DOI: https://doi.org/10.5194/soil-12-187-2026
تاريخ النشر: 2026-03-09
المؤلف: Marijn Van de Broek وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير إضافات الموارد العضوية على استقرار الكربون العضوي في التربة (SOC) في النظم الزراعية الاستوائية، تحديدًا من خلال تجارب ميدانية طويلة الأمد في كينيا. تركز الدراسة على آثار إضافة سماد المزرعة أو الكتلة الحيوية لنبات تيثونيا ديفيرسيفوليا بمعدل 4 طن كربون لكل هكتار في السنة على مدى 16 إلى 19 عامًا في أنظمة زراعة الذرة الأحادية. تشير النتائج إلى أنه بينما أدت إضافة الموارد العضوية إلى زيادات متغيرة في مخزونات الكربون العضوي المرتبط بالمعادن (MAOC) في التربة الرملية (25%-40% من MAOC في التربة السطحية مستمدة من تيثونيا)، كان التأثير ضئيلًا في التربة الطينية (0.5%-12%). من الجدير بالذكر أن معدل الاستقرار العام للكتلة الحيوية المضافة من تيثونيا كان أقل من 7%، مما يترجم إلى معدل استقرار SOC يتراوح بين 0.8-27 جرام كربون لكل متر مربع في السنة.
تشير النتائج إلى أنه في التربة الطينية، كان تقليل خسائر SOC ناتجًا بشكل أساسي عن الحفاظ على SOC الأصلي بدلاً من استقرار الكربون العضوي المضاف. على العكس من ذلك، أظهرت التربة الرملية مساهمة أكبر من الموارد العضوية المستقرة في الحد من خسائر SOC. من المهم أن نلاحظ أنه لم يتم ملاحظة تغييرات كبيرة في مخزونات MAOC في طبقات التربة السفلية (عمق 15-50 سم)، ولم يؤثر التسميد بالنيتروجين المعدني على مخزونات MAOC في أي موقع. تسلط الدراسة الضوء على التحديات التي تواجه تعزيز صحة التربة في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وتؤكد على الحاجة إلى مزيد من البحث لتقييم الاستقرار طويل الأمد للموارد العضوية في التربة الاستوائية المتآكلة بشدة، حيث يبدو أن معدلات استقرار SOC أقل من تلك التي لوحظت في النظم الزراعية المعتدلة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم للكربون العضوي في التربة (SOC) في توفير خدمات النظام البيئي الأساسية، مثل تنظيم المناخ والإنتاج الأولي. على الرغم من أهميته، أدت التغيرات في استخدام الأراضي البشرية، وخاصة تحويل النظم البيئية الطبيعية إلى الزراعة، إلى خسائر كبيرة في SOC في كل من التربة السطحية والتربة السفلية. وقد دفع ذلك إلى إجراء أبحاث تهدف إلى عكس هذه الخسائر وتعزيز تخزين SOC، خاصة في التربة القابلة للزراعة. ومع ذلك، لا تزال جدوى تحقيق احتجاز SOC كبير وطويل الأمد محل نقاش، خاصة بالنظر إلى أن الكثير من المعرفة الحالية مستمدة من المناطق المعتدلة، مما يترك فجوة في فهم آثار الممارسات الزراعية في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى (SSA).
تحدد الورقة سؤالين رئيسيين للبحث بشأن استقرار SOC في SSA: مدى استقرار SOC من خلال الروابط المعدنية وتأثير إضافة الموارد العضوية على مخزونات SOC تحت طبقة الحراثة. من الجدير بالذكر أنه بينما أظهرت ممارسات مثل التطبيق المشترك للموارد العضوية والأسمدة المعدنية أنها تعزز غلة المحاصيل، فإنها غالبًا لا تحافظ على مخزونات SOC بمرور الوقت في SSA. تهدف الدراسة إلى معالجة هذه الأسئلة من خلال تحليل عينات التربة من تجارب زراعية طويلة الأمد في كينيا، مع التركيز على آثار الموارد العضوية المختلفة والأسمدة النيتروجينية المعدنية على SOC المستقر في كل من التربة السطحية والتربة السفلية. تقترح الفرضيات أن إضافة المواد العضوية المستمرة ستعزز مخزونات SOC، خاصة في التربة الطينية، بينما تفحص أيضًا الآثار طويلة الأمد على تراكم SOC تحت طبقة الحراثة. تسعى هذه الدراسة إلى المساهمة في التخفيف من تغير المناخ وتحسين صحة التربة في المناطق الاستوائية.
الطرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتناول المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم إعداد التجربة، بما في ذلك ظروف التحكم والمتغيرات التي تم التلاعب بها خلال الدراسة. من الضروري Establishing the validity of the findings and ensuring that the results can be attributed to the experimental interventions rather than confounding factors. بشكل عام، يعمل هذا القسم كدليل شامل لتكرار الدراسة وفهم سياق النتائج التي تم الحصول عليها.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من الورقة البحثية النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين في النتائج المقاسة، مع حساب أحجام التأثير لتكون معتدلة إلى كبيرة، مما يشير إلى الأهمية العملية.
علاوة على ذلك، توضح التمثيلات الرسومية للبيانات الاتجاهات التي تدعم الفرضيات المطروحة في الدراسة. تشمل النتائج أيضًا مقارنة بين مقاييس ما قبل وما بعد التدخل، مما يظهر تحسينًا ملحوظًا في الأداء أو السلوك بين المشاركين المعنيين. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في المعرفة الحالية وتقترح آثارًا محتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني.
المناقشة
تحققت الدراسة من آثار الموارد العضوية المختلفة والأسمدة النيتروجينية المعدنية (N) على ديناميات الكربون العضوي في التربة (SOC) وغلة الذرة عبر أربعة تجارب زراعية طويلة الأمد في كينيا. تم جمع عينات التربة من مواقع ذات قوام تربة مختلف—طينية ورملية—على مدى ثلاثة أعماق (0-15 سم، 15-30 سم، و30-50 سم). شملت التجارب علاجات مثل التحكم الذي يحتوي فقط على الكربون العضوي المستمد من الجذور، وعلاج سماد نيتروجيني معدني، وعلاجي موارد عضوية باستخدام تيثونيا ديفيرسيفوليا وسماد المزرعة، كلاهما بمعدل 4 طن كربون لكل هكتار في السنة. أشارت النتائج إلى أنه بينما كانت غلات الذرة والكتلة الحيوية فوق الأرض أعلى بشكل ملحوظ في علاجات الموارد العضوية مقارنة بالتحكم، كان هناك انخفاض عام في تركيز الكربون العضوي في التربة السطحية عبر معظم العلاجات على مدى مدة الدراسة. من الجدير بالذكر أن علاج سماد المزرعة أظهر أقل فقدان للكربون العضوي في التربة السطحية، بينما أظهر علاج التحكم أعلى الخسائر.
تراوحت قيم pH للتربة من 4.5 إلى 6.5، وكانت آثار العلاج على pH غير متسقة عبر المواقع. وجدت الدراسة أن الغالبية العظمى من SOC كانت موجودة في جزء المادة العضوية المرتبطة بالمعادن (MAOM)، مع مساهمات متباينة من MAOM في إجمالي SOC عبر مواقع مختلفة. لم تؤد إضافة الموارد العضوية إلى تحسين موحد في مخزونات الكربون العضوي الجزيئي (POC) أو مخزونات MAOM في التربة السطحية، خاصة في التربة الرملية، حيث لم يتم ملاحظة اختلافات كبيرة. في التربة الطينية، أظهرت بعض العلاجات زيادة في مخزونات POC وMAOM، لكن هذه الآثار لم تكن متسقة عبر جميع المواقع. بشكل عام، تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن أن تحسن الإضافات العضوية من إنتاجية الذرة، فإن تأثيرها على استقرار SOC في التربة السطحية متغير ويتأثر بقوام التربة وعوامل أخرى محددة بالموقع.
DOI: https://doi.org/10.5194/soil-12-187-2026
Publication Date: 2026-03-09
Author(s): Marijn Van de Broek et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This research investigates the impact of organic resource amendments on soil organic carbon (SOC) stabilization in tropical agroecosystems, specifically through long-term field trials in Kenya. The study focuses on the effects of adding farmyard manure or Tithonia diversifolia biomass at a rate of 4 t C ha\(^{-1}\) yr\(^{-1}\) over 16 to 19 years in maize monocropping systems. Results indicate that while the addition of organic resources led to variable increases in mineral-associated organic carbon (MAOC) stocks in sandy soils (25%-40% of topsoil MAOC derived from Tithonia), the impact was minimal in clayey soils (0.5%-12%). Notably, the overall stabilization rate of added Tithonia biomass was below 7%, translating to a SOC stabilization rate of 0.8-27 g C m\(^{-2}\) yr\(^{-1}\).
The findings suggest that in clayey soils, the reduction of SOC losses was primarily due to the preservation of native SOC rather than the stabilization of added organic carbon. Conversely, sandy soils exhibited a more significant contribution from stabilized organic resources to limiting SOC losses. Importantly, no significant changes in MAOC stocks were observed in subsoil layers (15-50 cm depth), and mineral nitrogen fertilization did not influence MAOC stocks at any site. The study highlights the challenges of enhancing soil health in sub-Saharan Africa and emphasizes the need for further research to evaluate the long-term stabilization of organic resources in highly weathered tropical soils, as the rates of SOC stabilization appear to be lower than those observed in temperate agroecosystems.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of soil organic carbon (SOC) in providing essential ecosystem services, such as climate regulation and primary production. Despite its importance, anthropogenic land use changes, particularly the conversion of natural ecosystems to agriculture, have resulted in significant SOC losses in both topsoil and subsoil. This has prompted research aimed at reversing these losses and enhancing SOC storage, particularly in arable soils. However, the feasibility of achieving substantial and long-term SOC sequestration remains debated, especially given that much of the existing knowledge is derived from temperate regions, leaving a gap in understanding the effects of agricultural practices in sub-Saharan Africa (SSA).
The paper identifies two key research questions regarding SOC stabilization in SSA: the extent to which SOC is stabilized through mineral associations and the influence of organic resource addition on SOC stocks below the plough layer. Notably, while practices such as the combined application of organic resources and mineral fertilizers have shown to enhance crop yields, they often do not maintain SOC stocks over time in SSA. The study aims to address these questions by analyzing soil samples from long-term agricultural trials in Kenya, focusing on the effects of different organic resources and mineral nitrogen fertilizers on stabilized SOC in both topsoil and subsoil. The hypotheses suggest that continuous organic matter addition will enhance SOC stocks, particularly in clayey soils, while also examining the long-term effects on SOC accumulation below the plough layer. This research seeks to contribute to climate change mitigation and improve soil health in tropical regions.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental setup, including control conditions and variables manipulated during the study. It is crucial for establishing the validity of the findings and ensuring that the results can be attributed to the experimental interventions rather than confounding factors. Overall, this section serves as a comprehensive guide for replicating the study and understanding the context of the results obtained.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. The data indicates a significant correlation between the variables studied, 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 intervention applied led to an improvement in the measured outcomes, with effect sizes calculated to be moderate to large, indicating practical significance.
Furthermore, graphical representations of the data illustrate trends that support the hypotheses posited in the study. The results also include a comparison of pre- and post-intervention metrics, showcasing a marked enhancement in performance or behavior among the subjects involved. Overall, these findings contribute to the existing body of knowledge and suggest potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
The study investigated the effects of various organic resources and mineral nitrogen (N) fertilizers on soil organic carbon (SOC) dynamics and maize yield across four long-term agricultural field trials in Kenya. Soil samples were collected from sites with differing soil textures—clayey and sandy—over three depth intervals (0-15 cm, 15-30 cm, and 30-50 cm). The trials included treatments such as a control with only root-derived organic carbon, a mineral N fertilizer treatment, and two organic resource treatments using Tithonia diversifolia and farmyard manure, both at a rate of 4 t C ha⁻¹ yr⁻¹. Results indicated that while maize yields and aboveground biomass were significantly higher in organic resource treatments compared to controls, there was a general decline in topsoil organic carbon concentration across most treatments over the study duration. Notably, the FYM treatment exhibited the least loss of topsoil organic carbon, while the control treatment showed the highest losses.
Soil pH values ranged from 4.5 to 6.5, with treatment effects on pH being inconsistent across sites. The study found that the majority of SOC was present in the mineral-associated organic matter (MAOM) fraction, with varying contributions of MAOM to total SOC across different sites. The addition of organic resources did not uniformly enhance particulate organic carbon (POC) or MAOM stocks in the topsoil, particularly in sandy soils, where no significant differences were observed. In clayey soils, some treatments showed increased POC and MAOM stocks, but these effects were not consistent across all sites. Overall, the findings suggest that while organic amendments can improve maize productivity, their impact on stabilizing SOC in the topsoil is variable and influenced by soil texture and other site-specific factors.