مستقبل الزراعة: المحاصيل التي تتغذى بالنيتروجين من الهواء

يعتبر النيتروجين من العناصر الغذائية الأكثر أهمية لإنتاج المحاصيل، ولكنه أيضًا من أكثر العناصر صعوبة في التنظيم. وهذا المركب حيوي للإنتاج الزراعي العالمي. ومع ذلك، فإن النيتروجين الزائد من الأسمدة يتسرب إلى البيئة، مما يؤدي إلى آثار ضارة.

في هذا المقال سنتحدث عن أهمية النيتروجين في الزراعة وكيف يمكن تغذية بعض المحاصيل بالنيتروجين من الهواء.

ما هي أهمية النيتروجين لنمو النبات؟

يلعب النيتروجين دورًا حاسمًا في كل من النباتات والبشر، حيث يتم استخدامه لتركيب الأحماض الأمينية التي تولد البروتينات المسؤولة عن بناء الخلايا ويشكل أحد المكونات الأساسية للحمض النووي. بجانب، يعتبر النيتروجين عنصراً حيوياً لنمو النبات، حيث أنه عنصر أساسي في مادة الكلوروفيل، المركب الذي يسمح للنباتات بتسخير طاقة ضوء الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى سكريات.

تعتمد دورة النيتروجين على سلسلة من العمليات التي يمر من خلالها النيتروجين من الغلاف الجوي إلى الأرض، ويمر عبر التربة ويعود أخيرًا إلى الغلاف الجوي.

تبدأ العملية بالتثبيت البيولوجي للنيتروجين، ظاهرة تقوم فيها البكتيريا المثبتة للنيتروجين الموجودة في العقيدات الجذرية للبقوليات بتحويل المواد العضوية إلى أمونيوموالتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى نترات. يمكن للنباتات امتصاص النترات من التربة واستقلابها إلى النيتروجين الضروري لنموها، في حين تسهل البكتيريا النازعة للنترات تحويل النترات الزائدة إلى نيتروجين غير عضوي، والذي يتم إطلاقه لاحقًا في الغلاف الجوي.

النترات الزائدة، أو تلك المفقودة من خلال الترشيح (عندما تذوب العناصر الغذائية الأساسية عن طريق المطر أو الري)، لديها القدرة على التسلل إلى مصادر المياه الجوفية وتلويثها.

ما هو دور الأسمدة النيتروجينية؟

لآلاف السنين، كانت البشرية غير مهتمة إلى حد كبير بالنيتروجين. ومع ذلك، في بداية القرن العشرين، وأصبح من الواضح أن الممارسات الزراعية المكثفة كانت تستنزف مستويات نترات التربةمما أدى إلى مخاوف بشأن ارتفاع عدد سكان العالم والتهديد الوشيك بحدوث أزمة غذائية.

بعد التصنيع، لعب إدخال الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية دورًا حاسمًا في تعزيز الإنتاج الثورة الخضراء، التي أدت إلى زيادة كبيرة في الإنتاج الزراعي العالمي بدءاً من أواخر الستينيات. خلال هذه الفترة، حققت كل من المكسيك ودولتي الهند وباكستان الاكتفاء الذاتي في إنتاج القمح، على الرغم من كونها على شفا المجاعة.

في الممارسات الزراعية المكثفة المعاصرة، زادت أهمية الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية بشكل ملحوظ. في اللحظة، ويتجاوز الإنتاج العالمي 100 مليون طن متري من هذه السلعة سنوياًوتشير توقعات منظمة الأغذية والزراعة للأمم المتحدة إلى أنه من المتوقع أن يزداد الطلب بشكل مطرد، خاصة في مناطق مثل أفريقيا وجنوب آسيا.

وهل هي قابلة للحياة على المدى الطويل؟

ومع تزايد الطلب العالمي، يكمن التحدي المتمثل في إدارة النيتروجين في توفير ما يكفي من النيتروجين لتلبية احتياجات الأمن الغذائي العالمي مع تقليل إطلاق النيتروجين الزائد، 300 مرة أكثر ضررا على البيئة من ثاني أكسيد الكربون.

وفي بعض المناطق، يعيق نقص النيتروجين تحقيق الأمن الغذائي والتغذوي. وعلى النقيض من ذلك، في مناطق أخرى، يتسرب ما يقرب من خمسين في المائة من الأسمدة النيتروجينية المستخدمة في الزراعة إلى البيئة، مما يؤدي إلى آثار ضارة مثل زيادة المخاطر البيئية، وتدهور الأراضي بشكل لا رجعة فيه، وتلوث الموارد المائية.

ويمكن معالجة هذه المشكلة عن طريق تحسين كفاءة استخدام النيتروجين، والتي تعتمد على حسابات متعددة الأوجه تتطلب في كثير من الأحيان مقارنة بين الكتلة الحيوية للمحاصيل (العائد الاقتصادي بشكل رئيسي) أو محتوى / امتصاص النيتروجين (العائد) والنيتروجين المطبق (المدخلات) من خلال السماد أو الاصطناعية الأسمدة. ومن خلال تحسين هذه العلاقة، لا يتم زيادة إنتاجية المحاصيل فحسب، بل يتم أيضًا تقليل الخسائر البيئية من خلال الإدارة الزراعية الدقيقة، مما يساهم في تحسين جودة التربة على المدى الطويل.

حاليا، متوسط ​​كفاءة استخدام النيتروجين العالمي لا تتجاوز 50%، وهي أقل بكثير من النسبة المقدرة البالغة 67% اللازمة لتلبية الطلب العالمي على الغذاء في عام 2050مع ضمان بقاء النيتروجين الزائد ضمن الحدود المقبولة لجودة الهواء والمياه.

على الرغم من ظهور حلول تكنولوجية متقدمة لإدارة النيتروجين، إلا أنه يمكن للمزارعين تحقيق تحسينات فورية في كفاءة استخدام النيتروجين من خلال مجموعة متنوعة من الأساليب، بما في ذلك استخدام الأسمدة، واستخدام الأسمدة النيتروجينية بطيئة الإطلاق، استخدام أدوات تطبيق النيتروجين الدقيقة (مثل Green Seeker) أو عن طريق تنفيذ التسميد من خلال الري الدقيق.

التكنولوجيا المثلى

وقد تم إحراز تقدم كبير في تطوير التكنولوجيات التي تهدف إلى إدارة النيتروجين بكفاءة، والتي أثبتت، بالاقتران مع الممارسات الزراعية المناسبة، إمكانية تحسين غلات المحاصيل. يعمل هذا النهج على تحسين كفاءة استخدام النيتروجين ويقلل من فائض النيتروجين في المحاصيل.

يقوم الباحثون بفحص مزايا التثبيط البيولوجي للنترجة، وهي آلية تطلق من خلالها النباتات مواد تؤثر على دورة النيتروجين في التربة. تلعب هذه الظاهرة الطبيعية، التي لوحظت في بعض الأعشاب والأقارب البرية للقمح، دورًا حاسمًا في تقليل انبعاثات النيتروجين بشكل كبير.

في عام 2007، حدد الباحثون سمات النترجة البيولوجية لدى أحد أقارب القمح، وفي عام 2018، نجحوا في نقل هذه السمات إلى مجموعة متنوعة من القمح الربيعي الصيني. وعلى الرغم من أن النتائج الأولية أشارت إلى انخفاض الإنتاجية وما زالت في المراحل الأولى من التطوير، إلا أن العلماء مهتمون بتقييم التطبيق المحتمل لهذه العملية على أصناف القمح التجارية في المستقبل. إذا نجحت، فإن هذه التكنولوجيا لديها القدرة على التأثير بشكل كبير على تحقيق أهداف كفاءة استخدام النيتروجين العالمية.