Jordsmonn i Midtvesten er blant de mest produktive i verden, delvis takket være omfattende dreneringssystemer for fliser som fjerner overflødig vann fra avlingsfelt. Men vann er ikke det eneste som renner gjennom flisavløp. Nitrogen beveger seg sammen med jordvann inn i dreneringsgrøfter, bekker og til slutt inn i Mississippi River Basin, hvor næringsstoffet bidrar til massiv algeoppblomstring og hypoksiske forhold som påvirker vannlevende i Mexicogulfen.
En fersk studie fra University of Illinois Urbana-Champaign gir et nytt blikk på kildene og prosessene som påvirker nitrogenbelastningen i flisdreneringsvann. Studien avslører en uventet stor og stabil "arv" pool av nitrogen, noe som gir nyanser til den vanlige oppfatningen om at nitrogen pulserer raskt gjennom flisdreneringssystemer som en forbigående refleksjon av gjødseltilførsel og mikrobiell aktivitet.
"Arveeffekten er knyttet til tidsforsinkelsen mellom når nitrogen gjøres tilgjengelig i jordmiljøet til det tapes til vannveier. Hvis du for eksempel har en nitrogentilførsel via gjødsel i år, vil det ikke reflekteres i avlastninger nedstrøms umiddelbart. Dette etterslepet har blitt funnet i mange systemer, men tidligere forskere visste ikke hva som forårsaket det eller hvor stort omfanget var," sa hovedstudieforfatter Zhongjie Yu, assisterende professor ved Institutt for naturressurser og miljøvitenskap, en del av høgskolen. av landbruks-, forbruker- og miljøvitenskap ved Illinois.
For å forstå opprinnelsen til nitrogen i dreneringsvann, måtte forskergruppen først skille nitrat fra ulike kilder. De samlet inn flisdreneringsprøver fra et mais-soyafelt på en ukentlig basis over tre år og målte nitrat. De samlet også jord-, avlingsrester og gjødselprøver for å analysere nitrogenkonsentrasjoner så vel som naturlig forekommende, stabile isotoper av nitrogen og oksygen, de to elementene som utgjør nitratmolekylene. Ved å bruke sensitivt laboratorieutstyr assosierte tidligere forskere små variasjoner i tyngre nitrogen (15N) og oksygen (18O) isotoper med forskjellige nitrogenkilder og de mikrobielle nitrogenkretsprosessene nitrifikasjon og denitrifikasjon.
"Vi kan tenke på nitrogen- og oksygenisotoper som et fingeravtrykk for å identifisere kildene til nitrat og hvordan det resirkuleres av mikrobielle prosesser," sa Yu. "Ulike kilder har forskjellige isotopforhold, akkurat som mennesker har forskjellige fingeravtrykk."
Yu la til at nitrat avledet fra uorganisk gjødsel har et lavere isotopforhold, med færre tunge nitrogener og oksygen, enn organiske nitrogenkilder i bulk jord.
Bilde av Bjorn Beheydt, Shutterstock
Forskerteamet brakte også jordprøver inn i laboratoriet og inkuberte dem for å lære hvordan mikrobiell nitrogensykling påvirker nitratisotoper. Med både felt- og laboratoriedata kunne forskerne spore nitratkilder gjennom tid og på tvers av beskjæringssystemer.
"Våre resultater viser at de opprinnelige isotopforholdene for nitrat var lik de for ammoniakkgjødsel og soyabønnebiomassenitrogen og ikke varierte over tid når det ikke var noen ny gjødseltilførsel til systemet," sa Yu. "Dette antyder en stor arv av nitrat i jorda og en tidsforsinkelse mellom når nitrogen tilføres systemet og når det eksporteres som nitrat i flisdrenering."
Han la til at når ny gjødsel ble tilsatt som vannfri ammoniakk til mais, ble det registrert et stort skift i isotopsignalet, som reflekterte det nye nitrogenet, i flisdreneringsvann, spesielt når regnhendelser fulgte påføringen. Imidlertid var dette nye nitrogensignalet ofte kortvarig, og det gamle signalet dukket opp igjen i løpet av de påfølgende dagene til ukene.
Mønsteret stemmer overens med resultater fra studiemedforfatter og NRES-professor Richard Mulvaneys gruppe. I en serie studier brukte den gruppen merkede isotopteknikker for å spore nitrogenopptak i maisplanter, og fant at mindre enn halvparten av gjødselnitrogenet brukes av plantene; i stedet tok mais opp mesteparten av nitrogenet fra jorda. Det gjenværende gjødselnitrogenet, ifølge de nye resultatene, går sannsynligvis tapt i flisdrenering eller omdannes til en reaktiv fraksjon lagret i jorda, noe som fører til frigjøring av nitrogen på lang sikt.
Yu sa at bevisene på en eldre effekt kan informere ledelsen og påvirke hvordan beslutningstakere evaluerer suksessen til nitrogentapsreduksjonspraksis.
"Ofte forventer vi å se umiddelbare effekter av ledelsesendringer i nitrogenbelastningen. Men selv om vi sluttet å bruke nitrogengjødsel for et gitt år, kan vi fortsatt se betydelig tap fra dette systemet i noen år," sa han. "Det er ikke slik at hvis vi reduserer nitrogentilførselen, kan det løse alt umiddelbart."
Studiens førsteforfatter, doktorgradsstudent Yinchao Hu, la til at nitrattapet fra maisgjødsel var sterkest under høye fliserdreneringsutslipp, noe som tyder på at litt ledelsesfremsyn kan være fordelaktig når regn er i prognosen.
"Hvis vi kan kontrollere bruken i perioder med høyt utslipp, kan det hjelpe oss med å redusere nitrogenforurensning," sa hun. "Eller hvis det er tilstrekkelige prognoser for regnhendelser, kan bøndene ta tilpasningstiltak og midlertidig stenge flisdreneringen."
