Jordbruksavrinning från gårdar i Mellanvästern är en stor bidragande orsak till en stor "död zon" i Mexikanska golfen. Kväve, fosfor och andra näringsämnen från gården rinner ut i Mississippifloden, som mynnar ut i viken, vilket sporrar alger att överbefolka och kväver annat vattenlevande liv. Illinois är en huvudbov i denna pågående miljöskada. News Bureau life sciences redaktör Diana Yates pratade med U. of I. naturresurs- och miljövetenskapsforskaren Lowell Gentry om möjliga lösningar.

Hur stor är den döda zonen i Mexikanska golfen idag och hur mycket bidrar jordbruket i Illinois till problemet?

Förra sommaren mätte forskare vid Louisiana State University den döda zonen i viken till 6 334 kvadratkilometer, vilket var större än dess historiska genomsnitt. Den största som någonsin uppmätts var 8 776 kvadratkilometer 2017. I Illinois bidrar icke-punktkällor (av vilka jordbruket är överlägset störst) med 80 % av kvävet och ungefär hälften av fosforn till våra floder och vattendrag. Illinois och Iowa är de största bidragsgivarna av näringsämnen till viken och båda staterna har utvecklat strategier för att minska näringsförluster, med målet att minska kväve- och fosforförlusterna med 45 % till 2035.

Vi har känt till det här problemet i flera år. Varför kämpar Illinois fortfarande för att minska avrinning av näringsämnen från gårdar?

Svaret är komplicerat. Många tror att näringsförluster från åkrar helt enkelt är en fråga om överdriven spridning av gödningsmedel och att bönderna bara behöver använda mindre. I en av våra studier av kakeldränering använde vi endast 75 % av den fulla mängden kvävegödsel på majs. Detta minskade spannmålsutbytet med 10 % men hade liten effekt på kakelnitratförlusterna under studiens gång.

Det råder dock ingen tvekan om att tidpunkten och metoden för näringstillförsel kan ha stor effekt på näringsförluster i de kakeldränerade områdena i staten. Våra studier visar till exempel att mycket mer nitrat förloras till plattorna när kvävegödsel appliceras på hösten snarare än på våren, precis före majsplantering.

Sojabönproduktion förvärrar också nitratförluster till kakeldräneringssystem. Vi tror att detta nitrat bildas som ett resultat av mikrobiell nedbrytning av skörderester och organiskt material i marken när det mikrobiella samhället i marken får slut på lättillgängligt kol. Det nitrat som bildas under den icke-växtsäsongen är känsligt för läckageförluster. Detta är en läcka i systemet som inte åtgärdas.

Det finns många statliga program för att uppmuntra jordbrukare att ta itu med problemet. Fungerar vissa program bättre än andra?

Det är alldeles för tidigt att se en effekt av bevarandeinsatser på Mississippi River Basin som helhet. Närmare hemmet har vi provtagit Embarras-floden i Camargo, Illinois, i 30 år och ser få bevis på förbättring av vattenkvaliteten under denna tid. Men vi är fortfarande i grundfasen av detta långsiktiga övervakningsprojekt eftersom det finns få bevarandemetoder på marken här i centrala Illinois som kan åstadkomma den dramatiska förändring som eftersträvas.

Tre program här flyttar bönder mot ett större antagande av bevarande:Fall Covers for Spring Savings, Illinois Department of Agricultures täckningsprogram; Saving Tomorrow's Agriculture Resources, ett program för bevarande av mark och vatten i Champaign County som lär bönder om förvaltning av näringsämnen; och Precision Conservation Management, ett program utvecklat av Illinois Corn Growers Association som syftar till att hjälpa jordbrukare att skörda de ekonomiska fördelarna av att engagera sig i bevarandemetoder.

Vad är bioreaktorer och hur bra fungerar de?

Bioreaktorer är diken fyllda med träflis som tar emot kakel-dräneringsvatten och använder den biologiskt förmedlade processen med denitrifikation för att avlägsna nitrat, liknande konstruerade våtmarker men med ett mycket mindre konstruktionsfotavtryck. Vi utvärderar för närvarande prestandan hos sex bioreaktorer på en gård i Piatt County. Hittills har deras prestanda varit en besvikelse, med mindre än 20 % av kakelnitratet borttaget. Men nu undersöker vi om jordkåpor ovanpå flisen kommer att förbättra prestandan och öka livslängden på bioreaktorerna. Extremt våta år kommer att bli en verklig utmaning för end-of-pipe-strategier, så bioreaktorer förblir ett pågående arbete.

Hjälper det att bygga nya våtmarks- eller vildblommarbuffertar att hålla näringsämnen på plats?

Våra studier av konstruerade våtmarker visade att de tar bort 50 % av kakelnitraten. De ger också en mängd andra fördelar med vilda djur och ekosystemtjänster. Deras placering är dock begränsad av topografi. Våtmarker kan inte byggas på vilken plats som helst. De måste placeras i områden som gör att de kan behålla tillräckligt med kakelvatten för behandling utan att orsaka översvämningar tillbaka till fälten. Dessutom kan deras installation kräva att mark tas ur produktion, vilket avsevärt minskar deras attraktionskraft för jordbrukare. Vildblommabuffertar är utmärkta för pollinatörer och kan hjälpa till med jorderosion men har begränsad inverkan på att minska näringsförlusterna i kakeldränerade fält.

Hur kan bönder förbättra markens kol och hur minskar det avrinning av näringsämnen?

Detta är den mest kritiska frågan vi kan ställa i dag. Förlust av markkol under konventionellt jordbruk på kakeldränerade fält sker fortfarande. Vi måste stoppa markens kolförluster och ännu bättre, försöka öka kolhalten i jordbruksmarker. Jag tror att förluster av kakelnitrat är ett resultat av kolförluster i marken eftersom kol- och kvävekretsloppen är oupplösligt sammanlänkade.

Sedan andra världskriget har vi något frikopplat kvävets och kolets kretslopp genom att byta från gödsel till oorganiska kvävegödselmedel. Att tillföra kväve till jorden utan att tillföra tillräckligt med kol gör att systemet läcker – särskilt under våta år. Att bearbeta mindre och plantera övervintrade grästäcksgrödor som spannmålsråg är de bästa sätten att ta itu med markens kolförluster och försöka vända trenden med minskande kollager i jorden. Spannmålsråg är också en utmärkt kväve-"fånggröda", eftersom vi rutinmässigt finner minskningar av kakelnitrat med mer än 40 % när spannmålsråg odlas före sojabönor.

Vilka tillvägagångssätt är mest ekonomiska?

Få långtidsstudier har genomförts för att lösa denna fråga. Vi behöver mer data för att skapa modeller som bättre kan utvärdera kostnaderna och fördelarna med olika bevarandemetoder. Strategiskt tror jag att fältlösningar som att plantera vintertäckgrödor är den bästa vägen framåt, eftersom de direkt kan påverka kolkretsloppet, tillgången på näringsämnen och jordens allmänna hälsa.

End-of-pipe-teknologier som bioreaktorer och mättade strandbuffertar gör lite för markens hälsa men kan vara mer attraktiva för jordbrukare, eftersom de inte kräver att de ändrar sina metoder på fältet och därför medför liten risk för produktionen. Medan vintertäckgrödor tillför årliga kostnader och risker som kan minska skörden och vinstmarginalerna, fångar de upp nitrat utanför den vanliga växtsäsongen, håller det borta från plattorna och behåller det på fältet. En del av detta kväve är tillgängligt för nästa radsgröda.

I en proof-of-concept studie jämförde mina kollegor och jag ekonomin och kakelnitratförlusterna mellan en rotation av majs-sojaböna-vete (med dubbelskuren sojaböna efter vete, och spannmålsråg efter majs) och en konventionellt odlad majs- rotation av sojabönor. Den studien visade att odlaren gjorde samma vinst och minskade kakelnitratförlusterna med mer än 30 % under en sexårsperiod med den mer varierande rotationen. Det senaste året gav majs i olika rotationer 25 bushels mer per hektar än konventionellt odlad majs. Detta indikerar att en mer diversifierad rotation kan öka nitratcirkulationen och gynna skörden samtidigt som nitratförlusterna till jordbrukets dräneringsplattor minskar.