9.4 التوازن الشامل: ماذا يحدث للمغذيات بمجرد دخولها في نظام أكوابونك؟

9.4.1 السياق

ويستند عمل النظم المائية على التوازن الديناميكي لدورات المغذيات (Somerville et al. 2014). ولذلك فمن الضروري فهم هذه الدورات من أجل تحسين إدارة النظم على النحو الأمثل. النباتات التي تنمو المائية لديها متطلبات محددة، والتي ينبغي الوفاء بها خلال مراحل نموها المختلفة (Resh 2013). ولذلك، يجب رصد تركيزات المغذيات في مختلف أقسام النظام عن كثب، وينبغي استكمال المغذيات لمنع أوجه القصور (Resh 2013؛ Seawright et al. 1998) إما في مياه النظام أو عن طريق استخدام الأوراق (Roosta and Hamidpour 2011).

ووفقاً لـ Delaide et al. (2016)، في بعض الحالات، يمكن أن يؤدي تكميل المحلول المائي بالمغذيات المعدنية من أجل الوصول إلى نفس تركيزات المغذيات كما هو الحال في الزراعة المائية إلى غلات أعلى من تلك التي تحققت في الزراعة المائية. الخطوة الأولى التي يجب اتخاذها نحو نظام متوازن هي التصميم الصحيح والتحجيم النسبي للمقصورات (Buzby و Lin 2014). إذا كانت المقصورة المائية صغيرة جدا بالمقارنة مع خزانات الأسماك، ثم المواد الغذائية سوف تتراكم في الماء ويمكن أن تصل إلى مستويات سامة. وغالباً ما تستخدم نسبة معدل الأعلاف (أي كمية علف الأسماك في النظام القائم على سطح زراعة النبات ونوع النبات) في عملية التحجيم الأولى للنظام (Rakocy et al. 2006؛ Somerville et al. 2014). ومع ذلك، ووفقاً لما ذكره سي رايت وآخرون (1998)، لا يمكن الوصول إلى نسبة نبات/أسماك تسمح بالتوفيق الأمثل لاحتياجات النباتات إذا تم استخدام علف الأسماك فقط كمدخل. للتأكد من أن النظام متوازن بشكل جيد ويعمل بشكل صحيح، تعتمد طرق الرصد عادة على دورة النيتروجين (Cerozi and Fitzsimmons 2017؛ Somerville et al. 2014)، ولكن لضمان الأداء الأمثل للنظام، من الضروري مراقبة توازن المغذيات الكبيرة الأخرى عن كثب ( N، P، K، Ca، Mg، S) والمغذيات الدقيقة (Fe، Zn، B، Mn، Mo، Cu) (Resh 2013؛ Somerville et al. 2014؛ Sonneveld وVoogt 2009) كذلك. وقد بدأت الدراسات الحديثة (ديلايد وآخرون (2017)، شماوتز وآخرون (2015، 2016)) في معالجة هذا الموضوع. قارن شماوتز وآخرون (2015، 2016) تأثير ثلاثة تخطيطات مائية مختلفة (أي تقنية أغشية المغذيات (NFT)، الطوافة العائمة والري بالتنقيط) على امتصاص المغذيات من الطماطم المائية. كان الري بالتنقيط هو النظام الذي ينتج غلات أفضل قليلا مع الطماطم. وكان المحتوى المعدني للثمار (P، K، Ca، Mg) يعادل القيم التقليدية على الرغم من أن محتويات الحديد والزنك كانت أعلى. بيد أن مستويات الأوراق كانت أقل من P و K و S و Ca و Mg و Fe و Cu و Zn مما كانت عليه في الزراعة التقليدية. يتبع ديلايد وآخرون (2016) دورات المغذيات الكلية والمغذيات الدقيقة في نظام أكوابوني مقترن. لاحظوا أن K، P، Fe، Cu، Zn، Mn و Mo كانت تفتقر إلى حل aquaponic، في حين تراكمت بسرعة N، Ca، B و Na. وأشار Graber and Junge (2009) إلى أن المحلول المائي يحتوي على ثلاثة أضعاف أقل من النيتروجين وعشرة أضعاف الفوسفور أقل من المحلول المائي. أما بالنسبة للبوتاسيوم (K)، فقد كان أقل 45 مرة مقارنة بالزراعة المائية. ومع ذلك، فقد حصلوا على غلات مماثلة على الرغم من أن النوعية كانت أسوأ بسبب نقص البوتاسيوم (K).

العوامل المؤثرة على دورات المغذية

تؤثر كثافة الضوء ودرجة حرارة منطقة الجذر ودرجة حرارة الهواء وتوافر المغذيات ومرحلة النمو ومعدل النمو على امتصاص النبات للمغذيات (Buzby and Lin 2014). وأظهرت التجارب التي أجراها شماوتز وآخرون (2016) ولينارد وليونارد (2006) أن الطريقة المائية يمكن أن تلعب أيضاً دوراً في قدرة النبات على امتصاص المغذيات، ولذلك فمن الضروري مطابقة نظام النمو مع نوع الخضروات التي تزرع. وبالتالي فإن NFT وDWC (زراعة المياه العميقة - الطوف) مناسبان للخضر الورقية، في حين أن الري بالتنقيط على ألواح الصوف الصخري هو أكثر ملاءمة لخضروات الفواكه (Resh 2013).

9.4.2 دورات المغذيات الكبيرة

** الكربون (C) **

يتم توفير الكربون للأسماك عن طريق الأعلاف (Timmons و Ebeling 2013) وإلى النباتات عن طريق تثبيت Cosub2/sub. يمكن للأسماك استخدام 22% من الكربون الموجود في علف الأسماك لزيادة الكتلة الحيوية والتمثيل الغذائي. أما بقية الكربون الذي تم تناوله فيتم تخفيضه في شكل Cosub2/sub (52%) أو تفرز في شكل مذاب (0.7-3%) وصلبة (25%) (Timmons وEbeling 2013). يمكن استخدام Cosub2/sub المنتهية الصلاحية من قبل النباتات لمصدر الكربون الخاص بها كذلك (Körner et al. 2017). يتم ترك الجزء غير المأكل من كربون التغذية ليتحلل في النظام. كما يمكن أن يؤثر نوع الكربوهيدرات الموجودة في علف الأسماك (مثل السكريات النشا أو السكريات غير النشا) على قابلية هضم العلف والتحلل الحيوي للنفايات في الاستزراع المائي أو النظام المائي (Meriac et al. 2014).

** النيتروجين (N) **

يتم امتصاص النيتروجين من قبل النباتات إما في شكل نترات أو الأمونيوم (سونيفيلد وفوغت 2009؛ شو وآخرون 2012) اعتمادا على التركيز وعلم وظائف الأعضاء النباتية (فينك وفيلر 1998 استشهد بها ونغكيو وآخرون 2017). لا ينبغي إغفال الروابط بين النباتات والكائنات الدقيقة لأن النباتات تؤثر على وجود الكائنات الحية الدقيقة في أكوابونيكش، والكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تلعب دورا هاما في قدرة امتصاص النيتروجين للنباتات (ونغكيو وآخرون 2017). يتأثر امتصاص النباتات للنيتروجين بتركيز ثاني أكسيد الكربون المحيط (Zhang et al. 2008 استشهد به Wongkiew et al. 2017).

**الفوسفور (P) **

الفوسفور هو واحد من العناصر الأساسية لنمو النبات ويمكن امتصاصه تحت شكله الأيوني أورثوفوسفات (HSUB2/subp4/Subsup-/سوب، HPOSUB4/Subsup2-/سوب، POSUB4/sub3-/سوب) (برابهو وآخرون. 2007؛ ريش 2013). لا يعرف سوى القليل عن ديناميات الفوسفور في أكوابونيكش. المدخلات الرئيسية للفوسفور في النظام هي تغذية الأسماك (Cerozi and Fitzsimmons 2017؛ Delaide et al. 2017؛ Schmautz et al. 2015)، وفي النظم غير المكملة ([الفصل 7](/المجتمع/المقارد/الفصل 7-coupled-aquaponics-systems))، يميل الفوسفور إلى الحد وبالتالي يمكن أن يعوق أن يعوق نمو النبات (غرابر و جونج 2009؛ سيرايت وآخرون 1998). وفقا لرفيعي وسعد (2005)، يمكن للأسماك استخدام ما يصل إلى 15٪ من الفوسفور الموجود في العلف. في نظام زراعة الخس، لاحظ Cerozi و Fitzsimmons (2017) أن كمية الفوسفور التي توفرها تغذية الأسماك يمكن أن تكون كافية أو غير كافية اعتمادا على مرحلة النمو. يمكن إعادة تدوير ما يصل إلى 100% من الفوسفور الموجود في مياه السمك في الكتلة الحيوية النباتية، اعتمادًا على تصميم النظام. وقد لاحظ غرابر وجونج (2009) إعادة تدوير بنسبة 50%، في حين أفاد شماوتز وآخرون (2015) بأن 32% من الفوسفور يمكن العثور عليه في الفاكهة و28% في الأوراق. وتعتمد قابلية ذوبان الفوسفور على درجة الحموضة، وستعزز درجة الحموضة الأعلى هطول الفوسفور، مما يجعلها غير متاحة للنباتات (Yildiz et al. 2017). يمكن أن يعجل الفوسفور كما ستروفيت (فوسفات الأمونيوم المغنيسيوم) (Le Corre et al. 2005) و/أو هيدروكسيباتيت (Cerozi وFitzsimmons 2017؛ Goddek et al. 2015). تتم إزالة هذه المجمعات غير القابلة للذوبان عن طريق حمأة الأسماك الصلبة من النظام. وأفاد شنايدر وآخرون (2004) أن 30 إلى 65% من الفوسفور الموجود في علف الأسماك لا يزال غير متاح للنباتات لأنه ثابت في الإفرازات الصلبة التي تتم إزالتها بعد ذلك عن طريق الترشيح الميكانيكي. وقدر يوغيف وآخرون (2016) أن هذه الخسارة يمكن أن تصل إلى 85٪. أحد الخيارات لمنع هذا الفقدان الهائل من P عن طريق الحمأة الصلبة هو إضافة حجرة الهضم إلى نظام أكوابونك. أثناء الهضم الهوائي أو اللاهوائي، يتم إطلاق P في الهضم ويمكن إعادة إدخاله في المياه المتداولة (Goddek et al. 2016).

**البوتاسيوم (K) **

وجد ديلايد وآخرون (2017) أن المصدر الرئيسي للK في نظامهم هو تغذية الأسماك. يمكن للأسماك أن تستخدم ما يصل إلى 7% من K الموجود في علف الأسماك (Rafiee and Saad 2005). ومع ذلك، فإن البوتاسيوم ليس ضرورياً للأسماك مما يؤدي إلى انخفاض تكوين البوتاسيوم لعلف الأسماك وإلى انخفاض مستويات البوتاسيوم المتاحة للنباتات (Graber and Junge 2009؛ Seawright et al. 1998؛ Suhl et al. 2016). لتوريد البوتاسيوم، غالباً ما يستخدم المخزن المؤقت للدرجة الهيدروجيني KOH لأن الرقم الهيدروجيني غالباً ما ينخفض في أكوابونيكشن بسبب النتريفيكاتيون (Graber and Junge 2009). في نظام أكوابونك المزروع مع الطماطم، والبوتاسيوم المتراكمة أساسا في الفواكه (شماوتز وآخرون. 2016).

**المغنيسيوم (ملغ) والكالسيوم (كاليفورنيا) والكبريت (S) **

المصدر الرئيسي لMg و Ca و S هو مياه الصنبور التي تسهل الامتصاص من قبل النباتات حيث أن العناصر الغذائية متوفرة بالفعل (Delaide et al. 2017). غير أن الكالسيوم موجود في مستويات غير كافية في أكوابونيكش (شماوتز وآخرون 2015؛ سيرايت وآخرون 1998) ويضاف تحت شكل هيدروكسيد الكالسيوم كا (أوه) sub2/sub (تيمونز وEbeling 2013). ووفقا لرفيعي وسعد (2005)، يمكن للأسماك أن تستخدم في المتوسط 26.8٪ من الكالسيوم و 20.3٪ من المغنيسيوم الموجود في العلف. وكثيراً ما يكون الكبريت عند مستويات منخفضة في النظم المائية (Graber and Junge 2009؛ Seawrit et al. 1998).

دورات المغذيات الدقيقة

الحديد (الحديد) والمنغنيز (Mn) والزنك (Zn) مستمدة بشكل رئيسي من تغذية الأسماك، بينما يستمد البورون (B) والنحاس (Cu) من مياه الصنبور (Delaide et al. 2017). وفي علم الأحياء المائية، غالباً ما تكون المغذيات الدقيقة الرئيسية موجودة ولكن عند مستويات منخفضة جداً (Delaide et al. 2017)، ومن ثم يلزم الحصول على مكملات من مصادر خارجية للمغذيات ([الفصل 8](/المجتمع/المقالات/الفصل 8-dcoupled-aquaponics-systems)). وتحدث حالات نقص الحديد في كثير من الأحيان في علم الأحياء المائية (Schmautz et al. 2015؛ Seawright et al. 1998؛ Fitzsimmons and Posadas؛ 1997 الذي استشهد به Licamele 2009)، ويرجع ذلك في الغالب إلى عدم توافر شكل أيون الحديدي. ويمكن حل هذا النقص عن طريق استخدام سيديروفور البكتيرية (أي مركبات مخلب الحديد العضوية) التي تنتجها أجناس مثل Bacillus أو Pseudomonas (Bartelme et al. 2018) أو عن طريق تكميل الحديد بالحديد المخلب الكيميائي لتجنب هطول الحديد.

9.4.4 خسائر المغذيات

الحد من فقدان المغذيات هو تحد مستمر يواجه ممارسي الأحياء المائية. ويحدث فقدان المغذيات بعدة طرق، مثل تسوية الحمأة (37% من البراز و18% من الأعلاف غير المأكل) (Neto and Ostrensky 2015)، وفقدان المياه، وإزالة التلوث، وتطاير الأمونيا، وما إلى ذلك (Wongkiew et al. 2017). وكمثال على ذلك، لاحظ رافيي وسعد (2005) أن 24% من الحديد و 86% من المنغنيز و 47% من الزنك و 22% من النحاس و 16% من الكالسيوم و 89% من المغنيسيوم و 6% من النيتروجين و 6% من البوتاسيوم و 18% من الفوسفور الموجود في علف الأسماك كانت موجودة في الحمأة. يمكن أن تستوعب الحمأة ما يصل إلى 40٪ من العناصر الغذائية الموجودة في مدخلات التغذية (Yogev et al. 2016).

يمكن أن يؤدي نزع النيتروجين إلى فقدان 25 إلى 60% من النيتروجين (هو وآخرون 2015؛ زو وآخرون 2016). وترتبط عملية إزالة النترات أيضا بظروف نقص الأكسجين (Madigan and Martinko 2007؛ van Lier et al. 2008) وانخفاض مستويات الكربون، وهي مسؤولة عن تحويل النترات إلى النتريت، وأكسيد النيتريك (NSUB2/subo)، وفي نهاية المطاف غاز النيتروجين (NSUB2/sub) مع تدفقات إلى الغلاف الجوي (المرجع نفسه. ). يتم إجراء التحلل من قبل العديد من البكتيريا غير الغذائية الاختيارية مثل Achromobacter، Aerobacter، Acinetobacter، Bacillus، Brevibacterium، Flavobacterium، Pseudomonas، بروتيوس و micrococccus sp. (جنتيل وآخرون 2007؛ ميشود وآخرون 2006؛ ونغكيو وآخرون 2017). ويمكن لبعض البكتيريا أن تؤدي كل من النتروية وإزالة النيترينغ إذا كانت مستويات الأكسجين المذاب أقل من 0.3 ملغم/لتر (Fitzgerald et al. 2015؛ Wongkiew et al. 2017). ويمكن أن يحدث فقدان النيتروجين أيضا عن طريق أكسدة الأمونيوم اللاهوائية (ANAMMOX)، أي أكسدة الأمونيوم إلى غاز الدينتروجين في وجود النتريت (هو وآخرون 2011).

ومن الخسائر الهامة الأخرى في النيتروجين التي ينبغي أن تكون متاحة للنباتات استهلاك النيتروجين من قبل البكتيريا الهوائية غير الغذائية الموجودة في النظم المائية. وفي الواقع، فإن النيتروجين الذي تستخدمه هذه البكتيريا يفقد بسبب البكتيريا النتريمية، وبالتالي يتم إعاقة النتروجين (Blancheton et al. 2013). هذه البكتيريا موجودة بشكل خاص عندما تزداد نسبة C/N لأنها أكثر تنافسية وأكثر قدرة على استعمار وسائل الإعلام من البكتيريا النتريفينغ أوتوتروفيك (Blancheton et al. 2013؛ Wongkiew et al. 2017).

9.4.5 ديناميات أنظمة موازنة المغذيات

ويلزم الموازنة بين تركيز المغذيات للنظامين الفرعيين الرئيسيين في النظام المائي، أي خزانات الأسماك (تربية الأحياء المائية) والمحلول المائي لكل من احتياجاتهما. وفي النظم المائية المغلقة، يتم نقل المغذيات من الأسماك إلى النباتات بشكل مباشر إلى حد ما من خلال المرشحات (عادة مرشح طبل أو مستوطن ثم مرشح بيولوجي) من أجل النترجة. ومع ذلك، فإن الاحتياجات الغذائية للمحاصيل والمغذيات الموردة من النظام الفرعي المائي ليست في التوازن. في أنظمة متعددة الحلقات وفصلها ([الفصل 8](./8-مفكوك - أكوابونيكس-systems.md))، من الأسهل توفير الظروف المثلى لكل من أقسام الأسماك والنباتات. من خلال نمذجة النظم ([الفصل 11](/المجتمع/المقالات/الفصل 11-أكوابونيكس-سيستمز النمذجة))، يمكن حساب الحجم الأمثل للمنطقة المائية إلى خزانات الأسماك، والمرشحات الحيوية وغيرها من المعدات (Goddek and Körner 2019). ويكتسي ذلك أهمية خاصة مع أنظمة متعددة الحلقات المنفصلة التي تضم أنواعاً مختلفة من المعدات. على سبيل المثال، يحتاج UASB (بطانية الحمأة اللاهوائية) (Goddek et al. 2018) أو وحدات تحلية المياه (Goddek and Keesman 2018) إلى أن يتم حجمها بعناية كما نوقش في الفصل 8. ولا بد من تصحيح و توازن عدم التطابق الأساسي بين العناصر الغذائية التي توفرها البيئة السمكية و احتياجات المحاصيل. ولغرض زيادة تركيز العناصر الغذائية، وصف غودديك وكيسمان (2018) وحدة تحلية مناسبة ([الفصل 8](./8-مفكوك - أكوابونيكس-systems.md)). ومع ذلك، فإن هذا النهج لا يحل سوى جزء من المشكلة، حيث أن النظام المتوازن تمامًا يحركه معدل تبخر غير ديناميكي لا يمكن تحقيقه إلا في الغرف المغلقة والمصانع العاملة بشكل مثالي. بيد أن الواقع هو أن تبخر المحصول ونتح (ETSubc/sub) في النظم المائية القائمة على الاحتباس الحراري يعتمد إلى حد كبير على عوامل متعددة مثل المناخ المادي والمتغيرات البيولوجية. Etsubc/sub تحسب لكل مساحة من سطح الأرض المغطى بالمحصول ويتم حسابها لمستويات مختلفة في المظلة (z) عن طريق دمج التدفقات الصافية التشعيعية، ومقاومة طبقة الحدود، ومقاومة ستوماتا وعجز ضغط البخار، /الفرعية في المظلة (Körner et al. 2007) باستخدام Penman- معادلة (مونتيث) ومع ذلك، تحسب هذه المعادلة تدفق المياه من خلال المحصول فقط. ويمكن حساب امتصاص المغذيات ببساطة بافتراض أن المحصول يتناول جميع المغذيات المخففة في الماء. في الواقع على الرغم من ذلك، امتصاص المواد الغذائية هو مسألة معقدة للغاية. المواد الغذائية المختلفة لها حالات مختلفة، وتغيير مع المعلمات مثل الرقم الهيدروجيني. وفي الوقت نفسه، يعتمد توافر المغذيات للنباتات بشدة على درجة الحموضة وعلاقات المغذيات مع بعضها البعض (مثل توافر K/CA). بالإضافة إلى ذلك، تلعب الميكروبيوم في منطقة الجذر دورًا مهمًا (Orozco-Mosque et al. 2018) الذي لم يتم تنفيذه بعد في النماذج على الرغم من أن بعض النماذج تفرق بين مسارات phloem و xylem. وبالتالي، فإن كمية هائلة من المواد الغذائية ليست على غرار بالتفصيل لموازنة المغذيات أكوابونك وتحجيم النظم. أسهل طريقة لتقدير امتصاص المغذيات هي الافتراض بأن المغذيات يتم تناولها/امتصاصها على أنها مذابة في مياه الري وتنطبق على نهج حساب etSubc/sub المشروح أعلاه وبافتراض عدم وجود مقاومة كيميائية أو بيولوجية أو فيزيائية خاصة بعناصر معينة. وبالتالي، للحفاظ على التوازن، يجب إضافة جميع العناصر الغذائية التي يتناولها المحصول كما هو وارد في محلول المغذيات مرة أخرى إلى النظام المائي.