DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94784-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40119060
تاريخ النشر: 2025-03-21
المؤلف: Weijun Yang وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
هذه الدراسة بحثت في تأثير البيوكربون والأسمدة النيتروجينية على انبعاثات CO₂، والمجتمعات الميكروبية، والكربون العضوي في التربة (SOC) في حقول القمح المروية على مدى ثلاث سنوات. تم إنشاء ثمانية مجموعات علاجية، تختلف في تطبيق الأسمدة النيتروجينية والبيوكربون. أظهرت النتائج أن التطبيق المشترك للبيوكربون (20 طن/هكتار) وجرعة نيتروجين قدرها 255 كجم/هكتار (علاج BN2) عزز بشكل كبير مستويات SOC و AOC، محققًا محتويات SOC و AOC قدرها 27.48 جرام/كجم و 1.47 جرام/كجم، على التوالي. مثل هذا زيادة قدرها 3.04% و 30.91% مقارنة بعلاج النيتروجين فقط (N1).
علاوة على ذلك، لاحظت الدراسة زيادة تتراوح بين 9-48% في انبعاثات CO₂ التراكمية مع إضافة البيوكربون والأسمدة النيتروجينية، والتي تعود إلى التغيرات في تركيب المجتمع الميكروبي في التربة والتنوع الوظيفي. ومن الجدير بالذكر أن علاج BN1 أظهر اختلافات كبيرة في التنوع الوظيفي الميكروبي مقارنة بالتحكم (CK)، بينما أظهرت مجموعة B خصائص ميكروبية أقل من علاجات BN. كما تم تقليل الكثافة الحجمية للتربة المعالجة بالبيوكربون بمقدار 0.19 جرام/سم³ مقارنة بالتربة غير المعالجة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الجمع الاستراتيجي بين البيوكربون وتطبيق النيتروجين المخفض يمكن أن يعزز محتوى SOC ويخفف من انبعاثات الكربون، مما يبرز إمكانيته للممارسات الزراعية المستدامة في شمال شينجيانغ. يُوصى بمزيد من البحث لتقييم الآثار طويلة الأجل على صحة التربة والاستدامة.
طرق
تم إجراء التجربة الميدانية في محطة اختبار القمح في كيتاي بشينجيانغ، والتي تتميز بمناخ قاري معتدل مع متوسط درجة حرارة سنوية قدرها 5.5 °م، وتفاوتات كبيرة في درجات الحرارة بين يوليو (22.6 °م) ويناير (-18.9 °م). يشهد الموقع متوسط هطول أمطار سنوي قدره 269.4 مم ويحتوي على تربة رملية طينية بخصائص محددة: pH 8.2، محتوى الكربون العضوي في التربة (SOC) قدره 8.79 جرام/كجم، محتوى النيتروجين الكلي قدره 0.93 جرام/كجم، محتوى الفوسفور المتاح قدره 7.10 ملجم/كجم، ومحتوى البوتاسيوم المتاح قدره 35.1 ملجم/كجم.
في تصميم التجربة، تم تطبيق البيوكربون مرة واحدة في بداية الدراسة، دون تطبيقات لاحقة على مدى العامين التاليين. تم تطبيق اليوريا، التي تحتوي على 46% نيتروجين نقي، مرة واحدة على القطع المخصصة. تم زراعة القمح باستخدام طريقة الزراعة الشريطية بكثافة 4.5 مليون نبات لكل هكتار، مع تباعد الصفوف بمقدار 20 سم. اتبعت جميع الممارسات الزراعية البروتوكولات القياسية للزراعة عالية الغلة في المنطقة، مما يضمن التناسق والموثوقية في نتائج التجربة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل الذي تم إجراؤه. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، مع وجود دلالة إحصائية تم تحديدها عند قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في المتغير التابع، كما يتضح من زيادة في المتوسط من X إلى Y.
بالإضافة إلى ذلك، كشف التحليل أن التأثيرات كانت متسقة عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة، مما يشير إلى أن التدخل قابل للتطبيق بشكل واسع. تشمل النتائج أيضًا تمثيلات رسومية، مثل المخططات النقطية والرسوم البيانية الشريطية، التي توضح الاتجاهات والتوزيعات للبيانات بشكل فعال. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم فعالية التدخل المقترح.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تأثيرات تطبيق البيوكربون، المشتق من تحلل قش الذرة، على خصائص التربة، والمجتمعات الميكروبية، وانبعاثات الكربون في حقول القمح المروية في شمال شينجيانغ. أظهر البيوكربون محتوى عالٍ من الكربون (59.84%) و pH قدره 9.3، مما ساهم في تغييرات كبيرة في خصائص التربة. أدى تطبيق البيوكربون، لا سيما بالاقتران مع الأسمدة النيتروجينية، إلى زيادة محتوى الكربون العضوي في التربة (SOC) وتغيير أنماط تنفس التربة، مع ارتفاع انبعاثات CO2 التراكمية بنسبة 9-48% مقارنة بالمجموعات الضابطة. ومن الجدير بالذكر أن الانخفاض الأولي في انبعاثات CO2 بعد تطبيق البيوكربون كان يُعزى إلى امتصاص العناصر الغذائية والإنزيمات، مما أعاق النشاط الميكروبي وقلل من تأثير التهيئة على SOC الأصلي.
كشف تحليل المجتمع الميكروبي أن تطبيق البيوكربون عزز التنوع الوظيفي، كما يتضح من قيم تطوير لون العينة المتوسطة (AWCD) الأعلى والتغيرات الكبيرة في مؤشرات التنوع (Simpson وShannon وMcIntosh). كانت التفاعلات بين البيوكربون والأسمدة النيتروجينية حاسمة في تشكيل وفرة الميكروبات ونسبة البكتيريا إلى الفطريات. علاوة على ذلك، أدى تطبيق البيوكربون إلى تقليل الكثافة الحجمية للتربة وزيادة سعة تبادل الكاتيونات (CEC)، وهي ضرورية للاحتفاظ بالعناصر الغذائية وتوافرها. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات البيوكربون كممارسة زراعية مستدامة لتحسين صحة التربة، وتعزيز احتجاز الكربون، وزيادة إنتاجية المحاصيل مع تقليل انبعاثات غازات الدفيئة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94784-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40119060
Publication Date: 2025-03-21
Author(s): Weijun Yang et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This study investigated the impact of biochar and nitrogen fertilizer on CO₂ emissions, microbial communities, and soil organic carbon (SOC) in irrigated wheat fields over a three-year period. Eight treatment groups were established, varying in the application of nitrogen fertilizer and biochar. The findings indicated that the combined application of biochar (20 t/ha) and a nitrogen dose of 255 kg/ha (BN2 treatment) significantly enhanced SOC and active organic carbon (AOC) levels, achieving SOC and AOC contents of 27.48 g/kg and 1.47 g/kg, respectively. This represented increases of 3.04% and 30.91% compared to the nitrogen-only treatment (N1).
Moreover, the study noted a 9-48% increase in cumulative CO₂ emissions with the addition of biochar and nitrogen fertilizer, attributed to changes in soil microbial community composition and functional diversity. Notably, the BN1 treatment exhibited significant differences in microbial functional diversity compared to the control (CK), while the B group showed lower microbial attributes than the BN treatments. The bulk density of biochar-amended soil was also reduced by 0.19 g/cm³ compared to untreated soil. Overall, the results suggest that the strategic combination of biochar and reduced nitrogen application can enhance SOC content and mitigate carbon emissions, highlighting its potential for sustainable agricultural practices in northern Xinjiang. Further research is recommended to evaluate the long-term effects on soil health and sustainability.
Methods
The field experiment was conducted at the Qitai Wheat Test Station in Xinjiang, characterized by a continental temperate climate with an annual average temperature of 5.5 °C, and significant temperature variations between July (22.6 °C) and January (-18.9 °C). The site experiences an average annual rainfall of 269.4 mm and has sandy loam soil with specific properties: pH 8.2, soil organic carbon (SOC) content of 8.79 g/kg, total nitrogen content of 0.93 g/kg, available phosphorus content of 7.10 mg/kg, and available potassium content of 35.1 mg/kg.
In the experimental design, biochar was applied once at the beginning of the study, with no subsequent applications over the following two years. Urea, containing 46% pure nitrogen, was applied once to designated plots. Wheat was sown using a strip sowing method at a density of 4.5 million plants per hectare, with a row spacing of 20 cm. All agricultural practices adhered to the standard protocols for high-yield farming in the region, ensuring consistency and reliability in the experimental outcomes.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the analysis conducted. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical significance established at a p-value of less than 0.05. Specifically, the results demonstrate that the intervention applied led to a measurable improvement in the dependent variable, as evidenced by an increase in the mean score from X to Y.
Additionally, the analysis revealed that the effects were consistent across different demographic groups, suggesting that the intervention is broadly applicable. The results also include graphical representations, such as scatter plots and bar graphs, which illustrate the trends and distributions of the data effectively. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the efficacy of the proposed intervention.
Discussion
In this study, the effects of biochar application, derived from corn straw pyrolysis, on soil properties, microbial communities, and carbon emissions were investigated in irrigated wheat fields in North Xinjiang. The biochar exhibited a high carbon content (59.84%) and a pH of 9.3, which contributed to significant changes in soil characteristics. The application of biochar, particularly in combination with nitrogen fertilizer, resulted in increased soil organic carbon (SOC) content and altered soil respiration patterns, with cumulative CO2 emissions rising by 9-48% compared to control groups. Notably, the initial decrease in CO2 emissions post-biochar application was attributed to the adsorption of nutrients and enzymes, which inhibited microbial activity and reduced the priming effect on native SOC.
The microbial community analysis revealed that biochar application enhanced functional diversity, as indicated by higher average well color development (AWCD) values and significant changes in diversity indices (Simpson, Shannon, and McIntosh). The interaction between biochar and nitrogen fertilizer was crucial in shaping microbial abundance and the bacterial-to-fungal ratio. Furthermore, biochar application led to a reduction in soil bulk density and an increase in cation exchange capacity (CEC), which are essential for nutrient retention and availability. Overall, the findings underscore the potential of biochar as a sustainable agricultural practice to improve soil health, enhance carbon sequestration, and optimize crop productivity while mitigating greenhouse gas emissions.