토양에 있는 옥수수 질소 비료의 유산

중서부 토양은 농경지에서 과도한 물을 제거하는 광범위한 타일 배수 시스템 덕분에 세계에서 가장 생산적인 토양 중 하나입니다. 그러나 타일 배수구를 통해 흐르는 것은 물만이 아닙니다. 질소는 토양수와 함께 배수로, 하천으로 이동하고 궁극적으로 미시시피 강 유역으로 이동하며, 그곳에서 영양분은 멕시코만의 수생 생물에 영향을 미치는 대규모 조류 번식과 저산소 조건에 기여합니다.

일리노이 대학 어바나-샴페인(Urban-Champaign) 대학의 최근 연구는 타일 배수수의 질소 부하에 영향을 미치는 원천과 과정에 대한 새로운 시각을 제공합니다. 이 연구는 비료 투입과 미생물 활동의 일시적인 반영으로 질소가 타일 배수 시스템을 통해 빠르게 펄스를 일으킨다는 일반적인 믿음에 미묘한 차이를 추가하면서 예상외로 크고 안정적인 질소의 "유산" 풀을 보여줍니다.

"레거시 효과는 토양 환경에서 질소가 이용 가능하게 된 시점과 수로로의 손실 사이의 시간 지연과 관련이 있습니다. 예를 들어, 올해 비료를 통해 질소를 투입한 경우 하류의 오프로드에 즉시 반영되지 않습니다. 이러한 지연은 많은 시스템에서 발견되었지만 이전 연구자들은 원인이 무엇인지, 그 크기가 얼마나 큰지 알지 못했습니다."라고 대학 천연자원 및 환경과학과 조교수인 수석 연구 저자 Zhongjie Yu가 말했습니다. 일리노이주 농업, 소비자 및 환경 과학 박사.

배수수 속 질소의 기원을 이해하기 위해 연구팀은 먼저 다양한 원천에서 유래하는 질산염을 구별해야 했다. 그들은 3년에 걸쳐 매주 옥수수-대두 밭에서 타일 배수 샘플을 수집하고 질산염을 측정했습니다. 그들은 또한 질산염 분자를 구성하는 두 가지 요소인 질소와 산소의 자연 발생 안정 동위원소뿐만 아니라 질소 농도를 분석하기 위해 토양, 작물 잔재물, 비료 샘플을 수집했습니다. 이전 연구자들은 민감한 실험실 장비를 사용하여 더 무거운 질소(15N) 및 산소(18O) 동위원소의 약간의 변화를 다양한 질소 공급원 및 질화 및 탈질화의 미생물 질소 순환 과정과 연관시켰습니다.

Yu는 “우리는 질소와 산소 동위원소를 질산염의 출처와 그것이 미생물 과정에 의해 재활용되는 방식을 식별하기 위한 지문으로 생각할 수 있습니다.”라고 말했습니다. "인간이 서로 다른 지문을 갖고 있는 것처럼, 소스마다 동위원소 비율이 다릅니다."

Yu는 무기 비료에서 추출한 질산염이 대량 토양 유기 질소 공급원보다 중질소와 산소가 적고 동위원소 비율이 낮다고 덧붙였습니다.

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연구팀은 또한 토양 샘플을 실험실로 가져와 배양하여 미생물 질소 순환이 질산염 동위원소에 어떻게 영향을 미치는지 알아보았습니다. 현장 데이터와 실험실 데이터를 모두 사용하여 연구원들은 시간 경과에 따라 작물 시스템 전반에 걸쳐 질산염 공급원을 추적할 수 있었습니다.

"우리의 결과는 질산염의 원래 동위원소 비율이 암모니아 비료 및 대두 바이오매스 질소의 비율과 유사했으며 시스템에 새로운 비료 투입이 없을 때 시간이 지나도 변하지 않았다는 것을 보여줍니다"라고 Yu는 말했습니다. "이는 토양에 질산염이 많이 축적되어 있으며 질소가 시스템에 추가되는 시점과 타일 배수에서 질산염으로 내보내지는 시점 사이에 시간차가 있음을 시사합니다."

그는 옥수수에 새로운 비료를 무수 암모니아로 첨가했을 때 새로운 질소를 반영하는 동위원소 신호의 큰 변화가 타일 배수수에서 기록되었다고 덧붙였습니다. 특히 비가 내린 후 시비한 경우에는 더욱 그렇습니다. 그러나 이 새로운 질소 신호는 수명이 짧은 경우가 많았으며 기존 신호는 다음 며칠에서 몇 주 내에 다시 나타났습니다.

이 패턴은 공동 저자이자 NRES 교수인 Richard Mulvaney 그룹의 결과와 일치합니다. 일련의 연구에서, 그 그룹은 표지된 동위원소 기술을 사용하여 옥수수 식물의 질소 흡수를 추적했으며, 비료 질소의 절반 미만이 식물에 사용된다는 사실을 발견했습니다. 대신 옥수수는 토양에서 대부분의 질소를 흡수했습니다. 새로운 결과에 따르면 남은 비료 질소는 타일 배수로 손실되거나 토양에 저장된 반응성 부분으로 전환되어 장기적으로 질소 방출로 이어질 가능성이 높습니다.

Yu는 유산 효과의 증거가 경영진에 정보를 제공하고 정책 입안자가 질소 손실 감소 관행의 성공을 평가하는 방법에 영향을 미칠 수 있다고 말했습니다.

"종종 우리는 질소 부하에 대한 관리 변화의 즉각적인 효과를 기대합니다. 그러나 특정 연도 동안 질소 비료 적용을 중단하더라도 몇 년 동안 해당 시스템으로 인해 상당한 손실이 발생할 수 있습니다"라고 그는 말했습니다. "질소 투입량을 줄인다고 모든 것이 즉시 해결되는 것은 아닙니다."

연구의 첫 번째 저자인 박사과정 학생 Yinchao Hu는 옥수수 비료에서 파생된 질산염 손실이 높은 타일 배수 배출 이벤트 동안 가장 강력하다고 덧붙였습니다. 이는 비가 예보될 때 약간의 관리 예측이 도움이 될 수 있음을 시사합니다.

“방출량이 많은 기간 동안 적용을 제어할 수 있다면 질소 오염을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다. "또는 강우에 대한 충분한 예측이 있는 경우 농부는 적응 조치를 취하고 타일 배수를 일시적으로 폐쇄할 수 있습니다."