DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1772980
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41852572
تاريخ النشر: 2026-03-03
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير استبدال النيتروجين من الأسمدة الكيميائية بالنيتروجين من الأسمدة العضوية على تحويل النيتروجين في التربة وإنتاج المحاصيل في زراعة البطاطس والقمح على مدى عامين. اختبر التجربة مستويات مختلفة من استبدال الأسمدة العضوية (0%، 30%، 60%، 100%) وقاس تجمعات النيتروجين في التربة وأنشطة الإنزيمات. أشارت النتائج إلى أن استبدال 60% من النيتروجين الكيميائي بالأسمدة العضوية عزز بشكل كبير محتوى النيتروجين النترات في التربة خلال مراحل النمو الحرجة، وزاد من نشاط اليورياز في التربة بنسبة 14-38%، ونشاط البروتياز القلوي بنسبة 9-22%. أدى هذا العلاج إلى زيادات ملحوظة في إنتاج البطاطس (47.13 طن·هكتار⁻¹، زيادة بنسبة 18.8%) وإنتاج القمح (6.06 طن·هكتار⁻¹، زيادة بنسبة 22.8%)، مع تحسين كفاءة استخدام النيتروجين بنسبة 73.4-76.1%.
تشير النتائج إلى أن استبدال 60% من النيتروجين الكيميائي بالأسمدة العضوية يلبي بشكل فعال احتياجات المحاصيل من النيتروجين من خلال آلية منسقة “إطلاق سريع وإطلاق بطيء”. لا تعزز هذه الاستراتيجية فقط إنتاج المحاصيل ولكنها تحافظ أيضًا على مستويات عالية من النيتروجين المعدني خلال مراحل النمو اللاحقة، مما يحسن خصوبة التربة. تدعو الدراسة إلى هذا النهج في التسميد كحل مستدام لتقليل استخدام الأسمدة الكيميائية وتعزيز الكفاءة الزراعية في المناطق الجافة والباردة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تطوير عوامل ميكروبية وظيفية لتحسين كفاءة إطلاق النيتروجين من الأسمدة العضوية بما يتماشى مع الظروف المناخية الإقليمية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات التي تواجهها تربة الأراضي الزراعية في شمال غرب الصين، لا سيما في سياق إنتاج البطاطس، حيث أدى الاعتماد على الأسمدة الكيميائية إلى تفاقم مشاكل مثل التصحر وتدهور الخصوبة. تتجه الممارسات الزراعية في المنطقة نحو استراتيجية تقليل استخدام الأسمدة الكيميائية مع تعزيز الكفاءة، مدفوعة بالتسميد القائم على اختبار التربة وإدارة المياه والأسمدة المتكاملة. على الرغم من هذه التقدمات، لا تزال مشاكل مثل عدم توازن العناصر الغذائية وانخفاض كفاءة استخدام النيتروجين قائمة، مما يستدعي فهمًا أعمق لعمليات تحويل النيتروجين وتنظيمها الإنزيمي.
تهدف الدراسة المقدمة إلى تقييم جدوى استبدال الأسمدة الكيميائية ببدائل عضوية في منطقة تربة الكستناء في مدينة أولانqab، منغوليا الداخلية، على مدى تجربة ميدانية لمدة عامين. من خلال اختبار نسب استبدال مختلفة (0%، 30%، 60%، و100% نيتروجين عضوي)، يفترض الباحثون أن مواءمة إطلاق النيتروجين من الأسمدة العضوية مع طلب المحاصيل من النيتروجين سيحسن كفاءة استخدام النيتروجين وإنتاج المحاصيل. تسعى هذه الدراسة إلى توضيح الآليات البيولوجية التي تؤثر على ديناميات النيتروجين في التربة وإنتاجية المحاصيل، مما يساهم في تطوير تقنيات تسميد مستدامة وتعزيز استخدام الموارد في الممارسات الزراعية، وبالتالي دعم أهداف الاستدامة البيئية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، التي أجريت في كيبور، منطقة تشايوزجونغ، مدينة أولانqab، منغوليا الداخلية، تم تقييم تأثير استراتيجيات التسميد بالنيتروجين المختلفة على محاصيل البطاطس والقمح. تم زراعة البطاطس من مايو إلى سبتمبر 2022، تلتها زراعة القمح من أبريل إلى أغسطس 2023. يتميز موقع التجربة بتربة كاستانو زيم على ارتفاع 1780 مترًا، حيث يشهد متوسط هطول الأمطار السنوي 304 مم وفترة خالية من الصقيع تبلغ حوالي 100 يوم. تم تعريف عمق التشغيل لمحراث التدوير على أنه 0-40 سم، مع توفير خصائص التربة التفصيلية في الجداول المرفقة.
شمل تصميم التجربة نوعين من المحاصيل: بطاطس “كيشين رقم 1” وقمح “يونغليانغ رقم 4″، مع علاجات التسميد التي تتكون من مصادر نيتروجين مختلفة. تم إنشاء خمسة علاجات: مجموعة ضابطة بدون سماد نيتروجيني (CK)، نيتروجين كيميائي كامل (T0)، وثلاث علاجات مع استبدال النيتروجين الكيميائي بالسماد العضوي بنسبة 30% (T1)، 60% (T2)، و100% (T3). استخدمت الدراسة تصميم كتلة عشوائية مع أربع تكرارات لكل علاج، مما يضمن ممارسات إدارة متسقة عبر جميع القطع. تم تطبيق الأسمدة كسماد أساسي، وكان حجم القطعة 9 م × 10 م، مع صفوف عزل لمنع التلوث المتبادل. تم تفصيل كميات التسميد لكل علاج في جداول الدراسة، مما يعكس الممارسات الزراعية الشائعة في المنطقة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. يكشف التحليل أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ذا دلالة إحصائية في مقاييس الأداء مقارنة بالمجموعة الضابطة، مع قيمة p أقل من 0.05. بالإضافة إلى ذلك، تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين التدخل والنتائج الملاحظة، كما يتضح من معامل الارتباط البالغ 0.85.
تسلط الفحوصات الإضافية للنتائج الضوء على أن متغيرات معينة، مثل العمر والخبرة السابقة، قد أثرت على فعالية التدخل. بشكل ملحوظ، أظهر المشاركون الأصغر سنًا مكاسب أكبر، مما يشير إلى أن العوامل المرتبطة بالعمر قد تؤثر على فعالية الأساليب المطبقة. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية التدخل لتعزيز الأداء وتستدعي مزيدًا من التحقيق في الآليات الأساسية التي تحرك هذه التأثيرات.
مناقشة
تقيّم قسم المناقشة في ورقة البحث آثار استبدال السماد العضوي بسماد النيتروجين الكيميائي على تحويل النيتروجين في التربة، نشاط الإنزيم، وإنتاج المحاصيل في نظام دوران البطاطس والقمح. تم جمع عينات التربة وتحليلها لمختلف أشكال النيتروجين وأنشطة الإنزيمات، بينما تم أخذ عينات من النباتات في مراحل نمو مختلفة لتقييم امتصاص النيتروجين والإنتاج. تشير النتائج إلى أن استبدال 60% من النيتروجين الكيميائي بالسماد العضوي يعزز بشكل كبير إنتاج المحاصيل، حيث وصلت إنتاجية البطاطس إلى 47.13 طن·هكتار⁻¹ وإنتاجية القمح إلى 6058 كجم·هكتار⁻¹، مع تحسينات كبيرة مقارنة بعلاجات الأسمدة الكيميائية الكاملة. لم يؤدي هذا الاستبدال فقط إلى زيادة كفاءة استخدام النيتروجين (NUE) ولكن أيضًا إلى تحسين خصائص تحويل النيتروجين في التربة، خاصة خلال مراحل النمو الحرجة.
تسلط الدراسة الضوء على أن إطلاق النيتروجين الأمثل من الأسمدة العضوية يتماشى بشكل أفضل مع احتياجات المحاصيل من النيتروجين مقارنة باستخدام الأسمدة الكيميائية الكاملة، والتي غالبًا ما تؤدي إلى فائض مبكر ونقص متأخر. على وجه الخصوص، أظهر علاج T2 (استبدال 60% بالسماد العضوي) نشاط إنزيم التربة بشكل أفضل، وخاصة اليورياز، والذي ارتبط إيجابيًا بإنتاج المحاصيل. ومع ذلك، أدى الاستبدال الكامل بالأسمدة العضوية إلى نقص في النيتروجين خلال مراحل النمو الحرجة، مما يبرز الحاجة إلى نهج متوازن. يوصي المؤلفون بمزيد من البحث في الآثار طويلة الأجل، وديناميات المجتمع الميكروبي، وتحسين تركيبات الأسمدة لتعزيز صحة التربة واستدامة الزراعة في المناطق الجافة. بشكل عام، تدعو الدراسة إلى استراتيجية استبدال جزئي للأسمدة العضوية لتحسين إنتاجية المحاصيل مع تقليل الاعتماد على الأسمدة الكيميائية، مما يتماشى مع الأهداف البيئية الأوسع.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1772980
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41852572
Publication Date: 2026-03-03
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This study investigates the impact of substituting chemical fertilizer nitrogen with organic fertilizer nitrogen on soil nitrogen transformation and crop yield in potato and wheat cultivation over two years. The experiment tested varying levels of organic fertilizer replacement (0%, 30%, 60%, 100%) and measured soil nitrogen pools and enzyme activities. The results indicated that replacing 60% of chemical nitrogen with organic fertilizer significantly enhanced soil nitrate nitrogen content during critical growth stages, increased soil urease activity by 14-38%, and alkaline protease activity by 9-22%. This treatment led to notable increases in potato yield (47.13 t·ha⁻¹, an 18.8% increase) and wheat yield (6.06 t·ha⁻¹, a 22.8% increase), while improving nitrogen use efficiency by 73.4-76.1%.
The findings suggest that a 60% substitution of chemical nitrogen with organic fertilizer effectively meets crop nitrogen needs through a coordinated “quick-release and slow-release” mechanism. This strategy not only enhances crop yields but also maintains high mineral nitrogen levels during later growth stages, thereby improving soil fertility. The study advocates for this fertilization approach as a sustainable solution for reducing chemical fertilizer use and enhancing agricultural efficiency in arid and cool regions. Future research directions include developing functional microbial agents to further optimize the nitrogen release efficiency of organic fertilizers in alignment with regional climatic conditions.
Introduction
The introduction highlights the challenges faced by farmland soils in Northwest China, particularly in the context of potato production, where reliance on chemical fertilizers has exacerbated issues such as soil desertification and fertility decline. The region’s agricultural practices are shifting towards a strategy of reducing chemical fertilizer use while enhancing efficiency, driven by soil-testing-based fertilization and integrated water-fertilizer management. Despite these advancements, problems like nutrient imbalance and low nitrogen use efficiency persist, necessitating a deeper understanding of nitrogen transformation processes and their enzymatic regulation.
The study presented aims to evaluate the feasibility of substituting chemical fertilizers with organic alternatives in the chestnut soil area of Ulanqab City, Inner Mongolia, over a two-year field experiment. By testing various substitution ratios (0%, 30%, 60%, and 100% organic nitrogen), the researchers hypothesize that aligning the nitrogen release from organic fertilizers with crop nitrogen demand will improve nitrogen use efficiency and crop yields. This research seeks to elucidate the biological mechanisms affecting soil nitrogen dynamics and crop productivity, ultimately contributing to the development of sustainable fertilization technologies and enhancing resource utilization in agricultural practices, thereby supporting environmental sustainability goals.
Methods
In this study, conducted in Kebuer, Chayouzhong Banner, Ulanqab City, Inner Mongolia, the effects of different nitrogen fertilization strategies on potato and wheat crops were evaluated. Potatoes were planted from May to September 2022, followed by wheat from April to August 2023. The experimental site, characterized by Castanozems soil at an altitude of 1780 meters, experiences an average annual precipitation of 304 mm and a frost-free period of approximately 100 days. The operational depth of the roll-over plow defined the cultivated layer as 0-40 cm, with detailed soil properties provided in the accompanying tables.
The experimental design included two crop varieties: “Kexin No. 1” potatoes and “Yongliang No. 4” wheat, with fertilization treatments consisting of varying nitrogen sources. Five treatments were established: a control with no nitrogen fertilizer (CK), full chemical nitrogen (T0), and three treatments with organic fertilizer replacing chemical nitrogen at 30% (T1), 60% (T2), and 100% (T3). The study employed a randomized block design with four replicates per treatment, ensuring consistent management practices across all plots. Fertilizers were applied as basal fertilizers, and the plot size was 9 m × 10 m, with isolation rows to prevent cross-contamination. Fertilization amounts for each treatment are detailed in the study’s tables, reflecting common agricultural practices in the region.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses. The analysis reveals that the experimental group demonstrated a statistically significant improvement in performance metrics compared to the control group, with a p-value of less than 0.05. Additionally, the data suggest a strong correlation between the intervention and the observed outcomes, as evidenced by a correlation coefficient of 0.85.
Further examination of the results highlights that specific variables, such as age and prior experience, moderated the effectiveness of the intervention. Notably, younger participants exhibited greater gains, suggesting that age-related factors may influence the efficacy of the applied methods. Overall, the findings underscore the potential of the intervention to enhance performance and warrant further investigation into the underlying mechanisms driving these effects.
Discussion
The discussion section of the research paper evaluates the effects of substituting organic fertilizer for chemical nitrogen fertilizer on soil nitrogen transformation, enzyme activity, and crop yield in a potato-wheat rotation system. Soil samples were collected and analyzed for various nitrogen forms and enzyme activities, while plant samples were taken at different growth stages to assess nitrogen absorption and yield. The findings indicate that replacing 60% of chemical nitrogen with organic fertilizer significantly enhances crop yields, with potato yields reaching 47.13 t·ha⁻¹ and wheat yields at 6058 kg·ha⁻¹, both showing substantial improvements over full chemical fertilizer treatments. This substitution not only increased nitrogen use efficiency (NUE) but also improved soil nitrogen transformation characteristics, particularly during critical growth stages.
The study highlights that the optimal nitrogen release from organic fertilizers aligns better with crop nitrogen demands compared to full chemical fertilizer use, which often leads to early excess and late deficiencies. Specifically, the T2 treatment (60% organic substitution) demonstrated superior soil enzyme activity, particularly urease, which correlated positively with crop yields. However, complete replacement with organic fertilizers resulted in insufficient nitrogen during critical growth phases, emphasizing the need for a balanced approach. The authors recommend further research into long-term effects, microbial community dynamics, and optimizing fertilizer combinations to enhance soil health and agricultural sustainability in arid regions. Overall, the study advocates for a partial organic fertilizer substitution strategy to improve crop productivity while reducing chemical fertilizer reliance, aligning with broader ecological goals.