Tanah barat tengah adalah antara yang paling produktif di dunia, sebahagiannya berkat sistem saliran jubin yang luas yang mengeluarkan air berlebihan dari ladang tanaman. Tetapi air bukan satu-satunya perkara yang mengalir melalui longkang jubin. Nitrogen bergerak bersama-sama dengan air tanah ke dalam parit saliran, sungai, dan akhirnya ke Lembangan Sungai Mississippi, di mana nutrien menyumbang kepada pembungaan alga besar-besaran dan keadaan hipoksia yang memberi kesan kepada hidupan akuatik di Teluk Mexico.
Kajian terbaru dari University of Illinois Urbana-Champaign memberikan pandangan baru pada sumber dan proses yang mempengaruhi beban nitrogen dalam air saliran jubin. Kajian itu mendedahkan kumpulan nitrogen "warisan" yang besar dan stabil, menambah nuansa kepada kepercayaan umum bahawa nitrogen berdenyut dengan cepat melalui sistem saliran jubin sebagai pantulan sementara input baja dan aktiviti mikrob.
"Kesan warisan berkaitan dengan selang masa antara apabila nitrogen disediakan dalam persekitaran tanah hingga kehilangannya kepada saluran air. Contohnya, jika anda mempunyai input nitrogen melalui baja tahun ini, ia tidak akan dicerminkan dalam pemunggahan hiliran serta-merta. Kelewatan ini telah ditemui dalam banyak sistem, tetapi penyelidik terdahulu tidak tahu apa yang menyebabkannya atau berapa besar magnitudnya," kata pengarang kajian utama Zhongjie Yu, penolong profesor di Jabatan Sumber Asli dan Sains Alam Sekitar, sebahagian daripada Kolej Sains Pertanian, Pengguna dan Alam Sekitar di Illinois.
Untuk memahami asal usul nitrogen dalam air saliran, pasukan penyelidik terlebih dahulu perlu membezakan nitrat yang diperoleh daripada pelbagai sumber. Mereka mengumpul sampel saliran jubin dari ladang jagung-kacang soya setiap minggu selama tiga tahun dan mengukur nitrat. Mereka juga mengumpul sampel tanah, sisa tanaman dan baja untuk menganalisis kepekatan nitrogen serta isotop stabil nitrogen dan oksigen yang wujud secara semula jadi, dua unsur yang membentuk molekul nitrat. Menggunakan peralatan makmal yang sensitif, penyelidik terdahulu mengaitkan sedikit variasi dalam isotop nitrogen (15N) dan oksigen (18O) yang lebih berat dengan pelbagai sumber nitrogen dan proses kitaran nitrogen mikrob nitrifikasi dan denitrifikasi.
"Kita boleh memikirkan isotop nitrogen dan oksigen sebagai cap jari untuk mengenal pasti sumber nitrat dan bagaimana ia dikitar semula oleh proses mikrob, " kata Yu. "Sumber yang berbeza mempunyai nisbah isotop yang berbeza, sama seperti manusia mempunyai cap jari yang berbeza."
Yu menambah bahawa nitrat yang diperoleh daripada baja bukan organik mempunyai nisbah isotop yang lebih rendah, dengan nitrogen berat dan oksigen yang lebih sedikit, daripada sumber nitrogen organik tanah pukal.
Imej oleh Bjorn Beheydt, Shutterstock
Pasukan penyelidik juga membawa sampel tanah ke dalam makmal dan mengeramkannya untuk mengetahui bagaimana kitaran nitrogen mikrob mempengaruhi isotop nitrat. Dengan kedua-dua data lapangan dan makmal, para penyelidik boleh mengesan sumber nitrat melalui masa dan merentasi sistem tanaman.
"Keputusan kami menunjukkan bahawa nisbah isotop asal nitrat adalah serupa dengan baja ammonia dan nitrogen biojisim kacang soya dan tidak berubah dari semasa ke semasa apabila tiada input baja baru kepada sistem, " kata Yu. "Ini mencadangkan kumpulan besar warisan nitrat dalam tanah dan selang masa antara apabila nitrogen ditambahkan ke sistem dan apabila ia dieksport sebagai nitrat dalam saliran jubin."
Beliau menambah bahawa apabila baja baru ditambah sebagai ammonia kontang kepada jagung, peralihan besar dalam isyarat isotop, mencerminkan nitrogen baru, direkodkan dalam air saliran jubin, terutamanya apabila kejadian hujan mengikuti penggunaan. Walau bagaimanapun, isyarat nitrogen baharu ini selalunya berumur pendek, dengan isyarat warisan muncul semula dalam beberapa hari hingga minggu berikutnya.
Corak itu sejajar dengan hasil daripada pengarang bersama kajian dan kumpulan profesor NRES Richard Mulvaney. Dalam satu siri kajian, kumpulan itu menggunakan teknik isotop berlabel untuk mengesan pengambilan nitrogen dalam tumbuhan jagung, mendapati bahawa kurang daripada separuh nitrogen baja digunakan oleh tumbuhan; sebaliknya, jagung mengambil sebahagian besar nitrogennya daripada tanah. Baki nitrogen baja, menurut keputusan baru, mungkin hilang dalam saliran jubin atau ditukar menjadi pecahan reaktif yang disimpan di dalam tanah, yang membawa kepada pembebasan nitrogen jangka panjang.
Yu berkata bukti kesan warisan boleh memaklumkan pengurusan dan memberi kesan kepada cara penggubal dasar menilai kejayaan amalan pengurangan kehilangan nitrogen.
"Selalunya, kami menjangkakan untuk melihat kesan serta-merta perubahan pengurusan dalam beban nitrogen. Walau bagaimanapun, walaupun kami berhenti menggunakan baja nitrogen untuk tahun tertentu, kami mungkin masih melihat kerugian yang ketara daripada sistem itu untuk beberapa tahun," katanya. "Ia tidak seperti jika kita mengurangkan input nitrogen, ia boleh menyelesaikan segala-galanya dengan segera."
Pengarang pertama kajian itu, pelajar kedoktoran Yinchao Hu, menambah bahawa kehilangan nitrat yang diperoleh daripada baja jagung adalah paling kuat semasa peristiwa pelepasan saliran jubin yang tinggi, menunjukkan bahawa sedikit pandangan jauh pengurusan boleh memberi manfaat apabila hujan dalam ramalan.
"Jika kita boleh mengawal penggunaan semasa tempoh pelepasan yang tinggi, itu boleh membantu kita mengurangkan pencemaran nitrogen," katanya. "Atau jika terdapat ramalan yang mencukupi untuk kejadian hujan, petani boleh mengambil langkah penyesuaian dan menutup saliran jubin buat sementara waktu."
