DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-025-00431-9
تاريخ النشر: 2025-02-12
المؤلف: Yuhan Yuan وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار دمج بقايا المحاصيل، وخاصة قش الذرة وبيوكربونها، في التربة من نوع موليسول على تراكم الكربون العضوي في التربة (SOC) على مدى تجربة ميدانية استمرت تسع سنوات. كانت أهداف البحث توضيح الآليات الكامنة وراء تراكم SOC وأدوار الكربون الناتج عن الكتلة الميكروبية الميتة (MNC) وخصائص المجتمع الميكروبي. أظهرت النتائج أن كل من القش والبيوكربون زادا بشكل كبير من محتوى SOC مقارنة بالأسمدة المعدنية وحدها، حيث أظهر البيوكربون زيادة أكبر (40.5%) من القش (23.7%). بينما عززت كلا الإضافتين محتوى MNC والكتلة الحيوية الميكروبية، كان للقش تأثير أكثر وضوحًا. ومن الجدير بالذكر أن البيوكربون زاد من عطرية SOC بنسبة 26.6%، بينما قلل القش منها قليلاً.
تشير النتائج إلى آليات متميزة لتراكم SOC: يعزز القش SOC بشكل أساسي من خلال تأثير الدفن للكتلة الميكروبية الميتة، بينما يساهم البيوكربون من خلال الحماية الكيميائية الحيوية التي تشمل الكربون العطري المقاوم. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على الدور الرئيسي للكتلة الفطرية الميتة في تراكم SOC تحت كلا المعالجتين. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على إمكانيات إضافات البيوكربون لتحسين جودة التربة واحتجاز الكربون، بينما تدعو أيضًا إلى مزيد من الدراسات لاستكشاف الآثار طويلة الأمد على ديناميات SOC وخصائص المجتمع الميكروبي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لمعالجة تغير المناخ من خلال تقليل انبعاثات غازات الدفيئة (GHG)، التي أدت إلى ارتفاع كبير في درجات حرارة السطح العالمية. تلعب التربة، باعتبارها أكبر مخزون للكربون على اليابسة، دورًا حاسمًا في ديناميات غازات الدفيئة، مع وجود حوالي 2270 بيتراغرام من الكربون العضوي في التربة (SOC) في أعلى مترين. يعد تعزيز احتجاز SOC أمرًا ضروريًا للتخفيف من انبعاثات غازات الدفيئة والحفاظ على صحة التربة. تم تحديد دمج بقايا المحاصيل والبيوكربون في التربة كاستراتيجيات فعالة لتعزيز احتجاز SOC، حيث أظهر البيوكربون فعالية متفوقة بسبب خصائصه الفريدة.
تؤكد الورقة على إمكانية البيوكربون لاحتجاز حوالي 2.5 جيغاطن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا، مما يساهم في تقليل كبير في مستويات غازات الدفيئة في الغلاف الجوي. ومع ذلك، هناك فجوة في المعرفة بشأن الآليات التي تختلف بها البيوكربون وموادها الأولية في تعزيز تراكم SOC. تركز الدراسة على الكربون الناتج عن الكتلة الميكروبية الميتة (MNC)، وهو عنصر رئيسي في SOC المستقر، وعلاقته باستقرار SOC. تهدف الأبحاث إلى دراسة آثار دمج قش الذرة (MS) وبيوكربون قش الذرة (MSB) على مدى تسع سنوات على محتوى SOC، وديناميات MNC، وخصائص الميكروبات في التربة في شمال شرق الصين، مع فرضية أن آليات تراكم SOC ستختلف بين الإضافتين بسبب تأثيراتهما المتميزة على المجتمعات الميكروبية وتركيب SOC.
طرق البحث
أُجريت الدراسة في مدينة هالههاي، مقاطعة جيلين، شمال شرق الصين، التي تتميز بمناخ قاري شبه جاف بمتوسط هطول سنوي يبلغ 507.7 مم ومتوسط درجة حرارة 4.7 °م. تم تحديد نوع التربة على أنه موليسول، وتم إنتاج البيوكربون من خلال التحلل الحراري البطيء لقش الذرة (MS) عند 450 °م. تضمنت التصميم التجريبي أربع معالجات: الأسمدة المعدنية وحدها (NPK)، الأسمدة المعدنية المدمجة مع القش (NPKS)، الأسمدة المعدنية المدمجة مع البيوكربون (NPKB)، وكنترول (CK) بدون أي إضافات، وتم تكرار كل منها ثلاث مرات في تصميم كتلي عشوائي على قطع أرض بمساحة 104 م².
تم تطبيق الأسمدة المعدنية سنويًا بمعدلات محددة (225 كجم ن، 90 كجم P₂O₅، و90 كجم K₂O لكل هكتار)، بينما تمت إضافة MS والبيوكربون (MSB) بناءً على تطبيق كربوني مكافئ قدره 3200 كجم C لكل هكتار. تم زراعة الذرة (Fumin 985) بكثافة 60,000 نبات لكل هكتار وتم حصادها في أوائل أكتوبر. بعد الحصاد، تم جمع عينات التربة من الطبقة العليا 0-10 سم، مع أخذ خمسة أنوية من كل قطعة لإنشاء عينات مركبة. تمت معالجة هذه العينات لمجموعة متنوعة من التحليلات، بما في ذلك استخراج الحمض النووي الميكروبي، وتحليل الأحماض الدهنية الفوسفوليدية (PLFA)، وتحديد الكربون في الكتلة الحيوية الميكروبية (MBC)، وتقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة وعلامات السكر الأميني.
النتائج
تشير النتائج إلى أن تطبيق معالجات المغذيات المختلفة عزز بشكل كبير من إنتاجية حبوب الذرة مقارنة بالتحكم (CK). على وجه التحديد، زادت العوائد بنسبة 95.8% لـ NPK، و111.5% لـ NPKS، و100.4% لـ NPKB، مع كون جميع الفروقات ذات دلالة إحصائية (P < 0.05). ومع ذلك، كشفت تحليل خصائص التربة عن عدم وجود فروق ذات دلالة إحصائية في مقاييس محتوى النيتروجين الميكروبي الوظيفي (FMNC) ومحتوى النيتروجين الميكروبي في الكتلة الحيوية (BMNC) بين المعالجات NPK وNPKS وNPKB. المعادلات المستخدمة لحساب هذه المقاييس هي كما يلي: FMNC (ميكروغرام جرام⁻¹ تربة) = \(\left[\frac{GluN}{179.17} - 2 \times \left(\frac{MurA}{251.23}\right)\right] \times 179.17 \times 9\)، BMNC (ميكروغرام جرام⁻¹ تربة) = \(MurA \times 45\)، بالإضافة إلى الحسابات لعطرية وعلائقية. تشير هذه النتائج إلى أنه بينما تعزز معالجات المغذيات بشكل كبير من إنتاجية الذرة، إلا أنها لا تغير بشكل ملحوظ محتوى النيتروجين الميكروبي في التربة.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة آثار الأسمدة المعدنية، والقش، والبيوكربون على محتوى الكربون العضوي في التربة (SOC)، والكتلة الميكروبية الميتة (MNC)، وخصائص المجتمع الميكروبي. تشير النتائج إلى أن الأسمدة المعدنية NPK وحدها لم تغير بشكل كبير محتوى SOC ولكنها أثرت على مجموعات SOC الوظيفية المحددة، مما يشير إلى أن تطبيقها غير كافٍ لتعزيز SOC تحت الإدارة التقليدية دون إعادة الكتلة الحيوية إلى التربة. بالمقابل، زاد دمج القش بشكل ملحوظ من تراكم SOC وغير MNC، بشكل أساسي من خلال تعزيز النشاط الميكروبي وتحويل القش إلى كتلة حيوية فطرية، والتي تكون أكثر فعالية في المساهمة في استقرار SOC بسبب كفاءتها العالية في استخدام الكربون ومقاومتها للتحلل.
كما زاد دمج البيوكربون من محتوى SOC ولكنه قلل من تراكم MNC مقارنة بالقش، على الأرجح بسبب عطرية أعلى وتوافر مغذيات أقل، مما قمع الكتلة الحيوية والنشاط الميكروبي. تسلط الدراسة الضوء على أنه بينما يعزز كل من القش والبيوكربون SOC، فإن آلياتهما تختلف: يعزز القش تراكم الكتلة الميكروبية الميتة، بينما يعزز البيوكربون استقرار SOC من خلال الحماية الكيميائية الحيوية من المركبات المقاومة. بالإضافة إلى ذلك، تغير تركيب المجتمع الميكروبي مع المعالجات المختلفة، حيث كانت الأسمدة المعدنية تفضل الأنواع الميكروبية السريعة النمو، بينما دعم دمج القش مجتمعًا ميكروبيًا متنوعًا، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لفهم آثار هذه التغيرات على وظائف التربة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-025-00431-9
Publication Date: 2025-02-12
Author(s): Yuhan Yuan et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This study investigates the effects of incorporating crop residues, specifically maize straw and its biochar, into Mollisol on soil organic carbon (SOC) accumulation over a nine-year field experiment. The research aimed to elucidate the mechanisms underlying SOC accumulation and the roles of microbial necromass carbon (MNC) and community characteristics. Results indicated that both straw and biochar significantly increased SOC content compared to mineral fertilizers alone, with biochar showing a more substantial increase (40.5%) than straw (23.7%). While both amendments enhanced MNC content and microbial biomass, straw had a more pronounced effect. Notably, biochar increased SOC aromaticity by 26.6%, whereas straw slightly decreased it.
The findings suggest distinct mechanisms for SOC accumulation: straw primarily enhances SOC through the entombing effect of microbial necromass, while biochar contributes through biochemical protection involving recalcitrant aromatic carbon. Additionally, the study highlights the predominant role of fungal necromass in SOC accumulation under both treatments. Overall, the research underscores the potential of biochar amendments for improving soil quality and carbon sequestration, while also calling for further studies to explore the long-term impacts on SOC dynamics and microbial community characteristics.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need to address climate change through the reduction of greenhouse gas (GHG) emissions, which have led to a significant rise in global surface temperatures. Soil, as the largest terrestrial carbon stock, plays a critical role in GHG dynamics, with an estimated 2270 petagrams of soil organic carbon (SOC) present in the uppermost 2 meters. Enhancing SOC sequestration is essential for mitigating GHG emissions and maintaining soil health. The incorporation of crop residues and biochar into soils has been identified as effective strategies for promoting SOC sequestration, with biochar showing superior efficacy due to its unique properties.
The paper emphasizes the potential of biochar to sequester approximately 2.5 gigatons of carbon dioxide annually, contributing to a significant reduction in atmospheric GHG levels. However, there is a knowledge gap regarding the mechanisms by which biochar and its feedstock materials differ in promoting SOC accumulation. The study focuses on microbial necromass carbon (MNC), a key component of stable SOC, and its relationship with SOC stabilization. The research aims to investigate the effects of maize straw (MS) and maize straw biochar (MSB) incorporation over nine years on SOC content, MNC dynamics, and soil microbial characteristics in Northeast China, hypothesizing that the mechanisms of SOC accumulation will differ between the two amendments due to their distinct impacts on microbial communities and SOC composition.
Methods
The study was conducted in Halahai Town, Jilin Province, Northeast China, characterized by a semi-arid continental climate with an average annual rainfall of 507.7 mm and a mean temperature of 4.7 °C. The soil type was identified as Mollisol, and biochar was produced through slow pyrolysis of maize straw (MS) at 450 °C. The experimental design involved four treatments: mineral fertilizers alone (NPK), mineral fertilizers combined with straw (NPKS), mineral fertilizers combined with biochar (NPKB), and a control (CK) without any amendments, each replicated three times in a randomized block layout over plots of 104 m².
Mineral fertilizers were applied annually at specified rates (225 kg N, 90 kg P₂O₅, and 90 kg K₂O per hectare), while MS and biochar (MSB) were added based on an equivalent carbon application of 3200 kg C per hectare. The maize (Fumin 985) was sown at a density of 60,000 plants per hectare and harvested in early October. Post-harvest, soil samples were collected from the top 0-10 cm layer, with five cores taken from each plot to create composite samples. These samples were processed for various analyses, including microbial DNA extraction, phospholipid fatty acid (PLFA) analysis, microbial biomass carbon (MBC) determination, and assessments of soil physicochemical properties and amino sugar biomarkers.
Results
The results indicate that the application of different nutrient treatments significantly enhanced maize grain yield compared to the control (CK). Specifically, yields increased by 95.8% for NPK, 111.5% for NPKS, and 100.4% for NPKB, with all differences being statistically significant (P < 0.05). However, the analysis of soil characteristics revealed no significant differences in the metrics of functional microbial nitrogen content (FMNC) and biomass microbial nitrogen content (BMNC) among the treatments NPK, NPKS, and NPKB. The equations used to calculate these metrics are as follows: FMNC (µg g⁻¹ soil) = \(\left[\frac{GluN}{179.17} - 2 \times \left(\frac{MurA}{251.23}\right)\right] \times 179.17 \times 9\), BMNC (µg g⁻¹ soil) = \(MurA \times 45\), along with the calculations for aromaticity and aliphaticity. These findings suggest that while nutrient treatments significantly boost maize yield, they do not markedly alter the microbial nitrogen content in the soil.
Discussion
In this section, the study discusses the effects of mineral fertilizers, straw, and biochar on soil organic carbon (SOC) content, microbial necromass (MNC), and microbial community characteristics. The findings indicate that mineral NPK fertilizers alone did not significantly alter SOC content but did influence specific SOC functional groups, suggesting that their application is insufficient for enhancing SOC under conventional management without returning biomass to the soil. In contrast, straw incorporation markedly increased SOC accumulation and altered MNC, primarily through enhanced microbial activity and the transformation of straw into fungal biomass, which is more effective in contributing to SOC stabilization due to its higher carbon use efficiency and resistance to degradation.
Biochar incorporation also increased SOC content but reduced MNC accumulation compared to straw, likely due to its higher aromaticity and lower nutrient availability, which suppressed microbial biomass and activity. The study highlights that while both straw and biochar enhance SOC, their mechanisms differ: straw promotes microbial necromass accumulation, while biochar enhances SOC stabilization through biochemical protection from recalcitrant compounds. Additionally, the microbial community composition shifted with different treatments, with mineral fertilizers favoring copiotrophic taxa, while straw incorporation supported a diverse microbial community, emphasizing the need for further research to understand the implications of these shifts on soil functioning.