Hvordan løser vi problemet med afstrømning af næringsstoffer fra landbruget?

Landbrugsafstrømning fra gårde i Midtvesten er en væsentlig bidragyder til en stor "død zone" i den Mexicanske Golf. Nitrogen, fosfor og andre næringsstoffer fra landbruget dræner ud i Mississippi-floden, som munder ud i Golfen, hvilket ansporer alger til at overbefolke og kvæler andet vandlevende liv. Illinois er en hovedsynder i denne vedvarende miljøskade. News Bureau life sciences redaktør Diana Yates talte med U. of I. naturressource- og miljøvidenskabsforsker Lowell Gentry om mulige løsninger.

Hvor stor er den Mexicanske Golfs døde zone i dag, og hvor meget bidrager Illinois-landbruget til problemet?

Sidste sommer målte forskere ved Louisiana State University den døde zone i Golfen til 6.334 kvadratkilometer, hvilket var større end dets historiske gennemsnit. Den største nogensinde målt var 8.776 kvadratkilometer i 2017. I Illinois bidrager ikke-punktkilder (hvoraf landbruget er langt den største) med 80 % af kvælstoffet og omkring halvdelen af ​​fosforen til vores floder og vandløb. Illinois og Iowa er de største bidragydere af næringsstoffer til Golfen, og begge stater har udviklet strategier for reduktion af næringsstoftab med det mål at reducere nitrogen- og fosfortabet med 45 % inden 2035.

Vi har kendt til dette problem i årevis. Hvorfor kæmper Illinois stadig for at reducere afstrømningen af ​​næringsstoffer fra gårde?

Svaret er kompliceret. Mange mennesker tror, ​​at tab af næringsstoffer fra landbrugsmarker simpelthen er et spørgsmål om overdreven gødning, og at landmændene blot skal bruge mindre. I en af ​​vores undersøgelser af dræning af fliser brugte vi kun 75 % af den fulde mængde nitrogengødning på majs. Dette reducerede kornudbyttet med 10 %, men havde ringe effekt på tab af flisenitrat i løbet af undersøgelsen.

Der er dog ingen tvivl om, at timingen og metoden for tilførsel af næringsstoffer kan have en stor effekt på næringsstoftab i de flisedrænede regioner i staten. For eksempel viser vores undersøgelser, at meget mere nitrat går tabt til fliserne, når der påføres kvælstofgødning om efteråret frem for om foråret, lige før majsplantning.

Sojabønneproduktion forværrer også nitrattab til flisedræningssystemer. Vi mener, at dette nitrat dannes som et resultat af mikrobiel nedbrydning af afgrøderester og jordens organiske stof, når jordens mikrobielle samfund løber tør for let tilgængeligt kulstof. Det nitrat, der dannes i den ikke-vækstsæson, er modtageligt for udvaskningstab. Dette er en lækage i systemet, som ikke bliver rettet.

Der er mange statslige programmer for at tilskynde landmænd til at løse problemet. Fungerer nogle programmer bedre end andre?

Det er alt for tidligt at se en effekt af bevaringsindsatsen på Mississippi River Basin som helhed. Tættere på hjemmet har vi prøvet Embarras-floden ved Camargo, Illinois, i 30 år og ser kun få tegn på forbedring af vandkvaliteten i løbet af denne tid. Vi er dog stadig i basisfasen af ​​dette langsigtede overvågningsprojekt, fordi der kun er få bevaringspraksis på stedet her i det centrale Illinois, der kan medføre den ønskede dramatiske ændring.

Tre programmer her bevæger landmændene i retning af større vedtagelse af bevaring:Efterårsdækninger til forårsbesparelser, Illinois Department of Agricultures dækafgrødeprogram; Saving Tomorrow's Agriculture Resources, et Champaign County Soil and Water Conservation-program, der lærer landmænd om forvaltning af næringsstoffer; og Precision Conservation Management, et program udviklet af Illinois Corn Growers Association, der har til formål at hjælpe landmænd med at høste de økonomiske fordele ved at engagere sig i bevaringspraksis.

Hvad er bioreaktorer, og hvor godt fungerer de?

Bioreaktorer er skyttegrave fyldt med træflis, der modtager flisedrænvand og bruger den biologisk medierede proces med denitrifikation til at fjerne nitrat, svarende til konstruerede vådområder, men med et meget mindre designfodaftryk. Vi er i øjeblikket ved at evaluere ydeevnen af ​​seks bioreaktorer på en gård i Piatt County. Indtil videre har deres præstationer været skuffende, med mindre end 20 % af flisenitraten fjernet. Men nu undersøger vi, om jordhætter oven på fliserne vil forbedre ydeevnen og forlænge bioreaktorernes levetid. Ekstremt våde år vil være en reel udfordring for end-of-pipe-strategier, så bioreaktorer forbliver et work-in-progress.

Hjælper det at bygge nyt vådområde eller vilde blomsterbuffere med at holde næringsstoffer på plads?

Vores undersøgelser af konstruerede vådområder viste, at de fjerner 50 % af flisenitraten. De giver også et væld af andre dyrelivs- og økosystemydelser. Deres placering er dog begrænset af topografi. Vådområder kan ikke bygges hvor som helst. De skal placeres i områder, der giver dem mulighed for at tilbageholde nok flisevand til behandling uden at forårsage oversvømmelse tilbage til markerne. Deres installation kan også kræve, at jord tages ud af produktion, hvilket i høj grad mindsker deres tiltrækningskraft for landmænd. Vildblomstbuffere er gode til bestøvere og kan hjælpe med jorderosion, men har begrænset indflydelse på at reducere tab af næringsstoffer i flisedrænede marker.

Hvordan kan landmænd forbedre jordens kulstof, og hvordan reducerer det afstrømningen af ​​næringsstoffer?

Dette er det mest kritiske spørgsmål, vi kan stille i dag. Tab af jordkulstof under konventionelt landbrug på flisedrænede marker sker stadig. Vi er nødt til at standse kulstoftabet i jorden og endnu bedre, forsøge at øge kulstofindholdet i landbrugsjorden. Jeg tror, ​​at nitrattab i fliser er et resultat af kulstoftab i jorden, fordi kulstof- og nitrogenkredsløbet er uløseligt forbundet.

Siden Anden Verdenskrig har vi noget afkoblet kvælstof- og kulstofkredsløbet ved at skifte fra gylle til uorganisk kvælstofgødning. Tilsætning af nitrogen til jorden uden at tilføre nok kulstof gør systemet utæt - især i våde år. Bearbejdning mindre og plantning af overvintrende græsdækafgrøder som kornrug er de bedste måder at imødegå tab af kulstof i jorden og forsøge at vende tendensen med faldende kulstoflagre i jorden. Kornrug er også en fremragende nitrogen-"fangafgrøde", da vi rutinemæssigt finder reduktioner i flisenitrat på mere end 40 %, når kornrug dyrkes forud for sojabønner.

Hvilke metoder er mest økonomiske?

Få langtidsundersøgelser er blevet udført for at løse dette spørgsmål. Vi har brug for flere data for at skabe modeller, der bedre kan evaluere omkostningerne og fordelene ved forskellige bevaringsmetoder. Strategisk mener jeg, at markløsninger såsom plantning af vinterdækafgrøder er den bedste vej frem, da de direkte kan påvirke kulstofkredsløbet, tilgængeligheden af ​​næringsstoffer og den generelle jordsundhed.

End-of-pipe-teknologier som bioreaktorer og mættede strandbuffere gør ikke meget for jordens sundhed, men kan være mere attraktive for landmændene, da de ikke kræver, at de ændrer deres praksis i marken og derfor indebærer ringe risiko for produktionen. Mens vinterdækafgrøder tilføjer årlige omkostninger og risici, der kan reducere afgrødeudbyttet og fortjenstmargener, opfanger de nitrat uden for den almindelige vækstsæson, holder det ude af fliserne og bevarer det i marken. Noget af dette nitrogen er tilgængeligt for den næste række afgrøde.

I en proof-of-concept undersøgelse sammenlignede mine kolleger og jeg økonomien og tabene af flisenitrat mellem en majs-sojabønner-hvede-rotation (med dobbeltbeskåret sojabønner efter hvede og kornrug efter majs) og en konventionelt dyrket majs- sojabønner rotation. Denne undersøgelse viste, at producenten opnåede det samme overskud og reducerede tabet af flisenitrat med mere end 30 % over en seksårig periode med den mere forskelligartede rotation. Det sidste år gav majs i den mangfoldige omdrift 25 skæpper mere pr. hektar end konventionelt dyrket majs. Dette indikerer, at en mere forskelligartet omdrift kan øge nitratkredsløbet og gavne afgrødeudbyttet og samtidig reducere tabet af nitrat til landbrugets drænfliser.