Einfluss unterschiedlicher Aussaattermine und Bewässerungsniveaus auf die NPK-Absorption, den Ertrag und die Wassernutzungseffizienz von Mais

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12956 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In Oberägypten herrschen im Sommer hohe Temperaturen und im Winter niedrige Temperaturen, was sich erheblich auf die Aussaattermine für Mais in dieser Region auswirkt. Die Produktivität von Maispflanzen und die Wassernutzungseffizienz können durch Wasserstress und Aussaattermine (SDs) stark beeinflusst werden. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, das optimale Bewässerungsniveau und die SDs basierend auf den örtlichen Bedingungen zu bestimmen. Um die Auswirkungen zu bewerten, wurden zwei Bewässerungsniveaus eingesetzt: (1) Kontrolle (vollständiges Bewässerungswasser angewendet) und (2) 70 % des Bewässerungswassers. Feldexperimente wurden in der Wasserstudien- und Forschungskomplexstation des National Water Research Center in Toshka durchgeführt. Ziel war es, zwei Bewässerungsniveaus (vollständige und begrenzte Bewässerung) in fünf SDs (Anfang: Mitte Februar und März, normal: Mitte Juni und spät: Mitte August und September) sowohl im Jahr 2019 als auch im Jahr 2020 zu bewerten Identifizieren Sie den idealen Aussaattermin (SD) und die Bewässerungsmenge. Die normale SD führte zu einer längeren Wachstumsperiode zwischen Pflanzenaufgang und -reife. Umgekehrt verringerte die späte SD die Anzahl der Tage bis zur Pflanzenreife, was zu höheren Getreideerträgen und einer höheren Wassernutzungseffizienz (WUE) führte. Bemerkenswert ist, dass die SD im September in Verbindung mit dem Bewässerungsgrad von 70 % die höchste Produktivität und WUE mit einer Produktivität von 7014 kg ha−1 und einer WUE von 0,9 kg m−3 erbrachte. Basierend auf den Ergebnissen wird empfohlen, dass Regionen mit ähnlichen Bedingungen den Anbau von Maissamen im September in Betracht ziehen und dabei eine Bewässerungsrate von 70 % einführen, um eine optimale N-Aufnahme und Wachstumsmerkmale (Pflanzenhöhe, Ährenlänge, Ährengewicht, Anzahl der Reihen pro Ähre) zu erreichen und Kornindexgewicht), Ertrag und WUE.

Wasser spielt eine entscheidende Rolle in der landwirtschaftlichen Produktion und ist eine der wertvollsten Ressourcen, wobei die Landwirtschaft der größte Wasserverbraucher ist1. Die Herausforderung des Klimawandels wirkt sich auf verschiedene Bereiche der Gesellschaft aus, darunter Landwirtschaft, Wasserressourcen und Bewässerungswasserbedarf2,3. Die Landwirtschaft als Hauptquelle nachhaltiger Nahrungsmittel ist erheblich vom Klimawandel und extremen Wetterereignissen wie Temperaturschwankungen, unregelmäßigen Niederschlägen und Wasserknappheit betroffen4,5. Diese Veränderungen haben negative Auswirkungen auf die Produktivität, die Wasserressourcen und die Nährwertqualität landwirtschaftlicher Produkte, führen zu Schwankungen in der Lebensmittelproduktion und stellen eine Gefahr für die konstante und nachhaltige Produktion getreidebasierter Lebensmittel dar6. Daher wiesen Baum Mitch et al.7 darauf hin, dass der Klimawandel den optimalen Pflanztermin für Mais beeinflusst hat und ein Anstieg der Durchschnittstemperatur um 1 °C die Wachstumsperiode um zehn Tage verlängert, während sich der optimale Pflanztermin um − 2 bis + 6 Tage änderte , je nach Sorte. Daher sind Anpassungsstrategien für landwirtschaftliche Systeme von wesentlicher Bedeutung, um die Folgen des Klimawandels auf den Bewässerungswasserbedarf zu bewältigen8.

Wasserstress ist ein unvermeidlicher Faktor, der in verschiedenen Umgebungen auftritt, Grenzen ignoriert und keine klaren Warnungen liefert. Es beeinträchtigt den Ernteertrag, die Qualität und die Biomasseproduktion9. Wasserstress hat schädliche Auswirkungen auf Pflanzen, einschließlich verzögertem Wachstum, verminderter Photosynthese und Hemmung wesentlicher biochemischer Prozesse10. Als Reaktion auf Wasserstress wenden Pflanzen verschiedene Strategien an, um sich zu schützen, die von essentiellen bis hin zu Hilfsreaktionen reichen11. Diese Reaktionen ermöglichen es den Pflanzen, sich kurzfristig anzupassen, um mit vorübergehendem Wasserstress umzugehen. Allerdings kann starker oder anhaltender Wasserstress das Pflanzenwachstum und den Ertrag negativ beeinflussen12. Darüber hinaus werden die Auswirkungen von Wasserknappheit auf die Landwirtschaft durch begrenzte Wasserressourcen und eine steigende weltweite Nachfrage nach Nahrungsmitteln aufgrund des alarmierenden Bevölkerungswachstums verschärft13. Soares et al.2 betonten daher die Notwendigkeit einer nachhaltigen Produktion, um den Anforderungen einer wachsenden Weltbevölkerung gerecht zu werden. Frühere Forscher untersuchen die Auswirkungen verschiedener Bewässerungsniveaus auf den Maisertrag und die WUE14,15. Sie zeigten, dass die Maisproduktivität negativ mit dem Bewässerungsniveau korreliert. Wobei unzureichende oder übermäßige Bewässerungswassermengen den Maisertrag und die WUE begrenzen16,17. Elshamly15 beobachtete, dass der Wasserhaushalt die Aufnahme von P negativ beeinflusste, was zu einer Verringerung der Wurzeleffizienz, des Wachstums und anderer vegetativer und Ertragsmerkmale führte, während der N-, K- und Proteingehalt zunahm. Daher kam Kulczycki18 zu dem Schluss, dass „Mais als weitere C4-Pflanze zwar bei WUE hocheffizient ist, aber dennoch anfällig für die Auswirkungen der Wasserverfügbarkeit bleibt“.

Liaqat et al.19 entdeckten, dass die SD die Phänologie der Kulturpflanzen, insbesondere die Quasten- und Seidenbildung, erheblich beeinflusste. Der Zeitpunkt der Aussaat spielt eine entscheidende Rolle bei der Maximierung des Maisertrags und der Bestimmung der Getreidequalität20, was zu umfangreichen Untersuchungen zur Reaktion des Maisertrags auf verschiedene SDs21 geführt hat. Darüber hinaus kann sich auch die Wachstumsumgebung auf die Qualität und Zusammensetzung der Maiskörner auswirken22. Djaman et al.23 beobachteten einen bemerkenswerten Effekt von SD auf den Maisertrag und seine Bestandteile. Wo frühe SD die Produktivität und Qualität von Maiskörnern steigern, da die Pflanzen ihre physiologische Reife erreichen, bevor niedrige Herbst- oder Wintertemperaturen eintreten23. In der Kharif- und Sommersaison führte eine verzögerte Aussaat zu kürzeren Tagen bis zur Quastenbildung, Seidenbildung, Erntelänge, Verhältnis von Blattfrischgewicht zu Gesamtsilagegewicht und letztendlich zu einer Verringerung des Kornertrags24. In diesem Zusammenhang zeigten Parker et al.25, dass die frühe SD von Mais mit potenziell optimalen Boden- und Klimabedingungen korreliert, während die späte SD Maispflanzen einer kürzeren Vegetationsperiode, niedrigen Temperaturen und geringer Sonneneinstrahlung aussetzt. Darüber hinaus können suboptimale Umweltbedingungen die Samenproduktion durch asynchrone Prozesse einschränken (z. B. negative Auswirkungen auf die Wachstumsrate und Phänologie der Pflanzen, wodurch die Aufnahme von Makronährstoffen und die Syntheseprozesse behindert werden15,26).

In Ägypten liegt die empfohlene Aussaatzeit für Mais zwischen dem 20. und 30. Mai19,27. In ähnlicher Weise haben Studien von28,29,30 gezeigt, dass die Aussaat von Mais in der zweiten Augustwoche in trockenen Regionen wie dem Bezirk Toshka den Maisertrag und seine Bestandteile positiv steigert.

Angesichts der Wasserknappheit in Ägypten und der Bedeutung von Mais als Öl- und Futterpflanze zielt diese Studie darauf ab, den optimalen Wasserbedarf und SD für den Maisanbau in Trockengebieten zu ermitteln.

Im Süden Ägyptens wurde in den beiden aufeinanderfolgenden Saisons 2019 und 2020 ein Freilandexperiment auf der Versuchsfarm der Wasserstudien- und Forschungsstation Ägypten durchgeführt, um die Auswirkungen der Festlegung des optimalen Pflanzdatums und des Bewässerungsniveaus zu untersuchen extrem trockene Bedingungen. Die Bodenproben wurden aus einer Tiefe von 0–30 und 30–60 cm entnommen. Die Bodenproben wurden in einer Kiste aufbewahrt und ins Labor gebracht, wo sie bei Raumtemperatur luftgetrocknet wurden. Anschließend wurden diese Bodenproben zerkleinert und durch ein 2-mm-Sieb gesiebt, um Kies und grobe Pflanzenreste zu entfernen, und zur Bestimmung der physikalisch-chemischen Eigenschaften und des Wasserzustands vorbereitet. Mit dem Systronics 372 pH/EC/TDS/Salinitätsmessgerät wurden bei 25 °C der pH-Wert des Bodens und die elektrische Leitfähigkeit (EC) bestimmt und das von Janke et al.31 ausgearbeitete Protokoll befolgt. Die Größenverteilung der Bodenpartikel wurde mithilfe der Pipettenmethode bestimmt, während die Strukturklassen des Bodens mithilfe der von USDA Soil Survey Staff32 entwickelten Methoden bestimmt wurden. Die Beschaffenheit des Versuchsbodens ist sandiger Boden. Während die übrigen Bodenproben durch ein 0,5-mm-Sieb gegeben und zur Bestimmung der übrigen physikalischen und chemischen Eigenschaften verwendet wurden, die in Tabelle 1 aufgeführt sind, folgten standardisierte Methoden von Estefan et al.33. Die Quelle des Bewässerungswassers am Versuchsstandort ist Grundwasser aus einem Brunnen. Aufgrund der Analysequalität des Wassers wurde es als C2S134 klassifiziert.

Das untersuchte Gebiet liegt im hyperariden Gebiet mit einem milden Winter und einem heißen Sommer (die Durchschnittstemperatur des heißesten Monats beträgt 18–34 °C) und den geringsten Niederschlägen35. In den Tabellen 2 und 3 sind die Durchschnittswerte der meteorologischen Daten dargestellt, die während der Vegetationsperioden von der Wetterstation Toshka gesammelt wurden.

Um den Zweck der aktuellen Studie unter Tropfbewässerung zu erreichen, wurde ein Split-Plot-Design mit fünf Wiederholungen gewählt, wobei die SD früh (Mitte Februar – Datum 1), normal (März – Datum 2 und Mitte Juni – Datum 3) war. und Ende (Mitte August – Datum 4 und September – Datum 5) in den Jahren 2019 und 2020) wurden in der Hauptparzelle und zwei der Bewässerungswassermengen zugeteilt, d. h. 100 und 70 % des Wasserbedarfs. Vom Field Crops Institute, Agrarforschungszentrum, Ägypten, wurde ein Dreifachhybrid Giza 352 aus Maissamen erhalten. Diese Sorte wird als kommerzielle Sorte mit hohem Ertrag empfohlen. Darüber hinaus entsprachen diese Sorte und die in der aktuellen Forschung implementierten Methoden internationalen, nationalen und institutionellen Richtlinien und Gesetzen. Das Düngemanagement und die Feldpraktiken wurden gemäß den Empfehlungen des ägyptischen Landwirtschaftsministeriums für die neu gewonnenen Böden umgesetzt. Die Maissorte war eine resistente Hybride gegen Spätwelke und die Ernte erfolgte 110–120 Tage nach der Aussaat. Bei einer Ausbringung von 35 kg ha−1 wurden zwei Maissamen in Hügeln auf einer Seite der Tropferdüse mit einem Abstand zwischen den Maispflanzen von etwa 20 cm und einem Abstand zwischen den Reihen von 50 cm und einer Tiefe von 5 cm ausgesät cm und die Länge der Seitenlinien betrug 4 m. Nach zweiwöchigem Auflaufen wurden die Pflanzen ausgedünnt, um eine Pflanze pro Hügel und eine Populationsdichte von 10 Pflanzen m-2 (100.000 Pflanzen ha-1) zu erhalten. Die Parzellengröße betrug 5 × 3,5 m, dementsprechend umfasste die experimentelle Arbeit 50 Parzellen {2 Bewässerungsniveaus × 5 SDs × 5 Wiederholungen}. Zusätzlich wurden die Versuchseinheiten durch eine Pufferzone (2 m Breite) begrenzt, um Interaktionen zu verhindern. Die Maispflanzen wurden durch ein Tropfbewässerungssystem bewässert und jede Bewässerungsfläche verfügte über ein Manometerventil, um den Betriebsdruck auf 1 bar zu halten. Zur Messung der angestrebten Bewässerungswassermenge für jedes Bewässerungssystem wurde ein Durchflussmesser mit einem Durchfluss von 25 m3 h–1 eingesetzt.

Durch Eingabe der Wetterdaten, die von der agrometeorologischen Station Toshka erhalten wurden, in CROPWAT, einem Softwarepaket unter Verwendung von Fao Penman-Monteith36, um ETo täglich aus den gemessenen Klimadaten zu berechnen. Dann wurde ETc gemäß der folgenden Gleichung berechnet:

wobei ETc = die Evapotranspiration der Kulturpflanze (mm). ETo = die Referenz-Evapotranspiration (mm). kc = der Erntekoeffizient (der laut37 0,24, 1,04 und 0,58 für Kcini, Kcmid und Kcend betrug).

Die Berechnung des Bewässerungswasserbedarfs (100 % Ir) erfolgte nach der Gleichung von Abd El-Wahed und Ali38 wie folgt

wobei Ir = der Bewässerungswasserbedarf (mm). A = die Parzellenfläche (m2), usw. = die Evapotranspiration der Kulturpflanze (mm). Ii = die Intervalle zwischen der Bewässerung (Tage), Kr = der Bedeckungskoeffizient (Kr = (0,10 + Gc) ≤ 1) nach Abd El-Mageed et al.39, Gc ist die Bodenbedeckung. Lf = Auswaschungsfaktor 10 % (da die elektrische Leitfähigkeit des Bodens gering ist, wurde Lf vernachlässigt). Ea = Effizienz des Bewässerungssystems wurde für die Bodentiefe von 60 cm gemäß Hiekal40 als Mittelwerte des 3., 7., 17. und 25. Bewässerungsereignisses gemäß der Gleichung berechnet

wobei Ea = Wasseranwendungseffizienz (%). Ws = in der Wurzelzone gespeicherte Wassermenge (m3 ha−1), berechnet nach Aiad41. Wf = Wassermenge, die jeder Parzelle zugeführt wird (m3 ha−1).

Vor Beginn der Studie wurden die Bodenwasserparameter mit der gravimetrischen Methode gemessen, wie von Vaz et al.42 erwähnt, und dann wurden die Abnahmen der Bodenfeuchtigkeit bis zum Erreichen von 50 % des verfügbaren Wassers aufgezeichnet, was frühere Studien zeigten, dass dies der entscheidende Faktor war Ertragsbegrenzung. Basierend auf diesen Erkenntnissen erfolgte die Bewässerung dementsprechend alle 2 Tage. Darüber hinaus wurden die angewandten Wasserbewässerungsmengen der (70 % Ir)-Behandlung proportional aus der (100 % Ir)-Behandlung erhalten. Die berechneten ETc- und Ir-Mengen, die während der Vegetationsperioden 2019 und 2020 auf Maispflanzen in den verschiedenen Wachstumsstadien angewendet werden, sind in Tabelle 4 dargestellt

Die WUE wurde nach folgender Formel berechnet:

wobei WUE = Wassernutzungseffizienz (kg m−3), Y = Ertrag (kg ha−1) und ETc = saisonale tatsächliche Evapotranspiration (m3 ha−1).

Bei der Ernte wurden die folgenden Messungen an fünf zufällig aus jeder Parzelle ausgewählten Proben aufgezeichnet: Durchschnittliche Pflanzenhöhe (cm) – Durchschnittliche Ährenlänge (cm) – Durchschnittliche Anzahl der Ähren – 1 – Durchschnittliches Ährengewicht (g) – Durchschnittliche Anzahl der Reihenähre-1 – Durchschnittliches 1000-Korn-Indexgewicht (g), angepasst an einen Feuchtigkeitsgehalt von 15,5 % – der Kornertrag wurde für jede Parzelle bestimmt und dann in kg ha-1 umgerechnet.

Bei der Ernte wurden drei Maiskörner jeder Parzelle 48 Stunden lang bei 65 °C in einem Umluftofen getrocknet und dann zu Pulver gemahlen. Die Proben wurden mit einer Mischung aus H2SO4/H2O2 aufgeschlossen. Unter Verwendung von Mikrogeräten, Kjeldahls wie in 43 beschrieben. Im Gegensatz zur Messung von P mit einem UV-VIS-Spektrophotometer und der Bestimmung von K mit einem Flammenphotometer, wie in44,45 beschrieben.

Die Gesamtkohlenhydrate wurden wie von El-Katony et al.46 beschrieben bestimmt. Der Proteinanteil wurde durch Multiplikation des N-Gehalts in Körnern (%) mit einem Koeffizienten von 6,2547 geschätzt. Die Faser wurde gemäß dem Verfahren von48 bestimmt. Andererseits wurde der Ölgehalt in Maiskörnern nach der folgenden Formel gemessen, wie von Bai et al.49 beschrieben:

Zur Bestimmung statistisch signifikanter Unterschiede wurde eine Varianzanalyse (ANOVA) mit dem Paket Costat Version 6.303 erstellt. Die Mittelwerte wurden durch einen überarbeiteten LSD-Test (Least Significant Difference) auf dem 0,05-Niveau getrennt.

Die täglichen Wetterbedingungen im Erlebniszeitraum 2019–2020 sind in (Tabelle 2 und 3) dargestellt. Die Höchst-, Tiefst- und Mitteltemperaturen stiegen ab dem 1. Januar 2019, die Höchstwerte im Juni und die Tiefstwerte Ende Dezember 2019 Anfang Januar 2020. Ein ähnlicher Trend war im Jahr 2020 zu beobachten. Die durchschnittliche monatliche Lufttemperatur lag bei 16,58 ° C (Januar 2019–2020) bis 35,2 °C und 33,14 °C (Juli 2019–2020). Die niedrigste relative Luftfeuchtigkeit wurde im Mai 2019 mit 15,3 % gemessen, während der niedrigste Wert im Jahr 2020 im selben Monat gemessen wurde. Die relative Luftfeuchtigkeit in der Höhe wurde im September 2019 gemessen, wo sie 40,6 % betrug, während ihr Höhenwert bei 40,6 % lag verzeichnete im Jahr 2020 im selben Monat einen Wert von 43,4 %. Die höchsten und niedrigsten Windgeschwindigkeiten im Jahr 2019 wurden im September und November gemessen und betrugen 3,70 bzw. 2,70 ms−1. Während die niedrigsten und höchsten Windgeschwindigkeiten im Jahr 2020 im Februar und August gemessen wurden, lagen sie bei 2,75 bzw. 3,48 ms−1 , jeweils. Die Durchschnittstemperatur sank im Februar, dann stieg dieser Durchschnitt im März an und erreichte im Juni den höchsten Grad, dann begann er im August und September 2019 zu sinken. Das Gleiche geschah im Jahr 2020, aber die höchsten Durchschnittstemperaturen wurden im August gemessen. Die durchschnittliche Lufttemperatur von Februar 2019 bis Februar 2020 betrug 15,95 °C bzw. 17,27,6 °C. Während die durchschnittlichen Lufttemperaturen im September 2019 und 2020 bei 30,65 bzw. 31,65 °C lagen. Die Lufttemperatur war im Mai 2020 um 47,2 % höher als im Mai 2019. Das Datum5 war auch durch höhere Bodentemperaturen gekennzeichnet als der Rest des SD.

Tabelle 4 zeigt die Auswirkung von SD auf ETc, Ir und die Länge der Vegetationsperiode. Die Einführung verschiedener SDs in dieser Studie wirkte sich auf ETc, Ir und die Länge der Vegetationsperiode aus. In Bezug auf verschiedene SDs verlängerte die Aussaat von Maissamen im Datum 2 SD die Länge der Vegetationsperiode auf (115 Tage). Während die kürzere Länge der Vegetationsperiode im Datum 5 beobachtet wurde (101 Tage).

Die ETc- und Ir-Werte sanken in den frühen oder letzten SDs von Mais (Datum 1, Datum 4 und Datum 5) und stiegen dann allmählich an, bis sie bei den normalen SDs (Datum 2 und Datum 3) die höchsten Werte erreichten. Die maximalen ETc- und Ir-Werte wurden für Datum 3 beobachtet (1319,6 bzw. 1584,0 mm für ETc und Ir). Und die Mindestwerte wurden für Datum 1 beobachtet (639,6 und 752,4 mm für ETc bzw. Ir). Insgesamt ist klar, dass die Aussaat von Maissamen in den späten SDs den ETc, Ir und die Länge der Vegetationsperiode allmählich verringerte.

Wie in (Abb. 1A) zu sehen ist, waren die N-Gehalte im Maiskörner unter verschiedenen SD-Werten Datum2 > Datum3 > Datum5 > Datum4 > Datum1. Das Ergebnis zeigte, dass bei früherem SD (Datum 1) die N-Konzentration im Maiskörner abnahm. Andererseits änderte sich der N-Gehalt mit dem Dürrestressniveau unter verschiedenen SDs nicht wesentlich.

Der interaktive Einfluss von Aussaatterminen und Bewässerungsniveaus auf Stickstoff (A), Phosphor (B) und Kalium (C). Vertikale Balken stellen ± Standardfehler (SE) der Mittelwerte dar (n = 5). Balken mit unterschiedlichen Buchstaben sind bei p ≤ 0,05 statistisch signifikant. Abkürzungen: Datum 1 (Februar); Datum 2 (März); Datum 3 (April); Datum 4 (August) Datum 5 (September). IR100 % (Anwenden von 100 % des Bewässerungswasserbedarfs – entspricht dem vollen Bewässerungsniveau); IR 70 % (entspricht 70 % des Bewässerungswasserbedarfs – stellt eine begrenzte Bewässerungsmenge dar).

Andererseits wurden durch den Vergleich der SD unter verschiedenen Bewässerungsniveaus höhere N-Gehalte bei der Umsetzung von Datum2 unter Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus erhalten, obwohl dies deutlich der Umsetzung von Datum3 unter Ir100 und Ir70 oder der Einführung von Datum5 x der Einführung von Ir70-Bewässerungsniveaus entsprach. Ebenso wurden die niedrigsten N-Gehalte durch die Implementierung von date1 unter den Bewässerungsniveaus Ir100 und Ir70 erreicht.

In (Abb. 1B) wurden durch Vergleich der SD unter verschiedenen Bewässerungsniveaus höhere P-Gehalte bei der Implementierung von date3 und date4 unter Ir70-Bewässerungsniveaus erhalten. Ebenso wurden die niedrigsten P-Gehalte durch die Implementierung von date5 unter den Bewässerungsniveaus Ir100 und Ir70 erzielt, obwohl dies deutlich der Implementierung von date1 unter den Bewässerungsniveaus Ir100 und Ir70 oder der Einführung von date2 unter Ir100 entsprach.

Andererseits wurden durch den Vergleich der SD unter verschiedenen Bewässerungsniveaus höhere K-Gehalte mit Implementierungsdatum3 unter Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus erhalten. Ebenso wurden die niedrigsten K-Gehalte durch die Implementierung von date1 unter Ir70-Bewässerungsniveau erreicht (Abb. 1C).

In (Abb. 2A) wurde durch Vergleich der SD unter verschiedenen Bewässerungsniveaus ein höheres Pflanzenhoch mit der Implementierung von Datum 1 unter Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus bzw. Datum 2 und Datum 4 unter Ir100-Bewässerungsniveaus erhalten, obwohl dies deutlich der Implementierung von Datum 5 unter entspricht Ir70. Ebenso wurde der niedrigste Pflanzenhöchstwert durch die Implementierung von date3 unter Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus erreicht.

Der interaktive Einfluss von Aussaatterminen und Bewässerungsniveaus auf die Höhe der Maispflanze (A), die Ährenlänge (B) und die Anzahl der Körner pro Ähre (C). Vertikale Balken stellen ± Standardfehler (SE) der Mittelwerte dar (n = 5). Balken mit unterschiedlichen Buchstaben sind bei p ≤ 0,05 statistisch signifikant. Abkürzungen: Datum 1 (Februar); Datum 2 (März); Datum 3 (April); Datum 4 (August) Datum 5 (September). IR100 % (Anwenden von 100 % des Bewässerungswasserbedarfs – entspricht dem vollen Bewässerungsniveau); IR 70 % (entspricht 70 % des Bewässerungswasserbedarfs – stellt eine begrenzte Bewässerungsmenge dar).

Wie in (Abb. 2B) dargestellt, zeigten die Ergebnisse, dass beim Vergleich der SD unter verschiedenen Bewässerungsniveaus die Übernahme der Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus × (Datum 2 und Datum 5) deutlich der Übernahme des Ir100-Bewässerungsniveaus x (Datum 1 und Datum 4) entsprach. , um die höchste Ährenlänge im Mais zu erreichen. Während die Daten zeigten, dass die niedrigste Ährenlänge bei der Einführung von Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus × Datum3 aufgezeichnet wurde.

Durch den Vergleich der SD unter verschiedenen Bewässerungsniveaus wurde eine höhere Kornzahl mit Umsetzungsdatum1 unter dem Ir100-Bewässerungsniveau erhalten. Ebenso wurde die niedrigste Kornzahl durch die Implementierung von date3 unter dem Ir70-Bewässerungsniveau erreicht (Abb. 2C).

Wie in (Abb. 3A) zu sehen ist, ist es genauso effektiv, die Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus × Umsetzungsdatum2 zu übernehmen, um die beste Anzahl an Reihen pro Maiskolben zu erhalten, was deutlich dem Ir100-Bewässerungsniveau × Umsetzungsdatum1 entspricht und Datum4 oder Ir70-Bewässerungsniveau × Datum5.

Der interaktive Einfluss von Aussaatterminen und Bewässerungsniveaus auf die Anzahl der Reihen pro Ähre (A), den Kornindex (B) und das Ährengewicht (C). Vertikale Balken stellen ± Standardfehler (SE) der Mittelwerte dar (n = 5). Balken mit unterschiedlichen Buchstaben sind bei p ≤ 0,05 statistisch signifikant. Abkürzungen: Datum 1 (Februar); Datum 2 (März); Datum 3 (April); Datum 4 (August) Datum 5 (September) IR100 % (unter Anwendung von 100 % des Bewässerungswasserbedarfs – entspricht dem vollen Bewässerungsniveau); IR 70 % (entspricht 70 % des Bewässerungswasserbedarfs – stellt eine begrenzte Bewässerungsmenge dar).

Die erhaltenen Ergebnisse in (Abb. 3B) zeigten, dass der maximale Kornindex durch die Übernahme des Ir70-Bewässerungsniveaus × (Datum 4 und Datum 5) erreicht wurde. Ebenso wurde der niedrigste Kornindex durch die Implementierung von Datum1 unter Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus erreicht.

Andererseits zeigten die erhaltenen Ergebnisse, dass durch den Vergleich des untersuchten Ir, wie in (Abb. 3C) dargestellt, festgestellt wurde, dass die Ir100- und Ir70-Bewässerungswerte × Datum5 signifikant das höchste Ohrgewicht erreichten, während die minimale Zunahme des Ohrgewichts auftrat beobachtet durch die Einführung von Ir100 Bewässerungsniveau × Datum1.

Die Auswirkungen von SD und Wasserspiegel auf Protein, Gesamtkohlenhydrate, Ballaststoffe und Ölgehalt sind in (Abb. 4) dargestellt. Im Allgemeinen gab es einen signifikanten Unterschied im Proteingehalt in date1 und date5 unter Ir100- und Ir70-Behandlung, nicht jedoch in date2, date3 und date4 unter Ir100- und Ir70-Behandlung (Abb. 4A). Die Ergebnisse zeigten, dass die Einführung von SD date5 zu einer Verringerung des Proteingehalts unter Ir70-Behandlung führte. Die Einführung von SD date2 und date3 sowie die Anwendung der Ir100- und Ir70-Behandlung führten jedoch zum höchsten Anstieg des Proteingehalts, obwohl dieser Anstieg nur signifikant mit der Einführung von date5 + Ir70 übereinstimmte.

Der interaktive Einfluss von Aussaatterminen und Bewässerungsniveaus auf Protein (A), Gesamtkohlenhydrate (B), Ballaststoffe (C) und Ölgehalt (D) in Maissamen. Vertikale Balken stellen ± Standardfehler (SE) der Mittelwerte dar (n = 5). Balken mit unterschiedlichen Buchstaben sind bei p ≤ 0,05 statistisch signifikant. Abkürzungen: Datum 1 (Februar); Datum 2 (März); Datum 3 (April); Datum 4 (August) Datum 5 (September) IR100 % (unter Anwendung von 100 % des Bewässerungswasserbedarfs – entspricht dem vollen Bewässerungsniveau); IR 70 % (entspricht 70 % des Bewässerungswasserbedarfs – stellt eine begrenzte Bewässerungsmenge dar).

Wie in (Abb. 4B) gezeigt, stimmte die Verwendung von date2 + Ir100 und Ir70 oder date3 unter dem Ir70-Wert deutlich mit der Verwendung eines Ir70-Wassergehalts und der Implementierung von SD date5 überein, um die höchsten Gesamtkohlenhydrate in Maissamen zu erreichen. Ebenso wurden die niedrigsten Gesamtkohlenhydratgehalte unter Datum1 und der Anwendung von Ir100 und Ir70 verzeichnet, was deutlich der Annahme von Datum5 × Ir100-Wert entsprach.

Um den Fasergehalt in Maissamen zu reduzieren, war entweder das Pflanzen von Maissamen im späten SD (Datum 5) unter Ir100 und Ir70 oder das Pflanzen von Maissamen im Datum 4 unter dem Ir100-Wert wirksam (Abb. 4C). Die höchsten Fasergehalte wurden bei der Übernahme von date3 und den Ir100- und Ir70-Werten beobachtet, obwohl dieser Anstieg nur signifikant der Übernahme von date1 × Ir100 oder date2 unter Ir70 entsprach.

Andererseits zeigten die Ergebnisse, dass date1 unter Ir70-Behandlung zu deutlich niedrigeren Werten des Ölgehalts führte, wie in (Abb. 4D) zu sehen ist. Der maximale Anstieg des Ölgehalts wurde beobachtet, als date5 mit der Implementierung von Ir100 und Ir70 eingeführt wurde, obwohl dieser Anstieg deutlich mit der Einführung von date4 + Ir70 übereinstimmte.

Die erhaltenen Daten, die in (Abb. 5A) dargestellt sind, zeigten, dass durch den Vergleich der SD unter verschiedenen Bewässerungsniveaus ein höherer Getreideertrag erzielt wurde, wenn Datum5 unter Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus umgesetzt wurde. Ebenso wurde der niedrigste Getreideertrag erzielt, wenn date3 unter Ir70-Bewässerung eingesetzt wurde.

Der interaktive Einfluss von Aussaatterminen und Bewässerungsniveaus auf den Maiskörnerertrag (A) und die Wassernutzungseffizienz (B). Vertikale Balken stellen ± Standardfehler (SE) der Mittelwerte dar (n = 5). Balken mit unterschiedlichen Buchstaben sind bei p ≤ 0,05 statistisch signifikant. Abkürzungen: Datum 1 (Februar); Datum 2 (März); Datum 3 (April); Datum 4 (August) Datum 5 (September) IR 100 % (unter Anwendung von 100 % des Bruttobewässerungsbedarfs – entspricht dem vollen Bewässerungsniveau); IR 70 % (bei Anwendung von 70 % des Bruttobedarfs an Bewässerungswasser – stellt eine begrenzte Bewässerungsmenge dar).

Wie in (Abb. 5B) zu sehen ist, ist es zur Erzielung der besten WUE von Mais genauso effektiv, die Bewässerungsniveaus Ir100 und Ir70 x date5 anzuwenden. Dennoch verursachte die Einführung der Ir100- und Ir70-Bewässerungsniveaus × Datum3 die geringsten Rückgänge bei der Mais-WUE.

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Der SD ist ein entscheidender Faktor, der den Maisernteertrag begrenzt und eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Gesamtertrags spielt. Daher ist die Bestimmung der optimalen SD für die landwirtschaftliche Produktion von entscheidender Bedeutung, insbesondere angesichts der Auswirkungen steigender Temperaturen auf den Ernteertrag aufgrund kürzerer Vegetationsperioden50.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass die Aussaat von Maissamen an Datum 2 und Datum 3 unter Anwendung von Ir100 und Ir70 zu der höchsten Anreicherung des N-Gehalts führte. Darüber hinaus ergab die Aussaat von Maissamen am Tag 5 unter Ir70 einen signifikant ähnlichen N-Gehalt im Vergleich zur vorherigen Behandlung. Der niedrigste akkumulierte N-Wert wurde beobachtet, wenn Maissamen am Tag 1 sowohl unter Ir100 als auch unter Ir70 ausgesät wurden. Dies könnte auf den starken Stress zurückzuführen sein, dem die Maispflanzen insbesondere während der Füllphase ausgesetzt sind, einschließlich Wasserknappheit und hohen Temperaturen. Bei SDs (Datum2 und Datum3) erreichten die Pflanzen in den heißesten Monaten, wie Juni und August, das Füllstadium. Dadurch waren die Pflanzen hohen Temperaturen und Wasserstress ausgesetzt, was sie dazu veranlasste, die N-Absorption und -Anreicherung zu erhöhen, um die Produktion hochmolekularer Komponenten zu erleichtern. Dies kann als Schutzmechanismus gegen Stress angesehen werden und ermöglichte es den Pflanzen, ihren Lebenszyklus schnell abzuschließen. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Studien überein18,51. In ähnlicher Weise zeigten Dupont et al.52, dass der Getreideproteinanteil (N) bei moderaten Temperaturen niedriger war als bei Getreide, das bei höheren Temperaturen hergestellt wurde, was mit unseren Ergebnissen übereinstimmt. Diese Reaktion scheint jedoch eine entscheidende Einschränkung zu haben, da das Überschreiten einer bestimmten Schwelle negative Auswirkungen haben kann. In diesem Zusammenhang zeigten Klimenko et al.53, dass die Absorption und Translokation von N in Weizenkörnern bei höheren Temperaturen aufgrund eines Rückgangs der Nitratreduktase-Aktivität in Pflanzen abnahm. Unter solchen Bedingungen neigen Pflanzen dazu, die Aufnahme anderer Nährstoffe wie P, K, Schwefel und Natrium zu erhöhen, die dabei helfen, die Zellmembranen zu erhalten und zu schützen, das antioxidative Abwehrsystem zu stärken und das osmotische Potenzial zu verbessern, was letztlich die Photosyntheserate steigert54. Dennoch hat die Verringerung des Wurzelwachstums unter höheren Temperaturbedingungen im Allgemeinen einen negativen Einfluss auf die Aufnahme-, Assimilations- und Translokationsprozesse der meisten Nährstoffe55. Wenn also Maissamen am Tag 1 gepflanzt werden und etwa im April und Anfang Mai die Füllphase erreichen, ermöglichen die Bedingungen, dass Maispflanzen dem vegetativen Wachstum Vorrang vor dem Produktivitätswachstum einräumen. Diese Verzögerung bei der Beschleunigung der Aufnahme- und Translokationsprozesse von N tritt nach Abschluss des vegetativen Wachstums auf, da die Pflanzen ungünstigen Temperaturbedingungen ausgesetzt sind, was letztendlich zu der geringsten Anreicherung von N in Maiskörnern führt.

Zusätzlich zur Akkumulation des N-Gehalts scheint die Akkumulation von P in Maissamen eher mit der SD als mit den verwendeten Bewässerungssystemen zu korrelieren. Wir beobachteten, dass die höchsten P-Anreicherungen mit Ir70 und dem Anbau von Maissamen an Datum3 und Datum4 erzielt wurden. Umgekehrt wurden die niedrigsten Werte des angesammelten P am Datum 5 beobachtet, obwohl sie mit den Werten vergleichbar waren, die von Maissamen erhalten wurden, die am Datum 1 und 2 unter Ir100 gepflanzt wurden. In diesem Zusammenhang stellten wir die Hypothese auf, dass Maispflanzen unter den SDs von date3 und date4 während der meisten Wachstumsstadien höhere Luft- und Bodentemperaturbedingungen erlebten, was zu einem ungünstigen Bodenfeuchtigkeitsgehalt beitrug. Unter Wasserstressbedingungen unterliegen Maispflanzen verschiedenen Mechanismen, um mit der Verringerung der angewandten Bewässerung umzugehen. Einer dieser Mechanismen ist die Aktivierung eines effektiven Wurzelsystems, was das Eindringen des Wurzelsystems in das Bodenprofil, die Veränderung der Wurzelarchitektur sowie die Anhäufung der Wurzelexsudatproduktion beinhaltet, was mit früheren Studien übereinstimmt56,57, 58. Allerdings stieg bei reduzierter Wassergabe (Ir70) der pH-Wert des Bodens an, was sich negativ auf die Verfügbarkeit von P59 auswirkte. Die Pflanzen nutzen zunehmende Wurzelausscheidungen, um den pH-Wert des Bodens zu senken und es den Wurzelsystemen zu ermöglichen, die Absorption von P zu erhöhen. Eine erhöhte Anreicherung von P in Körnern verbessert die Synthese von Kohlenhydraten. Führt zu einer Verringerung des Wasserpotentials, wodurch die Wasseraufnahme durch die Wurzeln erhöht und der Wasserstatus der Pflanze verbessert wird. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass unter Wasserstressbedingungen (Ir70) die vegetativen Luftteile der Pflanzen weniger aktiv sind, was zu einer Verringerung verschiedener physiologischer Prozesse wie der Transpiration führt. Folglich wird das Wurzelsystem zum primären Treiber der Aktivitäten und priorisiert die Nährstoffaufnahme und -speicherung. Diese Mechanismen tragen zusammen mit anderen Schutzmechanismen der Maispflanzen zu ihrer Toleranz und Gesamtleistung unter Wasserstressbedingungen bei. Darüber hinaus scheint die Bodentemperatur an Datum 3 und Datum 4 am höchsten zu sein, was zu einer erhöhten P-Aufnahme aus der Rhizosphäre bei höheren Temperaturbedingungen im Vergleich zu Datum 1 und Datum 5 (niedrige Temperatur) führt. Dieser Befund deckt sich mit früheren Studien60.

Andererseits zeigten die Ergebnisse, dass die Akkumulation von K in Maissamen ihre höchsten Werte erreichte, wenn Datum3 mit Ir100 und Ir70 kombiniert wurde, während der niedrigste akkumulierte K-Wert beobachtet wurde, wenn Maissamen an Datum1 und Datum2 gesät wurden. Wir nehmen an, dass starke Temperatur- und Verdunstungsbedingungen das Pflanzenwachstum ab dem Datum beeinflussen3. Als Schutzstrategie erhöhen Pflanzen die Aufnahme und Anreicherung von K, um mit diesen Bedingungen zurechtzukommen. K verfügt über mehrere Eigenschaften, die den Wasserzustand der Pflanzen unter Wasser- und Temperaturstressbedingungen verbessern können. Dies zeigt sich in der erhöhten Anreicherung von K, die am Tag 3 unter Ir100 und Ir70 beobachtet wurde. Ähnliche Beobachtungen wurden in früheren Studien berichtet61,62,63, obwohl die Beziehung zwischen K-Aufnahme und Temperatur einen Schwellenwert hat. Beispielsweise64 erwähnte, dass der Schwellenwert bei 25 °C lag und mit weiteren Temperaturerhöhungen die K-Aufnahme abnahm. Darüber hinaus65 wurde berichtet, dass Pflanzen die Fähigkeit haben, die Nährstoffaufnahme und -akkumulation basierend auf den Temperaturbedingungen, denen ihre oberirdischen Teile oder Wurzeln ausgesetzt sind, zu verändern.

Basierend auf den Erkenntnissen der aktuellen Studie ist es entscheidend, den Verwendungszweck von Maissamen zu bestimmen. Wenn das Ziel darin besteht, Mangelernährung zu bekämpfen, führt der Anbau von Maissamen am Tag 3 unter Ir70 zu einer verbesserten Samenqualität mit den höchsten Werten an N, P, K, Protein und Gesamtkohlenhydraten. Wenn andererseits das Ziel darin besteht, einen maximalen Ertrag zu erzielen, zeigen die Ergebnisse, dass die Aussaat von Maissamen am Datum 5 unter Ir70 zum höchsten Maisertrag und WUE führt. Aus den Ergebnissen schließen wir, dass die Pflanzen zum Zeitpunkt5, an dem der Mais das begrenzte Bewässerungsniveau annimmt, einem gewissen Grad an Wasserstress ausgesetzt sind, der zu einer Reihe aufeinanderfolgender Auswirkungen beigetragen hat. Physiologisch gesehen führt dies zu einer Abnahme der Bodenfeuchtigkeit um die Wurzeln herum, was zu einer Erhöhung der Wurzeldurchdringung und der Absorptionsaktivität führt. Infolgedessen verbesserten sich Wasser, Makronährstoffe (N) und Photosynthese, was unter diesen Bedingungen zu verbesserten Wachstumsmerkmalen (Pflanzenhöhe, Ährenlänge, Ährengewicht, Anzahl der Reihen pro Ähre und Kornindexgewicht), Protein, Ölgehalt und Ertrag führte ( Cai und Ahmed66. Darüber hinaus erweist sich dieser Ansatz als vorteilhaft bei der Milderung der Auswirkungen von Wasserstress, der Einsparung erheblicher Mengen an Bewässerungswasser und der Erhöhung der WUE unter trockenen klimatischen Bedingungen. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Studien14,59,67 überein, die über ähnliche Ertragssteigerungen berichtet haben Eigenschaften.

Darüber hinaus gehen wir davon aus, dass die Belastung von Maispflanzen durch Wasserstress5 miteinander verbundene Faktoren beinhaltet, die die Auswirkungen dieser Bedingungen teilweise abmildern. Einer dieser Faktoren ist die relativ kurze Dauer des Wasserstresses, dem Maispflanzen ausgesetzt sind. Bei der Aussaat von Maissamen am Tag 5 unter Ir70 werden trotz der Reduzierung des verwendeten Bewässerungswassers keine schwerwiegenden negativen Auswirkungen beobachtet. In diesem Zusammenhang68 wurde darauf hingewiesen, dass Pflanzen in der Lage sind, ihre vegetative und reproduktive Phänologie als Reaktion auf die Wasserreduzierung anzupassen, abhängig vom günstigsten Zeitraum. Darüber hinaus motiviert das Pflanzen von Maissamen am Tag5 unter Ir70 die Pflanzen aufgrund der kürzeren Wachstumsperiode, typischerweise etwa 100–102 Tage (durchschnittlich 101 Tage), dazu, den Produktionsprozess zu verbessern, wie in Tabelle 4 gezeigt. Darüber hinaus ist das Vorhandensein kombinierter Stressfaktoren, B. Temperatur und Trockenheit, beschleunigt die Absorption und Anreicherung von N, was zu einer erhöhten Photosynthese, Proteinproduktion und einem höheren Pflanzenwachstum führt.

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen deutlich den erheblichen Einfluss aktueller klimatischer Veränderungen auf die Maisproduktion, die Nährstoffaufnahme und den Ertrag unter ariden Bedingungen. Die konkreten Auswirkungen variierten jedoch je nach Art der Wasserknappheit. Die Festlegung der optimalen Aussaattermine stimmt möglicherweise nicht immer mit der praktischen Umsetzung überein, da sie von Faktoren wie der verfügbaren nicht bewirtschafteten Fläche und den Renditevorteilen für die Landwirte abhängt.

Wenn das Ziel jedoch darin besteht, die Konzentrationen von Stickstoff, Phosphor, Kalium, Protein und Gesamtkohlenhydraten in Maissamen zu erhöhen, können frühere Aussaattermine von Vorteil sein, um von einer höheren Saatgutqualität zu profitieren und ein geeignetes Zeitfenster für den Anbau einer Winterkultur zu schaffen. Andererseits verdeutlichen die Ergebnisse, wie wichtig es ist, Mais einem gewissen Grad an Wasserstress auszusetzen. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um die Auswirkungen dieser Praxis in verschiedenen Regionen zu beobachten.

Angesichts der aktuellen klimatischen Veränderungen scheint die Aussaat von Maissamen im September bei weniger als 70 % des Bewässerungswasserbedarfs der günstigste Ansatz zu sein, um eine optimale N-Aufnahme und Wachstumsmerkmale (Pflanzenhöhe, Ährenlänge, Ährengewicht, Anzahl der Reihen pro Ähre usw.) zu erreichen (Getreideindexgewicht), Getreideerträge und Bewässerungswassernutzungseffizienz unter bewässerten, trockenen Bedingungen. Darüber hinaus erweisen sich diese Praktiken als hilfreich bei der Milderung der Auswirkungen von Wasserknappheit und der Einsparung erheblicher Mengen an Bewässerungswasser in Trockengebieten.

Die während der aktuellen Studie präsentierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken der Water Studies and Research Complex (WSRC) Station und dem National Water Research Center (NWRC) für ihre finanzielle Unterstützung bei der Durchführung dieser Arbeit. Darüber hinaus danken die Autoren den Forschern, die das Projekt mit der Nummer (RSP2023R173) unterstützen, der King Saud University, Riad, Saudi-Arabien.

Wasserstudien- und Forschungskomplex, Nationales Wasserforschungszentrum, Kairo, Ägypten

Ahmed SD Abaza & Ayman MS Elshamly

Abteilung für Botanik und Mikrobiologie, College of Science, King Saud University, 11451, Riad, Saudi-Arabien

Mona S. Alwahibi und Mohamed S. Elshikh

Abteilung für Umweltwissenschaften, Shaheed Benazir Bhutto University Sheringal Dir (U), Dir Upper, KPK, Pakistan

Allah Ditta

School of Biological Sciences, The University of Western Australia, Perth, WA, 6009, Australien

Allah Ditta

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. Materialvorbereitung, Software und Ressourcen durch [MSA und MSE], Visualisierung und Überwachung durch [AD], Datenerfassung wurde durch [AD] durchgeführt; AMSE hat zu den Abschnitten zur statistischen Analyse beigetragen. Der erste Entwurf des Manuskripts wurde von [Ahmed Dahab] verfasst und alle Autoren kommentierten frühere Versionen des Manuskripts. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Ahmed SD Abaza.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Abaza, ASD, Elshamly, AMS, Alwahibi, MS et al. Einfluss unterschiedlicher Aussaattermine und Bewässerungsniveaus auf die NPK-Absorption, den Ertrag und die Wassernutzungseffizienz von Mais. Sci Rep 13, 12956 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40032-9

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Eingegangen: 16. März 2023

Angenommen: 03. August 2023

Veröffentlicht: 10. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40032-9

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