DOI: https://doi.org/10.20517/cf.2025.91
تاريخ النشر: 2026-01-29
المؤلف: Angela Maffia وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التسميد والسماد الدودي
نظرة عامة
تدرس الدراسة فعالية أربعة أسمدة مشتقة من النفايات—السماد (C)، والسماد الدودي (V)، والمواد الناتجة عن هضم الزيتون (D)، والبنتونيت الكبريتي مع بقايا الزيتون (SBO)—في تعزيز صحة التربة والتخفيف من تغير المناخ. من خلال تحليلات التربة المتكاملة وتقييم دورة الحياة (LCA)، تكشف النتائج أن السماد والسماد الدودي يحسنان بشكل كبير من تحلل المادة العضوية، وإجمالي الكربون العضوي، وسعة تبادل الكاتيونات، والنشاط الميكروبي. على وجه الخصوص، يؤدي السماد الدودي إلى أعلى معدلات التحلل وكتلة البكتيريا، بينما يُحسن السماد من نسب الفطريات إلى البكتيريا والأنشطة الإنزيمية. في المقابل، تزيد المواد الناتجة عن الهضم من الكربون العضوي في التربة وكتلة الفطريات لكنها أقل كفاءة في التحلل، وSBO، على الرغم من فعاليته في تحميض التربة وتحويل المجتمعات الميكروبية، يؤدي إلى أعلى انبعاثات غازات الدفيئة.
تؤكد الخاتمة على أن التعديلات العضوية من النفايات الزراعية الصناعية يمكن أن تعزز خصوبة التربة وتساهم في التخفيف من تغير المناخ. تم تحديد السماد والسماد الدودي كأكثر الاستراتيجيات فعالية، حيث يعززان من تجمعات الكربون المستقرة والمجتمعات الميكروبية المتوازنة. بينما يلعب الهضم دورًا في إعادة تدوير المغذيات على المدى القصير، فإن كفاءته المنخفضة في التحلل تحد من فوائده على المدى الطويل. يحد التأثير البيئي لـ SBO من استخدامه كتعديل مستدام. يدعم تقييم دورة الحياة (LCA) الملفات الشخصية الصديقة للمناخ للسماد والسماد الدودي مقارنةً بالأسمدة الأخرى. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لتمديد فترات المراقبة، وتعميق توصيف الفصائل الهوميك، واستكشاف ديناميات استقرار الكربون تحت ممارسات زراعية وظروف مناخية متغيرة.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية الحاجة الملحة لتقليل البصمة الكربونية (CFP) لأنظمة الأغذية الزراعية مع الحفاظ على صحة التربة وإنتاجيتها في مواجهة تحديات تغير المناخ والأمن الغذائي. تحدد منطقتين رئيسيتين للبحث: (i) تقييمات قوية للبصمة الكربونية عبر الممارسات الزراعية و(ii) تحليلات ديناميات الكربون في أنظمة إنتاج الغذاء. تبرز الورقة إمكانيات الأسمدة المشتقة من النفايات، مثل المواد الناتجة عن الهضم اللاهوائي، والسماد، والسماد الدودي، كبدائل مستدامة للأسمدة المعدنية التقليدية، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) وتعزز من احتجاز الكربون في التربة.
توضح توسعة الهضم اللاهوائي في أوروبا، مع أكثر من 1,000 مصنع للبيوميثان الصناعي تم إنشاؤه بحلول عام 2021، الفوائد المزدوجة لهذه التكنولوجيا: توليد الطاقة المتجددة وإنتاج مواد غنية بالمغذيات لتعديل التربة. تستشهد الورقة بدراسات تُظهر أن السماد يمكن أن يحل محل جزء كبير من الأسمدة الاصطناعية، مما يقلل من التخصيب الزائد وانبعاثات غازات الدفيئة. كما تؤكد على دور المجتمعات الميكروبية في ديناميات الكربون في التربة، مشيرة إلى أن التوازن بين الفطريات والبكتيريا أمر حاسم لاستقرار الكربون. تهدف الدراسة إلى تقييم تأثيرات مختلف الأسمدة المشتقة من النفايات على تراكم الكربون في التربة والنشاط الميكروبي، لا سيما في أنظمة البستنة في البحر الأبيض المتوسط، وبالتالي المساهمة في التخفيف من تغير المناخ وتعزيز صحة التربة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم إنتاج البنتونيت الكبريتي مع بقايا الزيتون (SBO) في شكل أقراص (3-4 مم) باستخدام نظام Steel Belt System srl في فاريزي، إيطاليا، وفقًا للمنهجية الموضحة من قبل موسكولو وآخرون. كانت التركيبة تتكون من 80% كبريت عنصر (S)، و10% طين بنتونيت (B) كداعم وناقل، و10% بقايا زيتون (OP)، وهو منتج ثانوي من صناعة زيت الزيتون، مع كون الكبريت العنصري هو المكون الرئيسي للأسمدة.
قبل التطبيق، خضعت الأسمدة لاختبارات صارمة للملوثات المحتملة، بما في ذلك الكائنات الدقيقة المسببة للأمراض مثل الكوليفورم الكلي، والكوليفورم البرازي، وسالمونيلا spp.، وإشريكية القولون، بالإضافة إلى المعادن الثقيلة، لتقييم سلامتها البيئية. أكدت التحليلات غياب كل من مسببات الأمراض والمعادن الثقيلة، مما يشير إلى أن SBO مناسب للتطبيق في التربة وآمن بيئيًا.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى وجود اختلافات كبيرة في التحلل والخصائص الكيميائية لمختلف الأسمدة، كما تم تقييمها من خلال نسبة حمض الهيوميك إلى حمض الفولفيك (HA/FA) ومؤشرات أخرى. أظهر السماد والسماد الدودي أعلى نسب HA/FA، حيث أظهر السماد قيمًا متفوقة في مؤشرات التحلل (HI وHD)، بينما كان للسماد الدودي أعلى معدل تحلل (HR) ومحتوى إجمالي من الكربون العضوي (TOC) والكربون القابل للاستخراج (TEC). كانت نسبة E4/E6 الطيفية، التي تشير إلى العطرية للمادة العضوية، هي الأدنى في السماد، مما يشير إلى درجة أعلى من بوليمرة المادة العضوية مقارنةً بالمواد الناتجة عن الهضم، التي كانت لديها أعلى نسبة واحتوت على كميات كبيرة من الفينولات القابلة للذوبان في الماء. أظهرت التربة المعالجة بالسماد زيادات ملحوظة في الموصلية الكهربائية (EC)، وإجمالي الكربون العضوي (TOC)، وإجمالي النيتروجين (TN)، والمادة العضوية في التربة (SOM)، بينما انخفض الرقم الهيدروجيني عبر جميع المعالجات، وخاصة مع البنتونيت الكبريتي مع بقايا الزيتون (SBO).
كشفت التحليلات الميكروبية أن البكتيريا كانت الكائنات الدقيقة السائدة عبر جميع المعالجات، حيث ساهم السماد في أعلى وفرة من الأكتينوميسيتات. زاد SBO بشكل ملحوظ من كتلة الفطريات، بينما رفع السماد الدودي بشكل غير متوقع النسبة المئوية للبكتيريا. أشار تحليل إمكانات الاحترار العالمي (GWP) إلى أن السماد الدودي كان لديه أقل بصمة كربونية (25 كجم CO₂ eq ton⁻¹)، يليه السماد (43 كجم CO₂ eq ton⁻¹) والمواد الناتجة عن الهضم (110 كجم CO₂ eq ton⁻¹)، مع كون SBO لديه أعلى انبعاثات (167 كجم CO₂ eq ton⁻¹). تؤكد النتائج على أهمية تقليل استهلاك الطاقة في إنتاج الأسمدة وتقليل الانبعاثات أثناء التطبيق في الحقول لتعزيز الاستدامة المناخية للممارسات الزراعية.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الفوائد الكبيرة للسماد والسماد الدودي في تحسين خصائص التربة وتعزيز التحلل، وهو أمر أساسي لاحتجاز الكربون. أظهرت كلا التعديلين قيمًا متفوقة من إجمالي الكربون العضوي (TOC) وإجمالي الكربون القابل للاستخراج (TEC)، إلى جانب مؤشرات تحلل عالية، مما يشير إلى تحويل فعال للمادة العضوية إلى فصائل هوميك مستقرة. هذه العملية حاسمة حيث تمثل المواد الهوميك (HSs) تجمعات دائمة من الكربون العضوي في التربة (SOC)، مع أوقات إقامة تمتد من عقود إلى قرون. تؤكد الدراسة على أن السماد والسماد الدودي لا يساهمان فقط بالكربون في التربة ولكن أيضًا يسهلان تحويله إلى أشكال أكثر استقرارًا، مما يعزز من إمكانيات احتجاز الكربون على المدى الطويل.
توضح ديناميات المجتمع الميكروبي تحت المعالجات المختلفة الآليات المتعلقة باستقرار الكربون. تلعب الفطريات، التي يتم تحفيزها بشكل خاص بواسطة المواد الناتجة عن الهضم والبنتونيت الكبريتي (SBO)، دورًا محوريًا في تحلل بقايا النباتات، بينما تعتبر البكتيريا، التي تتزايد في السماد الدودي، حاسمة لاستقرار الكربون على المدى الطويل من خلال “مضخة الكربون الميكروبية”. تشير النتائج إلى أن المعالجات التي تعزز المجتمعات الميكروبية المتنوعة، مثل السماد والسماد الدودي، تعزز كل من تشكيل المواد السابقة وتراكم الكربون المستقر. في المقابل، أظهرت المواد الناتجة عن الهضم، على الرغم من فائدتها في تراكم SOC، مؤشرات تحلل أقل وتنوع ميكروبي أقل، مما يشير إلى مساهمة أكثر عابرة في كربون التربة. كشف تقييم دورة الحياة (LCA) أن السماد والسماد الدودي لهما تأثيرات بيئية أقل مقارنةً بـ SBO، ويرجع ذلك أساسًا إلى تقليل المدخلات الطاقية أثناء الإنتاج. بشكل عام، تدعو الدراسة إلى دمج التعديلات العضوية عالية الجودة في الممارسات الزراعية لتحسين خصوبة التربة والتخفيف من انبعاثات غازات الدفيئة، بما يتماشى مع الأهداف المناخية العالمية.
DOI: https://doi.org/10.20517/cf.2025.91
Publication Date: 2026-01-29
Author(s): Angela Maffia et al.
Primary Topic: Composting and Vermicomposting Techniques
Overview
The study investigates the effectiveness of four waste-derived fertilizers—compost (C), vermicompost (V), olive-based digestate (D), and sulfur bentonite with olive pomace (SBO)—in enhancing soil health and mitigating climate change. Through integrated soil analyses and life cycle assessment (LCA), the findings reveal that compost and vermicompost significantly improve organic matter humification, total organic carbon, cation exchange capacity, and microbial activity. Specifically, vermicompost leads to the highest humification rates and bacterial biomass, while compost optimizes fungal-to-bacterial ratios and enzymatic activities. In contrast, digestate increases soil organic carbon and fungal biomass but is less efficient in humification, and SBO, although effective in acidifying soil and shifting microbial communities, results in the highest greenhouse gas emissions.
The conclusion emphasizes that organic amendments from agro-industrial wastes can enhance soil fertility and contribute to climate change mitigation. Compost and vermicompost are identified as the most effective strategies, promoting stable carbon pools and balanced microbial communities. While digestate serves a role in short-term nutrient recycling, its lower humification efficiency limits its long-term benefits. SBO’s environmental impact restricts its use as a sustainable amendment. The LCA supports the superior climate-friendly profiles of compost and vermicompost compared to the other fertilizers. Future research is recommended to extend monitoring periods, deepen humic fraction characterization, and explore the dynamics of carbon stabilization under varying agricultural practices and climatic conditions.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the urgent need to reduce the carbon footprint (CFP) of agri-food systems while maintaining soil health and productivity in the face of climate change and food security challenges. It identifies two key research areas: (i) robust assessments of CFP across agricultural practices and (ii) analyses of carbon dynamics in food production systems. The paper highlights the potential of waste-derived fertilizers, such as anaerobic digestates, composts, and vermicomposts, as sustainable alternatives to conventional mineral fertilizers, which can significantly lower greenhouse gas (GHG) emissions and enhance soil carbon sequestration.
The expansion of anaerobic digestion in Europe, with over 1,000 industrial biomethane plants established by 2021, exemplifies the dual benefits of this technology: generating renewable energy and producing nutrient-rich digestates for soil amendment. The paper cites studies demonstrating that compost can replace a substantial portion of synthetic fertilizers, thus reducing eutrophication and GHG emissions. It also emphasizes the role of microbial communities in soil carbon dynamics, noting that the balance between fungal and bacterial populations is crucial for carbon stabilization. The research aims to evaluate the effects of various waste-derived fertilizers on soil carbon accumulation and microbial activity, particularly in Mediterranean horticultural systems, thereby contributing to climate mitigation and soil health enhancement.
Methods
In this study, sulfur bentonite combined with olive pomace (SBO) was produced in tablet form (3-4 mm) using the Steel Belt System srl in Varese, Italy, as per the methodology outlined by Muscolo et al. The formulation consisted of 80% elemental sulfur (S), 10% bentonite clay (B) as a support and carrier, and 10% olive pomace (OP), a by-product of the olive oil industry, with elemental sulfur being the primary component of the fertilizer.
Before application, the fertilizer underwent rigorous testing for potential contaminants, including pathogenic microorganisms such as total coliforms, fecal coliforms, Salmonella spp., and Escherichia coli, as well as heavy metals, to assess its environmental safety. The analyses confirmed the absence of both pathogens and heavy metals, indicating that the SBO is suitable for soil application and environmentally safe.
Results
The results of the study indicate significant differences in the humification and chemical properties of various fertilizers, as assessed through the humic acid to fulvic acid (HA/FA) ratio and other indices. Compost and vermicompost exhibited the highest HA/FA ratios, with compost demonstrating superior values in humification indices (HI and HD), while vermicompost had the highest humification rate (HR) and total organic carbon (TOC) and total extractable carbon (TEC) content. The E4/E6 spectral ratio, which indicates the aromaticity of organic matter, was lowest in compost, suggesting a higher degree of organic matter polymerization compared to digestate, which had the highest ratio and contained significant water-soluble phenols. Soil treated with compost showed notable increases in electrical conductivity (EC), TOC, total nitrogen (TN), and soil organic matter (SOM), while pH decreased across all treatments, particularly with sulfur bentonite with olive pomace (SBO).
Microbial analysis revealed that bacteria were the dominant microorganisms across all treatments, with compost fostering the highest abundance of actinomycetes. SBO notably increased fungal biomass, while vermicompost unexpectedly raised the bacterial percentage. The global warming potential (GWP) analysis indicated that vermicompost had the lowest carbon footprint (25 kg CO₂ eq ton⁻¹), followed by compost (43 kg CO₂ eq ton⁻¹) and digestate (110 kg CO₂ eq ton⁻¹), with SBO having the highest emissions (167 kg CO₂ eq ton⁻¹). The findings emphasize the importance of reducing energy consumption in fertilizer production and minimizing emissions during field application to enhance the climate sustainability of agricultural practices.
Discussion
The discussion highlights the significant benefits of compost and vermicompost in enhancing soil properties and promoting humification, which is essential for carbon sequestration. Both amendments demonstrated superior total organic carbon (TOC) and total extractable carbon (TEC) values, alongside high humification indices, indicating effective transformation of organic matter into stable humic fractions. This process is crucial as humic substances (HSs) represent long-lasting pools of soil organic carbon (SOC), with residence times extending from decades to centuries. The study emphasizes that compost and vermicompost not only contribute carbon to soils but also facilitate its conversion into more stable forms, thereby enhancing long-term carbon sequestration potential.
The microbial community dynamics under different treatments further elucidate the mechanisms of carbon stabilization. Fungi, particularly stimulated by digestate and sulfur bentonite (SBO), play a pivotal role in decomposing plant residues, while bacteria, enriched in vermicompost, are crucial for long-term carbon stabilization through the “microbial carbon pump.” The findings suggest that treatments fostering diverse microbial communities, such as compost and vermicompost, enhance both precursor formation and stable carbon accumulation. In contrast, digestate, while beneficial for SOC accumulation, exhibited lower humification indices and microbial diversity, indicating a more transient contribution to soil carbon. The life cycle assessment (LCA) revealed that compost and vermicompost have lower environmental impacts compared to SBO, primarily due to reduced energy inputs during production. Overall, the study advocates for the integration of high-quality organic amendments into agricultural practices to improve soil fertility and mitigate greenhouse gas emissions, aligning with global climate goals.