هل تنوع النباتات يؤثر على دورة الغذاء في الطبيعة؟
Open PDF in new window.
Eva Koller-France 1, Wolfang Wilcke2, Yvonne Oelmann1*
1 Department of Geography/Geoecology, University of Tübingen, Tübingen, Germany2 Institute of Geography and Geoecology, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany
تحتاج جميع الكائنات الحية، بما في ذلك البشر، والحيوانات، والنباتات، وحتى الكائنات الدقيقة، إلى امتصاص العناصر الغذائية نفسها من أجل البقاء، وأبرز هذه العناصر النيتروجين والفوسفور. ويُعد فهم كيفية دوران هذه العناصر داخل النظام البيئي أمرًا أساسيًا لفهم الطريقة التي تعمل بها النظم البيئية. ومن الأسئلة التي يثيرها العلماء: هل يرتبط تنوع الكائنات الحية مثل النباتات أو الحشرات بكيفية حدوث دورات هذه العناصر الغذائية؟ تشير الدراسات إلى أن المجتمعات النباتية التي تتكوّن من عدد كبير من الأنواع المختلفة، قادرة على استغلال العناصر الغذائية الموجودة في التربة بكفاءة أعلى، مقارنةً بالمجتمعات التي تحتوي على أنواع نباتية أقل. وقد يُعزى ذلك إلى ما يُعرف بـالتكامل، أي أن كل نوع نباتي يستخدم العناصر الغذائية بطريقة مختلفة، كأن تمتص بعض الأنواع العناصر من طبقات سطحية من التربة، في حين تستخرجها أخرى من أعماق أكبر. في هذا المقال، نسلط الضوء على العلاقة بين تنوع النباتات ودورة العناصر الغذائية في التربة، كما نناقش أثر هذا الارتباط على أداء النظام البيئي بأكمله.
لماذا نهتم بتأثير التنوع البيولوجي على دورات العناصر الغذائية؟
جميع الكائنات الحية على كوكب الأرض تحتاج إلى عناصر غذائية أساسية لضمان بقائها، ومن أبرز هذه العناصر النيتروجين والفوسفور. في الأنظمة البيئية الطبيعية، تقوم النباتات بامتصاص هذه العناصر من التربة، لتنتقل بعد ذلك إلى الحيوانات أو البشر عندما تُؤكل هذه النباتات. وعند موت النباتات والحيوانات، أو من خلال فضلات الحيوانات، تعود هذه العناصر إلى التربة مرة أخرى، ليُعاد استخدامها بواسطة نباتات جديدة. ونظرًا لأن هذه العملية تستمر بشكل متكرر، فإننا نطلق عليها اسم “دورة العناصر الغذائية**” وتختلف سرعة وكفاءة هذه الدورة من نظام بيئي إلى آخر، تبعًا للظروف البيئية المحيطة. فقد تعمل الدورة بشكل سريع أو بطيء، كما أن درجة إعادة استخدام العناصر الغذائية قد تكون كاملة أو ناقصة، مما قد يؤدي إلى اختلالات بيئية.** فعلى سبيل المثال، قد يحدث فائض من العناصر الغذائية في التربة نتيجة الإفراط في استخدام الأسمدة الزراعية، أو بسبب أيام دافئة غير معتادة خلال فصل الشتاء تُنشط الكائنات الدقيقة في التربة، فتُحلل المواد العضوية وتُطلق المغذيات في وقت لا تكون فيه النباتات نشطة**.** وعندما تتراكم كميات زائدة من العناصر الغذائية في التربة، قد تُغسل بفعل مياه الأمطار إلى المياه الجوفية أو تُنقل إلى الجداول والبحيرات، ومنها إلى الأنهار الكبرى وأخيرًا إلى البحار. تؤدي هذه الزيادة إلى نمو مفرط للطحالب في المسطحات المائية، مما يضر بالنظم البيئية للمياه العذبة. وفي هذه الحالة، فإن “الزيادة من الشيء النافع**“قد تتحول إلى مشكلة بيئية خطيرة.** من هنا تأتي أهمية دراسة دورات العناصر الغذائية في الأنظمة البيئية المختلفة، ليس فقط لفهم كيفية عملها، بل أيضًا من أجل التوصل إلى حلول عملية، مثل حماية مصادر المياه العذبة من التلوث**.**
ونحن نعلم أن التنوع البيولوجي**– أي تنوع الأنواع الحية داخل النظام البيئي – يؤثر على العديد من وظائف هذا النظام. كما أن هناك قلقًا عالميًا متزايدًا بسبب التراجع في هذا التنوع، حيث بدأت بعض الأنواع، مثل أنواع من النحل والزهور النادرة، بالانقراض. ونتيجة لذلك، أصبحت العديد من النظم البيئية أقل تنوعًا مما كانت عليه سابقًا.** وهذا ما يدفع العلماء إلى دراسة تأثير التغير في التنوع البيولوجي على دورة العناصر الغذائية، لفهم كيف تتفاعل هذه العمليات الأساسية مع فقدان التنوع، وكيف يمكن الحفاظ على توازن النظام البيئي في ظل هذه التغيرات**.**
ما تأثير التنوع البيولوجي على النيتروجين في التربة؟
لقد تم إثبات وجود علاقة واضحة بين التنوع البيولوجي ووجود النيتروجين (بشكل نترات، وهو أحد أشكال النيتروجين التي تمتصها النباتات) في التربة، من خلال تجارب متعددة تدرس تأثير التنوع البيولوجي على النظم البيئية** [1]. في هذه التجارب، يتم دراسة تنوع النباتات من خلال إنشاء نظم بيئية نموذجية صغيرة (غالبًا في أراضٍ عشبية، لسهولة التحكم فيها)، حيث تُزرع أنواع مختلفة من النباتات في ظل نفس الظروف البيئية، مثلًا في نفس الحقل.**
يتم ذلك عن طريق زرع خليط محدد من البذور في قطعة أرض صغيرة تُسمى “قطعة تجريبية”. وتُراقب هذه القطع بانتظام لإزالة أي نباتات غير مرغوبة نبتت ولم تكن ضمن البذور المزروعة**.**
بهذه الطريقة، يمكن مقارنة نتائج القطع التجريبية التي تحتوي على عدد أكبر أو أقل من الأنواع النباتية، لأن الفارق الوحيد المفترض بينها هو عدد الأنواع المزروعة**.** وقد أظهرت التجارب في الأراضي العشبية أن كلما زاد عدد أنواع النباتات، انخفض تركيز النيتروجين في التربة، وهو ما يمكن تفسيره بسهولة. فعندما تمتص النباتات كميات أكبر من النيتروجين، فإن كمية أقل منه تبقى في التربة**.** في النظم البيئية الغنية نسبيًا بالعناصر الغذائية، يعني هذا أيضًا أن كمية أقل من النيتروجين يتم غسلها إلى المياه الجوفية، مما يساهم في حماية جودة المياه الجوفية والنظم البيئية للمياه العذبة**.** لفهم هذه النتائج، يجب أن نأخذ بعين الاعتبار أحد التأثيرات المهمة الأخرى للتنوع النباتي في النظم البيئية غير المُخصبة، وهو زيادة نمو النباتات**. فعندما يكون هناك تنوع نباتي أعلى، تُنتَج كمية أكبر من الكتلة الحيوية، مثل العشب في المراعي، وبالتالي هناك حاجة إلى كمية أكبر من النيتروجين لبناء هذه الكتلة.** ومن ناحية أخرى، يمكننا القول إن هذه الكتلة الحيوية الكبيرة لا يمكن أن تتكوّن إلا إذا استطاعت النباتات الوصول إلى كميات أكبر من النيتروجين (إلى جانب باقي العناصر الضرورية). وهنا يظهر دور ما يُعرف بـالتكامل أو التكامل الوظيفي، حيث تستفيد الأنواع المختلفة من النباتات من العناصر الغذائية المتاحة بطرق متنوعة ومتكاملة**.**
الأنواع المختلفة تعمل معًا للوصول إلى العناصر الغذائية
يُطلق على التكامل (Complementarity)اسم الآلية التي تُمكّن أجزاء مختلفة من النظام البيئي – مثل الأنواع المختلفة – من استخدام الموارد الأساسية (والمحدودة) من أماكن مختلفة أو في أوقات مختلفة. إن استخدام هذا المورد من قبل نوع معيّن يُكمّل استخدامه من قبل نوع آخر. وبهذه الطريقة، يستخدم مجتمع النباتات الموارد المتاحة بشكل أكثر كفاءة واكتمالًا**.** في مثالنا، المورد المستخدم هو النيتروجين المتاح في التربة**. وكما تعلم، فإن النباتات تمتص العناصر الغذائية من التربة عبر جذورها. ولكن ليست كل الجذور متشابهة.** فبعض النباتات تمتلك جذورًا قوية وطويلة يمكنها الوصول إلى أعماق التربة، لكنها لا تتفرع كثيرًا أثناء نموها. بينما تمتلك نباتات أخرى جذورًا أقصر لا تصل إلا إلى الطبقات السطحية من التربة**.**
إذا جمعنا هذين النوعين فقط، يمكننا أن نلاحظ أن أحد النباتات يمتص الماء والعناصر الغذائية من التربة السطحية، في حين أن النبات الآخر يمتص نفس الموارد من أعماق التربة (انظر الشكل 1). يتكامل هذان النوعان من أنظمة الجذور معًا، مما يسمح باستخدام العناصر الغذائية التي كانت ستُهدر لو وُجد أحد النباتين فقط. ونتيجةً لذلك، يتم إنتاج كمية أكبر من الكتلة الحيوية النباتية، والتي تُعد مصدرًا غذائيًا للكائنات الدقيقة والحيوانات**.** نقول إن هذين النباتين يستخدمان “نيشًا مكانيًا” مختلفًا – أي مواضع مختلفة في التربة**.** وبالمثل، ليست كل النباتات تنمو في نفس الوقت. فهناك نوع ينمو مبكرًا في الربيع، وآخر يبدأ نموه في الصيف. هذا يعني أنهما لا يمتصان العناصر الغذائية في نفس الفترة الزمنية، بل يستخدمان “نيشًا زمانيًا” مختلفًا. وبهذه الطريقة، يتم استخدام الموارد بشكل أكثر كفاءة من لو نما كل نوع بمفرده**.** وعندما تنمو عدة أنواع من النباتات معًا، مستخدمةً حيّزات مكانية وزمانية مختلفة، يتم استخدام النيتروجين الموجود في التربة بشكل أكثر كفاءة، مما يؤدي إلى بقاء كمية أقل منه في التربة لقياسها**.**
التنوع النباتي والفوسفور في التربة
قد يبدو من المنطقي أن يكون لتأثير التنوع البيولوجي الذي وصفناه للتربة والنيتروجين نفس التأثير على الفوسفور في التربة. فكلاهما عنصران غذائيان أساسيان، وكلاهما قد يحد من نمو الكتلة الحيوية للنباتات. ومع ذلك، ولربما يكون ذلك مفاجئًا في البداية، فإننا لا نجد هذا التأثير نفسه في تجارب التنوع البيولوجي التي نتحكم فيها بعدد الأنواع في النظام البيئي الواحد لدراسة تأثير التنوع.
غالبًا ما تكون تركيزات الفوسفات المتاحة للنباتات (وهي الصورة الكيميائية للفوسفور التي تمتصها النباتات) منخفضة جدًا في التربة داخل الأنظمة التي ندرسها، بحيث لا يمكن أن يكون هناك “فائض” كما يحدث أحيانًا مع النيتروجين. إذًا، هل يؤثر تنوع النباتات على دورة الفوسفور في التربة؟ الإجابة المختصرة هي: نعم، على الأرجح. نعلم أن هناك المزيد من الفوسفور في الكتلة الحيوية للنباتات في الأنظمة ذات التنوع الأعلى، وهذا التأثير - المشابه للنيتروجين - ناجم عن زيادة كمية الكتلة الحيوية التي تنتجها النباتات نتيجة امتصاصها لفوسفور أكثر. السؤال هو: كيف يمكن للنظم البيئية المتنوعة أن تمتص المزيد من الفوسفات، رغم أننا لا نرى ذلك بوضوح في التربة؟ للوصول إلى الفوسفات في التربة، تستخدم النباتات والكائنات الدقيقة الإنزيمات (وهي مواد تُسهّل بعض التفاعلات الكيميائية) لفصل الفوسفات من الجزيئات الكيميائية المعقدة الموجودة في المادة العضوية في التربة، والمعروفة بالهيومس، وهو الجزء العضوي من التربة الذي قد تعرفه كسماد عضوي أو كمبوست. يمكننا قياس سرعة وعمل إنزيم الفوسفاتاز، وهو الإنزيم المسؤول عن جعل الفوسفات متاحًا بهذه الطريقة، مما يسمح لنا بتقدير كمية الفوسفات التي يتم تحريرها من التربة لاستخدام النباتات أو الكائنات الدقيقة. في الأنظمة التي يكون فيها التنوع النباتي أعلى، نجد نشاطًا أكبر لإنزيمات الفوسفاتاز في التربة (انظر الشكل 1). وهذا يدل على أنه رغم أننا لا نلاحظ امتصاص الفوسفور بشكل مباشر من التربة كما هو الحال مع النيتروجين، إلا أننا نرى أن هناك وصولًا أكثر كفاءة إلى الفوسفور في التربة من خلال نشاط أعلى لإنزيم الفوسفاتاز. وهذه هي إحدى الطرق التي يؤثر بها التنوع النباتي على دورة الفوسفور في النظام البيئي.
أهمية التنوع البيولوجي لوظائف النظام البيئي
فماذا يعني كل هذا؟ الافتراض العام هو أنه مع استمرار التغيرات العالمية، سوف تفقد المزيد من الأنواع من النظم البيئية، وسيستمر التنوع البيولوجي في الانخفاض. ومع انخفاض التنوع البيولوجي، من المرجح أن تصبح دورات النيتروجين والفوسفور أقل كفاءة، أي أن النظم البيئية ستكون أقل قدرة على الاحتفاظ وإعادة تدوير النيتروجين والفوسفور مقارنة بما هي عليه الآن. هذا يمثل تغييرًا كبيرًا في النظام البيئي، وقد يكون أحد العوامل التي تؤدي إلى انخفاض إنتاجية النظام البيئي. كما أن انخفاض التنوع البيولوجي قد يؤدي إلى فقدان العناصر الغذائية من النظام، مثل غسل النترات إلى المياه الجوفية. النترات الزائدة تعتبر ملوّثًا إذا دخلت إلى مياه الشرب، ويمكن أن تسبب أيضًا أضرارًا للنظم البيئية المائية التي تصل إليها، مثل النمو المفرط للطحالب. ومن الجانب الآخر، تصبح هذه العناصر الغذائية غير متوفرة للنباتات والكائنات الدقيقة والحيوانات في النظام البيئي الأصلي، مما يجعل النظام أقل ثراءً بالعناصر الغذائية وأقل قدرة على دعم الكائنات الحية التي تعيش فيه.
المصطلحات
الكتلة الحيوية
هي مجموع الكتلة أو المادة الحية الموجودة في مكونات النظام البيئي، مثل النباتات أو الحيوانات. مثلاً، الكتلة الحيوية للنباتات تعني كل المادة الحية الموجودة في جذور النباتات وأغصانها وأوراقها وزهورها وثمارها. في المناطق ذات المناخ المعتدل، لا تبقى الكتلة الحيوية ثابتة، بل تزداد عادة من الربيع حتى أواخر الصيف وتنخفض في الخريف.
التنوع البيولوجي
ببساطة، هو عدد الأنواع الموجودة في نظام بيئي معين.
الإنزيم
جزيئات صغيرة تساعد على تسريع التفاعلات الكيميائية أو الحيوية داخل أو خارج الخلايا.
إنتاجية النظام البيئي
هي كمية المادة العضوية، مثل الكتلة الحيوية للنباتات، التي ينتجها النظام البيئي خلال فترة زمنية معينة. كمثال جيد على ذلك هو كمية القمح أو التبن التي يتم حصادها من الحقل خلال سنة واحدة.
المراجع
- Oelmann Y, Buchmann N, Gleixner G, Habekost M, Roscher C, Rosenkranz S, Schulze E, Steinbeiss S, Temperton VM, Weigelt A, et al. Plant diversity effects on aboveground and belowground N pools in temperate grassland ecosystems: Development in the first 5 years after establishment. Global Biogeochem Cy (2011) 25:n/a-n/a. doi:10.1029/2010gb003869
- Oelmann Y, Richter AK, Roscher C, Rosenkranz S, Temperton VM, Weisser WW, Wilcke W. Does plant diversity influence phosphorus cycling in experimental grasslands? Geoderma (2011) 167:178–187. doi:10.1016/j.geoderma.2011.09.012
- Hacker N, Ebeling A, Gessler A, Gleixner G, Macé OG, Kroon H, Lange M, Mommer L, Eisenhauer N, Ravenek J, et al. Plant diversity shapes microbe‐rhizosphere effects on P mobilisation from organic matter in soil. Ecol Lett (2015) 18:1356–1365. doi:10.1111/ele.12530
الاستشهاد
Koller-France E, Wilcke W and Oelmann Y (2021) Does Plant Biodiversity Influence Nutrient Cycles? Front. Young Minds. 9:557532. doi: 10.3389/frym.2021.557532
تم التحرير بواسطة**:** مالتي يوهوم، المركز الألماني للبحث التكاملي في التنوع البيولوجي (iDiv)، ألمانيا
المرشدون العلميون**:** نيكول ريكر
تضارب المصالح**:** يعلن المؤلفون أن البحث أُجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن أن تُفسر على أنها تعارض محتمل في المصالح.
حقوق النشر © 2021 كولر-فرانس، ويلكه وأولمان**.** هذا مقال مفتوح الوصول يُوزع بموجب شروط رخصة المشاع الإبداعي للنسب (CC BY). يسمح بالاستخدام والتوزيع أو إعادة الإنتاج في أماكن أخرى، بشرط نسب المؤلفين الأصليين ومالكي حقوق النشر، وذكر النشر الأصلي في هذه المجلة بما يتوافق مع الممارسات الأكاديمية المقبولة. لا يسمح بأي استخدام أو توزيع أو إعادة إنتاج لا يتوافق مع هذه الشروط
المراجعين الشباب
ماكنزي
العمر: 14 سنة
اسمي ماكنزي، وأستمتع بالموسيقى (العزف والاستماع)، والكتب (وخاصة الخيال)، والرياضة (مفضلتي التنس). كما أحب العلوم والرياضيات واللغات، لكن أكثر ما أستمتع به هو التخييم بحقيبة الظهر.
روز
العمر: 14 سنة
مرحبًا، أنا في الرابعة عشرة من عمري وأعيش في كندا. أحب الحياكة والتطريز والقراءة.
المؤلفون
** **إيفا كولر-فرانس
إيفا هي عالمة إيكولوجيا نظم بيئية تهتم بدراسة تأثيرات جميع أنواع التغيرات العالمية على دورة الكربون والعناصر الغذائية في النظم البيئية. قضت سنوات الدكتوراه في التجول عبر القطب الشمالي لدراسة تأثير التغير البيئي على الروابط بين دورة الكربون والعناصر الغذائية، وهي الآن باحثة ما بعد الدكتوراه في تجربة ينا** (http://www.the-jena-experiment.de/)**، حيث تدرس التأثيرات طويلة الأمد لتنوع أنواع النباتات على دورات النيتروجين والفوسفور. *ekoller@gmail.com
فولفغانغ ويلكه
درس فولفغانغ ويلكه الجيوإيكولوجيا في جامعة بايرويت، وهو الآن أستاذ علم الشكل الأرضي وعلوم التربة في معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT)، بعد محطات بحث وتدريس في جامعة برلين التقنية، وجامعة يوهانس جوتنبرغ ماينز، وجامعة بيرن. يتركز بحثه على تأثيرات التغير البيئي، بما في ذلك تغير المناخ، وتغير استخدام الأراضي، وترسيب العناصر الغذائية، والتلوث، وفقدان التنوع البيولوجي، على دورة العناصر بين التربة والنباتات. يستخدم تحليلات كيميائية للتربة، وملاحظات طويلة الأمد لتدفقات العناصر، ونهج النظائر المستقرة.
إيفون أولمان
إيفون هي عالمة تربة تعمل على دورة الكربون والعناصر الغذائية في النظم البيئية. نالت درجة الدكتوراه من جامعة برلين التقنية حول تأثير تنوع النباتات على دورة العناصر الغذائية في تربة المروج (http://www.the-jena-experiment.de/). كزميلة ما بعد الدكتوراه، وسعت نطاق بحثها ليشمل النظم البيئية الحرجية المعقدة وتأثير الإنسان عليها. تم تعيينها أستاذة في جامعة توبنغن عام 2011، ومنذ ذلك الحين تعمل على دراسة دورة الكربون والعناصر الغذائية في المروج والغابات حول العالم.
المترجم
رغد س محمد
رغد س محمد باحثة مهتمة بالتنوع الحيوي في العراق وتأثيرات التغير المناخي على هذا التنوع. في العراق، التغيرات المناخية مثل ارتفاع درجات الحرارة، نقص الموارد المائية، وزيادة التصحر تؤثر سلبًا على التنوع البيولوجي، مهددة بذلك العديد من الأنواع النباتية والحيوانية. الحفاظ على التنوع الحيوي في العراق يتطلب استراتيجيات مستدامة للتكيف مع التغيرات المناخية وضمان استدامة الموارد البيئية للأجيال القادمة**.**
التمويل (ترجمة)
تُعرب فريق “ترجمة تنوع التربة” عن شكرها لمركز الأبحاث الألماني لتنوع البيولوجيا المتكامل** (iDiv) **هاله-ينا-لايبزيغ، الذي تم تمويله من قبل المؤسسة الألمانية للبحث العلمي (DFG FZT 118، 202548816).
**تنسيق الاستشهاد الموصى به : **Koller-France E, Wilcke W and Oelmann Y (2025) Does Plant Biodiversity Influence Nutrient Cycles?.الترجمة العربية: رغد س. محمد. (ترجمة التنوع الحيوي للتربة &Front. Young Minds. نُشر لأول مرة في عام 2021، Originally published in 2021. doi: 10.3389/frym.2021.557532
Figures
الشكل 1: التكامل بين أنظمة الجذور في نظم التربة ذات التنوع البيولوجي الأعلى يؤدي إلى دورة غذائية أكثر كفاءة. تشير الأسهم العريضة إلى زيادة امتصاص نترات أو ارتفاع نشاط الفوسفاتز في النظم البيئية الأكثر تنوعًا؛ بينما تشير الأسهم الضيقة إلى انخفاض امتصاص النترات أو نشاط الفوسفاتيز الأقل في النظم البيئية الأقل تنوعًا. أثناء امتصاص الجذور للنترات ونقلها إلى الأجزاء النباتية فوق الأرض، يتم إفراز الفوسفاتيز باتجاه الأسفل في التربة لجعل الفوسفات متاحًا للامتصاص بواسطة الجذور.