6:51 ص المكتبة الزراعية الشاملة

هل الكثير من الأسمدة يمثل مشكلة ؟ : الطرق المثلى و عوامل النجاح في التسميد

المقدمة 

تُضاف الأسمدة إلى المحاصيل من أجل إنتاج ما يكفي من الغذاء لإطعام السكان. توفر الأسمدة للمحاصيل العناصر الغذائية مثل البوتاسيوم والفوسفور والنيتروجين ، مما يسمح للمحاصيل بالنمو بشكل أكبر وأسرع وإنتاج المزيد من الغذاء. النيتروجين على وجه الخصوص هو عنصر غذائي أساسي لنمو كل كائن حي على الأرض. النيتروجين موجود في كل مكان حولنا ويشكل حوالي 78٪ من الهواء الذي تتنفسه. ومع ذلك ، لا يمكن للنباتات والحيوانات استخدام غاز النيتروجين في الهواء. للنمو ، تتطلب النباتات مركبات النيتروجين من التربة ، والتي يمكن إنتاجها بشكل طبيعي أو توفيرها بواسطة الأسمدة. ومع ذلك ، فإن استخدام كميات مفرطة من الأسمدة يؤدي إلى إطلاق غازات الاحتباس الحراري الضارة في الغلاف الجوي وإغناء الممرات المائية بالمغذيات. يحاول العلماء حاليًا إيجاد حلول لتقليل الآثار الضارة بيئيًا للأسمدة ، دون تقليل كمية الطعام التي يمكن أن ننتجها عند استخدامها.

ما هو السماد؟

الأسمدة هي أي مادة أو مادة مضافة إلى التربة تعزز نمو النبات. هناك العديد من أنواع الأسمدة ، ومعظمها يحتوي على النيتروجين (N) والفوسفور (P) والبوتاسيوم (K). في الواقع ، الأسمدة المباعة في المتاجر تحتوي على نسبة N-P-K على عبواتها. يتم استخدام الأسمدة في جميع أنحاء العالم للحفاظ على المروج خضراء ولإنتاج المزيد من المحاصيل في المجالات الزراعية. يمكن تقسيم الأسمدة إلى ثلاث مجموعات:

يتم استخراج الأسمدة المعدنية (الفوسفور والبوتاس) من البيئة وسحقها أو معالجتها كيميائياً قبل استخدامها.

الأسمدة العضوية (السماد الطبيعي والسماد العضوي) مصنوعة من فضلات الحيوانات والمواد المتحللة النباتية أو الحيوانية.

يتم إنتاج الأسمدة الصناعية (فوسفات الأمونيوم ، واليوريا ، ونترات الأمونيوم) صناعياً بواسطة الإنسان من خلال التفاعلات الكيميائية.

بينما تم استخدام الأسمدة العضوية والمعدنية لزيادة غلة المحاصيل في الزراعة لفترة طويلة ، فإن الأسمدة الصناعية تعد تطورًا جديدًا نسبيًا. ومع ذلك ، فإن الأسمدة الصناعية هي أكثر الأسمدة استخدامًا اليوم.

لماذا نحتاج إلى أسمدة تحتوي على النيتروجين؟

النيتروجين هو أحد العناصر أو العناصر الغذائية التي تحتاجها جميع الكائنات الحية (الكائنات الحية الدقيقة والنباتات والحيوانات) للنمو. على الرغم من وجود الكثير من النيتروجين حولنا (~ 78٪ من الهواء الذي نتنفسه) ، فإن معظم النيتروجين الموجود على الأرض موجود كغاز عديم اللون والرائحة ، يسمى غاز النيتروجين (N2). لسوء الحظ ، لا يمكن للنباتات والحيوانات استخدام غاز النيتروجين بشكل مباشر. كبشر ، نحصل على النيتروجين من الطعام الذي نأكله. الأطعمة الغنية بالبروتين مثل اللحوم والأسماك والمكسرات والفاصوليا غنية بالنيتروجين. تحصل النباتات على النيتروجين من التربة والنيتروجين هو أكثر العناصر الغذائية شيوعًا للحد من نمو النبات. هناك طريقتان يتم تحويل غاز النيتروجين أو "تثبيته" بشكل طبيعي إلى مركبات تحتوي على النيتروجين والتي يمكن أن تنتهي في التربة دون تدخل بشري :

البرق: تولد ضربات الصواعق طاقة كافية لتقسيم غاز النيتروجين في الغلاف الجوي ، مما ينتج عنه مركبات تحتوي على النيتروجين ، والتي تنتهي في التربة.

التثبيت البيولوجي للنيتروجين: يمكن لبعض الكائنات الحية الدقيقة استخدام غاز النيتروجين مباشرة كمغذٍ. تقوم هذه الكائنات الدقيقة المتخصصة بتحويل غاز النيتروجين إلى أمونيوم (NH4 +) وتسمى "مثبتات النيتروجين". تعيش بعض الكائنات الحية الدقيقة المثبتة للنيتروجين في التربة ، ويمكن أن يشكل بعضها علاقة وثيقة مع جذور بعض النباتات ، مثل الفاصوليا أو البرسيم.

ومع ذلك ، حتى مع كل هذا التثبيت الطبيعي للنيتروجين عملية تحويل غاز النيتروجين إلى مركبات تحتوي على النيتروجين. يمكن أن يحدث تثبيت النيتروجين بشكل طبيعي من خلال ضربات الصواعق ، أو يتم إجراؤه بواسطة كائنات دقيقة متخصصة ، أو يتم تحقيقه صناعيًا ، وغالبًا ما لا تزال مستويات النيتروجين المنخفضة في التربة تحد من نمو النبات. هذا هو السبب في أن معظم الأسمدة تحتوي على مركبات النيتروجين ولماذا تعتبر الأسمدة الصناعية ضرورية لإنتاج محاصيل كافية لإطعام البشر. يضيف البشر الآن قدرًا كبيرًا أو أكثر من النيتروجين الثابت صناعيًا (~ 150 مليار كيلوجرام) إلى البيئة كل عام ، أكثر مما هو ثابت بشكل طبيعي  . يصعب تخيل مائة وخمسين مليار كيلوغرام (~ 330 مليار رطل) من أي شيء ، لكن هذا يساوي وزن 24 مليون فيل بالغ كامل النمو!

كيف يتم إنتاج الأسمدة الصناعية المحتوية على النيتروجين؟

كما ذكرنا ، يوجد معظم النيتروجين على الأرض كغاز نيتروجين ، وهو غير صالح للنباتات والحيوانات. في أوائل القرن العشرين ، اكتشف العلماء كيفية تحويل غاز النيتروجين من الغلاف الجوي إلى مركبات تحتوي على النيتروجين يمكن استخدامها لتخصيب التربة . يسمى هذا التثبيت الصناعي عملية هابر بوش ، وهي عملية تثبيت صناعي للنيتروجين يمكن إجراؤها في المختبر لإنتاج مكونات السماد. تم اكتشافه من قبل العلماء فريتز هابر وكارل بوش وتم تسميته بهذا الاسم. يتم إصلاح كل النيتروجين الموجود في الأسمدة الصناعية تقريبًا من خلال عملية هابر بوش.

يتم إجراء هذا التثبيت الصناعي للنيتروجين في المعامل الكيميائية والمصانع الكبيرة في جميع أنحاء العالم. تتطلب عملية Haber-Bosch خلط غاز النيتروجين بغاز الهيدروجين (H2) ووضعه تحت ضغط هائل (200 ضعف الضغط الجوي). هذا هو الضغط الذي ستشعر به إذا غاصت 2000 متر (~ 6500 قدم) تحت سطح البحر ، وهي مسافة أطول من 6 أبراج إيفل مكدسة فوق بعضها البعض! ثم يتم تسخين خليط الغاز المضغوط هذا إلى درجات حرارة عالية جدًا (450 درجة مئوية / 842 درجة فهرنهايت). يتطلب الحفاظ على هذه الضغوط العالية ودرجات الحرارة قدرًا هائلاً من الطاقة. تشير التقديرات إلى أن عملية هابر بوش تستهلك 1 - 2٪ من إمدادات الطاقة في العالم كل عام  .

لماذا نستخدم الكثير من الأسمدة الصناعية المحتوية على النيتروجين؟

الإجابة المختصرة هي أن الأسمدة المحتوية على النيتروجين تساعد نباتات المحاصيل على النمو بشكل أسرع وتساعد على إنتاج المزيد من المحاصيل. وهذا يسمح باستخدام الأراضي الزراعية بكفاءة أكبر لأن الأرض المخصبة تنتج المزيد من الغذاء. في الواقع ، يعد اختراع الأسمدة الصناعية أحد الأسباب الرئيسية التي أدت إلى نمو سكان الأرض بهذه السرعة في الستين إلى السبعين عامًا الماضية. قبل الاستخدام الواسع النطاق للأسمدة الصناعية في الستينيات ، استغرق الأمر ما يقرب من 123 عامًا حتى يتضاعف عدد سكان الأرض من مليار إلى ملياري نسمة (1804-1927). ومع ذلك ، لم يستغرق الأمر سوى 45 عامًا (1974-2019) حتى يتضاعف عدد سكان الأرض من 4 إلى 8 مليارات. الآن ، نحن نعتمد كثيرًا على الإخصاب بالنيتروجين بحيث يمكننا فقط إنتاج ما يكفي من الغذاء لإطعام حوالي 50٪ من سكان العالم بدونه .

أين ينتهي الأمر بالنيتروجين من الأسمدة المحتوية على النيتروجين؟

المحاصيل تأخذه بالطبع! لسوء الحظ ، هذه ليست نهاية القصة. لإلقاء نظرة أكثر تفصيلاً على جميع التفاعلات في دورة النيتروجين    . في حقل زراعي متوسط ، تستخدم المحاصيل حوالي 50٪ فقط من النيتروجين من الأسمدة  . لذلك ، في حين أن الأسمدة تجعل المحاصيل تنمو بشكل أفضل وأسرع ، فإن نصف النيتروجين الثابت الذي نضيفه يضيع. تخيل أننا نفقد ما يعادل 12 مليون فيل نيتروجين (حوالي 165 مليار رطل) كل عام! يمكن أن ينتهي النيتروجين المفقود في الغلاف الجوي أو يمكن غسله من التربة وينتهي به المطاف في المجاري المائية ، مثل المياه الجوفية والجداول والبحيرات والأنهار والمحيطات  . يتسبب هذا النيتروجين المفقود في مجموعة متنوعة من المشكلات البيئية  .

ما هي المشاكل البيئية التي تسببها الأسمدة المحتوية على النيتروجين؟

يمكن لبعض الكائنات الحية الدقيقة في التربة تحويل النيتروجين الموجود في الأسمدة إلى غازات تحتوي على النيتروجين ، والتي يتم إطلاقها في الغلاف الجوي مثل غاز الدفيئة أكسيد النيتروز (N2O). غازات الاحتباس الحراري: الغازات التي تحبس الحرارة في الغلاف الجوي تشبه إلى حد كبير سقف الدفيئة التي تحبس الحرارة لحماية النباتات التي تنمو فيها من الطقس البارد والصقيع. هي أحد العوامل الرئيسية في تسريع ظاهرة الاحتباس الحراري. أكسيد النيتروز لديه إمكانية الاحترار ~ 300 مرة أكبر من غازات الاحتباس الحراري الأكثر شيوعًا ، ثاني أكسيد الكربون (CO2).

في المجاري المائية ، يُطلق على إضافة المغذيات الخارجية (مثل النيتروجين الزائد) التخثث ، وهو تغيير في حالة المغذيات في البيئة ناتج عن مستويات عالية من العناصر الغذائية (النيتروجين أو الفوسفور) التي تدخل المجاري المائية (البحيرات أو الأنهار أو المحيطات). إحدى النتائج الرئيسية هي تكاثر الطحالب الضارة وفقدان الحياة المائية .. التخثث هو التسميد غير المرغوب فيه للمجرى المائي ويعزز نمو الكائنات الحية الدقيقة والطحالب والنباتات ، تمامًا مثل تخصيب التربة. ومع ذلك ، فإن النمو السريع للكائنات الحية الدقيقة والنباتات يمكن أن يستهلك كل الأكسجين في هذه المجاري المائية ويحولها إلى ما يسمى بالمناطق الميتة ، لأن الحيوانات المائية لا تستطيع العيش بدون أكسجين. يمكن أن يؤدي التخثث أيضًا إلى نمو أنواع الطحالب التي تنتج مواد كيميائية سامة ، تسمى تكاثر الطحالب الضارة ، عندما تنمو البكتيريا الزرقاء والطحالب بسرعة كبيرة بسبب الكميات الكبيرة من العناصر الغذائية (النيتروجين أو الفوسفور) الموجودة في المياه التي تعيش فيها. هذه البكتيريا الزرقاء والطحالب تطلق مواد ضارة المواد الكيميائية - السموم - في المجرى المائي ..

بينما نحتاج إلى النيتروجين من الأسمدة في تربتنا الزراعية ، فإننا لا نحتاج أو نريد نيتروجينًا إضافيًا في غلافنا الجوي أو الممرات المائية. هذا يعني أننا يجب أن نوازن بين الفوائد الإيجابية للتخصيب بالنيتروجين (المزيد من الطعام) والنتائج السلبية للأسمدة الزائدة (المشاكل البيئية)  . يعمل العلماء حاليًا على إيجاد هذا التوازن لتحسين وضعنا الحالي.

ما هي الأبحاث المتعلقة بالأسمدة التي يتم إجراؤها حاليًا؟

يتمثل أحد الأهداف الرئيسية للبحوث المتعلقة بالأسمدة في تقليل كمية النيتروجين الثابت صناعيًا المفقود (حوالي 12 مليون فيل) في الغلاف الجوي والممرات المائية. يسمى هذا الحل تحسين كفاءة استخدام النيتروجين في البيئات الزراعية. فيما يلي بعض الأمثلة على أبحاث الأسمدة الجارية:

يعمل علماء الأحياء الدقيقة وعلماء التربة على طرق لتحسين الظروف الميدانية لتعزيز نمو بكتيريا التربة المثبتة للنيتروجين والتي تحدث بشكل طبيعي. بالإضافة إلى ذلك ، فهم يعملون أيضًا على طرق لمنع نمو الكائنات الحية الدقيقة في التربة التي تساهم في فقدان النيتروجين الثابت في الغلاف الجوي أو المجاري المائية (الشكل 3). معًا ، سيؤدي ذلك إلى تقليل الكمية الإجمالية للأسمدة المحتوية على النيتروجين اللازمة للحصول على نفس إنتاجية المحاصيل.

يعمل الكيميائيون على تصميم أسمدة تكون مستقرة في التربة لفترات زمنية أطول وأقل عرضة للتحلل بفعل الكائنات الحية الدقيقة. تطلق هذه الأسمدة بطيئة الإطلاق أجزاء صغيرة من العناصر الغذائية في وقت واحد ، لذلك تتوفر العناصر الغذائية طوال عمر المحاصيل. لا يزال هذا النهج يعتمد على الأسمدة المحتوية على النيتروجين ، ولكنه سيقلل من كمية الأسمدة اللازمة ويقلل من فقدان النيتروجين.

يحاول علماء الأحياء النباتية هندسة المحاصيل وراثيًا التي تتطلب كمية أقل من النيتروجين من الأسمدة . ستكون هذه المحاصيل قادرة على إصلاح النيتروجين الخاص بها من غاز النيتروجين ، تمامًا مثل الكائنات الدقيقة المتخصصة في تثبيت النيتروجين. ستحتاج هذه المحاصيل إلى سماد أقل لإنتاج نفس غلة المحصول .

يعمل علماء الكمبيوتر وعلماء التربة معًا لتصميم أنظمة تسميد ذكية يمكنها مراقبة ظروف التربة والهواء في المجالات الزراعية. يمكن لهذه الأنظمة بعد ذلك إضافة كميات صغيرة من الأسمدة عند الحاجة فقط. هذا يقلل من كمية الأسمدة المضافة ، ويجعل إضافات الأسمدة تستهدف احتياجات المحاصيل ، ويقلل من كمية النيتروجين المفقودة.

ملخص

توفر الأسمدة للمحاصيل العناصر الغذائية الأساسية مثل النيتروجين ، بحيث تنمو المحاصيل بشكل أكبر وأسرع وتنتج المزيد من الغذاء. ومع ذلك ، فإن استخدام الكثير من الأسمدة يمكن أن يمثل مشكلة لأنه يؤدي إلى إطلاق غازات الدفيئة وزيادة المغذيات. يحاول العلماء حاليًا إيجاد حلول لتقليل كمية الأسمدة اللازمة ، دون تقليل كمية الطعام المنتج.

قائمة المصطلحات

تثبيت النيتروجين: عملية تحويل غاز النيتروجين إلى مركبات تحتوي على النيتروجين. يمكن أن يحدث تثبيت النيتروجين بشكل طبيعي من خلال ضربات الصواعق ، أو يتم إجراؤه بواسطة كائنات دقيقة متخصصة ، أو يتم إنجازه صناعيًا.

عملية هابر بوش: ↑ عملية صناعية لتثبيت النيتروجين يمكن إجراؤها في المختبر لإنتاج مكونات السماد. تم اكتشافه من قبل العلماء فريتز هابر وكارل بوش وتم تسميته.

غازات الاحتباس الحراري: الغازات التي تحبس الحرارة في الغلاف الجوي تشبه إلى حد كبير سطح الدفيئة التي تحبس الحرارة لحماية النباتات التي تنمو فيها من الطقس البارد والصقيع.

التخثث: تغيير في حالة المغذيات في البيئة ناتج عن مستويات عالية من العناصر الغذائية (النيتروجين أو الفوسفور) التي تدخل المجاري المائية (البحيرات أو الأنهار أو المحيطات). إحدى النتائج الرئيسية هي تكاثر الطحالب الضارة وفقدان الحياة المائية.

تتكاثر الطحالب الضارة: ↑ عندما تنمو البكتيريا الزرقاء والطحالب بسرعة كبيرة بسبب الكميات الكبيرة من العناصر الغذائية (النيتروجين أو الفوسفور) الموجودة في المياه التي تعيش فيها. تطلق هذه البكتيريا الزرقاء والطحالب مواد كيميائية ضارة - سموم - في المجرى المائي.

 

مشاركة