الصرف الزراعي وإمكانية استخدام المياه

يؤدي الصرف الزراعي دورا مهما في إنتاج الغذاء العالمي، حيث يوفر ضمانة للاستثمارات في الري، فضلا عن الحفاظ على موارد التربة. خلال النصف الثاني من القرن العشرين تم بناء مشاريع تصريف كبيرة في جميع أنحاء العالم على حوالي 150 مليون هكتار متأثرة بمشاكل الفيضانات والملوحة مما ساهم في تحسين الإنتاج الغذائي العالمي بشكل كبير من خلال تكثيف وتنويع الأنشطة الزراعية التنافسية والمستدامة ماليا.

يمثل التدخل الاصطناعي لملف التربة المرتبط بالهياكل الهيدروليكية الملحقة اللازمة للتخلص من المياه المستنزفة استثمارات عامة وخاصة كبيرة موجهة لحل حالات الصرف الزراعي الضعيفة.

شاهد: فوائد العناية بالصرف الزراعي

اقرأ المزيد: رئيس الوزراء يستعرض آليات الاستغلال الأمثل لمياه الصرف الزراعي بعد المعالجة

لذلك، من الضروري أن يتم تصميم أنظمة الصرف الصحي وتركيبها وتشغيلها وصيانتها بشكل صحيح، ويحدد تخطيط وتصميم شبكات الصرف كفاءة إزالة المياه والملوحة من ملامح التربة الزراعية. في البلدان النامية نجد معظم مرافق الصرف أبعد ما تكون عن كونها كافية؛ تم تنفيذ 14٪ فقط من 1.500 مليون هكتار مزروعة في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك الأراضي المروية وغير المروية، بأي نوع من هياكل الصرف.

تسلط هذه المقالة الضوء على، أولا: مشاكل الصرف الزراعى القاصرة، ثانيا: تصميم وأنواع الصرف الزراعى، ثالثا: المعايير والبروتوكولات لتصريف الأراضي الزراعية.

أولا: مشاكل الصرف الزراعي القاصرة

يتكون تصريف الأراضي الزراعية من مجموعة من الاستراتيجيات التقنية والهياكل الهيدروليكية التي تسمح بإزالة فائض المياه و / أو الأملاح الموجودة في حجم التربة التي تشغلها جذور المحاصيل، لتوفير بيئة مؤكسدة بشكل كافٍ ومناسبة للتطور الطبيعي للجذور، والحفاظ على كمية كافية من الماء والهواء النسبية وفقا للاحتياجات الفسيولوجية للمحاصيل، لتمكين استدامة التربة لظروف إنتاج المحاصيل.

اقرأ المزيد: وزير الري: حلول جذرية لمشكلة زيادة الملوحة والصرف الزراعي بواحة سيوة

في ظل ظروف الصرف القاصرة والناتجة عن المياه الزائدة المخزنة في مساحة مسام التربة، يكون ضغط بخار الأكسجين محدودا جدا للنشاط البيولوجي الطبيعي للمحاصيل الجذرية، وكذلك للنباتات الدقيقة ونشاط الحيوانات الدقيقة في التربة.

تسبب هذه الحالة اضطرابات فسيولوجية متعددة في النباتات: مثل عمليات تحريض إغلاق الثغور في الأوراق، بسبب زيادة تركيز ABA (حمض الأبسيسيك)، فضلا عن انخفاض نفاذية أغشية خلايا الجزر الخارجية وامتصاص المغذيات. تمنع ظروف نقص الأكسجين في التربة معدلات تنفس أنسجة الجذر والعمليات النشطة على المستوى الخلوي، مما يؤثر على عمليات التمثيل الغذائي الهامة في النباتات، والتي تتفاعل مع الإجهاد التأكسدي باستخدام ركيزة فريدة من نوعها من الفسفرة ADP إلى ATP، وبالتالي تولد اضطرابات الطاقة الأيضية، مما يؤدي إلى تحلل السكر المخمر بدلا من التنفس التأكسدي. نتيجة لذلك، يتم إعاقة معدل التمثيل الضوئي للنبات ويتم تقليل نقل المواد المذابة بين أعضاء النبات، من خلال أنسجتها الموصلة، مما يؤدي إلى تعديل آليات النقل والتخزين للبنية الضوئية والمعادن في النبات بأكمله.

اقرأ المزيد: وزير الري يؤكد ضرورة الاستفادة من مياه الصرف الزراعي والصحي

ثبت أيضا أن نقص الأكسجين يؤدي إلى تلف الأكسدة الضوئية في الأوراق بسبب توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) مثل الأكسيد الفائق (O2 -)، وبيروكسيد الهيدروجين (H2O2) وجذور الهيدروكسيل (OH-)، والتي تؤثر على وظائف البلاستيدات الخضراء الأساسية، مما يؤدي إلى مستويات كبيرة من الإصابة بالكلور وتحريض الشيخوخة المبكرة في أنسجة النبات. تأثير آخر مهم لنقص الأكسجين هو توليد إشارات كيميائية نباتية وتحفيز إنتاج ABA في الأوراق، مما يؤدي إلى تنشيط آليات إغلاق الثغور ويقلل من معدلات التمثيل الضوئي والنتح.

شاهد: زراعة الجاتروفا بمياه الصرف الزراعي

بالنسبة للتربة في ظل ظروف تهوية محدودة، يتم إنتاج زيادة في تركيز ثاني أكسيد الكربون داخل الحجم المسامي للتربة، مع زيادة عابرة في درجة الحموضة حول نظام امتصاص الجذر.

أيضا، تم التعرف على تراكم غازات أخرى في التربة مثل الميثان وكبريتيد الهيدروجين المتولدة أثناء التحلل اللاهوائي للمواد العضوية في التربة، والتي قد يكون لها خصائص سامة للنبات، مما يتسبب في أضرار بيئية في التربة التي غمرتها المياه.

شاهد: بيارة الصرف الزراعي في واحة سيوة بمحافظة مطروح

نتيجة لاضطرابات التمثيل الغذائي للنبات الناتجة عن حالات نقص الأكسجين الكلي أو الجزئي بالقرب من الجذور، والناجمة عن ظروف الصرف السيئة، غالبا ما يحدث انخفاض في إنتاج المحاصيل.

في التربة التي تعاني من نقص الأكسجين، كان من أوائل التغييرات التي يمكن اكتشافها انخفاض معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون الصافي، كما في الأفوكادو، وفاصوليا عباد الشمس. غالبا ما يقترن هذا التخفيض بانخفاض في توصيل الثغور ومعدل النتح والضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون بين الخلايا في الأوراق.

في التربة ضعيفة التصريف، يؤثر الاعتماد الجوهري بين المحتوى المائي والكثافة الظاهرة والمسامية أيضا على الخصائص الفيزيائية والديناميكية المائية للتربة، مثل التغييرات الرئيسية في بنية التربة، مما يقلل من نفاذية التربة وتقلبات درجات الحرارة، مع تأثيرات كبيرة على تنمية المحاصيل وإنتاجيتها.

تحت درجة حرارة التربة المنخفضة، تنخفض معدلات التفاعلات الكيميائية والبيولوجية بشكل كبير وتظهر قيود شديدة على امتصاص العناصر الغذائية النباتية الرئيسية، مثل النيتروجين والفوسفور والكبريت والكالسيوم في التربة الباردة سيئة الصرف.

اقرأ المزيد: الري الناقص لتقليل استخدام المياه للزراعة

تتأثر الكائنات الحية الدقيقة المسؤولة عن تدهور المواد العضوية في التربة بالتغيرات في بيئة التربة؛ درجات الحرارة المنخفضة والظروف اللاهوائية تقيد نشاط الكائنات الحية الدقيقة، ويؤدي الانخفاض في درجة حرارة التربة الناتج عن التشبع بالمياه إلى انخفاض نسبي في معدلات تحلل المواد العضوية.

في التربة ضعيفة التهوية تكون التركيزات العالية من العناصر المعدنية بأشكال مختزلة (Fe + 2 ، Al + 3 ، NH4 +) شائعة. يعد انتشار الأكسجين في التربة المشبعة منخفضا للغاية، لذلك مع زيادة العمق في ملف التربة المشبع يتضاءل وجود O2 وتصبح إمكانات الأكسدة والاختزال منخفضة للغاية.

علاوة على ذلك، قد تفقد التربة بعض أنواع النيتروجين القابلة للذوبان بسبب أكسدة نيتروجين الأمونيا لكل من النيتريك والنيتروجين، يليه بعد ذلك اختزال هذه الأنواع من النيتروجين إلى أشكال مختلفة من النيتروجين الغازي، مما ينتج عنه إطلاق النيتروجين الغازي في الغلاف الجوي.

اقرأ المزيد: مستشار وزير الزراعة: ترشيد استخدام المياه في الزراعة أصبح ضرورة حتمية

التشبع بالمياه في التربة هو العامل الرئيسي الذي يؤثر على عملية ضغط التربة والتي يتم تعريفها على أنها العملية التي تنظم فيها جزيئات التربة نفسها مكانيا، مما يقلل المساحات الفارغة في التربة، وبالتالي زيادة كثافتها الظاهرة؛ بمعنى آخر، فإن الزيادة في محتوى رطوبة التربة تقلل من قدرتها على دعم التحميل وتقليل الضغط المسموح به بسبب العمل الميكانيكي.

ترتبط المستويات العالية من ضغط التربة بمقاومة اختراق التربة، حيث ينتج ضغط التربة بشكل أساسي عن أنشطة الحراثة ووزن الآلات الذي ينتقل إلى التربة إما من خلال العجلات أو عناصر التلامس الأخرى؛ تعد كثافة حركة الآلات الزراعية عاملا محددا لمشاكل انضغاط التربة في التربة سيئة الصرف.

غالبا ما تكون هناك حاجة إلى حرث التربة للحفاظ على التهوية المثلى داخل قطاع تجذير التربة في التربة الطينية، حيث يؤدي الاستخدام المكثف للمحراث على عمق معين إلى إنشاء طبقة تربة مضغوطة وغير منفذة تقريبًا تقع مباشرة أسفل عمق المحراث مما يحد من نمو جذر المحاصيل.

تتراكم ملامح التربة في الأملاح الذائبة الموجودة في الطبقات الفاسدة في المناطق القاحلة وشبه القاحلة، قد ترتفع هذه الأملاح عن طريق الشعيرات المائية من الطبقات الصخرية إلى حجم التربة الذي تشغله جذور المحاصيل؛ يتكرر وجود عباءة ملحية في منخفضات التربة.

يمكن أن يحدث تملح التربة التدريجي الناتج عن ظروف الصرف السيئة؛ الأملاح الرئيسية الموجودة في ملامح التربة سيئة الصرف تتوافق مع الكبريتات والنترات والكلوريدات والكربونات والبيكربونات.

اقرأ المزيد: النتائج المرجوة من خطة ترشيد استخدام المياه في الزراعة

تعمل عمليات تملح التربة أيضا على تعديل بنية التربة، مما يؤدي إلى تدهور تدريجي في إنتاجيتها الزراعية، لأن التركيزات العالية من الملح يمكن أن تشتت ركام التربة الطينية وتقلل من مسامية التربة ونفاذية التربة، كما تقلل من توافر المياه للمحاصيل ويمكن أن تكون سامة للنباتات.

تنشأ هذه الظواهر من تقشر وتصلب سطح التربة مما يزيد من مقاومة التربة للاختراق ويقلل من تبادل غازات التربة مع الغلاف الجوي، فضلاً عن تقليل معدل تسرب مياه التربة. التربة المالحة والصودية ليست فقط متدهورة فيزيائيا وكيميائيا، ولكن يمكن أيضا أن تتأثر بيولوجيا ، بسبب انخفاض تركيز ونشاط الكائنات الحية الدقيقة غير المتجانسة.

معدل تحلل المادة العضوية في التربة سيئة الصرف أقل بكثير مقارنة بالتربة ذات ظروف التهوية العادية. يحدث انخفاض في خصوبة التربة وإمدادات المغذيات للمحاصيل مع ظروف الصرف السيئة، وهناك حاجة إلى معدلات أكبر لاحتياجات المحاصيل من الأسمدة للوصول إلى غلة المحاصيل المربحة.

تعتبر إزالة ظروف التشبع بالمياه في التربة من خلال الصرف الزراعي أمرا بالغ الأهمية لإنتاج المحاصيل بكفاءة واستدامة في المناطق المروية، سواء في المناطق الاستوائية وكذلك في المناطق البعلية، حيث تلبي المحاصيل متطلباتها المائية حصريا من الترسبات.

في بعض المناطق يتم إنتاج تصريف التربة بشكل طبيعي، ولكن في مناطق أخرى، يكون تدخل التربة ضروريا لتهيئة الظروف اللازمة لتصريف صناعي فعال.

اقرأ المزيد: إعادة استخدام المياه الرمادية

في المناطق الاستوائية، يكون هطول الأمطار بشكل عام أكبر من التبخر. بالنسبة للتربة منخفضة التوصيل الهيدروليكي فإن مشاكل الصرف السطحية شائعة. في هذه المناطق يضمن فائض الترسبات دائما الحفاظ على توازن المياه المالحة في التربة.

لذا فإن الغرض الرئيسي من الصرف في هذه المناطق هو إخلاء المياه من ملف التربة وتوفير ظروف تهوية مثالية في ملف التربة. في المناطق القاحلة وشبه القاحلة يكون الطلب على التبخر في الغلاف الجوي مرتفعا وتندر الترسبات.

بشكل عام يكون إجمالي هطول الأمطار السنوي أقل بكثير من تبخر المحصول، لا يمكن النشاط الزراعي إلا من خلال تنفيذ الري والاعتراف بشروط التوازن الهيدروليكي وتمكين المحاصيل من الوصول إلى غلات مربحة.

يحدد الري المفرط ظروف التشبع للتطور، وبالتالي رفع مستويات الجراثيم في ملف التربة. علاوة على ذلك في المناطق القاحلة وشبه القاحلة يمكن أن تؤدي مياه الري التي تحتوي على تركيزات كبيرة من الملح إلى تدهور إنتاجية التربة وتقليل توافر المياه للمحاصيل عن طريق تقليل إمكانات مياه التربة. لذلك فإن الصرف الصناعي في هذه المناطق يهدف إلى تقليل مستويات الجراثيم والقضاء على الملوحة من التربة التي تشغلها أنظمة تجذير المحاصيل.

اقرأ المزيد: استراتيجيات لزيادة الإنتاجية واستقرار أنظمة الزراعة في الأراضي الجافة

يشترك تصميم الصرف الزراعي الصناعي في المناطق الاستوائية والقاحلة في مبادئ مشتركة، ولكن هناك اختلافات مهمة في تصميم نظام الصرف وأهداف التخطيط. الهدف الرئيسي للمناطق الاستوائية هو التحكم في التشبع بالمياه لتوفير ظروف تهوية مثالية للمحاصيل؛ في المناطق القاحلة وشبه القاحلة لا يشمل الصرف اعتبارات تهوية التربة فحسب، بل يجب أيضا مراعاة التحكم في الملوحة وتجنب نقص رطوبة التربة.

يجب أن تتضمن أنظمة الصرف السطحي للتربة الزراعية معلومات كمية عن الجوانب ذات الصلة بالهندسة الهيدروليكية والزراعة والبيئة والهيدرولوجيا، فضلا عن الجوانب الاقتصادية والاجتماعية والسياسية الاجتماعية، من أجل وضع معايير مناسبة للصرف الأمثل؛ ومع ذلك فإن الغرض الرئيسي من تصميم الصرف هو تحسين التربة التي تظهر طبقات مشبعة بالمياه.

سيوجه هذا التحسين نحو الحفاظ على التربة، وكذلك لتحسين غلة المحاصيل لتمكين تنويع المحاصيل وتحسين عمليات الحراثة الزراعية باستخدام آلات زراعية محددة. يتطلب تخطيط وتصميم نظام الصرف الملائم بالضرورة دراسات دقيقة للتربة، وأصل المياه الجوفية ومعدلات التغذية ، وعمق الطبقة السطحية وتطور الوقت، ومعدلات تدفق المياه العمودية وخصائص المحاصيل المتعلقة بمياه التربة ومحتويات الملح.

اقرأ المزيد: تحسين استهلاك المياه باستخدام المحاصيل

تتطلب دراسات الصرف الزراعي جمع بيانات شاملة ومراجعة وتحليل حول الجيولوجيا وعلوم التربة والتضاريس والآبار ومستوى المياه وتقلباتها وكمية وشدة وتواتر الترسبات والتدفق السطحي فوق المنطقة المراد تصريفها والخصائص المناخية والفينولوجيا من مراحل تطوير إنتاج المحاصيل.

هناك حاجة أيضا إلى دراسة كمية تتعلق بديناميكيات المياه الجوفية في ظل الظروف الميدانية، بما في ذلك معلومات عن وضع منسوب المياه الجوفية وتقلباتها طوال موسم إنتاج المحاصيل، في نقاط مختلفة داخل المنطقة التي سيتم تصريفها.

تمكن هذه الدراسات من تحديد المناطق المتأثرة بقيود الصرف وتحديد المسافة والعمق الأمثل للمصارف الجانبية، والتدفق المراد إزالته من أجل الحفاظ على ظروف التربة المناسبة لتنمية المحاصيل.

ثانيا: تصميم وأنواع الصرف الزراعي

هناك نوعان من أنظمة الصرف الرئيسية للتحكم في المياه الجوفية: الخنادق المفتوحة والأنابيب الجوفية. تتكون أنظمة الخنادق المفتوحة من حفريات في التربة تجمع المياه المخزنة في الطبقات المشبعة الموجودة؛ كما يمكن استخدامه لإزالة الجريان السطحي؛ يمكن لهذا النظام أن يفسر الخسائر الكبيرة في زراعة الأراضي، ووحدات التربة الأصغر لتشغيل الآلات الزراعية والتدخل في أنظمة الري، مما يجعل المهام الزراعية أكثر تكلفة.

اقرأ المزيد: إدارة مياه الري اقتصادياً

تتكون أنظمة الصرف تحت السطحي من أنابيب بلاستيكية، إما ناعمة أو مموجة، مزودة بثقوب، توضع داخل التربة، على مسافات وأعماق محددة؛ يستخدم هذا النظام بشكل أساسي لخفض منسوب المياه الجوفية في طبقات المياه الجوفية غير المحصورة.

تتكون أنظمة الصرف هذه في معظم الحالات من مصرف رئيسي ومصرف تجميع وشبكة من أنابيب الصرف الميدانية؛ يعتمد موضع الصرف الرئيسي على منحدر الحقل وموقع أدنى مستوى للحقل، والذي يتم من خلاله إزالة المياه المجمعة من منطقة التصريف.

اقرأ المزيد: استراتيجية أنظمة الري والصرف

عادة ما يوجد مصرف المجمع وشبكة المصارف الميدانية بالتوازي مع بعضهما البعض؛ المصارف الميدانية عبارة عن أنابيب مثقبة على امتدادها وتتمثل وظيفتها في التحكم في مستوى المياه، من خلال استقبال فائض المياه الموجود في ملف التربة ونقل هذه النفايات السائلة نحو مصرف المجمع.

المصارف الثانوية ووظائف الصرف الرئيسية الرئيسية هي توصيلات المياه من أنابيب الصرف إلى موقع تصريف المياه. هذه المصارف الموصلة هي إما من النوع الخندق المفتوح أو أنابيب تحت الأرض، وسيعتمد الخيار المحدد على تكاليف وأبعاد الأنابيب.

يتوافق تصميم الصرف تحت السطحي مع مجموعة من الخصائص الزراعية والهيدروليكية والهندسية التي يجب أن يفي بها نظام الصرف الجانبي، وذلك للتخلص من حجم مياه التربة المطلوبة لتحقيق النمو والإنتاج الأمثل للمحاصيل.

اقرأ المزيد: إدارة المياه الجوفية اقتصادياً واستدامتها

بشكل عام، يجب أن تحدد ميزات التصميم المعايير والمعايير المناسبة ذات الصلة بالتباعد بين المصارف الجانبية، وموضع العمق داخل ملف التربة والخصائص الهيدروليكية للشبكة الهيدروليكية المطلوبة لنقل حجم المياه المراد جمعها وإزالتها من المزروعة.

فيما يتعلق بجوانب البناء يجب أن تتضمن تعريفات حول تخطيط شبكة الصرف الهيدروليكي، والمواد المستخدمة، وكثافة الثقوب ونوعها، بالإضافة إلى تقنيات البناء وتركيب الشبكة وصيانتها.

ترتبط حسابات المسافة المثلى بين المصارف الجانبية المتتالية ارتباطا وثيقا بتدفق المياه نحو المصارف. لا يمكن تطوير نموذج رياضي للوصف الكمي للتدفق تحت السطحي باتجاه المصارف الجانبية إلا بناءً على تبسيط رياضي مستخلص من نظرية التدفق المشبع بالمياه الجوفية مع شروط أولية وحدودية محددة مسبقا.

ثالثا: المعايير والبروتوكولات لتصريف الأراضي الزراعية

أخيرا، لم يتم التحقق من صحة المعايير والبروتوكولات الموضوعة لتصريف الأراضي الزراعية في البلدان التي لديها خبرة في هذا الموضوع للظروف المحددة للتربة وحالات الصرف الناقص الموجودة في الظروف الزراعية المحلية.

اقرأ المزيد: إدارة المياه الجوفية اقتصادياً واستدامتها

تحدد المعايير الدولية لشبكات الصرف الخصائص المطلوبة لمواد الصرف (الخرسانة والبلاستيك والسيراميك)، وكذلك مواصفات المواد الخام من حيث تركيبها الكيميائي والإضافات الموصى بها.

أيضا نادرا ما تتوفر مواصفات لمقاومة أنابيب الصرف، فضلا عن نسب البلاستيك المعاد تدويره كبديل للمواد الخام.

يمكن استخدام القواعد الحالية لمواد الصرف الصادرة من البلدان ذات الخبرات الطويلة في الصرف كمرجع لتحديد المعايير الوطنية المطلوبة على وجه التحديد للظروف المحلية. هناك حاجة إلى تحسين كثافة وشكل الثقوب لأنابيب الصرف البلاستيكية، مما يسمح بزيادة كفاءة استخراج المياه وتقليل تكاليف الأنابيب لتحديد تقنيات التصميم والتقييم للمكونات الجديدة.

يمكن لبرنامج بحث تطبيقي مستمر يتم تنفيذه بشكل مشترك من قبل الجامعات ومعاهد البحث والصناعة، أن يوفر تقنيات لتطوير أنظمة تصريف فعالة ومنخفضة التكلفة تتكيف مع الظروف المحلية.

المواجع

Addiscott TM, Bland GJ 1988. Nitrate leaching models and soil heterogeneity. In: Jenkinson DS, Smith KA ed. Nitrogen efficiency in agricultural soils. London, England, Elsevier. Pp. 394-408.

Addiscott TM, Whitmore AP 1991. Simulation of solute leaching in soils of differing permeabilities. Soil Use and Management 7: 94-102.

Buyuktas D, Wallender WW 2002. Numerical simulation of water flow and solute transport to tile drains. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 128: 49-56.

Campbell GS 1974. A simple method for determining unsaturated conductivity from moisture retention data. Soil Science 117: 311-314.

Keating BA, Gaydon D, Huth NI, Probert ME, Verburg K, Smith CJ, Bond WJ 2002. Use of modeling to explore the water balance of dryland farming systems in the Murray-Darling Basin, Australia. European Journal of Agronomy 18: 159- 169.

Zhang L, Dawes W ed. 1998. WAVES. An integrated energy and water balance model. Canberra, CSIRO Land and Water. 171 p.