DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-10411-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40640331
تاريخ النشر: 2025-07-10
المؤلف: Aruna Olasekan Adekiya وآخرون
الموضوع الرئيسي: محصول المحاصيل وخصوبة التربة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثيرات الفحم الحيوي من عظام الأبقار على الخصائص الكيميائية للتربة، ونمو الطماطم، والمحصول، والجودة، ومدة الصلاحية على مدى 120 يومًا. أجريت الدراسة مع خمسة مستويات من تطبيق الفحم الحيوي (0، 10، 20، 30، و40 طن هكتار⁻¹) في تصميم عشوائي كامل، وكشفت النتائج أن الفحم الحيوي عزز بشكل كبير خصائص التربة وخصائص الطماطم. ومن الجدير بالذكر أن تطبيق 40 طن هكتار⁻¹ من الفحم الحيوي أدى إلى زيادة في المحصول بنسبة 22%، 97%، 162%، و294% مقارنة بمعدلات التطبيق الأقل والضبط. بالإضافة إلى ذلك، تم ملاحظة تحسينات في مدة الصلاحية بنسبة 12%، 23%، 28%، و70% بالنسبة لنفس المقارنات.
تشير النتائج إلى أن الفحم الحيوي من عظام الأبقار هو تعديل فعال للتربة يعزز إنتاجية الطماطم وجودتها بعد الحصاد، خاصة عند أعلى معدل تطبيق. تم ملاحظة زيادة في محتوى المعادن، والرطوبة، ومستويات البروتين، إلى جانب انخفاض في مستويات الدهون، والرماد، والكربوهيدرات، وفقدان الوزن بعد الحصاد. تقترح الدراسة استكشاف معدلات تطبيق أعلى للفحم الحيوي وتؤكد على ضرورة إجراء تجارب ميدانية للتحقق من النتائج في سياقات الزراعة العملية. بالإضافة إلى ذلك، يُوصى بأخذ الاعتبارات المتعلقة بتكلفة الفعالية والتأثيرات البيئية طويلة الأجل لتطبيق الفحم الحيوي على نطاق واسع في الممارسات الزراعية المستدامة.
الطرق
في عام 2024، تم إجراء تجربتين متزامنتين في مزرعة التعليم والبحث بجامعة بوين في إيو، ولاية أوسون، نيجيريا، لتقييم تأثير مستويات مختلفة من الفحم الحيوي من عظام الأبقار على الخصائص الكيميائية للتربة، بالإضافة إلى النمو، والمحصول، والجودة، ومدة صلاحية الطماطم. جرت التجارب في بيئة محكومة، وتحديداً في بيت زجاجي مصمم بإطار من الحديد المجلفن، وحماية من الأشعة فوق البنفسجية، وشبكة مقاومة للحشرات، وأرضية من الجرانيت. تم مراقبة الظروف الداخلية للبيت الزجاجي، مع تسجيل متوسط درجة الحرارة والرطوبة عند 31 درجة مئوية و75%، على التوالي.
تُصنف التربة في موقع التجربة على أنها أكسيد هابلاستالف بواسطة وزارة الزراعة الأمريكية وكـ لوفيسول بواسطة منظمة الأغذية والزراعة، مما يشير إلى ملاءمتها للممارسات الزراعية. كانت الغاية من التنفيذ المتزامن للتجارب في موقعين (أ و ب) هي تأكيد النتائج التي تم الحصول عليها من الموقع أ، مما يعزز موثوقية النتائج المتعلقة بتأثيرات الفحم الحيوي من عظام الأبقار على زراعة الطماطم.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. عادةً ما يتضمن بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول لتوضيح النتائج. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات الأولية أو الدراسات السابقة لتسليط الضوء على الفروق المهمة أو التأكيدات.
في هذا القسم، قد يُبلغ المؤلفون عن مقاييس محددة، مثل القيم المتوسطة، والانحرافات المعيارية، أو قيم p، لدعم ادعاءاتهم. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة أي اتجاهات أو أنماط ملحوظة في البيانات، مما يوفر رؤى حول تداعيات النتائج. بشكل عام، تعتبر النتائج أساسًا للنقاشات والاستنتاجات اللاحقة التي تم التوصل إليها في الورقة.
النقاش
يسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على التأثيرات الكبيرة للفحم الحيوي من عظام الأبقار على الخصائص الكيميائية للتربة، ونمو الطماطم، ومعايير المحصول، وجودة الثمار. أدى تطبيق الفحم الحيوي إلى زيادة ملحوظة في المادة العضوية للتربة، ومستويات النيتروجين، والفوسفور، والبوتاسيوم، والكالسيوم، والمغنيسيوم، مما يعزز توفر المغذيات واحتفاظها بفضل هيكله المسامي وارتفاع سعة تبادل الكاتيونات. يُعزى هذا التحسن في كيمياء التربة إلى قدرة الفحم الحيوي على تقليل تسرب المغذيات وتعزيز النشاط الميكروبي، مما يسهم بشكل جماعي في تحسين امتصاص المغذيات بواسطة نباتات الطماطم.
فيما يتعلق بنمو النبات، أدى تطبيق الفحم الحيوي إلى زيادات كبيرة في ارتفاع الطماطم، وقطر الساق، ومحصول الثمار، خاصة عند معدلات التطبيق الأعلى (40 طن هكتار⁻¹)، مما أدى إلى زيادات في المحصول تصل إلى 300% مقارنة بالضبط. كان توفر المغذيات المحسن الذي يسهل بواسطة الفحم الحيوي حاسمًا للتحسينات الملحوظة في معايير النمو والتكاثر. بالإضافة إلى ذلك، أثر الفحم الحيوي بشكل إيجابي على محتويات المعادن والمكونات القريبة من الطماطم، مما زاد من المعادن الأساسية بينما قلل من مستويات الدهون والكربوهيدرات، على الأرجح بسبب تحسين احتفاظ الماء وديناميات المغذيات. تشير النتائج إلى أن الفحم الحيوي لا يعزز فقط خصوبة التربة ونمو النبات، بل يحسن أيضًا الجودة الغذائية ومدة صلاحية ثمار الطماطم، مما يجعله تعديلًا قيمًا للممارسات الزراعية المستدامة.
القيود
يسلط قسم القيود الضوء على عدة تحديات عملية مرتبطة بتطبيق الفحم الحيوي، خاصة عند المعدل الموصى به وهو 40 طن هكتار\(^{-1}\). هذا المعدل العالي من التطبيق يتطلب جهدًا كبيرًا ويكون مكلفًا، مما يشكل صعوبات للمزارعين الصغار الذين يعتمدون غالبًا على العمل اليدوي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي الإفراط في استخدام الفحم الحيوي إلى تغييرات في درجة حموضة التربة، مما يؤدي إلى اختلالات في المغذيات وسُمية محتملة قد تؤثر سلبًا على نمو النبات ومجتمعات الميكروبات في التربة. يمكن أن يؤدي تطبيق الفحم الحيوي أيضًا إلى تغيير الديناميات الميكروبية، مما يفضل بعض الأنواع وقد يؤدي إلى تماسك التربة بسبب انسداد مسام التربة بجزيئات الفحم الحيوي الدقيقة.
لتخفيف هذه المشكلات، يقترح المؤلفون تخصيص معدلات تطبيق الفحم الحيوي لأنواع التربة المحددة ومتطلبات المحاصيل، مع اقتراح تقليل المعدل إلى 5-10 طن هكتار\(^{-1}\) للاستخدام على نطاق صغير، حيث يمكن أن توفر المعدلات الأقل فوائد زراعية كبيرة. يمكن أن تعزز استراتيجيات مثل اختيار أحجام جزيئات الفحم الحيوي المناسبة، وخلط الفحم الحيوي مع المادة العضوية، واستخدام الكتلة الحيوية المستمدة محليًا من التكامل وتقليل التكاليف. علاوة على ذلك، يمكن أن تسهل نماذج التعاون لمشاركة المعدات والدعم الحكومي من خلال الإعانات أو القروض اعتمادها بين المزارعين الصغار. يُوصى بتطبيق الفحم الحيوي بشكل تدريجي ودمجه مع التعديلات العضوية أو المحاصيل المغطاة لتعزيز التنوع الميكروبي والحفاظ على صحة التربة. بشكل عام، يُعتبر إجراء تحليلات التكلفة والفائدة والدراسات التجريبية أمرًا ضروريًا لتقييم جدوى وفعالية الفحم الحيوي في سياقات زراعية متنوعة، مما يضمن أن تكامله في الممارسات الزراعية يكون اقتصاديًا مستدامًا وصديقًا للبيئة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-10411-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40640331
Publication Date: 2025-07-10
Author(s): Aruna Olasekan Adekiya et al.
Primary Topic: Crop Yield and Soil Fertility
Overview
This study investigates the effects of cow bone biochar on soil chemical properties, tomato growth, yield, quality, and shelf life over a 120-day period. Conducted with five levels of biochar application (0, 10, 20, 30, and 40 t ha⁻¹) in a completely randomized design, the results revealed that biochar significantly enhanced soil properties and tomato characteristics. Notably, the application of 40 t ha⁻¹ biochar resulted in a yield increase of 22%, 97%, 162%, and 294% compared to lower application rates and the control. Additionally, shelf life improvements of 12%, 23%, 28%, and 70% were observed relative to the same comparisons.
The findings indicate that cow bone biochar is an effective soil amendment that boosts tomato productivity and postharvest quality, particularly at the highest application rate. Enhanced mineral content, moisture, and protein levels were noted, alongside reductions in fat, ash, carbohydrate levels, and postharvest weight loss. The study suggests further exploration of higher biochar application rates and emphasizes the necessity for field trials to validate results in practical farming contexts. Additionally, considerations regarding the cost-effectiveness and long-term ecological impacts of large-scale biochar application are recommended for sustainable agricultural practices.
Methods
In 2024, two concurrent experiments were conducted at Bowen University’s Teaching and Research Farm in Iwo, Osun State, Nigeria, to evaluate the impact of varying levels of cow bone biochar on the soil’s chemical properties, as well as the growth, yield, quality, and shelf life of tomatoes. The experiments took place in a controlled environment, specifically a screen house designed with a galvanized iron frame, UV protection, insect-resistant netting, and a granite floor. The internal conditions of the greenhouse were monitored, with average temperature and humidity recorded at 31 °C and 75%, respectively.
The soil at the experimental site is classified as Oxic Haplustalf by the USDA and as Luvisol by the FAO, indicating its suitability for agricultural practices. The simultaneous execution of the experiments at two sites (A and B) aimed to corroborate the results obtained from site A, thereby enhancing the reliability of the findings regarding the effects of cow bone biochar on tomato cultivation.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables to illustrate the outcomes. The results are often compared against the initial hypotheses or previous studies to highlight significant differences or confirmations.
In this section, the authors may report specific metrics, such as mean values, standard deviations, or p-values, to substantiate their claims. Additionally, any observed trends or patterns in the data are discussed, providing insights into the implications of the findings. Overall, the results serve as a foundation for the subsequent discussion and conclusions drawn in the paper.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant effects of cow bone biochar on soil chemical properties, tomato growth, yield parameters, and fruit quality. The application of biochar notably increased soil organic matter, nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, and magnesium levels, enhancing nutrient availability and retention due to its porous structure and high cation exchange capacity. This improvement in soil chemistry is attributed to the biochar’s ability to reduce nutrient leaching and promote microbial activity, which collectively contribute to better nutrient uptake by tomato plants.
In terms of plant growth, biochar application resulted in substantial increases in tomato height, stem diameter, and fruit yield, particularly at higher application rates (40 t ha⁻¹), which led to yield increases of up to 300% compared to the control. The enhanced nutrient availability facilitated by biochar was crucial for the observed improvements in growth and reproductive parameters. Additionally, biochar positively influenced the mineral and proximate contents of tomato fruits, increasing essential minerals while reducing fat and carbohydrate levels, likely due to improved water retention and nutrient dynamics. The findings suggest that biochar not only enhances soil fertility and plant growth but also improves the nutritional quality and shelf life of tomato fruits, making it a valuable amendment for sustainable agricultural practices.
Limitations
The section on limitations highlights several practical challenges associated with the application of biochar, particularly at the recommended rate of 40 t ha\(^{-1}\). This high application rate is labor-intensive and costly, posing difficulties for small-scale farmers who often depend on manual labor. Additionally, excessive biochar can lead to alterations in soil pH, resulting in nutrient imbalances and potential toxicity that may adversely affect plant growth and soil microbial communities. The application of biochar can also shift microbial dynamics, favoring certain species and potentially leading to soil compaction due to clogging of soil pores by fine biochar particles.
To mitigate these issues, the authors suggest tailoring biochar application rates to specific soil types and crop requirements, with a proposed reduction to 5-10 t ha\(^{-1}\) for small-scale use, as lower rates can still provide significant agronomic benefits. Strategies such as selecting appropriate biochar particle sizes, mixing biochar with organic matter, and utilizing locally sourced biomass can enhance integration and reduce costs. Furthermore, cooperative models for equipment sharing and government support through subsidies or loans could facilitate adoption among smallholder farmers. Incremental application of biochar and its combination with organic amendments or cover crops are recommended to promote microbial diversity and sustain soil health. Overall, conducting cost-benefit analyses and pilot studies is essential to evaluate the feasibility and effectiveness of biochar in diverse agricultural contexts, ensuring that its integration into farming practices is both economically viable and environmentally sustainable.