علماء الكيمياء الحيوية من مختلف أنحاء العالم يضعون قواعد تحديد كمية الفوسفور المتبقي في المحيط الحيوي

بينما يحاول العالم التخفيف من تأثير الزراعة على البيئة، فإن الكثير من القصة يمكن العثور عليها في التربة، التي تخزن وتدور العناصر الغذائية من الكربون والنيتروجين والفوسفور.

ويبدو أن علماء الكيمياء الحيوية مثل أندرو مارجينوت، المدير المساعد لمركز استدامة النظم الزراعية في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين، يستعدون لإيجاد الإجابات، ولكن بالنسبة لمارجينوت وخبراء الكيمياء الحيوية الآخرين الذين يتخصصون في دراسة دورة الفوسفور، فإن التحدي يكمن أولاً في القدرة على قياس مكان تراكم الفوسفور بدقة خلال أقل من 100 عام منذ أن بدأ البشر في زيادة كمية العنصر المغذي في المحيط الحيوي.

خارطة طريق لفهم دورة الفوسفور في عصر الأنثروبوسين

وقد نشر مارجينوت، الأستاذ المشارك في علوم التربة في قسم علوم المحاصيل، وخبراء آخرون في الفوسفور من جميع أنحاء العالم، مؤخرًا مقالاً أو مقالاً تجميعيًا (على عكس الدراسة البحثية) في مجلة Global Change Biology ، لوضع خارطة طريق لفهم دورة الفوسفور في عصر الأنثروبوسين: العصر الجيولوجي الجديد الذي بدأ بسبب الأنشطة البشرية.

ومن بين الباحثين الآخرين في المشروع ليو كوندرون، أستاذ الكيمياء الحيوية في جامعة لينكولن في نيوزيلندا؛ وجينيفيف ميتسون، أستاذ مشارك في قسم الجغرافيا والبيئة في جامعة غرب أونتاريو؛ وفيليب هيجارث، أستاذ في مركز البيئة بجامعة لانكستر في المملكة المتحدة؛ وجوردان ويد، رئيس تقييم صحة التربة في مجموعة سينجينتا، ومقرها في بازل، سويسرا؛ إلى جانب طالب الدكتوراه برينس أجيمان من التشيك والباحث العلمي شينجنان تشو والباحث ما بعد الدكتوراه سووي شو من مجموعة أبحاث مارجينوت في إلينوي.

التشويه الذي أصاب دورة الفسفور في الغلاف الحيوي يشكل سمة مميزة لعصر الأنثروبوسين. فقد أدى التسارع المفاجئ نسبياً في تدفقات المدخلات دون زيادة مصاحبة في تدفقات المخرجات إلى تراكم صاف للفسفور في الاستمرارية الأرضية المائية.

كما قال مارجينوت، ” الهدف هو دراسة كل السبل الممكنة لمحاولة قياس الفوسفور القديم، هذه نظرة شاملة على المكان الذي يكون من المنطقي فيه القياس والمكان الذي يكون من المنطقي عدم القلق بشأنه، وفي هذه العملية، نحدد الأولويات وغير الأولويات ونقدم رؤية موحدة لما يجب علينا القيام به في المستقبل”

التفاعل بين الماء والتربة

تركز ورقة الموقف على الفوسفور في “الاستمرارية المائية الأرضية”، والتفاعل بين الماء والتربة اللذين يتفاعلان على نطاقات مختلفة من المكان والزمان.

وقال مارجينوت “لقد ركز جزء كبير من ورقتنا البحثية على حالة عدم اليقين. وقد يكون هذا الأمر غير مريح بالنسبة لصناع السياسات لأنهم يحتاجون إلى وضع السياسات بالأمس لمواجهة مشاكل الغد”.

قد يستغرق الأمر قرنًا من الزمان حتى ينتشر الفوسفور المتراكم بالفعل في قنوات الجداول والمتراكم في التربة بالكامل إلى المجاري المائية، لذا فإن تحديد كمية الفوسفور المتبقي ومكانه يعد حاجة مهمة

أوضح مارجينوت “عندما يتعلق الأمر بالفوسفور الموروث الذي سيؤثر على المياه خلال المائة عام القادمة أو أكثر، فإننا لا نعرف حتى الأساسيات التي يجب أن نبدأ منها، ومع ذلك، يجب أن تكون هناك طريقة للتغلب على حالة عدم اليقين، لا نريد أن نكون متهورين للغاية، ولكننا لا نستطيع أيضًا الانتظار لمدة 50 عامًا لتحديد ما يجب القيام به”.

حساب التوازن

وعند تقديم التوصيات بشأن استخدام الفوسفور في المستقبل، يستطيع الباحثون قياس كمية الفوسفور المضافة إلى التربة وكمية الفوسفور التي تم تصديرها عن طريق إزالة الكتلة الحيوية (على سبيل المثال، الحصاد) أو الخسارة (على سبيل المثال، التسرب أو التآكل).

ويتيح حساب التوازن (ما دخل التربة، مطروحاً منه ما خرج من “نظام” مثل حقل أو مستجمع مائي أو بلد) تقدير كمية الفوسفور المتبقية ـ وهو توازن كتلة إيجابي.

أقدم قطعتي اختبار زراعيتين في العالم

كما تقدم ورقة الموقف العديد من دراسات الحالة للفوسفور الموروث باستخدام أقدم قطعتي اختبار زراعيتين مستمرتين في العالم، تجربة روثامستيد في هاربندن بإنجلترا، التي تأسست عام 1843؛ وقطعتي مورو بجامعة إلينوي، التي تأسست عام 1876.

ومن بين الاكتشافات، أن الفوسفور المتراكم يقع عمومًا في أعلى 12 بوصة من التربة، وغالبًا ما يكون في شكل مختلف عما كان عليه عندما أضيف إلى التربة، وكان هذا الجزء الأخير من النتائج الرئيسية للورقة.

يوضح مارجينوت: “نضيف عادةً الفوسفور في صورة غير عضوية على شكل فوسفات، وهو قابل للذوبان في الماء بسهولة وبالتالي قد يكون معرضًا لخطر الضياع”.

ويضيف “لقد وجدنا أنه على الرغم من وجود كميات كبيرة من الفوسفور في صورة فوسفات، فإن الكمية المتراكمة لا تظل في التربة في صورة فوسفات قابلة للذوبان، بل إنها تتحول إلى أشكال مرتبطة بالمواد العضوية والحديد والكالسيوم، لذا لا يمكننا أن نفترض أن كمية الفوسفور التي تم إضافتها ولم يتم استخدامها (أي الفوسفور المتبقي) موجودة في متناول المحصول أو قد يتم فقدها بسبب المياه.”

وبالإضافة إلى التقييم الشامل للمشكلة، قدم الكونسورتيوم عدة توصيات:

1- يحتاج الباحثون إلى تحسين قدرتهم على التحقق من صحة التقديرات: يقول مارجينوت: “في كثير من الأحيان لا نقيس الكميات الصغيرة من الفوسفور المدخل أو المخرج، وبمرور الوقت، تعمل هذه الفجوات في القياسات على تضخيم حالة عدم اليقين”.

2- لا يملك العلماء في كثير من الأحيان معلومات كافية لتكوين تقديرات مناسبة: تقترح المجموعة مبادرة يمكن من خلالها للقطاع الخاص (مثل مختبرات اختبار التربة) أن يعمل مع الباحثين للاستفادة من مجموعات البيانات الموجودة.

3- يجب أن تكون هناك طريقة موحدة لقياس البيانات: يقول مارجينوت: “في كثير من الحالات، لم يتم إجراء القياسات الأساسية بشكل أساسي. نحن بحاجة إلى ربط الأساليب التكميلية التي ليست رائعة بشكل فردي، ولكنها قوية جدًا في الجمع، في حين أنه قد يكون من الصعب معرفة أين تراكم الفسفور على مدار السنوات السبعين الماضية، أعتقد أن الشيء المهم هو تحديد المكان الذي يهم فيه لأسباب مختلفة تتعلق بالاستخدام الزراعي وتدهور جودة المياه”.

4- لابد من بذل الجهود لاكتشاف البؤر الساخنة للفوسفور الموروث حتى يمكن إعطاء الأولوية للموارد لتقليل التأثيرات السلبية لجودة المياه: وقد بدأت مجموعة مارجينوت بالفعل في القيام بذلك في إلينوي، يقول مارجينوت: “لسنا بحاجة إلى رسم خريطة للولاية بأكملها. نحن نعرف أين توجد مستجمعات المياه ذات الأولوية لأن هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية تقيس ذلك”.

التحدي والتمويل

وبحسب الدراسة فإن التحدي يكمن في إقناع الباحثين والجهات الممولة بتخصيص الموارد اللازمة لتوفير البيانات التي من شأنها أن تحدث فرقاً.

وأشار مارجينوت إلى أن “الحصول على آخر 5% من البيانات سوف يكلفك نصف ما يتطلبه الحصول على 95% من البيانات الأخرى”.

ويرى مارجينوت أن التحدي الذي يواجه صناع السياسات يتمثل في توضيح حقيقة مفادها أن قياسات الفوسفور القديم لا تعدو أن تكون تقديرات في هذه المرحلة، ولذا يتعين عليهم أن ينظروا إلى البيانات باعتبارها وثيقة حية.

وقال: “يتعين على السياسات أن تكون مرنة”، مشيرا إلى أن “الأنشطة البشرية أثرت على الفوسفور العالمي أكثر من تأثيرها على النيتروجين. لقد ضاعفنا كمية النيتروجين المتداولة في الغلاف الحيوي، لكننا ضاعفنا الكمية أربع مرات بالنسبة للفوسفور “.