Complementary measures of soil texture, organic nitrogen accessibility and rhizosphere dynamics improve nitrogen supply prediction for short-cycle leafy vegetables

لطالما عرف المزارعون أن النباتات تحتاج إلى النيتروجين للنمو، وهو عنصر غذائي يعمل كوقود أساسي لبناء الأوراق والسيقان. يوجد هذا النيتروجين في التربة في شكلين رئيسيين: مخزون صغير وفوري من المعادن الذائبة التي يمكن للنباتات التقاطها على الفور، وخزان هائل بطيء التحلل محبوس داخل المواد النباتية المتحللة والحطام العضوي. ولتغذية المحاصيل بكفاءة دون إهدار المال أو تلويث البيئة، يحاول المزارعون تخمين كمية النيتروجين التي ستوفرها التربة بمفردها. فإذا قدمت التربة ما يكفي، يمكنهم الاستغناء عن إضافة السماد؛ وإذا نقصت، فإنهم يضيفون القدر الكافي فقط لسد الفجوة. وبالنسبة للمحاصيل سريعة النمو مثل السبانخ الصغيرة، التي تمر بدورة حياتها الكاملة في غضون أسابيع قليلة، فإن ضبط هذه الحسابات يكون صعباً للغاية؛ إذ تكون النافذة الزمنية لاتخاذ القرار ضيقة، كما يمكن لسلوك التربة أن يتغير بسرعة مع نمو النبات.

لقد سعى فريق من الباحثين في جامعة ريدينج لحل هذا اللغز بالنسبة للخضروات الورقية قصيرة الدورة. أرادوا معرفة ما إذا كانت الطريقة القياسية لقياس نيتروجين التربة جيدة بما يكفي للتنبؤ بكمية الغذاء التي سيتناولها نبات السبانخ الصغير. وتتضمن الطريقة الشائعة أخذ عينة من التربة قبل الزراعة واختبار المعادن الذائبة في الماء حالياً. اشتبه الباحثون في أن هذه اللقطة الواحدة قد تغفل الصورة الأكبر، لا سيما النيتروجين الذي يتم إطلاقه ببطء من المواد العضوية أثناء نمو المحصول. ولاختبار ذلك، جمعوا خمسة عشر نوعاً مختلفاً من التربة من جميع أنحاء جنوب إنجلترا، تتراوح بين الحقول الرملية ذات المادة العضوية المنخفضة المستخدمة في زراعة السبانخ التجارية، إلى قطع الحدائق الغنية بالسماد العضوي. زرعوا السبانخ الصغيرة في أوعية مملوءة بهذه التربة، مع التحكم بدقة في المياه والمغذيات الأخرى بحيث يكون النيتروجين هو الشيء الوحيد الذي يحد من النمو. ومع نمو النباتات، تتبع الفريق بدقة كمية النيتروجين التي سحبتها السبانخ من التربة وقارنوا هذا الحصاد بست طرق مختلفة لقياس إمكانات نيتروجين التربة.

أظهرت النتائج أن النهج التقليدي كان ضعيفاً بشكل مفاجئ. فقد فشل الاختبار القياسي للمعادن الذائبة، والذي يشكل أساس النصائح الحالية للتسميد في المملكة المتحدة، في التنبؤ بكمية النيتروجين التي استهلكتها السبانخ بالفعل. وفي الواقع، لم يفسر هذا المقياس الواحد تقريباً أي اختلاف في نمو النبات عبر الترب الخمس عشرة. وحتى الطرق الخمس الأخرى التي جربها الفريق، والتي نظرت في أشياء مثل كمية النيتروجين التي يمكن أن تطلقها الميكروبات في المختبر أو كمية النيتروجين المحتجزة في أجزاء عضوية محددة، كان أداؤها ضعيفاً بمفردها. لم يستطع أي من هذه الاختبارات الفردية تفسير أكثر من جزء صغير من التباين في امتصاص النبات. ووجد الباحثون أن التربة ذات المادة العضوية المنخفضة جداً يمكن أن توفر كمية هائلة من النيتروجين للمحصول، بينما لم تضمن التربة ذات المادة العضوية العالية دائماً حصاداً كبيراً. وهذا يشير إلى أن مجرد عدّ إجمالي كمية النيتروجين أو المادة العضوية في التراب ليس كافياً لفهم ما يحصل عليه النبات بالفعل.

جاء الاختراق عندما توقف الباحثون عن النظر إلى التربة بمعزل عن غيرها وبدأوا في النظر إلى كيفية تفاعل هيكلها الفيزيائي مع النيتروجين. اكتشفوا أن قوام التربة - وتحديداً نسبة الرمل مقابل الجزيئات الدقيقة مثل الطمي والطين - كان متنبئاً قوياً بنمو النبات. ومن المثير للدهشة أن التربة الأكثر رملية، والتي غالباً ما تُعتحسب أقل خصوبة لأنها تحتفظ بمغذيات أقل، سمحت للسبانخ في الواقع بامتصاص المزيد من النيتروجين. ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن المساحات الأكبر بين حبيبات الرمل تسمح للماء والمغذيات الذائبة بالتحرك بحرية أكبر نحو جذور النبات، بينما يمكن للمسام الضيقة في التربة الطينية أن تحبس المغذيات أو تبطئ عملية الإطلاق. وعندما دمج الفريق هذه المعلومات الفيزيائية مع قياسين محددين لتوافر النيتروجين - أحدهما يلتقط النيتروجين الذي يتحرك فعلياً عبر التربة بمرور الوقت والآخر يقيس النيتروجين العضوي الأكثر سهولة في الوصول إليه - أنشأوا نموذجاً فسر ثلاثة أرباع التباين في نمو النبات.

يشير هذا النهج الجديد إلى أن التنبؤ بكمية السماد التي يحتاجها محصول قصير الدورة يتطلب أكثر من مجرد اختبار كيميائي للتربة؛ فهو يتطلب فهم المسرح الفيزيائي الذي تجري عليه الكيمياء. وتوضح الدراسة أنه بالنسبة للمحاصيل سريعة النمو مثل السبانخ الصغيرة، فإن السرعة التي يمكن بها للمغذيات الانتقال عبر التربة إلى الجذور لا تقل أهمية عن إجمالي كمية المغذيات الموجودة هناك. ومن خلال دمج قياسات قوام التربة مع المؤشرات الديناميكية لإمدادات النيتروجين، يمكن للمزارعين من المحتمل تقديم توصيات أكثر دقة للتسميد. وهذا من شأنه أن يساعدهم على تجنب الإفراط في إضافة النيتروجين، مما يهدر المال ويخاطر بتلويث المجاري المائية، مع ضمان حصول المحصول على ما يحتاجه تماماً ليزدهر. إن هذا العمل يسلط الض الضوء على أن التربة ليست مجرد وعاء ثابت للمغذيات، بل هي نظام ديناميكي حيث يعمل الهيكل الفيزيائي والنشاط البيولوجي معاً لتغذية النباتات.