Midtvestlige jorder er blandt de mest produktive i verden, delvist takket være omfattende flisedræningssystemer, der fjerner overskydende vand fra afgrødemarker. Men vand er ikke det eneste, der strømmer gennem fliseafløb. Kvælstof bevæger sig sammen med jordvandet ind i dræningsgrøfter, vandløb og i sidste ende ind i Mississippi-flodbassinet, hvor næringsstoffet bidrager til massiv algeopblomstring og hypoksiske forhold, der påvirker vandlevende liv i den Mexicanske Golf.
En nylig undersøgelse fra University of Illinois Urbana-Champaign giver et nyt kig på de kilder og processer, der påvirker nitrogenbelastningen i drænvand af fliser. Undersøgelsen afslører en uventet stor og stabil "arv" pulje af nitrogen, der tilføjer nuancer til den almindelige tro på, at nitrogen pulserer hurtigt gennem flisedræningssystemer som en forbigående afspejling af gødningstilførsel og mikrobiel aktivitet.
"Arveeffekten relaterer sig til tidsforskydningen fra det tidspunkt, hvor kvælstof er tilgængeligt i jordmiljøet, til dets tab til vandvejene. Hvis du for eksempel har en kvælstoftilførsel via gødning i år, vil det ikke afspejle sig i aflastning nedstrøms med det samme. Denne forsinkelse er blevet fundet i mange systemer, men tidligere forskere vidste ikke, hvad der forårsagede det, eller hvor stor dens størrelse var," sagde hovedforfatter af undersøgelsen Zhongjie Yu, assisterende professor ved Institut for Naturressourcer og Miljøvidenskab, en del af College. i landbrugs-, forbruger- og miljøvidenskab i Illinois.
For at forstå oprindelsen af kvælstof i drænvand, var forskerholdet først nødt til at differentiere nitrat fra forskellige kilder. De indsamlede fliser drænprøver fra en majs-sojamark på en ugentlig basis over tre år og målte nitrat. De indsamlede også jord-, afgrøderester og gødningsprøver for at analysere nitrogenkoncentrationer såvel som naturligt forekommende, stabile isotoper af nitrogen og oxygen, de to elementer, der udgør nitratmolekyler. Ved hjælp af følsomt laboratorieudstyr associerede tidligere forskere små variationer i tungere nitrogen (15N) og oxygen (18O) isotoper med forskellige nitrogenkilder og de mikrobielle nitrogenkredsløbsprocesser nitrifikation og denitrifikation.
"Vi kan tænke på nitrogen- og oxygenisotoper som et fingeraftryk for at identificere kilderne til nitrat, og hvordan det bliver genbrugt af mikrobielle processer," sagde Yu. "Forskellige kilder har forskellige isotopforhold, ligesom mennesker har forskellige fingeraftryk."
Yu tilføjede, at nitrat afledt af uorganisk gødning har et lavere isotopforhold, med færre tunge nitrogener og oxygener, end organiske nitrogenkilder i bulkjord.
Billede af Bjorn Beheydt, Shutterstock
Forskerholdet bragte også jordprøver ind i laboratoriet og inkuberede dem for at lære, hvordan mikrobiel nitrogenkredsløb påvirker nitratisotoper. Med både mark- og laboratoriedata kunne forskerne spore nitratkilder gennem tid og på tværs af afgrødesystemer.
"Vores resultater viser, at de oprindelige isotopforhold af nitrat lignede dem for ammoniakgødning og sojabønnebiomassekvælstof og ikke varierede over tid, når der ikke var nogen ny gødningstilførsel til systemet," sagde Yu. "Dette tyder på en stor forældet pulje af nitrat i jorden og en tidsforskydning mellem, hvornår nitrogen tilsættes systemet, og når det eksporteres som nitrat i flisedræning."
Han tilføjede, at når ny gødning blev tilsat som vandfri ammoniak til majs, blev et stort skift i det isotopiske signal, der afspejler det nye nitrogen, registreret i drænvand af fliser, især når regnbegivenheder fulgte påføringen. Dette nye nitrogensignal var dog ofte kortvarigt, og arvesignalet genopstod inden for de følgende dage til uger.
Mønsteret stemmer overens med resultater fra undersøgelsens medforfatter og NRES-professor Richard Mulvaneys gruppe. I en række undersøgelser brugte denne gruppe mærkede isotopteknikker til at spore nitrogenoptagelse i majsplanter, og fandt ud af, at mindre end halvdelen af gødningskvælstoffet bruges af planterne; i stedet optog majs det meste af sit nitrogen fra jorden. Det resterende gødningskvælstof går ifølge de nye resultater sandsynligvis tabt i flisedræning eller omdannes til en reaktiv fraktion lagret i jorden, hvilket fører til frigivelse af kvælstof på lang sigt.
Yu sagde, at beviserne for en arvevirkning kan informere ledelsen og påvirke, hvordan politiske beslutningstagere evaluerer succesen med praksis for reduktion af nitrogentab.
"Ofte forventer vi at se umiddelbare effekter af ledelsesændringer i kvælstofbelastningen. Men selvom vi stoppede med at tilføre kvælstofgødning for et givet år, vil vi muligvis stadig se betydelige tab fra det system i nogle år," sagde han. "Det er ikke sådan, at hvis vi reducerer kvælstoftilførslen, kan det løse alt med det samme."
Undersøgelsens første forfatter, ph.d.-studerende Yinchao Hu, tilføjede, at nitrattab afledt af majsgødning var stærkest under begivenheder med høj flisedræning, hvilket tyder på, at lidt ledelsesfremsyn kunne være gavnligt, når regn er i prognosen.
"Hvis vi kan kontrollere anvendelsen i perioder med høj udledning, kan det hjælpe os med at reducere nitrogenforurening," sagde hun. "Eller hvis der er tilstrækkelige prognoser for regnhændelser, kan landmændene træffe tilpasningsforanstaltninger og midlertidigt lukke flisedræningen."
