Tla na srednjem zahodu so med najbolj produktivnimi na svetu, delno zaradi obsežnih drenažnih sistemov s ploščicami, ki odstranjujejo odvečno vodo s polj. Voda pa ni edina stvar, ki teče skozi odtoke iz ploščic. Dušik se premika skupaj z vodo v tleh v drenažne jarke, potoke in na koncu v porečje reke Mississippi, kjer hranilo prispeva k množičnemu cvetenju alg in hipoksičnim pogojem, ki vplivajo na vodno življenje v Mehiškem zalivu.
Nedavna študija Univerze Illinois Urbana-Champaign nudi nov pogled na vire in procese, ki vplivajo na obremenitev dušika v drenažni vodi za ploščice. Študija razkriva nepričakovano velik in stabilen "zapuščinski" bazen dušika, ki dodaja odtenek splošnemu prepričanju, da dušik hitro pulzira skozi drenažne sisteme ploščic kot prehoden odraz vnosa gnojil in mikrobne aktivnosti.
"Učinek dediščine se nanaša na časovni zamik med tem, ko je dušik na voljo v okolju tal, in njegovo izgubo v vodotoke. Na primer, če imate letos vnos dušika prek gnojila, se to ne bo takoj odrazilo v raztovarjanju navzdol po toku. Ta zaostanek je bil ugotovljen v številnih sistemih, vendar prejšnji raziskovalci niso vedeli, kaj ga je povzročilo ali kako velik je bil njegov obseg," je povedal glavni avtor študije Zhongjie Yu, docent na oddelku za naravne vire in okoljske vede, ki je del fakultete. kmetijskih, potrošniških in okoljskih znanosti v Illinoisu.
Da bi razumeli izvor dušika v drenažni vodi, je morala raziskovalna skupina najprej razlikovati nitrate, pridobljene iz različnih virov. Zbrali so vzorce drenaže iz ploščic na polju koruze in soje vsak teden v treh letih in izmerili nitrat. Zbrali so tudi vzorce zemlje, ostankov pridelkov in gnojil za analizo koncentracije dušika ter naravno prisotnih stabilnih izotopov dušika in kisika, dveh elementov, ki sestavljata molekule nitrata. Z uporabo občutljive laboratorijske opreme so prejšnji raziskovalci povezali rahle razlike v težjih izotopih dušika (15N) in kisika (18O) z različnimi viri dušika in mikrobnimi procesi kroženja dušika nitrifikacije in denitrifikacije.
"Izotope dušika in kisika si lahko predstavljamo kot prstni odtis za identifikacijo virov nitrata in kako ga reciklirajo mikrobni procesi," je dejal Yu. "Različni viri imajo različna razmerja izotopov, tako kot imajo ljudje različne prstne odtise."
Yu je dodal, da ima nitrat, pridobljen iz anorganskega gnojila, nižje razmerje izotopov, z manj težkih dušikov in kisika, kot viri organskega dušika v zemlji.
Slika Bjorna Beheydta, Shutterstock
Raziskovalna skupina je v laboratorij prinesla tudi vzorce zemlje in jih inkubirala, da bi izvedela, kako mikrobno kroženje dušika vpliva na nitratne izotope. S terenskimi in laboratorijskimi podatki so lahko raziskovalci sledili virom nitratov skozi čas in med sistemi pridelave.
"Naši rezultati kažejo, da so bila prvotna izotopska razmerja nitrata podobna tistim pri gnojilu iz amoniaka in dušiku iz sojine biomase in se sčasoma niso spreminjala, ko v sistem ni bilo novega vnosa gnojila," je dejal Yu. "To kaže na velik stari bazen nitratov v tleh in časovni zamik med tem, ko je dušik dodan v sistem, in ko se izvozi kot nitrat v drenažo ploščic."
Dodal je, da ko je bilo koruzi dodano novo gnojilo kot brezvodni amoniak, je bil v drenažni vodi za ploščice zabeležen velik premik v izotopskem signalu, ki odraža nov dušik, zlasti ko je nanosu sledilo deževje. Vendar je bil ta novi dušikov signal pogosto kratkotrajen, stari signal pa se je znova pojavil v naslednjih dneh ali tednih.
Vzorec se ujema z rezultati skupine soavtorja študije in profesorja NRES Richarda Mulvaneyja. V nizu študij je ta skupina uporabila tehnike označenih izotopov za sledenje privzemu dušika v rastlinah koruze in ugotovila, da rastline porabijo manj kot polovico dušika iz gnojil; namesto tega je koruza vzela večino dušika iz zemlje. Preostali dušik v gnojilu se glede na nove rezultate verjetno izgubi v drenaži ploščic ali pretvori v reaktivno frakcijo, shranjeno v tleh, kar povzroči dolgoročno sproščanje dušika.
Yu je dejal, da lahko dokazi o podedovanem učinku informirajo vodstvo in vplivajo na to, kako oblikovalci politik ocenjujejo uspeh praks zmanjševanja izgube dušika.
"Pogosto pričakujemo, da bomo opazili takojšnje učinke sprememb upravljanja obremenitve z dušikom. Toda tudi če smo prenehali uporabljati dušikova gnojila za določeno leto, bomo morda še vedno videli znatno izgubo zaradi tega sistema za nekaj let," je dejal. "Ni tako, kot če zmanjšamo vnos dušika, lahko takoj reši vse."
Prvi avtor študije, doktorski študent Yinchao Hu, je dodal, da je bila izguba nitratov, ki izhaja iz koruznega gnojila, najmočnejša med dogodki z veliko drenažo iz ploščic, kar nakazuje, da bi lahko bilo malo predvidevanja upravljanja koristno, ko je napovedan dež.
"Če lahko nadzorujemo uporabo v obdobjih visokega izpusta, nam to lahko pomaga zmanjšati onesnaženje z dušikom," je dejala. "Ali če je dovolj napovedi za deževne dogodke, lahko kmetje sprejmejo prilagoditvene ukrepe in začasno zaprejo drenažo ploščic."
