Source material

الفصل الثاني: إغلاق الدورة على موارد المياه والأراضي والمغذيات المحدودة

1. 2-1 مقدمة

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   ويُستخدم مصطلح «نقطة تحول» في الوقت الراهن لوصف النظم الطبيعية التي هي على شفا تغير كبير يحتمل أن يكون كارثيا (Barnosky et al. 2012). وتعتبر نظم إنتاج الأغذية الزراعية واحدة من الخدمات الإيكولوجية الرئيسية التي تقترب من نقطة تحول، حيث أن تغير المناخ يولد بشكل متزايد مخاطر جديدة من الآفات والأمراض، والظواهر الجوية الشديدة، وارتفاع درجات الحرارة العالمية. كما أن سوء إدارة الأراضي و ممارسات حفظ التربة, و نضوب مغذيات التربة, و خطر الأوبئة, تهدد الإمدادات الغذائية العالمية.

   إن الأراضي الصالحة للزراعة المتاحة للتوسع الزراعي محدودة، كما أن زيادة الإنتاجية الزراعية في العقود القليلة الماضية نجمت في المقام الأول عن زيادة كثافة المحاصيل وتحسين غلات المحاصيل مقارنة بالتوسع في الكتلة الأرضية الزراعية (على سبيل المثال، كانت نسبة 90 في المائة من المكاسب في إنتاج المحاصيل نتيجة من زيادة الإنتاجية، ولكن 10٪ فقط بسبب التوسع في الأراضي) (الكسندراتوس وبروينسما 2012؛ شميدهوبر 2010). ويقدر عدد سكان العالم أن يصل إلى 8.3 إلى 10.9 مليار نسمة بحلول عام 2050 (برينغزو وآخرون 2014)، ويطرح هذا العدد المتزايد من سكان العالم، مع زيادة مقابلة في الاستهلاك الكلي وكذلك في الاستهلاك الفردي، مجموعة واسعة من التحديات المجتمعية الجديدة. يشير تقرير اتفاقية الأمم المتحدة لمكافحة التصحر - توقعات الأراضي العالمية لعام 2017 إلى الاتجاهات المقلقة التي تؤثر على إنتاج الأغذية (توماس وآخرون 2017) بما في ذلك تدهور الأراضي وفقدان التنوع البيولوجي والنظم الإيكولوجية وانخفاض المرونة في مواجهة الضغوط البيئية، فضلا عن اتساع الفجوة بين إنتاج الأغذية و الطلب عليها. ويؤدي التوزيع غير المتكافئ للإمدادات الغذائية إلى عدم كفاية كميات الأغذية، أو إلى نقص الأغذية ذات النوعية التغذوية الكافية لجزء من سكان العالم، بينما أصبح الاستهلاك المفرط والأمراض المتصلة بالسمنة شائعا بصورة متزايدة في أجزاء أخرى من العالم. وهذا الجمع غير المتوازن بين الجوع وسوء التغذية في بعض أنحاء العالم، مع هدر الأغذية والإفراط في الاستهلاك في مناطق أخرى، يعكس عوامل معقدة مترابطة تشمل الإرادة السياسية، وندرة الموارد، والقدرة على تحمل تكاليف الأراضي، وتكاليف الطاقة والأسمدة، والهياكل الأساسية للنقل، ومجموعة من و العوامل الاجتماعية - الاقتصادية الأخرى التي تؤثر على إنتاج الأغذية و توزيعها.

   وقد خلصت عمليات إعادة النظر الأخيرة في نُهج الأمن الغذائي إلى ضرورة اتباع نهج «المياه والطاقة والغذاء» من أجل فهم التفاعلات بين نظم الموارد العالمية وتحليلها وإدارتها بفعالية (سكوت وآخرون 2015). ويعترف نهج الترابط بترابط قاعدة الموارد - الأرض والمياه والطاقة ورأس المال والعمل - مع دوافعها، ويشجع المشاورات والتعاون بين القطاعات من أجل تحقيق التوازن بين مختلف أهداف ومصالح مستخدمي الموارد. وهو يهدف إلى تحقيق أقصى قدر من الفوائد الإجمالية مع الحفاظ على سلامة النظام الإيكولوجي من أجل تحقيق الأمن الغذائي. وبالتالي، فإن الإنتاج الغذائي المستدام يتطلب الحد من استخدام الموارد، ولا سيما المياه والأراضي والوقود الأحفوري المحدودة والمكلفة والتي غالباً ما تكون سيئة التوزيع فيما يتعلق بالنمو السكاني، فضلاً عن إعادة تدوير الموارد الموجودة مثل المياه والمغذيات في نظم الإنتاج تقليل النفايات.

   في هذا الفصل، نناقش مجموعة من التحديات الحالية فيما يتعلق بالأمن الغذائي، مع التركيز على محدودية الموارد والطرق التي يمكن بها للتكنولوجيات الجديدة والنهج المتعددة التخصصات مثل علم الأحياء المائية أن تساعد في معالجة الصلة بين رعاة المياه فيما يتعلق بأهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة. ونحن نركز على الحاجة إلى زيادة إعادة تدوير المغذيات، وتخفيض استهلاك المياه والطاقة غير المتجددة، فضلا عن زيادة إنتاج الأغذية على الأراضي الهامشية أو غير المناسبة للزراعة.

2. 2-2 العرض والطلب على الأغذية

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.2.1 التنبؤات

   وعلى مدى السنوات الخمسين الماضية، زاد إجمالي الإمدادات الغذائية إلى ثلاثة أضعاف تقريبا، في حين أن عدد سكان العالم لم يزد إلا ضعفين، وهو تحول رافقه تغييرات كبيرة في النظام الغذائي فيما يتعلق بالرخاء الاقتصادي (كيتينغ وآخرون 2014). على مدى السنوات ال 25 الماضية، ارتفع عدد سكان العالم بنسبة 90٪، ومن المتوقع أن يصل إلى 7.6 مليار نسمة في النصف الأول من عام 2018 (Worldometers). وتتراوح تقديرات زيادة الطلب العالمي على الأغذية في عام 2050 مقارنة بعام 2010 بين 45% و71% اعتماداً على الافتراضات المتعلقة بالوقود الحيوي والنفايات، ولكن من الواضح أن هناك فجوة في الإنتاج تحتاج إلى سدها. ولتجنب انعكاس الاتجاهات النزولية الأخيرة لنقص التغذية، يجب أن يكون هناك انخفاض في الطلب على الأغذية و/أو خسائر أقل في القدرة على إنتاج الأغذية (Keting et al. 2014). ويتمثل أحد الأسباب المتزايدة الأهمية لارتفاع الطلب على الأغذية في استهلاك الفرد نتيجة لارتفاع نصيب الفرد من الدخل، الذي يتسم بتحولات نحو الأغذية الغنية بالبروتين، ولا سيما اللحوم (Ehrlich and Harte 2015 ب). ويخلق هذا الاتجاه مزيداً من الضغوط على سلسلة الإمدادات الغذائية، لأن نظم الإنتاج القائمة على الحيوانات تتطلب عموماً مزيداً من الموارد بشكل غير متناسب، سواء في استهلاك المياه أو في مدخلات الأعلاف (Rask and Rask 2011؛ Ridout et al. 2012؛ Xue and Landis 2010). وعلى الرغم من أن معدل الطلب المتزايد على الأغذية قد انخفض في العقود الأخيرة، وإذا كانت المسارات الحالية للنمو السكاني والتحولات الغذائية واقعية، فإن الطلب العالمي على المنتجات الزراعية سينمو بنسبة 1.1 إلى 1.5 في المائة سنوياً حتى عام 2050 (أليكساندراتوس وبروينسما 2012).

   وقد فرض النمو السكاني في المناطق الحضرية ضغوطا على الأراضي التي كانت تستخدم تقليديا في المحاصيل القائمة على التربة: فالطلب على المساكن والمرافق لا يزال يتعدى على الأراضي الزراعية الرئيسية ويزيد من قيمتها بما يتجاوز بكثير ما يمكن أن يصنعه المزارعون من الزراعة. يعيش ما يقرب من 54% من سكان العالم الآن في المناطق الحضرية (Esch et al. 2017)، ولا يظهر الاتجاه نحو التحضر أي علامات على تراجع. وهناك طلب على نظم الإنتاج التي يمكن أن توفر الأغذية الطازجة على نحو موثوق بالقرب من المراكز الحضرية، وستزداد مع تزايد التحضر. وعلى سبيل المثال، فإن ارتفاع الزراعة الرأسية في المراكز الحضرية مثل سنغافورة، حيث تكون الأرض متميزة، يعطي تلميحا قويا إلى أن نظم الزراعة المركزة والإنتاجية العالية ستكون جزءا لا يتجزأ من التنمية الحضرية في المستقبل. فالتقدم التكنولوجي يجعل نظم الزراعة الداخلية اقتصادية على نحو متزايد، على سبيل المثال، أدى تطوير مصابيح البستنة LED التي تدوم طويلاً للغاية وكفاءة استخدام الطاقة إلى زيادة القدرة التنافسية للزراعة الداخلية فضلاً عن الإنتاج في خطوط العرض العالية.

   ويظهر تحليل التنوع البيولوجي الزراعي باستمرار أن البلدان المرتفعة والمتوسطة الدخل تحصل على أغذية متنوعة من خلال التجارة الوطنية أو الدولية، ولكن هذا يعني أيضا أن الإنتاج والتنوع الغذائي لا يقترن، وبالتالي أكثر عرضة للانقطاعات في خطوط الإمداد منه في البلدان المنخفضة الدخل حيث يتم إنتاج معظم الأغذية على الصعيد الوطني أو الإقليمي (Herrero et al. 2017). كما أنه مع تزايد حجم المزارع، يميل تنوع المحاصيل، لا سيما المحاصيل التي تنتمي إلى مجموعات غذائية عالية التغذية (الخضروات والفواكه واللحوم) إلى الانخفاض لصالح الحبوب والبقوليات، الأمر الذي يهدد مرة أخرى بالحد من توافر مجموعة من المجموعات الغذائية المختلفة على الصعيدين المحلي والإقليمي (Herrero et al. 2017).

3. 2-3 الأراضي الصالحة للزراعة والمغذيات

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.3.1 التنبؤات

   وحتى مع الحاجة إلى إنتاج المزيد من الأغذية، فإن الأراضي الصالحة للاستخدام من أجل الممارسات الزراعية تقتصر بطبيعتها على ما يتراوح بين 20 و 30% من مساحة الأرض في العالم. كما أن توافر الأراضي الزراعية آخذ في التناقص، وهناك نقص في الأراضي المناسبة التي تشتد الحاجة إليها، أي بالقرب من المراكز السكانية بوجه خاص. ويشكل تدهور التربة أحد العوامل الرئيسية التي تسهم في هذا الانخفاض ويمكن تصنيفه بوجه عام بطريقتين: التشريد (تآكل الرياح والمياه) والتدهور الكيميائي والفيزيائي الداخلي للتربة (فقدان المغذيات و/أو المواد العضوية، والتملح، والتحمض، والتلوث، والضغط، والتشبع بالمياه). إن تقدير التدهور الكلي للتربة الطبيعية والتدهور الذي يسببه الإنسان في جميع أنحاء العالم محفوف بصعوبة بالنظر إلى التباين في التعاريف، وشدتها، وتوقيتها، وتصنيفها، وما إلى ذلك. بيد أنه من المتفق عليه عموما أن عواقبها أدت إلى فقدان صافي الإنتاج الأولي على مساحات واسعة (Esch et al. 2017)، مما يحد من الزيادات في الأراضي الصالحة للزراعة والمزروعة بشكل دائم إلى 13٪ في العقود الأربعة الممتدة من أوائل الستينات إلى أواخر التسعينات (بروينسما 2003). والأهم من ذلك بالنسبة للنمو السكاني خلال تلك الفترة الزمنية، انخفض نصيب الفرد من الأراضي الصالحة للزراعة بنحو 40 في المائة (Conforti 2011). و يعني مصطلح «الأراضي الصالحة لل زراعة» توافر المغذيات الكافية لدعم إنتاج المحاصيل. ولمواجهة نضوب المغذيات، ارتفع استهلاك الأسمدة في جميع أنحاء العالم من 90 كيلوغرام/هكتار في عام 2002 إلى 135 كيلوغراماً في عام 2013 (كتاب الجيب 2015). ومع ذلك، فإن زيادة استخدام الأسمدة تؤدي في كثير من الأحيان إلى حدوث تجاوزات في النترات والفوسفات في النظم الإيكولوجية المائية (Bennett et al. 2001)، مما يتسبب في تكاثر الطحالب وتغذيتها بالمغذيات عندما تستهلك الكتلة الأحيائية الطحالب الأكسجين وتحد من التنوع البيولوجي للحياة المائية. و تتضح التغيرات البيئية الناجمة عن النترات و الفوسفات على نطاق و اسع في مستجمعات المياه و المناطق الساحلية.

   النيتروجين والبوتاسيوم والفوسفور هي العناصر الغذائية الرئيسية الثلاثة لنمو النبات. وعلى الرغم من أن الطلب على الأسمدة الفوسفورية لا يزال ينمو باطراد، فإن احتياطيات الفوسفات الصخرية محدودة وتشير التقديرات إلى أنها ستستنفد في غضون 50-100 سنة (Cordell et al. 2011؛ Steen 1998؛ Van Vuuren et al. 2010). وبالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن تدفع مدخلات النيتروجين البشرية المنشأ النظم الإيكولوجية الأرضية نحو قيود أكبر على الفوسفور، على الرغم من أن تحسين فهم العمليات أمر بالغ الأهمية (Deng et al. 2017; Goll et al. 2012; Zhu et al. 2016). ولا توجد حاليا بدائل للفوسفور في الزراعة، مما يضع قيودا على الإنتاجية الزراعية في المستقبل التي تعتمد على المدخلات الرئيسية من الأسمدة للفوسفات الملغومة (سفيردروب وراغنارسدوتير 2011). ويعني «مفارقة P-Paradox»، بعبارة أخرى، وجود فائض في P يضعف جودة المياه، إلى جانب نقصها كمورد مستنفد غير متجدد، أنه يجب أن تكون هناك زيادات كبيرة في إعادة التدوير وكفاءة استخدامه (Leinweber et al. 2018).

   إن الممارسات الزراعية المكثفة الحديثة، مثل تواتر وتوقيت الحرث أو عدم الحراثة، وتطبيق مبيدات الأعشاب ومبيدات الآفات، وإضافة المواد العضوية التي تحتوي على المغذيات الدقيقة، يمكن أن تغير بنية التربة والتنوع البيولوجي الميكروبي بحيث لا تعد إضافة الأسمدة يزيد من الإنتاجية للهكتار الواحد. وبالنظر إلى أن التغيرات في استخدام الأراضي أدت إلى خسائر في الكربون العضوي للتربة تقدر بنحو 8 في المائة، وأن الخسائر المتوقعة بين عامي 2010 و2050 تبلغ 3.5 أضعاف هذا الرقم، فمن المفترض أن تستمر قدرة التربة على الاحتفاظ بالمياه وخسائر المغذيات، لا سيما في ضوء الاحترار العالمي (Esch et al. 2017) . ومن الواضح أن هناك مقايضات بين تلبية الاحتياجات البشرية وعدم المساس بقدرة المحيط الحيوي على دعم الحياة (فولي وآخرون 2005). ومع ذلك، من الواضح عند نمذجة الحدود الكوكبية فيما يتعلق بالممارسات الحالية لاستخدام الأراضي أن من الضروري تحسين دورة النيتروجين وP، وذلك أساساً عن طريق الحد من انبعاثات النيتروجين والفوسفور والجريان السطحي من الأراضي الزراعية، ولكن أيضاً عن طريق تحسين عمليات الالتقاط وإعادة الاستخدام (Conijn et al. 2018).

   2.3.2 أكوابونيكش والمواد المغذية

   واحدة من الفوائد الرئيسية للأكوابونيكش هو أنه يسمح بإعادة تدوير موارد المغذيات. وتستمد مدخلات المغذيات في عنصر الأسماك من الأعلاف، التي يعتمد تركيبتها على الأنواع المستهدفة، ولكن الأعلاف في الاستزراع المائي تشكل عادة جزءا كبيرا من تكاليف المدخلات ويمكن أن تزيد عن نصف التكلفة السنوية الإجمالية للإنتاج. وفي بعض تصميمات علم الأحياء المائية، يمكن أيضا تسخير الكتلة الحيوية البكتيرية كعلف، على سبيل المثال، حيث يجعل إنتاج البيوفلوك النظم المائية مكتفية ذاتيا بشكل متزايد (Pinho et al. 2017).

   و كثيرا ما يتم تصريف المياه المستعملة من أقلام الأقفاص المفتوحة أو المجاري المائية في المسطحات المائية, حيث يؤدي ذلك إلى تلوث المغذيات و الإغناء بالمغذيات فيما بعد. وعلى النقيض من ذلك، تأخذ النظم المائية المغذيات المذابة من علف الأسماك غير المأكل والبراز، وتستخدم الميكروبات التي يمكن أن تحطم المادة العضوية، وتحول النيتروجين والفوسفور إلى أشكال متاحة بيولوجيا لاستخدامها من قبل النباتات في وحدة الزراعة المائية. ومن أجل تحقيق مستويات مقبولة اقتصاديا من الإنتاج النباتي، فإن وجود تجمعات ميكروبية مناسبة يقلل من الحاجة إلى إضافة الكثير من المغذيات التكميلية التي تستخدم بشكل روتيني في الوحدات المائية القائمة بذاتها. وبالتالي فإن الأحياء المائية هي نظام تصريف شبه صفري لا يوفر منفعة اقتصادية من كل من مجاري إنتاج الأسماك والنباتات فحسب، بل يوفر أيضاً انخفاضاً كبيراً في كل من التصريفات الضارة بيئياً من مواقع الاستزراع المائي. كما أنه يزيل مشكلة الجريان السطحي الغني بالنيونات والبث من الأسمدة المستخدمة في الزراعة القائمة على التربة. وفي النظم المائية المفصولة، يمكن أيضا استخدام المفاعلات الحيوية الهوائية أو اللاهوائية لمعالجة الحمأة واسترداد المغذيات الكبيرة الكلية والمغذيات الدقيقة في الأشكال المتاحة بيولوجيا لاستخدامها لاحقا في الإنتاج المائي (Goddek et al. 2018) (انظر الفصل 8)). وما زالت التطورات الجديدة المثيرة مثل هذه التطورات، التي يجري الآن تحقيق الكثير منها من أجل الإنتاج التجاري، تعمل على تحسين مفهوم الاقتصاد الدائري من خلال السماح على نحو متزايد بانتعاش المغذيات.

4. 2-4 مكافحة الآفات والأعشاب الضارة والأمراض

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.4.1 التنبؤات

   ومن المسلم به عموماً أن مكافحة الأمراض والآفات والأعشاب الضارة عنصر حاسم في الحد من خسائر الإنتاج التي تهدد الأمن الغذائي (Keting et al. 2014). والواقع أن زيادة استخدام المضادات الحيوية والمبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب ومبيدات الفطريات لخفض الخسائر وتعزيز الإنتاجية قد أتاحت زيادات هائلة في الإنتاج الزراعي في النصف الأخير من القرن العشرين. ومع ذلك، ترتبط هذه الممارسات أيضا بمجموعة من المشاكل: التلوث الناجم عن المركبات العضوية الثابتة في التربة ومياه الري، والتغيرات في النشاط rhizobacterial و mycorrhizal في التربة، وتلوث المحاصيل والماشية، وتطوير سلالات مقاومة، والآثار الضارة على الملقحات و مجموعة واسعة من المخاطر الصحية البشرية (برينغزو وآخرون 2014؛ إرليتش وهارتي 2015أ؛ إيش وآخرون 2017؛ منظمة الأغذية والزراعة 2015ب). و يرد ذكر التصدي لمكافحة الآفات و الأعشاب الضارة و الأمراض بطرق تحد من استخدام هذه المواد في كل دعوة تقريبا لتوفير الأمن الغذائي لسكان العالم المتزايدين.

   مكافحة الآفات والأعشاب الضارة والأمراض

   و كنظام مغلق يتضمن تدابير لل أمن البيولوجي, تتطلب النظم المائية استخدامات مبيدات آفات كيميائية أقل بكثير في مكون النبات. وإذا تم التعامل مع مخزونات البذور وزرع الأعضاء ومراقبتها بعناية، يمكن التحكم في ملوثات الأعشاب الضارة والفطرية والبكترية/الطحالب في وحدات مائية مع اتخاذ تدابير محددة الهدف بدلاً من التطبيق الوقائي الواسع النطاق لمبيدات الأعشاب ومبيدات الفطريات السائدة في الزراعة القائمة على التربة. ومع استمرار تقدم التكنولوجيا، يمكن أن تؤدي تطورات مثل الدفيئات الزراعية ذات الضغط الإيجابي إلى زيادة الحد من مشاكل الآفات (Mears and Both 2001). يمكن أن تؤدي ميزات التصميم للحد من مخاطر الآفات إلى خفض التكاليف من حيث المواد الكيميائية والعمالة ووقت الاستخدام والمعدات، خاصة وأن البصمة الأرضية لنظم الأحياء المائية على نطاق صناعي صغيرة، والنظم مدمجة ومحتومة بإحكام، بالمقارنة مع مساحة الإنتاج المفتوحة المكافئة للخضروات و محاصيل الفاكهة من المزارع التقليدية القائمة على التربة.

   كما أن استخدام هذا النظام في النظم المائية يمنع انتقال الأمراض بين الأرصدة المستزرعة والتجمعات البرية، وهو ما يشكل شاغلاً ملحاً في الاستزراع المائي من خلال التدفق والشبكات المفتوحة (Read et al. 2001؛ Samuel-Fitwi et al. 2012). الاستخدام الروتيني للمضادات الحيوية غير مطلوب بشكل عام في مكون RAS، لأنه نظام مغلق يحتوي على عدد قليل من ناقلات الأمراض المتاحة. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام مضادات الميكروبات والأدوية المضادة للطفيليات لا يشجع بشكل عام، لأنه يمكن أن يضر بالميكروبيوتا التي تعتبر بالغة الأهمية لتحويل النفايات العضوية وغير العضوية إلى مركبات قابلة للاستخدام لنمو النباتات في الوحدة المائية (Junge et al. 2017). وإذا ظهرت الأمراض، فإن احتواء الأسماك والنباتات على حد سواء من البيئة المحيطة يجعل إزالة التلوث والقضاء عليه أكثر سهولة. وعلى الرغم من أن النظم المغلقة لا تخفف تماما من جميع المشاكل المتعلقة بالأمراض والآفات (Goddek et al. 2015)، فإن تدابير المكافحة البيولوجية السليمة التي تمارس بالفعل في المناطق الخاضعة للاستخدامات الزراعية والمائية القائمة بذاتها تؤدي إلى خفض كبير في المخاطر. وتناقش هذه المسائل بمزيد من التفصيل في الفصول اللاحقة (للاطلاع على الأسماك، انظر الفصل 6؛ وللاطلاع على النباتات، مزيد من التفاصيل في الفصل 14) .

5. 2-5 الموارد المائية

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.5.1 التنبؤات

   

   الشكل 2.1 بصمة المياه (لتر لكل كيلوغرام). الأسماك في أنظمة RAS تستخدم أقل مياه من أي نظام إنتاج غذائي

   و بالإضافة إلى الحاجة إلى استخدام الأسمدة, فإن الممارسات الزراعية المكثفة الحديثة تفرض أيضا أعباء كبيرة على موارد المياه. ومن بين التدفقات البيوكيميائية (الشكل 2-1)، يُعتقد الآن أن ندرة المياه هي أحد أهم العوامل التي تعيق إنتاج الأغذية (Hoekstra et al. 2012؛ Porkka et al. 2016). وتتطلب الزيادات المتوقعة في عدد سكان العالم وتحولات في توافر المياه الأرضية بسبب تغير المناخ زيادة كفاءة استخدام المياه في الزراعة. وكما ذُكر سابقاً، سيحتاج الإنتاج الزراعي الإجمالي بحلول عام 2050 إلى إنتاج المزيد من الأغذية على الصعيد العالمي بنسبة 60% (أليكساندراتوس وبروينسما 2012)، مع زيادة مقدرة بنسبة 100% في البلدان النامية، استناداً إلى النمو السكاني والتوقعات المتزايدة لمستويات المعيشة (أليكساندراتوس وبروينسما 2012؛ منظمة الصحة العالمية 2015). وتشير المجاعة في بعض مناطق العالم، فضلاً عن سوء التغذية والجوع المستتر، إلى أن التوازن بين الطلب على الأغذية وتوافرها قد وصل بالفعل إلى مستويات حرجة، وأن الأمن الغذائي والمائي مرتبطان ارتباطاً مباشراً (McNeill et al. 2017). وتشير التنبؤات المتعلقة بتغير المناخ إلى انخفاض توافر المياه العذبة، وما يقابل ذلك من انخفاض في الغلات الزراعية بحلول نهاية القرن الحادي والعشرين (ميسرا 2014).

   ويستأثر قطاع الزراعة حالياً بنحو 70% من استخدام المياه العذبة في جميع أنحاء العالم، بل إن معدل الانسحاب يتجاوز 90% في معظم أقل البلدان نمواً في العالم. وستزداد ندرة المياه في السنوات الخمس والعشرين القادمة بسبب النمو السكاني المتوقع (Connor et al. 2017; Esch et al. 2017)، مع أحدث توقعات النمذجة بانخفاض توافر المياه في المستقبل القريب بالنسبة لجميع البلدان تقريبا (Distefano and Kelly 2017). وتتوقع الأمم المتحدة أن يؤدي اتباع ممارسات العمل كالمعتاد إلى عجز عالمي في المياه بنسبة 40٪ بحلول عام 2030 (المياه 2015). وفي هذا الصدد، ومع استنفاد إمدادات المياه الجوفية لأغراض الري أو تلوثها، وتعاني المناطق القاحلة من المزيد من الجفاف ونقص المياه بسبب تغير المناخ، ستزداد قيمة المياه المخصصة للإنتاج الزراعي (Ehrlich and Harte 2015a). ويعرض تزايد ندرة الموارد المائية للخطر ليس فقط الأمن المائي للاستهلاك البشري، بل أيضا الإنتاج الغذائي العالمي (McNeill et al. 2017). وبالنظر إلى أنه من المتوقع ندرة المياه حتى في المناطق التي لديها حاليا موارد مائية كافية نسبيا، فمن المهم تطوير تقنيات زراعية ذات متطلبات منخفضة من مدخلات المياه، وتحسين الإدارة الإيكولوجية للمياه المستعملة من خلال إعادة استخدامها على نحو أفضل (منظمة الأغذية والزراعة، 2015أ).

   يركز تقرير الأمم المتحدة عن تنمية المياه في العالم لعام 2017 (Connor et al. 2017) على مياه الصرف الصحي كمصدر غير مستغل للطاقة والمغذيات وغيرها من المنتجات الثانوية المفيدة، مع ما يترتب على ذلك من آثار ليس فقط على صحة الإنسان والبيئة ولكن أيضا على الأمن الغذائي وأمن الطاقة، فضلا عن التخفيف من آثار تغير المناخ. ويدعو هذا التقرير إلى استخدام تكنولوجيات مناسبة وميسورة التكلفة، إلى جانب الأطر القانونية والتنظيمية، وآليات التمويل، وزيادة المقبولية الاجتماعية لمعالجة المياه المستعملة، بهدف إعادة استخدام المياه في إطار اقتصاد دائري. ويشير التقرير أيضاً إلى تقرير المنتدى الاقتصادي العالمي لعام 2016، الذي يُدرج أزمة المياه ضمن المخاطر العالمية التي تثير أكبر قدر من القلق خلال السنوات العشر القادمة.

   وقد تم طرح مفهوم البصمة المائية كمقياس لاستخدام البشر لموارد المياه العذبة من أجل توفير المعلومات اللازمة لوضع السياسات المتعلقة باستخدام المياه. وتتألف البصمة المائية من ثلاثة مكونات هي: (1) المياه الزرقاء، التي تشمل المياه السطحية والجوفية المستهلكة أثناء إنتاج المنتجات أو المفقودة عن طريق التبخر، (2) المياه الخضراء التي تستخدم بشكل خاص في إنتاج المحاصيل، (3) المياه الرمادية، وهي مياه ملوثة ولكنها لا تزال ضمن المياه الموجودة معايير الجودة (Hoekstra وميكونن 2012). وقد رسم هؤلاء المؤلفون خرائط لآثار المياه في البلدان في جميع أنحاء العالم ووجدوا أن الإنتاج الزراعي يمثل 92% من الاستخدام العالمي للمياه العذبة، ويستخدم الإنتاج الصناعي 4.4% من المجموع، في حين أن المياه المنزلية لا تتجاوز 3.6%. ويثير ذلك القلق بشأن توافر المياه وأدى إلى بذل جهود تثقيفية عامة تهدف إلى زيادة الوعي بكميات المياه اللازمة لإنتاج مختلف أنواع الأغذية، فضلا عن مواطن الضعف الوطنية، ولا سيما في البلدان التي تعاني من ندرة المياه في شمال أفريقيا والشرق الأوسط.

   2.5.2 الأحياء المائية وحفظ المياه

   و يقيس المفهوم الاقتصادي لل إنتاجية المقارنة المقدار النسبي لل مورد اللازم لإنتاج و حدة من السلع أو الخدمات. و تفسر الكفاءة عموما بأنها أعلى عندما تكون الحاجة إلى مدخلات الموارد أقل لكل و حدة من السلع و الخدمات. بيد أنه عند دراسة كفاءة استخدام المياه في سياق بيئي، ينبغي أيضا مراعاة نوعية المياه، لأن الحفاظ على نوعية المياه أو تحسينها يعزز الإنتاجية أيضا (حمدى 2007).

   وتتطلب مشكلة ندرة المياه المتزايدة إدخال تحسينات على كفاءة استخدام المياه، ولا سيما في المناطق القاحلة وشبه القاحلة، حيث يشكل توافر المياه للزراعة ونوعية تصريف المياه عاملين حاسمين في إنتاج الأغذية. وفي هذه المناطق، يمكن لإعادة تدوير المياه في الوحدات المائية تحقيق كفاءة ملحوظة لإعادة استخدام المياه تتراوح بين 95 و99 في المائة (Dalsgaard et al. 2013). كما يقل الطلب على المياه عن 100 لتر/كغ من الأسماك التي يتم حصادها، ويتم الحفاظ على نوعية المياه ضمن نظام إنتاج المحاصيل (Goddek et al. 2015). ومن الواضح أنه يجب بناء هذه النظم وتشغيلها للتقليل إلى أدنى حد ممكن من فقد المياه؛ ويجب عليها أيضا أن تزيد نسب مياه الأسماك إلى النباتات إلى الحد الأقصى، لأن هذه النسبة مهمة للغاية في زيادة كفاءة إعادة استخدام المياه إلى أقصى حد وضمان إعادة تدوير المغذيات إلى أقصى حد. ويجري تطوير خوارزميات النمذجة والحلول التقنية لدمج التحسينات في الوحدات الفردية، ولتحسين فهم كيفية إدارة المياه بفعالية وكفاءة (فيلبرغسون وآخرون 2016). ويرد مزيد من المعلومات في الفصل 9 و 11.

   وفي ضوء متطلبات التربة والمياه والمغذيات، فإن البصمة المائية للنظم المائية أفضل بكثير من الزراعة التقليدية، حيث تشكل نوعية المياه والطلب عليها، إلى جانب توافر الأراضي الصالحة للزراعة وتكاليف الأسمدة والري، كلها عقبات أمام التوسع (الشكل 2-1).

   ** **

   الشكل 2.2 نسب تحويل الأعلاف (FCRs) على أساس كيلوغرام من الأعلاف لكل وزن حي وكغم من الأعلاف للجزء الصالح للأكل. الحشرات فقط، التي تؤكل كلها في بعض أنحاء العالم، لديها FCR أفضل من الأسماك

6. 2-6 استخدام الأراضي

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.6.1 التنبؤات

   وعلى الصعيد العالمي، تحتل المحاصيل البرية والمراعي ما يقرب من 33% من إجمالي الأراضي المتاحة، ويقدر أن التوسع في الاستخدامات الزراعية بين عامي 2000 و2050 سيزداد بنسبة 7-31% (350-1500 مليون هكتار، حسب المصدر والافتراضات الأساسية)، وغالباً ما يكون ذلك على حساب الغابات والأراضي الرطبة (Bringezu et al. 2014). وفي حين لا تزال هناك حاليا أراض مصنفة على أنها «جيدة» أو «هامشية» متاحة للزراعة البعلية، فإن أجزاء كبيرة منها بعيدة عن الأسواق أو تفتقر إلى البنية التحتية أو تعاني من أمراض متوطنة أو تضاريس غير مناسبة أو ظروف أخرى تحد من إمكانات التنمية. وفي حالات أخرى، تكون الأراضي المتبقية محمية بالفعل أو حرجية أو مستحدثة لاستخدامات أخرى (Alexandratos and Bruinsma 2012). وعلى النقيض من ذلك، فإن النظم الإيكولوجية للأراضي الجافة، التي عرفت في لجنة الأمم المتحدة للتنمية المستدامة بأنها المناطق القاحلة وشبه القاحلة والجافة شبه الرطبة التي تتسم عادة بإنتاجية منخفضة، مهددة بالتصحر وبالتالي فهي غير مناسبة للتوسع الزراعي ولكن مع ذلك يعيش ملايين عديدة من الناس على مقربة (الاقتصادية 2007). وتشير هذه الحقائق إلى الحاجة إلى تكثيف أكثر استدامة لإنتاج الأغذية بالقرب من الأسواق، ويفضل أن يكون ذلك في الأراضي غير المنتجة إلى حد كبير والتي قد لا تصبح أبدا مناسبة للزراعة القائمة على التربة.

   ويرى بعض الخبراء أن أهم عاملين يسهمان في كفاءة المدخلات الزراعية هما: 1 موقع إنتاج الأغذية في المناطق التي تزيد فيها الظروف المناخية (والتربة) الكفاءة بشكل طبيعي، 2 التخفيضات في الآثار البيئية للإنتاج الزراعي (مايكل و ديفيد 2017). ويجب أن تحدث زيادات في المعروض من الكتلة الأحيائية المزروعة من خلال تكثيف الإنتاج للهكتار الواحد، مصحوبا بتضاؤل العبء البيئي (مثل تدهور بنية التربة، وفقدان المغذيات، والتلوث السمي). وبعبارة أخرى، يجب أن يتقلص حجم الإنتاج الغذائي الفعال مع التقليل إلى أدنى حد من الآثار البيئية السلبية.

   2-6-2 علم الأحياء المائية واستخدام الأراضي

   أنظمة إنتاج أكوابونك هي بلا تربة، وهي تحاول إعادة تدوير العناصر الغذائية الأساسية لزراعة الأسماك والنباتات على حد سواء، وبالتالي استخدام المغذيات في المواد العضوية من علف الأسماك والنفايات لتقليل الحاجة إلى الأسمدة النباتية أو القضاء عليها. ففي هذه النظم، على سبيل المثال، يصبح استخدام الأرض لأغراض التعدين، وعمليات التجهيز، وتكديس ونقل الأسمدة الغنية بالفوسفات أو البوتاس غير ضروري، مما يؤدي إلى التخلص من التكلفة المتأصلة لهذه الأسمدة وتكلفة استخدامها.

   ويسهم إنتاج أكوابونيكش ليس فقط في كفاءة استخدام المياه (القسم 2-5-2)، بل يسهم أيضا في كفاءة المدخلات الزراعية عن طريق الحد من البصمة الأرضية اللازمة للإنتاج. فالمرافق، على سبيل المثال، يمكن أن تكون موجودة في أراضي غير صالحة للزراعة وفي مناطق الضواحي أو الحضرية أقرب إلى الأسواق، مما يقلل من البصمة الكربونية المرتبطة بالمزارع الريفية ونقل المنتجات إلى أسواق المدن. ومع وجود أصغر، يمكن أن تكون الطاقة الإنتاجية موجودة في مناطق أخرى غير منتجة مثل أسطح المنازل أو مواقع المصانع القديمة، الأمر الذي يمكن أن يقلل أيضا من تكاليف حيازة الأراضي إذا اعتبرت تلك المناطق غير مناسبة لمشاريع الإسكان أو البيع بالتجزئة. كما يمكن لصغر حجم إنتاج البروتين والخضروات عالية الجودة في الأكوابونيات المائية أن يزيل الضغط عن تطهير المناطق الطبيعية وشبه الطبيعية ذات القيمة الإيكولوجية لأغراض الزراعة التقليدية.

7. 2-7 موارد الطاقة

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.7.1 التنبؤات

   ومع انتشار الميكنة على الصعيد العالمي، تعتمد الزراعة كثيفة الحقول المفتوحة بشكل متزايد على الوقود الأحفوري لتوليد الطاقة لآلات المزارع ولنقل الأسمدة وكذلك المنتجات الزراعية، وكذلك لتشغيل المعدات اللازمة للتجهيز والتعبئة والتخزين. وفي عام 2010، توقعت الوكالة الدولية للطاقة التابعة لمنظمة التعاون والتنمية في الميدان الاقتصادي أن ينمو الاستهلاك العالمي للطاقة بنسبة تصل إلى 50% بحلول عام 2035؛ وقدرت منظمة الأغذية والزراعة أيضاً أن 30% من استهلاك الطاقة العالمي مخصص لإنتاج الأغذية وسلسلة إمداداتها (منظمة الأغذية والزراعة 2011). وتساهم انبعاثات غازات الدفيئة المرتبطة بالوقود الأحفوري (حوالي 14% في تحليل دورة الحياة) إضافة إلى الانبعاثات الناتجة عن تصنيع الأسمدة (16%) وأكسيد النيتروز من التربة المتوسطة (44%) (Camargo et al. 2013) جميعها مساهمة كبيرة في الآثار البيئية للزراعة. وقد أدى الاتجاه السائد في القرن الحادي والعشرين إلى إنتاج الوقود الأحيائي القائم على المحاصيل (مثل الذرة للإيثانول) لتحل محل الوقود الأحفوري إلى زيادة الضغط على تطهير الغابات المطيرة والأراضي الخثية والسافانا والمراعي لأغراض الإنتاج الزراعي. بيد أن الدراسات تشير إلى نشوء «دين كربوني» من هذه الممارسات، حيث أن الإفراج الإجمالي عن Cosub2/sub يتجاوز التخفيضات في غازات الدفيئة التي توفرها عن طريق إزاحة الوقود الأحفوري (Fargione et al. 2008). ويمكن القول بوجود دين كربون مماثل عند تطهير الأراضي لزراعة المحاصيل الغذائية عن طريق الزراعة التقليدية التي تعتمد على الوقود الأحفوري.

   وفي تحليل مقارن لنظم الإنتاج الزراعي، تبين أن مصايد الصيد بشباك الجر ونظم الاستزراع المائي التي يعاد تدويرها تنبعث منها غازات الدفيئة من 2 إلى 2.5 مرة من مصايد الأسماك غير المصيدة بشباك الجر والاستزراع المائي غير الراسي (RAS). في راس، ترتبط متطلبات الطاقة هذه في المقام الأول بعمل المضخات والمرشحات (مايكل وديفيد 2017). وبالمثل، يمكن لنظم إنتاج الدفيئة أن تنبعث منها غازات الدفيئة أكثر بثلاثة أضعاف من إنتاج المحاصيل في الحقول المفتوحة إذا كانت الطاقة مطلوبة للحفاظ على الحرارة والضوء ضمن النطاقات المثلى (المرجع نفسه). ومع ذلك، فإن أرقام غازات الدفيئة هذه لا تأخذ في الاعتبار الآثار البيئية الأخرى للنظم غير الخاضعة لإدارة الموارد المعدنية، مثل الإغناء بالمغذيات أو عمليات نقل العوامل المسببة للأمراض المحتملة إلى الأرصدة البرية. كما أنها لا تنظر إلى غازات الدفيئة من إنتاج ونقل وتطبيق مبيدات الأعشاب ومبيدات الآفات المستخدمة في زراعة الحقول المفتوحة، ولا إلى غاز الميثان وأكسيد النيتروز الناتج عن الإنتاج المواشي المرتبط بهما، وكلاهما ينطوي على إمكانية احترار الاحتباس الحراري لمدة 100 عام (GWP) 25 و298 مرة مقارنة بقدرة Cosub2/sub، على التوالي (كامارغو وآخرون 2013؛ إغلستون وآخرون 2006).

   وقد أدت هذه التقديرات الرصينة لاستهلاك الطاقة في الحاضر والمستقبل وانبعاثات غازات الدفيئة المرتبطة بإنتاج الأغذية إلى وضع نماذج ونهج جديدة، على سبيل المثال، نهج الأمم المتحدة المتعلق بالعلاقة بين المياه والأغذية والطاقة المذكور في القسم 2-1. وقد أبرزت أهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة ضعف إنتاج الأغذية أمام التقلبات في أسعار الطاقة كمحرك رئيسي لانعدام الأمن الغذائي. وقد دفع ذلك إلى بذل جهود لجعل نظم الأغذية الزراعية «ذكية في مجال الطاقة» مع التركيز على تحسين كفاءة الطاقة وزيادة استخدام مصادر الطاقة المتجددة وتشجيع التكامل بين إنتاج الأغذية والطاقة (منظمة الأغذية والزراعة 2011).

   2.7.2 البيئة المائية والحفاظ على الطاقة

   التقدم التكنولوجي في عمليات نظام أكوابونك يتحرك نحو «ذكي للطاقة» بشكل متزايد، والحد من ديون الكربون من المضخات والمرشحات وأجهزة التدفئة/التبريد باستخدام الكهرباء المولدة من مصادر متجددة. وحتى في خطوط العرض المعتدلة، تسمح العديد من التصاميم الجديدة بإعادة دمج الطاقة المستخدمة في تسخين وتبريد صهاريج الأسماك والدفيئات الزراعية بشكل كامل، بحيث لا تتطلب هذه النظم مدخلات تتجاوز المصفوفات الشمسية أو الكهرباء/الحرارة المتولدة من إنتاج الغاز الحيوي البكتيري للحمأة المشتقة من الحمأة (إزيبويرو وكورنر 2017؛ غودديك وكيسمان 2018؛ كلوس وآخرون 2015؛ يوغيف وآخرون 2016). وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للنظم المائية أن تستخدم إزالة النيترية الميكروبية لتحويل أكسيد النيتروز إلى غاز النيتروجين إذا توافرت مصادر كربون كافية من النفايات، بحيث يمكن للبكتيريا اللاهوائية غير الغذائية والاختيارية تحويل النترات الزائدة إلى غاز النيتروجين (Van Rijn et al. 2006). وكما لوحظ في [الفرع 2-7-1](#271 -التنبؤات)، فإن أكسيد النيتروز هو غاز قوي من غازات الدفيئة، ويمكن للميكروبات الموجودة بالفعل في النظم المائية المغلقة أن تسهل تحويله إلى غاز النيتروجين.

8. 2-8 ملخص

   Original publication 2019 · نُشر لأول مرة على FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   ومع استمرار تزايد عدد السكان، يتزايد الطلب على البروتين عالي الجودة في جميع أنحاء العالم. وبالمقارنة مع مصادر اللحوم، فإن الأسماك معترف بها على نطاق واسع كمصدر صحي للبروتين. وفيما يتعلق بالإمدادات الغذائية العالمية، فإن الاستزراع المائي يوفر الآن المزيد من البروتين السمكي مقارنة بمصايد الأسماك (FAO 2016). على الصعيد العالمي، يستمر استهلاك الفرد من الأسماك في الارتفاع بمعدل سنوي يبلغ 3.2% (1961-2013)، وهو ضعف معدل النمو السكاني. وفي الفترة من 1974 إلى 2013، زاد «الإفراط في الصيد» غير المستدام بيولوجيا بنسبة 22 في المائة. و خلال الفترة نفسها, انخفضت الكميات المصيدة من مصائد الأسماك التي تعتبر «مستغلة استغلالا كاملا» بنسبة 26 في المائة. ولذلك فإن الاستزراع المائي يوفر الحل الوحيد الممكن لتلبية الطلب المتزايد في السوق. وهو الآن القطاع الغذائي الأسرع نموا, و بالتالي فهو عنصر هام من عناصر الأمن الغذائي (المرجع نفسه)

   ومع أن عدد سكان العالم يقدر بنحو 8.3-10.9 مليار نسمة بحلول عام 2050 (برينغزو وآخرون 2014)، فإن التنمية المستدامة لقطاعي الاستزراع المائي والزراعة تتطلب التحسين الأمثل من حيث كفاءة الإنتاج، ولكن أيضا تخفيضات في استخدام الموارد المحدودة، لا سيما المياه والأراضي و الأسمدة. ولا تتعلق فوائد علم الأحياء المائية بالاستخدامات الفعالة لموارد الأراضي والمياه والمغذيات فحسب، بل تسمح أيضاً بزيادة تكامل فرص الطاقة الذكية مثل الغاز الحيوي والطاقة الشمسية. وفي هذا الصدد، فإن علم الأحياء المائية هو تكنولوجيا واعدة لإنتاج كل من البروتين والخضراوات السمكية عالية الجودة بطرق يمكن أن تستخدم مساحة أقل بكثير من الأرض، وطاقة أقل، ومياه أقل، مع التقليل إلى أدنى حد من المدخلات الكيميائية والأسمدة المستخدمة في إنتاج الأغذية التقليدية.