برهم‌کنش‌هاي بين بيوچار و ريزجانداران خاک
الموضوعات : Optimal management of water and soil resources
1 - استاديار بخش تحقيقات مديريت منابع، مؤسسه تحقيقات كشاورزي ديم كشور، سازمان تحقيقات آموزش و ترويج كشاورزي، مراغه، ايران.
الکلمات المفتاحية: چرخه کربن, حاصلخيزي خاک, فعاليت زيستي خاک, گرماکافت,
ملخص المقالة :
زمينه و هدف: تغييرات اقليمي و تخريب خاک، از مهم‌ترين چالش‌هاي جهاني عصر حاضر هستند که امنيت غذايي را به طور نامطلوب تحت‌تأثير قرار داده‌اند. در اين ميان، سلامت جامعه ريزجانداران خاک، به‌عنوان بازيگران اصلي چرخه‌هاي بيوژئوشيميايي، نقشي غيرقابل انکار در حفظ کارکرد و حاصلخيزي اکوسيستم‌هاي خاکي ايفا مي‌کند. خاک‌هاي ايران نيز به‌واسطه قرارگيري در منطقه خشک و نيمه‌خشک، از محتواي مواد آلي کم و سلامت زيستي ضعيف رنج مي‌برد که لزوم يافتن راهکارهاي نوين براي بهبود شرايط را بيش از پيش آشکار مي‌سازد. بيوچار، به‌عنوان يک اصلاح‌کننده کربني خاک، به علت برخورداري از ويژگي‌هاي منحصر‌به‌فرد ساختاري و شيميايي، نقش مؤثري در بهبود فعاليت‌هاي زيستي خاک ايفا مي‌کند. هدف از اين مطالعه مروري، بررسي و تحليل سازوکارهاي کليدي حاکم بر برهم‌کنش‌هاي بين بيوچار و ريزجانداران خاک است.
روش پژوهش: اين مطالعه مروري روايي جامع با جستجوي نظام‌مند در پايگاه‌هاي داده علمي از جمله Google Scholar، Scopus و Web of Science با استفاده از کليدواژه‌هايي مانند «بيوچار»، «ريزجانداران خاک»، «جامعه ميکروبي» و «سلامت خاک» انجام شد. تمرکز اصلي بر انتخاب مقالات منتشر شده بين سال‌هاي 2000 تا 2024 در زمينه برهم‌کنش‌هاي بيوچار با ريزجانداران خاک بود. منابع جمع‌آوري‌شده مورد تجزيه و تحليل قرار گرفتند تا سازوکارهاي فيزيکي، شيميايي و زيستي مرتبط با برهم‌کنش‌هاي بين بيوچار و ريزوجانداران خاک، شناسايي، تلفيق و مورد بحث قرار گيرند.
يافته‌ها: نتايج بررسي‌ها نشان مي‌دهد که بيوچار نه تنها زيستگاهي امن و پايدار براي ريزجانداران مفيد خاک‌زي ازجمله قارچ‌هاي ميکوريزي، باکتري‌هاي محرک رشد گياه و تجزيه‌کننده‌هاي آلي فراهم مي‌سازد، بلکه نيازهاي تغذيه‌اي و اکسيژن آن‌ها را تأمين مي‌نمايد. همچنين، بيوچار از طريق تأثير مستقيم و غيرمستقيم بر ويژگي‌هاي فيزيکي (نظير تخلخل و نفوذپذيري) و شيميايي خاک (نظير pH و ظرفيت تبادل کاتيوني) و نيز اثرات غيرمستقيم ناشي از تغيير در دسترسي به منابع غذايي، بر جمعيت، تنوع، پراکنش و عملکرد ميکروارگانيسم‌هاي خاک تأثير مي‌گذارد. از ديگر سازوکارهاي مهم بيوچار مي‌توان به تأمين تدريجي عناصر غذايي ضروري، سميت‌زدايي ترکيبات سمي از طريق جذب سطحي، تقويت همزيستي‌هاي ميکروبي-گياهي و تسهيل چرخه‌هاي بيوژئوشيميايي عناصر نظير کربن، نيتروژن و فسفر اشاره کرد. بااين‌حال، بيوچار ممکن است بسته به ماده اوليه (نظير پسماندهاي کشاورزي، فضولات دامي يا ضايعات جنگلي) و شرايط توليد (نظير دماي پيروليز و نرخ حرارت‌دهي)، حاوي برخي از ترکيبات سمي نظير هيدروکربن‌هاي آروماتيک چندحلقه‌اي و فلزات سنگين باشد که مي‌تواند اثرات منفي بر ريزجانداران خاک، سلامت گياهان و حتي زنجيره غذايي انسان داشته باشد. بنابراين، اثربخشي بيوچار به عواملي چندبعدي نظير دماي توليد (۳۰۰-۷۰۰ درجه سانتي‌گراد)، نوع زيست‌توده اوليه (ليگنوسلولزي يا پروتئيني)، مدت زمان ماندگاري در خاک و ويژگي‌هاي خاک نظير بافت، رطوبت، pH و ترکيب جامعه ميکروبي بستگي دارد.
نتايج: با توجه به نقش مثبت بيوچار در افزايش حاصلخيزي خاک، بهبود نگهداري آب و کاهش انتشار گازهاي گلخانه‌اي، استفاده از آن به‌ويژه در مناطق خشک و نيمه‌خشک با محتواي مواد آلي پايين و مشکلات شوري خاک به‌شدت توصيه مي‌شود، ليکن انجام بررسي‌هاي بيشتر در مورد اثرات محدودکننده (نظير کاهش دسترسي به برخي ريزمغذي‌ها) و خطرات احتمالي ناشي از مواد سمي آن در بلندمدت، همچنين مطالعات ميداني براي بهينه‌سازي دوز و روش کاربرد در شرايط اقليمي مختلف ضروري به نظر مي‌رسد.
Ahmad, B., Rahim, H. U., Mian, I. A., & Ali, W. (2025). Synergistic Biochar–Nitrogen Application Enhances Soil Fertility and Compensates for Nutrient Deficiency, Improving Wheat Production in Calcareous Soil. Sustainability, 17(5), 2321.
Allen, R. L. (1847). A brief compend of American agriculture. Author.
Ascough, P. L., Sturrock, C. J., & Bird, M. I. (2010). Investigation of growth responses in saprophytic fungi to charred biomass. Isotopes in Environmental and Health Studies, 46(1), 64–77.
Azimzadeh, Y., & Najafi, N. A. (2017). Effects of biochar on soil physical, chemical, and biological properties. Land Management Journal, 4(2), 161–173. [in Persian]
Azimzadeh, Y., & Mohammadzadeh, A. (2023). Interaction of biochar with soil components and its stability with during time. Journal of Water and Soil Resources Conservation, 13(3), 121–136. [in Persian]
Blackwell, P., Krull, E., Butler, G., Herbert, A., & Solaiman, Z. (2010). Effect of banded biochar on dryland wheat production and fertiliser use in south-western Australia: an agronomic and economic perspective. Soil Research, 48(7), 531–545.
Cai, Y., Zhu, M., Meng, X., Zhou, J. L., Zhang, H., & Shen, X. (2022). The role of biochar on alleviating ammonia toxicity in anaerobic digestion of nitrogen-rich wastes: A review. Bioresource Technology, 351, 126924.
Elmer, W. H., & Pignatello, J. J. (2011). Effect of biochar amendments on mycorrhizal associations and Fusarium crown and root rot of asparagus in replant soils. Plant Disease, 95(8), 960–966.
Leadbetter, E. R., & Foster, J. W. (1959). Oxidation products formed from gaseous alkanes by the bacterium Pseudomonas methanica. Archives of Biochemistry and Biophysics, 82(2), 491–492.
Glaser, B., & Knorr, K. (2008). Isotopic evidence for condensed aromatics from non‐pyrogenic sources in soils–implications for current methods for quantifying soil black carbon. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 22(7), 935–942.
Graber, E. R., Meller Harel, Y., Kolton, M., Cytryn, E., Silber, A., Rav David, D., Tsechansky, L., Borenshtein, M., & Elad, Y. (2010). Biochar impact on development and productivity of pepper and tomato grown in fertigated soilless media. Plant and Soil, 337, 481–496.
Haider, F. U., Coulter, J. A., Cai, L., Hussain, S., Cheema, S. A., Wu, J., & Zhang, R. (2022). An overview on biochar production, its implications, and mechanisms of biochar-induced amelioration of soil and plant characteristics. Pedosphere, 32(1), 107–130.
Jing, F., Sun, Y., Liu, Y., Wan, Z., Chen, J., & Tsang, D. C. W. (2022). Interactions between biochar and clay minerals in changing biochar carbon stability. Science of the Total Environment, 809, 151124.
Jin, H. (2010). Characterization of microbial life colonizing biochar and biochar-amended soils. Dissertation in Doctor of Philosophy, Cornell University.
Karami, S., Landi, A., Enayatizamir, N., & Zalaghi, R. (2021). Effect of corn and sugarcane biochars on some soil biological properties and carbon sequestration. Journal of Environmental Science and Technology, 23(5(108), 57–69. [in Persian]
Kasozi, G. N., Zimmerman, A. R., Nkedi-Kizza, P., & Gao, B. (2010). Catechol and humic acid sorption onto a range of laboratory-produced black carbons (biochars). Environmental Science & Technology, 44(16), 6189–6195.
Kuryntseva, P., Karamova, K., Galitskaya, P., Selivanovskaya, S., & Evtugyn, G. (2023). Biochar functions in soil depending on feedstock and pyrolyzation properties with particular emphasis on biological properties. Agriculture, 13(10), 2003.
Ladygina, N., & Rineau, F. (2013). Biochar and soil biota. CRC Press.
Lehmann, J., & Joseph, S. (2024). Biochar for environmental management: Science, technology and implementation. Taylor & Francis.
Lehmann, J., Rillig, M. C., Thies, J., Masiello, C. A., Hockaday, W. C., & Crowley, D. (2011). Biochar effects on soil biota–a review. Soil Biology and Biochemistry, 43(9), 1812–1836.
Makoto, K., Tamai, Y., Kim, Y. S., & Koike, T. (2010). Buried charcoal layer and ectomycorrhizae cooperatively promote the growth of Larix gmelinii seedlings. Plant and Soil, 327, 143–152.
Malik, K. A. (1990). Use of activated charcoal for the preservation of anaerobic phototrophic and other sensitive bacteria by freeze-drying. Journal of Microbiological Methods, 12(2), 117–124.
Matsuhashi, M., Pankrushina, A. N., Endoh, K., Watanabe, H., Mano, Y., Hyodo, M., Fujita, T., Kunugita, K., Kaneko, T., & Otani, S. (1995). Studies on carbon material requirements for bacterial proliferation and spore germination under stress conditions: a new mechanism involving transmission of physical signals. Journal of Bacteriology, 177(3), 688–693.
Nguyen, T.-B., Sherpa, K., Bui, X.-T., Nguyen, V.-T., Vo, T.-D.-H., Ho, H.-T.-T., Chen, C.-W., & Dong, C.-D. (2023). Biochar for soil remediation: A comprehensive review of current research on pollutant removal. Environmental Pollution, 337, 122571.
Ogawa, M., & Okimori, Y. (2010). Pioneering works in biochar research, Japan. Soil Research, 48(7), 489–500.
Painter, T. J. (1998). Carbohydrate polymers in food preservation: an integrated view of the Maillard reaction with special reference to discoveries of preserved foods in Sphagnum-dominated peat bogs. Carbohydrate Polymers, 36(4), 335–347.
Pai, S., Shetty, V., Rajangane, S., & Selvaraj, S. (2024). Synergistic interactions of fungi and biochar for various environmental applications. In bioprospecting of multi-tasking fungi for a sustainable environment: Volume I (pp. 219–247). Springer.
Retan, G. A. (1915). Charcoal as a means of solving some nursery problems. Journal of Forestry, 13(1), 25–30.
Rondon, M. A., Lehmann, J., Ramirez, J., & Hurtado, M. (2007). Biological nitrogen fixation by common beans (Phaseolus vulgaris L.) increases with bio-char additions. Biology and Fertility of Soils, 43, 699–708.
Samonin, V. V, & Elikova, E. E. (2004). A study of the adsorption of bacterial cells on porous materials. Microbiology (00262617), 73(6).
Schimel, J., Balser, T. C., & Wallenstein, M. (2007). Microbial stress‐response physiology and its implications for ecosystem function. Ecology, 88(6), 1386–1394.
Solaiman, Z. M., Blackwell, P., Abbott, L. K., & Storer, P. (2010). Direct and residual effect of biochar application on mycorrhizal root colonisation, growth and nutrition of wheat. Soil Research, 48(7), 546–554.
Steiner, C., Teixeira, W. G., Lehmann, J., & Zech, W. (2004). Microbial response to charcoal amendments of highly weathered soils and Amazonian Dark Earths in Central Amazonia—preliminary results. Amazonian Dark Earths: Explorations in Space and Time, 195–212.
Turner, E. R. (1955). The effect of certain adsorbents on the nodulation of clover plants. Annals of Botany, 19(1), 149–160.
Vantsis, J. T., & Bond, G. (1950). The effect of charcoal on the growth of leguminous plants in sand culture. Annals of Applied Biology, 37(2), 159–168.
Wengel, M., Kothe, E., Schmidt, C. M., Heide, K., & Gleixner, G. (2006). Degradation of organic matter from black shales and charcoal by the wood-rotting Fungus Schizophyllum commune and release of DOC and heavy metals in the aqueous phase. Science of the Total Environment, 367(1), 383–393.
