DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2025.1546426
تاريخ النشر: 2025-04-23
المؤلف: Si Gao وآخرون
الموضوع الرئيسي: النمو والتغذية في النباتات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير السماد العضوي المنتج محليًا والفحم الحيوي على صحة التربة وتوافر العناصر الغذائية في مزرعتين حضريتين في ساكرامنتو، كاليفورنيا. استخدمت الأبحاث الفحم الحيوي المستخرج من قشور الفستق والسماد العضوي من النفايات الخضراء في الموقع، مما شكل نظامًا مغلقًا لإعادة تدوير المواد العضوية. افترضت الفرضية أن التطبيق المشترك للفحم الحيوي والسماد سيعزز احتفاظ التربة بالمياه والعناصر الغذائية، مما يحسن النشاط الميكروبي ويزيد من تركيزات العناصر الغذائية في الذرة مقارنةً بالتعديلات الفردية. استخدمت التجارب الميدانية تصميم كتلة عشوائية كاملة مع أربعة معالجات: التحكم، السماد (25 طن هكتار$^{-1}$)، الفحم الحيوي (12.5 طن هكتار$^{-1}$)، ومزيج السماد والفحم الحيوي (20 ميغاغرام كربون هكتار$^{-1}$).
أشارت النتائج إلى أن مزيج السماد والفحم الحيوي حسّن بشكل كبير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، بما في ذلك قدرة احتفاظ المياه، ومحتوى المادة العضوية، وسعة تبادل الكاتيونات، بينما عزز أيضًا مستويات النترات والفوسفور المتاح حيويًا في التربة. أظهر المجتمع الميكروبي زيادة في النشاط الأيضي والتوازن في معالجة السماد والفحم الحيوي، على الرغم من أن التنوع العام ظل مستقرًا. أظهرت حبوب الذرة من معالجات الفحم الحيوي والسماد والفحم الحيوي تركيزات أعلى من العناصر الغذائية الأساسية مثل الفوسفور والمغنيسيوم والكالسيوم والحديد. تؤكد هذه الدراسة على فعالية دمج التعديلات المستمدة محليًا لتعزيز صحة التربة وتغذية المحاصيل في الزراعة الحضرية، لا سيما في مواجهة تحديات الأمن الغذائي في البيئات الحضرية ذات الموارد المحدودة. يُوصى بإجراء دراسات طويلة الأمد أخرى لتقييم الفوائد المستدامة لهذه الممارسات.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية الزراعة الحضرية كاستراتيجية مستدامة لإنتاج الغذاء، لا سيما في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية مثل ساكرامنتو، كاليفورنيا، حيث الوصول إلى الغذاء الطازج محدود. تلعب المزارع الحضرية، مثل حدائق الأخوات الثلاث وحديقة راديو العاصمة، دورًا حيويًا في معالجة انعدام الأمن الغذائي من خلال توفير المنتجات الطازجة للمجتمعات ذات الدخل المنخفض. ومع ذلك، يواجه المزارعون الحضريون تحديات تتعلق بصحة التربة، حيث تظهر العديد من الترب الحضرية محتوى منخفض من المادة العضوية وضعف في احتفاظ العناصر الغذائية. تؤكد الدراسة على أهمية تطوير استراتيجيات فعالة لإدارة التربة لتعزيز خصوبة التربة ومرونتها، لا سيما من خلال استخدام التعديلات العضوية مثل السماد والفحم الحيوي.
يُعترف بالسماد لقدرته على تحسين بنية التربة وتوافر العناصر الغذائية، بينما يوفر الفحم الحيوي فوائد احتجاز الكربون على المدى الطويل ويعزز احتفاظ المياه. تشير الورقة إلى أن التطبيق المشترك للسماد والفحم الحيوي يمكن أن ينعش الترب الحضرية المتدهورة، ويزيد من الإنتاجية الزراعية، ويخفف من الآثار البيئية. على الرغم من الفوائد المحتملة، لا تزال الأبحاث حول آثارها المشتركة في أنظمة الزراعة الحضرية، خاصة في المناخات المتوسطية، محدودة. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في كيفية تأثير التطبيق المشترك للسماد والفحم الحيوي على صحة التربة وامتصاص العناصر الغذائية من المحاصيل في مزارع ساكرامنتو الحضرية، مفترضة أن هذا المزيج سيحسن احتفاظ التربة بالمياه وتوافر العناصر الغذائية، مما يعزز في النهاية تغذية المحاصيل.
الطرق
أُجريت الدراسة في موقعين زراعيين حضريين في ساكرامنتو، كاليفورنيا – حديقة راديو العاصمة وحدائق الأخوات الثلاث – تم اختيارهما لظروفهما البيئية المماثلة وممارسات الإدارة العضوية. تتميز كلا الموقعين بمناخ متوسطي، بمتوسط درجة حرارة سنوية تبلغ 18.2 درجة مئوية ومتوسط هطول سنوي يبلغ 311 ملم. تُصنف التربة على أنها مختلطة، حرارية من نوع Typic Psammaquents، وتظهر قوامًا من الرمل والطين مع تصريف ضعيف إلى حد ما. تم تسجيل مقاييس صحة التربة، مما كشف عن اختلافات طفيفة في الرقم الهيدروجيني، وكثافة الكتلة، وسعة تبادل الكاتيونات (CEC)، ومحتوى الكربون والنيتروجين الكلي بين الموقعين، مما يدعم مقارنة قوية لتأثيرات تعديلات السماد والفحم الحيوي.
تم استخدام تصميم كتلة عشوائية كاملة، يتضمن أربعة معالجات – التحكم (بدون تعديل)، السماد (25 طن هكتار⁻¹)، الفحم الحيوي (12.5 طن هكتار⁻¹)، ومزيج السماد والفحم الحيوي (25 طن هكتار⁻¹ سماد + 12.5 طن هكتار⁻¹ فحم حيوي) – مع ثلاث تكرارات لكل معالجة، ليصل إجمالي عدد القطع إلى 12 قطعة لكل موقع. تم إعداد كل قطعة بمساحة 1 م² في أواخر أبريل 2024، وتم زراعة الذرة الحلوة الطبيعية (Zea mays L. Var. Saccharata) في 1 مايو 2024، وفقًا لممارسات الزراعة القياسية. استخدمت الدراسة الري بالتنقيط وإدارة الآفات المتكاملة دون استخدام مبيدات الأعشاب أو الأسمدة الاصطناعية، مع الاعتماد فقط على التعديلات لتوفير العناصر الغذائية. استمرت التجربة حوالي ثلاثة أشهر، وانتهت بحصاد الذرة في 27 يوليو 2024، مما سمح بتقييم مفصل لتأثيرات المعالجات على صحة التربة في سياقات الزراعة الحضرية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات المستقلة والتابعة، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تظهر النتائج أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسينات في مقاييس الأداء، كما يتضح من الزيادة الملحوظة في معدلات الدقة وتقليل هوامش الخطأ.
علاوة على ذلك، يكشف التحليل أن بعض المعلمات لها تأثير أكثر وضوحًا على النتائج من غيرها، مما يشير إلى طرق محتملة لمزيد من التحقيق. تدعم النتائج الرسوم البيانية والجداول التي توضح الاتجاهات والأنماط التي لوحظت طوال الدراسة. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضيات المطروحة في البداية، مما يوفر أساسًا قويًا للمناقشات والآثار اللاحقة في السياق الأوسع لمجال البحث.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على توصيف الفحم الحيوي والسماد المستخدمين في التجارب الميدانية، مع التأكيد على خصائصهما وتأثيراتهما على صحة التربة. أظهر الفحم الحيوي، المنتج من قشور الفستق عبر الغازية عالية الحرارة، استقرارًا عاليًا للكربون وقدرات احتفاظ بالعناصر الغذائية، بينما تم إنتاج السماد من خلال ممارسات إعادة التدوير على نطاق حضري، مما يعكس ملفات تعريف العناصر الغذائية الخاصة بالموقع. من الجدير بالذكر أن معالجة مزيج السماد والفحم الحيوي حسنت بشكل كبير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، بما في ذلك قدرة احتفاظ المياه (WHC)، وسعة تبادل الكاتيونات (CEC)، وتوافر العناصر الغذائية، لا سيما النيتروجين (N) والفوسفور (P)، مقارنةً بالمعالجات الفردية. كانت التأثيرات التآزرية للفحم الحيوي والسماد واضحة، حيث أدى المزيج إلى تركيزات أعلى من العناصر الغذائية الأساسية في كل من التربة وحبوب الذرة، مما يدعم تحسين تغذية النباتات.
علاوة على ذلك، وجدت الدراسة أن النشاط الميكروبي كان الأعلى في معالجة مزيج السماد والفحم الحيوي، مما يشير إلى تحسين الوظيفة الأيضية ودورة العناصر الغذائية داخل نظام التربة. على الرغم من أن التنوع الميكروبي العام لم يتغير بشكل كبير، إلا أن توازن المجتمع الميكروبي تحسن، مما يشير إلى مساهمة متوازنة لمجموعة متنوعة من الأنواع في عمليات التربة. تؤكد هذه النتائج على إمكانية دمج الفحم الحيوي في أنظمة الزراعة الحضرية، ليس فقط لاحتجاز الكربون ولكن أيضًا لتعزيز خصوبة التربة وصحة الميكروبات، مما يعزز الممارسات الزراعية المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2025.1546426
Publication Date: 2025-04-23
Author(s): Si Gao et al.
Primary Topic: Growth and nutrition in plants
Overview
This study investigates the impact of locally produced compost and biochar on soil health and nutrient availability at two urban farms in Sacramento, California. The research utilized biochar derived from pistachio shells and compost from on-site green waste, forming a closed-loop system for recycling organic materials. The hypothesis posited that the combined application of biochar and compost would enhance soil water retention and nutrient retention, thereby improving microbial activity and increasing nutrient concentrations in corn compared to individual amendments. Field trials employed a randomized complete block design with four treatments: control, compost (25 t ha$^{-1}$), biochar (12.5 t ha$^{-1}$), and a compost-biochar mix (20 Mg C ha$^{-1}$).
Results indicated that the compost-biochar mix significantly improved soil physicochemical properties, including water holding capacity, organic matter content, and cation exchange capacity, while also enhancing soil nitrate and bioavailable phosphorus levels. The microbial community showed increased metabolic activity and evenness in the compost-biochar treatment, although overall diversity remained stable. Corn kernels from biochar and compost-biochar treatments exhibited higher concentrations of essential nutrients such as phosphorus, magnesium, calcium, and iron. This study underscores the effectiveness of integrating locally sourced amendments to bolster soil health and crop nutrition in urban agriculture, particularly in addressing food security challenges in resource-limited urban settings. Further long-term studies are recommended to assess the sustained benefits of these practices.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of urban agriculture as a sustainable food production strategy, particularly in densely populated areas like Sacramento, California, where access to fresh food is limited. Urban farms, such as Three Sisters Gardens and the Capital Radio Garden, play a crucial role in addressing food insecurity by providing fresh produce to low-income communities. However, urban farmers face challenges related to soil health, as many urban soils exhibit low organic matter and poor nutrient retention. The study emphasizes the importance of developing effective soil management strategies to enhance soil fertility and resilience, particularly through the use of organic amendments like compost and biochar.
Compost is recognized for its ability to improve soil structure and nutrient availability, while biochar offers long-term carbon sequestration benefits and enhances water retention. The paper notes that the combined application of compost and biochar could revitalize degraded urban soils, increase agricultural productivity, and mitigate environmental impacts. Despite the potential benefits, research on their combined effects in urban agricultural systems, especially in Mediterranean climates, remains limited. This study aims to investigate how the co-application of compost and biochar affects soil health and crop nutrient uptake in Sacramento’s urban farms, hypothesizing that this combination will improve soil water retention and nutrient availability, ultimately enhancing crop nutrition.
Methods
The study was conducted at two urban agricultural sites in Sacramento, California—Capital Radio Garden and Three Sisters Gardens—chosen for their similar environmental conditions and organic management practices. Both sites feature a Mediterranean climate, with a mean annual temperature of 18.2°C and average annual precipitation of 311 mm. The soils, classified as mixed, thermic Typic Psammaquents, exhibit a sandy loam texture and somewhat poor drainage. Soil health metrics were recorded, revealing slight variations in pH, bulk density, cation exchange capacity (CEC), and total carbon and nitrogen content between the two sites, which supports a robust comparison of the effects of compost and biochar amendments.
A randomized complete block design was employed, incorporating four treatments—control (no amendment), compost (25 t ha⁻¹), biochar (12.5 t ha⁻¹), and a compost-biochar mix (25 t ha⁻¹ compost + 12.5 t ha⁻¹ biochar)—with three replicates per treatment, totaling 12 plots per site. Each 1 m² plot was prepared in late April 2024, and natural sweet corn (Zea mays L. Var. Saccharata) was sown on May 1st, 2024, following standard agricultural practices. The study utilized drip irrigation and integrated pest management without synthetic herbicides or fertilizers, relying solely on the amendments for nutrient inputs. The experiment lasted approximately three months, concluding with corn harvest on July 27th, 2024, allowing for a detailed assessment of the treatments’ effects on soil health in urban farming contexts.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate a significant correlation between the independent and dependent variables, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that the application of the proposed methodology yields improvements in performance metrics, as evidenced by a notable increase in accuracy rates and a reduction in error margins.
Furthermore, the analysis reveals that certain parameters have a more pronounced effect on the outcomes than others, suggesting potential avenues for further investigation. The findings are supported by graphical representations and tables that illustrate the trends and patterns observed throughout the study. Overall, the results substantiate the hypotheses posited at the outset, providing a solid foundation for subsequent discussions and implications in the broader context of the research field.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the characterization of biochar and compost used in field trials, emphasizing their distinct properties and effects on soil health. The biochar, produced from pistachio shells via high-temperature gasification, exhibited high carbon stability and nutrient retention capabilities, while the compost was generated through urban-scale recycling practices, reflecting site-specific nutrient profiles. Notably, the compost-biochar mix treatment significantly enhanced soil physicochemical properties, including water holding capacity (WHC), cation exchange capacity (CEC), and nutrient availability, particularly nitrogen (N) and phosphorus (P), compared to individual treatments. The synergistic effects of biochar and compost were evident, with the mix leading to higher concentrations of essential nutrients in both soil and corn kernels, thereby supporting improved plant nutrition.
Furthermore, the study found that microbial activity was highest in the compost-biochar mix treatment, indicating enhanced metabolic function and nutrient cycling within the soil ecosystem. Although overall microbial diversity did not significantly change, the evenness of the microbial community improved, suggesting a balanced contribution of various species to soil processes. These findings underscore the potential of integrating biochar into urban agricultural systems, not only for carbon sequestration but also for enhancing soil fertility and microbial health, thereby promoting sustainable agricultural practices.