الأسمدة والتكلفة البيئية .. 70% من انبعاثات أكسيد النيتروز من التربة الزراعية
تخفيف انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من التربة الزراعية يساعد في مواجهة أزمة المناخ
تعتمد قدرة العالم على إطعام نفسه بشكل كبير على المزارع، تُستخدم الأسمدة النيتروجينية في المزارع لزراعة المزيد من المحاصيل، مما يضمن الغذاء للناس والعلف للماشية، ولكن بينما تُعزز الأسمدة النمو، فإنها تحمل أيضًا تكلفة بيئية غالبًا ما تكون غائبة عن الأنظار.
عندما تعجز النباتات عن امتصاص كل النيتروجين، يتسرب جزء منه إلى الغلاف الجوي على شكل أكسيد النيتروز (N₂O)، وهو غاز دفيئة ذو قوة مذهلة.
يحتجز هذا الغاز حرارة تفوق ما يحتجزه ثاني أكسيد الكربون (CO₂) بنحو 300 مرة، مما يرفع درجة حرارة الأرض بكفاءة أكبر بكثير.
على الرغم من قلة أهميته، يُعدّ أكسيد النيتروز عاملاً رئيسياً في أزمة المناخ، إذ يأتي حوالي 70% من إجمالي انبعاثات أكسيد النيتروز البشرية من التربة الزراعية.
ومع ذلك، بخلاف ثاني أكسيد الكربون، الذي يتبع أنماطًا متوقعة، يتصرف أكسيد النيتروز كالشبح – يظهر دون سابق إنذار ويختفي بنفس السرعة.
إن فهم متى وأين تظهر هذه الغازات أمرٌ بالغ الأهمية، ليس فقط للنماذج العلمية، بل أيضًا للحلول العملية التي تُقلل الانبعاثات .
الدقة مهمة في علم التربة
حتى الآن، اعتمدت معظم الدراسات المتعلقة بغازات الدفيئة في التربة على عينات صغيرة الحجم، وتواريخ محدودة لأخذ العينات، أو افتراضات مبسطة، وهذا يُصعّب فهم كمية الغاز المتسربة من حقل معين بمرور الوقت.
غالبًا ما تكون الطرق التقليدية ضيقة النطاق للغاية بحيث لا تتمكن من التقاط الأحداث الانبعاثية قصيرة الأجل أو المتفرقة، وخاصة تلك الناتجة عن أكسيد النيتروز.
شرع فريق بحثي من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين في التغلب على هذه القيود، ونشرت الدراسة في مجلة الزراعة والنظم البيئية والبيئة .
وكان هدفهم طموحًا: رصد كامل التعقيد المكاني والزماني لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز في المزارع الفعلية، على مدى سنوات عديدة، وفي ظل ظروف زراعية نموذجية.
ركزت الدراسة على حقول الذرة وفول الصويا التجارية باستخدام ثلاث ممارسات للزراعة: التقليدية، والمحافظة، وعدم الحرث.
قال تشون هوا جانج، المؤلف المشارك في الدراسة: “إن تخفيف انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من التربة الزراعية يمكن أن يساعدنا في تحقيق أهداف المناخ العالمية “.
وأشار الفريق إلى أن مجموعة بيانات واسعة النطاق وعالية التردد فقط هي القادرة على رسم صورة موثوقة لما يحدث تحت أقدامنا.
انبعاثات أكسيد النيتروز من المزارع
ولمراقبة انبعاثات التربة، نشر الباحثون شبكة من نقاط أخذ عينات الغاز عبر ثلاث مزارع كبيرة في وسط إلينوي.
تخيّل هذه النقاط كمداخن صغيرة مغروسة في الأرض.
استُقدمت آلات كل أسبوع أو أسبوعين لقياس مستويات الغاز، واحتجاز كلٍّ من ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز طوال موسمي النمو لعامي ٢٠٢١ و٢٠٢٢.
وجد الخبراء أن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون كانت متسقة عبر الحقول والمحاصيل وعلى مر السنين، وهي نتيجة مطمئنة.
وهذا يعني أن العلماء استطاعوا رصد ثاني أكسيد الكربون بثقة باستخدام كثافات عينات أقل دون فقدان الدقة.
وأشار جانج إلى أننا “وجدنا أن تدفق ثاني أكسيد الكربون كان متشابهًا عبر الحقول الفردية والمواقع والسنوات، أو حتى بين أنظمة الذرة وفول الصويا”، ومع ذلك، تحدى أكسيد النيتروز التوقعات.
تذبذبت انبعاثاته بشدة، مما أدى إلى ما أسماه الباحثون “لحظات ساخنة” و”بقع ساخنة”.
في يومٍ ما، قد ترتفع الانبعاثات في نقطةٍ معينة، وفي اليوم التالي، قد يهدأ الوضع بينما تضيء منطقةٌ أخرى، هذه التحولات الفوضوية أدّت إلى أن حتى شبكات أخذ العينات الكثيفة قد أغفلت أحداثًا رئيسيةً في بعض الأحيان.
ارتفاعات أكسيد النيتروز غير المتوقعة
على عكس ثاني أكسيد الكربون، الذي كان موزعًا بالتساوي، كانت بؤر أكسيد النيتروز (N₂O) ذات تأثير غير متناسب.
فرغم أنها لم تشغل سوى 12-13% من مساحة الحقل، إلا أنها قد تُمثل ما يصل إلى 54% من إجمالي الانبعاثات .
وفي موقع فيلا جروف – الذي تتم إدارته باستخدام الزراعة التقليدية ويتم زراعته بالذرة المستمرة – كانت الأرقام الأكثر تطرفًا.
أظهرت البيانات أن الانبعاثات من هذا الموقع كانت أعلى بأربع مرات من الانبعاثات من الحقول المُدارة بأساليب الحفاظ على البيئة.
ومن المرجح أن يكون الجمع بين الاستخدام المكثف للنيتروجين والحرث العميق قد تسبب في هذه الزيادة.
وتؤدي هذه الطرق إلى إزعاج التربة وإطلاق الغازات المحاصرة وزيادة النشاط الميكروبي – وكل هذا يؤدي إلى إنتاج أكسيد النيتروز.
قد لا نتمكن من التنبؤ بمكان وزمان ارتفاع أكسيد النيتروز، لكننا نعلم أن الإدارة تُحدث فرقًا، كما قال جانج.
شهدت الحقول التي تُزرع فيها الذرة باستمرار وتُزرع بالطريقة التقليدية انبعاثات أعلى بكثير من تلك التي تُزرع بالتناوب أو تُمارس أساليب الحفاظ على التربة.
بؤر أكسيد النيتروز في المزارع
لاحظ الباحثون أن توقيت وطريقة استخدام الأسمدة كان لهما تأثير كبير، على سبيل المثال، كانت الحقول التي تتلقى النيتروجين المُضاف على طول صفوف المحاصيل أكثر قابلية للتنبؤ من تلك التي تُطبق عليها الأسمدة بشكل مبثوث.
ولكن حتى في تلك الحالة، تسللت العشوائية، ففي بعض الأحيان، بدت الانبعاثات مرتبطة بالمكان الذي هبطت فيه الأسمدة بالنسبة إلى طوق أخذ العينات الغازية، مما أضاف حالة من عدم اليقين إلى القراءات.
ومما يزيد الأمور تعقيدًا، أن بؤر أكسيد النيتروز الساخنة نادرًا ما تبقى ثابتة من سنة لأخرى.
في معظم الحالات، تغيرت الأنماط المكانية بشكل كبير لدرجة أنه كان من الصعب تحديد ما إذا كانت البؤر الساخنة المرصودة حقيقية أم مجرد نتاج ممارسات إدارية متغيرة.
أجرى الفريق تحليلًا مفصلًا لاتساق التدفق على مر السنين، ووجدوا أن عددًا قليلًا فقط من نقاط أخذ العينات حافظ على سلوك موثوق.
في العديد من المواقع، تذبذبت انبعاثات أكسيد النيتروز بمقدار عشرة أضعاف أو أكثر بين السنوات.
أكد جانج قائلاً: “كان أكسيد النيتروز شديد التباين مكانيًا وزمانيًا”، يُشكِّل هذا التباين تحديًا للطريقة الحالية التي يُنمذج بها العلماء انبعاثات غازات التربة.
مراقبة أكثر ذكاءً لانبعاثات أكسيد النيتروز
إن عدم القدرة على التنبؤ بأكسيد النيتروز يعني أن طرق الرصد التقليدية لا تعمل بشكل صحيح.
من المرجح أن تُغفل الغرف الثابتة وصغر حجم العينات الحجم الحقيقي للانبعاثات. وإذا بُنيت النماذج على هذه المجموعات المحدودة من البيانات، فقد تُقلل أو تُبالغ في تقدير الانبعاثات الميدانية، مما يُشوّه توقعات المناخ.
وقال المؤلف المشارك دوكيونج لي: “لقد مكننا هذا المشروع من التقاط التباين المكاني والزماني والإداري لتوفير بيانات معيارية ومنصة للتحقق من صحة انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري على مستوى الحقل”.
وتشير النتائج التي توصل إليها الفريق إلى أن كثافة العينات الأعلى ضرورية – وخاصة لأكسيد النيتروز.
من خلال المحاكاة، وجد الباحثون أنه لتقدير انبعاثات أكسيد النيتروز بنسبة خطأ أقل من 25%، تحتاج الحقول إلى 5.6 نقطة أخذ عينات على الأقل للهكتار الواحد. أما بالنسبة لثاني أكسيد الكربون، فلا يلزم سوى 1.6 نقطة، وهذا يُظهر مدى حساسية انبعاثات أكسيد النيتروز للدقة المكانية.
ممارسات الزراعة تؤثر على انبعاثات أكسيد النيتروز
من أهم نتائج الدراسة دور الإدارة في ضبط الانبعاثات.
أظهرت الحقول الخاضعة لممارسات الحفاظ على البيئة وعدم الحراثة انخفاضًا في الانبعاثات وتقلّصًا في التباين.
وعلى النقيض من ذلك، فإن الأنظمة التقليدية التي تعمل على اختلال التربة وتطبق النيتروجين بكثافة لم تكن تنتج انبعاثات أعلى فحسب، بل كانت تنتج أيضا قدرا أكبر من عدم اليقين.
على وجه الخصوص، برز موقع فيلا غروف. بفضل إدارته باستخدام الحرث العميق بالإزميل وزراعة الذرة المستمرة، أنتج الموقع ما يصل إلى 785 ملجم/م² من أكسيد النيتروز، أي ما يقارب تسعة أضعاف المستويات المُلاحظة في أنظمة فول الصويا المُدارة.
تتوافق هذه النتيجة مع دراسات سابقة، وتؤكد أن ممارسات الزراعة تُؤثر بشكل كبير على أنماط الانبعاثات.
رغم صعوبة التنبؤ بأماكن تشكّل البؤر الساخنة، إلا أن اختيار دورات زراعية وتقليل الحرث يمكن أن يُسهم في تقليص حجم المشكلة، وهذا يُتيح للمزارعين فرصةً للمساهمة في حلول المناخ دون المساس بمحاصيلهم.
نماذج المناخ تحتاج إلى بيانات أفضل
البيانات الميدانية الدقيقة هي أساس أي نموذج مناخي عالمي، إذا كانت البيانات الميدانية خاطئة أو ناقصة، فقد تُضلل التنبؤات التي تُنتجها هذه النماذج السياسات.
توفر الدراسة التي أجرتها جامعة إلينوي واحدة من أقوى مجموعات البيانات حتى الآن لمعايرة نماذج المناخ بالانبعاثات الزراعية في العالم الحقيقي.
كما يُشير إلى مشكلة أوسع نطاقًا: التوازن بين الحجم والتحكم، فجمع بيانات عالية الدقة لسنوات عديدة من المزارع الكبيرة يتطلب جهدًا كبيرًا.
يشير الباحثون إلى أن التجارب الميدانية الصغيرة المُدارة جيدًا قد تكون وسيلةً أفضل لفهم الآليات البيولوجية الكامنة وراء انبعاثات أكسيد النيتروز.
أما بالنسبة للتقديرات واسعة النطاق، فيبدو أن أخذ العينات الشبكية، مع نقاط كافية للهكتار الواحد، هو الخيار الأمثل.
كل غاز يحتاج إلى استراتيجية فريدة
يكشف هذا البحث عن اختلاف سلوك ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز في التربة الزراعية.
فبينما يتدفق ثاني أكسيد الكربون بثبات، ينفجر أكسيد النيتروز على دفعات، متأثرًا بعوامل عديدة، من هطول الأمطار إلى توقيت التسميد.
ويتطلب هذا الاختلاف استراتيجيات مُصممة خصيصًا لكل غاز.
لا يقتصر خفض الانبعاثات الزراعية على تقليل استخدام الأسمدة أو تغيير المحاصيل، بل يشمل فهم الأنماط الخفية في التربة وتصميم أنظمة قادرة على تتبعها والاستجابة لها.
بفضل البيانات والأدوات والممارسات الصحيحة، يستطيع المزارعون مواصلة زراعة الغذاء مع تقليص بصمتهم الكربونية والنيتروجينية.
يُذكّرنا هذا العمل بأن الغازات ليست متساوية، وكذلك طرق انتقالها عبر التربة. الدقة والصبر والزراعة الذكية تُساعدنا على البقاء على الأرض، حتى ونحن نحاول تبريد الجو.
