التحسين المكاني متعدد الأهداف لمعدلات الأسمدة يمكّن إنتاج محاصيل مستدامًا في جنوب غرب الصين

إطعام الناس دون إلحاق الضرر بالأرض

مع تزايد عدد سكان العالم، يواجه المزارعون ضغوطًا لزيادة إنتاج الغذاء، لكن الاعتماد المتزايد على الأسمدة الكيميائية يلوث الأنهار ويزيد من احترار المناخ ويهدر المال. تدرس هذه الدراسة منطقة رئيسية لإنتاج الحبوب في جنوب غرب الصين وتطرح سؤالًا جوهريًا: هل يمكننا إعادة ترتيب كيفية ومكان استخدام الأسمدة بحيث يجني المزارعون كميات وافرة من الأرز والذرة والقمح مع خفض التلوث والتكاليف غير الضرورية؟

لماذا يمكن للأسمدة أن تكون زائدة عن الحاجة

ساهمت الأسمدة الكيميائية—خاصة النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم—في دفع طفرات الإنتاج الزراعي العالمي. لكن في أماكن كثيرة، وخاصة في الصين، تُستخدم الآن بمعدلات مفرطة. يتسرب فائض النيتروجين إلى الأنهار ويتسرب إلى المياه الجوفية ويتصاعد إلى الهواء على شكل غازات دفيئة. ويمكن لتراكم الفوسفور أن يسبب تفشي الطحالب الذي يخنق الأسماك، بينما تقيد نقص البوتاسيوم نمو النبات بصمت. يعد حوض سيتشوان، «وعاء الأرز» الخصيب المحاط بالجبال، مثالًا واضحًا: يطبق المزارعون هناك أكثر من 300 كيلوغرام من الأسمدة لكل هكتار، وهو أعلى بكثير من المتوسطات العالمية، مما يضع نهر اليانغتسي العلوي والنظم البيئية المحلية تحت ضغط.

استخدام البيانات والخوارزميات لرسم خريطة ما تحتاجه الحقول بالفعل

للخروج من نصائح الأسمدة ذات المقاس الواحد، جمع الباحثون عشر سنوات من البيانات التفصيلية: عشرات الآلاف من عينات التربة، واستطلاعات مزارعي الأسمدة، وأكثر من 2000 تجربة ميدانية محكمة جرى فيها تطبيق تراكيب دقيقة من النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم. دمجوا هذه البيانات مع صور الأقمار الصناعية وسجلات الطقس ثم دربوا طريقة تعلم آلي تُدعى الغابة العشوائية لتوقع محاصيل الحبوب مع وبدون سماد على مقياس مكاني دقيق عبر المنطقة. أتاح لهم ذلك تقدير جزء المحصول الناتج عن جودة التربة والمناخ الكامنة، وما نجم عن الأسمدة المضافة.

غير متوازن وغير متكافئ: أين الفائض وأين النقص في العناصر الغذائية

كشفت الخرائط عن نمط لافت. من 2009 إلى 2019، ارتفعت متوسطات إنتاج الأرز والذرة والقمح قليلاً، رغم أن استخدام الأسمدة انخفض، مما يشير إلى تحسن صحة التربة وكبح الإفراط في الاستخدام السابق للأسمدة. ومع ذلك، انخفضت مساهمة الأسمدة في الغلة فعليًا بنسبة 1–3 بالمئة، خاصة للأرز والذرة في السهول المنخفضة الخصبة، ما يعني أن الزيادة في الأسمدة هناك كانت تحقق عوائد متناقصة. وفي الوقت نفسه، كانت توازنات العناصر الغذائية منحرفة بشدة. كان النيتروجين زائدًا عمومًا، لا سيما في السهول وعلى طول الأنهار الكبرى حيث تلقت بعض حقول الأرز ما يصل إلى عشرة أضعاف الحاجة المحسوبة. أما الفوسفور والبوتاسيوم فحكاية معاكسة: غالبًا ما كانا ناقصين، لا سيما للذرة والقمح في التلال الوسطى والشمالية الشرقية، وهو ما يتناقض مع المعتقد الشائع بأن الأراضي الزراعية الصينية غنية بالفوسفور بشكل موحد.

إيجاد نقطة التوازن بين الغلات والتلوث

لتحويل هذه التشخيصات إلى إجراءات، استخدم الفريق خوارزمية تحسين متعدد الأهداف—أداة بحثية توازن بين المقايضات—لاستكشاف آلاف التعديلات الممكنة في معدلات الأسمدة. سعت الخوارزمية إلى إيجاد تراكيب تحافظ على إنتاج الحبوب الكلي أو ترفعه مع تقليل إجمالي الأسمدة، وبشكل خاص النيتروجين. اقترحت الحلول المثلى أن استخدام النيتروجين في الحوض يمكن أن ينخفض بنحو 18 بالمئة، مع تخفيضات أكبر بكثير للأرز على السهول الغربية الخصبة، بينما سيرتفع الفوسفور والبوتاسيوم بشكل متواضع حيث ينقصان حاليًا. بموجب هذا المخطط، سيرتفع إجمالي إنتاج الحبوب قليلًا مقارنة بعام 2019، وسيتحول مزيج العناصر الغذائية الكلي من نسبة ثقيلة على النيتروجين 1:0.38:0.33 (N:P:K) إلى نسبة أكثر توازنًا 1:0.51:0.42، أقرب إلى التوصيات الوطنية للزراعة المستدامة.

ما يعنيه هذا للمزارعين والبيئة

لغير المتخصصين، الرسالة واضحة: الاستخدام الأذكى للأسمدة، المسترشد بالبيانات والخوارزميات الحديثة، يمكن أن يساعد المزارعين على إنتاج نفس الكمية من الطعام—أو حتى أكثر—مع تقليل المدخلات المهدرة والمسببة للتلوث. بدلًا من مجرد إخبار المزارعين بزيادة أو تقليل الأسمدة بشكل عام، يوضح هذا النهج أين يجب خفض النيتروجين بشكل حاد، وأين ينبغي إضافة الفوسفور أو البوتاسيوم، وكيفية القيام بذلك حقلًا بحقل. إذا طُبق على نطاق واسع، يمكن أن تساعد طرق مماثلة مناطق عديدة على إطعام شعوبها، وتوفير مال المزارعين، والحفاظ على نظافة المجاري المائية، كل ذلك دون توسيع الأراضي الزراعية أو التضحية بالمحاصيل.

الاستشهاد: Liao, G., Qian, J., He, P. et al. Multiobjective spatial optimization of fertilizer rates enables sustainable crop production in southwest China. npj Sustain. Agric. 4, 22 (2026). https://doi.org/10.1038/s44264-026-00127-y

الكلمات المفتاحية: تحسين الأسمدة, الزراعة المستدامة, توازن العناصر الغذائية, التعلم الآلي في الزراعة, محاصيل حوض سيتشوان