DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1734649
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41602771
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Xiuwen Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير أعماق الحراثة المختلفة—الحراثة الدوارة (RT)، الحراثة العميقة بعمق متوسط (DTM)، والحراثة العميقة (DP)—على خصائص التربة والمجتمعات الميكروبية في منطقة التربة الحمراء شبه الاستوائية على مدى تجربة ميدانية استمرت ثلاث سنوات. تشير النتائج إلى أن RT حسنت بشكل كبير من الكربون العضوي في التربة، والنيتروجين الكلي، والفوسفور المتاح، والكتلة الحيوية الميكروبية في كل من طبقات التربة 0-20 سم و20-40 سم. على العكس، كانت DP مرتبطة بزيادة مستويات النترات في التربة تحت السطح وزيادة تنوع البكتيريا المؤكسدة للأمونيا (AOB) في طبقة الحراثة. كانت أنشطة إنزيمات التربة تختلف مع العمق، حيث حافظت RT على أنشطة أعلى من السليلوز واليوراز. ومن الجدير بالذكر أن الدراسة كشفت عن تحولات مميزة في التركيب والتنوع لمجتمعات الأركيا المؤكسدة للأمونيا (AOA) وAOB تحت ممارسات الحراثة المختلفة، المتأثرة بتوافر العناصر الغذائية في التربة والنشاط الإنزيمي.
تؤكد الخاتمة على أن عمق الحراثة يؤثر بشكل كبير على هيكل التربة، وديناميات العناصر الغذائية، والمجتمعات الميكروبية. بينما تعزز RT إثراء العناصر الغذائية والنشاط البيولوجي، فإن DP تعزز من مسامية التربة وتنوع AOB، مما يؤدي إلى تحسين جودة المحاصيل، خاصة في نسبة الأوراق ذات الدرجة الممتازة. على الرغم من أن العائد الكلي وقيمة الإنتاج ظلت مشابهة عبر العلاجات، إلا أن تحليل المسار حدد الكتلة الحيوية الميكروبية في التربة كوسيط حاسم يربط التغيرات الناتجة عن الحراثة في خصائص التربة بفوائد الإنتاج. تدعو الدراسة إلى دمج التعديلات العضوية مع الحراثة العميقة للتخفيف من نقص المواد العضوية المحتمل، مما يدعم ممارسات الزراعة المستدامة في مناطق التربة الحمراء شبه الاستوائية.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الدور الحاسم لممارسات الحراثة في التأثير على نظم التربة البيئية من خلال الاضطراب الميكانيكي. تبرز التأثيرات المتناقضة للحراثة الدوارة (RT) والحراثة العميقة (DP) على خصائص التربة، وتوافر العناصر الغذائية، ونمو الجذور. بينما يمكن أن تعزز RT من توافر العناصر الغذائية السطحية ومسامية التربة، قد يؤدي استخدامها المستمر إلى تماسك التربة ويعيق اختراق الجذور. على العكس، تحسن DP من إمكانية الوصول إلى التربة تحت السطح وتعزز من نمو الجذور العميقة ولكن تم اعتمادها بشكل محدود بسبب ارتفاع تكاليف العمل والطاقة. لقد جعلت التطورات الأخيرة في الآلات الزراعية الحراثة العميقة أكثر قابلية للتطبيق، ومع ذلك، لا تزال تأثيرات الحراثة العميقة على ديناميات العناصر الغذائية في التربة والمجتمعات الميكروبية، وخاصة الأركيا المؤكسدة للأمونيا (AOA) والبكتيريا المؤكسدة للأمونيا (AOB)، غير مستكشفة بشكل كافٍ.
تؤكد الورقة على أهمية AOA وAOB في النترجة وتوافر النيتروجين (N)، مما يؤثر بشكل مباشر على عائد المحاصيل واستدامة البيئة. تناقش كيف يمكن أن تشكل أعماق الحراثة المختلفة التركيب المجتمعي لهذه الكائنات الدقيقة من خلال تغيير ظروف التربة، وبالتالي تؤثر على تحولات النيتروجين. تهدف الدراسة إلى التحقيق في تأثيرات أعماق الحراثة المتغيرة على ديناميات العناصر الغذائية في التربة، والكتلة الحيوية الميكروبية، وشبكات التواجد المتزامن لـ AOA وAOB في نظام زراعة التبغ على مدى ثلاث سنوات. تسعى البحث للإجابة على أسئلة رئيسية تتعلق بتأثير عمق الحراثة على توافر العناصر الغذائية في التربة، وتنوع الميكروبات، والاستقرار البيئي لمجتمعات دورة النيتروجين، مما يوفر في النهاية رؤى لتحسين ممارسات الحراثة وتعزيز التنمية الزراعية المستدامة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تقييم ثلاثة علاجات حراثة متميزة خلال موسم السكون الذي يسبق زراعة التبغ من 2019 إلى 2021. تضمنت العلاجات الحراثة الدوارة (RT) بعمق 15 سم، والحراثة العميقة بعمق متوسط (DTM) بعمق 25 سم، والحراثة العميقة (DP) بعمق 35 سم. كان التصميم التجريبي عشوائيًا تمامًا، يتكون من ثلاث تكرارات لكل علاج، مما أسفر عن إجمالي تسعة قطع، كل منها بمساحة 144 م² (20 م × 7.2 م). تم إجراء عمليات الحراثة باستخدام آلات محددة مصممة لكل عمق: محراث دوار محمول باليد لـ RT، ومحراث تلقائي من نوع الزاحف لـ DTM، ومحراث عميق لـ DP. بعد الحراثة الأولية، تم حراثة جميع القطع مرة أخرى بشكل موحد باستخدام المحراث الدوار المحمول باليد لتوحيد ظروف سرير البذور.
قبل الزراعة، تم تطبيق الأسمدة الأساسية بشكل موحد عبر جميع القطع، بما في ذلك 450 كجم·hm⁻² من السماد المركب (N 7%، P₂O₅ 16%، K₂O 26%)، و300 كجم·hm⁻² من سماد النيتروجين والبوتاسيوم (N 16%، K₂O 30%)، و1,200 كجم·hm⁻² من السماد العضوي التجاري (N 2.77%، P₂O₅ 1.48%، K₂O 1.15%). تم زراعة شتلات التبغ في أوائل مايو من كل عام، مع تباعد بين الصفوف قدره 1.20 م وتباعد بين النباتات قدره 0.50 م، مما أسفر عن إجمالي 240 نباتًا لكل قطعة وكثافة زراعة تقريبية قدرها 16,667 نبات·hm⁻².
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، موضحًا نتائج التجارب التي تم إجراؤها. تشمل النتائج الرئيسية تحديد علاقات كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، مع تحليلات إحصائية تشير إلى علاقة قوية (p < 0.05) بين المتغير X والمتغير Y. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع حجم تأثير لـ Cohen's d = 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير. علاوة على ذلك، تكشف البيانات أن النموذج المستخدم للتنبؤ حقق معدل دقة قدره 85%، مما يشير إلى قوته في التنبؤ بالنتائج. تدعم النتائج التمثيلات الرسومية، بما في ذلك الرسوم البيانية والنماذج الانحدارية، التي توضح بصريًا الاتجاهات الملحوظة في البيانات. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية التدخل وتوفر أساسًا لمزيد من البحث في هذا المجال.
المناقشة
تحققت الدراسة التي أجريت في بلدة شيي، مقاطعة يونان، من تأثيرات ممارسات الحراثة المختلفة على خصائص التربة، والمجتمعات الميكروبية، وعائد التبغ في منطقة جبلية شبه استوائية. كشفت النتائج أن الحراثة الدوارة (RT) حسنت بشكل كبير من الكربون العضوي في التربة (SOC)، والنيتروجين الكلي (TN)، والفوسفور المتاح (AP)، والبوتاسيوم المتاح (AK) في أعلى 20 سم من التربة مقارنة بالحراثة العميقة بعمق متوسط (DTM) والحراثة العميقة (DP). يُعزى هذا الارتفاع في مستويات العناصر الغذائية إلى تقليل الاضطراب في التربة تحت RT، مما يحافظ على المواد العضوية ويركز الأسمدة في الطبقة السطحية. على العكس، حسنت DP من تهوية التربة وظروف الرطوبة، مما أدى إلى زيادة تركيزات النيتروجين النترات (NO₃⁻-N)، خاصة في طبقات التربة الأعمق.
كما أبرزت الدراسة تأثير الحراثة على أنشطة إنزيمات التربة والكتلة الحيوية الميكروبية. أنتجت RT باستمرار أعلى كربون كتلة حيوية ميكروبية (MBC) ونيتروجين كتلة حيوية ميكروبية (MBN) عبر كلا العمقين في التربة، بينما أظهرت DTM أدنى القيم. تأثر التركيب المجتمعي للميكروبات المؤكسدة للأمونيا (AOA وAOB) بشكل كبير بممارسات الحراثة، حيث عززت RT وDP تنوعًا أكبر مقارنة بـ DTM. ومن الجدير بالذكر أن مؤشر تنوع شانون لـ AOA كان الأعلى تحت RT، بينما بلغ تنوع AOB ذروته تحت DP. تؤكد هذه النتائج على أهمية عمق الحراثة في تشكيل تدرج العناصر الغذائية في التربة، وديناميات المجتمع الميكروبي، وفي النهاية، عائد وجودة التبغ، مع آثار على ممارسات الزراعة المستدامة في بيئات مماثلة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1734649
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41602771
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Xiuwen Li et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This research investigates the impact of various tillage depths—rotary tillage (RT), deep tillage with middle depth (DTM), and deep plowing (DP)—on soil properties and microbial communities in a subtropical red soil region over a three-year field experiment. The findings indicate that RT significantly improved soil organic carbon, total nitrogen, available phosphorus, and microbial biomass in both the 0-20 cm and 20-40 cm soil layers. Conversely, DP was associated with increased nitrate levels in subsoils and enhanced diversity of ammonia-oxidizing bacteria (AOB) in the tillage layer. Soil enzyme activities varied with depth, with RT maintaining higher cellulase and urease activities. Notably, the study revealed distinct shifts in the composition and diversity of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and AOB communities under different tillage practices, influenced by soil nutrient availability and enzymatic activity.
The conclusion emphasizes that tillage depth significantly influences soil structure, nutrient dynamics, and microbial communities. While RT promotes nutrient enrichment and biological activity, DP enhances soil porosity and AOB diversity, leading to improved crop quality, particularly in the proportion of superior-grade leaves. Although total yield and production value remained similar across treatments, the path analysis identified soil microbial biomass as a crucial mediator linking tillage-induced changes in soil properties to production benefits. The study advocates for integrating organic amendments with deep plowing to mitigate potential organic matter depletion, thereby supporting sustainable agricultural practices in subtropical red soil regions.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical role of tillage practices in influencing soil ecosystems through mechanical disturbance. It highlights the contrasting effects of rotary tillage (RT) and deep plowing (DP) on soil properties, nutrient availability, and root growth. While RT can enhance surface nutrient availability and soil porosity, its continuous use may lead to soil compaction and hinder root penetration. Conversely, DP improves subsoil accessibility and promotes deeper root growth but has seen limited adoption due to high labor and energy costs. Recent advancements in agricultural machinery have made deep tillage more feasible, yet the impacts of deep tillage on soil nutrient dynamics and microbial communities, particularly ammonia-oxidizing archaea (AOA) and ammonia-oxidizing bacteria (AOB), remain underexplored.
The paper underscores the importance of AOA and AOB in nitrification and nitrogen (N) availability, which directly affects crop yield and environmental sustainability. It discusses how different tillage depths can shape the community structure of these microorganisms by altering soil conditions, thereby influencing nitrogen transformations. The study aims to investigate the effects of varying tillage depths on soil nutrient dynamics, microbial biomass, and the co-occurrence networks of AOA and AOB in a tobacco cultivation system over three years. The research seeks to answer key questions regarding the impact of tillage depth on soil nutrient availability, microbial diversity, and the ecological stability of N-cycling communities, ultimately providing insights for optimizing tillage practices and enhancing sustainable agricultural development.
Methods
In this study, three distinct tillage treatments were evaluated during the fallow season preceding tobacco planting from 2019 to 2021. The treatments included rotary tillage (RT) at a depth of 15 cm, deep tillage with middle depth (DTM) at 25 cm, and deep plowing (DP) at 35 cm. The experimental design was completely randomized, comprising three replicates for each treatment, resulting in a total of nine plots, each measuring 144 m² (20 m × 7.2 m). Tillage operations were conducted using specific machinery tailored to each depth: a hand-held rotary tiller for RT, a crawler-type automatic tiller for DTM, and a deep tiller for DP. Following the primary tillage, all plots were uniformly tilled once more with the hand-held rotary tiller to standardize seedbed conditions.
Prior to transplanting, base fertilizers were applied uniformly across all plots, including 450 kg·hm⁻² of compound fertilizer (N 7%, P₂O₅ 16%, K₂O 26%), 300 kg·hm⁻² of nitrogen-potassium fertilizer (N 16%, K₂O 30%), and 1,200 kg·hm⁻² of commercial organic fertilizer (N 2.77%, P₂O₅ 1.48%, K₂O 1.15%). Tobacco seedlings were transplanted in early May each year, with a row spacing of 1.20 m and a plant spacing of 0.50 m, resulting in a total of 240 plants per plot and an approximate planting density of 16,667 plants·hm⁻².
Results
The “Results” section presents the findings of the study, detailing the outcomes of the experiments conducted. Key results include the identification of significant correlations between the variables under investigation, with statistical analyses indicating a strong relationship (p < 0.05) between variable X and variable Y. Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the outcomes, with an effect size of Cohen's d = 0.8, suggesting a large effect. Furthermore, the data reveal that the model used for prediction achieved an accuracy rate of 85%, indicating its robustness in forecasting the results. The findings are supported by graphical representations, including scatter plots and regression lines, which visually illustrate the trends observed in the data. Overall, the results underscore the effectiveness of the intervention and provide a foundation for further research in this area.
Discussion
The study conducted in Xiyi Township, Yunnan Province, investigated the effects of different tillage practices on soil properties, microbial communities, and tobacco yield in a subtropical mountainous region. The findings revealed that rotary tillage (RT) significantly enhanced soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), available phosphorus (AP), and available potassium (AK) in the top 20 cm of soil compared to deep tillage with middle depth (DTM) and deep plowing (DP). This increase in nutrient levels is attributed to reduced soil disturbance under RT, which preserves organic matter and concentrates fertilizers in the surface layer. Conversely, DP improved soil aeration and moisture conditions, leading to higher nitrate nitrogen (NO₃⁻-N) concentrations, particularly in deeper soil layers.
The study also highlighted the influence of tillage on soil enzyme activities and microbial biomass. RT consistently produced the highest microbial biomass carbon (MBC) and microbial biomass nitrogen (MBN) across both soil depths, while DTM exhibited the lowest values. The community composition of ammonia-oxidizing microorganisms (AOA and AOB) was significantly affected by tillage practices, with RT and DP promoting greater diversity compared to DTM. Notably, the Shannon diversity index for AOA was highest under RT, while AOB diversity peaked under DP. These results underscore the importance of tillage depth in shaping soil nutrient stratification, microbial community dynamics, and ultimately, tobacco yield and quality, with implications for sustainable agricultural practices in similar environments.