Soil nitrogen distribution, vertical migration, and leaching vulnerability in a typical shallow soil mountainous catchment: Evidence from the Chaohe River catchment, northern China

تخيل تربة الأرض كإسفنجة عملاقة حية، تقع بين السماء والأعماق تحت الأرض. هذه الإسفنجة لا تحتفظ بالماء فحسب، بل تحتفظ أيضاً بالعناصر الغذائية التي تحتاجها النباتات لتنمو، مثل النيتروجين، وهو بمثابة "غذاء" المحاصيل. ولكن في بعض الأحيان، نعطي الإسفنجة الكثير من الطعام. وعندما يحدث ذلك، لا تستطيع العناصر الغذائية الزائدة البقاء في مكانها؛ إذ تُغسل بفعل الأمطار أو الري، وتنزلق عبر ثقوب الإسفنجة لتتقطر في الأنهار والمياه الجوفية. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن وجود الكثير من النيتروجين في مياهنا يمكن أن يحول البحيرات إلى اللون الأخضر ويجعل رائحتها كريهة، بل ويمكن أن يجعل مياه الشرب غير آمنة. يطلق العلماء على هذا الأمر اسم "التلوث من مصادر غير محددة" لأنه لا يأتي من أنبوب واحد أو مصنع واحد، بل يأتي من كل مكان في وقت واحد، مثل انجراف الأسمدة من حقل زراعي. والسؤال الكبير هو: هل تحتفظ التربة بهذا النيتروجين الزائد بأمان، أم أنها تنتظر فقط لكي تُغسل وتنجرف؟

تتعمق هذه الدراسة في منطقة جبلية محددة في شمال الصين تسمى حوض نهر تشاوهي (Chaohe River catchment). أراد الباحثون معرفة كيفية سلوك النيتروجين في التربة هنا، خاصة في حقول الذرة وبساتين الخضروات. وقد استخدموا بعض الأدوات عالية التقنية، بما في ذلك "النظائر" (التي تعمل كرموز شريطية طبيعية صغيرة تخبر العلماء من أين جاء النيتروجين) و"تحليل المسار" (وهي طريقة لرسم خرائط توضح العوامل التي تدفع النيتروجين وتنقله). كانوا يبحثون عن أدلة لمعرفة ما إذا كانت التربة تعمل كمخزن آمن للنيتروجين أو كدلو مثقوب على وشك سكب محتوياته.

دلو الجبل المثقوب

تبدأ القصة في حوض نهر تشاوهي، وهو مكان يتميز بالمنحدرات الشديدة والتربة الضحلة. فكر في هذه المنطقة ليس كغطاء سميك وعميق من الأرض، بل كطبقة رقيقة من التراب تجلس فوق صخر صلب. وجد الباحثون أنه في حقول الذرة، كان النيتروجين متكدساً بشكل أساسي في الـ 20 سنتيمتراً العلوية من التربة، تماماً حيث توجد الجذور. ومع ذلك، تمكنت حوالي 27% من النترات (شكل محدد من النيتروجين) بالفعل من التسلل إلى أسفل مستوى 30 سنتيمتراً.

وهنا تكمن المفاجأة: على الرغم من أن حقول الذرة لم تشغل سوى حوالي 14.6% من إجمالي مساحة الأرض، إلا أنها كانت هي المسبب للمشاكل فيما يتعلق بالنيتروجين. فقد كان مقدار النترات في هذه الحقول أعلى بكundاً بشكل ملحوظ مما هو عليه في مناطق الأعشاب والشجيرات المجالة. في الواقع، احتوت حقول الذটে على متوسط 230.7 ± 94.5 كجم من النترات لكل هكتار. هذه كمية كبيرة من النيتروجين! ولكن الجزء الحاسم هنا هو أن هذا لم يكن بسبب قيام المزارعين بوضع سماد أكثر من المعتاد مقارنة بالأماكن الأخرى، بل كان السبب هو أن التربة نفسها كانت ضحلة جداً بحيث لا تستطيع الاحتفاظ بكل ذلك.

تخيل أنك تحاول تخزين الماء في كوب عمقه نصف بوصة فقط. إذا صببت فيه الكثير، فلن يهم مدى دقة صبك، فسيطف فوراً فوق الحافة. هذا بالضبط ما يحدث في حوض نهر تشاوهي. فخلافاً للسهول المنبسطة حيث يمكن أن يصل عمق التربة إلى عدة أمتار وتعمل كخزان تخزين مستقر للنيتروجين، فإن هذه المنطقة الجبلية تمتلك "ملفاً ضحلاً". يتراكم النيتروجين في الطبقة العليا ليس لأنه يُحتجز بأمان، بل لأنه لا يوجد مكان آخر يذهب إليه. وهذا يجعل المنطقة "منطقة معرضة للخطر"، حيث ينتظر النيتروجين فعلياً على ساعة موقوتة، مستعداً لأول عاصفة مطرية تغسله مباشرة إلى النهر.

عمل المحققين: من أين جاء النيتروجين؟

لتحديد ما كان يحدث للنيتروجين بدقة، تصرف العلماء كمحققين باستخدام "الرموز الشريطية" للنظائر. لقد بحثوا في البصمات الكيميائية للنيتروجين (تحديداً قيم δ15N و δ18O) لمعرفة قصة أصله.

أشارت الأدلة إلى وجود عاملين رئيسيين: الأسمدة الكيميائية والتحلل الطبيعي للمادة العضوية في التربة. لم يكن النيتروجين جالساً هناك فحسب؛ بل كان يتحرك. أظهرت "الرموز الشريطية" أن النترات كانت تهاجر رأسياً، وتنتقل للأسفل عبر طبقات التربة.

هناك عملية يخشاها العلماء غالباً وهي "نزع النترات" (denitrification)، حيث تقوم البكتيريا بتحويل النترات إلى غاز، مما يؤدي فعلياً إلى إزالتها من التربة وإرسالها مرة أخرى إلى الهواء. قد تعتقد أن هذا سيكون أمراً جيداً، حيث ينظف الفوضى. ومع ذلك، وجدت الدراسة أن عملية نزع النترات في هذا الحوض تحديداً كانت ضعيفة جداً. فالتربة كانت مليئة بالهواء وجافة للغاية بحيث لا تستطيع البكتيريا القيام بعملها بفعالية. لذا، لم يكن النيتروجان يختفي في الهواء؛ بل ظل باقياً في التربة، جاهزاً ليُغسل ويُجرف بعيداً.

قواعد اللعبة: ما الذي يحرك النيتروجين؟

قام الباحثون أيضاً بلعبة "ما الذي يحرك المؤشر" لمعرفة خصائص التربة التي تتحكم في انتقال النيتروجين. وقد استخدموا طريقة تسمى "تحليل المسار" لرسم الروابط.

اكتشفوا أن كمية الرمل في التربة كانت المحرك الأكبر. فعندما تحتوي التربة على مزيد من الرمل، يتحرك النترات بسهولة أكبر. الأمر يشبه كون الرمل طريقاً سريعاً للنيتروجين، بينما الطين يمثل ازدحاماً مرورياً. ومن المثير للدهشة، وجدت الدراسة علاقة غير خطية: عند المستويات المتوسطة، كان وجود المزيد من الرمل يعني نقصاً في النترات، ولكن بمجرد أن أصبح محتوى الرمل مرتفعاً جداً (أكثر من 60%)، بدأ تراكم النترات يزداد مرة أخرى لأن التربة أصبحت هوائية جداً لدرجة منعت البكتيريا من تفكيكها.

لعبت عوامل أخرى أدواراً أيضاً:

• الأمونيوم (NH4+-N): عمل بمثابة مصدر للوقود. فوجود المزيد من الأمونيوم يعني إمكانية إنشاء ونقل المزيد من النترات.
• نيتروجين التربة العضوي (SON): كان هو الوقود بطيء التحرر. ومع تحلله، كان يغذي هجرة النترات.
• الرقم الهيدروجيني (الحموضة/القلوية): كان بمثابة دواسة الفرامل. فمستويات الرقم الهيدروجيني الأعلى أدت في الواقع إلى إبطاء حركة النترات.

الخلا الخلاصة

يعتبر حوض نهر تشاوهي نموذجاً كلاسيكياً للمناطق الجبلية حيث تكون التربة رقيقة جداً بحيث لا تصلح لتكون وحدة تخزين آمنة للنيتروجين الزراعي. تشير الدراسة إلى أن المستويات العالية من النترات الموجودة في التربة ليست بالضرورة ناتة عن استخدام مفرط للأسمدة، بل لأن التربة الرملية الضحلة ببساطة لا تستطيع الاحتفاظ بها. وبدلاً من أن تكون خزانًا مستقراً، فإن التربة هي "دلو مثقوب".

ولأن التربة نفاذة جداً والنيتروجين لا تتم إزالته بواسطة البكتيريا، فإن أي هطول غزير للأمطار أو عملية ري قد تؤدي إلى موجة غسل هائلة، ترسل دفعة من النيتروجين مباشرة إلى نهر تشاوهي، وصولاً في النهاية إلى خزان مِييون (Miyun Reservoir) الذي يمد بكين بمياه الشرب. ويخلص المؤلفون إلى أن إدارة هذه المخاطر تتطلب استراتيجيات مستهدفة لهذه التربة الجبلية الضحلة، مع التركيز على منع وصول النيتروجين إلى المياه في المقام الأول، بدلاً من مجرد افتراض أن التربة ستحتفظ به من أجلنا.