Studie belegt langanhaltende Wirkung von Drainagesystemen

Die Böden im Mittleren Westen gehören zu den fruchtbarsten der Welt, was unter anderem an den umfangreichen Drainagesystemen liegt, die überschüssiges Wasser von den Feldern ableiten. Doch Wasser ist nicht das einzige, was durch Drainagesysteme fließt. Stickstoff gelangt zusammen mit dem Bodenwasser in Entwässerungsgräben, Flüsse und schließlich in das Einzugsgebiet des Mississippi, wo der Nährstoff zu massiven Algenblüten und hypoxischen Bedingungen beiträgt, die sich auf das Wasserleben im Golf von Mexiko auswirken.

Eine aktuelle Studie der University of Illinois Urbana-Champaign bietet neue Einblicke in die Quellen und Prozesse, die die Stickstoffbelastung im Drainagewasser beeinflussen. Die Studie zeigt einen unerwartet großen und stabilen Stickstoffvorrat und untermauert damit die allgemeine Annahme, dass Stickstoff als vorübergehende Folge von Düngemittelzufuhr und mikrobieller Aktivität schnell durch Drainagesysteme pulsiert.

Die Forschung ist veröffentlicht im Journal of Geophysical Research: Biogeowissenschaften.

„Der Legacy-Effekt bezieht sich auf die Zeitverzögerung zwischen der Bereitstellung von Stickstoff im Boden und seinem Verlust in den Gewässern. Wenn Sie beispielsweise in diesem Jahr Stickstoff durch Düngemittel einbringen, wird sich dies nicht sofort in der Ableitung flussabwärts niederschlagen. Diese Verzögerung wurde in vielen Systemen festgestellt, aber frühere Forscher wussten nicht, was sie verursachte oder wie groß ihr Ausmaß war“, sagte der leitende Studienautor Zhongjie Yu, Assistenzprofessor in der Abteilung für natürliche Ressourcen und Umweltwissenschaften (NRES), Teil des College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences (ACES) in Illinois.

Um den Ursprung des Stickstoffs im Drainagewasser zu verstehen, musste das Forschungsteam zunächst Nitrat aus verschiedenen Quellen unterscheiden. Drei Jahre lang sammelten sie wöchentlich Drainageproben von einem Mais-Sojabohnenfeld und maßen den Nitratgehalt. Sie sammelten außerdem Boden-, Ernterückstands- und Düngemittelproben, um die Stickstoffkonzentrationen sowie natürlich vorkommende, stabile Isotope von Stickstoff und Sauerstoff zu analysieren, den beiden Elementen, aus denen Nitratmoleküle bestehen.

Mithilfe empfindlicher Laborgeräte konnten Forscher frühere Untersuchungen durchführen, bei denen leichte Variationen in den schwereren Isotopen von Stickstoff (15N) und Sauerstoff (18O) mit verschiedenen Stickstoffquellen und den mikrobiellen Stickstoffkreislaufprozessen der Nitrifikation und Denitrifikation in Zusammenhang gebracht wurden.

„Wir können uns Stickstoff- und Sauerstoffisotope wie Fingerabdrücke vorstellen, um die Nitratquellen und deren Recycling durch mikrobielle Prozesse zu identifizieren“, sagte Yu. „Verschiedene Quellen haben unterschiedliche Isotopenverhältnisse, genau wie Menschen unterschiedliche Fingerabdrücke haben.“

Yu fügte hinzu, dass aus anorganischem Dünger gewonnenes Nitrat ein niedrigeres Isotopenverhältnis und weniger schwere Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen aufweist als organische Stickstoffquellen im Boden.

Das Forschungsteam brachte auch Bodenproben ins Labor und ließ sie inkubieren, um herauszufinden, wie sich der mikrobielle Stickstoffkreislauf auf Nitratisotope auswirkt. Mit den Feld- und Labordaten konnten die Forscher Nitratquellen im Laufe der Zeit und über verschiedene Anbausysteme hinweg verfolgen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die ursprünglichen Isotopenverhältnisse von Nitrat denen von Ammoniakdünger und Sojabohnen-Biomassestickstoff ähnelten und sich im Laufe der Zeit nicht änderten, wenn dem System kein neuer Dünger zugeführt wurde“, sagte Yu. „Das deutet auf einen großen Altbestand an Nitrat im Boden hin und auf eine Zeitverzögerung zwischen der Stickstoffzufuhr zum System und dem Zeitpunkt, an dem er als Nitrat in der Drainage abgeführt wird.“

Er fügte hinzu, dass, wenn dem Mais neuer Dünger in Form von wasserfreiem Ammoniak zugesetzt wurde, eine große Verschiebung des Isotopensignals im Drainagewasser aufgezeichnet wurde, das den neuen Stickstoff widerspiegelte, insbesondere wenn auf die Anwendung Regenfälle folgten. Dieses neue Stickstoffsignal war jedoch oft nur von kurzer Dauer, und das alte Signal tauchte innerhalb der folgenden Tage bis Wochen wieder auf.

Das Muster deckt sich mit den Ergebnissen der Gruppe des Co-Autors der Studie und NRES-Professors Richard Mulvaney. In einer Reihe von Studien verwendete diese Gruppe Techniken zur Stickstoffaufnahme in Maispflanzen mit Hilfe von markierten Isotopen und fand heraus, dass weniger als die Hälfte des Stickstoffs aus Düngemitteln von den Pflanzen genutzt wird; stattdessen nimmt Mais den größten Teil seines Stickstoffs aus dem Boden auf. Der verbleibende Stickstoff aus Düngemitteln geht den neuen Ergebnissen zufolge wahrscheinlich in der Drainage verloren oder wird in einen reaktiven Anteil umgewandelt, der im Boden gespeichert wird, was langfristig zur Freisetzung von Stickstoff führt.

Yu sagte, dass der Nachweis eines Legacy-Effekts dem Management Informationen liefern und die Art und Weise beeinflussen könne, wie politische Entscheidungsträger den Erfolg von Maßnahmen zur Reduzierung des Stickstoffverlusts bewerten.

„Oft erwarten wir, dass sich Managementänderungen unmittelbar auf die Stickstoffbelastung auswirken. Aber selbst wenn wir in einem bestimmten Jahr auf die Stickstoffdüngung verzichten, können wir in diesem System noch einige Jahre lang erhebliche Verluste verzeichnen“, sagte er. „Es ist nicht so, dass eine Reduzierung der Stickstoffzufuhr alles sofort lösen kann.“

Der Erstautor der Studie, der Doktorand Yinchao Hu, fügte hinzu, dass der Nitratverlust durch Maisdünger bei hohen Drainagewassermengen am stärksten sei. Dies deutet darauf hin, dass ein wenig vorausschauendes Management von Vorteil sein könnte, wenn Regen vorhergesagt ist.

„Wenn wir die Anwendung während Perioden mit hohem Abfluss kontrollieren können, kann uns das helfen, die Stickstoffverschmutzung zu reduzieren“, sagte sie. „Oder wenn ausreichend Regen vorhergesagt wird, können die Landwirte Anpassungsmaßnahmen ergreifen und die Drainage vorübergehend schließen.“