Los suelos del Medio Oeste se encuentran entre los más productivos del mundo, gracias en parte a los extensos sistemas de drenaje de tejas que eliminan el exceso de agua de los campos de cultivo.
por Lauren Quinn, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Pero el agua no es lo único que fluye por los drenajes de tejas. El nitrógeno se desplaza junto con el agua del suelo hacia zanjas de drenaje, arroyos y, finalmente, hacia la cuenca del río Misisipi, donde este nutriente contribuye a la proliferación masiva de algas y a condiciones hipóxicas que afectan la vida acuática en el Golfo de México.
Un estudio reciente de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ofrece una nueva perspectiva sobre las fuentes y los procesos que afectan la carga de nitrógeno en el agua de drenaje de los sistemas de drenaje. El estudio revela una reserva de nitrógeno «heredada» inesperadamente grande y estable, lo que refuerza la creencia común de que el nitrógeno circula rápidamente por los sistemas de drenaje de los sistemas de drenaje como un reflejo transitorio del aporte de fertilizantes y la actividad microbiana.
La investigación se publica en el Journal of Geophysical Research: Biogeosciences .
El efecto legado se relaciona con el lapso de tiempo entre la disponibilidad de nitrógeno en el suelo y su pérdida en las vías fluviales. Por ejemplo, si este año se recibe nitrógeno a través de fertilizantes, este no se reflejará inmediatamente en las descargas aguas abajo. Este lapso se ha detectado en muchos sistemas, pero investigadores anteriores desconocían su causa ni su magnitud, afirmó el autor principal del estudio, Zhongjie Yu, profesor adjunto del Departamento de Recursos Naturales y Ciencias Ambientales (NRES), perteneciente a la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y del Medio Ambiente (ACES) de Illinois.
Para comprender el origen del nitrógeno en el agua de drenaje, el equipo de investigación primero tuvo que diferenciar el nitrato derivado de diversas fuentes. Recolectaron muestras de drenaje de un campo de maíz y soja semanalmente durante tres años y midieron el nitrato. También recolectaron muestras de suelo, residuos de cultivo y fertilizantes para analizar las concentraciones de nitrógeno, así como los isótopos estables naturales de nitrógeno y oxígeno, los dos elementos que componen las moléculas de nitrato.
Utilizando equipos de laboratorio sensibles, investigadores anteriores asociaron ligeras variaciones en los isótopos más pesados de nitrógeno (15N) y oxígeno (18O) con diversas fuentes de nitrógeno y los procesos de ciclo microbiano del nitrógeno de nitrificación y desnitrificación.
«Podemos considerar los isótopos de nitrógeno y oxígeno como una huella dactilar para identificar las fuentes de nitrato y cómo se recicla mediante procesos microbianos», dijo Yu. «Cada fuente tiene una proporción isotópica distinta, al igual que los humanos tenemos huellas dactilares diferentes».
Yu agregó que el nitrato derivado de fertilizantes inorgánicos tiene una proporción isotópica más baja, con menos nitrógeno y oxígeno pesados, que las fuentes de nitrógeno orgánico del suelo a granel.
El equipo de investigación también llevó muestras de suelo al laboratorio y las incubó para comprender cómo el ciclo microbiano del nitrógeno afecta a los isótopos de nitrato. Con los datos de campo y de laboratorio, los investigadores pudieron rastrear las fuentes de nitrato a lo largo del tiempo y en los distintos sistemas de cultivo.
«Nuestros resultados muestran que las proporciones isotópicas originales de nitrato fueron similares a las del fertilizante de amoníaco y el nitrógeno de la biomasa de soja, y no variaron con el tiempo cuando no se introdujeron nuevos fertilizantes en el sistema», afirmó Yu. «Esto sugiere una gran reserva heredada de nitrato en el suelo y un desfase temporal entre la adición de nitrógeno al sistema y su exportación como nitrato en el sistema de drenaje».
Añadió que, al añadir un nuevo fertilizante en forma de amoníaco anhidro al maíz, se registró un cambio significativo en la señal isotópica, que reflejaba el nuevo nitrógeno, en el agua de drenaje de las baldosas, especialmente cuando se produjeron lluvias tras la aplicación. Sin embargo, esta nueva señal de nitrógeno solía ser de corta duración, ya que la señal heredada reaparecía en los días o semanas siguientes.
Este patrón concuerda con los resultados del grupo de Richard Mulvaney, coautor del estudio y profesor del NRES. En una serie de estudios, este grupo empleó técnicas de isótopos marcados para rastrear la absorción de nitrógeno en las plantas de maíz, y descubrió que las plantas utilizan menos de la mitad del nitrógeno del fertilizante; en cambio, el maíz absorbe la mayor parte del nitrógeno del suelo. Según los nuevos resultados, el nitrógeno restante del fertilizante probablemente se pierde en el drenaje de las baldosas o se convierte en una fracción reactiva almacenada en el suelo, lo que provoca la liberación de nitrógeno a largo plazo.
Yu dijo que la evidencia de un efecto legado puede informar la gestión e incidir en cómo los responsables de las políticas evalúan el éxito de las prácticas de reducción de la pérdida de nitrógeno.
«A menudo, esperamos ver efectos inmediatos de los cambios de manejo en la carga de nitrógeno. Sin embargo, incluso si dejamos de aplicar fertilizantes nitrogenados durante un año determinado, podríamos seguir viendo pérdidas significativas en ese sistema durante algunos años», dijo. «No es que reducir el aporte de nitrógeno pueda solucionarlo todo de inmediato».
El primer autor del estudio, el estudiante de doctorado Yinchao Hu, agregó que la pérdida de nitrato derivada del fertilizante de maíz fue más fuerte durante los eventos de alta descarga de drenaje de baldosas, lo que sugiere que un poco de previsión de gestión podría ser beneficiosa cuando se pronostica lluvia.
«Si podemos controlar la aplicación durante los períodos de alta descarga, podríamos reducir la contaminación por nitrógeno», afirmó. «O si hay suficientes pronósticos de lluvia, los agricultores pueden tomar medidas de adaptación y cerrar temporalmente el drenaje de las baldosas».
Más información: Yinchao Hu et al., Descifrando la huella isotópica del nitrato para revelar la fuente de nitrógeno y sus mecanismos de transporte en un agroecosistema drenado por drenaje, Journal of Geophysical Research: Biogeosciences (2024). DOI: 10.1029/2024JG008027
