Die Landwirtschaft im Mittleren Westen trägt den größten Teil des Stickstoffs im Golf von Mexiko bei, was zu einer sauerstoffarmen hypoxischen Zone und einer Herausforderung für die Küstenökonomie führt. Landes- und Bundespolitik haben jahrzehntelang versucht, Lösungen und Anreize zu bieten, aber die hypoxische Zone kommt immer wieder zurück. Eine aktuelle Studie der University of Illinois bietet eine neue Möglichkeit, die Stickstoffdynamik im Mittleren Westen zu verstehen, und prognostiziert zukünftige Stickstoffbelastungen unter verschiedenen Bewirtschaftungsszenarien in der gesamten Region.
„Unser Modell erklärt, was in 83 Wassereinzugsgebieten im Mittleren Westen vor sich geht, und liefert ein quantitatives Verständnis dafür, warum sich bestimmte Wassereinzugsgebiete in Bezug auf den Nährstoffverlust unterscheiden. Aber der wichtigste Beitrag ist unsere Szenariovorhersage, die noch nie zuvor gemacht wurde. Wenn Sie zunehmen Fliesenentwässerung oder die Maisfraktion, wie stark ändert sich die Stickstoffbelastung? Das können wir vorhersagen, und ich finde das wirklich spannend“, sagt Kaiyu Guan, außerordentlicher Professor am Department of Natural Resources and Environmental Sciences (NRES), Gründungsdirektor von das Agroecosystem Sustainability Center (ASC) und leitender Autor der Studie.
Laut Guan ist ein detaillierteres Verständnis der Stickstoff- und Wasserströmungsdynamik sowie die Fähigkeit, die Auswirkungen von Managementänderungen vorherzusagen, ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung wirksamer Strategien zur Reduzierung des Nährstoffverlusts vom Feld bis zum Wassereinzugsgebiet.
Das Forschungsteam analysierte die Beziehung zwischen der täglichen Durchflussrate und der Nitratkonzentration in 83 Wassereinzugsgebieten des Mittleren Westens und fand ein universelles Muster in der gesamten Region: Nitrat nimmt mit dem Durchfluss zu, bevor es sich bei einer hohen Durchflussschwelle einpendelt.
„Um dieses Muster weiter aufzuschlüsseln, haben wir ein einfaches, aber elegantes Modell gebaut, das den Mechanismus aufzeigt. Wir haben uns die Beiträge von flachem Bodenwasser, das eine größere Durchflussrate und mehr Nitrat aufweist, und von tiefem Bodenwasser mit einem langsameren und niedrigeren Durchfluss angesehen Nitrat“, sagt Zewei Ma, Doktorand in Guans Gruppe und Erstautor der Studie. „Die Beiträge dieser Bereiche des Bodenprofils ändern sich je nach Fliesenentwässerung und wie viel Mais angebaut wird.“
Guan sagt, je mehr Fliesenentwässerung installiert wird und je mehr Mais in einem bestimmten Wassereinzugsgebiet gepflanzt wird, desto höher ist die Nitratbelastung im Wasser. Diese Schlussfolgerung ist nicht neu, aber die Fähigkeit, die Auswirkungen einer erhöhten Fliesenverlegung oder sich ändernder Maismengen vorherzusagen, ist es. Das Team erstellte eine interaktive Karte, um zu zeigen, wie und wo eine 10- bis 30-prozentige Erhöhung der Fliesen oder eine 20-prozentige Erhöhung oder Verringerung der Maismenge die Nitratbelastung verändert.
„Dieses Modell gibt uns einen Ausgangspunkt für eine sinnvolle Diskussion über Möglichkeiten zur Reduzierung von Nährstoffverlusten: Wie wir unsere Anstrengungen investieren sollten und, ebenso wichtig, worauf wir uns konzentrieren sollten, um die Fliesen zu reduzieren oder das Fruchtfolgemuster zu ändern. Dies sind Schlüsselfragen wie Wir arbeiten aktiv mit Landwirten und politischen Entscheidungsträgern an der Reduzierung von Nährstoffverlusten“, sagt Bin Peng, wissenschaftlicher Assistenzprofessor am NRES, leitender Forschungswissenschaftler am ASC und Co-Autor der Studie.
Der Co-Autor der Studie, Richard E. Warner, fügt hinzu: „Diese Arbeit bietet einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis der Variabilität des Nährstoffverlusts über Wassereinzugsgebiete hinweg und bereitet die Voraussetzungen für die Entwicklung von Tools zur Entscheidungsunterstützung, die dazu beitragen werden, kostengünstigere Land- und Wasserschutzpraktiken zu informieren und Politik.“ Warner ist emeritierter Professor am NRES und leitender Wissenschaftler am National Great Rivers Research and Education Center.
Die Studie „Agricultural Nitrate Export Patterns shaped by Crop Rotation and Tile Drainage“ ist erschienen in Wasserforschung.
Mehr Informationen:
Zewei Ma et al., Landwirtschaftliche Nitratexportmuster, die durch Fruchtfolge und Fliesenentwässerung geprägt sind, Wasserforschung (2022). DOI: 10.1016/j.waters.2022.119468
Interaktive Karte: greatlakestogulf.org/explore/all