Afvloeiing van landbouwproducten van boerderijen in het Midwesten levert een belangrijke bijdrage aan een enorme "dode zone" in de Golf van Mexico. Stikstof, fosfor en andere landbouwvoedingsstoffen worden afgevoerd naar de Mississippi-rivier, die uitmondt in de Golf, waardoor algen overbevolkt raken en ander waterleven wordt verstikt. Illinois is een hoofdschuldige in deze voortdurende milieuziekte. News Bureau life sciences redacteur Diana Yates sprak met Lowell Gentry, onderzoeker op het gebied van natuurlijke hulpbronnen en milieuwetenschappen van U. of I., over mogelijke oplossingen.

Hoe groot is de dode zone van de Golf van Mexico vandaag en hoeveel draagt ​​de landbouw in Illinois bij aan het probleem?

Afgelopen zomer hebben onderzoekers van de Louisiana State University de dode zone in de Golf gemeten op 6.334 vierkante mijl, wat groter was dan het historische gemiddelde. De grootste ooit gemeten was 8.776 vierkante mijl in 2017. In Illinois dragen niet-puntbronnen (waarvan de landbouw verreweg de grootste is) 80% van de stikstof en ongeveer de helft van het fosfor bij aan onze rivieren en beken. Illinois en Iowa leveren de grootste nutriënten aan de Golf en beide staten hebben strategieën ontwikkeld om het verlies aan nutriënten te verminderen, met als doel de stikstof- en fosforverliezen tegen 2035 met 45% te verminderen.

We kennen dit probleem al jaren. Waarom worstelt Illinois nog steeds om de afvoer van voedingsstoffen van boerderijen te verminderen?

Het antwoord is ingewikkeld. Veel mensen denken dat nutriëntenverliezen van landbouwvelden gewoon een kwestie zijn van overmatige bemesting en dat boeren gewoon minder moeten gebruiken. In een van onze tegelafvoeronderzoeken gebruikten we slechts 75% van het volledige stikstofbemestingspercentage op maïs. Dit verminderde de graanopbrengst met 10%, maar had weinig effect op de nitraatverliezen in de loop van het onderzoek.

Het lijdt echter geen twijfel dat het tijdstip en de methode van het toedienen van voedingsstoffen een groot effect kunnen hebben op het verlies aan nutriënten in de door tegels gedraineerde gebieden van de staat. Onze studies tonen bijvoorbeeld aan dat er veel meer nitraat verloren gaat aan de tegels wanneer stikstofkunstmest in de herfst wordt toegepast in plaats van in de lente, vlak voor het planten van maïs.

De productie van sojabonen verergert ook de nitraatverliezen naar tegelafvoersystemen. Wij geloven dat dit nitraat ontstaat als gevolg van microbiële afbraak van gewasresten en organisch bodemmateriaal wanneer de microbiële gemeenschap in de bodem geen gemakkelijk toegankelijke koolstof meer heeft. Het nitraat dat zich vormt tijdens het niet-groeiseizoen is gevoelig voor uitspoelingsverliezen. Dit is een lek in het systeem dat niet wordt aangepakt.

Er zijn veel staatsprogramma's om boeren aan te moedigen het probleem aan te pakken. Werken sommige programma's beter dan andere?

Het is veel te vroeg om een ​​effect te zien van de inspanningen voor natuurbehoud op het stroomgebied van de Mississippi als geheel. Dichter bij huis bemonsteren we al 30 jaar de Embarras-rivier in Camargo, Illinois, en zien we in deze periode weinig bewijs van verbetering van de waterkwaliteit. We bevinden ons echter nog steeds in de basisfase van dit langetermijnmonitoringproject, omdat er hier in centraal Illinois maar weinig natuurbeschermingspraktijken zijn die de gewenste dramatische verandering teweeg kunnen brengen.

Drie programma's hier bewegen boeren in de richting van een grotere acceptatie van natuurbehoud:Fall Covers for Spring Savings, het cover crop-programma van het Illinois Department of Agriculture; Saving Tomorrow's Agriculture Resources, een programma voor bodem- en waterbehoud in Champaign County dat boeren leert over het beheer van nutriënten; en Precision Conservation Management, een programma ontwikkeld door de Illinois Corn Growers Association dat tot doel heeft boeren te helpen de economische voordelen te plukken van hun deelname aan natuurbehoud.

Wat zijn bioreactoren en hoe goed werken ze?

Bioreactoren zijn greppels gevuld met houtsnippers die drainagewater van tegels ontvangen en het biologisch gemedieerde proces van denitrificatie gebruiken om nitraat te verwijderen, vergelijkbaar met aangelegde wetlands maar met een veel kleinere ontwerpvoetafdruk. We evalueren momenteel de prestaties van zes bioreactoren op een boerderij in Piatt County. Tot nu toe waren hun prestaties teleurstellend, met minder dan 20% van het tegelnitraat verwijderd. Maar nu onderzoeken we of bodemkappen bovenop de houtsnippers de prestaties en de levensduur van de bioreactoren zullen verbeteren. Extreem natte jaren worden een echte uitdaging voor end-of-pipe-strategieën, dus bioreactoren blijven een werk in uitvoering.

Helpt het bouwen van nieuwe moerassen of buffers voor wilde bloemen om voedingsstoffen op hun plaats te houden?

Uit onze studies van aangelegde wetlands bleek dat ze 50% van het tegelnitraat verwijderen. Ze bieden ook tal van andere voordelen voor dieren in het wild en ecosysteemdiensten. Hun plaatsing wordt echter beperkt door de topografie. Wetlands kunnen niet zomaar op elke locatie worden aangelegd. Ze moeten in gebieden worden geplaatst waar ze voldoende tegelwater kunnen vasthouden voor behandeling zonder dat ze terugvloeien naar de velden. Ook kan het nodig zijn dat voor hun installatie land uit productie wordt genomen, wat hun aantrekkelijkheid voor boeren sterk vermindert. Buffers voor wilde bloemen zijn geweldig voor bestuivers en kunnen helpen bij bodemerosie, maar hebben een beperkte impact op het verminderen van nutriëntenverliezen in door tegels gedraineerde velden.

Hoe kunnen boeren de koolstof in de bodem verbeteren en hoe vermindert dat de afvoer van voedingsstoffen?

Dit is de meest kritische vraag die we vandaag kunnen stellen. Verlies van koolstof in de bodem onder conventionele landbouw in tegel-gedraineerde velden vindt nog steeds plaats. We moeten het koolstofverlies in de bodem een ​​halt toeroepen en, beter nog, proberen het koolstofgehalte van landbouwbodems te verhogen. Ik geloof dat nitraatverliezen door tegels het gevolg zijn van koolstofverliezen in de bodem, omdat de koolstof- en stikstofkringlopen onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn.

Sinds de Tweede Wereldoorlog hebben we de stikstof- en koolstofkringloop enigszins ontkoppeld door over te stappen van mest op anorganische stikstofmeststoffen. Door stikstof aan de bodem toe te voegen zonder voldoende koolstof toe te voegen, gaat het systeem lekken, vooral in natte jaren. Minder bewerken en overwinterende grasbedekkers zoals graanrogge zijn de beste manieren om koolstofverliezen in de bodem aan te pakken en de trend van afnemende koolstofvoorraden in de bodem te keren. Graanrogge is ook een uitstekend stikstof "vanggewas", aangezien we routinematig een vermindering van tegelnitraat van meer dan 40% vinden wanneer graanrogge vóór soja wordt verbouwd.

Welke benaderingen zijn het meest economisch?

Er zijn maar weinig langetermijnstudies uitgevoerd om deze vraag te beantwoorden. We hebben meer gegevens nodig om modellen te maken die de kosten en baten van verschillende conserveringspraktijken beter kunnen evalueren. Strategisch gezien ben ik van mening dat oplossingen in het veld, zoals het planten van winterbedekkende gewassen, de beste weg vooruit zijn, omdat ze rechtstreeks van invloed kunnen zijn op de koolstofkringloop, de beschikbaarheid van voedingsstoffen en de algehele bodemgezondheid.

End-of-pipe-technologieën zoals bioreactoren en verzadigde oeverbuffers doen weinig voor de gezondheid van de bodem, maar kunnen aantrekkelijker zijn voor boeren, omdat ze hun praktijken in het veld niet hoeven te veranderen en daarom weinig risico voor de productie met zich meebrengen. Terwijl winterbedekkende gewassen jaarlijkse kosten en risico's met zich meebrengen die de gewasopbrengst en winstmarges zouden kunnen verminderen, vangen ze nitraat buiten het reguliere groeiseizoen op, houden het buiten de tegels en houden het vast in het veld. Een deel van deze stikstof is beschikbaar voor het volgende rijgewas.

In een proof-of-concept-onderzoek vergeleken mijn collega's en ik de economie en tegelnitraatverliezen tussen een maïs-soja-tarwerotatie (met dubbelgeoogste sojaboon na tarwe en graanrogge na maïs) en een conventioneel geteelde maïs- soja rotatie. Uit dat onderzoek bleek dat de teler dezelfde winst maakte en de tegelnitraatverliezen met meer dan 30% verminderde over een periode van zes jaar met de meer diverse rotatie. Het afgelopen jaar leverde maïs in de diverse rotatie 25 bushels meer per hectare op dan conventioneel geteelde maïs. Dit geeft aan dat een meer diverse rotatie de nitraatcyclus kan verhogen en de gewasopbrengst ten goede kan komen, terwijl de verliezen van nitraat naar landbouwdrainagetegels worden verminderd.