Forskere udvikler nye metoder til at vurdere risikoen for underjordisk fosfor

Når det kommer til at fremme planlægning af næringsstofstyring for dyrkningsmarker i hele USA, det er vigtigt at evaluere fosforindekser for at sikre nøjagtig risikovurdering af fosfortab.

Indtil for nylig, imidlertid, de fleste af disse fosforindeksvurderinger har fokuseret på risiciene for fosfortab ved overfladeafstrømning, mens de utilstrækkeligt tager hensyn til den kritiske rolle, fosfortab under overfladen spiller.

Dette er især vigtigt i områder som Atlanterhavskysten, hvor underjordisk strøm er den dominerende vej for fosfortransport fra kunstigt drænet agroøkosystemer - dyrkningsland, der bruger kunstig dræning til at sænke vandstandene.

Et nyt papir offentliggjort i Tidsskrift for Miljøkvalitet af forskere fra University of Delaware og andre bidragende institutioner udforsker metoder til at evaluere underjordiske fosforrisikorutiner for fem fosforindekser fra Delaware, Maryland, Virginia og North Carolina ved hjælp af tilgængelige vandkvalitets- og jorddatasæt.

Forskningen blev delvist finansieret af et United States Department of Agriculture (USDA) Natural Resources Conservation Service Conservation Innovation Grant.

Amy Shober, lektor ved Institut for Plante- og Jordbundsvidenskab og specialist i Cooperativ Extension, er hovedforfatter på papiret, som repræsenterer noget af det arbejde udført af Kathryn Turner, som arbejdede i Shobers laboratorium og dimitterede fra UD i 2016.

Medforfattere inkluderer Scott Andres, hydrogeolog og seniorforsker ved Delaware Geological Survey, Anthony Buda, US Department of Agriculture, Thomas Sims, et pensioneret UD-fakultetsmedlem og tidligere vicedekan for Højskolen for Landbrug og Naturressourcer, Nicole Fiorellino, Chesapeake College, og Joshua McGrath, University of Kentucky.

Shober sagde, at noget afgrødeland på Atlanterhavskysten skal drænes kunstigt for at sænke grundvandsspejlet for at undgå at have vand i planternes rodzone eller stående vand på deres marker, hvilket ville forstyrre landmændenes evne til at bruge udstyr og plante vellykkede afgrøder.

Shober sagde, at nutidens landmænd har at gøre med det, der er kendt som "ældre fosfor, "fosfor, der er tilovers fra tidligere gødningsapplikationer, og som fortsat bidrager til problemer med vandkvaliteten.

Ved at bruge fosforindekser, landmænd og jordforvaltere kan identificere områder i landskabet, hvor fosforkilder overlapper med måderne, hvorpå vand flytter fosfor gennem jordbunden.

Der har været en masse undersøgelser, der vurderer risikoen for fosfortransport, såsom erosion og overfladeafstrømning, fordi disse tab let ses. Der er foretaget færre undersøgelser af bidrag fra underjordisk fosfor til drænvand, som er sværere at spore, fordi de forekommer under jorden, og der er færre værktøjer til at studere disse tab.

"Du kan samle afstrømning for enden af ​​feltet og vide, hvad der kom over den landoverflade, " sagde Shober. "Det er sværere at identificere, hvor vand, der bevæger sig gennem grøftenettet, stammer fra. Vand, der dræner fra markerne, finder sted under jorden, og udledningerne fra flere marker blandes, når vandet bevæger sig gennem grøftenettet. For ikke at nævne, at nedbør, der afsættes direkte til grøften - og endda over landstrøm - også kan bidrage til grøftestrøm."

For bedre at studere underjordiske fosforkilder og transport, forskerne begyndte at se på jordbundsdata for at afgøre, om de tidligere eksisterende fosforindeksmodeller var i stand til præcist at forudsige underjordiske fosforkilder og transport. De fandt ud af, at de allerede eksisterende hydrologiske modeller til evaluering af fosfor under overfladen var utilstrækkelige, når det kom til at evaluere fladt, kunstigt drænede områder som dem, der findes i den midtatlantiske kystsletten.

Til flade landskaber, de hydrologiske modeller virkede ikke, fordi de har brug for hældning og er baseret på topografi. Fordi den midtatlantiske kystslette ikke har meget overfladeafstrømning, men i stedet har en masse afstrømning under overfladen, modellerne var ved at beregne for problemer, som modellen ikke var designet til.

"Der er ikke mange undersøgelser, især i vores region, hvor det er fladt og der er meget grøftedræning, så vi kan ikke kalibrere og verificere vores fosforindeks for fosfortab under overfladen, " sagde Shober. "Vi begyndte at se efter, om vi kunne bruge jordbundsdata til at afgøre, om vi gik i den rigtige retning. Hvis vi virkelig så høj fosforrisiko på steder, hvor dette indeks identificerer høje undergrundstab."

Shober sagde, at forskerne var i stand til at udføre denne undersøgelse ved hjælp af tidligere indsamlet jord, som kan opbevares i længere tid og stadig indeholder målbart fosfor.

Ved at bruge et bibliotek af jordkerner, som forfatterne havde indsamlet i forskellige dybder fra hele Delmarva-halvøen, og ved at bruge data indsamlet af Sims og Andres, forskerne beregnede risikoen for tab af fosfor under jorden ved hjælp af fem fosforindeks. De så på fosforindeksscorerne uden at tage hensyn til eventuel gødningsudbringning, kun om sig selv med bidrag fra den ældre fosfor.

"Til vores indeks, vi eliminerede de ting, som vi ikke var interesserede i at se på, så vi i sidste ende fik en score, som vi mener kun var for denne undergrundsrisiko, " sagde Shober. "Vi ville gerne sige, 'OKAY, hvad er den iboende risiko for underjordiske tab af fosfor, der var i jorden?'"

Når de fik disse tal, de så på det vand-ekstraherbare fosfor i dybden af ​​sæsonens højvandsspejl og korrelerede dataene for at se sammenhængen.

For at finde det vandudvindelige fosfor, forskerne tog en lille mængde jord og en lille smule deioniseret vand og rystede dem i en time og målte, hvor meget fosfor der kom ud af jorden.

"Hvis fosforindeksets underjordiske score var lav, og det vandudvindelige fosfor i jorden ved dybden af ​​vandspejlet var lavt, vi ville forvente en lav risiko for tab af fosfor under jorden. Så, ultimativt, vi ønskede at se score stige enten lineært eller eksponentielt, efterhånden som jordvandsudvindelig fosfor steg - jo højere risikoscore, jo højere det vandudtrækkelige fosforniveau skal være, "sagde Shober.

Beregningen ved hjælp af vandudvindelige fosforkoncentrationer i dybder svarende til sæsonens højvandsspejl kunne tjene som en realistisk proxy for undergrundstab i grøftedræning og som en værdifuld metrik, der giver foreløbig indsigt i retningsbestemmelsen af ​​underjordiske fosforrisikoscores, når vandkvalitetsdata er utilgængelig.

Dette vil alt sammen bidrage til at forbedre overvågning og modellering af fosfortab under overfladen og øge strengheden af ​​fosforindeksvurderinger, Shober sagde, tilføjer, "Vi håber, at dette er noget, som folk kan gøre for at komme videre med vores forståelse af tab af fosfor under overfladen. I sidste ende, vi endte med at lave nogle små justeringer af både Maryland phosphorus management tool (PMT) og North Carolina phosphorus loss assessment tool (PLAT), som fik dem til at score mere passende i forhold til vores jorddatasæt."