ดินในแถบมิดเวสต์เป็นดินที่มีประสิทธิผลมากที่สุดในโลก ส่วนหนึ่งต้องขอบคุณระบบระบายน้ำแบบปูกระเบื้องที่กว้างขวาง ซึ่งช่วยขจัดน้ำส่วนเกินออกจากพื้นที่เพาะปลูก แต่น้ำไม่ใช่สิ่งเดียวที่ไหลผ่านท่อระบายน้ำกระเบื้อง ไนโตรเจนเคลื่อนที่ไปพร้อมกับน้ำในดินลงสู่คูระบายน้ำ ลำธาร และท้ายที่สุดลงสู่แอ่งแม่น้ำมิสซิสซิปปี้ ซึ่งสารอาหารดังกล่าวมีส่วนทำให้สาหร่ายขยายตัวจำนวนมากและสภาวะขาดออกซิเจน ซึ่งส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตในน้ำในอ่าวเม็กซิโก
การศึกษาล่าสุดจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign นำเสนอรูปลักษณ์ใหม่เกี่ยวกับแหล่งที่มาและกระบวนการที่ส่งผลต่อปริมาณไนโตรเจนในน้ำระบายน้ำจากกระเบื้อง การศึกษาเผยให้เห็นแหล่งไนโตรเจน "มรดก" ที่มีขนาดใหญ่และมีเสถียรภาพโดยไม่คาดคิด เพิ่มความแตกต่างเล็กน้อยให้กับความเชื่อทั่วไปที่ว่าไนโตรเจนเต้นเป็นจังหวะอย่างรวดเร็วผ่านระบบระบายน้ำของกระเบื้องเป็นการสะท้อนชั่วคราวของการป้อนปุ๋ยและกิจกรรมของจุลินทรีย์
"ผลกระทบแบบเดิมนั้นเกี่ยวข้องกับระยะเวลาที่ไนโตรเจนมีอยู่ในสภาพแวดล้อมของดินไปจนถึงการสูญเสียทางน้ำ ตัวอย่างเช่น หากคุณมีการป้อนไนโตรเจนผ่านปุ๋ยในปีนี้ มันจะไม่สะท้อนให้เห็นในการขนถ่ายปลายน้ำทันที พบความล่าช้านี้ในหลายระบบ แต่นักวิจัยก่อนหน้านี้ไม่รู้ว่าอะไรเป็นสาเหตุหรือขนาดของมันใหญ่แค่ไหน” จงเจี๋ย หยู ผู้ช่วยศาสตราจารย์ภาควิชาทรัพยากรธรรมชาติและวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม ส่วนหนึ่งของวิทยาลัย กล่าว สาขาเกษตรศาสตร์ ผู้บริโภค และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมที่รัฐอิลลินอยส์
เพื่อให้เข้าใจถึงต้นกำเนิดของไนโตรเจนในน้ำระบายน้ำ ทีมวิจัยต้องแยกแยะไนเตรตที่ได้มาจากแหล่งต่างๆ ก่อน พวกเขาเก็บตัวอย่างการระบายน้ำกระเบื้องจากแปลงข้าวโพด-ถั่วเหลืองเป็นประจำทุกสัปดาห์ตลอดระยะเวลาสามปีและตรวจวัดไนเตรต พวกเขายังรวบรวมตัวอย่างดิน กากพืช และปุ๋ยเพื่อวิเคราะห์ความเข้มข้นของไนโตรเจนตลอดจนไอโซโทปไนโตรเจนและออกซิเจนที่เสถียรที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและเสถียร ซึ่งเป็นองค์ประกอบทั้งสองที่ประกอบเป็นโมเลกุลไนเตรต นักวิจัยก่อนหน้านี้ใช้อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการที่มีความละเอียดอ่อน โดยเชื่อมโยงความแปรผันเล็กน้อยของไอโซโทปไนโตรเจนที่หนักกว่า (15N) และออกซิเจน (18O) กับแหล่งไนโตรเจนต่างๆ และกระบวนการหมุนเวียนไนโตรเจนของจุลินทรีย์ในการทำไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชัน
“เราสามารถนึกถึงไอโซโทปของไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นลายนิ้วมือในการระบุแหล่งที่มาของไนเตรต และวิธีที่ไนเตรตถูกรีไซเคิลโดยกระบวนการของจุลินทรีย์” หยูกล่าว “แหล่งที่มาต่างกันมีอัตราส่วนไอโซโทปต่างกัน เช่นเดียวกับที่มนุษย์มีลายนิ้วมือต่างกัน”
หยูเสริมว่าไนเตรตที่ได้จากปุ๋ยอนินทรีย์มีอัตราส่วนไอโซโทปต่ำกว่า โดยมีไนโตรเจนและออกซิเจนหนักน้อยกว่าแหล่งไนโตรเจนอินทรีย์ในดินจำนวนมาก
ภาพโดย Bjorn Beheydt, Shutterstock
ทีมวิจัยยังได้นำตัวอย่างดินเข้าไปในห้องปฏิบัติการและบ่มเพาะเพื่อเรียนรู้ว่าวงจรไนโตรเจนของจุลินทรีย์ส่งผลต่อไอโซโทปไนเตรตอย่างไร ด้วยข้อมูลภาคสนามและห้องปฏิบัติการ นักวิจัยสามารถติดตามแหล่งไนเตรตผ่านกาลเวลาและข้ามระบบการปลูกพืช
“ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนไอโซโทปดั้งเดิมของไนเตรตมีความคล้ายคลึงกับอัตราส่วนของปุ๋ยแอมโมเนียและไนโตรเจนของชีวมวลถั่วเหลือง และไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไปเมื่อไม่มีการป้อนปุ๋ยใหม่เข้าสู่ระบบ” หยูกล่าว "สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงแหล่งไนเตรตขนาดใหญ่ในดินและความล่าช้าระหว่างเวลาที่ไนโตรเจนถูกเพิ่มเข้าไปในระบบและเมื่อถูกส่งออกเป็นไนเตรตในการระบายน้ำของกระเบื้อง"
เขาเสริมว่าเมื่อมีการเติมปุ๋ยใหม่เป็นแอมโมเนียปราศจากน้ำในข้าวโพด สัญญาณไอโซโทปที่สะท้อนถึงไนโตรเจนใหม่จะเปลี่ยนไปอย่างมาก จะถูกบันทึกไว้ในน้ำระบายน้ำที่ปูกระเบื้อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีฝนตกตามมา อย่างไรก็ตาม สัญญาณไนโตรเจนใหม่นี้มักมีอายุสั้น โดยสัญญาณแบบเดิมจะกลับมาอีกครั้งภายในไม่กี่วันหรือหลายสัปดาห์ต่อจากนี้
รูปแบบนี้สอดคล้องกับผลลัพธ์จากผู้ร่วมวิจัยและกลุ่มของศาสตราจารย์ Richard Mulvaney ของ NRES ในการศึกษาชุดหนึ่ง กลุ่มนั้นใช้เทคนิคไอโซโทปที่มีป้ายกำกับเพื่อติดตามการดูดซึมไนโตรเจนในต้นข้าวโพด โดยพบว่าพืชใช้ปุ๋ยไนโตรเจนน้อยกว่าครึ่งหนึ่ง ข้าวโพดกลับดูดซับไนโตรเจนส่วนใหญ่จากดินแทน จากผลลัพธ์ใหม่ ปุ๋ยไนโตรเจนที่เหลือมีแนวโน้มที่จะหายไปในการระบายน้ำของกระเบื้องหรือถูกแปลงเป็นเศษส่วนที่เกิดปฏิกิริยาที่เก็บไว้ในดิน ซึ่งนำไปสู่การปล่อยไนโตรเจนในระยะยาว
Yu กล่าวว่าหลักฐานของผลกระทบแบบเดิมสามารถแจ้งฝ่ายบริหารและส่งผลกระทบต่อวิธีที่ผู้กำหนดนโยบายประเมินความสำเร็จของแนวทางปฏิบัติในการลดการสูญเสียไนโตรเจน
“บ่อยครั้งที่เราคาดหวังว่าจะเห็นผลทันทีจากการเปลี่ยนแปลงการจัดการปริมาณไนโตรเจน อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเราจะหยุดใช้ปุ๋ยไนโตรเจนในปีที่กำหนด เราอาจยังคงเห็นความสูญเสียที่สำคัญจากระบบนั้นไปอีกสองสามปี” เขากล่าว "ไม่ใช่ว่าถ้าเราลดปริมาณไนโตรเจนลง ก็สามารถแก้ปัญหาทุกอย่างได้ทันที"
Yinchao Hu ผู้เขียนงานวิจัยคนแรก กล่าวเสริมว่า การสูญเสียไนเตรตจากปุ๋ยข้าวโพดมีมากที่สุดในช่วงที่มีการระบายน้ำทิ้งจากกระเบื้องสูง ซึ่งบ่งชี้ว่าการมองการณ์ไกลในการจัดการเพียงเล็กน้อยอาจเป็นประโยชน์เมื่อคาดการณ์ว่าจะมีฝนตก
“หากเราสามารถควบคุมการใช้งานในช่วงเวลาที่มีการปล่อยก๊าซในปริมาณมาก นั่นอาจช่วยให้เราลดมลพิษจากไนโตรเจนได้” เธอกล่าว “หรือหากมีการคาดการณ์เหตุการณ์ฝนตกเพียงพอ เกษตรกรสามารถใช้มาตรการปรับตัวและปิดการระบายน้ำกระเบื้องชั่วคราวได้”
