با ادامه رشد جمعیت جهان، تقاضا برای غذا نیز در حال افزایش است که باعث فشار بی سابقه ای بر سیستم های کشاورزی در سراسر جهان می شود. [۱]. در میان این تقاضای رو به رشد، مدیریت پایدار بقایای کشاورزی به عنوان یک نگرانی حیاتی با پیامدهای گسترده برای رفاه زیست محیطی و انسان ظاهر می شود. [۲]. چین یک کشور عمده کشاورزی است که انواع مختلف کاه محصول را تولید می کند که به میزان تقریبی ۷۹۷ میلیون تن در سال ۲۰۲۰ و ۸۰۲ میلیون تن در سال ۲۰۲۱ می باشد (داده های اداره ملی آمار، http://www.stats.gov.cn/، مشاهده شده در ۲ ژوئن ۲۰۲۴) [۳]. به دلیل ممنوعیت سوزاندن کاه در چین برای استفاده از منابع کاه بسیار مورد حمایت قرار گرفته است. [۴]. بنابراین، کاه گیاهی باید به عنوان منبعی برای استفاده کامل از بقایای کشاورزی و حفاظت از محیط زیست مورد توجه جدی قرار گیرد. در این سناریو، تلاش زیادی برای بازگرداندن کاه محصول به مزرعه انجام شده است و تخمین زده می شود که در سال ۲۰۱۰ حدود ۳۲ درصد از کاه به خاک بازگردانده شده است. این درصد در سال های بعد به تدریج افزایش یافته است. [۵]. در بین محصولات مختلف غلات، برنج مقدار قابل توجهی کاه تولید می کند و دارای ساختار لیگنوسلولزی بسیار بی میل است. [۶]. کاه برنج بی میل کاربردهای زیادی مانند پرورش قارچ دارد [۷]، تولید بیواتانول [۸]، بیوگاز [۹]، کود زیستی [۱۰]، و بازگشت به میدان به عنوان یک حالت دهنده [۱۱]. بازگشت کاه برنج به مزرعه به عنوان یک گزینه بسیار موثر برای جلوگیری از سوزاندن کاه در فصول برداشت در نظر گرفته شده است و به طور گسترده در چین اجرا شده است. [۱۲]. نه تنها از ضایعات کشاورزی استفاده می کند بلکه کیفیت خاک را نیز بهبود می بخشد [۱۳]. جنوب غربی چین عمدتاً سیستم چرخشی دانه روغنی کلزا را به کار می گیرد، که در آن کاه کلزا کاربردهای زیادی دارد، در حالی که کاه برنج به مقدار زیاد است، استفاده کم دارد و وجود آن باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی جدی تری می شود. در چنین سیستم چرخشی، کاه برنج به مزرعه کلزا برگردانده می شود، در حالی که بخش کمی از کاه کلزا به مزرعه شالیزار برنج بازگردانده می شود. دانه روغنی کلزا یک محصول زمستانه است و بیشتر از اکتبر تا می، که اوج فصل خشک است (۴۲-۲ میلی متر بارندگی در ماه) کشت می شود.شکل S1). میانگین دمای زمستان در نواحی جنوب غربی چین از (۲۷٫۳ تا ۳٫۲ درجه سانتیگراد) متغیر است.شکل S2). از سوی دیگر، گزارش های موفق بسیاری در مورد تخریب کاه گیاهی در دماهای مرطوب و گرم وجود دارد که برای فعالیت میکروبی مناسب ترین هستند. با این حال، بازگشت کاه برنج در طول فصل زمستان چالش برانگیز است، زیرا هوای سرد و محیط خشک می تواند منجر به کاهش فعالیت میکروبی شود. [۱۴] و تخریب کم کاه در آن فصل [۱۵]. تنش محیطی سرد می تواند تأثیر شدیدی بر سلامت گیاه و عملکرد کلی داشته باشد [۱۶]. در چنین شرایطی، بسیاری از کشاورزان به مواد مغذی ورودی تکیه می کنند که می تواند بسیاری از تنش های محیطی را در محصولات زراعی افزایش دهد. [۱۷,۱۸,۱۹]. در میان مواد مغذی مختلف، نیتروژن (N) نقش مهمی در گیاهان دارد [۲۰] و میکروب های مرتبط با گیاهان [۲۱]. مطالعات قبلی گزارش کردند که کاربرد نیتروژن به طور قابل توجهی تحمل گیاه را به خشکی، دما، شوری و تنش فلزات سنگین بهبود می بخشد. [۲۲,۲۳,۲۴,۲۵]. همچنین مطالعه لیو و همکاران نشان داد که بیشترین (۵۴ درصد) تخریب کاه در نیتروژن متوسط ​​(۱۳۰ کیلوگرم در ساعت) گزارش شده است.^-۲) تیمارهای کوددهی شده در سیستم های کشت برنج منطقه خنک [۲۶]. به طور مشابه، مطالعات قبلی همچنین گزارش دادند که کاربرد نیتروژن به طور قابل توجهی تنوع میکروبی و ترکیب خاک را بهبود می بخشد [۲۷]به این معنی که میزان کاربرد نیتروژن نیز می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر تخریب لیگنوسلولز کاه خاک داشته باشد. با این حال، هیچ مطالعه ای تا کنون به طور جامع تخریب کاه برنج در محیط های سرد و تاثیر کاربرد نیتروژن در چنین رویدادهایی را توضیح نداده است.

بازگشت کاه یک روش کشاورزی پایدار است که به طور گسترده انجام می شود، به ویژه در کشورهایی مانند چین، با هدف مدیریت ضایعات و افزایش کیفیت خاک و عملکرد محصول. [۴۷]. استفاده طولانی مدت از کاه برگشتی در کنار مکمل های غذایی می تواند به طور قابل توجهی خواص فیزیکوشیمیایی خاک را تغییر دهد. [۴۸]که شاخص های حیاتی ارزیابی سلامت خاک هستند. در بررسی ما، pH خاک در تمام تیمارها کمی قلیایی بود، با pH به طور قابل توجهی بالاتر در گروه کنترل (CK) و pH پایین‌تر در تیمارهای T1، T2 و T3 مشاهده شد. pH خاک با تأثیرگذاری بر خصوصیات مختلف خاک، نقش اساسی در رشد محصول ایفا می کند، بنابراین مورفولوژی، کیفیت و عملکرد محصول را تحت تأثیر قرار می دهد. این یافته با مطالعات قبلی مانند Xu et al. [49]، که گزارش داد که ادغام کاه گیاهی باعث افزایش pH خاک شد. pH کمی بالا در T4 یکی از دلایل تجزیه کم کاه بود، زیرا لازم به ذکر است که pH قلیایی نیز می تواند دسترسی به برخی مواد مغذی را کاهش دهد. [۵۰]. برخلاف سطوح pH، مقادیر هدایت الکتریکی (EC) در گروه کنترل (CK) در پایین‌ترین حد خود بود، با مقادیر قابل‌توجهی بالاتر در تیمارهای T4 و T3 ثبت شد. افزایش مقادیر EC خاک در تیمارهای دریافت کننده کود شیمیایی بالاتر (T4 و T3) را می توان به تجمع نمک های محلول در این خاک ها نسبت داد. [۵۱]. مطالعات قبلی نشان داده اند که اصلاحات ارگانیک، مانند کاه، همچنین می تواند EC خاک را در خاک کشاورزی افزایش دهد. [۵۲]. با این حال، در مطالعه ما، مقادیر EC در گروه کنترل (CK) پایین بود، که نشان می‌دهد ترکیب کاه و ورودی کود شیمیایی بالا، عوامل اصلی کمک به افزایش تحرک یون در خاک کشاورزی هستند، بنابراین منجر به افزایش مقادیر EC در تیمارها می‌شود. T4 و T3.

ظرفیت نگهداری آب (WHC) به توانایی خاک با بافت خاص در حفظ آب در برابر نیروی گرانشی اشاره دارد. [۵۳]. این احتباس توسط ذرات خاک که مولکول های آب را از طریق چسبندگی نگه می دارند تسهیل می شود [۵۴]. در این مطالعه، WHC در تیمار T4 و به دنبال آن T2، T3 و T1 بالاترین میزان بود، در حالی که مقادیر کمتری در گروه کنترل (CK) مشاهده شد. این یافته با نتایج فن و همکاران مطابقت دارد. [۵۵]او گزارش داد که ادغام طولانی مدت کاه در کنار کوددهی متوسط ​​به طور قابل توجهی WHC خاک را بهبود می بخشد و محتوای آب بیشتری را حفظ می کند. چگالی ظاهری (BD) خاک، جرم یا وزن یک حجم معین از خاک را نشان می دهد و بر عواملی مانند نفوذ، WHC موجود و تخلخل خاک (SP) تأثیر می گذارد. این عوامل به طور غیر مستقیم بر رشد ریشه گیاه، فعالیت میکروبی خاک، تکثیر ریشه و در دسترس بودن مواد مغذی تأثیر می‌گذارند. در این مطالعه، گروه کنترل (CK) BD بالاتری را نشان داد، در حالی که مقادیر BD پایین‌تری در تیمارهای T3، T1، T2 و T4 مشاهده شد، بدون تفاوت معنی‌داری بین آنها. مطالعات قبلی نشان داده اند که کاه گیاهی به عنوان کود آلی عمل می کند، BD و SP خاک را افزایش می دهد، در نتیجه نفوذ خاک را بهبود می بخشد و حفظ آب را افزایش می دهد تا نیازهای رشد محصول را برآورده کند. [۵۶]. مطابق با این بیانیه، ما SP خاک را تجزیه و تحلیل کردیم و مقادیر بالاتری را در تیمارهای T4، T2 و T1 یافتیم، در حالی که مقادیر قابل توجهی کمتری در گروه کنترل (CK) و تیمار T3 مشاهده شد. این نتایج نشان می دهد که تأثیر ورودی نیتروژن به طور قابل توجهی WHC، BD و SP خاک را در مقایسه با تیمارهای بدون کود افزایش می دهد.

محصولات زراعی برای رشد و نمو خود به چندین عنصر کلان از جمله کربن (C)، نیتروژن (N)، فسفر (P)، پتاسیم (K)، کلسیم (Ca) و منیزیم (Mg) نیاز دارند. [۵۷]. کمبود یا بیش از حد این عناصر می تواند اثرات منفی بر سلامت خاک داشته باشد. بنابراین، در این مطالعه، ما از دوزهای مختلف کود نیتروژن (N) برای ارزیابی اثرات آن بر خواص خاک استفاده کردیم و اشکال مختلف مواد مغذی را برای درک روابط آنها با سایر خواص فیزیکوشیمیایی یا میکروبی ارزیابی کردیم. در دسترس بودن خاک ازت یک عامل محدود کننده حیاتی برای بهره وری طبیعی و کشاورزی در اکوسیستم های زمینی است. [۵۸,۵۹]. خاک‌های کشاورزی معمولاً مقادیر بالاتری از کودهای شیمیایی مبتنی بر N دریافت می‌کنند و کاه برگشتی به مزارع حاوی مقادیر قابل‌توجهی از بخش‌های N است. نیتروژن خاک (N) به سه شکل اصلی وجود دارد: ترکیبات آلی N، آمونیوم (NH).₄⁺یونها و نیترات (NO₃^–) یون ها [۶۰]. بنابراین، ما یک تجزیه و تحلیل جامع از نیتروژن کل (TN)، نیتروژن آمونیوم (AN) و نیتروژن نیترات (NN) در تمام تیمارها انجام دادیم. ما مقادیر TN به طور قابل توجهی در تیمارهای دریافت کننده لقاح نیتروژن بالا، مانند T4 و T3، و مقادیر TN متوسط ​​در T1 یافتیم. به طور مشابه، مقادیر بالای NN در تیمارهای با ورودی N بالا، به ویژه در T4 و T3 مشاهده شد. به همین ترتیب، مقادیر AN روند مشابهی را دنبال کردند، با مقادیر بالا در T4 و مقادیر قابل توجهی کمتر در گروه کنترل (CK). در مزارع کشاورزی، گیاهان معمولاً با ترکیبات حاوی N، عمدتاً به شکل اوره بارور می شوند. هیدرولیز اوره باعث تولید آمونیوم (NH₄⁺) که متعاقباً به نیترات اکسید می شود (NO₃^–) در خاک oxic اطراف ریشه های گیاه. در این مطالعه، مقادیر کمتر NN و AN در مقایسه با TN مشاهده شد که با تحقیقات قبلی نشان می‌دهد که محصولات غلات عمدتاً از NN استفاده می‌کنند. علاوه بر این، همبستگی قوی بین NN خاک و عملکرد محصول مشاهده شده است [۶۱,۶۲,۶۳].

فسفر (P) به دلیل تأثیر قابل توجهی که بر بهره وری و سلامت کلی اکوسیستم های زمینی دارد، پس از نیتروژن (N) دومین عنصر حیاتی است. [۶۴]. از لحاظ تاریخی، تلاش‌های قابل‌توجهی به سمت مدیریت فسفر ویژه مزرعه انجام شده است که برای افزایش عملکرد محصول و در عین حال به حداقل رساندن ورودی‌ها ضروری است. [۶۵]. در این مطالعه، لقاح فسفر در سراسر تیمار T1-T4 ثابت باقی مانده است. با این حال، تغییرات در بخش فسفر در میان تیمارهای مختلف مشاهده شد. ما مقادیر بالای فسفر کل (TP) را در تیمارهای T4 و T3 مشاهده کردیم، در حالی که مقادیر کمتری در گروه کنترل (CK) و تیمار T1 مشاهده شد. توجه به این نکته مهم است که TP در خاک مستقیماً فسفر موجود (AP) را برای جذب گیاه منعکس نمی کند، زیرا تقریباً ۸۰٪ TP بی حرکت می ماند و برای جذب گیاه در دسترس نیست. [۶۶]. بنابراین، ما همچنین AP را در تمام تیمارها ارزیابی کردیم که تنوع را نشان دادند. مقادیر بالاتر AP در تیمار T4 مشاهده شد، در حالی که مقادیر AP نسبتاً کمتر در تیمارهای T2 و T3 به ​​ترتیب با ۱۵٫۷% و ۵٫۱% کاهش نسبت به T4 ثبت شد.

مطالعات قبلی نشان داده‌اند که شیوه‌های زراعی بر در دسترس بودن AP خاک برای جذب گیاه تأثیر می‌گذارد و متعاقباً بر راندمان مصرف فسفر تأثیر می‌گذارد. یافته های ما با جیانگ و همکاران سازگار است. [۶۷]، که گزارش داد که ادغام کاه در کنار کوددهی بالا باعث افزایش محتوای AP خاک می شود. این پدیده ممکن است به این واقعیت نسبت داده شود که تحت دوز کم نیتروژن، گیاهان وابستگی بیشتری به فسفر نشان می‌دهند و در نتیجه در تیمارهای T2 و T3 جذب بیشتری می‌کنند. برعکس، در مورد تیمار با نیتروژن بالا (T4)، گیاهان ممکن است مواد مغذی کافی را در دسترس داشته باشند، که منجر به کاهش جذب فسفر می شود زیرا آنها سایر مواد مغذی را در اولویت قرار می دهند. فعالیت آنزیم های خاک به مدت طولانی به عنوان یک شاخص اساسی برای کیفیت خاک عمل کرده است [۶۸]. این فعالیت های آنزیمی که توسط میکروب های خاک تولید و منتشر می شوند، نقش کلیدی در تخریب مواد آلی دارند. [۶۹]. در مزارعی که کاه برگردانده می شود، ارزیابی فعالیت آنزیم لیگنوسلولولیتیک ضروری است. بنابراین، ما فعالیت آنزیم‌های CMCase، زایلاناز، لاکاز و آمیلاز را در تمام نمونه‌های خاک ارزیابی کردیم. به طور خاص، فعالیت آنزیم CMCase به طور قابل‌توجهی در تیمار T1 و به دنبال آن T2 و T3 مشاهده شد، در حالی که فعالیت به طور قابل‌توجهی در گروه کنترل (CK) و تیمار T4 مشاهده شد. به طور مشابه، فعالیت آنزیم زایلاناز سطوح بالایی را در T3 و T2 و به دنبال آن T1 نشان داد، در حالی که فعالیت به طور قابل توجهی کمتر در T2 و CK مشاهده شد. فعالیت آنزیم لاکاز نیز روند مشابهی را دنبال کرد، با سطوح بالا در T3 و T2 و فعالیت به طور قابل توجهی کمتر در T1 و T4. این روند با فعالیت آنزیم آمیلاز ادامه یافت که سطوح بالایی را در T1 و T2 نشان داد، در حالی که فعالیت به طور قابل توجهی کمتر در T3، T4 و CK یافت شد. این نتایج با مطالعات قبلی مطابقت دارد که نشان می‌دهد فعالیت‌های آنزیمی خاک در پاسخ به کاربرد متوسط ​​کود شیمیایی و بازگشت کاه افزایش می‌یابد. در چنین شرایطی، تقاضای کربن بیشتری برای توسعه میکروبی وجود دارد [۷۰]. افزایش فعالیت آنزیم خاک ممکن است به تغییرات در ترکیب جامعه میکروبی و همچنین افزایش متابولیسم میکروارگانیسم خاک و فعالیت میکروبی تحریک شده با افزودن مواد مغذی نسبت داده شود. [۷۰].

بنابراین، بازگشت کاه در کنار مصرف متوسط ​​کود می تواند مکمل های ارگانیک را فراهم کند، زیست توده میکروبی را افزایش دهد و محیطی مناسب برای توسعه آنزیم خاک ایجاد کند. [۷۱]. برخلاف آنزیم های لیگنوسلولولیتیک، فعالیت آنزیم آلکالین فسفاتاز سطوح بالایی در T1 نشان داد، در حالی که فعالیت به طور قابل توجهی کمتر در T3، T4، T2 و CK مشاهده شد. میکروارگانیسم ها فقط می توانند فسفات محلول را جذب کنند و فعالیت فسفاتاز را در تبدیل فسفر از مواد آلی خاک به اشکال موجود اساسی می کند. [۷۲]. فعالیت آلکالن فسفاتاز بالاتر در T1 را می توان به استرس ناشی از هورمون های گیاهی نسبت داد، که نشان دهنده نیاز به یک فرم در دسترس از فسفر است که منجر به افزایش فعالیت آنزیم می شود. برعکس، فعالیت کم آلکالن فسفاتاز در تیمارهای دریافت کننده لقاح نیتروژن بالا به احتمال زیاد به دلیل در دسترس بودن بیشتر مواد مغذی است.

علاوه بر این، تجزیه و تحلیل ضریب همبستگی پیرسون روابط قابل توجهی را بین غلظت عناصر غذایی (AN، AP، NN، TN، و TP) و فعالیت آنزیم خاک شناسایی کرد. این امر بر تعامل پیچیده بین در دسترس بودن مواد مغذی و فرآیندهای میکروبی خاک تأکید می کند. محتوای ماده آلی خاک (OM) به عنوان یک عامل محوری بر خواص و عملکرد خاک می ایستد و ویژگی های فیزیکی مختلفی مانند ظرفیت نگهداری آب (WHC) و پایداری سنگدانه ها را در بر می گیرد. [۷۳]. OM به عنوان یک عامل اتصال دهنده اصلی عمل می کند که دانه های خاک را تثبیت می کند [۷۴,۷۵]. بسیاری از مطالعات بر غنای کاه گیاهی در OM و مواد مغذی خاک تاکید کرده اند و آن را به عنوان یک کود طبیعی طبیعی حیاتی و فزاینده معرفی کرده اند. [۷۶,۷۷]. در این مطالعه، درصد OM بالایی در تیمارهای T4 و CK مشاهده شد، در حالی که مقادیر کمتری در تیمارهای T3 و T1 مشاهده شد. برای تجزیه و تحلیل جامع از هر یک از اجزای OM در خاک، ما سلولز، همی سلولز، و لیگنین را ارزیابی کردیم. نتایج نشان داد که میزان سلولز به میزان قابل توجهی در تیمارهای T4، CK، T2 و T1 وجود دارد که سطوح به طور قابل توجهی کمتری در تیمار T3 مشاهده شده است. روند مشابهی برای محتوای همی سلولز و لیگنین مشاهده شد که در مقایسه با سایر تیمارها سطوح قابل توجهی پایین تری در تیمار T3 نشان دادند. در حال حاضر بیش از ۶۰ درصد کاه به مزارع بازگردانده می شود که انتظار می رود این نسبت به تدریج افزایش یابد [۷۸]. با این وجود، درک جامع از تخریب کاه در این زمینه گریزان باقی مانده است. یافته‌های ما نشان می‌دهد که لقاح متوسط ​​در مقایسه با لقاح زیاد یا بدون لقاح تأثیر مثبتی بر تخریب کاه دارد. این نتایج با نتایج وانگ و همکاران همخوانی دارد. [۷۹]، که به طور مشابه دریافتند که ورودی کود به طور قابل توجهی تخریب کاه را افزایش می دهد و حاصلخیزی خاک را افزایش می دهد.

عمل برگشت کاه، همراه با دوزهای مختلف کود شیمیایی، باعث تغییر در pH خاک، و همچنین در محتویات کربن (C)، نیتروژن (N)، فسفر (P) و پتاسیم (K) می شود که مستقیماً تأثیر می گذارد. ساختار و عملکرد جامعه میکروبی در خاک [۸۰]. در این مطالعه، واحدهای تاکسونومیک عملیاتی باکتریایی (OTUs)، شاخص‌های Chao1 و Simpson در تیمار T4 در مقایسه با تیمارهای متوسط ​​یا نابارور به‌طور قابل‌توجهی پایین‌تر بودند، که نشان‌دهنده تأثیر مثبت لقاح متوسط ​​بر تنوع باکتریایی در زمینه بازگشت کاه است. این یافته ها یافته های Cui و همکاران را تأیید می کند. [۸۱]او نتیجه گرفت که بازگشت کاه خاک را با کربن آلی غنی می کند، مواد مغذی را برای رشد باکتری ها فراهم می کند، در نتیجه تولید مثل آنها را تقویت می کند و تنوع جامعه باکتریایی را در خاک کشاورزی افزایش می دهد.

در سطح ترکیب جامعه باکتریایی، تیمار T1 بالاترین فراوانی نسبی (RA) کلروفلکسی را نشان داد، به دنبال آن T3 و T2 قرار گرفتند، در حالی که RA کمتر در تیمارهای T4 و CK مشاهده شد. این مشاهدات با مطالعات قبلی که کلروفلکسی را به عنوان یکی از فراوان‌ترین فیلاها در خاک‌های کشاورزی شناسایی کرده‌اند مطابقت دارد. [۸۲]. کلروفلکسی که یک باکتری بی هوازی است، نقش مهمی در تخریب مواد آلی پیچیده در خاک عمیق دارد و آزادسازی مواد مغذی را تسهیل می کند. [۸۳]. علاوه بر کلروفلکسی، Actinobacteriota، Acidobacteriota و Proteobacteria نیز در تمام خاک های آزمایشی وجود داشتند که RA بالاتر در تیمارهای کوددهی متوسط ​​مشاهده شد. این با گزارش‌هایی مطابقت دارد که نشان می‌دهد پروتئوباکتری‌ها معمولاً گروه میکروبی غالب موجود در نمونه‌های خاک هستند. [۸۴,۸۵]. پروتئوباکتری ها در محیط های خاک غنی از مواد مغذی رشد می کنند و تجزیه کاه برنج می تواند منجر به انتشار مواد مغذی قابل توجهی در اکوسیستم خاک شود و در نتیجه از تکثیر این باکتری ها در مزارع شالیزاری حمایت کند. تجزیه و تحلیل اجزای اصلی ترکیب باکتری بیشتر نشان داد که افزودن مواد مغذی باعث تغییر شکل جامعه باکتریایی می‌شود، با هر تیمار یک دسته مجزا از ترکیب باکتریایی را نشان می‌دهد.

مطالعه ما تأثیر سطوح مختلف کود نیتروژن (N) را بر تخریب کاه برنج و عملکرد دانه روغنی کلزا در شرایط زمستانی سرد در جنوب غربی چین بررسی کرد. یافته ها حاکی از مزایای قابل توجه کوددهی بهینه نیتروژن برای افزایش تخریب کاه و عملکرد محصول است. برای ایجاد زمینه بیشتر نتایج خود در ادبیات موجود، مقایسه ای از مزایا و معایب مطالعه خود با مطالعات مشابه ارائه می کنیم.جدول ۷).