Massiva nätverk av avlopp, Rör och plattor som möjliggör livsmedelsproduktion på mycket av världens mest produktiva odlingsmark kommer att byggas ut och bytas ut för att möta kraven på intensifiering av jordbruket och klimatförändringar. Hur den infrastrukturen uppdateras kommer att få enorma konsekvenser för livsmedelsproduktionen och miljön, enligt en ny studie.

Studien beskriver behovet av en översyn av jordbrukets dräneringsinfrastruktur. En sådan uppdatering skulle kräva stora investeringar och bred konsensus från beslutsfattare, skattebetalare och producenter, sa Michael Castellano, professor i agronomi vid Iowa State University och huvudförfattare. Men ansträngningen skulle vara en sund långsiktig plan med en rad fördelar, sa Castellano. ISU-agronomer samarbetade med forskare vid University of Kentucky och Swiss Federal Institute of Technology ETH-Zürich om studien, som publicerades på måndagen i den akademiska tidskriften Naturens hållbarhet . Forskarna baserade sina resultat på fältexperiment och datorsimuleringar.

"Vi har denna enorma infrastrukturinvestering som håller på att försämras och måste uppdateras, " sa Castellano. "Om vi ​​uppdaterar det på rätt sätt, vi kan gynna växtodlingen och miljön. Om vi ​​inte gör det, det kommer att bli extremt svårt att uppfylla jordbrukets vattenkvalitetsmål."

Åldrande infrastruktur

Åkermarker har dränerats i årtusenden, men extruderteknik som uppfanns i mitten av 1800-talet möjliggjorde omfattande installation av dräneringssystem, som snabbt spred sig från Europa till Nordamerika. Mil av strategiskt placerade plattor och rör tillåter vatten att rinna bort från jordbruksfält, som håller jorden tillräckligt torr för att bönderna ska kunna odla grödor. Utan det dräneringen, många tempererade fuktiga odlingsmarker, såsom norra amerikanska majsbältet, skulle vara för sumpigt för att odla, sa Castellano.

Men mycket av dräneringsinfrastrukturen har överlevt sin designliv och byggdes för en annan era inom jordbruket, när betesmarker och fodergrödor som kräver mindre dränering än spannmålsgrödor var vanligare att odla. Klimatförändringarna har ökat nederbörden, ytterligare beskatta den åldrande dräneringsinfrastrukturen, sa Castellano.

En översyn av jordbrukets dränering skulle kräva installation av rör med högre kapacitet samt implementering av långsiktiga bevarandemetoder, såsom denitrifieringsvåtmarker, bioreaktorer och mättade buffertar. Till exempel, Att omvandla mellan 1 % och 6 % av Iowas jordbruksmark till våtmarker kan minska nitratbelastningen med 25 %–78 %.

Castellano sa att det skulle utgöra en allvarlig utmaning att skapa konsensus och höja dollarn för ett så stort företag. Bara i Iowa, det finns nästan 4, 000 dräneringsdistrikt som fattar oberoende beslut om underhåll av infrastruktur. Mycket av Iowas dräneringsinfrastruktur byggdes under 1920-talet eller tidigare, sa Castellano.

Fördelar

Studien rapporterar att en rad fördelar skulle bli resultatet av en uppdatering av dräneringsinfrastrukturen. Till exempel, Genomförande av bevarandemetoder nära ändarna av dräneringsrör skulle minska avrinningen av kvävegödsel. Det skulle förbättra vattenkvaliteten och minska mängden kväve som strömmar nedströms och bidrar till hypoxiska zoner, som i Mexikanska golfen. Bättre dränering skulle också minska utsläppen av växthusgaser från jordbruket genom att minska den optimala mängden gödselmedel som används av jordbrukare. Torra jordar släpper också ut mindre lustgas, en växthusgas.

"Övergripande, dränering ökar skörden och effektiviteten i användningen av kvävegödsel - en win-win för jordbrukaren och miljön, sade Sotirios Archontoulis, en docent i agronomi och medförfattare till studien.

Dräneringssystem byggda för att möta moderna jordbruksverkligheter skulle möjliggöra bättre avkastning och mer motståndskraftiga produktionssystem. Till exempel, studien noterar att våta och dåligt dränerade fält upplever mer sjukdom och suboptimal rottillväxt. Våta fält gör det också svårare för bönder att få in maskiner på sina fält för att plantera, skörda och ta hand om sina grödor.

"Dålig åkertrafik kan också försena plantering, som har en direkt negativ effekt på avkastningspotentialen på grund av en minskning av växande graddagar, " sa Archontoulis.

Dränering med högre kapacitet kan ha hjälpt bönder i våras när regnigt väder höll bönder borta från sina åkrar i veckor, sa Castellano.