Los suelos del Medio Oeste se encuentran entre los más productivos del mundo, gracias en parte a los extensos sistemas de drenaje de tejas que eliminan el exceso de agua de los campos de cultivo. Pero el agua no es lo único que fluye por los desagües de azulejos. El nitrógeno se mueve junto con el agua del suelo hacia las zanjas de drenaje, los arroyos y, en última instancia, hacia la cuenca del río Mississippi, donde el nutriente contribuye a la proliferación masiva de algas y a las condiciones hipóxicas que afectan la vida acuática en el Golfo de México.
Un estudio reciente de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ofrece una nueva mirada a las fuentes y procesos que afectan la carga de nitrógeno en el agua de drenaje de las baldosas. El estudio revela una reserva "heredada" de nitrógeno inesperadamente grande y estable, lo que añade matices a la creencia común de que el nitrógeno pulsa rápidamente a través de los sistemas de drenaje de baldosas como un reflejo transitorio de la entrada de fertilizantes y la actividad microbiana.
"El efecto heredado se relaciona con el lapso de tiempo entre el momento en que el nitrógeno está disponible en el ambiente del suelo y su pérdida en las vías fluviales. Por ejemplo, si se recibe nitrógeno a través de fertilizantes este año, no se reflejará inmediatamente en las descargas aguas abajo. Este retraso se ha encontrado en muchos sistemas, pero los investigadores anteriores no sabían qué lo causaba ni qué tan grande era su magnitud", dijo el autor principal del estudio, Zhongjie Yu, profesor asistente en el Departamento de Recursos Naturales y Ciencias Ambientales, parte de la Facultad. de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales de Illinois.
Para comprender el origen del nitrógeno en el agua de drenaje, el equipo de investigación primero tuvo que diferenciar el nitrato derivado de diversas fuentes. Recolectaron muestras de drenaje de tejas de un campo de maíz y soja semanalmente durante tres años y midieron el nitrato. También recolectaron muestras de suelo, residuos de cultivos y fertilizantes para analizar las concentraciones de nitrógeno, así como los isótopos estables y naturales de nitrógeno y oxígeno, los dos elementos que forman las moléculas de nitrato. Utilizando equipos de laboratorio sensibles, investigadores anteriores asociaron ligeras variaciones en los isótopos más pesados de nitrógeno (15N) y oxígeno (18O) con diversas fuentes de nitrógeno y los procesos microbianos de nitrificación y desnitrificación del ciclo microbiano del nitrógeno.
"Podemos pensar en los isótopos de nitrógeno y oxígeno como una huella digital para identificar las fuentes de nitrato y cómo se recicla mediante procesos microbianos", dijo Yu. "Diferentes fuentes tienen diferentes proporciones de isótopos, al igual que los humanos tenemos diferentes huellas dactilares".
Yu añadió que el nitrato derivado de fertilizantes inorgánicos tiene una proporción de isótopos más baja, con menos nitrógeno y oxígeno pesados, que las fuentes de nitrógeno orgánico del suelo a granel.
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El equipo de investigación también llevó muestras de suelo al laboratorio y las incubó para aprender cómo el ciclo microbiano del nitrógeno afecta a los isótopos de nitrato. Con datos tanto de campo como de laboratorio, los investigadores pudieron rastrear las fuentes de nitrato a lo largo del tiempo y en todos los sistemas de cultivo.
"Nuestros resultados muestran que las proporciones de isótopos originales del nitrato eran similares a las del fertilizante de amoníaco y al nitrógeno de la biomasa de soja y no variaron con el tiempo cuando no se introdujeron nuevos fertilizantes en el sistema", dijo Yu. "Esto sugiere una gran reserva de nitrato en el suelo y un desfase entre el momento en que se agrega nitrógeno al sistema y el momento en que se exporta como nitrato en el drenaje de las baldosas".
Añadió que cuando se añadió nuevo fertilizante como amoníaco anhidro al maíz, se registró un gran cambio en la señal isotópica, que refleja el nuevo nitrógeno, en el agua de drenaje de las baldosas, especialmente cuando las lluvias siguieron a la aplicación. Sin embargo, esta nueva señal de nitrógeno a menudo duró poco, y la señal heredada resurgió en los días o semanas siguientes.
El patrón se alinea con los resultados del grupo del coautor del estudio y profesor del NRES, Richard Mulvaney. En una serie de estudios, ese grupo utilizó técnicas de isótopos etiquetados para rastrear la absorción de nitrógeno en las plantas de maíz y descubrió que las plantas utilizan menos de la mitad del nitrógeno fertilizante; en cambio, el maíz absorbió la mayor parte del nitrógeno del suelo. Según los nuevos resultados, el nitrógeno restante del fertilizante probablemente se pierda en el drenaje de las baldosas o se convierta en una fracción reactiva almacenada en el suelo, lo que provoca la liberación de nitrógeno a largo plazo.
Yu dijo que la evidencia de un efecto heredado puede informar a la gestión e impactar la forma en que los formuladores de políticas evalúan el éxito de las prácticas de reducción de la pérdida de nitrógeno.
"A menudo, esperamos ver efectos inmediatos de los cambios de gestión en la carga de nitrógeno. Sin embargo, incluso si dejáramos de aplicar fertilizantes nitrogenados durante un año determinado, aún podríamos ver pérdidas significativas en ese sistema durante algunos años", dijo. "No es que si reducimos el aporte de nitrógeno se pueda solucionar todo inmediatamente".
El primer autor del estudio, el estudiante de doctorado Yinchao Hu, agregó que la pérdida de nitrato derivada del fertilizante de maíz fue mayor durante los eventos de descarga de drenaje de alta intensidad, lo que sugiere que un poco de previsión en el manejo podría ser beneficioso cuando se pronostica lluvia.
"Si podemos controlar la aplicación durante períodos de alta descarga, eso puede ayudarnos a reducir la contaminación por nitrógeno", dijo. "O si hay suficientes pronósticos de lluvias, los agricultores pueden tomar medidas de adaptación y cerrar temporalmente el drenaje de las tejas".
