Gleby środkowo-zachodnie należą do najbardziej produktywnych na świecie, częściowo dzięki rozbudowanym systemom odwadniania płytek, które usuwają nadmiar wody z pól uprawnych. Ale woda nie jest jedyną rzeczą przepływającą przez płytki odpływowe. Azot przemieszcza się wraz z wodą glebową do rowów melioracyjnych, strumieni i ostatecznie do dorzecza rzeki Mississippi, gdzie składnik odżywczy przyczynia się do masowego zakwitu glonów i warunków niedotlenienia, które wpływają na organizmy wodne w Zatoce Meksykańskiej.
Niedawne badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign zapewnia nowe spojrzenie na źródła i procesy wpływające na ładunek azotu w wodzie drenażowej z płytek. Badanie ujawnia nieoczekiwanie dużą i stabilną „starą” pulę azotu, co dodaje niuansów powszechnemu przekonaniu, że azot szybko pulsuje w systemach odwadniających płytki jako przejściowe odbicie nawozu i aktywności drobnoustrojów.
„Efekt dziedzictwa wiąże się z opóźnieniem czasowym pomiędzy udostępnieniem azotu w środowisku glebowym a jego utratą do dróg wodnych. Na przykład, jeśli w tym roku azot zostanie dostarczony w postaci nawozów, nie znajdzie to natychmiastowego odzwierciedlenia w wyładunkach w dół rzeki. Opóźnienie to stwierdzono w wielu systemach, ale poprzedni badacze nie wiedzieli, co jest jego przyczyną ani jak duża jest jego wielkość” – powiedział główny autor badania Zhongjie Yu, adiunkt na Wydziale Zasobów Naturalnych i Nauk o Środowisku należącym do Kolegium. nauk o rolnictwie, konsumentach i środowisku w Illinois.
Aby zrozumieć pochodzenie azotu w wodzie drenażowej, zespół badawczy musiał najpierw rozróżnić azotany pochodzące z różnych źródeł. Co tydzień przez trzy lata pobierali próbki drenażu płytek z pola kukurydzy i soi i mierzyli azotany. Pobrali także próbki gleby, resztek pożniwnych i nawozów, aby przeanalizować stężenia azotu, a także naturalnie występujące, stabilne izotopy azotu i tlenu – dwa pierwiastki tworzące cząsteczki azotanów. Korzystając z czułego sprzętu laboratoryjnego, poprzedni badacze powiązali niewielkie różnice w cięższych izotopach azotu (15N) i tlenu (18O) z różnymi źródłami azotu oraz mikrobiologicznymi procesami nitryfikacji i denitryfikacji z obiegiem azotu.
„Możemy myśleć o izotopach azotu i tlenu jak o odciskach palców umożliwiających identyfikację źródeł azotanów i sposobu ich recyklingu w procesach mikrobiologicznych” – powiedział Yu. „Różne źródła mają różne proporcje izotopów, tak jak ludzie mają różne odciski palców”.
Yu dodał, że azotany pochodzące z nawozów nieorganicznych mają niższy stosunek izotopów, z mniejszą ilością ciężkich azotów i tlenu, niż organiczne źródła azotu w glebie.
Zdjęcie: Bjorn Beheydt, Shutterstock
Zespół badawczy przyniósł także próbki gleby do laboratorium i poddał je inkubacji, aby dowiedzieć się, w jaki sposób mikrobiologiczny obieg azotu wpływa na izotopy azotanów. Korzystając zarówno z danych terenowych, jak i laboratoryjnych, badacze mogli prześledzić źródła azotanów w czasie i w różnych systemach upraw.
„Nasze wyniki pokazują, że pierwotne proporcje izotopów azotanów były podobne do stosunków izotopów nawozu amoniakalnego i azotu z biomasy soi i nie zmieniały się w czasie, gdy do systemu nie wprowadzano nowego nawozu” – powiedział Yu. „To sugeruje dużą pulę azotanów w glebie oraz odstęp czasowy pomiędzy dodaniem azotu do systemu a jego wyeksportowaniem w postaci azotanów w drenażu płytek”.
Dodał, że kiedy do kukurydzy dodano nowy nawóz w postaci bezwodnego amoniaku, w wodzie drenażowej z płytek zarejestrowano dużą zmianę sygnału izotopowego, odzwierciedlającą nowy azot, zwłaszcza gdy po aplikacji nawozów padały deszcze. Jednak ten nowy sygnał dotyczący azotu był często krótkotrwały, a dotychczasowy sygnał pojawiał się ponownie w ciągu kolejnych dni lub tygodni.
Ten wzór pokrywa się z wynikami badań współautora badania i grupy profesora NRES Richarda Mulvaneya. W serii badań grupa ta zastosowała techniki znakowanych izotopów do śledzenia poboru azotu przez rośliny kukurydzy i odkryła, że rośliny zużywają mniej niż połowę azotu nawozowego; zamiast tego kukurydza pobrała większość azotu z gleby. Nowe wyniki pokazują, że pozostały azot z nawozów jest prawdopodobnie tracony podczas drenażu płytek lub przekształcany w reaktywną frakcję magazynowaną w glebie, co prowadzi do długotrwałego uwalniania azotu.
Yu powiedział, że dowody na wpływ spuścizny mogą informować kierownictwo i wpływać na to, jak decydenci oceniają skuteczność praktyk ograniczania strat azotu.
„Często spodziewamy się natychmiastowych skutków zmian w zarządzaniu w zakresie ładunku azotu. Jednak nawet gdybyśmy przestali stosować nawozy azotowe w danym roku, przez kilka lat nadal moglibyśmy odnotować znaczne straty wynikające z tego systemu” – powiedział. „To nie jest tak, że jeśli zmniejszymy dopływ azotu, wszystko może zostać rozwiązane natychmiast”.
Pierwszy autor badania, doktorant Yinchao Hu, dodał, że utrata azotanów spowodowana nawozem kukurydzianym była największa podczas zrzutów z dużą ilością wody, co sugeruje, że odrobina przewidywania w zarządzaniu może być korzystna, gdy prognozowane są opady deszczu.
„Jeśli potrafimy kontrolować aplikację w okresach wzmożonego rozładowania, może nam to pomóc w zmniejszeniu zanieczyszczenia azotem” – stwierdziła. „Lub, jeśli prognozy dotyczące opadów są wystarczające, rolnicy mogą podjąć działania adaptacyjne i tymczasowo zamknąć drenaż z płytek”.
