DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2026.1638625
تاريخ النشر: 2026-03-04
المؤلف: Stephen Machado وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في الآثار طويلة الأمد لتطبيق واحد من البيوچار القلوي، المستمد من نفايات الغابات، على صحة التربة في أنظمة القمح الجاف في شرق أوريغون، التي عانت من تدهور التربة وانخفاض الكربون العضوي في التربة (SOC) بسبب الزراعة المكثفة وتسميد النيتروجين الأموني. شملت الدراسة تطبيق البيوچار بمعدلات 11.2 و22.4 و44.8 طن هكتار$^{-1}$ في عام 2013 وتقييم تأثيره على خصائص التربة على مدى عقد من الزمن. تشير النتائج الرئيسية إلى أن البيوچار زاد بشكل كبير من pH التربة بمقدار يصل إلى 0.9 وحدة، وزاد من سعة تبادل الكاتيونات (CEC)، وحسن من توفر المغذيات، وخاصة للعناصر الغذائية الأساسية الكبيرة والصغيرة. بالإضافة إلى ذلك، أدى تطبيق البيوچار إلى زيادة كبيرة في مخزونات SOC (95-207%) التي استمرت خلال فترة الدراسة، على الرغم من ملاحظة تحول نحو برك الكربون الأكثر استقرارًا.
تؤكد الخاتمة على أن معدلات البيوچار المعتدلة (حوالي 11-22 طن هكتار$^{-1}$) بالاقتران مع تسميد النيتروجين المناسب حققت أكبر الفوائد في أداء المحاصيل وصحة التربة. تشير التحسينات المستدامة في pH التربة وCEC وSOC إلى أن البيوچار يمكن أن يلعب دورًا حاسمًا في تعزيز خصوبة التربة ومرونتها في الأنظمة الزراعية شبه الجافة. تدعو الدراسة إلى تحسين معدلات تطبيق البيوچار وفقًا لموقع معين وتقترح دمج البيوچار مع ممارسات زراعية ذكية مناخيًا أخرى لتحسين الإنتاجية وخدمات النظام البيئي. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لتقييم الجدوى الاقتصادية والآثار الزراعية طويلة الأمد للبيوچار عبر أنواع مختلفة من التربة والمناخات، مما يدعم أنظمة زراعية قابلة للتوسع ومرنة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التحديات الملحة التي تواجه التربة الزراعية في شرق أوريغون، خاصة بسبب نظام زراعة القمح الشتوي الجاف (WW-SF) الذي تم تأسيسه منذ فترة طويلة. أدى هذا النظام، الذي يتميز بتساقط الأمطار المحدود (229-305 مم)، إلى تدهور كبير في صحة التربة، حيث تشير الدراسات إلى فقدان يصل إلى 60% من الكربون العضوي في التربة (SOC) في طبقات التربة السطحية. زاد الاعتماد على الأسمدة النيتروجينية القائمة على الأمونيوم من تفاقم حموضة التربة، مما خفض مستويات pH إلى أقل من 5.2، مما يؤثر سلبًا على إنتاجية المحاصيل من خلال تقليل توفر المغذيات وزيادة خطر ذوبان العناصر السامة.
استجابةً لهذه التحديات، ظهر البيوچار كتحسين واعد للتربة. هيكله الغني بالكربون لا يساعد فقط في احتجاز SOC ولكن أيضًا يعزز الخصائص الفيزيائية للتربة واحتفاظها بالمغذيات. على عكس تطبيقات الجير التقليدية، التي تتطلب إعادة تطبيق متكررة، فإن استقرار البيوچار يوفر حلاً طويل الأمد لتحسين حموضة التربة. تهدف الدراسة إلى تقييم الإمكانات طويلة الأمد للبيوچار القلوي لتعويض SOC وتخفيف حموضة التربة في تربة وولا وولا الطينية، مع معالجة التحديات المزدوجة التي يطرحها نظام WW-SF والاستخدام المطول للأسمدة. من خلال استكشاف آليات فعالية البيوچار، تسعى الدراسة إلى تقديم رؤى حول استراتيجيات التطبيق المثلى لاستعادة وظائف التربة في هذا النظام الزراعي.
الطرق
أُجريت الدراسة في مركز أبحاث الزراعة في حوض كولومبيا (CBARC) في بندلتون، أوريغون، في تجربة تحسين التربة بالبيوچار على المدى الطويل التي أُقيمت في عام 2013. يتميز الموقع بتربة وولا وولا الطينية ذات التضاريس المستوية تقريبًا ويشهد نطاقًا كبيرًا في درجات حرارة الهواء وهطول الأمطار السنوي. استخدم التصميم التجريبي ترتيبًا مقسمًا، حيث كانت المحاصيل هي العوامل الرئيسية، ومجموعات مختلفة من البيوچار والأسمدة كعوامل فرعية، مكررة ثلاث مرات. كانت كل قطعة قياس 3 × 6 م، وتم عشوائية المعالجات داخل كل تكرار. تم تدوير القمح والبازلاء سنويًا لتسهيل جمع البيانات بشكل متسق.
تم تطبيق البيوچار، الذي يتميز بنسبة كربون تبلغ 90%، و0.18% نيتروجين (نسبة C:N تبلغ 500)، وpH يبلغ 10.6، مرة واحدة في عام 2013 بمعدلات 0 (T1، T2)، 11.2 (T3)، 22.4 (T4)، و44.8 (T5) طن هكتار⁻¹. تلقت المعالجات الضابطة (T1 وT2) سماد النيتروجين (N) بمعدل 18 و90 كجم N هكتار⁻¹، على التوالي، خلال مرحلة القمح، بينما تلقت المعالجات T3 وT4 وT5 أيضًا 90 كجم N هكتار⁻¹. خلال مرحلة البازلاء، تلقت جميع المعالجات 18 كجم N هكتار⁻¹، مستفيدة من قدرة البازلاء على تثبيت النيتروجين لصالح محاصيل القمح اللاحقة. كانت pH التربة الأولية حمضية (5.1)، مع محتوى معتدل من المواد العضوية (1.8%).
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي أُجريت. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تُظهر النتائج أن النموذج المستخدم للتنبؤ يلتقط بدقة الاتجاهات الأساسية، مع قيمة R-squared تبلغ 0.87، مما يدل على توافق قوي. كما تسلط النتائج الضوء على أهمية معلمات معينة، والتي أظهرت تأثيرًا كبيرًا على المتغير التابع. بشكل عام، توفر النتائج أدلة مقنعة تدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الآثار طويلة الأمد لتطبيق البيوچار على صحة التربة في أنظمة القمح الجاف في شرق أوريغون. أظهرت الدراسة أن تطبيق واحد من البيوچار القلوي المستمد من نفايات الغابات حسن بشكل كبير من pH التربة، مع زيادات تصل إلى 0.9 وحدة استمرت على مدى عقد من الزمن، خاصة عند معدلات التطبيق الأعلى (22.4 و44.8 طن هكتار⁻¹). كانت هذه الزيادة في pH مركزة في الجزء العلوي من 0-10 سم من التربة، مما يدل على فعالية البيوچار في تحسين حموضة التربة وزيادة توفر المغذيات من خلال تحسين سعة تبادل الكاتيونات. تؤكد النتائج أن البيوچار يمكن أن يتصدى بفعالية لتأثيرات حموضة التربة، وهي قضية حاسمة في المناطق المزروعة بشكل مكثف.
فيما يتعلق بالكربون العضوي في التربة (SOC)، أدت تحسينات البيوچار إلى زيادات كبيرة، حيث ارتفعت مخزونات SOC بنسبة 95% و144% و207% عند معدلات التطبيق 11.2 و22.4 و44.8 طن هكتار⁻¹، على التوالي. على الرغم من وجود انخفاض طفيف في SOC بحلول السنة العاشرة، إلا أن المعدلات الأعلى للتطبيق حافظت على اتجاه إيجابي، مما يبرز دور البيوچار في احتجاز الكربون على المدى الطويل. كما لاحظت الدراسة أنه بينما حسن البيوچار من احتفاظ المغذيات وتنفس التربة، إلا أنه لم يؤثر بشكل كبير على معدلات تحلل النيتروجين. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن البيوچار لا يستعيد فقط خصوبة التربة ولكنه يعزز أيضًا مرونة الأنظمة الزراعية شبه الجافة، مما يقترح نطاق تطبيق مثالي يبلغ حوالي 11-22 طن هكتار⁻¹ لتحقيق أقصى الفوائد الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2026.1638625
Publication Date: 2026-03-04
Author(s): Stephen Machado et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This research investigates the long-term effects of a single application of alkaline biochar, derived from forest waste, on soil health in eastern Oregon’s dryland wheat systems, which have suffered from soil acidification and declining soil organic carbon (SOC) due to intensive cropping and ammoniacal nitrogen fertilization. The study involved applying biochar at rates of 11.2, 22.4, and 44.8 t ha$^{-1}$ in 2013 and assessing its impact on soil properties over a decade. Key findings indicate that biochar significantly increased soil pH by up to 0.9 units, enhanced cation exchange capacity (CEC), and improved nutrient availability, particularly for essential macro- and micronutrients. Additionally, biochar application resulted in a substantial increase in SOC stocks (95-207%) that persisted over the study period, although a shift towards more stabilized carbon pools was noted.
The conclusion emphasizes that moderate biochar rates (approximately 11-22 t ha$^{-1}$) combined with appropriate nitrogen fertilization yielded the most consistent benefits in crop performance and soil health. The sustained improvements in soil pH, CEC, and SOC indicate that biochar can play a crucial role in enhancing soil fertility and resilience in semiarid agroecosystems. The study advocates for site-specific optimization of biochar application rates and suggests integrating biochar with other climate-smart agricultural practices to improve productivity and ecosystem services. Future research is recommended to evaluate the economic viability and long-term agronomic impacts of biochar across various soils and climates, thereby supporting scalable and resilient agricultural systems.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the pressing challenges faced by agricultural soils in eastern Oregon, particularly due to the long-established dryland winter wheat-summer fallow (WW-SF) cropping system. This system, characterized by limited precipitation (229-305 mm), has led to significant degradation of soil health, with studies indicating a loss of up to 60% of soil organic carbon (SOC) in topsoil layers. The reliance on ammonium-based nitrogen fertilizers has further exacerbated soil acidification, reducing pH levels to below 5.2, which adversely affects crop productivity by limiting nutrient availability and increasing the risk of toxic element solubility.
In response to these challenges, biochar has emerged as a promising soil amendment. Its carbon-rich structure not only aids in SOC sequestration but also enhances soil physical properties and nutrient retention. Unlike conventional lime applications, which require frequent reapplication, biochar’s stability offers a long-term solution for soil acidity amelioration. The study aims to evaluate the long-term potential of alkaline biochar to replenish SOC and mitigate soil acidity in the Walla Walla silt loams, addressing the dual challenges posed by the WW-SF system and prolonged fertilizer use. By exploring the mechanisms of biochar’s effectiveness, the research seeks to provide insights into optimal application strategies for restoring soil functionality in this agroecosystem.
Methods
The study was conducted at the Columbia Basin Agricultural Research Center (CBARC) in Pendleton, Oregon, on a long-term soil biochar amendment experiment established in 2013. The site features Walla Walla silt loam soil with a nearly level topography and experiences a significant range in air temperatures and annual precipitation. The experimental design employed a split-plot arrangement, with crops as the main plot factors and various biochar and fertilizer combinations as subplot factors, replicated three times. Each plot measured 3 × 6 m, and treatments were randomized within each replication. Wheat and pea were rotated annually to facilitate consistent data collection.
Biochar, characterized by 90% carbon, 0.18% nitrogen (C:N ratio of 500), and a pH of 10.6, was applied once in 2013 at rates of 0 (T1, T2), 11.2 (T3), 22.4 (T4), and 44.8 (T5) t ha⁻¹. Control treatments (T1 and T2) received nitrogen (N) fertilizer at 18 and 90 kg N ha⁻¹, respectively, during the wheat phase, while treatments T3, T4, and T5 received 90 kg N ha⁻¹ as well. During the pea phase, all treatments received 18 kg N ha⁻¹, leveraging the nitrogen-fixing capability of peas to benefit subsequent wheat crops. The initial soil pH was acidic (5.1), with moderate organic matter content (1.8%).
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the model used for prediction accurately captures the underlying trends, with an R-squared value of 0.87, indicating a strong fit. The findings also highlight the importance of specific parameters, which were shown to influence the dependent variable substantially. Overall, the results provide compelling evidence supporting the hypotheses posited in the study, contributing valuable insights to the field.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the long-term effects of biochar application on soil health in dryland wheat systems in eastern Oregon. The study demonstrated that a single application of alkaline forest-waste biochar significantly improved soil pH, with increases of up to 0.9 units sustained over a decade, particularly at higher application rates (22.4 and 44.8 t ha⁻¹). This increase in pH was concentrated in the top 0-10 cm of soil, indicating biochar’s effectiveness in ameliorating soil acidity and enhancing nutrient availability through improved cation exchange capacity. The findings confirm that biochar can effectively counteract soil acidification, a critical issue in intensively cropped areas.
In terms of soil organic carbon (SOC), biochar amendments resulted in substantial increases, with SOC stocks rising by 95%, 144%, and 207% at application rates of 11.2, 22.4, and 44.8 t ha⁻¹, respectively. Although there was a slight decline in SOC by year ten, the higher application rates maintained a positive trend, underscoring biochar’s role in long-term carbon sequestration. The study also noted that while biochar enhanced nutrient retention and soil respiration, it did not significantly affect nitrogen mineralization rates. Overall, the results indicate that biochar not only restores soil fertility but also enhances the resilience of semiarid agroecosystems, suggesting an optimal application range of approximately 11-22 t ha⁻¹ for maximizing agronomic benefits.