Arbuscular mycorrhizal fungi show potential to substantially increase global grain yields
تُقدّر هذه الدراسة أن تلقيح محاصيل الذرة والقمح والأرز العالمية بفطريات الميكوريزا الشجرية يمكن أن يزيد إجمالي إنتاج الحبوب بنسبة 12.6% (341 مليون طن متري)، مما يسلط الضوء على الإمكانات الكبيرة، والمغفول عنها غالباً، للمجتمعات البيولوجية للتربة في تعزيز الأمن الغذائي العالمي.
المؤلفون الأصليون:Aaron Prairie, Nathaniel Mueller, Marian Hsieh, Peiyu Cao, Steven Fonte
تخيل التربة تحت أقدامنا ليس كمجرد تراب، بل كمدينة صاخبة وغير مرئية. في هذه الحاضرة الواقعة تحت الأرض، تعمل كائنات دقيقة مثل الفطريات والبكتيريا كمواطنين مجتهدين، يعيدون تدوير المغذيات باستمرار، ويبنون بنية التربة، ويحمون النباتات من الأمراض. ومن بين هؤلاء المواطنين، تعمل مجموعة خاصة تسمى "الفطريات الميكوريزية الشجرية" (AMF) كخدمة توصيل فائقة القدرة. تشكل هذه الفطريات شراكة تكافلية مع جذور النباتات، حيث ترسل امتدادات طويلة تشبه الخيوط تصل إلى مسافات بعيدة تتجاوز جذور النبات نفسها لتلتقط الماء والمغذيات — وخاصة تلك التي يصعب العثور عليها، مثل الفوسفور — وتسلمها إلى النبات. وفي المقابل، يغذي النباتُ هذه الفطريات بالسكر. وبينما نعلم أن هذه الفطريات موجودة في كل مكان ومفيدة للغاية، إلا أننا غالباً ما نعاملها كضجيج خلفي في الزراعة، ونركز بدلاً من ذلك على الأسميات الاصطناعية والآلات الثقيلة. والسؤال الكبير الذي طرحه العلماء هو: إذا انتبهنا حقاً لهؤلاء المساعدين تحت الأرض وساعدناهم على أداء عملهم، فهل يمكنهم إطعام المزيد من العالم؟
تخطو هذه الورقة البحثية خطوة عملاقة للإجابة على هذا السؤال من خلال النظر في أكبر ثلاثة محاصيل تغذي البشرية: الذرة، والقمح، والأرز. لم يكتفِ الباحثون بالتخمين؛ بل جمعوا مجموعة هائلة من التجارب الميدانية السابقة مع خرائط عالمية مفصلة لأنواع التربة، والممارسات الزراعية، وإنتاجية المحاصيل. فكر في الأمر كأنه أخذ آلاف قطع الأحجية الصغيرة من مزارع مختلفة حول العالم وتجميعها في صورة واحدة ضخمة وعالية الدقة لما يمكن أن يحدث إذا قمنا بتحسين هذه الشراكات الفطرية في كل مكان.
تشير الدراسة إلى أنه إذا تمكنا من تعزيز وظيفة هذه الفطريات في جميع أنحاء العالم، فقد نشهد قفزة هائلة في الإنتاج الغذائي. وتحديداً، يقدر المؤلفون أن تلقيح الفطريات الميكوريزية الشجرية (مساعدة الفطريات على النمو والعمل بشكل أفضل) يمكن أن يزيد إنتاج الحبوب العالمي بنسبة 12.6%. ولتضع ذلك في الاعتبار، فهذا يعني زيادة قدرها 341 مليون طن متري إضافي من الحبوب كل عام. وهذا يكفي لملء جبل من الذرة والقمح يتضاءل أمامه أي أفق لمدينة واحدة.
ومع ذلك، فإن القصة ليست هي نفسها في كل مكان. تجد الورقة أن "القوى الخاررقة" لهذه الفطريات تعتمد بشكل كبير على الحي الذي تعيش فيه. ففي الأماكن التي يستخدم فيها المزارعون كميات قليلة جداً من الأسمدة — وغالباً ما يكون ذلك في المناطق منخفضة الدخل مثل أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وأجزاء من جنوب شرق آسيا — تكون هذه الفطريات بمثابة نجوم روك حقيقيين. ففي هذه التربة الفقيرة بالمغذيات، يمكن للفطريات أن ترفع المحاصيل بنسبة تزيد عن 20%، لتعمل كشريان حياة للمحاصيل التي قد تعاني لولا وجودها. وفي المق المقابل، في المزارع الصناعية المخصبة بكثافة، تكون النباتات مغذاة جيداً بالمواد الكيميائية الاصطناعية لدرجة أنها لا تحتاج إلى الفطريات بقدر ما تحتاج، وتنخفض زيادة الإنتاج إلى حوالي 11%. الأمر يشبه شخصاً يتناول بالفعل بوفيه مفتوحاً كاملاً؛ فإعطاؤه مكملاً غذائياً لن يساعده كثيراً على النمو، ولكن بالنسبة لشخص جائع، فإن ذلك المكمل يعد تغييراً جذرياً للعبة.
ويشير الباحثون أيضاً إلى أن هذه الإمكانات ليست "فوزاً" مضموناً بمجرد رش بعض مسحوق الفطريات في الحقول. تجادل الورقة بأن النجاح يعتمد على السياق. فإذا كانت التربة قلوية جداً (درجة حموضة عالية) أو جافة جداً، أو إذا كان نوع الفطر المحدد الذي تم إدخاله لا يتناسب مع المحصول المحلي، فقد تكون الفوائد صغيرة أو حتى معدومة. علاوة على ذلك، تسلط الدراسة الضل على أننا لا نحتاج فقط إلى إضافة فطريات جديدة؛ بل نحتاج غالباً إلى التوقف عن إيذاء الفطريات الموجودة بالفعل هناك. ممارسات مثل تقليل الحرث (عدم تقليب التربة) وإضافة المواد العضوية يمكن أن تقوي الشبكات الفطرية الأصلية التي تعيش بالفعل تحت الأرض.
فماذا يعني هذا للمستقبل؟ تقترح الورقة أنه بينما لا يمكننا الاعتماد على الفطريات وحدها لحل كل مشكلة غذائية، إلا أنها تمثل أداة ضخمة غير مستغلة. ومن خلال إدارة تربتنا لدعم هؤلاء الحلفاء المجهريين، يمكننا سد الفجوة بين كمية الغذاء التي ننتجها وكمية ما نحتاجه، خاصة في المناطق التي لا يستطيع مزارعوها تحمل تكاليف الأسمدة الباهظة. إنه تذكير بأن سر إطعام المستقبل قد لا يكمن فقط في السماء أو في المصنع، بل في الأسفل مباشرة تحت أقدامنا، بانتظار أن نتركهم يقومون بعملهم.
بيان المشكلة تعد الكائنات الحية في التربة، ولا سيما الفطريات الجذرية (AMF)، منظمات حيوية لدورة المغذيات، وبنية التربة، وصمود النباتات. ومع ذلك، فإن مساهماتها في الإنتاجية الزراعية غائبة إلى حد كبير عن نماذج الإنتاج العالمية واتخاذ القرارات الزراعية. وبينما توثق الدراسات الميدانية فوائد المحصول الناتجة عن تلقيح الفطريات الجذرية، خاصة في ظل ظروف المدخلات المنخفضة، إلا أن إمكانات الإنتاج العالمي للفطريات الجذرية لا تزال غير محددة كمياً. وتمنع هذه الفجوة الباحثين وصناع السياسات من تقييم الأماكن التي يمكن فيها لإدارة التنوع البيولوجي للتربة بشكل أفضل أن تدعم إنتاج الغذاء بشكل ملموس أو تقلل الاعتماد على الأسمدة الاصطناعية. علاوة على ذلك، غالباً ما تؤدي الممارسات الزراعية المكثفة إلى تثبيط استعمار الفطريات الجذرية، مما يترك فرصة كبيرة لاستعادة وظائفها من خلال الإدارة أو التدخلات المستهدفة.
المنهجية تقدم الدراسة أول تقدير عالمي النطاق لزيادات الإنتاج المحتملة من الفطريات الجذرية عبر المحاصيل الثلاثة السائدة في العالم: الذرة، والقمح، والأرز. استخدم المؤلفون نهج نمذجة مكانياً يجمع بين بيانات الاستجابة التجريبية ومجموعات البيانات الشبكية العالمية:
مصادر البيانات:
الإنتاج والمساحة: تم الحصول على بيانات إنتاج المحاصيل والمساحة المحصودة من SPAM 2020 v2.0 بدقة 5 دقائق قوسية.
التربة والإدارة: تم اشتقاق خصائص التربة (الرقم الهيدروجيني pH، والنيتروجين الكلي) من SoilGrids v2.0. كما تم تقدير النيتروجين المتاح للنبات (paN) من النيتروجين الكلي. وجُمعت إحصاءات الأسمدة الوطنية الخاصة بكل محصول من قاعدة بيانات استخدام الأسمدة حسب المحصول (FUBC) التابعة لـ IFDC–FAO.
بيانات استجابة الفطريات الجذرية: تم تحديد معلمات استجابة المحصول باستخدام نسب الاستجابة اللوغاريتمية (lnRR) الخاصة بالمحصول والمجموعات الفرعية من تحليل تلوّي (meta-analysis) عالمي لـ 168 دراسة تلقيح ميدانية (402 تجربة) بواسطة Zhang et al. (2019).
نهج النمذجة:
تم تحديد تأثير الفطريات الجذرية الأساسي (AMFbase) باستخدام قيم متوسط lnRR الخاصة بكل محصول (الذرة: 13.4%، الأرز: 17.1%، القمح: 17.2%).
تم دمج اعتماد السياق باستخدام معاملات الوسيط (k) المستمدة من المجموعات الفرعية ذات الدلالة الإحصائية في التحليل التلوي. وشملت هذه الوسائط الرقم الهيدروجيني للتربة، والتفاعل بين استخدام سماد النيتروجين والنيتروجين المتاح للنبات، وحالة الفوسفور/البوتاسيوم.
تم حساب مضاعف إنتاج الفطريات الجذرية النهائي (M) لكل خلية شبكية كالتالي: M=AMFbase×kpH×kN×paN×kP×kK.
تم تقدير مكاسب الإنتاج المحتملة عن طريق تطبيق هذا المضاعف على خرائط الإنتاج الأساسية، وحساب الفرق بين أسطح الإنتاج الملقحة وغير الملقحة (الحالية)، وضرب الناتج في المساحة المحصودة.
تحليل عدم اليقين: تم نشر عدم اليقين باستخدام أخذ عينات مونت كارلو (1,000 سحبة)، مع أخذ عينات من قيم lnRR من التوزيعات الطبيعية بناءً على فترات الثقة الـ 95% المبلغ عنها لتوليد توزيع لمكاسب الإنتاج العالمية.
النتائج الرئيسية يشير التحليل إلى أن تعزيز وظيفة الفطريات الجذرية لديه القدرة على زيادة إنتاج الحبوب العالمي بمتوسط 12.6%، ما يعادل حوالي 341 مليون طن متري (MMT) من الحبوب الإضافية (فترة عدم اليقين 95%: 232-438 مليون طن متري).
خصوصية المحاصيل: تباينت مكاسب الإنتاج حسب المحصول، حيث كانت أعلى إمكانات للقمح (16.0%) والأرز (15.9%)، وزيادة أقل قليلاً ولكنها لا تزال كبيرة للذرة (12.3%).
المحركات السياقية: كان أقوى وسيط لمزايا الإنتاج هو السياق الغذائي.
أنظمة المدخلات المنخفضة: في الأنظمة ذات توافر النيتروجين المحدود في التربة وعدم وجود تسميد (وهو أمر شائع في سياقات صغار المزارعين)، تجاوزت المكاسب المتوقعة 20%.
الأنظمة المكثفة: في الأنظمة ذات التسميد المكثف، كانت المكاسب المتوقعة حوالي 11%. وهذا يتوافق مع الفهم بأن مدخلات الأسمدة العالية تقلل من اعتماد النبات على الفطريات الجذرية.
التوزيع الجغرافي:
الزيادات النسبية: يُتوقع تحقيق أكبر الزيادات النسبية في الإنتاج في أنظمة المدخلات المنخفضة في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وأجزاء من جنوب شرق آسيا.
الإنتاج المطلق: تتركز أكبر مكاسب الإنتاج المطلقة في جنوب وشرق آسيا بسبب الحجم الهائل للإنتاج في هذه المناطق.
القيود: تشير الدراسة إلى أن ارتفاع الرقم الهيدروجيني للتربة والظروف القاحلة يمكن أن يقلل من فوائد الفطريات الجذرية. بالإضافة إلى ذلك، في المناطق التي تكون فيها مجتمعات الفطريات الجذرية الأصلية مستقرة جيداً أو حيث تكون السلالات المقدمة غير متوافقة، قد يكون للتلقيح آثار ضئيلة أو سلبية.
الأهمية والادعاءات تدعي الورقة أنها تقدم أول تقدير كمي على نطاق عالمي لمكاسب الإنتاج المحتملة من تلقيح الفطريات الجذرية. ويجادل المؤلفون بأن هذه النتائج تسلط الضوء على الدور غير المعترف به لمجتمعات الحياة البيولوجية في التربة في دعم إنتاج الغذاء العالمي.
تفترض الدراسة أن تحسين إدارة الفطريات الجذرية يمكن أن يضيف أكثر من 300 مليون طن متري إلى إنتاج الحبوب العالمي، مع كون الفوائد حاسمة بشكل خاص للأنظمة ذات المدخلات المنخفضة. ويقترح المؤلفون أن هذا الحل القائم على البيولوجيا يوفر مساراً لمواءمة الأمن الغذائي مع الاستدامة، مما قد يقلل الاعتماد على الأسمدة الاصطناعية وفقدان النيتروجين التفاعلي وانبعاثات الغازات الدفيئة المرتبطة بها. ومع ذلك، تحافظ الورقة على نبرة متواضعة فيما يتعلق بالتنفيذ، مشيرة إلى أن تحقيق هذه المكاسب يعتمد على البحث التطبيقي لتحسين جودة الملقحات، وحل مسألة الاعتماد على السياق، وإرساء الجدوى الاقتصادية من خلال التجارات الميدانية الخاصة بكل منطقة. ويعمل التحليل كأساس كمي لتحديد الأولويات في الأماكن التي من المرجح أن تساهم فيها تدخلات الفطريات الجذرية في سد فجوات الإنتاج.