Document
Creating healthy soil microbial ecosystems : synergistic integration of biochar and capillary barrier.
Source
Master's thesis
Other titles
خلق نظم بيئية ميكروبية صحية للتربة : الدمج التآزري بين الفحم الحيوي والحاجز الشعري
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2024
Language
English
Thesis Type
Master's thesis
English abstract
In Oman, soil health faces challenges from high temperatures, limited rainfall, low fertility, and poor soil water retention. Techniques such as organic matter addition and capillary barrier utilization have been employed to augment soil fertility and water retention. This study explored the interactive effects of combining biochar and capillary barriers on soil water and air dynamics, and their subsequent impact on soil microbial properties, including alterations in microbial activities, enumeration, and species diversity. The study also evaluated the effects of this combination on overall soil health. The experiment was conducted using outdoor columns with two soil textures (sandy and silty loam), and biochar derived from date palm leaves pyrolyzed at 300°C. Six treatments were tested: Homogeneous (H) as a control, Homogeneous with 5% w/w biochar (HBC), Classical capillary barrier (CB), consisting of a sand layer over a silt loam soil layer; Classical capillary barrier with 5% w/w biochar (CB BC); Smart capillary barrier (SCB), comprising silt loam soil blocks surrounded by sand layers; and Smart capillary barrier with 5% w/w biochar (SCB BC). Each treatment was replicated across four columns, with soil moisture sensors at depths of 13 cm (B1) and 36 cm (B2). Results indicated that the integration of biochar with smart capillary barriers significantly improves soil water retention, particularly at the lower soil depth. On day 83, the smart capillary barrier with biochar exhibited superior water retention, with the highest soil moisture content (0.333), surpassing HBC (0.248) and CB BC (0.246) by 34% and 35%, respectively. However, no significant impact of biochar on soil water was observed at the upper depth (B1). Biochar application resulted in a decrease in pH and an increase in electrical conductivity (EC1:5). The highest pH reduction, from 8.150 to 7.350, was found in SCB BC (upper depth, first sampling). The highest EC1:5 increase, from 0.291 to 1.591 dS/m, was found in CB BC (upper depth, first sampling). Moreover, SCB BC enhanced soil respiration rates at both depths compared to other treatments. At the first sampling, SCB BC at the top exhibited 20% and 14% higher respiration than CB BC and HBC, respectively. However, microbial enumeration varied: SCB BC initially reduced actinomycetes, bacterial, and fungal counts at the bottom depth but increased actinomycete counts in subsequent samplings. Furthermore, SCB BC B1 in the second sampling, exhibited significantly higher metabolic quotient compared to all treatments with biochar. Additionally, there were no significant differences in Shannon, Evenness, and Equitability indices among treatments. However, a statistical variation was observed in the operational taxonomic units (OTU) values across different treatments, with a range extending from 3178 in SCB B2 to 3524 in CB B2. SCB BC also increased the abundance of beneficial microbial species such as Nitrosovibrio tenuis and Methyloversatilis universalis, which play crucial roles in nitrogen and carbon cycles. Also, no emissions of greenhouse gases, viz. CO2, N2O, and CH4, were detected in SCB treatments, both with and without biochar, whereas emissions were observed in H and CB treatments. Integrating the smart capillary barrier with biochar shows promise for sustainable agriculture in Oman by improving nutrient availability, conserving soil moisture, enhancing microbial communities, and mitigating climate change impacts.
Arabic abstract
في عُمان، تواجه صحة التربة تحديات ناجمة عن ارتفاع درجات الحرارة، و قلة هطول الأمطار، وانخفاض الخصوبة، وضعف قدرة التربة على حبس المياه. وقد تم استخدام تقنيات مثل إضافة المواد العضوية واستخدام حواجز شعرية لزيادة خصوبة التربة والاحتفاظ بالمياه .استكشفت هذه الدراسة التأثيرات التفاعلية لدمج الفحم الحيوي والحواجز الشعرية على ديناميكيات مياه وهواء التربة ، وتأثيرها اللاحق على الخواص الميكروبية للتربة. وتشمل هذه الخصائص التغيرات في انشطة وتعداد وتنوع الميكروبات في التربة. كما قامت الدراسة أيضًا بتقييم تأثيرات هذا المزيج على صحة التربة بشكل عام. أجريت التجربة في الخارج باستخدام أعمدة تحتوي على نوعين من التربة )الرملية و تربة الطمي اللومية(، والفحم الحيوي المشتق من أوراق النخيل المتحللة حرارياً عند 300 درجة مئوية. تم اختبار ستة علاجات مختلفة: تربة متجانسة(H) كعنصر تحكم، تربة متجانسة مع الفحم الحيوي بنسبة 5% من الوزن الكامل (HBC)، حاجز شعري كلاسيكي (CB)، والذي يتكون من طبقة رملية فوق طبقة تربة طينية طميية، حاجز شعري كلاسيكي مع الفحم الحيوي بنسبة 5% من الوزن الكامل(CB BC) ، حاجز شعري ذكي (SCB)، والذي يتكون من كتل تربة طينية طميية محاطة بالرمل، والحاجز الشعري الذكي مع الفحم الحيوي بنسبة 5% من الوزن الكامل(SCB BC) . تم تكرار كل علاج عبر أربعة أعمدة، مع أجهزة استشعار لرطوبة التربة على أعماق 13 سم(B1) و 36 سم.(B2) أشارت النتائج إلى أن دمج الفحم الحيوي مع الحواجز الشعرية الذكية أدى إلى تحسين كبير في الحفاظ على الماء في التربة، خاصة في العمق السفلي. في اليوم 83، أظهر الحاجز الشعري الذكي المزود بالفحم الحيوي احتفاظًا فائقًا بالمياه، مع أعلى محتوى رطوبة للتربة )0.333 م³/م³(، متجاوزًاHBC (0.248) و CB BC (642.0) بنسبة 34% و35% على التوالي. ومع ذلك، لم يلاحظ أي تأثير كبير للفحم الحيوي على مياه التربة في العمق العلوي (B1).
أدى تطبيق الفحم الحيوي إلى انخفاض في الرقم الهيدروجيني وزيادة في الموصلية الكهربائية. حيث انه تم العثور على أعلى انخفاض في الرقم الهيدروجيني فيSCB BC )العمق العلوي، العينات الأولى( من 8.150 إلى 7.350. كذلك ايضاً تم العثور على أعلى زيادة في الموصلية الكهربائية فيCB BC )العمق العلوي، العينات الأولى( من 0.291 إلى 1.591 ديسيسيمنز/م. علاوة على ذلك، عززSCB BC معدلات تنفس التربة في كلا العمقين مقارنة بالعلاجات الأخرى. في العينات الأولى، أظهرSCB BC الأعلى تنفسًا ، أعلى بنسبة 20% و14% منCB BC وHBC، على التوالي. ومع ذلك، تباين التعداد الميكروبي: خفضتSCB BC في البداية أعداد الفطريات الشعاعية والبكتيريا والفطريات في العمق السفلي ولكنها زادت أعداد الفطريات الشعاعية في العينات اللاحقة. علاوة على ذلك، أظهرت SCB BC B1 في العينات الثانية حاصلاً أيضيًا أعلى بكثير مقارنة بجميع المعالجات مع الفحم الحيوي.
بالإضافة إلى ذلك، لم تكن هناك فروق ذات دلالة إحصائية في مؤشرات شانون) Shannon( ، والتكافؤ )Evenness( ، والإنصاف) Equitability( بين المعالجات. ومع ذلك، لوحظ وجود تباين ذات دلالة احصائية في قيم الوحدات التصنيفية التشغيلية) OTU( بين العلاجات المختلفة، مع نطاق يمتد من 3178 في SCB B2 إلى 3524 في .CB B2 كما زادSCB BC أيضًا من وفرة الأنواع الميكروبية المفيدة مثلNitrosovibrio Tenuis وMethyloversatilis Universalis ، والتي تلعب أدوارًا مهمة في دورات النيتروجين والكربون. أيضًا، لم يتم اكتشاف أي انبعاثات لثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز والميثان في معالجات SCB ، سواء مع الفحم الحيوي أو بدونه، في حين لوحظت الانبعاثات في معالجاتH وCB . أظهر دمج الحاجز الشعري الذكي مع الفحم الحيوي وعدا بتحقيق الزراعة المستدامة في سلطنة عمان من خلال تحسين توافر العناصر الغذائية، والحفاظ على رطوبة التربة ،وتعزيز المجتمعات الميكروبية، وتخفيف آثار تغير المنا خ .
أدى تطبيق الفحم الحيوي إلى انخفاض في الرقم الهيدروجيني وزيادة في الموصلية الكهربائية. حيث انه تم العثور على أعلى انخفاض في الرقم الهيدروجيني فيSCB BC )العمق العلوي، العينات الأولى( من 8.150 إلى 7.350. كذلك ايضاً تم العثور على أعلى زيادة في الموصلية الكهربائية فيCB BC )العمق العلوي، العينات الأولى( من 0.291 إلى 1.591 ديسيسيمنز/م. علاوة على ذلك، عززSCB BC معدلات تنفس التربة في كلا العمقين مقارنة بالعلاجات الأخرى. في العينات الأولى، أظهرSCB BC الأعلى تنفسًا ، أعلى بنسبة 20% و14% منCB BC وHBC، على التوالي. ومع ذلك، تباين التعداد الميكروبي: خفضتSCB BC في البداية أعداد الفطريات الشعاعية والبكتيريا والفطريات في العمق السفلي ولكنها زادت أعداد الفطريات الشعاعية في العينات اللاحقة. علاوة على ذلك، أظهرت SCB BC B1 في العينات الثانية حاصلاً أيضيًا أعلى بكثير مقارنة بجميع المعالجات مع الفحم الحيوي.
بالإضافة إلى ذلك، لم تكن هناك فروق ذات دلالة إحصائية في مؤشرات شانون) Shannon( ، والتكافؤ )Evenness( ، والإنصاف) Equitability( بين المعالجات. ومع ذلك، لوحظ وجود تباين ذات دلالة احصائية في قيم الوحدات التصنيفية التشغيلية) OTU( بين العلاجات المختلفة، مع نطاق يمتد من 3178 في SCB B2 إلى 3524 في .CB B2 كما زادSCB BC أيضًا من وفرة الأنواع الميكروبية المفيدة مثلNitrosovibrio Tenuis وMethyloversatilis Universalis ، والتي تلعب أدوارًا مهمة في دورات النيتروجين والكربون. أيضًا، لم يتم اكتشاف أي انبعاثات لثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز والميثان في معالجات SCB ، سواء مع الفحم الحيوي أو بدونه، في حين لوحظت الانبعاثات في معالجاتH وCB . أظهر دمج الحاجز الشعري الذكي مع الفحم الحيوي وعدا بتحقيق الزراعة المستدامة في سلطنة عمان من خلال تحسين توافر العناصر الغذائية، والحفاظ على رطوبة التربة ،وتعزيز المجتمعات الميكروبية، وتخفيف آثار تغير المنا خ .
Category
Theses and Dissertations