Mellanvästerns jordar är bland de mest produktiva i världen, delvis tack vare omfattande kakeldräneringssystem som tar bort överflödigt vatten från odlingsfält. Men vatten är inte det enda som rinner genom kakelavlopp. Kväve rör sig tillsammans med markvattnet in i dräneringsdiken, bäckar och slutligen in i Mississippi River Basin, där näringsämnet bidrar till massiva algblomningar och hypoxiska förhållanden som påverkar vattenlivet i Mexikanska golfen.
En färsk studie från University of Illinois Urbana-Champaign ger en ny titt på källorna och processerna som påverkar kvävebelastningen i kakeldräneringsvatten. Studien avslöjar en oväntat stor och stabil "arv" pool av kväve, vilket ger nyans till den vanliga uppfattningen att kväve pulserar snabbt genom kakeldräneringssystem som en övergående återspegling av gödseltillförsel och mikrobiell aktivitet.
"Arveffekten hänför sig till tidsförskjutningen mellan när kväve görs tillgängligt i markmiljön till dess förlust till vattendrag. Om du till exempel har en kvävetillförsel via gödsel i år, kommer det inte att återspeglas i avlastningar nedströms direkt. Denna eftersläpning har hittats i många system, men tidigare forskare visste inte vad som orsakade det eller hur stor dess omfattning var", säger huvudstudieförfattaren Zhongjie Yu, biträdande professor vid Institutionen för naturresurser och miljövetenskap, en del av College av jordbruks-, konsument- och miljövetenskaper i Illinois.
För att förstå ursprunget till kväve i dräneringsvatten var forskargruppen först tvungen att skilja på nitrat från olika källor. De samlade in kakelavrinningsprover från ett majs-sojabönsfält på veckobasis under tre år och mätte nitrat. De samlade också in jord-, skörderester och gödselprover för att analysera kvävekoncentrationer såväl som naturligt förekommande, stabila isotoper av kväve och syre, de två elementen som utgör nitratmolekyler. Med hjälp av känslig laboratorieutrustning förknippade tidigare forskare små variationer i tyngre kväve (15N) och syre (18O) isotoper med olika kvävekällor och de mikrobiella kvävekretsloppsprocesserna nitrifikation och denitrifikation.
"Vi kan tänka på kväve- och syreisotoper som ett fingeravtryck för att identifiera källorna till nitrat och hur det återvinns av mikrobiella processer," sa Yu. "Olika källor har olika isotopförhållanden, precis som människor har olika fingeravtryck."
Yu tillade att nitrat som härrör från oorganiskt gödningsmedel har ett lägre isotopförhållande, med färre tunga kväve och syre, än organiska kvävekällor i bulkjord.
Bild av Bjorn Beheydt, Shutterstock
Forskargruppen tog också med jordprover till labbet och inkuberade dem för att lära sig hur mikrobiell kvävecykling påverkar nitratisotoper. Med både fält- och labbdata kunde forskarna spåra nitratkällor genom tid och över odlingssystem.
"Våra resultat visar att de ursprungliga isotopkvoterna för nitrat liknade de för ammoniakgödselmedel och sojabönors biomassakväve och inte varierade över tiden när det inte fanns någon ny gödseltillförsel till systemet," sa Yu. "Detta tyder på en stor historisk pool av nitrat i jorden och en tidsförskjutning mellan när kväve tillförs systemet och när det exporteras som nitrat i kakeldränering."
Han tillade att när nytt gödselmedel tillsattes som vattenfri ammoniak till majs, registrerades en stor förskjutning i den isotopiska signalen, som reflekterade det nya kvävet, i kakeldräneringsvatten, särskilt när regnhändelser följde på appliceringen. Denna nya kvävesignal var dock ofta kortlivad, med den äldre signalen som återuppstod inom de följande dagarna till veckorna.
Mönstret stämmer överens med resultat från studiens medförfattare och NRES-professorn Richard Mulvaneys grupp. I en serie studier använde den gruppen märkta isotoptekniker för att spåra kväveupptag i majsväxter, och fann att mindre än hälften av gödselkvävet används av växterna; i stället tog majs upp det mesta av sitt kväve från jorden. Det återstående gödselkvävet, enligt de nya resultaten, går sannolikt förlorat i kakeldränering eller omvandlas till en reaktiv fraktion som lagras i jorden, vilket leder till frigöring av kväve på lång sikt.
Yu sa att bevisen på en äldre effekt kan informera ledningen och påverka hur beslutsfattare utvärderar framgången med metoder för att minska kväveförlusten.
"Ofta förväntar vi oss att se omedelbara effekter av förvaltningsförändringar i kvävebelastningen. Men även om vi slutade använda kvävegödsel för ett visst år, kan vi fortfarande se betydande förluster från det systemet under några år", sa han. "Det är inte så att om vi minskar kvävetillförseln kan det lösa allt direkt."
Studiens första författare, doktorand Yinchao Hu, tillade att nitratförlusten från majsgödsel var starkast under händelser med hög utsläpp av kakeldränering, vilket tyder på att lite förvaltningsframsyn kan vara fördelaktigt när regn är i prognosen.
"Om vi kan kontrollera appliceringen under perioder med höga utsläpp, kan det hjälpa oss att minska kväveföroreningarna", sa hon. "Eller om det finns tillräckliga prognoser för regnhändelser kan bönder vidta anpassningsåtgärder och tillfälligt stänga kakeldräneringen."
