DOI: https://doi.org/10.1007/s42729-026-03018-w
تاريخ النشر: 2026-01-23
المؤلف: Abdul-Latif Abdul-Aziz وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير البيوچار، المشتق من نفايات زراعية متنوعة والمُنتَج عند درجتي حرارة بيوكيميائية (300 °م و500 °م)، على الخصائص الميكروبية في التربة الطينية، وخاصة في منطقة الجذور مقارنة بالتربة الكلية. باستخدام تصميم عشوائي كامل مع تسعة علاجات، بما في ذلك مجموعة التحكم، وجدت الأبحاث أن البيوچار عزز بشكل كبير النشاط الميكروبي، مع ملاحظة تأثيرات أكثر وضوحًا في منطقة الجذور. تشمل النتائج الرئيسية زيادات في الرقم الهيدروجيني (حتى 1.2 وحدة)، الموصلية الكهربائية (35%)، ومختلف الأنشطة الميكروبية، مثل الفوسفاتاز القلوي (42%) وβ-غلوكوسيداز (51%)، بالإضافة إلى زيادة بنسبة 63% في عدد البكتيريا بعد ثمانية أسابيع. ومن الجدير بالذكر أن البيوچار الناتج عند درجات حرارة منخفضة (300 °م) قدم كربون قابل للتغيير عزز من نشاط الإنزيمات، بينما البيوچار الناتج عند درجات حرارة عالية (500 °م) حسّن بشكل أساسي من الرقم الهيدروجيني للتربة والموصلية الكهربائية.
تخلص الدراسة إلى أن البيوچار يعزز النشاط الميكروبي في منطقة الجذور أكثر من التربة الكلية، مع تأثيرات تتأثر بنوع المواد الخام ودرجة حرارة التحلل الحراري. العلاقة الإيجابية بين زيادة النشاط الميكروبي ومعايير نمو النباتات تؤكد على إمكانية البيوچار في تحسين دورة المغذيات وصحة التربة، مما يعود بالفائدة على إنتاجية المحاصيل. تشير هذه النتائج إلى أن الاختيار الاستراتيجي لمواد خام البيوچار وطرق التطبيق يمكن أن يحسن من دورة المغذيات المدعومة ميكروبيًا ويساهم في ممارسات زراعية مستدامة، بينما قد يساهم أيضًا في تقليل انبعاثات النيتروجين. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الديناميات طويلة الأمد للمجتمعات الميكروبية واستمرارية البيوچار لتقييم تأثيراته البيئية الأوسع.
مقدمة
ت outlines المقدمة أهمية منطقة الجذور، وهي منطقة تربة ديناميكية تتأثر بجذور النباتات، مما يعزز التنوع الميكروبي والأنشطة الإنزيمية الحيوية لنمو النباتات وصحة التربة. تعمل إنزيمات التربة كمؤشرات على جودة التربة، حيث تسهم في تحلل المواد العضوية وتوافر المغذيات. تؤكد الدراسة على دور إنزيمات معينة، مثل β-غلوكوسيداز، الفوسفاتاز، واليورياز، في دورة المغذيات والعمليات الميكروبية، خاصة فيما يتعلق بتحولات النيتروجين المدفوعة بالجينات الوظيفية مثل amoA، nirK، وnosZ.
تهدف الأبحاث إلى سد الفجوات في فهم كيفية تفاعل البيوچار، وهو تعديل للتربة مُنتَج من التحلل الحراري للكتلة الحيوية، مع النشاط الميكروبي ودورة المغذيات في منطقة الجذور مقارنة بالتربة الكلية عبر ظروف بيئية مختلفة. تستخدم الدراسة تجربة دفيئة ذات فترتين لتقييم تأثير نوع البيوچار ودرجة حرارة التحلل الحراري على أنشطة الإنزيمات الميكروبية، عمليات تحويل النيتروجين، وخصائص التربة الكيميائية خلال فترات نمو متباينة. تقترح الفرضيات أن البيوچار سيعزز الأنشطة الميكروبية أكثر في منطقة الجذور، حيث تحفز البيوچار الناتج عند درجات حرارة منخفضة النشاط الميكروبي من خلال الكربون القابل للتغيير، بينما ستؤثر البيوچار الناتج عند درجات حرارة عالية بشكل أساسي على كيمياء التربة. تسعى هذه الأبحاث إلى تقديم رؤى حول الآليات التي يؤثر بها البيوچار على عمليات التربة، مما يساهم في استراتيجيات إدارة المغذيات المستدامة في النظم الزراعية.
طرق
استخدم التصميم التجريبي في هذه الدراسة تصميمًا عشوائيًا كاملًا (CRD) مع خمس تكرارات عبر تسعة علاجات، بما في ذلك مجموعة التحكم ومختلف علاجات البيوچار (VB300، VB500، TB300، TB500، CB300، CB500، BB300، وBB500). تم إجراء التجربة في دفيئة بسبب محدودية توفر البيوچار، وشملت 45 وعاءً، يحتوي كل منها على 10 كجم من التربة المختلطة مع 80 جرامًا من البيوچار، تم تطبيقها بمعدل 20 طنًا لكل هكتار. تم اختيار الخس (Lactuca sativa var. crispa) كمحصول اختبار بناءً على أهميته في النظام الغذائي المتوسطي، وسرعة نموه، وحساسيته لتعديلات التربة، مما يجعله مؤشرًا فعالًا لتقييم تأثير البيوچار.
قبل الزراعة، تم دمج البيوچار في التربة وسقيها، تلا ذلك زراعة شتلة خس واحدة لكل وعاء بعد أسبوع. تم الالتزام بالممارسات الزراعية القياسية لتطبيق الأسمدة الكيميائية، حيث تم إعطاء سماد متوازن NPK (18-18-18) بمعدل 20 جرامًا، تم تعديله وفقًا لملف المغذيات في التربة. كانت هذه الطريقة المنهجية تهدف إلى تقييم تأثيرات البيوچار على نمو الخس وخصائص التربة بشكل دقيق.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الدراسة الضوء على التأثير الكبير للبيوچار على النشاط الميكروبي في التربة، ديناميات الإنزيمات، ودورة المغذيات، مع التركيز بشكل خاص على الفروق المكانية بين منطقة الجذور والتربة الكلية. تشير النتائج إلى أن تطبيق البيوچار يعزز أنشطة الإنزيمات الميكروبية ووفرة البكتيريا في منطقة الجذور، على الأرجح بسبب التأثيرات التآزرية للمواد المستخرجة من الجذور التي توفر كربونًا قابلًا للتغيير يتفاعل مع البيوچار. ومن الجدير بالذكر أن أنشطة اليورياز، β-غلوكوسيداز، والفوسفاتاز القلوي كانت مرتفعة في تربة منطقة الجذور، مما يدعم الفرضية بأن فوائد البيوچار تتعزز في المناطق المرتبطة بالجذور. كما وجدت الدراسة علاقات إيجابية قوية بين الأنشطة الميكروبية ومعايير نمو النباتات، مما يشير إلى أن التغيرات المدفوعة بالبيوچار في دورة المغذيات تسهم مباشرة في تحسين أداء النباتات.
تؤكد النتائج على أهمية نوع مواد خام البيوچار ودرجة حرارة التحلل الحراري في التأثير على العمليات الميكروبية. كانت البيوچار الناتج عند درجات حرارة منخفضة (300 °م) فعالة بشكل خاص في تحفيز النشاط الميكروبي بسبب محتواها العالي من الكربون القابل للتغيير، بينما أثرت البيوچار الناتج عند درجات حرارة عالية (500 °م) بشكل أساسي على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، مثل الرقم الهيدروجيني والموصلية الكهربائية. شكلت هذه التغيرات بشكل غير مباشر المجتمعات الميكروبية وتحولات المغذيات. تختتم الدراسة بأن الاختيار الاستراتيجي لخصائص البيوچار وتطبيقه في منطقة الجذور يمكن أن يحسن من دورة المغذيات ويعزز خصوبة التربة، مع آثار أوسع على الزراعة المستدامة وإدارة التربة الذكية مناخيًا. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف التأثيرات طويلة الأمد وديناميات المجتمع الميكروبي للتحقق من هذه النتائج عبر سياقات زراعية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42729-026-03018-w
Publication Date: 2026-01-23
Author(s): Abdul-Latif Abdul-Aziz et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This study investigates the impact of biochar, derived from various agricultural wastes and produced at two pyrolysis temperatures (300 °C and 500 °C), on microbial properties in loamy-clay soil, particularly in the rhizosphere compared to bulk soil. Using a Completely Randomized Design with nine treatments, including a control, the research found that biochar significantly enhanced microbial activity, with more pronounced effects observed in the rhizosphere. Key findings include increases in pH (up to 1.2 units), electrical conductivity (35%), and various microbial activities, such as alkaline phosphatase (42%) and β-glucosidase (51%), alongside a 63% rise in bacterial counts after eight weeks. Notably, low-temperature biochars (300 °C) provided labile carbon that boosted enzyme activities, while high-temperature biochars (500 °C) primarily improved soil pH and electrical conductivity.
The study concludes that biochar enhances microbial activity in the rhizosphere more than in bulk soil, with the effects influenced by feedstock type and pyrolysis temperature. The positive correlation between increased microbial activity and plant growth parameters underscores the potential of biochar to improve nutrient cycling and soil health, thereby benefiting crop productivity. These findings suggest that strategic selection of biochar feedstock and application methods can optimize microbial-mediated nutrient cycling and contribute to sustainable agricultural practices, while also potentially mitigating nitrogen emissions. Future research should explore the long-term dynamics of microbial communities and the persistence of biochar to assess its broader ecological impacts.
Introduction
The introduction outlines the significance of the rhizosphere, a dynamic soil zone influenced by plant roots, which enhances microbial diversity and enzymatic activities critical for plant growth and soil health. Soil enzymes serve as indicators of soil quality, mediating organic matter decomposition and nutrient availability. The study emphasizes the role of specific enzymes, such as β-glucosidase, phosphatases, and urease, in nutrient cycling and microbial processes, particularly in relation to nitrogen transformations driven by functional genes like amoA, nirK, and nosZ.
The research aims to fill gaps in understanding how biochar, a soil amendment produced from biomass pyrolysis, interacts with microbial activity and nutrient cycling in the rhizosphere compared to bulk soil across different environmental conditions. The study employs a dual-period greenhouse experiment to assess the effects of biochar type and pyrolysis temperature on microbial enzyme activities, nitrogen transformation processes, and soil chemical properties during contrasting growth periods. The hypotheses propose that biochar will enhance microbial activities more in the rhizosphere, with low-temperature biochars stimulating microbial activity through labile carbon, while high-temperature biochars will primarily affect soil chemistry. This research seeks to provide insights into the mechanisms by which biochar influences soil processes, ultimately informing sustainable nutrient management strategies in agroecosystems.
Methods
The experimental design employed in this study utilized a completely randomized design (CRD) with five replications across nine treatments, including a control and various biochar treatments (VB300, VB500, TB300, TB500, CB300, CB500, BB300, and BB500). Conducted in a greenhouse due to limited biochar availability, the experiment involved 45 pots, each containing 10 kg of soil mixed with 80 g of biochar, applied at a rate of 20 tons per hectare. The choice of lettuce (Lactuca sativa var. crispa) as the test crop was based on its significance in the Mediterranean diet, rapid growth, and sensitivity to soil amendments, making it an effective indicator for evaluating the impact of biochar.
Prior to planting, biochar was incorporated into the soil and watered, followed by the transplantation of a single lettuce seedling per pot one week later. Standard agricultural practices were adhered to for the application of chemical fertilizers, with a balanced NPK fertilizer (18-18-18) administered at a rate of 20 g, adjusted according to the soil’s nutrient profile. This methodological approach aimed to rigorously assess the effects of biochar on lettuce growth and soil properties.
Discussion
The discussion section of the study highlights the significant impact of biochar on soil microbial activity, enzyme dynamics, and nutrient cycling, particularly emphasizing the spatial differences between rhizosphere and bulk soils. The results indicate that biochar application enhances microbial enzyme activities and bacterial abundance in the rhizosphere, likely due to the synergistic effects of root exudates providing labile carbon that interacts with biochar. Notably, urease, β-glucosidase, and alkaline phosphatase activities were elevated in rhizosphere soils, supporting the hypothesis that biochar’s benefits are amplified in root-associated zones. The study also found strong positive correlations between microbial activities and plant growth parameters, suggesting that biochar-mediated changes in nutrient cycling directly contribute to improved plant performance.
The findings underscore the importance of biochar feedstock type and pyrolysis temperature in influencing microbial processes. Low-temperature biochars (300 °C) were particularly effective in stimulating microbial activity due to their higher labile carbon content, while high-temperature biochars (500 °C) primarily affected soil physicochemical properties, such as pH and electrical conductivity. These alterations indirectly shaped microbial communities and nutrient transformations. The study concludes that strategically selecting biochar characteristics and applying it to the rhizosphere can optimize nutrient cycling and enhance soil fertility, with broader implications for sustainable agriculture and climate-smart soil management. Future research is recommended to explore long-term effects and microbial community dynamics to validate these findings across diverse agroecological contexts.