Đất ở vùng Trung Tây nằm trong số những loại đất có năng suất cao nhất trên thế giới, một phần nhờ vào hệ thống thoát nước rộng rãi giúp loại bỏ lượng nước dư thừa khỏi các cánh đồng trồng trọt. Nhưng nước không phải là thứ duy nhất chảy qua cống gạch. Nitơ di chuyển cùng với nước trong đất vào các mương thoát nước, suối và cuối cùng vào Lưu vực sông Mississippi, nơi chất dinh dưỡng góp phần làm tảo nở hoa ồ ạt và tình trạng thiếu oxy ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh ở Vịnh Mexico.
Một nghiên cứu gần đây của Đại học Illinois Urbana-Champaign cung cấp một cái nhìn mới về các nguồn và quá trình ảnh hưởng đến lượng nitơ trong nước thoát nước bằng gạch. Nghiên cứu cho thấy một lượng nitơ "di sản" ổn định và lớn đến bất ngờ, bổ sung thêm sắc thái cho niềm tin chung rằng nitơ chuyển động nhanh qua hệ thống thoát nước bằng gạch lát như một sự phản ánh nhất thời của lượng phân bón đầu vào và hoạt động của vi sinh vật.
"Hiệu ứng di sản liên quan đến độ trễ thời gian giữa thời điểm nitơ được cung cấp trong môi trường đất cho đến khi nó bị thất thoát vào đường thủy. Ví dụ, nếu bạn cung cấp nitơ thông qua phân bón trong năm nay, nó sẽ không được phản ánh ngay lập tức trong lượng xả thải ở hạ lưu. Độ trễ này đã được tìm thấy trong nhiều hệ thống, nhưng các nhà nghiên cứu trước đây không biết nguyên nhân gây ra nó hoặc cường độ của nó lớn đến mức nào", tác giả chính của nghiên cứu Zhongjie Yu, trợ lý giáo sư tại Khoa Khoa học Tài nguyên và Môi trường, một phần của Trường, cho biết. Khoa học Nông nghiệp, Người tiêu dùng và Môi trường tại Illinois.
Để hiểu được nguồn gốc của nitơ trong nước thoát nước, trước tiên nhóm nghiên cứu phải phân biệt nitrat có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau. Họ thu thập các mẫu thoát nước từ cánh đồng ngô-đậu nành hàng tuần trong vòng ba năm và đo nitrat. Họ cũng thu thập các mẫu đất, tàn dư cây trồng và phân bón để phân tích nồng độ nitơ cũng như các đồng vị ổn định, xuất hiện tự nhiên của nitơ và oxy, hai nguyên tố tạo nên các phân tử nitrat. Sử dụng thiết bị thí nghiệm nhạy cảm, các nhà nghiên cứu trước đây đã liên kết những biến đổi nhỏ của đồng vị nitơ nặng hơn (15N) và oxy (18O) với các nguồn nitơ khác nhau và các quá trình tuần hoàn nitơ của vi sinh vật trong quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa.
Yu cho biết: “Chúng ta có thể coi các đồng vị nitơ và oxy như dấu vân tay để xác định nguồn nitrat và cách nó được tái chế bởi các quá trình vi sinh vật”. “Các nguồn khác nhau có tỷ lệ đồng vị khác nhau, giống như con người có dấu vân tay khác nhau”.
Yu nói thêm rằng nitrat có nguồn gốc từ phân bón vô cơ có tỷ lệ đồng vị thấp hơn, chứa ít nitơ và oxy nặng hơn so với các nguồn nitơ hữu cơ lớn trong đất.
Hình ảnh của Bjorn Beheydt, Shutterstock
Nhóm nghiên cứu cũng mang mẫu đất vào phòng thí nghiệm và ủ chúng để tìm hiểu xem chu trình nitơ của vi sinh vật ảnh hưởng như thế nào đến đồng vị nitrat. Với cả dữ liệu thực địa và dữ liệu trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi nguồn nitrat theo thời gian và trên các hệ thống trồng trọt.
Yu cho biết: “Kết quả của chúng tôi cho thấy tỷ lệ đồng vị ban đầu của nitrat tương tự như tỷ lệ đồng vị amoniac và nitơ sinh khối đậu nành và không thay đổi theo thời gian khi không có phân bón mới đầu vào hệ thống”. "Điều này cho thấy có một lượng lớn nitrat trong đất và có độ trễ về thời gian giữa lúc nitơ được thêm vào hệ thống và khi nó được thải ra dưới dạng nitrat trong hệ thống thoát nước bằng gạch."
Ông nói thêm rằng khi phân bón mới được bổ sung dưới dạng amoniac khan vào ngô, sự thay đổi lớn trong tín hiệu đồng vị, phản ánh nitơ mới, đã được ghi lại trong nước thoát nước, đặc biệt là khi có mưa sau khi bón phân. Tuy nhiên, tín hiệu nitơ mới này thường tồn tại trong thời gian ngắn và tín hiệu cũ sẽ xuất hiện trở lại trong vòng vài ngày đến vài tuần tiếp theo.
Mô hình này phù hợp với kết quả từ đồng tác giả nghiên cứu và nhóm của giáo sư NRES Richard Mulvaney. Trong một loạt nghiên cứu, nhóm đó đã sử dụng các kỹ thuật đồng vị được đánh dấu để theo dõi sự hấp thụ nitơ ở cây ngô, phát hiện ra rằng chưa đến một nửa lượng nitơ trong phân bón được cây sử dụng; thay vào đó, ngô hấp thụ phần lớn lượng nitơ từ đất. Theo kết quả mới, lượng nitơ còn lại trong phân bón có khả năng bị mất đi trong hệ thống thoát nước của gạch hoặc chuyển thành phần phản ứng được lưu trữ trong đất, dẫn đến việc giải phóng nitơ trong thời gian dài.
Yu cho biết bằng chứng về tác động kế thừa có thể cung cấp thông tin cho việc quản lý và tác động đến cách các nhà hoạch định chính sách đánh giá sự thành công của các hoạt động giảm thất thoát nitơ.
Ông nói: “Thông thường, chúng tôi mong đợi sẽ thấy những tác động tức thời của những thay đổi trong quản lý lượng nitơ. Tuy nhiên, ngay cả khi chúng tôi ngừng bón phân nitơ trong một năm nhất định, chúng tôi vẫn có thể thấy hệ thống đó bị tổn thất đáng kể trong một vài năm”. “Không phải nếu chúng ta giảm đầu vào nitơ thì có thể giải quyết mọi việc ngay lập tức.”
Tác giả đầu tiên của nghiên cứu, nghiên cứu sinh tiến sĩ Yinchao Hu, nói thêm rằng sự mất nitrat có nguồn gốc từ phân bón ngô là mạnh nhất trong các đợt xả thải từ hệ thống thoát nước cao, cho thấy rằng một chút tầm nhìn xa về quản lý có thể có lợi khi dự báo có mưa.
Bà nói: “Nếu chúng ta có thể kiểm soát việc sử dụng trong thời gian lượng xả thải cao, điều đó có thể giúp chúng ta giảm ô nhiễm nitơ”. “Hoặc nếu có đầy đủ dự báo về các đợt mưa, nông dân có thể thực hiện các biện pháp thích ứng và tạm thời đóng cửa thoát nước”.
