DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-023-00296-w
تاريخ النشر: 2024-01-08
المؤلف: Wang Hu وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في آثار الفحم الحيوي والأسمدة العضوية على الميكروبيومات الوظيفية للتربة والوظائف المتعددة للنظام البيئي (EMF) من خلال تجربة ميدانية طويلة الأمد بدأت في عام 2013. شملت الدراسة خمسة علاجات للتسميد وقيمت 18 مؤشراً وظيفياً مرتبطاً بإنتاجية المحاصيل، وتوفير العناصر الغذائية في التربة، ودورات العناصر، والكتلة الحيوية الميكروبية. أظهرت النتائج أن كل من الفحم الحيوي والأسمدة العضوية عززت بشكل كبير وظائف النظام البيئي، مع زيادة EMF بنسبة 18.7-30.1% مقارنةً بالتسميد الكيميائي الفردي. ومن الجدير بالذكر أن التطبيق المشترك للفحم الحيوي والأسمدة العضوية حقق تحسينات أفضل في هذه المؤشرات، مما أثرى الأنواع الميكروبية المرتبطة بدورات الكربون (C) والنيتروجين (N) والفوسفور (P) والكبريت (S).
تكشف النتائج عن وجود علاقات قوية بين الميكروبيومات التربة ووظائف النظام البيئي الزراعي، مما يبرز دور درجة حموضة التربة وتوافر العناصر الغذائية في تنظيم هذه العلاقات. تستنتج الدراسة أن تطبيق الفحم الحيوي والأسمدة العضوية، خاصةً عند دمجهما، يمكن أن يعزز بشكل كبير وظائف النظام البيئي ووفرة المجموعات الميكروبية الوظيفية. تدعم هذه الدراسة دمج الفحم الحيوي في الممارسات الزراعية لتعزيز صحة التربة وخدمات النظام البيئي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم للتسميد في الإنتاج الزراعي، مع التأكيد على تأثيره على الميكروبات التربة ووظائف النظام البيئي. بينما يمكن أن تعزز الأسمدة المعدنية من غلة المحاصيل، فإن الإفراط في استخدامها على المدى الطويل يشكل مخاطر التلوث البيئي وتدهور التربة. في المقابل، تُقدم الأسمدة العضوية والفحم الحيوي كبدائل مفيدة تغني التربة بالمواد العضوية والعناصر الغذائية، مما يعزز النشاط الميكروبي ويعزز خدمات النظام البيئي. يشير المؤلفون إلى أن دمج الفحم الحيوي مع الأسمدة العضوية قد يؤدي إلى تحسينات أكبر في خصوبة التربة وإنتاجية المحاصيل مقارنةً بتطبيقاتها الفردية.
على الرغم من الأهمية المعترف بها للميكروبات التربة في العمليات البيئية المختلفة، فإن الأدبيات الحالية تفتقر إلى دراسات كافية حول الآثار المشتركة للفحم الحيوي والأسمدة العضوية على تعددية وظائف الأنظمة الزراعية. تحدد الورقة الأنواع الميكروبية الوظيفية الرئيسية المعنية بدورات الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت، والتي تعتبر حاسمة للحفاظ على وظائف النظام البيئي. يقترح المؤلفون فرضية مفادها أن التطبيقات المشتركة للفحم الحيوي والأسمدة العضوية ستعزز من وفرة هذه الميكروبات الوظيفية وتحسن تعددية وظائف النظام البيئي (EMF) بشكل أكثر فعالية من التطبيقات الفردية. تهدف الدراسة إلى التحقيق في هذه العلاقات من خلال تجربة ميدانية طويلة الأمد، باستخدام تقنية q-PCR عالية الإنتاجية لتقييم وفرة الجينات الوظيفية وتوظيف طرق بيئية متعددة لاستكشاف الروابط بين المجتمعات الميكروبية ووظائف النظام البيئي.
الطرق
أجريت الدراسة تجربة تحديد الموقع الميداني في مدينة ليويانغ، مقاطعة هونان، الصين، بدءًا من عام 2013، لتقييم آثار علاجات التسميد المختلفة على غلة المحاصيل. يتميز الموقع التجريبي بتربة طينية خفيفة، ويشهد متوسط هطول سنوي للأمطار يبلغ 1429 مم ودرجة حرارة تبلغ 24 ℃. تم تنفيذ خمسة علاجات: (1) التحكم بدون سماد (CK)، (2) سماد غير عضوي (CF)، (3) مزيج من السماد غير العضوي والفحم الحيوي (BF)، (4) مزيج من السماد غير العضوي وروث الخنازير (OF)، و(5) مزيج من OF مع الفحم الحيوي (BOF). تم تكرار كل علاج عبر ثلاث قطع بمساحة 4 م × 5 م، وتم تدوير المحاصيل بين الذرة والملفوف.
تم تطبيق نظام التسميد بشكل متسق طوال فترة التجربة، مع تحديد معدلات وأنواع الأسمدة في الملف الإضافي 1: الجدول S4. تمت إزالة بقايا المحاصيل بعد الحصاد للحفاظ على جودة التربة وسلامة التجربة. كان الهدف من هذا التصميم هو تقييم تأثير استراتيجيات التسميد المختلفة على أداء المحاصيل وصحة التربة على مدار فترة التجربة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل الذي تم إجراؤه. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون نتيجة للصدفة. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج اتجاهًا واضحًا في المجموعات التجريبية، حيث أظهرت المجموعة A تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنةً بالمجموعة B.
علاوة على ذلك، كشفت تحليل التباين (ANOVA) أن الفروق بين المجموعات كانت ذات دلالة إحصائية، مما يدعم الفرضية القائلة بأن التدخل كان له تأثير إيجابي. تشير حسابات حجم التأثير إلى تأثير متوسط إلى كبير، مما يدل على الأهمية العملية في النتائج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في المعرفة الحالية وتؤكد على الآثار المحتملة للبحث والتطبيقات المستقبلية في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، وُجد أن تطبيق الفحم الحيوي والأسمدة العضوية يعزز بشكل كبير وظائف النظام البيئي، بما في ذلك إنتاجية المحاصيل، وتخزين العناصر الغذائية في التربة، وأنشطة الإنزيمات. حسنت الإضافات من توافر العناصر الغذائية في التربة من خلال تحفيز الأنشطة الميكروبية وتغيير هياكل الجذور، مما زاد بدوره من الكتلة الحيوية للنباتات والغلة. على وجه التحديد، ساهم الفحم الحيوي والأسمدة العضوية في زيادة احتياطيات الكربون (C) والنيتروجين (N) والفوسفور (P) في التربة، مما يعزز من امتصاص العناصر الغذائية ويقلل من فقدانها. تشير النتائج إلى أن هذه الإضافات لا تعزز فقط أنشطة الإنزيمات في التربة المرتبطة بدورات العناصر الغذائية، ولكنها أيضًا تحسن من تعددية وظائف النظام البيئي (EMF) من خلال تعزيز المجتمعات الميكروبية المفيدة.
كما سلطت الدراسة الضوء على التأثيرات المختلفة للفحم الحيوي والأسمدة العضوية على الميكروبيومات الوظيفية للتربة. لوحظت زيادات ملحوظة في وفرة الميكروبات المتعلقة بتحلل الكربون، وثبات النيتروجين، والنترجة، مما يشير إلى أن هذه الإضافات تخلق ظروفًا ملائمة لنمو الميكروبات ونشاطها. استخدمت الدراسة طرق تحليلية متنوعة، بما في ذلك تحليل المكونات الرئيسية وتحليل الانحدار، لتوضيح العلاقات بين وظائف النظام البيئي ووفرة الميكروبات. أظهرت النتائج أن الأنواع الميكروبية المحددة المتعلقة بتحلل الكربون، والنترجة، ودورة الكبريت كانت مؤشرات هامة لتعدد وظائف النظام البيئي (EMF)، مما يبرز الدور الحاسم لمجتمعات الميكروبات التربة في تنظيم وظائف النظام البيئي. بشكل عام، ظهر أن التطبيق المشترك للفحم الحيوي والأسمدة العضوية هو استراتيجية واعدة لتعزيز صحة التربة وإنتاجية الزراعة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42773-023-00296-w
Publication Date: 2024-01-08
Author(s): Wang Hu et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This research investigates the effects of biochar and organic fertilizer on soil functional microbiomes and ecosystem multifunctionality (EMF) through a long-term field experiment initiated in 2013. The study involved five fertilization treatments and assessed 18 functional indicators related to crop productivity, soil nutrient supply, element cycling, and microbial biomass. Results indicated that both biochar and organic fertilizer significantly enhanced ecosystem functions, with EMF increasing by 18.7-30.1% compared to single-chemical fertilization. Notably, the combined application of biochar and organic fertilizer yielded superior improvements in these indicators, enriching microbial taxa associated with carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P), and sulfur (S) cycles.
The findings reveal strong correlations between soil microbiomes and agroecosystem functions, emphasizing the role of soil pH and nutrient availability in regulating these relationships. The study concludes that the application of biochar and organic fertilizer, particularly in combination, can significantly boost ecosystem functions and the abundance of functional microbial populations. This research supports the integration of biochar into agricultural practices to enhance soil health and ecosystem services.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of fertilization in agricultural production, emphasizing its impact on soil microorganisms and ecosystem functions. While mineral fertilizers can enhance crop yields, their long-term overuse poses risks of environmental pollution and soil degradation. In contrast, organic fertilizers and biochar are presented as beneficial alternatives that enrich soil with organic matter and nutrients, thereby promoting microbial activity and enhancing ecosystem services. The authors note that combining biochar with organic fertilizers may yield greater improvements in soil fertility and crop productivity compared to their individual applications.
Despite the recognized importance of soil microorganisms in various ecological processes, the current literature lacks sufficient studies on the combined effects of biochar and organic fertilizers on the multifunctionality of agroecosystems. The paper identifies key functional microbial taxa involved in carbon, nitrogen, phosphorus, and sulfur cycling, which are crucial for maintaining ecosystem functions. The authors propose a hypothesis that co-applications of biochar and organic fertilizers will enhance the abundance of these functional microbes and improve ecosystem multifunctionality (EMF) more effectively than single applications. The study aims to investigate these relationships through a long-term field experiment, utilizing high-throughput q-PCR to assess functional gene abundances and employing multiple ecological methods to explore the connections between microbial communities and ecosystem functions.
Methods
The study conducted a field localization experiment in Liuyang City, Hunan Province, China, starting in 2013, to evaluate the effects of various fertilization treatments on crop yield. The experimental site, characterized by light-loamy fluvo-aquic soil, experiences an average annual precipitation of 1429 mm and a temperature of 24 ℃. Five treatments were implemented: (1) control with no fertilizer (CK), (2) inorganic fertilizer (CF), (3) a combination of inorganic fertilizer and biochar (BF), (4) a mix of inorganic fertilizer and pig manure (OF), and (5) a combination of OF with biochar (BOF). Each treatment was replicated across three plots measuring 4 m × 5 m, and the crops were rotated between maize and cabbage.
The fertilization regime was consistently applied throughout the trial, with specific rates and types of fertilizers detailed in Additional file 1: Table S4. Crop residues were removed post-harvest to maintain soil quality and experimental integrity. This design aimed to assess the impact of different fertilization strategies on crop performance and soil health over the duration of the experiment.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis conducted. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Additionally, the results demonstrate a clear trend in the experimental groups, with Group A exhibiting a marked improvement in performance metrics compared to Group B.
Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) revealed that the differences among the groups were statistically significant, supporting the hypothesis that the intervention had a positive impact. The effect size calculations suggest a medium to large effect, indicating practical significance in the findings. Overall, these results contribute to the existing body of knowledge and underscore the potential implications for future research and applications in the field.
Discussion
In this study, the application of biochar and organic fertilizers was found to significantly enhance ecosystem functions, including crop productivity, soil nutrient storage, and enzyme activities. The amendments improved soil nutrient availability by stimulating microbial activities and altering root structures, which in turn increased plant biomass and yield. Specifically, biochar and organic fertilizers contributed to higher soil carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P) reserves, thereby promoting nutrient uptake and reducing nutrient losses. The findings suggest that these amendments not only enhance soil enzyme activities associated with nutrient cycling but also improve the overall ecosystem multifunctionality (EMF) by fostering beneficial microbial communities.
The research also highlighted the differential impacts of biochar and organic fertilizers on soil functional microbiomes. Notable increases in microbial abundances related to C degradation, N fixation, and nitrification were observed, indicating that these amendments create favorable conditions for microbial growth and activity. The study employed various analytical methods, including principal component analysis and regression analysis, to elucidate the relationships between ecosystem functions and microbial abundances. Results indicated that specific microbial taxa related to C degradation, nitrification, and S cycling were significant predictors of EMF, emphasizing the critical role of soil microbial communities in regulating ecosystem functions. Overall, the co-application of biochar and organic fertilizers emerged as a promising strategy for enhancing soil health and agricultural productivity.