Kraftiga regnhändelser som bara inträffar ett par dagar om året kan stå för upp till en tredjedel av den årliga kväveavrinningen från jordbruksmark i Mississippiflodens bassäng, enligt en ny studie från Iowa State University-forskare.

Forskningen, publicerades på fredagen i den akademiska tidskriften Kommunikation Jord &Miljö , använder innovativa datormodelleringstekniker för att kvantifiera kväveavrinning från markekosystem till floder och vattendrag. Kvävegödselmedel som appliceras på jordbruksmark i Mellanvästern kan ta sig nerför Mississippifloden där det bidrar till en hypoxisk zon i Mexikanska golfen som skadar det marina livet som lever där. Resultaten från studien skulle kunna ge information om gårdsförvaltningspraxis, inklusive tidpunkten och appliceringen av kvävegödselmedel, för att minska dessa effekter, sa Chaoqun Lu, biträdande professor i ekologi, evolution och organismbiologi vid Iowa State University och huvudförfattare till studien.

Lu har arbetat i flera år med att utnyttja datormodellering för att simulera olika ekologiska processer. Hennes tidigare arbete, till exempel, tittat på hur jordbruksmark lagrar kol, en process som kallas kolbindning. För denna tidning, Lu och hennes kollegor använde modelleringsmetod och allmänt tillgängliga vattenkvalitetsdata som går tillbaka till 1980 för att analysera hur nederbörd påverkar kvävebelastningen i vattenvägar i Mellanvästern.

Lu sa att tidigare studier har visat att år med höga nederbördsmängder också ser högre kvävebelastning från land till vattendrag. Men den nya studien tittade noga på extrema nederbördshändelser i hela Mississippiflodens bassäng, definieras som varje nederbörd som överstiger den 90:e percentilen av historiska dagliga nederbördsrekord för en plats under en given månad. Bassäng bred, extrema nederbördshändelser inträffade endast 8,6 dagar per år i genomsnitt, men de bidrog till ungefär en tredjedel av den årliga totala kväveavkastningen, enligt uppgifterna.

"Det som lockade oss att titta på dessa frågor är att kraftiga regn kan vara mycket lokaliserade, " sa Lu. "Du ser regn här och där, och de förekommer under olika perioder på året. Vi ville se om vi kunde kombinera långsiktiga övervakningsdata och modelleringsverktyg som tar hänsyn till dessa skillnader och få en bättre titt på hur de påverkar kvävebelastningen."

Jien Zhang, en postdoktoral forskarassistent i ekologi, evolution och organismbiologi och medförfattare till studien, sade att förekomsten av extrema regnhändelser har trendat uppåt de senaste åren, vilket gör studiens resultat ännu mer relevant. Zhang sa att data från tidigare decennier visade att det var mer sannolikt att kraftiga regnhändelser inträffade i nedre Mississippi-bassängen, men nyare data avslöjar extrema nederbördshändelser som expanderar norrut till stater i övre Mississippi-bassängen, där kvävegödselmedel används mer intensivt.

Zhang sa att en bättre förståelse för dessa trender skulle kunna informera gårdsförvaltningsmetoder för att minska sannolikheten för kvävebelastning i vattendrag. Till exempel, bönder kan försöka använda gödningsmedel när det är mindre sannolikhet för kraftiga nederbördshändelser i prognosen, eller sprida spridningen av gödningsmedel efter plantering i flera separata applikationer snarare än en enda applikation eller applicering innan grödor utvecklas. Modelleringsdata visar att dessa strategier kan minska kvävebelastningen i vattendrag utan att påverka grödans produktivitet.