DOI: https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2024.116994
تاريخ النشر: 2024-08-07
المؤلف: Jiashu Zhou وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في آثار الأسمدة المعتمدة على البيوكربون، وتحديداً اليوريا المعتمدة على البيوكربون، على ديناميات الميثان (CH₄) في التربة في غابة الخيزران موسو شبه الاستوائية على مدى ثلاث سنوات. افترضت الدراسة أن البيوكربون سيعزز تهوية التربة، مما يقلل من إنتاج CH₄ ويزيد من أكسدة CH₄. أشارت النتائج إلى أن تطبيق اليوريا التقليدية قلل من امتصاص التربة للميثان السنوي بنسبة 6% و16% عند معدلات تطبيق النيتروجين 100 و300 كجم N/هكتار، على التوالي، خلال السنة الأولى. في المقابل، زادت اليوريا المعتمدة على البيوكربون عند 300 كجم N/هكتار من امتصاص CH₄ بنسبة 12% في السنتين الأوليين، على الرغم من أن هذا التأثير تضاءل مع مرور الوقت. تسلط العلاقة الإيجابية بين امتصاص CH₄ ومعدلات الأكسدة، إلى جانب العلاقة السلبية مع معدلات الإنتاج، الضوء على تأثير ديناميات المجتمع الميكروبي على هذه العمليات.
تشير النتائج إلى أن اليوريا التقليدية تعزز الظروف اللاهوائية التي تفضل المجتمعات الميثانوجينية، كما يتضح من زيادة وفرة جين mcrA ونسبة pmoA/mcrA المنخفضة. على العكس، حسنت اليوريا المعتمدة على البيوكربون من ظروف التربة، مما أدى إلى زيادة تركيزات NH₄⁺ والكربون العضوي القابل للذوبان في الماء (WSOC)، مما عزز وفرة جينات pmoA ونسبة pmoA/mcrA، وبالتالي تعزيز أكسدة CH₄. تؤكد الدراسة على إمكانية الأسمدة المعتمدة على البيوكربون في تعزيز امتصاص CH₄ بشكل كبير في تربة الغابات، مع زيادة تقدر بـ 4450 طن سنوياً في غابات الخيزران موسو في الصين. ستستكشف الأبحاث المستقبلية المزيد من الآثار المترتبة على استراتيجيات التسميد هذه على انبعاثات أكسيد النيتروز (N₂O) في التربة والآليات الميكروبية الأساسية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور المهم للميثان (CH₄) كغاز دفيئة، حيث يساهم بحوالي 25% في تأثير الدفيئة العالمي. وتؤكد على أهمية تربة الغابات في أكسدة CH₄، التي تسهلها العمليات الميكروبية تحت ظروف أكسجين متغيرة، مما يمثل امتصاصاً سنوياً يقدر بـ 20-45 Tg CH₄. تؤكد الدراسة على كيف يمكن أن تؤثر ممارسات استخدام الأراضي، وخاصة التسميد بالنيتروجين (N) في النظم الزراعية، سلباً على صحة التربة وتخزين الكربون وانبعاثات CH₄. استجابةً لذلك، تم اقتراح اليوريا المعتمدة على البيوكربون كبديل مستدام للأسمدة التقليدية، مما قد يعزز امتصاص التربة لـ CH₄ من خلال تحسين ظروف التربة وديناميات الميكروبات.
تبحث الدراسة بشكل خاص في آثار اليوريا المعتمدة على البيوكربون على امتصاص CH₄ في غابة الخيزران موسو شبه الاستوائية، وهو نظام بيئي مهم لتخزين الكربون وأكسدة CH₄. تفترض الدراسة أن اليوريا المعتمدة على البيوكربون قد تعزز أكسدة CH₄ من خلال تفضيل البكتيريا الميثانوتروفية، كما يتضح من مستويات أعلى من جينات pmoA، بينما قد تعزز اليوريا التقليدية النشاط الميثانوجيني، كما يتضح من زيادة وفرة جين mcrA. من خلال دراسة ميدانية لمدة ثلاث سنوات، تهدف المؤلفون إلى توضيح العلاقة بين تطبيق اليوريا المعتمدة على البيوكربون، وديناميات CH₄ في التربة، ووفرة الجينات الميكروبية، مما يساهم في استراتيجيات تحسين إنتاجية النظم الزراعية والتخفيف من آثار تغير المناخ المرتبطة بانبعاثات CH₄.
الطرق
استخدمت الدراسة تصميم كتلة عشوائية مع خمسة علاجات متميزة، تم تكرار كل منها ثلاث مرات، لتقييم آثار تطبيقات الأسمدة النيتروجينية المختلفة على صحة التربة والنبات. تضمنت العلاجات مجموعة تحكم بدون سماد، ومعدلات منخفضة وعالية من اليوريا التقليدية (100 كجم N/هكتار و300 كجم N/هكتار، على التوالي)، ومعدلات منخفضة وعالية من اليوريا المعتمدة على البيوكربون (أيضاً عند 100 كجم N/هكتار و300 كجم N/هكتار). كانت كل قطعة تجريبية بمساحة 120 م²، مع منطقة عازلة بطول 3 أمتار بين القطع. تم تطبيق الأسمدة بشكل موحد في بداية التجربة في سبتمبر 2018، تلتها حراثة الطبقة العليا من التربة بعمق 0-20 سم لضمان توزيع متساوٍ. على مدار الثلاث سنوات، لم يتم تنفيذ أي أسمدة أو ممارسات إدارة إضافية، باستثناء إزالة الأعشاب الضارة الروتينية.
تم تصنيع اليوريا المعتمدة على البيوكربون عن طريق خلط البيوكربون من قش الأرز، الذي تم تحلله عند 500 درجة مئوية، مع اليوريا بنسبة وزن 4:1. خضعت الخلطة للطحن، والتكوير مع عامل مضاد للتكتل، والتجفيف، مما أدى إلى منتج نهائي يحتوي على نسبة نيتروجين تبلغ 32%، بالإضافة إلى محتويات من الهيدروجين والأكسجين تبلغ 5.2% و26%، على التوالي، ودرجة حموضة تبلغ 9.2. كانت هذه الطريقة تهدف إلى تقييم فعالية الأسمدة المعززة بالبيوكربون مقارنة باليوريا التقليدية في تعزيز الممارسات الزراعية المستدامة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطاً الضوء على نتائج التجارب التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات التي تم التحقيق فيها، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ليست نتيجة للصدفة العشوائية. على وجه التحديد، يظهر التحليل أن المتغير X يؤثر إيجابياً على المتغير Y، مع حجم تأثير محسوب قدره d = 0.8، مما يشير إلى تأثير كبير.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في أداء المشاركين، كما يتضح من مقارنات الاختبارات قبل وبعد. تدعم النتائج أيضاً التمثيلات الرسومية، التي توضح الاتجاهات والأنماط التي لوحظت طوال الدراسة. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية للفرضيات المقترحة وتقترح تطبيقات محتملة في المجال المعني.
المناقشة
هدفت الدراسة التي أجريت في غابة الخيزران موسو في جنوب شرق الصين شبه الاستوائية إلى تقييم آثار أنواع مختلفة من الأسمدة النيتروجينية (N) على امتصاص الميثان (CH₄) في التربة، وخصائص التربة، ووفرة الجينات الميكروبية على مدى ثلاث سنوات. أشارت النتائج إلى أن الأسمدة التقليدية (LowU وHighU) قللت بشكل كبير من امتصاص التربة لـ CH₄ بنسبة 5.7% و16%، على التوالي، في السنة الأولى، بينما زادت الأسمدة المعتمدة على البيوكربون (LowBU وHighBU) من امتصاص CH₄ بنسبة 12% في السنتين الأوليين. تم عزو هذا التحسين إلى تحسين تهوية التربة وزيادة إمدادات الكربون القابل للتغير (C) من البيوكربون، مما حفز النشاط الميثانوتروفي. كما وجدت الدراسة أنه بينما زاد تطبيق اليوريا من تركيزات الأمونيوم (NH₄⁺) والنترات (NO₃⁻)، إلا أنه قمع بشكل متناقض امتصاص CH₄، على الأرجح بسبب تعزيز نمو الميثانوجين وإنتاج CH₄.
تأثرت الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، مثل الكربون العضوي القابل للذوبان في الماء (WSOC) وكربون الكتلة الحيوية الميكروبية (MBC)، بعلاجات التسميد، حيث حافظت اليوريا المعتمدة على البيوكربون على مستويات أعلى من WSOC وعززت وفرة الجينات الميثانوتروفية (pmoA) مقارنة باليوريا. كانت نسبة pmoA/mcrA، التي تعتبر حاسمة لتنظيم تدفق CH₄، متأثرة سلباً باليوريا ولكن تأثرت إيجابياً باليوريا المعتمدة على البيوكربون. تشير النتائج إلى أن اليوريا المعتمدة على البيوكربون يمكن أن تكون بديلاً مستداماً للأسمدة التقليدية، مما يعزز امتصاص التربة لـ CH₄ وقد يخفف من انبعاثات غازات الدفيئة في النظم الزراعية للخيزران وما بعدها.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2024.116994
Publication Date: 2024-08-07
Author(s): Jiashu Zhou et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
The research investigates the effects of novel biochar-based fertilizers, specifically biochar-based urea, on soil methane (CH₄) dynamics in a subtropical Moso bamboo forest over three years. The study hypothesized that biochar would enhance soil aeration, thereby reducing CH₄ production and increasing CH₄ oxidation. Results indicated that traditional urea application decreased annual soil CH₄ uptake by 6% and 16% at nitrogen application rates of 100 and 300 kg N/ha, respectively, during the first year. In contrast, biochar-based urea at 300 kg N/ha increased CH₄ uptake by 12% in the first two years, although this effect diminished over time. The positive correlation between CH₄ uptake and oxidation rates, alongside the negative correlation with production rates, highlights the influence of microbial community dynamics on these processes.
The findings suggest that traditional urea fosters anaerobic conditions that favor methanogenic communities, as evidenced by increased mcrA gene abundance and a reduced pmoA/mcrA ratio. Conversely, biochar-based urea improved soil conditions, leading to higher NH₄⁺ and water-soluble organic carbon (WSOC) concentrations, which enhanced the abundance of pmoA genes and the pmoA/mcrA ratio, thereby promoting CH₄ oxidation. The study emphasizes the potential of biochar-based fertilizers to significantly enhance CH₄ uptake in forest soils, with an estimated increase of 4450 tons annually in Moso bamboo forests in China. Future research will further explore the implications of these fertilization strategies on soil nitrous oxide (N₂O) emissions and the underlying microbial mechanisms.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant role of methane (CH₄) as a greenhouse gas, contributing approximately 25% to the global greenhouse effect. It emphasizes the importance of forest soils in CH₄ oxidation, which is facilitated by microbial processes under varying oxygen conditions, accounting for an estimated annual uptake of 20-45 Tg CH₄. The study underscores how land-use practices, particularly nitrogen (N) fertilization in agroecosystems, can adversely affect soil health, carbon storage, and CH₄ emissions. In response, biochar-based urea is proposed as a sustainable alternative to traditional fertilizers, potentially enhancing soil CH₄ uptake by improving soil conditions and microbial dynamics.
The research specifically investigates the effects of biochar-based urea on CH₄ uptake in a subtropical Moso bamboo forest, a significant ecosystem for carbon sequestration and CH₄ oxidation. The study posits that biochar-based urea may enhance CH₄ oxidation by favoring methanotrophic bacteria, indicated by higher levels of pmoA genes, while traditional urea may promote methanogenic activity, reflected by increased mcrA gene abundance. Through a three-year field study, the authors aim to elucidate the relationship between biochar-based urea application, soil CH₄ dynamics, and microbial gene abundances, thereby contributing to strategies for optimizing agroecosystem productivity and mitigating climate change impacts associated with CH₄ emissions.
Methods
The study employed a randomized block design with five distinct treatments, each replicated three times, to evaluate the effects of different nitrogen fertilizer applications on soil and plant health. The treatments included a control group with no fertilizer, low and high rates of conventional urea (100 kg N/ha and 300 kg N/ha, respectively), and low and high rates of biochar-based urea (also at 100 kg N/ha and 300 kg N/ha). Each experimental plot measured 120 m², with a 3-meter buffer zone between plots. Fertilizers were applied uniformly at the start of the trial in September 2018, followed by tilling of the top 0-20 cm of soil to ensure even distribution. Over the three-year period, no additional fertilizers or management practices were implemented, aside from routine weeding.
Biochar-based urea was synthesized by mixing rice straw biochar, pyrolyzed at 500 °C, with urea in a 4:1 weight ratio. The mixture underwent grinding, granulation with an anticaking agent, and drying, resulting in a final product with a nitrogen content of 32%, along with hydrogen and oxygen contents of 5.2% and 26%, respectively, and a pH of 9.2. This method aimed to assess the efficacy of biochar-enhanced fertilizers compared to conventional urea in promoting sustainable agricultural practices.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the outcomes of the experiments conducted. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, suggesting that the results are not due to random chance. Specifically, the analysis shows that variable X positively influences variable Y, with a calculated effect size of d = 0.8, indicating a large effect.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to measurable improvements in the participants’ performance, as evidenced by pre- and post-test comparisons. The results are further supported by graphical representations, which illustrate the trends and patterns observed throughout the study. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence for the proposed hypotheses and suggesting potential applications in the relevant field.
Discussion
The study conducted in a Moso bamboo forest in subtropical southeast China aimed to evaluate the effects of different nitrogen (N) fertilizers on soil methane (CH₄) uptake, soil properties, and microbial gene abundances over three years. The results indicated that traditional urea fertilizers (LowU and HighU) significantly reduced soil CH₄ uptake by 5.7% and 16%, respectively, in the first year, while biochar-based urea fertilizers (LowBU and HighBU) enhanced CH₄ uptake by 12% in the initial two years. This enhancement was attributed to improved soil aeration and increased labile carbon (C) supply from biochar, which stimulated methanotrophic activity. The study also found that while urea application increased ammonium (NH₄⁺) and nitrate (NO₃⁻) concentrations, it paradoxically suppressed CH₄ uptake, likely due to promoting methanogen growth and CH₄ production.
Soil physicochemical properties, such as water-soluble organic carbon (WSOC) and microbial biomass carbon (MBC), were influenced by fertilization treatments, with biochar-based urea maintaining higher WSOC levels and promoting methanotrophic gene abundances (pmoA) compared to urea. The pmoA/mcrA ratio, which is critical for regulating CH₄ flux, was adversely affected by urea but positively influenced by biochar-based urea. The findings suggest that biochar-based urea could serve as a sustainable alternative to traditional fertilizers, enhancing soil CH₄ uptake and potentially mitigating greenhouse gas emissions in bamboo agroecosystems and beyond.