Los suelos del Medio Oeste se encuentran entre los más productivos del mundo, en parte gracias 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 a través de los drenajes de tejas. El nitrógeno se desplaza junto con el agua del suelo hacia las zanjas de drenaje, los arroyos y, en última instancia, hacia la cuenca del río Misisipi, donde el nutriente contribuye a la proliferación masiva de algas y a las 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 de 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 añade matices a la creencia común de que el nitrógeno circula rápidamente a través de 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 desfase temporal entre el momento en que el nitrógeno se pone a disposición en el suelo y su pérdida en las vías fluviales. Por ejemplo, si este año se introduce nitrógeno a través de fertilizantes, no se reflejará inmediatamente en las descargas río abajo. Este desfase se ha detectado en muchos sistemas, pero los investigadores anteriores no sabían qué lo causaba ni cuál era su magnitud”, dijo el autor principal del estudio, Zhongjie Yu, profesor adjunto del Departamento de Recursos Naturales y Ciencias Ambientales (NRES), parte de la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales (ACES) de Illinois.
Para entender el origen del nitrógeno en el agua de drenaje, el equipo de investigación primero tuvo que diferenciar el nitrato derivado de varias 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 cultivos 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 pensar en 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. “Diferentes fuentes tienen diferentes proporciones de isótopos, al igual que los humanos tienen diferentes huellas dactilares”.
Yu agregó que el nitrato derivado de fertilizantes inorgánicos tiene una proporción isotópica más baja, con menos nitrógenos y oxígenos 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 aprender 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 eran 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”, dijo Yu. “Esto sugiere que existe una gran reserva heredada de nitrato en el suelo y un desfase temporal entre el momento en que se agrega nitrógeno al sistema y el momento en que se exporta como nitrato en el drenaje de las baldosas”.
Agregó que cuando se agregó un nuevo fertilizante como amoníaco anhidro al maíz, se registró un gran cambio en la señal isotópica, que reflejaba el nuevo nitrógeno, en el agua de drenaje, especialmente cuando hubo lluvia después de la aplicación. Sin embargo, esta nueva señal de nitrógeno a menudo era de corta duración, y la señal heredada reaparecía en los días o semanas siguientes.
El patrón coincide con los resultados del grupo del coautor del estudio y profesor del NRES, Richard Mulvaney. En una serie de estudios, ese grupo utilizó 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 de los fertilizantes; en cambio, el maíz absorbe la mayor parte de su nitrógeno del suelo. El nitrógeno restante de los fertilizantes, según los nuevos resultados, probablemente se pierde en el drenaje de las baldosas o se convierte en una fracción reactiva almacenada en el suelo, lo que lleva a 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 gestión en la carga de nitrógeno. Sin embargo, incluso si dejáramos de aplicar fertilizantes nitrogenados durante un año determinado, podríamos ver pérdidas significativas en ese sistema durante algunos años”, dijo. “No es que si reducimos el aporte de nitrógeno, podamos resolver 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, 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, eso puede ayudarnos a reducir la contaminación por nitrógeno”, dijo. “O si hay suficientes pronósticos de lluvia, los agricultores pueden tomar medidas de adaptación y cerrar temporalmente el drenaje de las tejas”.
Más información: Yinchao Hu et al, Descifrando la huella isotópica del nitrato para revelar la fuente de nitrógeno y los mecanismos de transporte en un agroecosistema drenado en tejas, Journal of Geophysical Research: Biogeosciences (2024). DOI: 10.1029/2024JG008027
