر برای حفظ بهره‌وری نیاز دارند. [
۱۹]. گزارش شده است که کود باعث کاهش تنش آبی در شرایط خاکی خشک و شنی می شود [
۱۴,
۱۵]. در این زمینه، استفاده از مواد آلی پایدار که می توانند محیط خاک شنی را حفظ کنند، مانند بیوچار، جایگزین موثری برای کمپوست به راحتی قابل تجزیه است. [
۲۰,
۲۱].
Biochar، مشتق شده از تجزیه در اثر حرارت مواد کربن دار تحت شرایط اکسیژن محدود، یک راه حل بالقوه برای کاهش محدودیت های موجود در کشت خاک شنی ارائه می دهد. بیوچار می تواند به عنوان یک ماده مکمل و پایدار در کنار کمپوست، کود دامی و کودهای معدنی عمل کند. در مقایسه با کمپوست سنتی، بیوچار چندین مزیت زیست محیطی و پایداری را ارائه می دهد. ساختار متخلخل منحصر به فرد و سطح داخلی بالای آن به بهبود احتباس آب و افزایش هدایت هیدرولیکی اشباع در خاک سطحی کمک می کند. [
۲۲].
تحقیقات نشان می دهد که کاربرد بیوچار در خاک های شنی می تواند خواصی مانند حفظ آب و در دسترس بودن مواد مغذی را بهبود بخشد که به ویژه برای رشد خیار تحت آبیاری کم مفید است. [
۲۳,
۲۴]. ویژگی های فیزیکوشیمیایی بیوچار می تواند بر روی کربن و مواد مغذی در دسترس تأثیر بگذارد، از میکروارگانیسم های خاک محافظت کند و به طور بالقوه بر تنوع میکروبی تأثیر بگذارد. [
۲۱]. علاقه روزافزون به بیوچار به عنوان یک استراتژی برای کاهش گرمایش جهانی مشهود است [
۲۵].
با در نظر گرفتن بیوچار به عنوان یک گزینه پایدار، می توان از مزایای بی شمار آن از نظر حفظ آب، هدایت هیدرولیکی، ترسیب کربن و سلامت خاک استفاده کرد. [
۲۶]. بسیار مهم است که نرخ ها و روش های کاربرد را با شرایط و اهداف خاص خاک تنظیم کنید تا اثربخشی آن به حداکثر برسد.
بیوچار را می توان از طریق پیرولیز تولید کرد، فرآیندی که شامل گرم کردن زیست توده در دماهای مختلف است. تجزیه در اثر حرارت در دمای پایین باعث تولید بیوچار با محتوای فرار بالاتر می شود که می تواند مواد مغذی را فراهم کند و از رشد گیاه حمایت کند. [
۲۷]. از سوی دیگر، تجزیه در اثر حرارت در دمای بالا بیوچار با سطح بزرگتر و محتوای کربن آروماتیک بالاتر تولید می کند. [
۲۸]. این نوع بیوچار افزایش ظرفیت جذب و خواص مقاوم‌سازی را نشان می‌دهد که آن را برای ترسیب کربن مناسب می‌کند. [
۲۵,
۲۶,
۲۷,
۲۹].
خیار یک گیاه مهم و عمومی با تولید جهانی حدود ۹۳٫۵ میلیون تن است. سطح تولید خیار در مصر در سال ۲۰۱۹ ۱۹۷۰۲ هکتار برآورد شد و ۴۳۳۴۴۰٫۸۵ تن تولید شد (FAOSTAT، ۲۰۲۰،
https://www.fao.org/faostat/en/#data/QI، قابل دسترسی در ۱۵ ژانویه ۲۰۲۲).
این تحقیق با هدف بررسی پتانسیل کم آبیاری و استفاده از بیوچار و افزایش مصرف آب و بهبود عملکرد محصول در خاک‌های شنی، با تمرکز ویژه بر مناطق خشک، به‌ویژه مصر انجام شد. اهداف اولیه این مطالعه شناسایی بحرانی ترین مراحل رشد محصول تحت تأثیر کمبود آبیاری، ارزیابی اثرات کم آبیاری بر عملکرد گیاه و ارزیابی اثربخشی بیوچار در افزایش حفظ آب خاک، در دسترس بودن مواد مغذی و کلی محصول است. عملکرد در خاک های شنی هدف این مطالعه با ارائه بینش های ارزشمند در مورد شیوه های کشاورزی پایدار، بهینه سازی منابع آب و همچنین کاهش اثرات نامطلوب کمبود آب بر تولید محصول در محیط های خشک است.
۲٫ روش شناسی
آزمایش‌های مزرعه‌ای بر روی بوته‌های خیار برای دو فصل متوالی، یعنی ۲۰۲۲ و ۲۰۲۳ انجام شد. این مطالعه در منطقه النوبریه، استان البحیره، واقع در شمال قاهره، مصر انجام شد. سایت آزمایشی به طور خاص بر روی خاک شنی، با مختصات تقریباً در ۳۰°۲۶'۲۸″ شمالی و ۳۰°۱۸'۰″ شرقی قرار داشت. ارتفاع سایت در حدود ۲۱ متر ثبت شد. منطقه انتخاب شده به دلیل آب و هوای خشک شناخته شده است که با زمستان های سرد و تابستان های گرم و خشک مشخص می شود. جزئیات بیشتر در مورد آب و هوای مکان را می توان در اینجا یافت
شکل ۱ و
میز ۱.
پارامترهای هواشناسی پایش شده شامل تابش خورشیدی (SRAD)، حداکثر دمای هوا (TMAX)، حداقل دمای هوا (TMIN)، میانگین بارش (RAIN)، سرعت باد (WIND)، دمای نقطه شبنم/یخبندان (TDEW)، دمای متوسط هوا (TMean) ، و رطوبت نسبی متوسط (RH).
مشخصات خاک منطقه مورد مطالعه در جدول فوق نشان داده شده است. بافت خاک در هر سه عمق شنی بود و درصد ماسه درشت از ۴۰٫۷۲٪ تا ۵۷٫۲۲٪ متغیر بود. محتوای ماسه ریز نیز بالا بود، از ۳۹٫۵۲٪ تا ۵۵٫۴۴٪. محتوای سیلت و خاک رس نسبتاً کم بود و از ۲٫۵۱٪ تا ۳٫۸۴٪ متغیر بود. تراکم خاک از ۱٫۶۶ تا ۱٫۶۹ متر متغیر بود-۳. محتوای آلی خاک با عمق، از ۰٫۶۵٪ در ۰-۱۵ سانتی متر به ۰٫۲۵٪ در ۳۰-۴۵ سانتی متر کاهش یافت.
پارامترهای شیمیایی خاک نیز در جدول بالا نشان داده شده است. هدایت الکتریکی (EC) خاک بین ۰٫۵۵ تا ۰٫۵۸ دسی زیمنس متر بود.-۱. pH خاک قلیایی بود و از ۸٫۵ تا ۸٫۷ متغیر بود. کل کربنات کلسیم (CaCO3محتوای خاک با عمق کاهش یافت، از ۷٫۰۶٪ در ۰-۱۵ سانتی متر به ۲٫۴۳٪ در ۳۰-۴۵ سانتی متر. pH آب آبیاری ۷٫۶ و با هدایت الکتریکی (EC) 0.55 دسی متر مربع بود.-۱.
تولید بیوچار: بیوچار از ضایعات نیشکر از طریق آزمایش های پیرولیز با استفاده از درام های ضایعات فلزی به عنوان راکتورهای ساده تولید شد. مواد اولیه ضایعات نیشکر به راکتور وارد شده و به مدت ۶ ساعت در دمای پایین (بین ۳۰۰ درجه سانتیگراد تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد) در معرض پیرولیز قرار گرفت، سپس اجازه داده شد تا در دمای اتاق در داخل کوره خنک شود. بیوچار و خاکستر حاصل به دقت وزن شدند. شرح مفصلی از مراحل مربوط به تولید بیوچار از ضایعات نیشکر را می توان در رابطه (۱) و
شکل ۲.
خصوصیات بیوچار: ایزوترم های جذب و دفع نیتروژن با استفاده از ابزار Tristar II Kr 3020 Micromeritics، (مونشن گلادباخ، آلمان) با اندازه گیری های انجام شده در نقطه جوش نیتروژن ارزیابی شد. در مرحله اول، نمونه ها تحت خلاء در دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد به مدت ۱۲ ساعت گاز زدایی شدند. سطح ویژه با استفاده از تکنیک چند نقطه ای توسعه یافته توسط Brunauer، Emmett و Teller (BET) تعیین شد. علاوه بر این، حجم منافذ از طریق روش Barret، Joyner و Halenda (BJH) بدست آمد. [
۳۰].
طراحی تجربی: طرح آزمایشی شامل سه سطح کمبود آب آبیاری برای خیار بود [F1(100%), F2 (80%), and F3 (60%)] به عنوان طرح اصلی در قطعه فرعی، ۵ سطح بیوچار ضایعات نیشکر (۰ تن در هکتار به عنوان شاهد به همراه ۵، ۷، ۹ و ۱۱ تن در هکتار) اجرا شد.
مقدار آبیاری روزانه خیار با استفاده از رابطه (۲) اندازه گیری شد و نیاز آبی آبیاری فصلی ۶۱۰۰ متر تعیین شد.
۳/ha/season برای ۱۰۰% (FI) در سال ۲۰۲۲ و ۶۰۶۰ متر
۳/ha/فصل در سال ۲۰۲۳ تحت سیستم آبیاری قطره ای.
جایی که IR به نیازهای آبیاری و ET اشاره داردo تبخیر و تعرق مرجع را بر حسب میلی متر در روز نشان می دهد. ETo را می توان بیان کرد [۳۰] با محاسبه آن با استفاده از رابطه (۳) زیر:
جایی که ETo تبخیر و تعرق گیاه مرجع (میلی متر در روز-۱)، ∆، شیب فشار بخار اشباع در برابر منحنی دمای هوا (kPa °C) است.-۱)، آرn تابش خالص در سطح محصول (MJm-2 روز-۱G چگالی شار حرارتی خاک در سطح خاک است (MJm-2 روز-۱γ ثابت سایکرومتریک (kPa °C) است-۱)، تیآ میانگین دمای روزانه هوا در ارتفاع ۱٫۵-۲٫۵ متر (درجه سانتیگراد)، u2 میانگین سرعت باد روزانه در ارتفاع ۲ متری (ms-1) هس فشار بخار اشباع (kPa)، و eآ فشار بخار واقعی (kPa) است. تمام پارامترهای هواشناسی توسط ایستگاه هواشناسی داخل مزرعه النبریه جمع آوری شد، همانطور که در نشان داده شده است. شکل ۳.
Kc فاکتور محصول بر اساس دستورالعمل FAO-56 است و Ks ضریب تنش آبی است که برای شرایط محدود کننده آب خاک Ks < 1 است. طول مراحل رشد با توجه به داده های واقعی جمع آوری شده از آزمایش اصلاح شد. بارندگی (R) در نظر گرفته شد، راندمان آبیاری (Ei) به صورت درصد (%) بیان شد و مقدار آب مورد نیاز برای نمک‌های شستشو (LR) نیز در نظر گرفته شد.
مجموع حجم آب برای هر تیمار و میزان کاربرد بیوچار را می توان در آن یافت
جدول ۲.
پارامترهای ارزیابی
برای تعیین حداکثر آب در دسترس در ریزوسفر، اختلاف بین رطوبت خاک در ظرفیت مزرعه (FC) و رطوبت خاک در نقطه پژمردگی (PWP) محاسبه شد. رطوبت خاک در ریزوسفر در اعماق و مراحل مختلف رشد گیاه، از جمله مراحل اولیه، رشد، اواسط فصل و اواخر فصل گرفته شد.
شکل ۴). برای اندازه گیری رطوبت خاک از دستگاه پروفیل پروب (PR2) استفاده شد. به طور خاص، میزان رطوبت خاک اندازه گیری شده معادل FC 15٪ بود، در حالی که PWP 4٪ تعیین شد. [
۱,
۳۱].
به منظور ارزیابی تنش آبی که بوته های خیار در ناحیه ریشه خود تجربه می کنند، اندازه گیری رطوبت خاک قبل از هر بار آبیاری در تمام طول فصل رشد انجام شد. میانگین سطح رطوبت برای هر تیمار قبل از آبیاری ثبت شد. تنش آبی در ریزوسفر با محاسبه تفاوت بین رطوبت خاک قبل از آبیاری و نقطه پژمردگی اندازه‌گیری شد.
راندمان کاربرد آب آبیاری (AEIW) اثربخشی ذخیره آب آبیاری در ریزوسفر را برای برآوردن نیاز آبی محصول تعیین می کند. معادله (۴) برای محاسبه AEIW به صورت زیر معرفی شد:
در زمینه داده شده، اطلاعات زیر را می توان با کاهش سرقت ادبی ارائه کرد:
Da نشان دهنده عمق آب مصرفی (بر حسب سانتی متر) است، عمق آب ذخیره شده در ریزوسفر (Ds) با استفاده از معادله Ds = (θ۱ – θ۲) * d * ρ، d نشان دهنده عمق لایه خاک (بر حسب سانتی متر) تعیین شد. θ۱ نشان دهنده میزان رطوبت خاک پس از آبیاری (در درصد)، θ۲ نشان دهنده میزان رطوبت خاک قبل از آبیاری (در درصد) و ρ نشان دهنده چگالی ظاهری نسبی خاک (بدون ابعاد) است.
برای تعیین رطوبت خاک در ریزوسفر، اندازه گیری ها با استفاده از دستگاه پروفیل انجام شد. دستگاه کاوشگر پروفیل یک ابزار علمی است که برای اندازه گیری میزان رطوبت خاک در اعماق مختلف در پروفیل خاک استفاده می شود. این شامل یک میله باریک و مهر و موم شده با حسگرهای الکترونیکی است که در فواصل مشخص در طول آن تعبیه شده است. این حسگرها سیگنال های الکتریکی را که تحت تأثیر محتوای آب خاک اطراف است، منتقل می کنند.
اندازه‌گیری‌ها در مکان‌های مختلف در امتداد جهت افقی (جهت X) در عمق‌های ۰-۱۰ سانتی‌متر، ۱۰-۲۰ سانتی‌متر و ۲۰-۳۰ سانتی‌متر انجام شد. علاوه بر این، اندازه‌گیری‌ها در امتداد جهت عمودی (جهت Y) در عمق‌های ۰ تا ۱۰ سانتی‌متر، ۱۰ تا ۲۰ سانتی‌متر و ۲۰ تا ۳۰ سانتی‌متر انجام شد، همانطور که در نشان داده شده است.
شکل ۵. این اندازه‌گیری‌ها هم قبل و هم ۲ ساعت پس از آبیاری برای ارزیابی سطوح رطوبت خاک در حداکثر آب در دسترس انجام شد.
عملکرد خیار: در زمان برداشت، میوه‌هایی به طول حدود ۱۰ سانتی‌متر در فواصل زمانی معین جمع‌آوری و وزن شدند و عملکرد بر حسب کیلوگرم بر متر محاسبه شد.۲ و تن در هکتار.
بهره وری آب خیار (WP
خیار) با استفاده از معادله جیمز محاسبه شد [
۳۲] (۵): جایی که WP
خیار نشان دهنده بهره وری آب خیار (کیلوگرم خیار در متر
۳ آب، Y نشان دهنده عملکرد اقتصادی (کیلوگرم در هکتار) و IR مقدار آب آبیاری اعمال شده (m) را نشان می دهد.
۳ آب در هکتار).
ویژگی های کیفی خیار: در سومین چیدن، نمونه های میوه نماینده به طور تصادفی از هر تیمار برای تعیین ویتامین C، محتوای قند محلول و مواد جامد محلول کل (TSS) با استفاده از یک رفرکتومتر دستی-A انتخاب شدند. KRÜSS Optronic GmbH (هامبورگ، ژرمنای) – طبق روش سینگ [
۳۳].
تحلیل آماری بر روی داده های هر دو فصل مطالعه با استفاده از تحلیل واریانس (ANOVA) انجام شد. [
۳۴]. میانگین ها با استفاده از آزمون چند دامنه ای دانکن مقایسه شدند [
۳۵].
