Keskilännen maaperät ovat maailman tuottavimpia, mikä johtuu osittain laajoista laattojen viemäröintijärjestelmistä, jotka poistavat ylimääräisen veden pellolta. Mutta vesi ei ole ainoa asia, joka virtaa laattojen viemärien läpi. Typpi kulkeutuu maaperän veden mukana salaojitusojiin, puroihin ja lopulta Mississippi-joen valuma-alueelle, missä ravinne edistää massiivisia leväkukintoja ja hypoksisia olosuhteita, jotka vaikuttavat Meksikonlahden vesieliöihin.
Tuoreen Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin tutkimus tarjoaa uuden näkökulman lähteisiin ja prosesseihin, jotka vaikuttavat laattojen viemäriveden typpikuormitukseen. Tutkimus paljastaa odottamattoman suuren ja vakaan "perinnön" typpialtaan, joka lisää vivahteita yleiseen uskomukseen, että typpi pulssii nopeasti laattojen viemäröintijärjestelmien läpi ohimenevänä heijastuksena lannoitteiden syöttämisestä ja mikrobien aktiivisuudesta.
"Perintövaikutus liittyy aikaviiveeseen, joka kuluu siitä, kun typpi tulee saataville maaperässä, ja sen häviämiseen vesistöihin. Jos esimerkiksi typpeä tulee tänä vuonna lannoitteiden kautta, se ei heijastu heti alavirtaan. Tämä viive on havaittu monissa järjestelmissä, mutta aiemmat tutkijat eivät tienneet, mikä sen aiheutti tai kuinka suuri sen suuruus oli", sanoi tutkimuksen johtava kirjoittaja Zhongjie Yu, apulaisprofessori luonnonvara- ja ympäristötieteiden laitokselta, osa Collegesta. maatalous-, kuluttaja- ja ympäristötieteiden maisteri Illinoisissa.
Ymmärtääkseen typen alkuperää valumavesissä tutkimusryhmän täytyi ensin erottaa eri lähteistä peräisin oleva nitraatti. He keräsivät maissi-soijapellolta laattojen kuivatusnäytteitä viikoittain kolmen vuoden ajan ja mittasivat nitraattia. He myös keräsivät maaperä-, satojäännös- ja lannoitenäytteitä analysoidakseen typpipitoisuuksia sekä luonnollisesti esiintyviä, pysyviä typen ja hapen isotooppeja, kaksi alkuainetta, jotka muodostavat nitraattimolekyylejä. Käyttämällä herkkiä laboratoriolaitteita, aiemmat tutkijat liittivät vähäisiä vaihteluita raskaampien typen (15N) ja hapen (18O) isotooppeihin erilaisiin typen lähteisiin ja mikrobien typen kiertokulkuprosesseihin eli nitrifikaatioon ja denitrifikaatioon.
"Voimme ajatella typen ja hapen isotooppeja sormenjälkinä tunnistaaksemme nitraattilähteet ja sen, kuinka mikrobiprosessit kierrättävät sitä", Yu sanoi. "Eri lähteillä on erilaiset isotooppisuhteet, aivan kuten ihmisillä on erilaiset sormenjäljet."
Yu lisäsi, että epäorgaanisista lannoitteista saadulla nitraatilla on pienempi isotooppisuhde, jossa on vähemmän raskaita typpeä ja happea, kuin irtoperäisillä maaperän orgaanisilla typen lähteillä.
Kuva: Bjorn Beheydt, Shutterstock
Tutkimusryhmä toi myös maanäytteitä laboratorioon ja inkuboi niitä oppiakseen kuinka mikrobien typen kierto vaikuttaa nitraatti-isotoopeihin. Sekä kenttä- että laboratoriotietojen avulla tutkijat pystyivät jäljittämään nitraattilähteitä ajan kuluessa ja viljelyjärjestelmien välillä.
"Tuloksemme osoittavat, että nitraatin alkuperäiset isotooppisuhteet olivat samankaltaisia kuin ammoniakkilannoitteen ja soijapavun biomassan typen suhteet, eivätkä ne vaihdelleet ajan myötä, kun järjestelmään ei ollut uutta lannoitetta", Yu sanoi. "Tämä viittaa siihen, että maaperässä on suuri perinnöllinen nitraattivarasto ja aikaviive sen välillä, kun typpeä lisätään järjestelmään ja kun se viedään nitraattina laattojen viemäröintiin."
Hän lisäsi, että kun uutta lannoitetta lisättiin vedettömänä ammoniakkina maissiin, isotooppisignaalin suuri muutos, joka heijastaa uutta typpeä, kirjattiin laattojen viemäriveteen, varsinkin kun levitystä seurasi sade. Tämä uusi typpisignaali oli kuitenkin usein lyhytikäinen, ja vanha signaali ilmaantui uudelleen seuraavien päivien tai viikkojen kuluessa.
Malli on linjassa tutkimuksen kirjoittajan ja NRES-professori Richard Mulvaneyn ryhmän tulosten kanssa. Tutkimussarjassa tämä ryhmä käytti leimattuja isotooppitekniikoita typen oton jäljittämiseen maissikasveissa, ja havaittiin, että kasvit käyttävät alle puolet lannoitteen typestä; sen sijaan maissi otti suurimman osan typestään maaperästä. Jäljelle jäävä lannoitteen typpi uusien tulosten mukaan todennäköisesti katoaa laattojen kuivatuksessa tai muuttuu maaperään varastoituneeksi reaktiiviseksi jakeeksi, mikä johtaa typen vapautumiseen pitkällä aikavälillä.
Yu sanoi, että todisteet perinnöllisestä vaikutuksesta voivat antaa johtoa ja vaikuttaa siihen, miten päättäjät arvioivat typen hävikkien vähentämiskäytäntöjen onnistumista.
"Usein odotamme näkevämme välittömiä johtamismuutosten vaikutuksia typpikuormitukseen. Kuitenkin, vaikka lopettaisimme typpilannoitteiden käytön jonakin vuonna, saatamme silti nähdä merkittävää tappiota järjestelmästä muutaman vuoden ajan", hän sanoi. "Ei ole niin, että jos vähennämme typen syöttöä, se voi ratkaista kaiken välittömästi."
Tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja, tohtoriopiskelija Yinchao Hu, lisäsi, että maissilannoitteesta peräisin oleva nitraattihävikki oli voimakkainta korkean tiilien valumisen aikana, mikä viittaa siihen, että vähäisestä johdon ennakoinnista voisi olla hyötyä, kun ennusteena on sade.
"Jos voimme valvoa levitystä korkean päästön aikana, se voi auttaa meitä vähentämään typen saastumista", hän sanoi. "Tai jos sadetapahtumista on riittävästi ennusteita, maanviljelijät voivat ryhtyä sopeuttaviin toimiin ja sulkea laattojen viemärin tilapäisesti."
