DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1727035
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41568038
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Xiaoxiao Gao وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الكربون والنيتروجين في التربة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار تطبيق سماد البيوجاز على منطقة الجذور في زراعة أشجار الحور، مع التركيز على ديناميات المجتمع الميكروبي وملفات المستقلبات. باستخدام تسلسل عالي الإنتاجية وعلوم المستقلبات غير المستهدفة، قيمت الأبحاث التربة المعالجة بتركيزات مختلفة من سماد البيوجاز (غير المعالج، منخفض: 250 م³ هكتار⁻¹ سنة⁻¹، مرتفع: 375 م³ هكتار⁻¹ سنة⁻¹). كشفت النتائج أن سماد البيوجاز حسن بشكل كبير من خصوبة التربة من خلال زيادة مستويات النيتروجين الكلي (TN) والفوسفور المتاح (AP). ومن الجدير بالذكر أن العلاج كان له تأثير أكثر وضوحًا على غنى المجتمع البكتيري مقارنة بالمجتمعات الفطرية. أشار التحليل المستقلباتي إلى انخفاض في الأحماض العضوية وزيادة في النيوكليوزيدات والنيوكليوتيدات والسكر والأسترات في تربة منطقة الجذور، مع وجود مستقلبات مختلفة مرتبطة بشكل أساسي بمسارات استقلاب الأحماض الأمينية والدهون والكربوهيدرات والأحماض النووية.
تسلط استنتاجات الدراسة الضوء على أن سماد البيوجاز بتركيز منخفض يعزز تجنيد الميكروبات المفيدة وينظم المستقلبات في منطقة الجذور بشكل أكثر فعالية، مما يشكل خطرًا بيئيًا أقل مقارنةً بالتركيزات العالية، التي قد تؤدي إلى تلوث المعادن الثقيلة وغزو مسببات الأمراض. أظهر تحليل شبكة التعايش تفاعلًا معقدًا بين المجتمعات البكتيرية وخصائص التربة والمستقلبات، مع وجود ارتباطات كبيرة بين النيوكليوتيدات وكبح مسببات الأمراض الموجودة في التربة. بشكل عام، توفر الأبحاث رؤى حول الآليات التي تحكم التفاعلات في منطقة الجذور استجابةً لسماد البيوجاز، مما يقدم تداعيات قيمة لممارسات التسميد المستدام في الغابات.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الدور الحاسم للتسميد في إدارة الغابات، مع تسليط الضوء بشكل خاص على الفوائد والعيوب المرتبطة بالأسمدة الكيميائية وسماد البيوجاز. بينما تحفز الأسمدة الكيميائية نمو النباتات بشكل فعال، فإن استخدامها على المدى الطويل يمكن أن يؤدي إلى تدهور التربة، بما في ذلك فقدان الكربون العضوي في التربة (SOC) وزيادة القابلية للإصابة بالآفات والأمراض. بالمقابل، يُقدم سماد البيوجاز، المشتق من النفايات العضوية، كبديل مستدام يغني التربة بالعناصر الغذائية الأساسية ويعزز هياكل المجتمعات الميكروبية، مما يعزز نمو النباتات وصحة التربة.
تحدد الورقة التفاعلات المعقدة داخل منطقة الجذور، حيث تتقارب جذور النباتات ومكونات التربة والميكروبات، مما يؤثر على العمليات البيوجيوكيميائية. وتؤكد على أهمية المستقلبات في منطقة الجذور، التي تعتبر حاسمة لتطور النباتات ونشاط الميكروبات. تهدف الدراسة إلى التحقيق في كيفية تأثير تركيزات مختلفة من سماد البيوجاز على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للتربة، وتنوع الميكروبات، وملفات المستقلبات في زراعة أشجار الحور، خاصة خلال ذروة نمو الجذور. يفترض الباحثون أن تطبيق سماد البيوجاز سيؤدي إلى تحسينات كبيرة في صحة التربة وخصوبتها، مع تأثيرات تعتمد على التركيز، مما يوفر في النهاية رؤى لممارسات التسميد الأكثر استدامة في الغابات.
طرق البحث
أُجريت الدراسة في مزرعة غابات تقع بالقرب من غابة البحر الأصفر في مقاطعة جيانغسو، الصين، تغطي مساحة تقارب 12.6 هكتار. يتميز الموقع بمناخ موسمي شبه استوائي مع متوسط درجة حرارة سنوية يبلغ 13.7 درجة مئوية وهطول أمطار سنوي يبلغ 1,051 مم. تُصنف التربة على أنها مروج رملية مملحة مع درجة حموضة قلوية قليلاً (~8). تم تنفيذ تصميم كتلي عشوائي، يتكون من ثلاثة كتل مكررة، مع تقسيم كل كتلة إلى ثلاثة قطع معالجة (20 × 20 م) تفصل بينها 500 م، وزُرعت أشجار الحور (Populus deltoids cv. ‘I-35’) بمسافة 5 × 5 م.
شملت المعالجات التجريبية، التي بدأت في عام 2012، تطبيق سماد البيوجاز بتركيزات مختلفة: مجموعة تحكم (Con)، تركيز منخفض (250 م³ هكتار⁻¹ سنة⁻¹)، وتركيز مرتفع (375 م³ هكتار⁻¹ سنة⁻¹)، تم تطبيقها في مايو وأغسطس وأكتوبر من كل عام. تم توثيق الخصائص الفيزيائية والكيميائية لسماد البيوجاز، وجُمعت عينات التربة من هامش منطقة الجذور (0-20 سم) من زراعة أشجار الحور في أبريل 2019 لمزيد من التحليل. يتم تقديم الخصائص التفصيلية الأولية للتربة وخصائص سماد البيوجاز في الجداول التكميلية S1 وS2، على التوالي.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تظهر النتائج أن المتغير X يؤثر بشكل كبير على المتغير Y، كما يتضح من قيمة p التي تقل عن 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المرجح أن تكون بسبب الصدفة.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن القسم تمثيلات رسومية للبيانات، توضح الاتجاهات والأنماط التي تدعم بشكل أكبر الفرضيات المطروحة في الدراسة. تساهم النتائج في مجموعة المعرفة الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تعزز الأطر النظرية، وتقترح تداعيات محتملة للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية في المجال المعني.
المناقشة
يسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على آثار تطبيق سماد البيوجاز على الخصائص الفيزيائية والكيميائية والمجتمعات الميكروبية لتربة منطقة الجذور في زراعة أشجار الحور. وجدت الدراسة أن سماد البيوجاز زاد بشكل كبير من مستويات النيتروجين (N) والفوسفور (P) بينما قلل من نسبة الكربون إلى النيتروجين (C/N)، مما يشير إلى تحسين خصوبة التربة. ومع ذلك، أدت التركيزات العالية من سماد البيوجاز إلى انخفاض في كربون الكتلة الميكروبية (MBC)، ربما بسبب وجود مواد ضارة مثل المعادن الثقيلة أو المضادات الحيوية في السماد. كان لتطبيق سماد البيوجاز بتركيز منخفض تأثير ملحوظ على تعزيز غنى البكتيريا دون التأثير بشكل كبير على تنوع الفطريات، مما يشير إلى أن البكتيريا تستخدم العناصر الغذائية المتاحة بسرعة، بينما قد تكون الفطريات أكثر تخصصًا في تحلل المواد العضوية المعقدة.
كشف تحليل تركيب المجتمع الميكروبي أن تطبيق سماد البيوجاز زاد من وفرة الفصائل البكتيرية المفيدة مثل Acidobacteriota وChloroflexi، والتي تعتبر مهمة لدورة العناصر الغذائية. بالمقابل، انخفضت وفرة Bacteroidetes وGemmatimonadetes، التي تشارك في تحلل المواد العضوية، على الأرجح بسبب البيئة الغنية بالعناصر الغذائية التي أنشأها السماد. كما أظهرت المجتمع الفطري تحولات كبيرة، مع زيادة في الفطر المعزز لنمو النباتات Mortierella وانخفاض في Geopora، وهو فطر متعايش مع الجذور. تؤكد هذه النتائج على التفاعلات المعقدة بين تطبيق سماد البيوجاز وديناميات المجتمع الميكروبي وصحة التربة، مما يشير إلى أنه بينما يمكن أن يعزز سماد البيوجاز توفر العناصر الغذائية، يجب إدارة تركيزه لتجنب الآثار الضارة على تنوع الميكروبات ووظيفتها.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1727035
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41568038
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Xiaoxiao Gao et al.
Primary Topic: Soil Carbon and Nitrogen Dynamics
Overview
This study investigates the effects of biogas slurry application on the rhizosphere of poplar plantations, focusing on microbial community dynamics and metabolite profiles. Using high-throughput sequencing and untargeted metabolomics, the research assessed soil treated with varying concentrations of biogas slurry (untreated, low: 250 m³ ha⁻¹ yr⁻¹, high: 375 m³ ha⁻¹ yr⁻¹). Findings revealed that biogas slurry significantly improved soil fertility by increasing total nitrogen (TN) and available phosphorus (AP) levels. Notably, the treatment had a more pronounced impact on bacterial community richness than on fungal communities. The metabolomic analysis indicated a decrease in organic acids and an increase in nucleosides, nucleotides, saccharides, and esters in the rhizosphere soil, with differential metabolites primarily linked to amino acid, lipid, carbohydrate, and nucleic acid metabolism pathways.
The study’s conclusions highlight that low-concentration biogas slurry enhances beneficial microbial recruitment and regulates rhizosphere metabolites more effectively, posing a lower ecological risk compared to high concentrations, which may lead to heavy metal contamination and pathogen invasion. Co-occurrence network analysis demonstrated a complex interplay between bacterial communities, soil properties, and metabolites, with significant correlations between nucleotides and the suppression of soil-borne pathogens. Overall, the research provides insights into the mechanisms governing rhizosphere interactions in response to biogas slurry, offering valuable implications for sustainable fertilization practices in forestry.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the critical role of fertilization in forest management, particularly highlighting the benefits and drawbacks of chemical fertilizers and biogas slurry. While chemical fertilizers effectively stimulate plant growth, their long-term use can lead to soil degradation, including the loss of soil organic carbon (SOC) and increased vulnerability to pests and diseases. In contrast, biogas slurry, derived from organic waste, is presented as a sustainable alternative that enriches soil with essential nutrients and enhances microbial community structures, thereby promoting plant growth and soil health.
The paper outlines the complex interactions within the rhizosphere, where plant roots, soil components, and microorganisms converge, influencing biogeochemical processes. It emphasizes the significance of rhizosphere metabolites, which are crucial for plant development and microbial activity. The study aims to investigate how varying concentrations of biogas slurry affect soil physicochemical properties, microbial diversity, and metabolite profiles in poplar plantations, particularly during peak root development. The researchers hypothesize that biogas slurry application will lead to significant improvements in soil health and fertility, with effects that are concentration-dependent, ultimately providing insights for more sustainable fertilization practices in forestry.
Methods
The study was conducted at a forest farm located near the Yellow Sea Forest in Jiangsu Province, China, covering an area of approximately 12.6 hectares. The site features a subtropical monsoon climate with an average annual temperature of 13.7 °C and annual precipitation of 1,051 mm. The soil is characterized as desalted sandy loam meadow with a slightly alkaline pH (~8). A random block design was implemented, consisting of three replicated blocks, with each block divided into three treatment plots (20 × 20 m) spaced 500 m apart, and poplar trees (Populus deltoids cv. ‘I-35’) planted at a spacing of 5 × 5 m.
The experimental treatments, initiated in 2012, involved the application of biogas slurry at varying concentrations: a control group (Con), a low concentration (250 m³ ha⁻¹ yr⁻¹), and a high concentration (375 m³ ha⁻¹ yr⁻¹), administered in May, August, and October each year. The physicochemical properties of the biogas slurry were documented, and soil samples from the rhizosphere margin (0-20 cm) of the poplar plantation were collected in April 2019 for further analysis. Detailed initial soil characteristics and biogas slurry properties are provided in Supplementary Tables S1 and S2, respectively.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable X significantly influences variable Y, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance.
Additionally, the section includes graphical representations of the data, illustrating trends and patterns that further support the hypotheses posited in the study. The findings contribute to the existing body of knowledge by providing empirical evidence that reinforces theoretical frameworks, and they suggest potential implications for future research and practical applications in the relevant field.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the effects of biogas slurry application on the physicochemical properties and microbial communities of rhizosphere soil in poplar plantations. The study found that biogas slurry significantly increased nitrogen (N) and phosphorus (P) levels while reducing the carbon-to-nitrogen (C/N) ratio, indicating improved soil fertility. However, high concentrations of biogas slurry led to a decrease in microbial biomass carbon (MBC), potentially due to the presence of harmful substances like heavy metals or antibiotics in the slurry. The application of low-concentration biogas slurry notably enhanced bacterial richness without significantly affecting fungal diversity, suggesting that bacteria rapidly utilize available nutrients, while fungi may be more specialized in decomposing complex organic matter.
The analysis of microbial community composition revealed that biogas slurry application increased the abundance of beneficial bacterial phyla such as Acidobacteriota and Chloroflexi, which are important for nutrient cycling. Conversely, the abundance of Bacteroidetes and Gemmatimonadetes, which are involved in organic matter decomposition, decreased, likely due to the nutrient-rich environment created by the slurry. The fungal community also showed significant shifts, with an increase in the plant growth-promoting fungus Mortierella and a decrease in Geopora, an ectomycorrhizal fungus. These findings underscore the complex interactions between biogas slurry application, microbial community dynamics, and soil health, suggesting that while biogas slurry can enhance nutrient availability, its concentration must be managed to avoid detrimental effects on microbial diversity and function.