اليوريا: الذهب الأبيض للزراعة الحديثة ودورة حياة النيتروجين من التربة إلى النبات

اليوريا: الذهب الأبيض للزراعة الحديثة ودورة حياة النيتروجين من التربة إلى النبات

مقدمة: حجر الزاوية في الثورة الخغضراء

في قلب الثورة الزراعية الحديثة، والتي ساهمت في إطعام سكان العالم المتزايدين بشكل غير مسبوق، يقف مركب كيميائي بسيط في تركيبته، ولكنه عميق في تأثيره: اليوريا. هذا المركب العضوي، الذي يأتي على شكل حبيبات بيضاء بلورية، ليس مجرد سماد، بل هو المصدر الأكثر تركيزًا وشيوعًا للنيتروجين، العنصر الغذائي الحيوي الذي يعد بمثابة "وقود" النمو للنباتات. من حقول القمح الشاسعة في السهول الكبرى إلى مزارع الأرز كثيفة الإنتاج في آسيا، تلعب اليوريا دورًا لا غنى عنه في تعزيز الإنتاجية الزراعية وضمان الأمن الغذائي العالمي.

إن قصة اليوريا في الزراعة هي قصة علم وكيمياء وبيولوجيا تتشابك خيوطها في أعماق التربة وداخل خلايا النبات. تبدأ الحكاية من عملية تصنيعها الصناعي التي حولت الأمونيا وثاني أكسيد الكربون إلى مصدر نيتروجين مستقر وسهل النقل، وتمتد إلى رحلتها المعقدة بعد إضافتها إلى التربة، حيث تخضع لسلسلة من التحولات الميكروبية والإنزيمية لتحويل النيتروجين الموجود فيها إلى أشكال قابلة للامتصاص من قبل جذور النباتات. هذه الرحلة لا تخلو من التحديات، ففقدان النيتروجين في الغلاف الجوي أو المياه الجوفية يمثل هاجسًا بيئيًا واقتصاديًا، مما دفع العلماء والمهندسين الزراعيين إلى تطوير ممارسات وتقنيات مبتكرة لزيادة كفاءة استخدامها.

هذه المقالة الشاملة ستغوص في عالم اليوريا، مستكشفةً كل جانب من جوانبها، بدءًا من تركيبها الكيميائي الفريد وتاريخها المثير، مرورًا باستخداماتها المتعددة في الزراعة، وصولًا إلى تحليل دقيق لعمليات امتصاصها وتحولاتها في التربة والنبات. سنسبر أغوار الآليات البيولوجية التي تحكم دورة النيتروجين المنطلق من اليوريا، ونوضح بالتفصيل كيف يستفيد النبات من هذا العنصر الحيوي في بناء البروتينات والكلوروفيل والأحماض النووية، وهي اللبنات الأساسية للحياة. كما سنتناول بالدراسة والتحليل أعراض نقص النيتروجين وزيادتنه في النباتات المختلفة مع أمثلة حية، ونقدم إرشادات عملية حول أفضل طرق ومواعيد إضافة اليوريا لتعظيم الفائدة وتقليل الأضرار المحتملة. وأخيرًا، سنسلط الضوء على الآثار البيئية لاستخدام اليوريا ونستعرض أحدث الابتكارات في مجال الأسمدة اليوراوية المحسنة، مثل الأسمدة بطيئة التحرر والمثبطات، التي تبشر بمستقبل زراعي أكثر استدامة وكفاءة.

---

الفصل الأول: ما هي اليوريا؟ التركيب، الخصائص، والتاريخ

لفهم الدور المحوري الذي تلعبه اليوريا في الزراعة، لا بد أولاً من التعرف على طبيعتها الكيميائية وخصائصها الفيزيائية، بالإضافة إلى السياق التاريخي الذي أدى إلى ظهورها كأهم سماد نيتروجيني في العالم.

1.1 التركيب الكيميائي والخصائص الفيزيائية

اليوريا، المعروفة أيضًا باسم الكارباميد، هي مركب عضوي صيغته الكيميائية CO(NH₂)₂. هذا يعني أن كل جزيء من اليوريا يحتوي على ذرة كربون واحدة، وذرة أكسجين واحدة، وذرتي نيتروجين، وأربع ذرات هيدروجين. من الناحية الهيكلية، يتكون الجزيء من مجموعة كربونيل (C=O) ترتبط بمجموعتي أمين (NH₂-).

أبرز الخصائص الكيميائية والفيزيائية لليوريا:

• محتوى نيتروجين مرتفع: السمة الأبرز لليوريا هي محتواها العالي جدًا من النيتروجين، والذي يصل إلى حوالي 46% من وزنها. هذا يجعلها السماد النيتروجيني الصلب الأكثر تركيزًا، مما يقلل من تكاليف النقل والتخزين والتطبيق لكل وحدة نيتروجين.

• مركب عضوي: على الرغم من إنتاجها صناعيًا واستخدامها كسماد كيميائي، تُصنف اليوريا كيميائيًا على أنها مركب عضوي لأنها تحتوي على روابط الكربون-الهيدروجين.

• الذوبان في الماء: تتميز اليوريا بقابلية ذوبان عالية جدًا في الماء، وهي خاصية حيوية تسهل استخدامها في أنظمة الري بالتنقيط (التسميد) والرش الورقي.

• الشكل الفيزيائي: تتوفر اليوريا تجاريًا على شكل حبيبات صلبة بيضاء اللون أو بلورات، مما يسهل عملية نثرها وتوزيعها في الحقول.

• تفاعل محايد: اليوريا في شكلها النقي هي مركب محايد (غير حمضي وغير قلوي). ومع ذلك، يمكن أن تؤثر تفاعلاتها في التربة بشكل مؤقت على درجة حموضة (pH) التربة المحيطة بالحبيبات.

1.2 لمحة تاريخية: من الاكتشاف إلى الإنتاج الضخم

تعود قصة اليوريا إلى عام 1773، عندما تمكن الكيميائي الفرنسي هيلير مارين روويل من عزلها لأول مرة من البول، ومن هنا جاءت تسميتها "المادة البولية". ومع ذلك، فإن اللحظة الفارقة في تاريخ الكيمياء والزراعة جاءت في عام 1828 على يد الكيميائي الألماني فريدرش فولر. في تجربة تاريخية، تمكن فولر من تصنيع اليوريا في المختبر من مركبات غير عضوية (سيانات الأمونيوم)، محطمًا بذلك نظرية "الحيوية" التي كانت سائدة آنذاك، والتي زعمت أن المركبات العضوية لا يمكن أن تُصنّع إلا بواسطة الكائنات الحية. كانت هذه التجربة بمثابة حجر الأساس الذي قامت عليه الكيمياء العضوية الحديثة.

على الرغم من هذا الإنجاز العلمي الباهر، لم يبدأ الإنتاج الصناعي الضخم لليوريا إلا في أوائل القرن العشرين، وذلك بفضل تطوير عملية هابر-بوش. هذه العملية، التي تم تطويرها بواسطة فريتز هابر وكارل بوش، مكنت من إنتاج الأمونيا (NH₃) بكميات هائلة عن طريق تفاعل غازي النيتروجين (من الهواء) والهيدروجين (من الغاز الطبيعي) تحت ضغط ودرجة حرارة مرتفعين وبوجود عامل حفاز.

عملية تصنيع اليوريا الصناعية تتبع خطوتين رئيسيتين:

1. التفاعل الأول: يتم تفاعل الأمونيا السائلة مع ثاني أكسيد الكربون السائل تحت ضغط وحرارة عاليين لإنتاج مركب وسيط يسمى كربامات الأمونيوم.

2. التفاعل الثاني: يتم تجفيف كربامات الأمونيوم (إزالة جزيء ماء) لتكوين اليوريا المنصهرة، والتي يتم بعد ذلك تبريدها وتشكيلها على هيئة حبيبات أو أقراص.

هذا التقدم في الإنتاج الصناعي حول اليوريا من مجرد فضول علمي إلى سلعة عالمية، وأداة لا غنى عنها في الزراعة المكثفة، مما مهد الطريق للثورة الخضراء في منتصف القرن العشرين وزاد من إنتاجية المحاصيل بشكل كبير في جميع أنحاء العالم.

---

الفصل الثاني: استخدامات اليوريا في الزراعة: وقود النمو الأخضر

تعتبر اليوريا المصدر الرئيسي للنيتروجين لأكثر من 90% من الأراضي الزراعية في العالم، وتكمن أهميتها في قدرتها على توفير هذا العنصر الأساسي بكفاءة وبتكلفة اقتصادية معقولة. يلعب النيتروجين أدوارًا حيوية متعددة في فيزيولوجيا النبات، واستخدام اليوريا يهدف بشكل أساسي إلى تلبية هذه المتطلبات لضمان نمو صحي ومحصول وفير.

2.1 دور النيتروجين في فيزيولوجيا النبات

النيتروجين ليس مجرد عنصر غذائي، بل هو المكون الأساسي للحياة النباتية. فهو يدخل في تركيب كل الجزيئات الحيوية تقريبًا التي يعتمد عليها النبات في نموه وتكاثره.

• البروتينات والأحماض الأمينية: النيتروجين هو المكون الرئيسي للأحماض الأمينية، والتي بدورها هي الوحدات البنائية للبروتينات. البروتينات ضرورية لكل شيء في النبات، من بناء الهياكل الخلوية (مثل جدران الخلايا والأغشية) إلى تكوين الإنزيمات التي تحفز جميع التفاعلات الكيميائية الحيوية.

• الكلوروفيل: جزيء الكلوروفيل، الصبغة الخضراء التي تمكن النبات من القيام بعملية البناء الضوئي، يحتوي على أربع ذرات نيتروجين في هيكله. بدون كمية كافية من النيتروجين، لا يمكن للنبات إنتاج ما يكفي من الكلوروفيل، مما يؤدي إلى اصفرار الأوراق وضعف قدرته على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة.

• الأحماض النووية (DNA و RNA): النيتروجين هو جزء لا يتجزأ من القواعد النيتروجينية التي تشكل الشيفرة الوراثية (DNA) والجزيئات التي تنقل هذه الشيفرة لبناء البروتينات (RNA). وبالتالي، فإن النيتروجين ضروري لانقسام الخلايا ونمو النبات.

• الهرمونات النباتية ومخزونات الطاقة: يدخل النيتروجين أيضًا في تركيب العديد من الهرمونات النباتية التي تنظم النمو والتطور، وكذلك في جزيئات تخزين ونقل الطاقة مثل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

2.2 تعزيز النمو الخضري وزيادة المحصول

الاستخدام الأساسي لليوريا هو تحفيز النمو الخضري (الأوراق والسيقان) للنبات. عندما يتوفر النيتروجين بكميات كافية، تزداد عملية انقسام الخلايا وتوسعها، مما يؤدي إلى:

• زيادة المساحة الورقية: أوراق أكبر وأكثر عددًا تعني مساحة أكبر لالتقاط ضوء الشمس، مما يعزز قدرة النبات على البناء الضوئي وإنتاج الكربوهيدرات اللازمة للنمو.

• نمو السيقان والأفرع: النيتروجين القوي يدعم نمو سيقان قوية وأفرع جديدة، مما يوفر هيكلاً داعمًا للأوراق والأزهار والثمار.

• تحسين جودة المحاصيل الورقية: في محاصيل مثل الخس والملفوف والسبانخ والمحاصيل العلفية، يعتبر النمو الخضري هو المنتج النهائي، واستخدام اليوريا يؤدي مباشرة إلى زيادة في المحصول وجودته.

مثال: في زراعة القمح، تعتبر إضافة اليوريا في مراحل النمو المبكرة (مرحلة التفريع) حاسمة لتكوين عدد كافٍ من الأشطاء (الفروع الجانبية) التي ستحمل السنابل لاحقًا، مما يؤثر بشكل مباشر على عدد السنابل في وحدة المساحة، وهو أحد المكونات الرئيسية للمحصول النهائي.

2.3 استخدامات أخرى لليوريا

بالإضافة إلى كونها سمادًا للتربة، لليوريا استخدامات متخصصة أخرى في الزراعة:

• التسميد الورقي: نظرًا لذوبانها العالي، يمكن إذابة اليوريا في الماء ورشها مباشرة على أوراق النباتات. يعتبر التسميد الورقي باليوريا وسيلة سريعة لتصحيح نقص النيتروجين، خاصة عندما تكون ظروف التربة (مثل الجفاف الشديد أو البرودة) تعيق امتصاص الجذور.

  • مثال: في أشجار الفاكهة مثل التفاح، يمكن استخدام الرش الورقي باليوريا في أواخر الخريف (بعد الحصاد وقبل تساقط الأوراق) لزيادة مخزون النيتروجين في الشجرة، مما يدعم نموًا قويًا في الربيع التالي.

• مكون في الأعلاف الحيوانية: يمكن استخدام اليوريا (بدرجات نقاوة خاصة) كمصدر للنيتروجين غير البروتيني في علف الحيوانات المجترة مثل الأبقار والأغنام. تقوم الكائنات الحية الدقيقة في كرش هذه الحيوانات بتحويل نيتروجين اليوريا إلى بروتين ميكروبي يمكن للحيوان هضمه والاستفادة منه.

• مكافحة الأعشاب الضارة: في تراكيز معينة، يمكن أن يكون لمحلول اليوريا تأثير مبيد للأعشاب على بعض النباتات، على الرغم من أن هذا ليس استخدامها الأساسي.

2.4 مزايا استخدام اليوريا كسماد

يفضل المزارعون اليوريا على العديد من الأسمدة النيتروجينية الأخرى لعدة أسباب:

• التكلفة الاقتصادية: تتميز اليوريا بأقل تكلفة لكل وحدة نيتروجين مقارنة بمعظم الأسمدة الأخرى.

• تركيز نيتروجين عالٍ: يقلل محتواها العالي من النيتروجين (46%) من تكاليف النقل والتخزين والتطبيق.

• الأمان في التخزين والنقل: على عكس نترات الأمونيوم، فإن اليوريا ليست قابلة للاشتعال أو الانفجار، مما يجعلها أكثر أمانًا في التعامل.

• تأثير أقل على حموضة التربة: على المدى الطويل، يكون تأثير اليوريا على حموضة التربة أقل مقارنة بالأسمدة التي تحتوي على الأمونيوم فقط مثل كبريتات الأمونيوم.

ومع ذلك، فإن الاستخدام الفعال لليوريا يتطلب فهمًا دقيقًا لسلوكها في التربة لتجنب فقدان النيتروجين، وهو ما سنناقشه في الفصول التالية.

---

الفصل الثالث: رحلة اليوريا في التربة: التحولات والامتصاص

بمجرد وصول حبيبات اليوريا إلى سطح التربة، تبدأ رحلة تحول كيميائية وحيوية معقدة. فالنبات لا يستطيع امتصاص النيتروجين مباشرة في صورة يوريا. بل يجب أن تتحول اليوريا أولاً إلى أشكال معدنية قابلة للامتصاص، وهي الأمونيوم (⁺NH₄) والنترات (⁻NO₃). هذه العملية متعددة الخطوات وتعتمد بشكل كبير على الظروف البيئية والنشاط الميكروبي في التربة.

3.1 التحلل المائي (Hydrolysis): الخطوة الأولى والحرجة

الخطوة الأولى في تحول اليوريا هي التحلل المائي. في هذه العملية، يتفاعل جزيء اليوريا مع الماء ليتحول إلى أمونيا (NH₃) وثاني أكسيد الكربون (CO₂). هذا التفاعل لا يحدث من تلقاء نفسه، بل يتم تحفيزه بواسطة إنزيم متخصص يسمى إنزيم اليورياز (Urease).

CO(NH₂)₂ + H₂O --(بواسطة إنزيم اليورياز)--> 2NH₃ + CO₂

• مصدر إنزيم اليورياز: يوجد هذا الإنزيم بكثرة في التربة، حيث تنتجه مجموعة واسعة من الكائنات الحية الدقيقة (البكتيريا والفطريات) وبقايا النباتات. التربة الغنية بالمواد العضوية تحتوي عادةً على مستويات عالية من نشاط اليورياز.

• تكوين كربونات الأمونيوم: تتفاعل الأمونيا الناتجة وثاني أكسيد الكربون بسرعة مع الماء في التربة لتكوين مركب غير مستقر يسمى كربونات الأمونيوم ((NH₄)₂CO₃).

• التأثير على حموضة التربة: يؤدي تحلل كربونات الأمونيوم إلى إطلاق أيونات الأمونيوم (⁺NH₄) وارتفاع مؤقت وحاد في درجة حموضة التربة (pH) في المنطقة المحيطة مباشرة بحبيبات السماد، حيث يمكن أن يصل الرقم الهيدروجيني إلى 9. هذا الارتفاع في القلوية مهم جدًا لأنه يؤثر على الخطوة التالية ومصير الأمونيا.

3.2 مصير الأمونيا: الامتزاز مقابل التطاير

بعد تحررها، تواجه الأمونيا (التي توجد في توازن بين غاز الأمونيا NH₃ وأيون الأمونيوم ⁺NH₄) مصيرين رئيسيين:

1. الامتزاز (Adsorption): أيون الأمونيوم (⁺NH₄) يحمل شحنة موجبة. وبما أن جزيئات الطين والمادة العضوية في التربة تحمل عادةً شحنة سالبة، فإن أيونات الأمونيوم تنجذب إليها وتُمتص على أسطحها. هذا الامتزاز يحمي النيتروجين من الفقدان بالغسيل ويجعله متاحًا للامتصاص من قبل النبات أو لعملية النترجة.

2. التطاير (Volatilization): في ظل الظروف القلوية (ارتفاع درجة الحموضة) التي تنشأ حول حبيبات اليوريا المتحللة، يتحول جزء كبير من أيون الأمونيوم (⁺NH₄) إلى غاز الأمونيا (NH₃). هذا الغاز يمكن أن يتسرب من التربة إلى الغلاف الجوي، وهي عملية تُعرف بـ فقدان النيتروجين بالتطاير.

العوامل التي تزيد من تطاير الأمونيا:

• التطبيق السطحي: ترك اليوريا على سطح التربة دون دمجها يزيد من فقدان الأمونيا بشكل كبير.

• درجات الحرارة المرتفعة: تزيد الحرارة من سرعة تحلل اليوريا وتطاير الأمونيا.

• التربة القلوية أو الكلسية: هذه الترب بطبيعتها لديها درجة حموضة مرتفعة، مما يشجع على تحول الأمونيوم إلى أمونيا.

• الرطوبة المنخفضة: رطوبة كافية ضرورية لكي تتحرك اليوريا إلى داخل التربة حيث يمكن امتزاز الأمونيوم. التربة الجافة التي تتلقى رطوبة خفيفة (مثل الندى) يمكن أن تسرع التحلل دون غسيل كافٍ لليوريا إلى الداخل.

• الرياح: التيارات الهوائية فوق سطح التربة تزيل غاز الأمونيا، مما يشجع على المزيد من التطاير.

3.3 النترجة (Nitrification): تحول الأمونيوم إلى نترات

الأمونيوم الممتز على حبيبات التربة هو الخطوة التالية في دورة النيتروجين. معظم النباتات، على الرغم من قدرتها على امتصاص الأمونيوم، تفضل امتصاص النيتروجين في صورة نترات (⁻NO₃). عملية تحويل الأمونيوم إلى نترات تسمى النترجة، وهي عملية بيولوجية تتم على مرحلتين بواسطة أنواع مختلفة من بكتيريا التربة:

1. المرحلة الأولى: تقوم بكتيريا مثل النيتروسوموناس (Nitrosomonas) بأكسدة الأمونيوم (⁺NH₄) إلى نتريت (⁻NO₂).
   2NH₄⁺ + 3O₂ --(بكتيريا النيتروسوموناس)--> 2NO₂⁻ + 4H⁺ + 2H₂O

2. المرحلة الثانية: النتريت مركب سام للنباتات، ولكن لحسن الحظ، تقوم بكتيريا أخرى مثل النيتروباكتر (Nitrobacter) بأكسدته بسرعة إلى نترات (⁻NO₃)، وهي الصورة المفضلة لدى معظم النباتات.
   2NO₂⁻ + O₂ --(بكتيريا النيتروباكتر)--> 2NO₃⁻

العوامل المؤثرة في عملية النترجة:

• التهوية (الأكسجين): بكتيريا النترجة هي بكتيريا هوائية، لذا فإن وجود الأكسجين الكافي في مسام التربة ضروري لنشاطها. التربة جيدة الصرف والتهوية تشجع على النترجة السريعة.

• درجة الحرارة: تكون العملية في أوجها عند درجات حرارة التربة الدافئة (بين 25-35 درجة مئوية).

• درجة الحموضة (pH): تعمل بكتيريا النترجة بشكل أفضل في التربة ذات درجة الحموضة القريبة من المحايدة (6.5 - 7.5).

• الرطوبة: تحتاج البكتيريا إلى رطوبة كافية للنشاط، ولكن التشبع المفرط بالماء يقلل من الأكسجين ويبطئ العملية.

3.4 مصير النترات: الامتصاص مقابل الفقدان

بمجرد تكوينها، تكون النترات (⁻NO₃) قابلة للذوبان في الماء بشكل كبير. وبما أنها تحمل شحنة سالبة مثل معظم أسطح التربة، فإنها لا تُمتص على حبيبات التربة وتظل حرة في محلول التربة. هذا يجعلها متاحة بسهولة للامتصاص من قبل جذور النباتات، ولكنه يعرضها أيضًا لخطر الفقدان بطريقتين رئيسيتين:

1. الغسيل (Leaching): بما أن النترات لا ترتبط بالتربة، يمكن للمياه الزائدة من الأمطار أو الري أن تحملها إلى أسفل عبر مقطع التربة، بعيدًا عن منطقة الجذور. هذا لا يمثل خسارة اقتصادية للمزارع فحسب، بل يمثل أيضًا مصدرًا رئيسيًا لتلوث المياه الجوفية.

2. نزع النتروجين (Denitrification): في ظروف نقص الأكسجين (مثل التربة المشبعة بالماء أو المضغوطة)، تستخدم أنواع معينة من البكتيريا اللاهوائية النترات بدلاً من الأكسجين في عملية التنفس. هذه العملية تحول النترات (⁻NO₃) إلى غازات النيتروجين (N₂) وأكسيد النيتروز (N₂O)، والتي تتسرب بعد ذلك إلى الغلاف الجوي. يعتبر أكسيد النيتروز أحد غازات الدفيئة القوية.

باختصار، رحلة اليوريا في التربة هي سباق مع الزمن. الهدف هو إدارة عملية الإضافة والظروف البيئية لضمان تحول اليوريا إلى أمونيوم ونترات يمكن للنبات امتصاصها، مع تقليل الفقدان عن طريق تطاير الأمونيا، وغسيل النترات، ونزع النتروجين.

---

الفصل الرابع: امتصاص النيتروجين من قبل النبات: من الجذر إلى الورقة

بعد أن تتحول اليوريا في التربة إلى أيونات الأمونيوم (⁺NH₄) والنترات (⁻NO₃)، تصبح جاهزة للدخول إلى النبات. عملية امتصاص هذه الأيونات ونقلها واستخدامها داخل النبات هي عملية فسيولوجية معقدة تتطلب طاقة وتنسيقًا دقيقًا بين أجزاء النبات المختلفة.

4.1 آليات امتصاص الجذور

تمتص النباتات النيتروجين المعدني بشكل أساسي من خلال الشعيرات الجذرية الدقيقة التي تنتشر في التربة. تتم عملية الامتصاص عبر آليتين رئيسيتين:

1. التدفق الكتلي (Mass Flow): تتحرك أيونات النترات (⁻NO₃) القابلة للذوبان مع حركة الماء في التربة نحو الجذور، حيث يمتص النبات الماء لتلبية احتياجاته من النتح. هذه هي الآلية الرئيسية التي تصل بها النترات إلى سطح الجذر.

2. الامتصاص النشط (Active Uptake): تركيز أيونات الأمونيوم والنترات داخل خلايا الجذر عادة ما يكون أعلى بكثير من تركيزها في محلول التربة. لذلك، لا يمكن لهذه الأيونات الدخول إلى الجذر عن طريق الانتشار البسيط. بدلاً من ذلك، يستخدم النبات بروتينات نقل متخصصة (Transporters) موجودة على أغشية خلايا الجذر لضخ هذه الأيونات إلى الداخل. هذه العملية تسمى النقل النشط وتتطلب طاقة على شكل ATP.

امتصاص النترات (⁻NO₃):

• النترات هي الصورة الأكثر حركة في التربة، وبالتالي تصل إلى الجذور بسهولة.

• بمجرد امتصاصها، يمكن تخزين النترات في فجوات الخلايا الجذرية أو نقلها كما هي عبر أوعية الخشب إلى الساق والأوراق.

امتصاص الأمونيوم (⁺NH₄):

• الأمونيوم أقل حركة في التربة لأنه يميل إلى الامتزاز على جزيئات التربة.

• على عكس النترات، يعتبر تركيز الأمونيوم المرتفع سامًا للخلايا النباتية. لذلك، بمجرد امتصاصه في خلايا الجذر، يتم دمجه بسرعة في مركبات عضوية (أحماض أمينية) لمنع تراكمه.

• بعض النباتات، مثل الأرز والبطاطس، تفضل امتصاص النيتروجين في صورة أمونيوم.

4.2 اختزال النترات وتمثيل النيتروجين

قبل أن يتمكن النبات من استخدام نيتروجين النترات لبناء الأحماض الأمينية والبروتينات، يجب عليه أولاً تحويله (اختزاله) مرة أخرى إلى أمونيوم. هذه العملية، التي تسمى اختزال النترات، تستهلك طاقة كبيرة وتتم على خطوتين:

1. اختزال النترات إلى نتريت: في سيتوبلازم الخلية، يقوم إنزيم نترات ريدوكتاز (Nitrate Reductase) باختزال النترات (⁻NO₃) إلى نتريت (⁻NO₂).

2. اختزال النتريت إلى أمونيوم: ينتقل النتريت إلى البلاستيدات الخضراء (في الأوراق) أو البلاستيدات (في الجذور)، حيث يقوم إنزيم نتريت ريدوكتاز (Nitrite Reductase) باختزاله إلى أمونيوم (⁺NH₄).

بمجرد توفر الأمونيوم (سواء من الامتصاص المباشر أو من اختزال النترات)، يتم دمجه بسرعة في مركبات عضوية من خلال عملية تسمى تمثيل النيتروجين (Nitrogen Assimilation). المسار الرئيسي لذلك هو دورة GS-GOGAT، حيث يتم ربط الأمونيوم بحمض أميني موجود مسبقًا (الجلوتامات) لتكوين حمض أميني جديد (الجلوتامين)، والذي يعمل كمانح لمجموعات الأمين لبناء جميع الأحماض الأمينية الأخرى التي يحتاجها النبات.

4.3 النقل والتوزيع داخل النبات

بمجرد تحويل النيتروجين إلى أحماض أمينية، يصبح جاهزًا للنقل والتوزيع في جميع أنحاء النبات عبر أوعية اللحاء (Phloem). يتم توجيه هذه المركبات النيتروجينية العضوية إلى مناطق النمو النشطة، مثل:

• القمم النامية (Meristems): في قمم السيقان والجذور، حيث يحدث انقسام الخلايا بشكل مكثف.

• الأوراق الجديدة: لتكوين الكلوروفيل والإنزيمات اللازمة للبناء الضوئي.

• الأزهار والثمار والبذور: لتكوين البروتينات والمواد الوراثية اللازمة لعملية التكاثر.

النيتروجين هو عنصر متحرك داخل النبات. هذا يعني أنه عندما يبدأ النبات في المعاناة من نقص النيتروجين، يمكنه تفكيك البروتينات والمركبات النيتروجينية في الأوراق القديمة (السفلية) ونقل النيتروجين المحرر إلى الأوراق الجديدة والنامية (العلوية). هذا هو السبب في أن أعراض نقص النيتروجين تظهر أولاً على الأوراق السفلية.

4.4 امتصاص اليوريا مباشرة (الرش الورقي)

بالإضافة إلى الامتصاص الجذري، يمكن للنباتات امتصاص اليوريا مباشرة من خلال أوراقها عند تطبيقها كرش ورقي. جزيء اليوريا صغير وغير مشحون، مما يسمح له باختراق طبقة الكيوتيكل الشمعية والثغور على سطح الورقة. بمجرد دخولها إلى خلايا الورقة، يتم تحللها بسرعة إلى أمونيا وثاني أكسيد كربون بواسطة إنزيم اليورياز الموجود داخل الخلايا النباتية نفسها، ثم يتم تمثيل الأمونيا كما هو موضح أعلاه.

يعتبر الامتصاص الورقي أسرع بكثير من الامتصاص الجذري، ولكنه يوفر كمية أقل من النيتروجين. لذلك، هو مناسب لتصحيح النقص السريع أو لتوفير دفعة نيتروجينية تكميلية في مراحل النمو الحرجة، وليس كبديل للتسميد الأرضي.

---

الفصل الخامس: إدارة استخدام اليوريا: أفضل الممارسات والتوصيات

لتحقيق أقصى استفادة من سماد اليوريا وتقليل الآثار السلبية المحتملة، يجب على المزارعين اتباع ممارسات زراعية جيدة تأخذ في الاعتبار طبيعة السماد، ونوع التربة، والمحصول، والظروف المناخية. الهدف من الإدارة الفعالة هو ضمان وصول أكبر قدر ممكن من النيتروجين المطبق إلى النبات في الوقت المناسب.

5.1 تحديد الكميات المناسبة

"الأكثر ليس دائمًا الأفضل" هي قاعدة ذهبية عند استخدام اليوريا. الإفراط في التسميد لا يهدر المال فحسب، بل يمكن أن يضر بالمحصول والبيئة.

• تحليل التربة: الخطوة الأولى والأكثر أهمية هي إجراء تحليل للتربة لتحديد محتواها الحالي من النيتروجين والمواد المغذية الأخرى. يساعد هذا في تحديد الكمية الدقيقة التي يحتاجها المحصول.

• احتياجات المحصول: تختلف المحاصيل المختلفة في احتياجاتها من النيتروجين. على سبيل المثال، تحتاج محاصيل الحبوب مثل الذرة والقمح إلى كميات كبيرة من النيتروجين، بينما تحتاج البقوليات (مثل فول الصويا والفول) إلى كميات أقل بكثير لأنها تستطيع تثبيت النيتروجين من الهواء.

• مراحل النمو: تختلف حاجة النبات للنيتروجين باختلاف مراحل نموه. تكون الحاجة ماسة خلال فترة النمو الخضري السريع، وتقل عند الاقتراب من مرحلة النضج.

• التسميد المقسم (Split Application): بدلاً من إضافة كل كمية اليوريا دفعة واحدة في بداية الموسم، يفضل تقسيمها إلى عدة جرعات صغيرة يتم تطبيقها في مراحل النمو الرئيسية. هذا يضمن توفر النيتروجين عندما يحتاجه النبات بشدة ويقلل من خطر الفقدان بالغسيل أو التطاير.

5.2 اختيار التوقيت المناسب للإضافة

التوقيت هو كل شيء في التسميد باليوريا.

• تجنب درجات الحرارة المرتفعة: لا ينصح بإضافة اليوريا على سطح التربة خلال الأيام الحارة والجافة، لأن الحرارة تسرع من تحلل اليوريا وتزيد من فقدان الأمونيا بالتطاير بشكل كبير.

• قبل الري أو المطر: أفضل وقت لتطبيق اليوريا هو قبل هطول الأمطار مباشرة أو قبل عملية الري. يساعد الماء على إذابة حبيبات اليوريا ونقلها إلى داخل التربة، مما يقلل من تطاير الأمونيا ويضع النيتروجين في منطقة الجذور.

• مراحل النمو الحرجة: يجب توقيت الإضافات لتتزامن مع فترات ذروة طلب النبات للنيتروجين، مثل مرحلة التفريع في القمح أو مرحلة النمو السريع للساق في الذرة.

5.3 طرق الإضافة الفعالة

طريقة إضافة اليوريا إلى الحقل لها تأثير كبير على كفاءتها.

• الدمج في التربة: الطريقة الأكثر فعالية لتقليل فقدان الأمونيا بالتطاير هي دمج (خلط) اليوريا مع التربة مباشرة بعد نثرها، سواء عن طريق الحرث الخفيف أو باستخدام معدات حقن الأسمدة. يجب أن يكون العمق المثالي للتطبيق حوالي 5-10 سم.

• التسميد (Fertigation): في أنظمة الري الحديثة مثل الري بالتنقيط أو الري المحوري، يمكن إذابة اليوريا في مياه الري وتوصيلها مباشرة إلى منطقة الجذور. هذه الطريقة فعالة للغاية لأنها تطبق النيتروجين مع الماء، مما يضمن امتصاصًا سريعًا ويقلل من التطاير.

• النثر السطحي (Broadcasting): هي الطريقة الأسهل ولكنها الأقل كفاءة إذا لم يتم اتباعها بالري الفوري. إذا كان لا بد من استخدام هذه الطريقة، فيجب أن تتم في ظروف باردة ورطبة.

• التسميد الورقي (Foliar Spraying): كما ذكرنا سابقًا، يمكن رش محلول اليوريا (بتركيزات منخفضة، عادة 0.5% إلى 2%) على الأوراق. يجب تجنب الرش خلال ساعات النهار الحارة لمنع حرق الأوراق، ويفضل إجراؤه في الصباح الباكر أو في وقت متأخر من بعد الظهر.

5.4 أعراض نقص وزيادة النيتروجين

يعد التعرف على أعراض نقص أو زيادة النيتروجين أمرًا ضروريًا للمزارع لتعديل برنامج التسميد.

أعراض نقص النيتروجين (العوز):

• اصفرار الأوراق القديمة (السفلية): تبدأ الأوراق السفلية بالاصفرار (وهي حالة تسمى الكلوروسيس) لأن النبات ينقل النيتروجين المتحرك منها إلى الأوراق العلوية الجديدة.

• ضعف النمو وتقزمه: يكون النبات أصغر حجمًا من المعتاد، مع سيقان رفيعة وعدد قليل من الأفرع.

• أوراق خضراء باهتة: بشكل عام، يبدو النبات بلون أخضر شاحب.

• نضج مبكر ومحصول منخفض: في حالات النقص الشديد، قد تنضج النباتات مبكرًا مع إنتاج حبوب أو ثمار صغيرة الحجم.

أمثلة على نقص النيتروجين في محاصيل مختلفة:

• الذرة: يظهر اصفرار على شكل حرف "V" يبدأ من طرف الأوراق السفلية ويمتد إلى الأسفل على طول العرق الأوسط.

• القمح: اصفرار عام وتقزم النبات مع قلة عدد الأشطاء.

• الطماطم: تحول لون النبات بالكامل إلى أخضر مصفر، وتصبح الأوراق السفلية صفراء وتسقط.

أعراض زيادة النيتروجين (السمية):

• نمو خضري مفرط: ينتج النبات أوراقًا خضراء داكنة كثيفة وسيقانًا غضة على حساب الإزهار وتكوين الثمار.

• تأخر النضج: قد يتأخر نضج المحصول بسبب استمرار النمو الخضري.

• ضعف السيقان (الرقاد): في محاصيل الحبوب، يمكن أن يؤدي النمو المفرط إلى ضعف السيقان وسقوطها (الرقاد)، مما يجعل الحصاد صعبًا ويقلل من جودة الحبوب.

• زيادة الحساسية للأمراض والحشرات: الأنسجة النباتية الغضة والمليئة بالنيتروجين تكون أكثر جاذبية للآفات الحشرية والأمراض الفطرية.

• قلة عقد الثمار وتساقط الأزهار: يمكن أن يؤدي التركيز العالي للنيتروجين إلى تساقط الأزهار وانخفاض نسبة تحولها إلى ثمار.

مثال: في زراعة القطن، يؤدي الإفراط في استخدام اليوريا إلى نمو شجري كثيف (هيشان)، وتظليل اللوز السفلي، وتأخر تفتحه، وزيادة الإصابة بديدان اللوز.

---

الفصل السادس: الآثار البيئية لاستخدام اليوريا وسبل التخفيف منها

على الرغم من الفوائد الهائلة لليوريا في زيادة الإنتاج الزراعي، فإن استخدامها غير الرشيد يمكن أن يؤدي إلى سلسلة من الآثار البيئية السلبية التي تؤثر على جودة الهواء والماء والتربة وتساهم في تغير المناخ.

6.1 تلوث المياه: التتريف (Eutrophication)

• غسيل النترات: كما ذكرنا سابقًا، فإن النترات (⁻NO₃)، وهي المنتج النهائي لتحول اليوريا في التربة الهوائية، شديدة الحركة ويمكن أن تُغسل بسهولة من منطقة الجذور إلى المياه الجوفية والسطحية (الأنهار والبحيرات).

• مخاطر صحية: تلوث مياه الشرب بالنترات يشكل خطرًا صحيًا، خاصة على الرضع، حيث يمكن أن يسبب حالة تعرف باسم "متلازمة الطفل الأزرق" (methemoglobinemia)، التي تعيق قدرة الدم على حمل الأكسجين.

• التتريف: عندما تصل تركيزات عالية من النترات (والفوسفات) إلى المسطحات المائية، فإنها تعمل كسماد للطحالب والنباتات المائية، مما يؤدي إلى نمو هائل وسريع لها، وهي ظاهرة تعرف بـ التتريف أو الإثراء الغذائي. هذا النمو الكثيف للطحالب يحجب ضوء الشمس عن النباتات المائية الأخرى ويؤدي إلى موتها. وعندما تموت هذه الكتلة الهائلة من الطحالب وتتحلل بواسطة البكتيريا، تستهلك هذه البكتيريا كميات كبيرة من الأكسجين المذاب في الماء، مما يخلق "مناطق ميتة" (Hypoxic zones) لا تستطيع الأسماك والكائنات المائية الأخرى العيش فيها.

6.2 تلوث الهواء وانبعاثات غازات الدفيئة

• تطاير الأمونيا (NH₃): يعد فقدان الأمونيا من اليوريا المطبقة على سطح التربة مصدرًا رئيسيًا لتلوث الهواء. تساهم الأمونيا في تكوين الجسيمات الدقيقة (PM2.5) في الغلاف الجوي، والتي ترتبط بمشاكل في الجهاز التنفسي للإنسان. كما أن ترسب الأمونيا يمكن أن يؤدي إلى تحمض التربة والنظم البيئية المائية.

• انبعاثات أكسيد النيتروز (N₂O): تحدث عملية نزع النتروجين في التربة الرطبة سيئة التهوية، وتطلق غاز أكسيد النيتروز (N₂O). على الرغم من أن كمياته أقل من ثاني أكسيد الكربون، إلا أن أكسيد النيتروز هو أحد غازات الدفيئة القوية، حيث أن قدرته على حبس الحرارة تزيد بحوالي 300 مرة عن قدرة ثاني أكسيد الكربون على مدى 100 عام. يعتبر استخدام الأسمدة النيتروجينية المصدر الأكبر لانبعاثات أكسيد النيتروز التي يسببها الإنسان.

6.3 التأثير على صحة التربة

• التحمض: على الرغم من أن التأثير الأولي لتحلل اليوريا هو زيادة قلوية التربة، فإن عملية النترجة (تحويل الأمونيوم إلى نترات) تطلق أيونات الهيدروجين (⁺H)، مما يؤدي إلى تحمض التربة على المدى الطويل. يمكن أن يؤثر انخفاض درجة الحموضة سلبًا على توفر العناصر الغذائية الأخرى ونشاط الكائنات الحية الدقيقة المفيدة.

• التأثير على الكائنات الحية الدقيقة: يمكن أن يؤدي التركيز العالي للأمونيا بالقرب من حبيبات اليوريا المتحللة إلى تثبيط أو قتل بعض الكائنات الحية الدقيقة في التربة، مما قد يؤثر على صحة التربة ودورات المغذيات.

6.4 استراتيجيات التخفيف من الآثار البيئية

لمواجهة هذه التحديات، تم تطوير العديد من الاستراتيجيات والممارسات، المعروفة باسم ممارسات 4R لإدارة المغذيات:

1. المصدر الصحيح (Right Source): اختيار النوع المناسب من السماد. في بعض الحالات، قد تكون الأسمدة بطيئة التحرر أو المثبطة خيارًا أفضل من اليوريا التقليدية.

2. المعدل الصحيح (Right Rate): تطبيق الكمية المناسبة فقط بناءً على اختبار التربة واحتياجات المحصول لتقليل الفائض الذي يمكن أن يُفقد في البيئة.

3. الوقت الصحيح (Right Time): تطبيق الأسمدة عندما يكون النبات في أمس الحاجة إليها لضمان أقصى امتصاص.

4. المكان الصحيح (Right Place): وضع السماد في منطقة الجذور حيث يمكن للنبات الوصول إليه بسهولة، مثل الحقن تحت السطح بدلاً من النثر السطحي.

---

الفصل السابع: مستقبل اليوريا: الأسمدة المحسنة والبدائل

استجابةً للحاجة الملحة لزيادة كفاءة استخدام النيتروجين وتقليل البصمة البيئية للزراعة، يركز البحث والتطوير على ابتكار جيل جديد من أسمدة اليوريا، تُعرف باسم الأسمدة ذات الكفاءة المحسنة (Enhanced Efficiency Fertilizers - EEFs).

7.1 الأسمدة بطيئة ومُتحكَّمَة التحرر

تهدف هذه الأسمدة إلى إطلاق النيتروجين بشكل تدريجي على مدى فترة زمنية أطول، بحيث يتزامن توفره مع احتياجات النبات المتنامية.

• اليوريا المغلفة (Coated Urea): يتم تغليف حبيبات اليوريا بمادة شبه منفذة، مثل الكبريت أو البوليمرات. يتحكم سمك ونوع الطلاء في معدل تسرب الماء إلى الحبيبة ومعدل خروج اليوريا الذائبة منها. هذا يقلل من الفقد الأولي ويضمن إمدادًا ثابتًا بالنيتروجين.

• يوريا الفورمالديهايد (Urea-Formaldehyde - UF): هي أسمدة تنتج عن طريق تفاعل اليوريا مع الفورمالديهايد لتكوين بوليمرات طويلة السلسلة ذات قابلية ذوبان منخفضة. تقوم الكائنات الحية الدقيقة في التربة بتكسير هذه السلاسل ببطء، مما يؤدي إلى إطلاق النيتروجين بشكل تدريجي.

7.2 اليوريا المستقرة (Stabilized Urea)

تركز هذه التقنية على إبطاء العمليات الميكروبية التي تؤدي إلى فقدان النيتروجين.

• مثبطات إنزيم اليورياز (Urease Inhibitors): هي مركبات كيميائية، مثل NBPT، يتم خلطها مع اليوريا. تعمل هذه المثبطات على تعطيل إنزيم اليورياز مؤقتًا، مما يبطئ عملية تحلل اليوريا إلى أمونيا. هذا يمنح المزيد من الوقت لكي تنتقل اليوريا إلى داخل التربة عن طريق المطر أو الري قبل حدوث التحلل، مما يقلل بشكل كبير من فقدان الأمونيا بالتطاير.

• مثبطات النترجة (Nitrification Inhibitors): هي مركبات، مثل DCD و Nitrapyrin، تعمل على تثبيط نشاط بكتيريا النيتروسوموناس. من خلال إبطاء تحويل الأمونيوم (⁺NH₄) إلى نترات (⁻NO₃)، فإنها تحافظ على النيتروجين في صورة الأمونيوم الموجبة الشحنة والممتصة على التربة لفترة أطول. هذا يقلل من خطر فقدان النيتروجين عن طريق غسيل النترات أو نزع النتروجين.

7.3 مقارنة اليوريا بالأسمدة النيتروجينية الأخرى

على الرغم من هيمنة اليوريا، إلا أن هناك أسمدة نيتروجينية أخرى لها خصائصها واستخداماتها:

| السماد | الصيغة الكيميائية | نسبة النيتروجين (%) | الخصائص والملاحظات |

| :--- | :--- | :--- | :--- |

| اليوريا | CO(NH₂)₂ | 46% | الأعلى تركيزًا، تكلفة منخفضة، عرضة للتطاير إذا لم تُدرج في التربة. |

| نترات الأمونيوم | NH₄NO₃ | 33-34% | توفر النيتروجين في صورتي الأمونيوم والنترات (امتصاص سريع وبطيء)، ولكنها أكثر خطورة في التخزين. |

| كبريتات الأمونيوم | (NH₄)₂SO₄ | 21% | توفر الكبريت (مغذي ثانوي مهم)، ولكنها الأكثر تحميضًا للتربة. |

| نترات أمونيوم الكالسيوم (CAN) | خليط | 27% | تحتوي على الكالسيوم، وأقل تحميضًا للتربة، ومناسبة للتربة الحمضية. |

الاختيار بين هذه الأسمدة يعتمد على نوع المحصول، ونوع التربة، والتكلفة، والممارسات الزراعية المتبعة. على سبيل المثال، في التربة القلوية حيث يكون تطاير الأمونيا من اليوريا مشكلة كبيرة، قد تكون نترات الأمونيوم خيارًا أفضل على الرغم من تكلفتها الأعلى.

---

خاتمة: نحو استخدام مستدام لليوريا

لقد أحدثت اليوريا ثورة في قدرتنا على إنتاج الغذاء، ولا يمكن إنكار دورها الحيوي في دعم سكان العالم. من خلال فهم رحلتها المعقدة - من حبيبة بيضاء صلبة إلى جزء لا يتجزأ من بروتينات النبات - يمكننا تقدير التوازن الدقيق بين الكيمياء والبيولوجيا الذي يحكم خصوبة التربة. ومع ذلك، فإن التحديات البيئية المرتبطة باستخدامها، من تلوث المياه إلى انبعاثات غازات الدفيئة، تتطلب منا التحرك نحو نهج أكثر ذكاءً واستدامة.

إن مستقبل الزراعة لا يكمن في التخلي عن اليوريا، بل في تحسين استخدامها. من خلال تبني الممارسات الزراعية الدقيقة، وتطبيق مبادئ الإدارة المتكاملة للمغذيات (4R)، والاستثمار في التقنيات المبتكرة مثل الأسمدة ذات الكفاءة المحسنة، يمكننا الاستمرار في الاستفادة من قوة اليوريا لتعزيز النمو الأخضر مع حماية كوكبنا. إن إدارة "الذهب الأبيض" للزراعة بحكمة ومسؤولية هو مفتاح ضمان مستقبل غذائي آمن ومستدام للأجيال القادمة.