دور كفاءة استخدام المغذيات في التغذية النباتية المسؤولة

تُعدّ كفاءة استخدام العناصر الغذائية مفهوماً بالغ الأهمية في الزراعة الحديثة، إذ تلعب دوراً محورياً في تعزيز نمو النباتات وتحسين إنتاجية المحاصيل بشكل عام. ومع استمرار تزايد عدد سكان العالم، يزداد الطلب على إنتاج الغذاء، مما يجعل من الضروري للمزارعين تبني ممارسات زراعية مستدامة وفعّالة.

تُعدّ العناصر الغذائية ضرورية لنمو النبات وتطوره وعمليات الأيض فيه. وتلعب أدواراً مهمة في العديد من العمليات الفيزيولوجية، مثل عملية البناء الضوئي، والتنفس، ونشاط الإنزيمات، وانقسام الخلايا، ونقل الإشارات، والاستجابة للإجهاد.

تحتاج النباتات إلى كميات وأنواع مختلفة من العناصر الغذائية تبعاً لنوعها ومرحلة نموها والظروف البيئية المحيطة بها. بعض العناصر الغذائية ضرورية بكميات كبيرة (العناصر الكبرى)، مثل النيتروجين (N) والفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) وغيرها. بينما تحتاج عناصر أخرى بكميات قليلة (العناصر الصغرى)، مثل الحديد (Fe) والزنك (Zn) والنحاس (Cu) وغيرها.

ما هي كفاءة استخدام العناصر الغذائية؟

يشير هذا المصطلح إلى قدرة النبات على استخدام العناصر الغذائية بكفاءة لنموه وتطوره. بعبارة أبسط، هو مقياس لمدى كفاءة امتصاص النباتات للعناصر الأساسية من التربة والماء والهواء واستخدامها.

يهدف استخدامه إلى تقليل الفاقد إلى أدنى حد وزيادة امتصاص النباتات للعناصر الغذائية واستخدامها إلى أقصى حد، مما يُسهم في نهاية المطاف في تحسين أداء المحاصيل. ويمكن التعبير عنه كنسبة بين الكتلة الحيوية للنبات أو المحصول إلى امتصاص العناصر الغذائية أو المدخلات.

يشير معدل كفاءة استخدام العناصر الغذائية المرتفع إلى أن النباتات تنتج كتلة حيوية أو محصولًا أكبر مع امتصاص أو إدخال أقل للعناصر الغذائية، بينما يشير معدل كفاءة استخدام العناصر الغذائية المنخفض إلى أن النباتات تحتاج إلى المزيد من العناصر الغذائية لتحقيق نفس مستوى النمو أو الإنتاج.

علاوة على ذلك، يمكن تعريف NUE بطرق مختلفة تبعًا للسؤال المطروح والبيانات المتاحة. ومن المصطلحات الشائعة المستخدمة للتعبير عن NUE ما يلي:

• إنتاجية العوامل الجزئية (PFP)كمية محصول المحاصيل لكل وحدة من المغذيات المضافة:
• الكفاءة الزراعية (AE): الزيادة في محصول المحاصيل لكل وحدة من المغذيات المضافة
• التوازن الجزئي للعناصر الغذائية (PNB)كمية امتصاص العناصر الغذائية لكل وحدة من العناصر الغذائية المضافة:
• كفاءة الاسترداد الظاهرية (RE)الفرق في امتصاص العناصر الغذائية بين المحاصيل المخصبة وغير المخصبة لكل وحدة من العناصر الغذائية المضافة
• كفاءة الاستخدام الداخلي (IE)كمية محصول المحاصيل لكل وحدة من امتصاص العناصر الغذائية
• الكفاءة الفسيولوجية (PE): الزيادة في محصول المحاصيل لكل وحدة فرق في امتصاص العناصر الغذائية بين المحاصيل المخصبة وغير المخصبة

الاستجابة العالمية لأهميتها

وفقًا لمنظمة الأغذية والزراعة (الفاو)، زاد استهلاك الأسمدة العالمي بأكثر من 500% منذ عام 1961، ليصل إلى أكثر من 200 مليون طن من العناصر الغذائية في عام 2023. وقد ساهم ذلك في زيادة كبيرة في إنتاج المحاصيل وتوافر الغذاء، ولكنه ساهم أيضًا في فقدان كمية كبيرة من العناصر الغذائية إلى البيئة.

علاوة على ذلك، تقدر منظمة الأغذية والزراعة أن 42% فقط من النيتروجين (N) و15% من الفوسفور (P) المستخدمة كأسمدة يتم امتصاصها من قبل المحاصيل على مستوى العالم، بينما يتم فقدان الباقي من خلال الترشيح والجريان السطحي والتآكل والتطاير وإزالة النتروجين أو التثبيت.

لذا، حددت منظمة الأغذية والزراعة هدفًا لزيادة متوسط كفاءة استخدام النيتروجين عالميًا من 421 تريليون طن متري إلى 521 تريليون طن متري بحلول عام 2030. ويتطلب ذلك خفض استخدام الأسمدة النيتروجينية بمقدار 201 تريليون طن متري مع زيادة امتصاص المحاصيل للنيتروجين بمقدار 101 تريليون طن متري. وبالمثل، اقترح الفريق العلمي المعني بالتغذية النباتية المسؤولة رؤية لتحقيق تغذية نباتية مستدامة بيئيًا بحلول عام 2050. وتشمل هذه الرؤية خمسة أهداف:

1. خفض هدر العناصر الغذائية إلى النصف على طول النظام الغذائي من خلال الاستهلاك المسؤول، وزيادة إعادة التدوير، وممارسات الإدارة الأفضل.
2. توقف استنزاف العناصر الغذائية في التربة وفقدان الكربون، مما أدى إلى تحسين صحة التربة والمواد العضوية.
3. تم تقليل فقدان المغذيات إلى المسطحات المائية بواسطة 75%، مما يمنع التخثث وازدهار الطحالب.
4. انخفضت انبعاثات أكسيد النيتروز من الزراعة بمقدار 50%، مما يساهم في التخفيف من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتغير المناخ.
5. زادت غلة المحاصيل وجودتها بفضل برنامج 50%، مما عزز الأمن الغذائي والتغذية.

بلغ متوسط كفاءة استخدام النيتروجين العالمي للحبوب 331 طن متري، وللبذور الزيتية 481 طن متري، وللجذور والدرنات 621 طن متري، وللبقوليات 641 طن متري، وللفاكهة 661 طن متري، وللخضراوات 681 طن متري، ولمحاصيل السكر 691 طن متري في عام 2018/2019.

في الصين، أظهرت تجربة تشاركية واسعة النطاق شملت أكثر من 20 مليون مزارع أن تقليل استخدام الأسمدة النيتروجينية بمعدل 14% أدى إلى زيادة إنتاجية القمح بمعدل 10%، مما أدى إلى زيادة إنتاجية العامل الجزئي بمعدل 29%.

في حين أظهرت تجربة ميدانية أجريت في الهند وشملت أصنافًا مختلفة من الأرز أن تطبيق إدارة المغذيات الخاصة بالموقع بناءً على اختبار التربة زاد من محصول الحبوب بمعدل 17%، وكفاءة الموارد بمعدل 22%، والربحية لكل توازن غذائي بمعدل 28%، مقارنة بممارسات المزارعين. .

وبالمثل، في كينيا، أظهرت تجربة ميدانية شملت أنظمة زراعة الذرة والبقوليات المختلفة أن تطبيق جرعات صغيرة من الأسمدة جنبًا إلى جنب مع السماد العضوي زاد من محصول الحبوب بمعدل 79%، والكفاءة الزراعية بمعدل 86%، وكفاءة الموارد بمعدل 51%، والربحية لكل توازن غذائي بمعدل 50%، مقارنة بالزراعة الأحادية بدون أسمدة.

توضح هذه الأمثلة إمكانية تحسين كفاءة استخدام المغذيات من خلال استراتيجيات وممارسات متنوعة يمكنها تعزيز إنتاج المحاصيل مع تقليل فقدان المغذيات والانبعاثات.

ما أهميته في نمو النبات؟

تُعدّ كفاءة استخدام المغذيات مهمة لأسباب اقتصادية وبيئية على حد سواء، إذ تُسهم في خفض تكلفة إنتاج المحاصيل وتقليل خطر فقدان المغذيات في البيئة. ومع ذلك، إليك بعض الجوانب الرئيسية لنمو النبات التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بها.

1. تحسين عملية التمثيل الضوئي

أحد العوامل الرئيسية التي يؤثر عليها معدل كفاءة استخدام النيتروجين هو عملية التمثيل الضوئي، وهي العملية التي تحول بها النباتات الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. يعتمد التمثيل الضوئي على توافر العناصر الغذائية، وخاصة النيتروجين (N)، وهو عنصر أساسي في الكلوروفيل، الصبغة التي تمتص الضوء.

يلعب النيتروجين أيضاً دوراً في تخليق الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات وجزيئات أخرى ضرورية لنمو النبات وتطوره. كما أن الفوسفور ضروري لنقل الطاقة، بينما ينظم البوتاسيوم فتح وإغلاق الثغور، مما يؤثر على امتصاص ثاني أكسيد الكربون.

لذلك، فإن الاستخدام الفعال للعناصر الغذائية يؤثر بشكل مباشر على معدل عملية التمثيل الضوئي، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الطاقة لنمو النبات.

2. بنية الخلية ووظيفتها

من العوامل الأخرى التي تؤثر عليها بنية الخلية ووظيفتها، والتي تحدد كيفية امتصاص العناصر الغذائية ونقلها وتخزينها واستخدامها داخل خلايا النبات. وتعتمد بنية الخلية ووظيفتها على توافر العناصر الغذائية، وخاصة الفوسفور (P) والبوتاسيوم (K) والكالسيوم (Ca) والمغنيسيوم (Mg) وغيرها.

فعلى سبيل المثال، يساهم الكالسيوم في تكوين جدار الخلية، مما يضمن سلامة الخلية وقوتها. أما المغنيسيوم فهو عنصر أساسي في جزيئات الكلوروفيل، ويدعم عملية التمثيل الضوئي. وبالتالي، فإن الاستخدام الأمثل للعناصر الغذائية يضمن الأداء السليم للخلايا والأنسجة، مما يعزز صحة النبات بشكل عام.

3. مقاومة الإجهاد والأمراض

أما العامل الثالث الذي يؤثر عليه فهو مقاومة النبات للإجهاد والأمراض، مما قد يقلل من نموه وإنتاجيته من خلال التأثير على مختلف العمليات الفيزيولوجية والكيميائية الحيوية. ويمكن أن ينجم الإجهاد والأمراض عن عوامل متعددة، مثل الجفاف، والملوحة، ودرجات الحرارة القصوى، ونقص العناصر الغذائية أو سميتها، والآفات، ومسببات الأمراض، والأعشاب الضارة، وغيرها.

لذا، يُعزز توفير العناصر الغذائية الكافية نمو النباتات، مما يجعلها أكثر مقاومة للضغوط البيئية والأمراض. وتستطيع النباتات التي تتغذى جيدًا تحمل الظروف القاسية بشكل أفضل، كالجفاف أو هجمات الآفات. علاوة على ذلك، تُظهر النباتات التي تستخدم العناصر الغذائية بكفاءة قدرةً أكبر على تحمل الإجهاد، مما يُسهم في نمو مستدام وإنتاجية محاصيل أعلى في ظل الظروف الصعبة.

ما هي العوامل المؤثرة فيه وكيف يمكن السيطرة عليها؟

لا يُعدّ مفهوم كفاءة استخدام العناصر الغذائية في الزراعة مفهوماً واحداً يناسب جميع الحالات، بل يتأثر بمجموعة متنوعة من العوامل التي تُشكّل بشكل معقد طريقة امتصاص النباتات للعناصر الغذائية الأساسية واستخدامها والاستجابة لها. وتشمل هذه العوامل خصائص التربة، والظروف المناخية، وأنواع المحاصيل وأصنافها، وممارسات الإدارة الزراعية، والتفاعلات بين هذه العوامل.

1. خصائص التربة

تؤثر خصائص التربة، مثل النسيج والبنية ودرجة الحموضة والمادة العضوية والنشاط الميكروبي، بشكل كبير على كفاءة استخدام النيتروجين. ويؤثر نسيج التربة وبنيتها على قدرتها على الاحتفاظ بالماء والتهوية والصرف واختراق الجذور لها.

تؤثر هذه العوامل على توافر العناصر الغذائية وحركتها في محلول التربة وامتصاصها من قبل جذور النباتات. فعلى سبيل المثال، تتميز التربة الرملية بقدرة منخفضة على الاحتفاظ بالماء وإمكانية عالية للغسل، مما قد يقلل من كفاءة استخدام النيتروجين (N) والبوتاسيوم (K).

تتميز التربة الطينية بقدرة عالية على الاحتفاظ بالماء وتهوية منخفضة، مما قد يحد من كفاءة استخدام الفوسفور (P) والعناصر الغذائية الدقيقة.

علاوة على ذلك، يؤثر الرقم الهيدروجيني للتربة على ذوبان العناصر الغذائية وتوافرها فيها. وتكون معظم العناصر الغذائية أكثر توافراً في التربة الحمضية قليلاً إلى المتعادلة (الرقم الهيدروجيني 6-7)، بينما تكون بعض العناصر الغذائية الدقيقة، مثل الحديد (Fe) والمنغنيز (Mn) والزنك (Zn) والنحاس (Cu)، أكثر توافراً في التربة الحمضية (الرقم الهيدروجيني < 6).

تؤثر المادة العضوية في التربة والنشاط الميكروبي على دورة العناصر الغذائية وتحولاتها في التربة. توفر المادة العضوية مصدراً للكربون والطاقة للكائنات الحية الدقيقة في التربة، والتي بدورها تحول العناصر الغذائية العضوية إلى أشكال غير عضوية متاحة لامتصاص النبات.

يمكن للكائنات الدقيقة أيضًا تثبيت العناصر الغذائية عن طريق دمجها في كتلتها الحيوية أو عن طريق تكوين مركبات مع الجزيئات العضوية.

2. الظروف المناخية

تؤثر الظروف المناخية، كدرجة الحرارة وهطول الأمطار والإشعاع الشمسي والرياح، على كفاءة استخدام النيتروجين من خلال تأثيرها على عمليات التربة ونمو النبات وفقدان العناصر الغذائية. وتؤثر درجة الحرارة على معدل التفاعلات الكيميائية والبيولوجية في التربة، فضلاً عن النشاط الأيضي ونمو النباتات.

تؤدي درجات الحرارة المرتفعة عمومًا إلى زيادة تمعدن المواد العضوية وتوافر العناصر الغذائية في التربة، ولكنها يمكن أن تزيد أيضًا من تطاير الأمونيا (NH3) من اليوريا أو تطبيقات السماد، أو إزالة النترات (NO3-) إلى غاز أكسيد النيتروز (N2O) أو غاز النيتروجين (N2).

يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة أيضًا إلى تسريع نمو النبات وزيادة الطلب على العناصر الغذائية، ولكنها قد تقلل أيضًا من امتصاص النبات للماء والنتح، مما قد يؤثر على نقل العناصر الغذائية داخل النبات.

وبالمثل، يؤثر هطول الأمطار على توازن الماء وديناميكيات العناصر الغذائية في نظام التربة والنبات. يُعدّ هطول الأمطار الكافي ضروريًا للحفاظ على رطوبة التربة وتوافر العناصر الغذائية لامتصاصها من قِبل النبات، ولكن هطول الأمطار الزائد قد يتسبب في غسل أو جريان العناصر الغذائية من سطح التربة أو طبقاتها تحت السطحية.

يمكن أن يؤثر هطول الأمطار أيضاً على توقيت وعدد مرات الري والتسميد، مما قد يؤثر على كفاءة استخدام النيتروجين. كما يؤثر الإشعاع الشمسي على النشاط الضوئي وإنتاج الكتلة الحيوية للنباتات، مما يحدد احتياجاتها من العناصر الغذائية وامتصاصها لها.

علاوة على ذلك، تؤثر الرياح أيضاً على كفاءة استخدام النيتروجين من خلال تأثيرها على عمليات تآكل التربة والتبخر والتطاير. إذ يمكن للرياح أن تتسبب في تآكل التربة عن طريق فصل ونقل جزيئات التربة التي تحتوي على العناصر الغذائية من مكان إلى آخر.

يمكن للرياح أيضًا أن تزيد من التبخر من سطح التربة أو غطاء النبات، مما قد يقلل من رطوبة التربة وتوافر العناصر الغذائية لامتصاص النبات.

3. خصائص النباتات وأنواعها

تختلف أنواع المحاصيل وأصنافها في إمكاناتها الوراثية لكفاءة استخدام النيتروجين، وكذلك في استجابتها للعوامل البيئية والإدارية. تتمتع بعض المحاصيل بكفاءة استخدام نيتروجينية أعلى من غيرها نظرًا لخصائصها الفيزيولوجية، مثل شكل الجذور، وحركية امتصاص العناصر الغذائية، وكفاءة النقل، وقدرة التمثيل الضوئي، وكفاءة إعادة التوزيع، ومؤشر الحصاد، وغيرها.

على سبيل المثال، تتمتع الحبوب عمومًا بكفاءة استخدام النيتروجين أعلى من البقوليات نظرًا لارتفاع مؤشر الحصاد (نسبة محصول الحبوب إلى إجمالي الكتلة الحيوية) وانخفاض تركيز العناصر الغذائية في حبوبها.

علاوة على ذلك، قد تختلف أصناف المحاصيل ضمن النوع الواحد في كفاءة استخدام النيتروجين (NUE) نتيجةً لاختلافات الصفات الوراثية أو جهود التربية. فعلى سبيل المثال، تتميز بعض أصناف الأرز بكفاءة استخدام نيتروجين أعلى من غيرها لقدرتها على استخدام مصادر بديلة للنيتروجين، مثل الأمونيوم (NH4+) أو تثبيت النيتروجين الجوي (N2) بواسطة البكتيريا التكافلية.

تتميز بعض أصناف القمح بكفاءة استخدام نيتروجينية أعلى من غيرها، وذلك لقدرتها على استخدام الفوسفور (P) بكفاءة أكبر عن طريق إفراز أحماض عضوية أو فوسفاتازات تعمل على إذابة الفوسفور من التربة. كما تتميز بعض أصناف الذرة بكفاءة استخدام نيتروجينية أعلى من غيرها، وذلك لقدرتها على استخدام البوتاسيوم (K) بكفاءة أكبر عن طريق تقليل تسرب البوتاسيوم من الجذور أو زيادة امتصاصه في حال انخفاض توافره.

4. الممارسات الإدارية

يمكن أن تؤثر ممارسات الإدارة، مثل الحراثة، وتناوب المحاصيل، والزراعة المختلطة، وزراعة المحاصيل الغطائية، والري، والتسميد، ومكافحة الأعشاب الضارة، ومكافحة الآفات، وإدارة الحصاد، على كفاءة استخدام المغذيات من خلال تعديل بيئة التربة، ونمو المحاصيل، وفقدان المغذيات.

الحراثة

تؤثر عملية الحراثة على الخصائص الفيزيائية والبيولوجية للتربة، مثل بنية التربة، والمادة العضوية، والنشاط الميكروبي، وتوزيع العناصر الغذائية. ويمكنها تحسين كفاءة استخدام النيتروجين من خلال زيادة تهوية التربة وتصريفها، مما يعزز توافر العناصر الغذائية وامتصاصها من قبل جذور النباتات.

ومع ذلك، يمكن أن يقلل أيضًا من كفاءة استخدام المغذيات عن طريق زيادة تآكل التربة وفقدان المغذيات، أو عن طريق تقليل المادة العضوية في التربة والنشاط الميكروبي، مما قد يقلل من دورة المغذيات وتوافرها.

تناوب المحاصيل

يُعدّ تناوب المحاصيل استراتيجيةً فعّالةً لتحسين كفاءة استخدام العناصر الغذائية من خلال تنويع احتياجات المحاصيل من العناصر الغذائية وتوفيرها. وإلى جانب مراعاة العناصر الغذائية، يُثبت هذا التناوب فعاليته في كسر دورات الآفات والأمراض، مما يُسهم في تعزيز كفاءة استخدام العناصر الغذائية.

على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تناوب زراعة الحبوب مع البقوليات إلى تحسين كفاءة استخدام النيتروجين عن طريق زيادة إمدادات النيتروجين من تثبيت النيتروجين البيولوجي بواسطة البقوليات، أو عن طريق تقليل الطلب على النيتروجين للحبوب بسبب انخفاض احتياجاتها من النيتروجين.

الزراعة المختلطة

تُعرف الزراعة المختلطة، التي تتضمن زراعة محصولين أو أكثر في نفس قطعة الأرض، بتأثيرها الإيجابي على كفاءة استخدام النيتروجين. ويتحقق ذلك من خلال تعزيز التكامل والتآزر بين المحاصيل في استخدام العناصر الغذائية. فعلى سبيل المثال، تؤدي زراعة الحبوب مع البقوليات إلى تغيير أنماط إمداد النيتروجين، مما يؤثر إيجاباً على كفاءة استخدامه.

زراعة المحاصيل الغطائية

تُعدّ زراعة المحاصيل البينية، وهي ممارسة تتضمن زراعة محصول بين محصولين رئيسيين لتغطية سطح التربة ومنع التعرية، ذات تأثير مزدوج على كفاءة استخدام النيتروجين. فمن جهة، تُسهم إيجاباً في تعزيز كفاءة استخدام النيتروجين من خلال زيادة المادة العضوية، والنشاط الميكروبي، ودورة المغذيات.

من ناحية أخرى، تنشأ تحديات حيث قد تتنافس المحاصيل الغطائية على العناصر الغذائية والماء والضوء، مما قد يؤثر على كفاءة استخدام النيتروجين.

الري

يُحسّن الري، عند استخدامه بحكمة، كفاءة استخدام العناصر الغذائية من خلال الحفاظ على رطوبة التربة المثلى وتوافر العناصر الغذائية. مع ذلك، قد يؤدي الري غير المُنفّذ بشكل جيد إلى تقليل كفاءة استخدام العناصر الغذائية من خلال غسل العناصر الغذائية أو جريانها السطحي.

التخصيب

يُحسّن التسميد، إذا تم في الوقت المناسب وبطريقة ملائمة، من كفاءة استخدام العناصر الغذائية عن طريق زيادة توافرها لجذور النبات. ومع ذلك، قد يؤدي الإفراط في التسميد إلى فقدان العناصر الغذائية، مما يُبرز أهمية التوازن الدقيق في ممارسات التسميد.

مكافحة الأعشاب الضارة

تُحسّن مكافحة الأعشاب الضارة كفاءة استخدام النيتروجين عن طريق الحد من التنافس على العناصر الغذائية وفقدانها بسبب الأعشاب الضارة. ومع ذلك، يجب دراسة تأثيرها على خصائص التربة بعناية، لأنها قد تؤثر على توافر النيتروجين وامتصاصه.

مكافحة الآفات

تؤثر مكافحة الآفات إيجاباً على كفاءة استخدام العناصر الغذائية من خلال الحد من فقدانها نتيجة لأضرار الآفات. ومع ذلك، وكما هو الحال مع مكافحة الأعشاب الضارة، فإن تأثيرها على خصائص التربة قد يؤثر على توافر العناصر الغذائية ودورتها.

إدارة الحصاد

تُعدّ إدارة الحصاد، بما تشمله من قراراتٍ حول توقيت وكيفية حصاد المحاصيل، عاملاً حاسماً في التأثير على كفاءة استخدام العناصر الغذائية. فهي تُحسّن هذه الكفاءة من خلال زيادة الإنتاجية وتقليل تركيز العناصر الغذائية في الأجزاء المحصودة. مع ذلك، قد تؤدي الإدارة غير الكافية للحصاد إلى ترك بعض العناصر الغذائية في الأجزاء المتبقية، مما يؤثر سلباً على كفاءة استخدام العناصر الغذائية.

ما هي المؤشرات الرئيسية لكفاءة استخدام الموارد (NUE) للأنظمة المختلفة؟

يقيس هذا المؤشر مدى كفاءة نظام الزراعة في استخدام العناصر الغذائية المتاحة لإنتاج المحاصيل. مع ذلك، فإن كفاءة استخدام العناصر الغذائية ليست مؤشرًا بسيطًا أو موحدًا، إذ يمكن أن تختلف باختلاف المدخلات والمخرجات، وحجم النظام وحدوده، والغرض من التقييم. لذا، من المهم استخدام مؤشرات مناسبة تعكس أهداف التغذية النباتية المسؤولة.

مؤشرات الأسمدة

تركز هذه المؤشرات على كفاءة استخدام العناصر الغذائية من الأسمدة. فهي تُظهر مدى فعالية تحويل العناصر الغذائية المضافة إلى محصول، مما يُسهم في اتخاذ قرارات بشأن الإدارة المثلى للعناصر الغذائية وتخصيص الموارد. ومن بين مؤشرات الأسمدة الشائعة ما يلي:

1. إنتاجية العوامل الجزئية (PFP): هذه هي نسبة محصول المحاصيل إلى كمية العناصر الغذائية المستخدمة في الأسمدة. وهي تشير إلى الإنتاجية لكل وحدة من مدخلات الأسمدة. ارتفاع نسبة الإنتاجية لكل وحدة من مدخلات الأسمدة يعني محصولًا وفيرًا مع استخدام كميات قليلة من الأسمدة. مع ذلك، فهي لا تأخذ في الحسبان مصادر العناصر الغذائية الأخرى أو الفاقد منها في البيئة.

على سبيل المثال، في محاصيل الحبوب التي تحظى بعناية جيدة، يتراوح النطاق المعتاد لنسبة إنتاج الحبوب لكل كيلوغرام من النيتروجين المضاف من 50 إلى 100 كيلوغرام.

2. الكفاءة الزراعية (AE): يمثل هذا معدل الزيادة في محصول المحاصيل لكل وحدة من العناصر الغذائية المضافة من الأسمدة. وهو يشير إلى العائد الهامشي لاستخدام الأسمدة. يشير ارتفاع معامل كفاءة استخدام الأسمدة (AE) إلى زيادة كبيرة في المحصول مع استخدام كميات قليلة من الأسمدة. ومع ذلك، فهو لا يأخذ في الحسبان خصوبة التربة الأولية أو الخسائر التي تلحق بالبيئة.

على سبيل المثال، في أنظمة زراعة الحبوب التي تحظى بعناية جيدة، يبلغ معدل امتصاص النيتروجين عادةً حوالي 20-30 كيلوغرامًا من الحبوب لكل كيلوغرام من النيتروجين المضاف. ومع ذلك، قد يكون أعلى من ذلك في بعض الأحيان.

3. كفاءة الاسترداد (RE)هذه هي نسبة العناصر الغذائية المضافة إلى السماد والتي يمتصها المحصول. وهي تشير إلى فعالية امتصاص العناصر الغذائية من الأسمدة. ارتفاع نسبة امتصاص العناصر الغذائية يعني انخفاض فقدان السماد في البيئة. مع ذلك، فهي لا تعكس إنتاجية المحصول أو جودته.

على سبيل المثال، وفقًا لتحليل عالمي أجراه تشانغ وآخرون (2015)، بلغ متوسط كفاءة استخدام الأسمدة النيتروجينية (N) لمحاصيل الحبوب 42 كجم من الحبوب/كجم نيتروجين، و15 كجم من الحبوب/كجم نيتروجين، و0.33 كجم من امتصاص النيتروجين/كجم نيتروجين مضاف، على التوالي. وقد تباينت هذه القيم بشكل كبير بين المناطق والمحاصيل، مما يعكس الاختلافات في ظروف التربة والمناخ وأنظمة الزراعة وممارسات الإدارة.

مؤشرات المحاصيل

تُحدد هذه المؤشرات توزيع العناصر الغذائية داخل النبات وتأثيرها على إنتاجية المحصول وجودته. كما تُظهر مدى كفاءة المحصول في استخدام العناصر الغذائية الممتصة لإنتاج الكتلة الحيوية أو المنتجات الاقتصادية. ومن بين مؤشرات المحاصيل الشائعة ما يلي:

1. مؤشر حصاد المغذيات (NHI)هذه هي نسبة محتوى العناصر الغذائية في الأجزاء المحصودة إلى إجمالي امتصاص العناصر الغذائية فوق سطح الأرض. وهي تشير إلى نسبة العناصر الغذائية الممتصة التي تُخصص للمنتجات الاقتصادية. ارتفاع مؤشر NHI يعني إزالة كمية كبيرة من العناصر الغذائية أثناء الحصاد، وعودة كمية قليلة منها إلى التربة.

تم توثيق القيم النموذجية لمؤشر صحة النيتروجين (NHI) في الذرة ضمن نطاق يتراوح بين 59 و701 وحدة دولية/لتر للنيتروجين (N)، وبين 79 و911 وحدة دولية/لتر للفوسفور (P)، وبين 13 و191 وحدة دولية/لتر للبوتاسيوم (K) (13). وبالمثل، في الأرز، تشمل النطاقات المُبلغ عنها 54-651 وحدة دولية/لتر للنيتروجين، و61-711 وحدة دولية/لتر للفوسفور، و12-191 وحدة دولية/لتر للبوتاسيوم.

2. الكفاءة الداخلية (IE): هذه هي نسبة محصول النبات إلى محتواه من العناصر الغذائية في الأجزاء المحصودة. وهي تشير إلى كفاءة إنتاج المنتج الاقتصادي لكل وحدة من العناصر الغذائية المُزالة. ارتفاع كفاءة الإنتاج الاقتصادي يعني محصولًا وفيرًا مع تركيز منخفض للعناصر الغذائية في الأجزاء المحصودة.

فعلى سبيل المثال، أدت التحسينات في تربية الذرة إلى رفع كفاءة استخدام النيتروجين من 45 كجم لكل كجم من امتصاص النيتروجين في عام 1946 إلى 66 كجم/كجم في عام 2015.

3. الكفاءة الفسيولوجية (PE)هذه هي نسبة محصول النبات إلى محتوى العناصر الغذائية في الكتلة الحيوية فوق سطح الأرض. وهي تشير إلى كفاءة إنتاج المنتج الاقتصادي لكل وحدة من إجمالي محتوى العناصر الغذائية في النبات. ارتفاع كفاءة الإنتاج الاقتصادي يعني محصولًا وفيرًا مع تركيز منخفض للعناصر الغذائية في الكتلة الحيوية.

4. تركيز العناصر الغذائية (NC)هذا هو مقدار المحتوى الغذائي لكل وحدة من المادة الجافة في الأجزاء المحصودة أو الكتلة الحيوية فوق سطح الأرض. وهو يشير إلى جودة أو قيمة المنتج الزراعي أو المخلفات الغذائية.

علاوة على ذلك، ووفقًا لتحليل تلوي أجراه دوبرمان (2007)، كانت متوسط قيم NHI وIE وPE وNC للنيتروجين في محاصيل الحبوب 0.67 كجم نيتروجين/كجم امتصاص نيتروجين، و90 كجم حبوب/كجم نيتروجين في الحبوب، و134 كجم حبوب/كجم نيتروجين في الكتلة الحيوية، و1.5% نيتروجين في الحبوب، على التوالي.

مؤشرات النظام

تُراعي هذه المؤشرات نظام الزراعة بأكمله، بما في ذلك التربة والمحصول والبيئة. وهي تُظهر مدى كفاءة النظام في استخدام العناصر الغذائية المتاحة من جميع المصادر وتقليل الفاقد منها في البيئة. ومن بين مؤشرات النظام الشائعة ما يلي:

1. حدود النظام NUE (SB-NUE): هذه هي نسبة إجمالي إنتاج النيتروجين إلى إجمالي مدخلاته ضمن حدود نظام محددة. وهي تشير إلى التوازن الكلي للنيتروجين في النظام. يشير ارتفاع مؤشر كفاءة استخدام النيتروجين في النظام (SB-NUE) إلى ارتفاع إنتاج النيتروجين مع انخفاض مدخلاته. مع ذلك، لا يأخذ هذا المؤشر في الحسبان التباين المكاني والزماني لتدفقات النيتروجين داخل النظام.

2. نسبة التوازن الجزئي للمغذيات (NUEPB): هذا هو الفرق بين مدخلات العناصر الغذائية من الأسمدة ومخرجاتها في الأجزاء المحصودة. وهو يشير إلى التغير الصافي في حالة العناصر الغذائية في التربة نتيجة التسميد. يشير مؤشر PNB الموجب إلى فائض من العناصر الغذائية في التربة، بينما يشير مؤشر PNB السالب إلى نقص. تُظهر المتوسطات العالمية لمؤشر NUEPB، بما في ذلك الأسمدة والسماد العضوي والتثبيت والترسيب، زيادات تصل إلى 551 تيرا طن متري للنيتروجين و771 تيرا طن متري للفوسفور.

بالنسبة لمعظم الحبوب، كالقمح والذرة، فإن عملية الحصول على النيتروجين (N) من الهواء (التثبيت البيولوجي) لا تتجاوز عادةً 10 كيلوغرامات للهكتار الواحد. أما بالنسبة لمحاصيل كالرز وقصب السكر، فقد تكون الكمية أكبر قليلاً، حوالي 15-30 كيلوغراماً للهكتار الواحد.

وبالنسبة لبعض البقوليات، مثل فول الصويا والفول السوداني والبقوليات العلفية، قد يكون هذا الرقم أعلى، حيث يتراوح بين 100 و300 كيلوغرام للهكتار الواحد. أحيانًا، عند ري النباتات، نحصل أيضًا على بعض العناصر الغذائية، والتي قد تكون مهمة في بعض الحالات.

3. نسبة توازن المغذيات عند بوابة المزرعة (NUEFG)

يتجاوز هذا النهج حدود النظام سطح التربة، ليشمل المزارع التي تجمع بين إنتاج المحاصيل والحيوانات. غالبًا ما يؤدي إدخال الماشية إلى تقليل كفاءة استخدام المغذيات في الإنتاج الزراعي نظرًا للتعقيدات الإضافية. يتطلب تحسين كفاءة استخدام المغذيات في الإنتاج الزراعي ترشيد استخدام المغذيات في جميع أنحاء المزرعة، وإدارة السماد العضوي، وتقليل مدخلات المغذيات الخارجية.

بتوسيع نطاق هذا المفهوم، يقيس مؤشر كفاءة استخدام المغذيات في السلسلة الغذائية (NUEFC) مدى توافر المغذيات للاستهلاك البشري نسبةً إلى إجمالي مدخلات المغذيات في النظام الغذائي بأكمله. بالنسبة للنيتروجين، تتراوح تقديرات NUEFC بين 10% و40% في الدول الأوروبية. مع ذلك، ونظرًا لتعقيد سلسلة إنتاج الغذاء، لا تزال التطبيقات العملية والتقييمات الدقيقة تمثل تحديًا.

4. فائض العناصر الغذائية (NS): هذا هو الفرق بين إجمالي مدخلات المغذيات وإجمالي مخرجاتها ضمن حدود نظام محدد. وهو يشير إلى احتمال فقدان المغذيات في البيئة. ارتفاع قيمة NS يعني ارتفاع خطر التلوث البيئي.

على سبيل المثال، وفقًا لتحليل عالمي أجراه لاساليتا وآخرون (2014)، كانت متوسط قيم SB-NUE وPNB وNS للنيتروجين في إنتاج المحاصيل 0.42 كجم نيتروجين/كجم مدخلات نيتروجين، و65 كجم نيتروجين/هكتار، و65 كجم نيتروجين/هكتار، على التوالي.

كيف يمكن تحسين كفاءة استخدام العناصر الغذائية لتحقيق نتائج أفضل؟

يُعدّ التغذية النباتية المسؤولة استراتيجيةً لضمان الأمن الغذائي وحماية البيئة من خلال الاستخدام الأمثل للعناصر الغذائية في النظم الزراعية. لذا، من المهم رصد وتقييم كفاءة استخدام العناصر الغذائية باستخدام أدوات مناسبة قادرة على رصد تعقيداتها وتغيراتها. فيما يلي بعض الطرق المهمة. وهذا من شأنه أن يساعد المزارعين والباحثين على تحسين كفاءة استخدام النيتروجين في التغذية النباتية المسؤولة.

1. اختبار العناصر الغذائية

يُعدّ اختبار العناصر الغذائية طريقةً لقياس حالة العناصر الغذائية في عينات التربة وأنسجة النبات. ويمكن أن يوفر معلومات قيّمة حول مدى توافر العناصر الغذائية وامتصاصها في نظام التربة والنبات، بالإضافة إلى احتمالية فقدان العناصر الغذائية أو نقصها. ويمكن أن يساعد اختبار العناصر الغذائية المزارعين والباحثين على:

• حدد النوع الأمثل ومعدل وتوقيت ومكان إدخال العناصر الغذائية، مثل الأسمدة والسماد ومياه الري وما إلى ذلك.
• تقييم الأداء الزراعي والاقتصادي لممارسات إدارة المغذيات المختلفة، مثل تناوب المحاصيل، والزراعة المختلطة، وزراعة المحاصيل الغطائية، وما إلى ذلك.
• الكشف عن اختلالات العناصر الغذائية أو الاضطرابات التي قد تؤثر على إنتاجية المحاصيل وجودتها، وتصحيحها، مثل نقص النيتروجين، وسمية الفوسفور، ونقص العناصر الغذائية الدقيقة، وما إلى ذلك.
• مراقبة التأثير البيئي للمدخلات الغذائية، مثل الترشيح والجريان السطحي والتطاير وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري وما إلى ذلك.

يمكن إجراء اختبارات العناصر الغذائية باستخدام طرق متنوعة، مثل أدوات اختبار التربة، وأجهزة الاستشعار المحمولة، والتحليل المختبري، وغيرها. ومع ذلك، فإن اختبار العناصر الغذائية ليس نشاطًا لمرة واحدة، بل ينبغي إجراؤه بانتظام وبشكل متكرر لرصد التغيرات الديناميكية في حالة العناصر الغذائية طوال موسم الزراعة وفي مختلف الحقول.

2. الاستشعار عن بعد والتكنولوجيا

الاستشعار عن بعد هو تقنية لجمع البيانات من مسافة بعيدة باستخدام أجهزة مثل الأقمار الصناعية والطائرات المسيّرة والكاميرات وغيرها. ويمكنه توفير معلومات مكانية وزمنية مستمرة حول جوانب مختلفة من نمو المحاصيل وتطورها، مثل إنتاج الكتلة الحيوية، ومؤشر مساحة الأوراق، ومحتوى الكلوروفيل، والإجهاد المائي، وما إلى ذلك. ويمكن للاستشعار عن بعد أن يساعد المزارعين على:

• تقدير إمكانات إنتاج المحاصيل وتباينها عبر مختلف الحقول أو المناطق
• تقييم استجابة المحاصيل لمختلف المدخلات الغذائية أو ممارسات الإدارة
• الكشف عن حالات نقص العناصر الغذائية أو الإجهاد التي قد تؤثر على نمو المحاصيل وجودتها وتشخيصها
• قم بتحسين توقيت ومعدل استخدام المغذيات بناءً على احتياجات المحصول
• تقليل تكلفة وجهد أخذ العينات الميدانية والاختبارات

يمكن إجراء الاستشعار عن بعد باستخدام منصات وأجهزة استشعار متنوعة، مثل الأجهزة البصرية والحرارية والرادارية والطيفية الفائقة، وغيرها. ومع ذلك، فإن الاستشعار عن بعد ليس أداة مستقلة، بل يجب معايرته والتحقق من صحته باستخدام بيانات مرجعية من القياسات الميدانية أو اختبارات المغذيات.

3. نمذجة المحاصيل

نمذجة المحاصيل هي أسلوب يستخدم المعادلات الرياضية لوصف سلوك المحاصيل والتنبؤ به في ظل ظروف مختلفة. ويمكنها توفير معلومات كمية حول التفاعلات بين المحاصيل والمغذيات والتربة والمياه والمناخ وممارسات الإدارة. ويمكن أن تساعد نمذجة المحاصيل في:

• فهم الآليات والعمليات الأساسية التي تؤثر على كفاءة استخدام النيتروجين في المحاصيل
• تقييم آثار السيناريوهات أو التدخلات المختلفة على نتائج NUE
• تحسين تصميم وتنفيذ التجارب الميدانية أو التجارب
• قم بتعميم أو توسيع نطاق النتائج المستخلصة من القياسات الميدانية أو الاستشعار عن بعد لتشمل نطاقات أو مناطق أكبر.

يمكن إجراء نمذجة المحاصيل باستخدام أنواع مختلفة من النماذج، مثل النماذج التجريبية أو الآلية أو الهجينة. ومع ذلك، فإن نمذجة المحاصيل ليست أداة بسيطة.

يتطلب الأمر كمّاً هائلاً من البيانات والخبرة لمعايرة النماذج والتحقق من صحتها وتفسير النتائج تفسيراً صحيحاً. علاوة على ذلك، ينبغي استخدام نمذجة المحاصيل بالتزامن مع أدوات أخرى، مثل اختبار العناصر الغذائية أو الاستشعار عن بُعد، للتحقق من مخرجات النموذج واستكمالها.

كيف يمكن أن يساعد نظام GeoPard في تحسين كفاءة استخدام العناصر الغذائية؟

في سعينا نحو تغذية نباتية مستدامة ومسؤولة، يتزايد دور التقنيات المتقدمة أهميةً. تقدم منصة GeoPard، وهي منصة رائدة متخصصة في الزراعة الدقيقة، مجموعة من الخدمات المصممة لتحسين كفاءة استخدام المغذيات من خلال تحليل بيانات التربة، واختبار المغذيات، والاستكشاف الذكي.

1. تحليل بيانات التربة

توفر ميزة تحليل بيانات التربة في برنامج GeoPard خريطة تفصيلية لخصائص التربة، مما يسهل إنشاء خرائط توصيات لتطبيق التسميد المتغير المعدل (VRA). تتيح هذه الميزة للمزارعين ما يلي:

• تحسين عملية التسميد: قم بتخصيص استخدام الأسمدة وفقًا لخصائص التربة المحددة، مما يمنع الإفراط في التسميد ويقلل من التأثير البيئي.
• تحديد مناطق الإدارة: قم بمقارنة خصائص التربة مع الطبقات الأخرى وقم بإنشاء ملفات وصفات الأسمدة ذات المعدل المتغير لتوزيع العناصر الغذائية بكفاءة.
• خطة أخذ عينات التربة: التخطيط الاستراتيجي لنقاط أخذ عينات التربة بناءً على المناطق متعددة السنوات، بما يعكس أنماط تطور المحاصيل التاريخية.

كما أنها تتفوق في تعزيز كفاءة تغذية النبات من خلال مجموعة خدماتها. فهي تُبسط تفسير بيانات التربة من خلال خرائط حرارية سهلة القراءة، وتُمكّن من تطبيق الأسمدة بدقة من خلال التسميد بمعدل متغير، وتوفر رؤى موثوقة حول حالة التربة باستخدام ماسحات التربة عالية الكثافة.

بالإضافة إلى ذلك، يضمن النظام تنفيذًا دقيقًا لخطة التغذية، ويراقب البيانات المُطبقة والمُزرعة، ويُقدم خرائط ثلاثية الأبعاد وتحليلات طبوغرافية قيّمة لدعم اتخاذ القرارات من قِبل المزارعين. باختصار، يُعدّ GeoPard حلاً فعالاً لإدارة تغذية النباتات بكفاءة واستدامة.

الخاتمة

في الختام، تلعب كفاءة استخدام المغذيات دورًا محوريًا في المشهد الزراعي العالمي، ولا يمكن المبالغة في أهميتها في تعزيز النمو الأمثل للنباتات. ومع إدراكنا للعوامل المتعددة التي تؤثر على كفاءة استخدام المغذيات، والمؤشرات المتنوعة عبر مختلف الأنظمة، تبرز الحاجة إلى تدخلات استراتيجية.

يبرز برنامج GeoPard كلاعب رئيسي في هذا المسعى، حيث يقدم حلولاً مبتكرة لتحسين كفاءة استخدام المغذيات. ومن خلال الاستفادة من ميزاته سهلة الاستخدام، مثل تصورات الخرائط الحرارية سهلة القراءة والتسميد الدقيق بتقنية التطبيق المتغير للمعدل (VRA)، فإنه يمكّن المزارعين من اتخاذ قرارات مستنيرة وتبسيط ممارسات إدارة المغذيات.