Influence of Vegetation Type and Hydrology on Short-Term Nutrient Retention in Wetland Mesocosms

في قلب المناطق الزراعية الشاسعة في أمريكا الشمالية، ترك حوض نهر المسيسيبي، وهو فعل الزراعة نفسه، إرثاً ثقيلاً على المياه. فقد أدى استخدام الأسمدة لعقود من الزمن إلى جرف المغذيات الزائدة إلى الأنهار والجداول، مما تسبب في حالة تُعرف باسم "الاستثراء الغذائي" (eutrophication)، حيث تصبح المياه مختنقة بالطحالب وتنخفض مستويات الأكسجين، مما يضر بالأسماك وغيرها من الكائنات الحية. ولمكافحة ذلك، يتجه العلماء ومديرو الأراضي إلى الحلول القائمة على الطبيعة، وتحديداً استعادة الأراضي الرطبة. هذه ليست مجرد مستنقعات، بل هي مناظر طبيعية ديناميكية تتفاعل فيها المياه والتربة والنباتات لتنقية المياه قبل وصولها إلى النهر الرئيسي. والأمل هو أنه من خلال إعادة إنشاء التدفق الطبيعي للمياه وزراعة الأنواع المناسبة من النباتات، يمكن لهذه الأراضي الرطبة أن تعمل كمرشحات، حيث تحجز النيتروجين والفوسفور الضارين قبل أن يتسببا في ضرر في اتجاه مجرى النهر. ومع ذلك، بينما تبدو الفكرة العامة سليمة، فإن الميكانيكا المحددة لكيفية مساهمة النباتات المختلفة وجداول المياه المختلفة في عملية التنظيف هذه تظل غير واضحة نوعاً ما. إن فهم أي النباتات تعمل بشكل أفضل وكيف من المفيد بقاء المياه في الأرض الرطبة لتعمل بفعالية أمر بالغ الأهمية لتصميم عمليات استعادة تعمل حقاً.

قام فريق من الباحثين في جامعة تينيسي تيك (Tennessee Tech University) بمحاولة لفك تشابك هذه المتغيرات باستخدام تجربة محكومة. قاموا ببناء ستة وثلاثين حوضاً بلاستيكياً كبيراً في الهواء الطلق، وملؤها بالرمل وتربة الأراضي الرطبة المحلية لإنشاء نسخ مصغرة من السهول الفيضية. وفي هذه الأحواض، أدخل الباحثون سيناريوهات مختلفة ليروا كيف تؤثر على إزالة المغذيات. بعض الأحواض تركت عارية، مما يمثل المناطق الخالية من النباتات. وبعضها الآخر زُرع بنوع من أعشاب الأراضي الرطبة الشائعة يُعرف باسم "عشب الأرز المقطوع" (rice cutgrass)، والذي ينمو في كتل كثيفة ومنتصبة. ومجموعة ثالثة تلقت شتلات صغيرة من نوعين من الأشجار، وهي البتولا والباولد سيبريس (bald cypress)، لمحاكاة إعادة تشجير غابات الأخشاب الصلبة في الأراضي المنخفضة. ولاختبار تأثير المياه، أخضع الباحثون هذه الأحواض لجدولين مختلفين من الفيضانات: أحدهما حيث بقيت المياه لمدة ثلاثة أيام تليها أربعة أيام من الجفاف، والآخر حيث بقيت المياه لمدة ثلاثة أسابيع تليها أسبوع واحد من الجفاف. وبمجرد استقرار النباتات، أغرقوا جميع الأحواض بمياه تحتوي على مستويات عالية من النترات والفوسفات، لمحاكاة حدث فيضان غني بالمغذيات، ثم راقبوها عن كثب لمدة خمسة أيام لمعرفة مدى سرعة تنقية المياه.

كشفت النتائج عن تميز واضح بين كيفية تعامل الأراضي الرطبة مع النيتروجين والفوسفور، وكيف أن نوع النبات كان أكثر أهمية من طول فترة الفيضان. فعندما يتعلق الأمر بإزالة النترات، كانت الأحواض التي تحتوي على العشب هي الفائزة بوضوح. فقد قامت المساحات العشبية بتنقية المياه بشكل أسرع بكثير من التربة العارية أو الأشجار الصغيرة، حيث أزالت النترات بمعدل أعلى بنحو الثلث مقارنة بالمجموعات الأخرى. وبحلول اليوم الثالث، كانت الأحواض العشبية قد خفضت مستويات النترات بأكثر من تسعين بالمائة، بينما استغرقت المعالجات الأخرى يوماً أو يومين إضافيين للوصول إلى نفس المستوى من النظافة. وهذا يشير إلى أنه بالنسبة للفيضانات القصيرة والسريعة التي قد تستمر بضعة أيام فقط، فإن وجود العشب النابت هو عامل حاسم في منع وصول النيتروجين إلى النهر. ووجد الباحثون أن الأشجار الصغيرة لم تؤدِ أداءً أفضل بشكل ملحوظ من التربة العارية في هذا الإطار الزمني القصير، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن أنظمتها الجذرية لم تكن واسعة الانتشار بما يكفي لدعم نفس المستوى من النشاط الميكروبي أو امتصاص النباتات كما هو الحال في العشب الكثيف.

أما الفوسفور فقد حكى قصة مختلفة. في هذه الحالة، كانت التربة العارية هي الأكثر كفاءة في إزالة المغذي، تليها عن كثب مساحات الأشجار والعشب. وقد حدثت الإزالة بسرعة فائقة للجميع، حيث اختفى معظم الفوسفور من الماء خلال الأربع وعشرين ساعة الأولى. ويشير هذا الانخفاض السريع إلى أن العملية كانت مدفوعة بالتربة نفسها، وليس بالنباتات. فقد عملت التربة الغنية بالطين في الأحواض مثل الإسفنج، حيث ربطت الفوسفور كيميائياً بسطحها بشكل فوري تقريباً. ولأن هذه العملية الفيزيائية كانت فعالة للغاية، فإن وجود النباتات أو جدول الفيضان المحدد لم يشكل فرقاً كبيراً في اليوم الأول. ومع ذلك، بعد ذلك الاندفاع الأولي، أظهرت المساحات العشبية نمطاً مختلفاً قليلاً، حيث تسرب بعض الفوسفور أحياناً مرة أخرى إلى الماء، وهو سلوك لم يُلاحظ في التربة العارية. وهذا يشير إلى أنه بينما تعد النباتات ممتازة في تنظيف النيتروجين، إلا أنها قد تتداخل أحياناً مع قدرة التربة على الاحتفاظ بالفوسفور، ربما عن طريق إطلاق مواد كيميائية تتنافس على مواقع الارتباط أو عن طريق تغيير كيمياء التربة.

كما بحثت الدراسة فيما يحدث للنيتروجين بعد إزالته من الماء. إن أحد الأهداف الرئيسية لاستعادة الأراضي الرطبة هو "نزع النترات" (denitrification)، وهي عملية طبيعية تقوم فيها البكتيريا بتحويل النترات إلى غاز نيتروجين غير ضار، والذي يرتفع بعد ذلك إلى الغلاف الجوي. وقام الباحثون بقياس إنتاج هذا الغاز ووجدوا أنه يحدث بمعدلات متشابهة في جميع الأحواض، بغض النظر عما إذا كان بها عشب أو أشجار أو لا يوجد بها نباتات على الإطلاق. وكان مقدار غاز النيتروجين الناتج كبيراً، بمتوسط حوالي 5.5 ملليغرام لكل متر مربع في الساعة، مما يشير إلى أن البكتيريا كانت تعمل بجد في جميع السيناريوهات. ومن المثير للاهتمام أن إنتاج أكسيد النيتروز، وهو غاز دفيئة قوي يمكن أن ينبعث إذا كان نزع النترات غير مكتمل، كان ضئيلاً في جميع الحالات. ولم يكن لطول فترة الفيضان، سواء كانت ثلاثة أيام أو ثلاثة أسابيع، أي تأثير تقريباً على معدلات إنتاج الغاز هذه. وهذا يشير إلى أنه بمجرد تغطية المياه للتربة، يتم إنشاء الظروف اللازمة لعمل البكتيريا بسرعة، ولا يغير التاريخ المحدد للفيضان النتيجة في المدى القصير.

وكانت واحدة من أكثر النتائج إثارة للدهشة هي أن تاريخ الفيضانات لم يغير بشكل كبير معدلات الاحتفاظ بالمغذيات. كان الباحثون يتوقعون أن الأحواض التي شهدت فيضانات أطول، لمدة ثلاثة أسابيع، سيكون لها ظروف تربة مختلفة قد تساعد أو تعيق عملية التنظيف. وبدلاً من ذلك، كان نوع النبات هو العامل المهيمن. فقد كان العشب يعمل بشكل أفضل بالنسبة للنيتروجين، بينما كانت التربة تعمل بشكل أفضل بالنسبة للفوسفور، بغض النظر عن المدة التي كانت المياه قد استقرت فيها سابقاً. وهذا يعني أنه بالنسبة لمديري الأراضي الرطبة، فإن التكوين الفوري للحياة النباتية أكثر أهمية من جدول الفيضان طويل الأمد عند التعامل مع أحداث الفيضان قصيرة المدة. فإذا كان من المتوقع أن يستمر الفيضان لبضعة أيام فقط، فإن زراعة الأعشاب النابتة الكثيفة يمكن أن تكون استراتيجية فعالة للغاية لالتقاط النيتروجين. أما بالنسبة للفيضانات الأطول، فإن نوع النبات المحدد يصبح أقل أهمية، حيث يسمح الوقت الممتد للتربة والمياه بالتفاعل لفترة كافية لإزالة المغذيات بفعالية في أي تكوين تقريباً.

في نهاية المطاف، تسلط هذه الدراسة الضوء على أن استعادة الأراضي الرطبة ليست حلاً واحداً يناسب الجميع. ففعالية الأراضي الرطبة المستعادة تعتمد بشدة على الأهداف المحددة وطبيعة تدفق المياه التي ستختبرها. فإذا كان الاهتمام الأساسي هو التقاط النيتروجين أثناء الفيضانات القصيرة والمتكررة، فإن إنشاء مناطق من النباتات النابتة مثل عشب الأرز المقطوع يعد أداة قوية. وإذا كان الهدف هو حبس الفوسفور، فإن التربة هي اللاعب الرئيسي، ووجود النباتات ليس حاسماً في المدى القصير. وتقترح الدراسة أن نهج "الموزاييك" (الفسيفساء)، الذي يجمع بين مناطق التربة العارية، والعشب، والأشجار الصغيرة، قد يقدم أفضل حماية شاملة لجودة المياه. ومن خلال فهم هذه الأدوار المتميزة، يمكن لمديري الأراضي تصميم أراضٍ رطبة ليست فقط مستعادة بصرياً، بل محسنة وظيفياً لتنقية المياه المتدفقة عبر حوض نهر المسيسيبي.