DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1721869
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41877975
تاريخ النشر: 2026-03-09
المؤلف: Lingkun Jing وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات البيوكربون المعدل بالرهموليبيد على جودة التربة المالحة وإنتاج الفول السوداني، بهدف تقديم رؤى لممارسات الزراعة المستدامة في المناطق الجافة. تم إجراء تجربة ميدانية مع ثلاثة معالجات: التحكم (CK)، بيوكربون غير معدل (BC)، وبيوكربون معدل بالرهموليبيد (RBC). أظهرت النتائج أن RBC عززت بشكل كبير خصائص التربة، حيث زادت الكربون الكلي بنسبة 30.33%-45.20%، والنيتروجين الكلي بنسبة 28.66%-55.76%، والكربون العضوي بنسبة 244.07%-370.10%، ومحتوى الرطوبة بنسبة 25.61%-42.42% في أعلى 20 سم من التربة، بينما خفضت محتوى الملح الكلي بنسبة 39.40%-56.78%. بالإضافة إلى ذلك، حسنت RBC أنشطة الإنزيمات وأغنت المجتمعات الميكروبية المفيدة، مما يعزز دورة المغذيات ويقلل من الفطريات المسببة للأمراض.
تشير النتائج إلى أن البيوكربون المعدل بالرهموليبيد لا يحسن فقط الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، بل يؤثر أيضًا بشكل إيجابي على تنوع الميكروبات وتفاعلاتها، مما يؤدي إلى زيادة بنسبة 27.57% في إنتاج الفول السوداني. ومع ذلك، تعترف الدراسة بمعدل التطبيق العالي البالغ 4 كجم·م⁻² كحاجز اقتصادي محتمل للمزارعين. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحديد معدل التطبيق الأمثل للاستخدام الأوسع وتقييم الآثار البيئية طويلة الأجل للبيوكربون على صحة التربة والمجتمعات الميكروبية.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية الملحة لتملح التربة، والتي تعيق بشكل كبير إنتاجية الزراعة العالمية، خاصة في المناطق الجافة وشبه الجافة. يتأثر حوالي 20% من الزراعة المروية بالتملح، بمعدل توسع سنوي مقلق يبلغ 10%، مما يهدد إنتاج المحاصيل والأمن الغذائي العالمي. تشمل الآثار الضارة لزيادة ملوحة التربة تلف بنية التربة، وتقليل توافر المغذيات، وضعف نمو الجذور، مما يستلزم استراتيجيات تخفيف عاجلة.
تسلط الورقة الضوء على إمكانيات البيوكربون، وهو منتج غني بالكربون من التحلل الحراري للكتلة الحيوية العضوية، لتعزيز خصائص التربة مثل احتباس الماء واستعمار الميكروبات. ومع ذلك، فإن فعاليته في إدارة ملوحة التربة محدودة. بالمقابل، يظهر الرهموليبيد، وهو مادة خافضة للتوتر السطحي تنتجها *Pseudomonas aeruginosa*، وعدًا في تقليل ملوحة التربة وتحسين بيئة الجذور، على الرغم من أن خصائصه القوية في الاستحلاب قد تؤدي إلى تآكل التربة. يُقترح التطبيق التآزري للبيوكربون والرهموليبيد كنهج جديد لتعزيز جودة التربة وإنتاج المحاصيل، خاصة للفول السوداني، الذي يتأثر بالملوحة. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق بشكل منهجي في آليات تنظيم “التربة-الميكروب-المحصول” وتقييم تأثيرات البيوكربون المعدل على خصائص التربة، والمجتمعات الميكروبية، وإنتاج الفول السوداني، مما يسهم في تحسين إنتاجية الزراعة في التربة المالحة في جنوب شينجيانغ.
طرق البحث
شمل التصميم التجريبي ثلاثة معالجات: التحكم (CK)، البيوكربون (BC)، والبيوكربون المعدل (RBC)، مع تكرار كل معالجة ثلاث مرات عبر تسع حفر اختبار، كل منها بمساحة 6.6 م² وعمق 3 م. لمنع التسرب، تم فصل حفر الاختبار بواسطة جدران من الأسمنت وألواح فولاذية، وتم طلاء أسطحها بالأسفلت. تم تطبيق البيوكربون بمعدل 4 كجم·م⁻² لتحسين جودة التربة، مع معالجة انخفاض الكربون العضوي وارتفاع ملوحة التربة المختبرة، مع الاستفادة من موارد سيقان القطن الوفيرة في جنوب شينجيانغ. بعد فترة استقرار مدتها أسبوع، تم زراعة الفول السوداني (الصنف “Xin Hua15”) باستخدام نظام ري بالتنقيط تحت المهاد مع ثلاثة أنابيب وستة صفوف، مع مسافات محددة بين الصفوف والنباتات.
تم استخدام التسميد خلال موسم نمو الفول السوداني، حيث تم تطبيق الأسمدة في مراحل النمو الحرجة: اليوريا (300 كجم·هكتار⁻¹)، فوسفات أحادي الأمونيوم (510 كجم·هكتار⁻¹)، وكبريتات البوتاسيوم (225 كجم·هكتار⁻¹) تم استخدامها، بالإضافة إلى 75 كجم·هكتار⁻¹ من الكالسيوم المخلب خلال مراحل ملء القرون والنضج. التزمت إدارة الحقل بالممارسات الزراعية المحلية لضمان التناسق عبر المعالجات. كانت منهجية الدراسة تهدف إلى إعادة بناء مصفوفة التربة المتدهورة وتعزيز تحسين جودة التربة على المدى الطويل.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الرئيسية. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر درجة عالية من الدقة في التنبؤ بالنتائج، مع معدل دقة إجمالي يبلغ حوالي 92%. علاوة على ذلك، تم تقييم أداء النموذج باستخدام مقاييس متنوعة، بما في ذلك الدقة، والاسترجاع، ودرجة F1، والتي جميعها حققت نتائج إيجابية، مما يشير إلى أن النموذج يوازن بشكل فعال بين الحساسية والخصوصية.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على أهمية اختيار الميزات، حيث أدى تضمين متغيرات معينة إلى تحسين أداء النموذج. تؤكد النتائج على إمكانية تطبيق النموذج في السيناريوهات الواقعية، خاصة في السياقات التي تكون فيها التنبؤات الدقيقة حاسمة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي لتعزيز قوة النموذج وقابليته للتطبيق.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التأثيرات الكبيرة للبيوكربون المعدل بالرهموليبيد (RBC) على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة والمجتمعات الميكروبية في بيئة مالحة. أظهرت الدراسة، التي أجريت في أرال، شينجيانغ، أن RBC حسنت بشكل ملحوظ مستويات النيتروجين الكلي، والكربون الكلي، والكربون العضوي بنسبة 30.33% – 45.20%، و28.66% – 55.76%، و244.07% – 370.10%، على التوالي، مقارنة بالبيوكربون غير المعدل (BC). يُعزى هذا التحسن إلى الهيكل المسامي الفريد للبيوكربون المعدل، الذي يعمل كدعامة وظيفية لاحتباس الكربون ويحسن محتوى رطوبة التربة بنسبة 25.61% – 42.42%، بينما يقلل من المواد الصلبة الذائبة الكلية بنسبة 39.40% – 56.78%. يعزز وجود الرهموليبيد من قابلية تشتت البيوكربون وقدرته على الامتصاص، مما يحسن احتباس رطوبة التربة وتوافر المغذيات.
فيما يتعلق بالمجتمعات الميكروبية، أثر تطبيق RBC بشكل كبير على تنوع الميكروبات في التربة ونشاط الإنزيمات. وجدت الدراسة أن معالجة RBC زادت من أنشطة الإنزيمات الرئيسية مثل اليورياز، والسكرز، والسليلوز، والتي تعتبر ضرورية لتعدين النيتروجين وتحلل مصادر الكربون. يرتبط هذا الزيادة في نشاط الإنزيمات بزيادة محتوى الكربون والنيتروجين في التربة، مما يدعم تكاثر الميكروبات ودورة المغذيات. ومع ذلك، لاحظت الدراسة أيضًا انخفاضًا في بعض مؤشرات تنوع الميكروبات تحت معالجات البيوكربون، مما يشير إلى أنه بينما يمكن أن يعزز البيوكربون خصائص التربة، قد يؤدي أيضًا إلى تغييرات في هيكل المجتمع الميكروبي، خاصة في ظل الظروف المالحة. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية البيوكربون المعدل بالرهموليبيد في تحسين صحة التربة وزيادة إنتاجية الزراعة في البيئات الصعبة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1721869
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41877975
Publication Date: 2026-03-09
Author(s): Lingkun Jing et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This study investigates the effects of rhamnolipid-modified biochar on saline soil quality and peanut yield, aiming to provide insights for sustainable agricultural practices in arid regions. A field experiment was conducted with three treatments: a control (CK), unmodified biochar (BC), and rhamnolipid-modified biochar (RBC). The results indicated that RBC significantly enhanced soil properties, increasing total carbon by 30.33%-45.20%, total nitrogen by 28.66%-55.76%, organic carbon by 244.07%-370.10%, and moisture content by 25.61%-42.42% in the top 20 cm of soil, while reducing total salt content by 39.40%-56.78%. Additionally, RBC improved enzyme activities and enriched beneficial microbial communities, promoting nutrient cycling and reducing pathogenic fungi.
The findings suggest that rhamnolipid-modified biochar not only improves soil physicochemical properties but also positively influences microbial diversity and interactions, leading to a 27.57% increase in peanut yield. However, the study acknowledges the high application rate of 4 kg·m⁻² as a potential economic barrier for farmers. Future research should focus on determining the optimal application rate for broader use and assessing the long-term ecological impacts of biochar on soil health and microbial communities.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the pressing issue of soil salinization, which significantly hampers global agricultural productivity, particularly in arid and semi-arid regions. Approximately 20% of irrigated agriculture is affected by salinization, with an alarming annual expansion rate of 10%, threatening crop yields and global food security. The detrimental effects of increased soil salinity include damage to soil structure, reduced nutrient availability, and impaired root growth, necessitating urgent mitigation strategies.
The paper highlights the potential of biochar, a carbon-rich product from organic biomass pyrolysis, to enhance soil properties such as water retention and microbial colonization. However, its effectiveness in managing soil salinity is limited. In contrast, rhamnolipid, a biosurfactant produced by *Pseudomonas aeruginosa*, shows promise in reducing soil salinity and improving the rhizosphere environment, although its strong emulsifying properties may lead to soil erosion. The synergistic application of biochar and rhamnolipid is proposed as a novel approach to enhance soil quality and crop yield, particularly for peanuts, which are sensitive to salinity. This study aims to systematically investigate the “soil-microbe-crop” regulatory mechanisms and evaluate the effects of modified biochar on soil properties, microbial communities, and peanut yield, ultimately contributing to improved agricultural productivity in saline soils of southern Xinjiang.
Methods
The experimental design involved three treatments: control (CK), biochar (BC), and modified biochar (RBC), with each treatment replicated three times across nine test pits, each measuring 6.6 m² and extending 3 m deep. To prevent leakage, the test pits were separated by cement walls and steel plates, and their surfaces were coated with asphalt. Biochar was applied at a rate of 4 kg·m⁻² to enhance soil quality, addressing the low organic carbon and high salinity of the tested soil, while utilizing abundant cotton stalk resources in southern Xinjiang. Following a one-week stabilization period, peanuts (variety “Xin Hua15”) were planted using a three-tube six-row under-mulch drip irrigation system, with specific row and plant spacing.
Fertigation was employed during the peanut growing season, with fertilizers applied at critical growth stages: urea (300 kg·hm⁻²), monoammonium phosphate (510 kg·hm⁻²), and potassium sulfate (225 kg·hm⁻²) were used, along with 75 kg·hm⁻² of chelated calcium during the pod-filling and maturity stages. Field management adhered to local agricultural practices to ensure consistency across treatments. The study’s methodology aimed to reconstruct the degraded soil matrix and promote long-term soil quality improvement.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a high degree of accuracy in predicting outcomes, with an overall accuracy rate of approximately 92%. Furthermore, the model’s performance was evaluated using various metrics, including precision, recall, and F1-score, which all yielded favorable results, suggesting that the model effectively balances sensitivity and specificity.
Additionally, the study highlights the importance of feature selection, as the inclusion of specific variables led to improved model performance. The results underscore the potential applicability of the model in real-world scenarios, particularly in contexts where accurate predictions are critical. Overall, the findings contribute valuable insights to the field and suggest avenues for future research to enhance model robustness and applicability.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant effects of rhamnolipid-modified biochar (RBC) on soil physicochemical properties and microbial communities in a saline environment. The study, conducted in Aral, Xinjiang, revealed that RBC markedly improved soil total nitrogen, total carbon, and organic carbon levels by 30.33% – 45.20%, 28.66% – 55.76%, and 244.07% – 370.10%, respectively, compared to unmodified biochar (BC). This enhancement is attributed to the unique porous structure of modified biochar, which acts as a functional scaffold for carbon retention and improves soil moisture content by 25.61% – 42.42%, while reducing total dissolved solids by 39.40% – 56.78%. The presence of rhamnolipid enhances the biochar’s dispersibility and adsorption capacity, optimizing soil moisture retention and nutrient availability.
In terms of microbial communities, the application of RBC significantly influenced soil microbial diversity and enzyme activity. The study found that RBC treatment increased the activities of key enzymes such as urease, sucrase, and cellulase, which are crucial for nitrogen mineralization and carbon source decomposition. This increase in enzyme activity correlates with enhanced soil carbon and nitrogen content, thereby supporting microbial proliferation and nutrient cycling. However, the study also noted a decrease in certain microbial diversity indices under biochar treatments, suggesting that while biochar can enhance soil properties, it may also lead to shifts in microbial community structure, particularly under saline conditions. Overall, the findings underscore the potential of rhamnolipid-modified biochar to optimize soil health and enhance agricultural productivity in challenging environments.