ارزیابی ضرایب تخصیص کربن و تولید خالص اولیه گیاهان عمده زراعی در استان خراسان رضوی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد

2 عضو هیات علمی

3 دانشجوی دکتری دانشگاه فردوسی مشهد

چکیده

مقدمه
افزایش غلظت دی اکسید کربن در اتمسفر، موجب افزایش توجه به بهبود ذخایر کربن خاک در اگرواکوسیستم‌ها به منظور تخفیف اثرات تغییر اقلیم و بهبود کیفیت خاک شده است(14و 25). پیش‌بینی تغییرات در مخازن کربن خاک به برآورد تولید خالص اولیه (NPP) و نسبت NPP برگردانیده شده به خاک وابسته می‌باشد.
NPP، افزایش مجموع زیست‌توده گیاهی و تلفات آن (نظیر خشک شدن، ریزش برگ‌ها و مرگ گیاه، گیاهخواری و ...) و به عبارت دیگر، مجموع زیست‌توده اندام‌های هوایی و زیرمینی به ازای واحد سطح زمین در واحد زمان می‌باشد. میزان تولید خالص اولیه سالانه در اگرواکوسیستم‌ها و توزیع کربن در اندام‌های هوایی و زیرزمینی گیاه معمولاً از طریق عملکرد محاسبه می‌شود(3، 8 و 17).
اهداف این مطالعه برآورد ضرایب تولید خالص اولیه اندام‌های زیرزمینی و هوایی، تولید خالص اولیه کل، ضرایب نسبی تسهیم کربن، میزان کربن تسهیم یافته و کل کربن اضافه شده به خاک برای محصولات مهم استان خراسان رضوی بود.

مواد و روش‌ها
زیست‌توده اندام‌های هوایی و زیرزمینی محصولات عمده در استان خراسان رضوی شامل گندم، جو، ذرت، پنبه، چغندرقند، یونجه و نخود در مرحله رسیدگی در سال‌های 1394 و 1395 اندازه‌گیری شد. این گونه‌های گیاهی در تمام مزارع مورد مطالعه بر اساس توصیه کودی بر مبنای عرف کود دهی شدند. تعداد نمونه‌های برداشت شده از زیست‌توده اندام‌های هوایی و زیرزمینی از 10 مزرعه چهار نمونه بود (که به طور میانگین نشاندهنده کل بوته‌های مزرعه بود). ریشه‌ها (زیست‌توده اندام‌های زیرزمینی) با استفاده از سیلندرهایی به طور دستی از خاک جدا شدند(10، 23 و 29). اندام‌های هوایی و ریشه‌ها پس از برداشت، برای رسیدن به وزن ثابت خشک شدند و وزن خشک آنها تعیین شد. محتوی کربن گیاه در چهار بخش شامل اندام-های هوایی (CS)، دانه (CP)، ریشه (CR) و تراوه‌های ریشه‌ای (CE) به ازای واحد زیست‌توده گیاهی در واحد سطح و زمان (گرم کربن در متر مربع در سال) محاسبه شد(3و 9).

نتایج
نتایج نشان داد که ضرایب نسبی تسهیم کربن به اندام‌های مختلف، تولید خالص اولیه اندام‌های هوایی و زیرزمینی و تولید خالص اولیه کل به طور معنی‌داری تحت تأثیر نوع گونه گیاهی قرار گرفت. بیشترین میزان کربن تسهیم یافته به اندام‌های مختلف هوایی و زیرزمینی شامل بذر (CP)، اندام‌های هوایی (CS)، ریشه (CR) و ترشحات و بقایای ریشه‌ای در خاک (CE) به ترتیب برای جو (78/4452 گرم کربن بر متر مربع در سال زراعی)، یونجه (56/8602 گرم کربن بر متر مربع در سال زراعی)، یونجه (39/2929 گرم کربن بر متر مربع در سال زراعی) و یونجه (11/1904 گرم کربن بر متر مربع در سال زراعی) بدست آمد. بیشترین تولید خالص اندام‌های هوایی و زیرزمینی به ترتیب برای جو و یونجه با 28/12626 و 5/4833 گرم کربن بر متر مربع در سال زراعی بدست آمد.

نتیجه‌گیری
ضرایب تسهیم نسبی کربن به اندام‌های مختلف برای ارزیابی تغییرات کربن خاک در اگرواکوسیستم‌ها مهم می‌باشد. در حقیقت، کربن و تولید خالص اولیه مهمترین متغیرها برای پیش‌بینی سرعت خالص تغییرات کربن در خاک هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of carbon allocation coefficients and net primary production for major crops in Khorasan-e Razavi Province

نویسنده [English]

  • Parviz Rezvani Moghaddam 2
2 Faculty member
چکیده [English]

Extended abstract
Introduction
Increases in the concentration of CO2 in the atmosphere have prompted renewed interest in increasing the soil stocks of carbon in the agroecosystems to mitigate climate change and also improve quality of soil (14, 25).
Predicting the changes in carbon stocks of soil, therefore, depends on reliable estimates of net primary production (NPP) and the proportion of the NPP returned to the soil.
NPP defined as the increase in plant mass (biomass) plus losses (such as mortality, leaf abscission, herbivory, etc.), summed for both above- ground and below-ground tissues per unit area of land per unit of time. The annual NPP in agroecosystems and the distribution of carbon in for both above- ground and below-ground tissues of plant, is usually calculated from agricultural yield (3, 8, 17).
Our purposes were to estimate a set of coefficients for calculating below-ground NPP, above- ground NPP, total annual NPP, relative coefficients of carbon allocation, allocated carbon content and annual carbon inputs to soil for major agricultural crops in Khorasan-Razavi province.

Materials and methods
Shoot and root biomasses for major agricultural crops in Khorasan-e Razavi province such as wheat, barley, corn, cotton, sugar beet, alfalfa and chickpea at plant maturity during two years 2015 and 2016 were measured. The crops in all studied fields were usually fertilized according to local recommendations. The numbers of sub-samples taken for shoot and root biomass measurements from 10 fields (which were subsequently averaged) were four. Roots by using cylinders roots (below ground biomass) were manually separated from the soil (10, 23, 29). After harvesting, shoots and root samples were separately dried to constant weight and expressed on a dry matter basis. Carbon content in each crop into four fractions including seed (CP), shoots (CS), roots (CR) and extra-roots (CE) were calculated in units of biomass carbon per unit area per unit of time (g C m-2 yr-1) (3, 9).

Results and discussion
The results showed that relative coefficients of carbon allocation to different tissues, above-ground NPP, below-ground NPP and total annual NPP were significantly affected by different crop species. The highest contents of allocated carbon to above-ground and below ground tissues including seed (CP), shoot (CS), root (CR) and extra-root (CE) were observed for barley (4452.78 g C m-2 yr-1), alfalfa (8602.56 g C m-2 yr-1), alfalfa (2929.39 g C m-2 yr-1) and alfalfa (1904.11 g C m-2 yr-1), respectively. The maximum above-ground and below-ground NPP were calculated for barley and alfalfa with 12626.28 and 4833.5 g C m-2 yr-1, respectively.

Conclusion
Relative coefficients of carbon allocation among different tissues of each crop is a useful approach for evaluation of soil carbon changes in agricultural systems. Indeed, carbon input and NPP are the most important variables for predicting the net rate of soil carbon changes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Above- ground NPP
  • Below-ground NPP
  • Carbon allocation
  • Crop species
1. Antle, J.M. 1995. Climate Change and agriculture in developing countries. Am. J. Agric.
Econ., 77: 741–46.
2. Betts, R.A., Falloon, P., Goldewijk, K.K., and Ramankutty, N. 2007. Biogeophysical effects
of land use on climate: model simulations of radiative forcing and large-scale temperature
change. Agr. Forest. Meteorol., 142: 216–233.
3. Bolinder, M.A., Janzen, H.H., Gregorich, E.G., Angers, D.A., and VandenBygaart, A.J.
2007. An approach for estimating net primary productivity and annual carbon inputs to soil
for common agricultural crops in Canada. Agric. Ecosyst. Environ., 118: 29-42.
4. Conen, F., and Smith, K.A. 1998. A re-examination of closed flux chamber methods for the
measurement of trace gas emissions from soils to the atmosphere. Eur. J. Soil Sci., 49: 701–
707.
5. Duiker, S.W., and Lal, R. 2000. Carbon budget study using CO2 flux measurement from a no
till system in cereal Ohio. Soil Tillage Res., 54: 21-30.
6. Fabrizzi, K.P., Rice, C.W., Schlegel, A., Peterson, D., Sweeney, D.W., and Thompson, C.
2007. Soil carbon sequestration in kansas: long-term effect of tillage, n fertilization, and crop
rotation. Kansas State University. Pp: 1-44.
7. Froze, M.R., Heshmati, G.H.A., and Mesbah, S.H. 2009. Comparing carbon sequestration
potential of three shrub species Heliantemum lippii, Dendrostellera lessertii and Artemisia
sieberi (Case study: Gareh Bygone, Fasa). J. Environ. Stud., 46: 65-72. (In Persian with
English Summary).
8. Gan, Y.T., Campbell, C.A., Janzen, H.H., Lemke, R.L., Basnyata, P., and Mc Donald, C.L.
2009. Carbon input to soil from oilseed and pulse crops on the Canadian prairies. Agric.
Ecosyst. Environ., 132: 290-297.
9. Gill, R.A., Kelly, R.H., Parton, W.J., Day, K.A., Jackson, R.B., Morgan, J.A., Scurlock,
J.M.O., Tieszen, L.L., Castle, J.V., Ojima, D.S., and Zhang, X.S. 2002. Using simple
environmental variables to estimate belowground productivity in grasslands. Glob. Ecol.
Biogeogr., 11: 79-86.
10. Haugen-Kozyra, H., Juma, N.G., and Nyborg, M. 1993. Nitrogen partitioning and cycling in
barley–soil systems under conventional and zero tillage in central Alberta. Can. J. Soil Sci.,
73: 183–196.
11. Hu, S., and Zhang, W. 2004. Impact of Global Change on biological processes in
soil implications for agroecosystem management. J. Crop Improv. 12: 289-314
12. Jafarian, Z., and Tayefeh Seyyed Alikhani, L. 2012. Carbon sequestration potential in dry
farmed wheat in Kiasar Region. Sustain. Agric. Prod. Sci., 23: 1.31-41. (In Persian with
English Summary)
13. Khorramdel, S., Koocheki, A., Nassiri Mahallti, M., and Khorasani, R. 2011. Effect of
different crop management systems on net primary productivity and relative carbon
allocation coefficients for corn (Zea mays L.). J. Agroecol., 2: 4.667-680. (In persian with
English Summary)
14. Körner, C. 2003. Ecological impacts of atmospheric CO2 enrich-ment on terrestrial
ecosystems. Philos. Trans. A Math Phys. Eng. Sci., 361: 2023–2041.
15. Kutsch,W.L., Aubinet, M., Buchmann, N., Smith, P., Osborne, B., Eugster, W., Wattenbach,
M., Schrumpf, M., Schulze, E.D., Tomelleri, E., Ceschia, E., Bernhofer, C., Béziat, P.,
Carrara, A., DiTommasi, P., Grünwald, T., Jones, M., Magliulo, V., Marloie, O., Moureaux,
C., Olioso, A., Sanz, M.J., Saunders, M., Sogaard H., and Ziegler, W. 2010. The net biome
production of full crop rotations in Europe. Agric. Ecosyst. Environ., 139: 336-345.
16. Lal, R. 2004. Soil carbon sequestration to mitigate climate change. Geoderma. 123: 1-22.
17. Lambers, H., Chapin F.S., and Pones T.L. 2008. Plant Physiological Ecology. 2nd Edition
Springer., 604p.
18. Metting, F.B., Smith, J.L., and Amthor, J.S. 1999. Science Needs and New Technology for
Soil Carbon Sequestration. Rosenberg Publishing. Pp: 1-35..
19. Mc Conkey, B.G., Liang, B.C., Campbell, C.A., Curtin, D., Moulin, A., Brandt, S.A., and
Lafond, G.P. 2003. Crop rotation and tillage impact on carbon sequestration in Canadian
prairie soils. Soil Till. Res., 74: 81–90.
20. Miri, H.R, and Rastegar, A. 2012. Effect of CO2 enrichment on growth and competitiveness
of soybean and millet against lambs quarters and pigweed. EJCP 5(1): 1-18. (In Persian with
English Summary).
21. Nassiri Mahallati, M., Koocheki, A., Mansoori, H., and Moradi, R., Long term estimation of
carbon dynamic and sequestration for Iranian agro-ecosystem: I- Net primary productivity
and annual carbon input for common agricultural crops. J. Agroecol., 6(4): 741-752. (In
Persian with English Summary)
22. Osborne, B., Saunders, M., Walmsley, D., Jones, M., and Smith, P. 2010. Key questions and
uncertainties associated with the assessment of the cropland greenhouse gas balance. Agric.
Ecosyst. Environ., 139: 293-301.
23. Rosenzweig, C., and Parry, M.L. 1994. Potential impacts of climate change on world food
supply. Nature., 367: 133-138.
24. Rutherford, P.M., and Juma, N.G. 1989. Shoot, root, soil and microbial nitrogen dynamics in
two contrasting soils cropped to barley (Hordeum vulgare L.). Biol. Fert. Soil., 8: 134–143.
25. Salinger, J. 2007. Agriculture’s influence on climate during the holocene. Agric. Forest
Meteorol., 142: 96–102
26. Saunders, M.A. 1998. Global warming: the view in 1998. Beneld Greig Hazard Research
Centre Report, University College London.
27. Shimizu, M.M., Marutani, S., Desyatkin, A.R., Jin, T.J., Hata, H., and Hatano, R. 2009. The
effect of manure application on carbon dynamics and budgets in a managed grassland of
Southern Hokkaido, Japan. Agric. Ecosyst Environ., 130: 31–40.
28. Smith, P., Lanigan, G., Kutsch, W.L., Buchmann, N., Eugster, W., Aubinet, M., Ceschia, E.,
Beziat, P., Yeluripati, J.B.,Osborne, B., Moors, E.J., Brut, A., Wattenbach, M., Saunders, M.,
and Jones, M. 2010. Measurements necessary for assessing the net ecosystem carbon budget
of croplands. Agric. Ecosyst Environ., 139: 302-315.
29. Twine, T.E., and Kucharik, C.J. 2009. Climate impacts on net primary productivity trends in
natural and managed ecosystems of the central and eastern United States. Agric. Forest
Meteorol., 149: 2143–2161.
30. Xu, J.G., and Juma, N.G. 1993. Above- and below-ground transformation of
photosynthetically fixed carbon by two barley (Hordeum vulgare L) cultivars in a typic
cryoboroll. Soil Biol. Biochem., 25: 1263–127