Split injection with BNI breaks the trade-off between NH3 and greenhouse gas emissions in rice-wheat rotations

لطالما واجه المزارعون خياراً صعباً عند تغذية محاصيلهم. فمن أجل زراعة ما يكفي من الغذاء لعالم متنامٍ، يتعين عليهم استخدام الأسمدة النيتروجينية، لكن الطريقة التي يطبقونها بها غالباً ما تخلق سلسلة من المشكلات البيئية. فعندما ينثر المزارعون السماد الجاف على سطح حقولهم، يتسرب جزء كبير من هذا النيتروجين إلى الهواء على شكل غاز الأمونيا، مما يساقد إلى الضباب الدخاني والمطر الحمضي. وإذا حاولوا إصلاح ذلك عن طريق دفن السماد عميقاً في التربة لمنعه من الهروب، فإنهم غالباً ما يتسببون في مشكلة مختلفة: فالنيتروجين المدفون يمكن أن يتحول إلى أكسيد النيتروز، وهو غاز دفيئة قوي يحبس الحرارة بفعالية أكبر بكثير من ثاني أكسيد الكربون. ولعقود من الزمن، كافح العلماء لإيجاد طريقة توقف الأمونيا من الصعود وتمنع أيضاً تشكل غازات الدفيئة دون التضحية بإنتاجية المحاصيل.

في حقول الأرز والقمح في منطقة تاي هو بالصين، اختبر فريق من الباحثين نهجاً جديداً يبدو أنه يحل هذه المعضلة. لقد جمعوا بين تقنيتين محددتين: حقن السماد السائل بعمق في التربة على جرعتين منفصلتين، وإضافة مادة طبيعية تبطئ عملية التحلل الكيميائي للنيتروجين. وتظهر النتائج، التي لوحظت على مدار دورتين زراعيتين كاملتين، أن هذا الجمع لا يقلل فقط من انبعاثات الأمونيا وغازات الدفيئة، بل يزيد أيضاً من كمية الحبوب المحصودة. وتشير الدراسة إلى أنه من خلال تغيير مكان وكيفية تقديم النيتروجين للنبات، يمكن للمزارعين حماية الهواء والمناخ مع الاستمرار في إطعام السكان.

أجريت التجربة في منطقة معروفة بالزراعة المكثفة، حيث يُزرع الأرز في الصيف والقمح في الشتاء. وقد أنشأ الباحثون سلسلة من قطع الاختبار لمقارنة طرق مختلفة لإدارة النيتروجين. تلقت إحدى المجموعات العلاج التقليدي: سماد اليوريا الجاف المنثور على سطح الحقل في ثلاث تطبيقات منفصلة. وتلقت مجموعة أخرى كمية أقل من هذا السماد السطحي نفسه. وتلقت مجموعة ثالثة الكمية المخفضة ولكن مع إضافة مثبط نترتة بيولوجي، وهي مادة مشتقة من جذور السورغم (الذرة الرفيعة) تعمل بشكل طبيعي على إبطاء تحويل الأمونيوم إلى نترات. أما المجموعة الأخيرة، التي أصبحت محور الاختراق العلمي، فقد تلقت سماداً سائلاً قابلاً للذوب في الماء تم حقنه بعمق عشرة سنتيمترات في التربة. حدث هذا الحقن مرتين: مرة في بداية الموسم ومرة أخرى لاحقاً، بتوقيت يتناسب مع الاحتياجات المتنامية للمحصول. كما تم اختبار مجموعة الحقن العميق هذه مع وبدون المثبط البيولوجي.

كشفت النتائج عن تباين صارخ بين الأساليب. أدى النثر التقليدي للسماد على السطح إلى خسائر هائلة في الأمونيا. ففي موسم الأرز، أطلق العلاج السطحي أكثر من ستة وأربعين كيلوغراماً من النيتروجين لكل هكتار على شكل غاز الأمونيا. وفي موسم القمح، كانت الخسارة تقارب أربعة عشر كيلوغراماً لكل هكتار. لا تمثل هذه الخسارة تلوثاً للهواء فحسب، بل تمثل أيضاً هدراً للأموال بالنسبة للمزارع. وعندما أضاف الباحثون المثبط البيولوجي إلى السماد السطحي، تفاقمت المشكلة. نجح المثبط في إبطاء تحلل النيتروجين، ولكن لأن السماد كان يستقر على السطح، بقي النيتروجين هناك لفترة أطول في شكل يمكن أن يتسرب بسهولة كغاز. ففي موسم القمح، أدت هذه التركيبة في الواقع إلى زيادة فقد الأمونيا بنسبة سبعة وستين بالمائة مقارنة بالسماد المخفض وحده.

ومع ذلك، غيرت طريقة الحقن العميق النتيجة تماماً. فمن خلال دفع السماد السائل عشرة سنتيمترات تحت الأرض، نجح الباحثون في حبس النيتروجين حيث يمكن لجذور النبات الوصول إليه. في القطع التي حُقن فيها السماد بدون المثبط، انخفضت خسائر الأمونيا إلى أقل من كيلوغرام واحد لكل هكتار، وهو مستوى لا يمكن تمييزه إحصائياً عن قطع التحكم التي لم تتلقَ أي سماد على الإطلاق. ببساطة، لم يكن النيتروجين متاحاً للهروب إلى الهواء لأنه دُفن عميقاً في التربة، بعيداً عن الغلاف الجوي.

هذا الفصل الفيزيائي للنيتروجين عن الهواء حل أيضاً مشكلة غازات الدفيئة. فقد قامت الدراسة بقياس انبعاثات أكسيد النيتروز والميثان، وهما غازا الدفيئة الرئيسيان الناتجان عن الزراعة. أنتجت الطريقة السطحية التقليدية أعلى مستويات من هذه الغازات. أما طريقة الحقن العميق، حتى بدون المثبط، فقد قللت من انبعاثات أكسيد النيتروز بنسبة تقارب ستين بالمائة في الأرز و ثلاثة وأربعين بالمائة في القمح. وعندما أضاف الباحثون المثبط البيولوجي إلى طريقة الحقن العميق، كان الانخفاض أكثر دراماتيكية. ففي موسم الأرز، انخفضت انبعاثات أكسيد النيتروز بنسبة واحد وسبعين بالمائة مقارنة بالطريقة التقليدية. وفي موسم القمح، بلغت نسبة الانخفاض أربعة وخمسين بالمائة. كما انخفضت انبعاثات الميثان، التي تُنتج بشكل أساسي في حقول الأرز المغمورة بالمياه، بنحو أربعة وثلاثين بالمائة في الأرز وسبعة وأربعين بالمائة في القمح عند استخدام طريقة الحقن العميق والمثبط معاً.

تكمن الآلية وراء هذا النجاح في كيفية انتقال النيتروجين وتغيره في التربة. فعندما يُنثر السماد على السطح، فإنه يستقر في الطبقة العليا حيث يتوفر الأكسجين بوفرة، مما يسمح للبكتيريا بتحويله بسرعة إلى نترات، والتي تتسرب بعد ذلك كأكسيد النيتروز أو تُغسل بعيداً. أما عندما يُحقن السماد عميقاً، فإنه يبقى في منطقة ذات أكسجين أقل، حيث يظل على هيئة أمونيوم، وهو الشكل الذي تفضله النباتات. ويقوم المثبط البيولوجي بمزيد من الإبطاء لعمل البكتيريا التي كانت ستحوله إلى نترات. ولأن النيتروجين يُحتجز عميقاً في التربة ويُحفظ في هيئة الأمونيوم، فإنه لا يكون متاحاً للتحول إلى الغازات التي تضر المناخ. وقد أكدت الدراسة ذلك من خلال قياس التربة مباشرة، مما أظهر أن الأمونيوم ظل مركزاً بالقرب من موقع الحقن بينما ظلت مستويات النترات منخفضة.

وإلى جانب الفوائد البيئية، حسنت الطريقة الجديدة الحصاد. فقد حققت القطع التي استخدمت الحقن العميق المنقسم مع المثبط البيولوجي أعلى الإنتاجية من بين جميع الطرق. فقد زاد حصاد الأرز بنسبة تقارب ستة بالمائة مقارنة بالطريقة التقليدية، وقفز حصاد القمح بنسبة تقارب عشرين بالمائ % . وقد تحقق ذلك رغم أن الباحثين طبقوا كمية أقل من إجمالي النيتروجين في هذه القطع. فقد استخدمت الطريقة التقليدية ثلاثمائة كيلوغرام من النيتروجين لكل هكتار للأرز، بينما استخدمت الطريقة الجديدة مائة وثمانين كيلوغراماً فقط. وكانت كفاءة الطريقة الجديدة تعني أن قدراً أكبر من السماد انتهى به المطاف في الحبوب بدلاً من ضياعه في الهواء أو التربة. وأظهر التحليل الاقتصادي أنه على الرغم من التكلفة الأعلى للسماد السائل والمعدات المتخصصة اللازمة لحقنه، فإن التوفير الناتج عن تقليل الأضرار البيئية وزيادة قيمة المحصول جعل الطريقة الجديدة أكثر ربحية بشكل عام.

تسلط الدراسة الضوء على درس بالغ الأهمية حول التكنولوجيا الزراعية: وهو أن وضع الحل يهم بقدر أهمية الحل نفسه. فالمثبط البيولوجي، عندما استُخدم على السطح، جعل مشكلة الأمونيا أسوأ. ولكن عندما استُخدم مع الحقن العميق، أصبح جزءاً من نظام فعال للغاية. فقد منع الوضع العميق الأمونيا من الهروب، مما سمح للمثبط بالقيام بعمله في إبطاء تكوين النترات دون عقوبة زيادة تلوث الهواء. هذا الجمع بين الحقن العميق والتثبيط البيولوجي يقدم وسيلة لكسر المقايضة التي عانى منها المزارعون لسنوات. إنه يثبت أنه من الممكن تقليل تلوث النيتروجين وانبعاثات غازات الدفيئة في آن واحد مع زيادة إنتاج الغذاء، بشرط تقديم السماد مباشرة إلى حيث يحتاجه النبات. ويشير الباحثون إلى أنه لكي تصبح هذه الطريقة واسعة الانتشار، ستكون هناك حاجة إلى آلات أفضل لحقن السماد السائل على نطاق واسع، ولكن إمكانية وجود زراعة أنظف وأكثر إنتاجية باتت الآن في المتناول بوضوح.