Nitrate accumulation in soil profile of different agricultural systems: Magnitude, drivers, and environmental implications

على مدى عقود، اعتمد المزارعون على الأسمدة النيتروجينية لإطعام سكان العالم المتزايدين. هذا المغذي ضروري لنمو النبات، حيث يعمل كوقود أساسي يحول ضوء الشمس والماء إلى محاصيل. ومع ذلك، للطبيعة حد في كمية ما يمكنها امتصاصه في وقت واحد. فعندما يتم تطبيق كمية من السماد تزيد عما يمكن للنبات استخدامه، فإن الفائض لا يختفي ببساطة؛ بل يتحول إلى نترات، وهي شكل عالي الذوبان من النيتروجين يتصرف مثل صبغة أُلقيت في مجرى مائي. ولأن هذه النترات تذوب بسهء شديد في الماء، فإن النترات الزائدة تنتقل للأسفل عبر التربة، تحملها الأمطار والري، وغالباً ما تتسلل متجاوزة جذور النباتات التي كان من المفترض أن تغذيها. لفترة طويلة، ركز العلماء وصناع القرار اهتمامهم على الطبقات العليا من التربة، بافتراض أنه إذا تمت إدارة السطح جيداً، فإن الأرض العميقة ستكون آمنة. لقد قلقوا من جريان المياه الذي يلوث الأنهار أو تسرب النيتروجين إلى الهواء، لكن الهجرة الصامتة والبطيئة للنترات في أعماق الأرض ظلت غير مرئية إلى حد كبير.

هذه الحركة الخفية مهمة لأن الأرض تحت أقدامنا تعمل كخزان ضخم بطيء الحركة. فإذا تراكمت النترات في أعماق تحت السطح، يمكنها البقاء هناك لعقود، دون أن تلمسها النباتات وغير قادرة على التحلل طبيعياً. وفي النهاية، يمكن لهذا الكيميائي المخزن أن يتسرب إلى المياه الجوفية، وهي مصدر مياه الشرب لمليارات البشر، أو ينجرف إلى البحيرات والمحيطات، مسبباً ازدهاراً ضاراً للطحالب. لم يعد السؤال يتعلق فقط بكمية السماد المستخدم، بل أين ينتهي المطاف بذلك السماد غير المستخدم وإلى متى سيبقى هناك. إن فهم عمق ونطاق هذا التراكم أمر بالغ الأهمية، لأن تنظيف خزان أرضي عميق هو أصعب بكثير من معالسة انسكاب سطحي.

قام فريق من الباحثين من جامعة شمال غرب "آند إف" (Northwest A&F) في الصين الآن بإلقاء نظرة عالمية على هذه المشكلة الأرضية. لم يجروا تجارب ميدانية جديدة في موقع واحد؛ بل جمعوا وحللوا بيانات من 101 دراسة مختلفة أجريت في جميع أنحاء العالم. غطت هذه الدراسات ثلاثة أنواع رئيسية من الزراعة: المحاصيل الحبوبية مثل القمح والذرة، والحدائق الخضرية، والبساتين. ركز الباحثون تحديداً على مقاطع التربة التي تمتد من السطح وصولاً إلى عمق عشرة أمتار، وهو نطاق أعمق بكثير من جذور معظم المحاصيل. كان هدفهم هو رسم خريطة توضح بالضبط كمية النترات المختبئة في هذه الطبقات العميقة، ومعرفة كيفية توزيعها، وفهم العوامل التي تدفعها إلى هناك.

تكشف النتائج عن مشهد من التخزين الكيميائي الخفي أكثر اتساعاً مما كان يُعتقد سابقاً. وجد الباحثون أن النترات ليست مجرد قضية سطحية، بل هي إرث في التربة العميقة. ففي جميع الأنظمة الزراعية التي درسوها، تم اكتشاف كميات كبيرة من النترات في أعماق بعيدة تحت منطقة الجذور. في الواقع، بلغ متوسط كمية النترات المخزنة في الأمتار الأربعة الأولى من التربة ما يقرب من 3000 كيلوغرام لكل هكتار، مع وجود 1400 كيلوغرام إضافية لكل هكتار بين الأمتار الأربعة والثمانية أمتار عمقاً. وهذا يعني أن جزءاً كبيراً من السماد الذي تم تطبيقه على مر السنين لم يُفقد في الهواء أو الماء فوراً، بل استقر بدلاً من ذلك في الأرض، منتظراً الانطلاق.

لعب نوع المزرعة دوراً حاسماً في كمية تراكم النترات ومدى عمقها. فقد أظهرت البساتين، وهي الأشجار التي تُزرع لإنتاج الفاكهة، التراكم الأكثر دراماتيكية. في هذه الأنظمة، كانت تجمعات النترات هي الأكبر والأعمق، حيث احتوت بعض البساتين على أكثر من 7000 كيلوغرام من النترات لكل هكتار في الأمتار الأربعة الأولى وحدها. وقد مال تراكم النترات في البساتين ليكون أكثر كثافة بين المترين والأربعة أمتار، وهو عمق يقع تحت مستوى وصول جذور الأشجار عادةً. وأظهرت المزارع الخضرية نمطاً مختلفاً؛ فقد سجلت مستويات عالية من النترات بالقرب من السطح، ربما بسبب زراعة الخضروات بتطبيقات سمادية كثيفة، لكنها لم تخزن الكثير في الأعماق كما فعلت البساتين. أما المحاصيل الحبوبية، مثل القمح والذرة، فقد سجلت عموماً أدنى مستويات التراكم عبر جميع الأعماق، رغم أنها لا تزال تحتوي على كميات كبيرة من النترات في التربة.

اكتشف الباحثون أيضاً أن كمية السماد المضافة لم تكن المحرك الوحيد؛ إذ لم تكن العلاقة خطاً مستقيماً بسيطاً. فقد وجدوا نقطة تحول محددة؛ فعندما بقيت مدخلات النيتروجين دون 200 كيلوغرام لكل هكتار، ظل تراكم النترات منخفضاً نسبياً. ومع ذلك، بمجرد تجاوز معدل التطبيق هذا الحد، ارتفع مقدار النترات المخزنة في التربة، خاصة في الطبقات العميقة، بشكل حاد. يشير هذا إلى وجود حد حرج لكمية النيتروجين التي يمكن للنظام الزراعي التعامل معها قبل أن يبدأ الفائض في إغراق مقطع التربة العميق.

عملت الأمطار، أو بعبارة أدق متوسط كمية المطر التي تتلقاها المنطقة سنوياً، كمنظم معقد لهذه العملية. وأظهرت الدراسة أن الأمطار المعتدلة، التي تتراوح بين 400 و600 مليمتر سنوياً، بدت وكأنها تشجع النترات على التحرك للأسفل والاستقرار في طبقة المترين إلى أربعة أمتار. فقد كانت كافية لدفع النترات لتتجاوز الجذور ولكن ليس لدرجة غسل كل شيء فوراً. وفي المقابل، في المناطق ذات الأمطار الغزيرة جداً، والتي تتجاوز 600 مليمتر، انخفض التخزين العميق للنترات بالفعل. ويرى الباحثون أن هذا يعود إلى أن الأمطار الغزيرة تقوم بغسل النترات بدقة شديدة بحيث تتحرك لتتجاوز عمق العشرة أمتار الذي قاموا بقياسه، لتصل على الأرج Probable إلى جدول المياه الجوفية مباشرة. وهذا يشير إلى أنه في المناخات الأكثر رطوبة، لا يقتل الخطر مجرد التخزين العميق، بل التلوث الفوري لموارد المياه.

كانت واحدة من أبر أكثر النتائج لفتاً للنظر هي الاختلاف الإقليمي، وتحديداً في الصين. أظهرت البيانات أن تراكم النترات في التربة في الأنظمة الزراعية الصينية كان أعلى بكثير من المتوسط العالمي. ففي البساتين الصينية، كان النترات المخزن في الأمتار الأربعة الأولى أعلى بـثلاثين ضعفاً من البساتين في دول أخرى، رغم أن مدخلات السماد كانت أعلى بمرتين أو ثلاث مرات فقط. يشير هذا إلى أن عوامل تتجاوز مجرد كمية السماد - رب الله تاريخ استخدام الأراضي، أو أنواع التربة، أو ممارسات الري في تلك المنطقة - تخلق بيئة فريدة لتراكم النترات.

تتحدى الدراسة الفكرة القائلة بأن إدارة النيتروجين تتعلق فقط بموسم المحصول الحالي. فالنترات الموجودة في أعماق التربة تمثل "إرثاً" لممارسات الزراعة الماضية. إنها خزان للتلوث تم إنشاؤه قبل سنوات أو حتى عقود. ولأن هذه النترات مخزنة في تربة عميقة غنية بالأكسجين حيث لا يمكنها التحلل بسهولة، فإنها يمكن أن تستمر لفترة طويلة جداً. وهذا يخلق تهديداً مؤجلاً: فحتى لو توقف المزارع عن استخدام السماد الزائد اليوم، فإن النترات الموجودة بالفعل في أعماق الأرض ستستمر في التحرك للأسفل، مما قد يلوث مصادر المياه لسنوات قادمة.

خلص الباحثون إلى أن حل هذه المشكلة يتطلب نهجاً جديداً لكيفية إدارة الأراضي والمياه. إن مجرد تقليل استخدام السماد أمر ضروري، ولكنه قد لا يكون كافياً لوقف تدفق النترات الموجودة بالفعل في أعماق الأرض. يجب أن تأخذ الاستراتيجيات في الاعتبار عمق التربة والظروف المحددة للمزرعة، مثل نوع المحصول وكمية الأمطار المحلية. وبالنسبة للبساتين، التي أظهرت أكبر وأعمق تجمعات للنترات، هناك حاجة لاهتمام خاص لمنع هذا الإرث من أن يصبح مصدراً دائماً للتلوث. وتؤكد الدراسة أنه لحماية مياهنا وأنظمتنا البيئية، يجب أن ننظر إلى ما وراء السطح وندير الخزانات غير المرئية المختبئة تحت أقدامنا.