Drought increases soil nitrous oxide emissions and nitrogen availability under plant cover in arable soils

يحتوي الهواء الذي نتنفسه على لاعب صامت وغير مرئي في قصة المناخ: أكسيد النيتروز. وبينما غالباً ما يتصدر ثاني أكسيد الكربون العناوين الرئيسية لدوره في تدفئة الكوكب، فإن هذا الغاز الآخر أكثر قوة بكثير في حبس الحرارة، جزيئاً بجزيء. وهو يتسرب من التربة، كمنتج ثانوي لعملية تفكيك الميكروبات للنيتروجين، وهو عنصر غذائي ضروري لحياة النباتات. يضيف المزارعون النيتروجين إلى حقولهم لمساعدة المحاصيل على النمو، ولكن عندما يظل هذا النيتروجين دون استخدام في التربة، يمكن للميكروبات أن تحوله إلى أكسيد النيتروز، والذي يندفع بعد ذلك إلى الغلاف الجوي. لعقود من الزمن، أدرك العلماء أن الماء يلعب دوراً هائلاً في هذه العملية؛ فعندما تكون التربة رطبة، يقل الأكسجين، وتتحول الميكروبات إلى نمط ينتج المزيد من هذا الغاز. وعندما تكون التربة جافة، تتباطأ العملية عادةً، وتنخفض الانبعاثات. ولكن مع تغير المناخ، وما يجلبه من موجات جفاف صيفية أكثر تكراراً وشدة في أماكن مثل شمال أوروبا، برز سؤال جديد: هل لا تزال هذه القاعدة البسيطة صالحة عندما تنمو النباتات في تلك التربة الجافة؟

لقد شرع فريق من الباحثين في جامعة هلسنكي في الإجابة على هذا السؤال من خلال إنشاء عالم محكوم داخل دفيئة زجاجية. أرادوا معرفة كيف يغير وجود النباتات الحية قصة أكسيد النوز عندما تجف التربة. ملأوا أواني بتربة طينية جُمعت من مزرعة بحثية وأقاموا تجربة بسيطة. تُركت بعض الأواني عارية تماماً، لتمثل التربة التي لا غطاء نباتي لها. بينما زُرعت أخرى بالشوفان، وهو محصول شائع. كما احتوت بعض أواني الشوفان تلك على نبات ثانٍ، إما عشب إيطالي أو البرسيم الحجازي، لمعرفة ما إذا كانت مجموعات مختلفة من النباتات ستحدث فرقاً. تم الحفاظ على نصف هذه الأواني رطبة، لمحاكاة موسم نمو طبيعي، بينما سُمح للنصف الآخر بالجفاف لمحاكاة الجفاف. ثم راقب الباحثون عن كثب، وقاسوا كمية أكسيد النيتروز التي تسربت من التربة على مدار ما يقرب من ستة أسابيع، مع تتبع كمية النيتروجين التي امتصتها النباتات وما حدث للنيتروجين المتبقي في التراب.

كشفت النتائج عن تحول مفاجئ في العلاقة بين النباتات والجفاف والانبعاثات. ففي الأواني التي لا تحتوي على نباتات، تصرفت التربة الجافة تماماً كما هو متوقع: حيث أدى نقص الماء إلى إبطاء عمل الميكروبات، وانخفضت كمية أكسيد النيتروز المنبعثة بشكل كبير، بنسبة تقارب 80 بالمائة مقارنة بالتربة الرطبة. ومع ذلك، كانت القصة مختلفة تماماً في الأواني التي تحتوي على نباتات. فعندما جفت التربة، لم تمنع النباتات تسرب الغاز؛ بل على العكس، ارتفعت الانبعاثات من التربة المزروعة، لتصبح أعلى بما يتراي بين ضعفين وأربعة أضعاف مما كانت عليه في الظروف الرطبة. كان هذا اكتشافاً غير متوقع، مما يشير إلى أن وجود الجذور الحية يغير بشكل جذري كيفية تفاعل التربة مع نقص المياه.

لفهم سبب حدوث ذلك، نظر الباحثون بعمق أكبر في كيمياء التربة. وجدوا أنه في التربة الجافة العارية، ظل النيتروجين هناك ببساطة، غير مستخدم ومحبوساً. ولكن في التربة الجافة مع النباتات، حدث شيء مختلف. استمرت النباتات في امتصاص النيتروجين، لكن الجفاف بدا أيضاً أنه عدل الطريقة التي تعالج بها الميكروبات هذا النيتروجين، مما أدى إلى تراكم شكل معين من النيتروجين يسمى النترات. ورغم أن النباتات كانت لا تزال تنمو وتمتص العناصر الغذائية، إلا أن الجمع بين هذه النترات الإضافية والكربون الذي أطلقته الجذور خلق "عاصفة مثالية" للميكروبات لإنتاج المزيد من أكسيد النيتروز. لم تمنع النباتات تشكل الغاز؛ بل وفرت عن غير قصد الوقود لزيادته عندما اختفى الماء.

كما بحثت الدراسة فيما إذا كان نوع النبات يهم. قارنوا بين الشوفان الذي ينمو بمفرده وبين الشوفان المختلط بالعشب الإيطالي أو البرسيم الحجازي. وبينما أظهرت النباتات المختلفة تباينات طفيفة في كمية النيتروجين التي سحبتها من التربة، إلا أن النمط العام ظل كما هو: أي غطاء نباتي قلل الانبعاثات مقارنة بالتربة العارية، لكن الجفاف تسبب في ارتفاع الانبعاثات في جميع المعاملات المزروعة. وأشار الباحثون إلى أن البرسيم الحجازي، الذي يمكنه تثبيت نيتروجينه الخاص من الهواء، لم يتصرف بشكل مختلف جذرياً عن الأعشاب في هذه التجربة قصيرة المدى، ويرجع ذلك على الأرجاح إلى أن النباتات كانت لا تزال في مراحل نموها الأولى ولم تكتمل أنظمتها الجذرية المعقدة بعد. كان العامل المهيمن هو ببساطة وجود الغطاء النباتي مقابل الأرض العارية، والتحول من الحالة الرطبة إلى الجافة.

تتحدى هذه النتائج الافتراض القائل بأن الجفاف يؤدي دائماً إلى انخفاض الانبعاثات. فبينما تعمل التربة الجافة العارية بالفعل على كبح إطلاق أكسيد النيتروز، يمكن لظروف الجفاف نفسها أن تسبب طفرة في الانبعاثات إذا كانت النباتات موجودة. ويقترح الباحثون أن هذا يحدث لأن النباتات تبقي التربة حية بالكربون، ويؤدي الجفاف إلى تراكم النترات التي تقوم الميكروبات بعد ذلك بتحويلها إلى غاز. وهذا له تداعيات مهمة على كيفية إدارة الأراضي. فإذا تُرك الحقل عارياً خلال فترة جفاف، فقد يبعث غازاً أقل، ولكن بمجرد هطول الأمطار مجدداً، قد يتم إطلاق تلك النترات المتراكمة في نبضة ضخمة. وعلى العكس من ذلك، فإن الحفاظ على نمو النباتات، حتى خلال فترات الجفاف، يساعد في حبس ذلك النيتروجين داخل الكتلة الحيوية للنبات، مما يمنع تراكمه في التربة. تشير الدراسة إلى أن الحفاظ على نمو جيد للنباتات هو استراتيجية رئيسية لإبقاء مستويات أكسيد النيتروز منخفضة، ليس فقط خلال المواسم الرطبة، بل خاصة عندما يصبح الطقس جافاً.

أجريت التجربة على مدى فترة 39 يوماً، وهي فترة قصيرة نسبياً في حياة النبات أو النظام البيئي للتربة. وأقر الباحثون بأن هذه النتائج تعكس المراحل المبكرة من النمو وأن الديناميكيات قد تتغير مع نضوج النباتات وتصبح أنظمتها الجذرية أكثر تعقيداً. كما أشاروا إلى أنه بينما سمحت بيئة الدفيئة المحكومة بعزل آثار الجفاف والغطاء النباتي، فإن الحقول في العالم الحقيقي تخضع للرياح، وتقلبات درجات الحرارة، ومتغيرات أخرى قد تغير النتيجة. ومع ذلك، توفر البيانات صورة واضحة لآلية تم التغاضي عنها سابقاً: النباتات لا تكتفي بالجلوس سلبية في التربة؛ بل هي تغير بفاعلية البيئة الكيميائية، وبذلك، يمكنها تحويل الجفاف من مثبط للانبعاثات إلى محفز لها.

الدرس الأوسع هو درس التوازن. تعتمد الزراعة على إدارة النيتروجين لإطعام المحاصيل، ولكن نفس هذا النيتروجين هو مصدر لغازات دفيئة قوية. تسلط الدراسة الضوء على أن الحل ليس ببساطة ترك الحقول بوراً خلال فترات الجفاف، ولا افتراض أن التربة الجافة هي دائماً ملاذ آمن من الانبعاثات. بدلاً من ذلك، يعمل وجود الغطاء النباتي الصحي والمتنامي كحاجز، حيث يمتص النيتروجين الذي كان سيستقر في التربة بانتظار تحوله إلى غاز. ومن خلال ضمان استقرار المحاصيل ونموها المستمر حتى تحت وطأة نقص المياه، قد يتمكن المزارعون من تقليل خطر حدوث عمليات إطلاق كبيرة ومفاجئة لأكسيد النيتروز عند عودة الأمطار في نهاية المطاف. يضيف هذا العمل طبقة جديدة لفهمنا للتربة، موضحاً أن التفاعل بين جذور النبات والأرض الجافة هو رقصة معقدة من الكيمياء التي تحدد مقدار الغاز الحابس للحرارة الذي يتسرب إلى غلافنا الجوي.