Jarðvegur í miðvesturlöndum er með þeim afkastamestu í heiminum, meðal annars þökk sé umfangsmiklum flísaafrennsliskerfum sem fjarlægja umframvatn af ræktunarökrum. En vatn er ekki það eina sem rennur í gegnum niðurföll flísa. Köfnunarefni færist ásamt jarðvegsvatni í frárennslisskurði, læki og að lokum inn í Mississippi River Basin, þar sem næringarefnið stuðlar að gríðarlegri þörungablóma og súrefnisskorti sem hefur áhrif á vatnalíf í Mexíkóflóa.
Nýleg rannsókn frá University of Illinois Urbana-Champaign veitir nýtt útlit á uppsprettum og ferlum sem hafa áhrif á köfnunarefnishleðslu í flísaafrennslisvatni. Rannsóknin leiðir í ljós óvænt stóran og stöðugan „arfleifð“ köfnunarefnissafn, sem bætir blæbrigði við þá almennu trú að köfnunarefni berist hratt í gegnum afrennsliskerfi flísa sem tímabundin endurspeglun áburðarinntaks og örveruvirkni.
"Erfðaáhrifin snerta þann tíma sem líður á milli þess að köfnunarefni er aðgengilegt í jarðvegsumhverfinu þar til það tapast í farvegi. Til dæmis, ef þú ert með köfnunarefnisinntak með áburði á þessu ári, mun það ekki endurspeglast í afhleðslu niðurstreymis strax. Þessi töf hefur fundist í mörgum kerfum, en fyrri vísindamenn vissu ekki hvað olli henni eða hversu stór hún var,“ sagði Zhongjie Yu, aðalrannsóknarhöfundur, lektor við auðlinda- og umhverfisvísindadeild háskólans. í landbúnaðar-, neytenda- og umhverfisvísindum í Illinois.
Til að skilja uppruna köfnunarefnis í frárennslisvatni þurfti rannsóknarhópurinn fyrst að aðgreina nítrat úr ýmsum áttum. Þeir söfnuðu flísaafrennslissýnum úr maís-sojabaunaakri vikulega í þrjú ár og mældu nítrat. Þeir söfnuðu einnig jarðvegi, uppskeruleifum og áburði til að greina styrk köfnunarefnis auk náttúrulegra, stöðugra samsæta köfnunarefnis og súrefnis, frumefnanna tveggja sem mynda nítratsameindir. Með því að nota viðkvæman rannsóknarstofubúnað tengdu fyrri rannsakendur smávægilegar breytingar á þyngri köfnunarefnis (15N) og súrefnis (18O) samsætum við ýmsar köfnunarefnisgjafa og hringrásarferla örvera köfnunarefnis nítrunar og denitrification.
„Við getum hugsað um köfnunarefnis- og súrefnissamsætur sem fingrafar til að bera kennsl á uppsprettur nítrats og hvernig það er endurunnið með örveruferlum,“ sagði Yu. "Mismunandi uppsprettur hafa mismunandi samsætuhlutföll, rétt eins og menn hafa mismunandi fingraför."
Yu bætti við að nítrat úr ólífrænum áburði hafi lægra samsætuhlutfall, með færri þungu köfnunarefni og súrefni, en lífrænt köfnunarefni í lausu jarðvegi.
Mynd eftir Björn Beheydt, Shutterstock
Rannsóknarteymið kom einnig með jarðvegssýni inn í rannsóknarstofuna og ræktaði þau til að læra hvernig hringrás köfnunarefnis örvera hefur áhrif á nítratsamsætur. Með bæði vettvangs- og rannsóknargögnum gátu vísindamennirnir rakið nítratuppsprettur í gegnum tíðina og yfir ræktunarkerfi.
"Niðurstöður okkar sýna að upprunalegu samsætuhlutföll nítrats voru svipuð og ammoníaksáburðar og köfnunarefnis í lífmassa sojabauna og voru ekki breytileg með tímanum þegar enginn nýr áburður kom inn í kerfið," sagði Yu. „Þetta bendir til mikillar arfleifðar af nítrati í jarðveginum og töf á milli þess að köfnunarefni er bætt við kerfið og þangað til það er flutt út sem nítrat í flísafrennsli.“
Hann bætti við að þegar nýjum áburði var bætt við sem vatnsfrítt ammoníak í maís, var mikil breyting á samsætumerkinu, sem endurspeglaði nýja köfnunarefnið, skráð í afrennslisvatni flísa, sérstaklega þegar rigning fylgdi í kjölfar umsóknarinnar. Hins vegar var þetta nýja köfnunarefnismerki oft skammvinnt, þar sem arfleifðarmerkið kom aftur fram á næstu dögum til vikum.
Mynstrið er í samræmi við niðurstöður frá meðhöfundi rannsóknarinnar og hópi NRES prófessors Richard Mulvaney. Í röð rannsókna notaði sá hópur merkta samsætutækni til að rekja köfnunarefnisupptöku í maísplöntum og komist að því að minna en helmingur köfnunarefnis áburðar er notaður af plöntunum; í staðinn tók maís mest af köfnunarefninu úr jarðveginum. Það sem eftir er af áburðarköfnunarefninu, samkvæmt nýju niðurstöðunum, tapast líklega í flísafrennsli eða breytist í hvarfgjarnt brot sem geymt er í jarðvegi, sem leiðir til losunar köfnunarefnis til langs tíma.
Yu sagði að vísbendingar um arfleifðaráhrif geti upplýst stjórnendur og haft áhrif á hvernig stefnumótendur meta árangur aðferða við að draga úr köfnunarefnistapi.
"Oft gerum við ráð fyrir að sjá strax áhrif stjórnendabreytinga á köfnunarefnisálagi. Hins vegar, jafnvel þótt við hættum að beita köfnunarefnisáburði í tiltekið ár, gætum við samt séð verulegt tap af því kerfi í nokkur ár," sagði hann. „Það er ekki þannig að ef við drögum úr köfnunarefnisinntaki þá geti það leyst allt strax.“
Fyrsti höfundur rannsóknarinnar, doktorsneminn Yinchao Hu, bætti við að nítrattap úr maísáburði væri sterkast við mikla losun flísar, sem bendir til þess að smá framsýni stjórnenda gæti verið gagnleg þegar rigning er í spá.
„Ef við getum stjórnað notkun á tímabilum með mikilli losun gæti það hjálpað okkur að draga úr köfnunarefnismengun,“ sagði hún. „Eða ef nægar spár eru fyrir rigningaratburði geta bændur gripið til aðlögunarráðstafana og lokað tímabundið fyrir flísaafrennsli.
