تحسين استخدام النيتروجين في قمح الديورم باستخدام استراتيجيات تعتمد على خرائط مؤشر النيتروجين للنبات (NNI) ومؤشر الغطاء النباتي الطبيعي (NDVI)

يواجه القمح القاسي، وهو حجر الزاوية في الزراعة المتوسطية ومحصول بالغ الأهمية عالميًا لإنتاج المعكرونة، تحديًا ملحًا: الاستخدام غير المستدام للأسمدة النيتروجينية (N).

في حين أن النيتروجين لا غنى عنه لزيادة المحاصيل إلى أقصى حد، فإن الإفراط في استخدامه له عواقب بيئية وخيمة، بما في ذلك تلوث المياه الجوفية وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتدهور التربة.

سعت دراسة رائدة استمرت أربع سنوات (2018-2022) أجريت في أسكيانو بإيطاليا، ونُشرت في المجلة الأوروبية لعلم الزراعة، إلى معالجة هذه الأزمة من خلال المقارنة الدقيقة بين إدارة النيتروجين التقليدية وتقنيات الزراعة الدقيقة المتقدمة.

ركز البحث على ثلاث استراتيجيات موجهة بالأقمار الصناعية - مؤشر التغذية النيتروجينية (NNI)، ومؤشر الغطاء النباتي النسبي (NDVIH)، ومؤشر الغطاء النباتي التعويضي (NDVIL) - مقارنةً بالتطبيق التقليدي الموحد للنيتروجين. ولا تكشف النتائج عن مسار نحو زراعة مستدامة للقمح القاسي فحسب، بل تحدد أيضًا بدقة ملحوظة المفاضلات الاقتصادية والبيئية لكل طريقة.

المنهجية: الزراعة الدقيقة تلتقي بتقنية الأقمار الصناعية

امتدت التجربة على مدى أربعة مواسم زراعية متتالية في تلال توسكانا المتموجة، وهي منطقة تُعدّ رمزاً لزراعة القمح في منطقة البحر الأبيض المتوسط. وقسّم الباحثون حقول الاختبار إلى قطع أرضية خضعت لأربع استراتيجيات مختلفة لإدارة النيتروجين.

اتبع النهج التقليدي "المعدل الثابت" إرشادات زراعية إقليمية، حيث تم تطبيق 150 كيلوغرامًا من النيتروجين لكل هكتار سنويًا. في المقابل، استفادت أساليب التسميد الدقيق من صور القمر الصناعي Sentinel-2 - وهي مهمة تابعة لوكالة الفضاء الأوروبية توفر بيانات متعددة الأطياف عالية الدقة (10 أمتار) - لتخصيص تطبيق النيتروجين مكانيًا وزمنيًا.

تميزت استراتيجية NNI بحساب حالة النيتروجين في المحاصيل في الوقت الفعلي باستخدام خوارزمية مُثبتة تدمج مؤشر مساحة الورقة وتقديرات الكتلة الحيوية. خصصت NDVIH النيتروجين بشكل تناسبي بناءً على كثافة الغطاء النباتي (مؤشر اختلاف الغطاء النباتي الطبيعي)، بينما اعتمدت NDVIL نهجًا تعويضيًا، حيث وجهت النيتروجين الإضافي إلى المناطق ذات الغطاء النباتي المنخفض.

يتفوق مؤشر NNI على الاستراتيجيات التقليدية والاستراتيجيات القائمة على مؤشر NDVI

خلال فترة الدراسة، أظهرت طريقة NNI كفاءة لا مثيل لها. فقد خفضت استخدام النيتروجين بمقدار 20%، حيث تم تطبيق 120 كجم فقط للهكتار مقارنة بالـ 150 كجم التقليدية، مع الحفاظ على غلة حبوب مكافئة إحصائياً تبلغ 4.8 طن للهكتار مقابل 4.7 طن في ظل الزراعة ذات المعدل الثابت.

وصل محتوى البروتين - وهو مقياس جودة حاسم لاستخدام القمح القاسي في صناعة المعكرونة - إلى 13.2% باستخدام NNI، متفوقًا بشكل طفيف على 12.5% بالطريقة التقليدية.

وقد ترجمت هذه الزيادة الطفيفة في البروتين إلى مزايا صناعية كبيرة: فقد أظهر العجين المنتج من القمح المحسن بتقنية NNI مؤشر W (مقياس قوة الغلوتين) يبلغ 280، متجاوزًا بكثير 240 الذي لوحظ في القمح التقليدي.

وقد نتجت هذه التحسينات عن قدرة NNI على مزامنة توافر النيتروجين مع مراحل نمو المحاصيل، مما يضمن التوزيع الأمثل للمغذيات أثناء امتلاء الحبوب.

التكاليف الخفية للنهج القائمة على مؤشر الغطاء النباتي الطبيعي (NDVI)

على الرغم من ابتكار الاستراتيجيات القائمة على مؤشر NDVI، إلا أنها كشفت عن قيود جوهرية. فقد أدى نهج NDVIH النسبي، الذي يوزع النيتروجين بناءً على اخضرار الغطاء النباتي، إلى زيادة محتوى البروتين إلى 13.81 طن/هكتار، ولكنه خفض المحصول إلى 4.5 طن/هكتار، أي بانخفاض قدره 61 طن/هكتار مقارنةً بنهج NNI.

نشأت هذه المفارقة من الإفراط في التسميد في المناطق الغنية بالنيتروجين بالفعل، حيث أدى النمو النباتي المفرط إلى تحويل الطاقة من إنتاج الحبوب.

حققت طريقة NDVIL التعويضية، المصممة لتعزيز مناطق المحاصيل المتعثرة، أعلى إنتاجية (5.1 طن/هكتار) ولكن بتكلفة بيئية باهظة: فقد تطلبت 160 كجم من النيتروجين لكل هكتار، مما أدى إلى زيادة قدرها 33% في انبعاثات أكسيد النيتروز (1.4 كجم مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام من الحبوب) مقارنة بـ 0.8 كجم لطريقة NNI.

هذه الانبعاثات مهمة للغاية - فأكسيد النيتروز لديه قدرة على إحداث الاحتباس الحراري العالمي تفوق قدرة ثاني أكسيد الكربون بـ 265 مرة على مدى قرن من الزمان.

من الناحية الاقتصادية، برزت استراتيجية NNI كفائز واضح. فقد حقق المزارعون الذين تبنوا هذه الاستراتيجية عائدًا صافيًا قدره 220 يورو للهكتار، أي بزيادة قدرها 121 ضعفًا عن العائد الذي حققته الطريقة التقليدية والبالغ 196 يورو. ويعود هذا التفوق إلى عاملين: انخفاض تكاليف الأسمدة (98 يورو/هكتار مقابل 123 يورو/هكتار) والأسعار المرتفعة للحبوب الغنية بالبروتين.

قدمت الدراسة مقياسًا جديدًا لـ"التكلفة الاجتماعية"، وهو مقياس شامل للأضرار البيئية، وتأثيرات تلوث المياه على الصحة العامة، وتدهور التربة على المدى الطويل. وبلغت التكلفة الاجتماعية للزراعة غير المتوازنة 42 يورو للهكتار، وهو مبلغ ضئيل مقارنةً بالزراعة التقليدية التي بلغت 60 يورو. وسجلت الزراعة غير المتوازنة 58 يورو و55 يورو على التوالي، مما يعكس عدم توازن توزيع النيتروجين فيهما.

بالتعمق أكثر في المؤشرات البيئية، بلغت كفاءة استخدام الأسمدة النيتروجينية (NfUE) - أي النسبة المئوية للنيتروجين المُضاف الذي يتحول إلى حبوب قابلة للحصاد - 651 طنًا متريًا في ظل نظام NNI، وهو تحسن ملحوظ مقارنةً بكفاءة الطرق التقليدية التي بلغت 521 طنًا متريًا. وقد انعكس هذا التقدم الكبير في خفض تسرب النترات بمقدار 181 طنًا متريًا، مما ساهم في حماية طبقات المياه الجوفية المحلية من التلوث.

خلال الدراسة التي استمرت أربع سنوات، فقدت الحقول الخاضعة لمبادرة النيتروجين الوطنية 12 كيلوغرامًا فقط من النيتروجين للهكتار الواحد سنويًا بسبب التسرب، مقارنةً بـ 22 كيلوغرامًا في الحقول التقليدية. وللتوضيح، ينص توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن النترات على ألا تتجاوز تركيزات النترات في المياه الجوفية 50 ملغم/لتر، وهو الحد الذي تجاوزته 30% من الحقول التقليدية، بينما تجاوزته 8% فقط من المناطق المُدارة بمبادرة النيتروجين الوطنية.

توسيع نطاق مبادرة الشبكة الوطنية للأمن القومي: التحديات والتدخلات السياسية

كما كشف البحث عن فوائد مناخية خفية. وباستخدام منهجية تقييم دورة الحياة (LCA)، حسب الفريق أن البصمة الكربونية لتقنية NNI بلغت 0.8 كيلوغرام من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام من الحبوب، أي أقل بمقدار 331 طنًا من الزراعة التقليدية التي تبلغ 1.2 كيلوغرام.

يعود هذا الانخفاض بشكل أساسي إلى انخفاض انبعاثات إنتاج الأسمدة (تجنب 1.2 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كجم من النيتروجين) وانخفاض انبعاثات أكسيد النيتروز من التربة. وإذا تم تطبيق هذا النهج على نطاق واسع في مزارع القمح القاسي التابعة للاتحاد الأوروبي والبالغة مساحتها 2.4 مليون هكتار، فإن اعتماد مبادرة النيتروجين غير العضوي على نطاق واسع قد يُخفض الانبعاثات السنوية بمقدار 960 ألف طن متري من مكافئ ثاني أكسيد الكربون، أي ما يعادل إزالة 208 آلاف سيارة من الطرق.

مع ذلك، تحذر الدراسة من اعتبار الزراعة الدقيقة حلاً سحرياً. فنجاح طريقة NNI يعتمد على الوصول المستمر إلى بيانات الأقمار الصناعية عالية الجودة، وعلى الآلات المتطورة القادرة على تطبيق معدلات متغيرة، وهي فجوات في البنية التحتية في المناطق النامية.

على سبيل المثال، تعيد أقمار سينتينل-2 زيارة كل موقع كل خمسة أيام، لكن الغطاء السحابي خلال مراحل النمو الحرجة قد يعيق جمع البيانات. علاوة على ذلك، تتطلب الخوارزميات معايرةً وفقًا للظروف المحلية؛ في هذه الدراسة، تم ضبط عتبات مؤشر حالة النيتروجين (NNI) بدقة لتتناسب مع مناخ البحر الأبيض المتوسط، محققةً دقة 92% في التنبؤ بحالة النيتروجين.

إن تطبيق النموذج على المناطق القاحلة أو التربة الطينية الثقيلة دون إعادة معايرة يمكن أن يقلل الدقة إلى 70-75%.

يُعدّ العامل البشري بالغ الأهمية أيضاً. يحتاج المزارعون الذين ينتقلون إلى استخدام النيتروجين الطبيعي إلى تدريب على تفسير المؤشرات الطيفية، على سبيل المثال، فهم أن قيم مؤشر الغطاء النباتي الطبيعي التي تزيد عن 0.7 غالباً ما تشير إلى فرط نمو الغطاء النباتي وتستدعي تقليل النيتروجين.

يُقدّر فريق البحث أن زيادة معرفة المزارعين بأدوات الزراعة الدقيقة بنسبة 10% قد ترفع كفاءة استخدام الموارد الطبيعية بنسبة 4-6 نقاط مئوية. ومن المرجح أن تكون التدخلات السياسية ضرورية: فدعم أجهزة استشعار التربة، وتمويل ورش العمل التي يقودها مهندسون زراعيون، وتحفيز التعاونيات على مشاركة الآلات، من شأنه أن يُسهّل الوصول إلى هذه الأدوات.

وبالنظر إلى المستقبل، فإن آثار هذه الدراسة تتجاوز بكثير القمح القاسي. فإطار عمل مؤشر النيتروجين الوطني، عند تكييفه مع محاصيل مثل الذرة أو الأرز، يمكن أن يعالج مشكلة الـ 60 مليون طن من النيتروجين الزائد المستخدم عالمياً كل عام، وهو هدف رئيسي من أهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة.

أظهرت التجارب الأولية في حقول الشعير بإسبانيا استقرارًا مماثلًا في المحصول مع استخدام كمية أقل من النيتروجين بمقدار 18%، مما يشير إلى إمكانية تطبيق هذه التقنية على محاصيل أخرى. بالنسبة للباحثين، يمثل دمج التعلم الآلي مع بيانات الأقمار الصناعية مجالًا واعدًا: إذ يمكن للنماذج الأولية الآن التنبؤ باحتياجات النيتروجين بدقة تصل إلى 95% قبل 30 يومًا من التطبيق، مما يتيح إدارة استباقية بدلًا من الإدارة التفاعلية.

الخاتمة

وختاماً، يتجاوز هذا البحث الأوساط الأكاديمية، ويقدم مخططاً للتوفيق بين الإنتاجية الزراعية وصحة الكوكب.

من خلال خفض استخدام النيتروجين بمقدار 20%، وزيادة أرباح المزارعين بمقدار 12%، وخفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بمقدار الثلث، تُثبت طريقة NNI أن الاستدامة والربحية ليستا متناقضتين. ومع تفاقم الجفاف واضطراب مواسم النمو نتيجة لتغير المناخ، ستُصبح هذه الاستراتيجيات الدقيقة ضرورية للغاية.

يكمن التحدي الآن في تحويل هذا التحقق العلمي إلى عمل على أرض الواقع - من خلال إصلاح السياسات، والديمقراطية التكنولوجية، وتغيير جذري في كيفية رؤيتنا للأسمدة: ليس كأدوات غير دقيقة، ولكن كأدوات دقيقة في السعي لتحقيق الأمن الغذائي.

المرجعفابري، سي.، ديلجادو، أ.، غيريني، ل.، ونابولي، م. (2025). استراتيجيات التسميد النيتروجيني الدقيق للقمح القاسي: تقييم استدامة المناهج القائمة على خرائط مؤشري NNI وNDVI. المجلة الأوروبية لعلم الزراعة، 164، 127502.