علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Agriculture emits a ‘forgotten greenhouse gas.’ Scientists are looking for solutions in the soil
(Ula Chrobak – بواسطة: علا شروباك)
ملخص المقالة:
تساهم الزراعة بـ 16 إلى 27 في المائة من انبعاثات الاحتباس الحراري التي يسببها الإنسان، ولكن الكثير منها من أكسيد النيتروز، وهو أقوى بنحو 300 مرة من ثاني أكسيد الكربون في تسخين الغلاف الجوي. ويعد استخدام أسمدة النيتروجين الاصطناعية يصبح هو السبب الرئيسي. ويبحث العلماء في مجموعة من الطرق لعلاج التربة أو تعديل الممارسات الزراعية لخفض انتاج أكسيد النيتروز. وتتمثل إحدى الإستراتيجيات في تسخير تقنيات الزراعة الدقيقة التي تستخدم تقنية الاستشعار عن بعد لتحديد مكان وزمان ومقدار إضافة النيتروجين إلى الحقول. وأخرى هي استخدام مثبطات النترجة، وهي مواد كيميائية تثبط قدرة الميكروبات على تحويل الأمونيا إلى نتريت وتعيق تكوين أكسيد النيتروز، وتحافظ على النيتروجين في التربة لاستخدام النباتات على مدى فترة زمنية أطول. وسيؤدي تبني هاتين العمليتين على نطاق واسع إلى تقليل انبعاثات أكسيد النيتروز بنحو 26 بالمائة من مسارها الحالي بحلول عام 2030. وتتضمن إحدى الطرق المحتملة تسخير إمكانات بعض الميكروبات لتزويد النباتات بالنيتروجين بشكل مباشر، مثلما تفعل البكتيريا المثبتة للنيتروجين بالفعل بالشراكة مع الفول والفول السوداني والبقوليات الأخرى.
( المقالة )
بينما تحاول الدول والصناعات الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري لمعالجة تغير المناخ، أصبحت الممارسات الزراعية في دائرة الضوء. وهناك سبب وجيه لذلك: تمثل الزراعة 16 إلى 27 في المائة من انبعاثات الاحتباس الحراري التي يسببها الإنسان، وفقًا للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ. ولكن الكثير من هذه الانبعاثات ليست من ثاني أكسيد الكربون، ذلك الشرير المألوف لتغير المناخ، بل هي من غاز آخر تمامًا: أكسيد النيتروز.
يحظى تقريبًا بالاهتمام الذي يستحقه، كما يقول ديفيد كانتر، الباحث في تلوث المغذيات في جامعة نيويورك ونائب رئيس مبادرة النيتروجين الدولية، وهي منظمة تركز على أبحاث التلوث بالنيتروجين وصنع السياسات. ويتابع: “إنه غاز دفيئة منسي”. ومع ذلك، فإن جزيء أكسيد النيتروز أقوى بنحو 300 مرة من ثاني أكسيد الكربون في تسخين الغلاف الجوي. ومثل ثاني أكسيد الكربون، ففترة عمره طويلة، ويبقى في المتوسط 114 عامًا في السماء قبل أن يتفكك. كما أنه يستنفد طبقة الأوزون. وبشكل عام، التأثير المناخي لغاز الضحك ليس مزحة. ويقدر علماء الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ أن أكسيد النيتروز يكون ما يقرب من 6 في المئة من انبعاثات غازات الدفيئة، ونحو ثلاثة أرباع انبعاثات أكسيد النيتروز تلك يأتي من الزراعة.
ولكن على الرغم من مساهمات أكسيد النيتروز الهامة في تغير المناخ، لم يعالج صانعو السياسات الموجهة انبعاثاته مباشرة. ويستمر الغاز في التراكم. وقد وجدت مراجعة أجريت عام 2020 لمصادر ومصارف أكسيد النيتروز أن الانبعاثات ارتفعت بنسبة 30 في المائة في العقود الأربعة الماضية وتتجاوز جميع سيناريوهات الانبعاثات المحتملة التي وصفتها الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ باستثناء أعلى سيناريوهات محتملة. والتربة الزراعية – بالخصوص بسبب الاستخدام المكثف في العالم لأسمدة النيتروجين الاصطناعية – هي السبب الرئيسي.
واليوم، يبحث العلماء في مجموعة من الطرق لعلاج التربة أو تعديل الممارسات الزراعية لخفض انتاج أكسيد النيتروز. ويقول مايكل كاستيلانو، عالم البيئة الزراعية وعالم التربة في جامعة ولاية أيوا: “أي شيء يمكن القيام به لتحسين كفاءة استخدام الأسمدة سيكون كبيرًا”.
النيتروجين غير متوازن
لقد قلبت البشرية دورة نيتروجين الأرض عن التوازن. فقبل ظهور الزراعة الحديثة، جاء معظم النيتروجين المتاح في المزارع من السماد العضوي والسماد والميكروبات المثبتة للنيتروجين التي تأخذ غاز النيتروجين وتحوله إلى الأمونيوم، وهو مادة مغذية قابلة للذوبان يمكن للنباتات تناولها من خلال جذورها. ولكن كل ذلك تغير في القرن العشرين في وقت مبكر مع اول مرة من إجراءات هابر-بوش التي وفرت طريقة صناعية لإنتاج كميات هائلة من أسمدة الأمونيا.
وعززت هذه الوفرة من الأسمدة الاصطناعية غلة المحاصيل وساعدت في إطعام الناس في جميع أنحاء العالم، لكن فائض النيترات والأمونيوم يأتي مع تكاليف بيئية. ويمثل إنتاج الأسمدة الأمونيا حوالي 1٪ من مجمل الاستهلاك العالمي للطاقة و 1.4 في المئة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (عملية تتطلب تسخين غاز النيتروجين وإخضاعه لضغوط تصل إلى 400 ضغط جوي 40530 [كيلو باسكال]، لذلك تتطلب استهلاكًا كبيرًا جدا للطاقة). والأهم من ذلك، أن الأسمدة تؤدي إلى زيادة انبعاثات أكسيد النيتروز لأن المزارعين يميلون إلى استخدام النيتروجين في حقولهم على بضع دفعات كبيرة خلال العام، ولا يمكن للمحاصيل استخدامها بالكامل.
وعندما لا تتخلص جذور النبات من هذا الأسمدة، فإن بعضها يهرب من الحقل ويلوث المجاري المائية. وما تبقى يستهلك من قبل سلسلة من ميكروبات التربة التي تحول الأمونيا إلى نترايت NO2−، ثم نيتريت NO3– ، وأخيرًا غاز النيتروجين. ويكون اكسيد النيروز منتج ثانوي في اثنتين من نقاط هذه العملية.
إن الاستغناء عن الأسمدة بعناية عندما تحتاجها النباتات أو إيجاد طرق للحفاظ على العوائد مع تقليل الأسمدة النيتروجينية من شأنه أن يقلل انبعاثات أكسيد النيتروز هذه، ويبحث العلماء عن طرق مختلفة للقيام بذلك. وتتمثل إحدى الإستراتيجيات قيد البحث في تسخير تقنيات الزراعة الدقيقة التي تستخدم تقنية الاستشعار عن بعد لتحديد مكان وزمان إضافة النيتروجين إلى الحقول، ومقدار ذلك. وآخرى هي استخدام مثبطات النترجة، وهي مواد كيميائية تثبط قدرة الميكروبات على تحويل الأمونيا إلى نتريت، وتعيق تكوين أكسيد النيتروز والحفاظ على النيتروجين في التربة لاستخدام النباتات على مدى فترة زمنية أطول.
وسيؤدي تبني هاتين العمليتين على نطاق واسع إلى تقليل انبعاثات أكسيد النيتروز بنحو 26 بالمائة من مسارها الحالي بحلول عام 2030 ، وفقًا لتقدير عام 2018 من قبل باحثين في المعهد الدولي لتحليل النظم التطبيقية في النمسا. ولكن المؤلفين يقولون إن الأمر سيستغرق أكثر من ذلك للمساعدة في تحقيق أهداف غازات الاحتباس الحراري مثل تلك المنصوص عليها في اتفاقية باريس للمناخ. ولذلك يستكشف العلماء استراتيجيات إضافية.
وتتضمن إحدى الطرق المحتملة تسخير إمكانات بعض الميكروبات لتزويد النباتات بالنيتروجين بشكل مباشر، مثلما تفعل البكتيريا المثبتة للنيتروجين بالفعل بالشراكة مع الفول والفول السوداني والبقوليات الأخرى. ويقول إيساي سالاس-غونزاليس، المؤلف المشارك لمقال عن الميكروبيوم النباتي في المجلة السنوية لعلم الأحياء الدقيقة لعام 2020 وعالم الأحياء الحسابي الذي أكمل مؤخرًا درجة الدكتوراه في جامعة نورث كارولينا في مدينة تشابل هيل: “هناك حقًا منجم ذهب يعيش في التربة”.
وفي هذا السياق، منذ عام 2019 ، قامت شركة “بيڤوت بايو” (Pivot Bio) بتسويق منتج ميكروبي يُدعى “بيڤوت بايو پروڤن (Pivot Bio Proven)، والذي – كما يقولون – يشكل تعايشًا مع جذور المحاصيل بعد سكب اللقاح في الأخاديد حيث تُزرع بذور الذرة (تخطط الشركة لإطلاق منتجات مماثلة للذرة الرفيعة والقمح والشعير والأرز). وتقوم الميكروبات بتغذية النباتات بالنيتروجين قليلاً في كل مرة مقابل السكريات التي تسربها، مما يقلل من الحاجة إلى الأسمدة الاصطناعية، كما يقول كارستن تيم، الرئيس التنفيذي لشركة بيڤوت بايو.
ويقول تيم إن علماء الشركة صنعوا اللقاح عن طريق عزل سلالة من بكتيريا ساتشاري (Kosakonia sacchari) التي لديها بالفعل قدرات تثبيت النيتروجين في جينومها، على الرغم من أن الجينات المعنية لم تكن نشطة بشكل طبيعي في ظل الظروف الميدانية. وباستخدام تقنية تعديل الجينات، تمكن العلماء من إعادة تنشيط مجموعة من 18 جينًا بحيث يتكون إنزيم النيتروجيناز حتى في وجود الأسمدة الاصطناعية. ويضيف تيمي: “إننا نقنعهم بالبدء في صنع هذا الإنزيم”.
ويقوم ستيفن هول، عالم الكيمياء الجيولوجية الحيوية بجامعة ولاية أيوا، باختبار المنتج الآن في حاويات كبيرة بحجم القمامة مع زراعة الذرة فيها. ويطبق الباحثون اللقاح، إلى جانب كميات مختلفة من الأسمدة الاصطناعية، على التربة ويقيسون محصول الذرة وإنتاج أكسيد النيتروز وكمية النترات المتسربة من قاعدة الحاويات. وعلى الرغم من أن نتائج التجربة لم تصدر بعد، يقول هول إن هناك “دعمًا أوليًا جيدًا” للفرضية القائلة بأن الميكروبات تقلل من الحاجة إلى الأسمدة، وبالتالي تقلل انبعاثات أكسيد النيتروز.
ولكن بعض علماء التربة وعلماء الأحياء الدقيقة يشككون في الإصلاح الميكروبي السريع. ويقول تولو مافا-أتوي، طالب دراسات عليا في علم الأحياء الدقيقة البيئية بجامعة جويلف في كندا، إن “الأسمدة الحيوية” مثل هذه حققت نجاحًا متباينًا، اعتمادًا على التربة والبيئة التي يتم تطبيقها فيها. وفي دراسة ميدانية واحدة للقمح، على سبيل المثال، أدى تلقيح المحاصيل بالميكروبات المفيدة إلى تعزيز نمو النباتات ولكنه أدى فقط إلى غلات أعظم قليلاً . ومن غير المعلوم ما إذا كانت الميكروبات ستؤثر سلبًا على بيئة التربة أو ستتفوق عليها الميكروبات المحلية، كما كتب زملاء مافا-أتوي في جيلف في فبراير في نشرة “فرونتيرز إن سيستينبل فود سيستمز”.
وبدلاً من إضافة ميكروب، قد يكون من المنطقي تشجيع نمو الميكروبات المرغوبة الموجودة بالفعل في التربة، كما تقول كارولين أور، عالمة الأحياء الدقيقة بجامعة تيسايد في المملكة المتحدة. وقد وجدت أن تقليص استخدام مبيدات الآفات أدى إلى مجتمع ميكروبي أكثر تنوعًا وكمية أكبر من تثبيت النيتروجين الطبيعي. بالإضافة إلى ذلك، يتأثر إنتاج أكسيد النيتروز بتوافر الكربون والأكسجين والنيتروجين – وكلها تتأثر بتعديل استخدام الأسمدة والري والحرث.
خذ الحرث، على سبيل المثال
وجد تحليل لأكثر من 200 دراسة أن انبعاثات أكسيد النيتروز زادت في السنوات العشر الأولى بعد أن توقف المزارعون أو قلصوا حرث أراضيهم. ولكن بعد ذلك، انخفضت الانبعاثات. يعتقد يوهان سيكس، المؤلف المشارك للتحليل، وعالم الإيكولوجيا الزراعية في الجامعة العامة (ETH Zürich) في زيورخ بسويسرا، أن السبب في ذلك هو أن التربة تبدأ في حالة مضغوطة بشدة بعد سنوات من قيادة المعدات فوقها. ومع مرور الوقت، تشكل التربة غير المضطربة بنية تشبه فتات البسكويت تسمح بتدفق المزيد من الهواء. وفي البيئات عالية الأكسجين، تنتج الميكروبات كمية أقل من أكسيد النيتروز. وهذا، بدون أنظمة حرث، يؤدي أيضا إلى مزيد من تخزين الكربون لأن وسائل حرث أقل خفضت تحويل الكربون العضوي إلى ثاني أكسيد الكربون – موفرة فائدة مناخية إضافية.
وقد يكون من الممكن للمزارعين توفير المال على الأسمدة والمياه وتقليل الانبعاثات، مع الحفاظ على الغلات. وفي بحث على مزارع الطماطم في وادي ولاية كاليفورنيا الأوسط، وجدت ست قطع أراض في الدراسة مع انخفاض الحرث ونظام الري بالتنقيط التي يرشح النيتروجين ببطء للنباتات – مقللة كمية المغذيات المجمعة في التربة – خفضت انبعاث أكسيد النيتروز بنسبة 70 في المئة مقارنة مع قطع الأراضي التي تدار بشكل تقليدي. كما تم تعويض المزارعين الذين نفذوا تلك التغييرات عن مساهمتهم في خفض غازات الاحتباس الحراري من خلال برنامج الولاية للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ويقول سيكس إنه مع وجود الحوافز المناسبة، قد لا يكون إقناع المزارعين بخفض انبعاثاتهم بهذه الصعوبة.
وفي ولاية ميسوري، يزرع المزارع أندرو ماكريا 2000 فدان من الذرة وفول الصويا في نظام عدم الحراثة. ويخطط هذا العام لتقليص استخدامه للأسمدة ومعرفة ما إذا كان يمكن لقاح پيڤوت بايو أن يحافظ على عوائده بشكل أو بآخر. ويقول: “أعتقد أن جميع المزارعين يهتمون بالتأكيد بالتربة. إذا تمكنا من خفض التكاليف، فهذا رائع أيضًا”.
ويقول كانتر من جامعة نيويورك إنه إذا لجأ صانعو السياسة إلى معالجة أكسيد النيتروز، فلا بد أن تكون هناك فوائد متتالية لنا جميعًا. ويمكن أن يكون بعضها أسرع وأكثر واقعية من معالجة تغير المناخ. ونفس الإجراءات التي تخفض مستويات أكسيد النيتروز تقلل أيضًا من تلوث الهواء المحلي وتلوث الماء وكذلك فقدان التنوع البيولوجي. ويضيف كانتر: “هذه أشياء سيراها الناس ويشعرون بها على الفور، في غضون سنوات بدلاً من عقود أو قرون”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
ملاحظة: نشر هذا المقال في الأصل في مجلة نوابل (Knowable) ، وهي مسعى صحفي مستقل من المراجعات السنوية.
