Manure and mineral fertilizer synergistically drive soil organic carbon recovery in reclaimed cropland through aggregate turnover and plant-derived inputs

إن الأرض تحت أقدامنا هي أكثر من مجرد تراب؛ إنها أرشيف حي للكربون، ذلك العنصر الذي يشكل العمود الفقري لكل أشكال الحياة. في التربة الصحية، يُخزن هذا الكربون في شبكة معقدة من المواد العضوية، تتماسك معاً بواسطة كتل صغيرة من جزيئات التربة تسمى "التجمعات". تعمل هذه التجمعات مثل فقاعات واقية، تحمي الكربون من أن تلتهمه الميكروبات ويتحرر مرة أخرى إلى الغلاف الجوي على شكل غاز. وعندما تُجرد الأرض من غطائها النباتي بسبب التعدين أو تُنزع منها طبقتها السطحية، ينهار هذا الهيكل الدقيق؛ فتصبح التربة مفككة، وفقيرة بالمواد المغذية، وغير قادرة على الاحتفاظ بالكربون الذي تحتاجه لدعم الحياة. إن استعادة مثل هذه الأراضي المتضررة تمثل تحدياً عالمياً، وقد ناقش العلماء طويلاً أفضل طريقة لإعادة بناء مخازن الكربون في التربة. يعتقد البعض أن المفتاح يكمن في تغذية الحياة المجهرية في التربة، آملين أن تبني هياكل جديدة، بينما يجادل آخرون بأن إضافة المزيد من المواد النباتية هي السبيل الوحيد لتحفيز هذه العملية.

على مدار عقد من الزمن، كان باحثون في منطقة تعدين "لويس" (Loess) في الصين يختبرون هذه الأفكار على أرض كانت ذات يوم مكبًا لنفايات الفحم. لقد أقاموا تجربة طويلة الأمد لمعرفة كيف تؤثر أنواع مختلفة من الأسمدة على تعافي كربون التربة في هذه البيئة القاسية والمُعاد بناؤها. وقارنوا بين أربعة نهج: ترك التربة وحدها، إضافة الأسمدة الكيميائية فقط، إضافة السماد العضوي (المانور) فقط، والجمع بين السماد العضني والأسمدة الكيميائية. كان الهدف هو فهم ليس فقط مقدار الكربون الذي عاد إلى التربة، بل كيف وصل إلى هناك بالضبط وكيف استقر. كشفت النتائج عن قصة مدهشة حول كيفية تعافي التربة المتضررة، مظهرة أن طريق التعافي لا يتعلق باستقرار هيكل التربة بقدر ما يتعلق بالحجم الهائل للحياة النباتية الجديدة التي يتم تغذيتها في النظام.

أجريت التجربة في موقع استصلاح لمنجم فحم حيث تمت إزالة التربة الأصلية واستبدالها بطبقة من الأرض لدعم المحاصيل. زرع الباحثون ذرة الربيع، وهي نوع من الذرة، في قطع أراضٍ عولجت بأنواع مختلفة من الأسمدة. وعلى مدار عشر سنوات، راقبوا كيف نمت المحاصيل، والأهم من ذلك، كيف تغيرت التربة تحتها. وجدوا أن القطع التي تلقت السماد العضني، خاصة عند دمجه مع الأسمدة الكيميائية، أنتجت كميات أكبر بكثير من الذرة مقارنة بالقطع غير المعالجة أو تلك التي تلقت مواد كيميائية فقط. هذا الارتفاع في نمو المحاصيل يعني أن المزيد من جذور النباتات وبقايا السيقان كانت تعود إلى التربة، مما يوفر إمداداً طازجاً من المواد العضوية. قام الباحثون بقياس الكربون المخزن في التربة ووجدوا أن معالجات السماد العضني قد نجحت في إعادة بناء احتياطيات الكربون في التربة، حيث أظهرت المعالجة التي جمعت بين السماد العضني والسماد الكيميائي التحسن الأكثر دراماتيكية.

ومع ذلك، فإن الطريقة التي خُزن بها هذا الكربون خالفت توقعاً شائعاً. يفترض العلماء غالباً أنه لكي يُحبس الكربون بأمان، يجب أن تشكل التربة كتلًا قوية ومستقرة تقاوم التفكك. في هذه الدراسة، شكلت التربة المخصبة بالفعل عدداً أقل من الكتل الكبيرة والمستقرة مقارنة بالتربة غير المعالجة. وبدلاً من أن تصبح أكثر صلابة واستقراراً، أصبح هيكل التربة أكثر ديناميكية، حيث تفككت الكتل الكبيرة إلى كتل أصغر ومتوسطة الحجم. ورغم عدم الاستقرار الظاهري هذا، احتفظت التربة بالكثير من الكربون. اكتشف الباحثون أن الكربون لم يكن يختبئ في عدد قليل من الفقاعات العملاقة غير القابلة للكسر، بل كان يتوزع عبر كامل تسلسل كتل التربة، من الأكبر إلى الأصغر. بدا أن عملية التفكك وإعادة التشكيل المستمرة لهذه الكتل، والمدفوعة بإضافة السماد العضني، كانت ميزة وليست خللاً، مما سمح بدم وحماية كربون النبات الجديد بسرعة داخل مصفوفة التربة.

لفهم مصدر هذا الكربون الجديد، نظر الفريق في البصمات الكيميائية التي تتركها النباتات. تنتج النباتات جزيئات معقدة تسمى "اللغنين"، والتي توجد في سيقانها وأوراقها. وعندما تتحلل هذه النباتات، يتفكك اللغنين إلى علامات كيميائية محددة يمكن للعلماء تتبعها. وجدت الدراسة أن التربة المعالجة بالسماد العضني تحتوي على مستويات أعلى بكثير من هذه العلامات المشتقة من النباتات. وقد أكد ذلك أن الزيادة في كربون التربة جاءت أساساً من المواد النباتية الإضافية الناتجة عن المحاصيل المخصبة، وليس من عمل السماد العضني نفسه كمصدر مباشر للتخزين طويل الأمد. لقد عمل السماد العضني كمحفز، حيث عزز نمو الذرة، والتي بدورها أطلقت المزيد من الأوراق والجذور في الأرض، مما أغرق التربة بمواد عضوية طازجة.

كما تم فحص دور السكان المجهريين للتربة، من بكتيريا وفطريات. غالباً ما تُنسب إلى هذه الكائنات الدقيقة القدرة على تحويل المواد النباتية إلى كربون تربة مستقر من خلال عملية يأكلون فيها النبات، ثم ينمون، وفي النهاية يموتون، تاركين وراءهم أجسادهم، المعروفة باسم "الكتلة الحيوية الميتة" (necromass). وجد الباحثون أنه بينما حفز السماد العضني النشاط الميكروبي، فإن مساهمة هذه الميكروبات الميتة في إجمالي مخزون الكربون كانت منخفضة وغير متسقة بشكل مفاجئ. في بعض السنوات، أدى السماد العضني حتى إلى تقليل نسبة الكربون القادم من الأجساد الميكروبية. وهذا يشير إلى أنه في هذه التربة المتعافية، كانت الميكروبات مشغولة بمعالجة الطعام النباتي الجديد، لكنها لم تكن الباني الرئيسي لمخازن الكربون الجديدة. بدلاً من ذلك، تراكم الكربون لأن الكمية الهائلة من المواد النباتية الداخلة إلى النظام كانت كبيرة جداً لدرجة أنها طغت على النظام، فملأت التربة بالكربون المشتق من النبات بسرعة أكبر مما تستطيع الميكروبات تحويله إلى كتلتها الحيوية الخاصة.

تخلص الدراسة إلى أن تعافي كربون التربة في هذه المناظر الطبيعية المتضررة مدفوع بمزيج قوي من المدخلات النباتية المتزايدة وإعادة التوزيع الفيزيائي لذلك الكربون داخل التربة. لم تكن الاستراتيجية الأكثر فعالية هي مجرد إضافة المواد العضوية، بل دمجها مع العناصر الغذائية الكيميائية لتعظيم نمو المحاصيل. خلق هذا النهج دورة حيث تنمو نباتات أكثر، وتعود المزيد من الجذور والبقايا إلى الأرض، ويقوم هيكل التربة المتغير باستمرار بالتقاط وحفظ هذا الكربون الجديد. تتحدى هذه النتائج فكرة وجوب أن تصبح التربة صلبة ومستقرة لتخزين الكربون. بدلاً من ذلك، تظهر أن الهيكل الديناميكي للتربة، الذي يتميز بالدوران والتجدد، فعال للغاية في عزل الكربون في المراحل الأولى من استعادة الأراضي المتدهورة، بشرط وجود إمداد ثابت ووفير من المواد النباتية لتغذية النظام. تقدم هذه الرؤية مساراً واضحاً لشفاء الأراضي المنجمة: ركزوا على زراعة المزيد من النباتات واتركوا عملية الدوران الطبيعية والنشطة للتربة تقوم بمهمة حبس ذلك الكربون بعيداً.