Nitrate accumulation in soil profile of different agricultural systems: Magnitude, drivers, and environmental implications

Per decenni, gli agricoltori si sono affidati ai fertilizzanti azotati per nutrire la crescente popolazione mondiale. Questo nutriente è essenziale per la crescita delle piante, agendo come il combustibile primario che trasforma la luce solare e l'acqua in colture. Tuttavia, la natura ha un limite a quanto può assorbire in una volta. Quando viene applicato più fertilizzante di quanto una pianta possa utilizzarne, l'eccesso non svanisce semplicemente. Al contrario, si trasforma in nitrato, una forma di azoto altamente solubile che si comporta come una goccia di colorante versata in un ruscello. Poiché si dissolve così facilmente nell'acqua, questo eccesso di nitrato viaggia verso il basso attraverso il suolo, trasportato dalla pioggia e dall'irrigazione, scivolando spesso oltre le radici delle piante che avrebbe dovuto nutrire. Per molto tempo, scienziati e decisori politici hanno concentrato la loro attenzione sugli strati superficiali del suolo, assumendo che se la superficie fosse stata gestita bene, il terreno più profondo sarebbe stato al sicuro. Si preoccupavano del deflusso che inquinava i fiumi o dell'azoto che sfuggiva nell'aria, ma la migrazione silenziosa e lenta del nitrato nelle profondità del sottosuolo era rimasta in gran parte invisibile.

Questo movimento nascosto è importante perché il terreno sotto i nostri piedi agisce come un enorme serbatoio a movimento lento. Se il nitrato si accumula in profondità sotto la superficie, può sostare lì per decenni, intoccato dalle piante e incapace di decomporsi naturalmente. Alla fine, questo prodotto chimico accumulato può infiltrarsi nelle acque sotterranee, la fonte di acqua potabile per miliardi di persone, o defluire in laghi e oceani, causando dannose fioriture algali. La questione non riguarda più solo quanto fertilizzante venga utilizzato, ma dove finisce quell'azoto non utilizzato e per quanto tempo rimane lì. Comprendere la profondità e la scala di questo accumulo è critico, perché pulire un serbatoio sotterraneo profondo è molto più difficile che riparare uno sversamento superficiale.

Un team di ricercatori della Northwest A&F University in Cina ha ora esaminato questo problema sotterraneo su scala globale. Non hanno condotto nuovi esperimenti sul campo in una singola località; al contrario, hanno raccolto e analizzato i dati di 101 diversi studi condotti in tutto il mondo. Questi studi hanno coperto tre principali tipi di agricoltura: colture cerealicole come grano e mais, orti e frutteti. I ricercatori si sono concentrati specificamente sui profili del suolo che si estendevano dalla superficie fino a una profondità di dieci metri, un intervallo che va molto più in profondità delle radici della maggior parte delle colture. Il loro obiettivo era mappare esattamente quanto nitrato si nascondeva in questi strati profondi, vedere come fosse distribuito e comprendere quali fattori lo stessero spingendo giù.

I risultati rivelano un paesaggio di accumulo chimico nascosto molto più esteso di quanto precedentuto pensato. I ricercatori hanno scoperto che il nitrato non è solo un problema superficiale; è un'eredità del suolo profondo. In tutti i sistemi agricoli studiati, sono state rilevate quantità sostanziali di nitrato ben al di sotto della zona radicale. Infatti, la quantità media di nitrato accumulato nei primi quattro metri di suolo era di quasi 3.000 chilogrammi per ettaro, con ulteriori 1.400 chilogrammi per ettaro situati tra i quattro e gli otto metri di profondità. Ciò significa che una parte significativa del fertilizzante applicato nel corso degli anni non è andata persa nell'aria o nell'acqua immediatamente, ma si è invece assestata nella terra, in attesa di essere rilasciata.

Il tipo di azienda agricola ha giocato un ruolo decisivo in quanto il nitrato si sia accumulato e in quanto sia andato in profondità. I frutteti, ovvero gli alberi coltivati per la frutta, hanno mostrato l'accumulo più drammatico. In questi sistemi, i pool di nitrato erano i più grandi e profondi, con alcuni frutteti che contenevano più di 7.000 chilogrammi di nitrato nei soli primi quattro metri. Il nitrato nei frutteti tendeva ad accumularsi maggiormente tra i due e i quattro metri di profondità, ben al di sotto di dove raggiungono solitamente le radici degli alberi. Le aziende orticole hanno mostrato un modello diverso. Presentavano alti livelli di nitrato vicino alla superficie, probabilmente perché gli ortaggi sono spesso coltivati con applicazioni pesanti di fertilizzante, ma non accumulavano tanto in profondità quanto i frutteti. Le colture cerealicole, come grano e mais, avevano generalmente i livelli di accumulo più bassi in tutte le profondità, pur contenendo comunque quantità significative di nitrato nel suolo.

I ricercatori hanno anche scoperto che la quantità di fertilizzante applicata non era l'unico fattore determinante; la relazione non era una semplice linea retta. Hanno individuato un punto di svolta specifico. Quando gli apporti di azoto rimanevano al di sotto dei 200 chilogrammi per ettaro, l'accumulo di nitrato rimaneva relativamente basso. Tuttavia, una volta che il tasso di applicazione superava questa soglia, la quantità di nitrato accumulata nel suolo, in particolare negli strati profondi, aumentava drasticamente. Ciò suggerisce che esiste un limite critico a quanto azoto un sistema agricolo può gestire prima che l'eccesso inizi a inondare il profilo profondo del suolo.

Le precipitazioni, o più precisamente la quantità media di pioggia che una regione riceve ogni anno, hanno agito come un regolatore complesso di questo processo. Lo studio ha dimostrato che le precipitazioni moderate, tra i 400 e i 600 millimetri all'anno, sembravano incoraggiare il nitrato a scendere e a stabilizzarsi nello strato tra i due e i quattro metri. C'era abbastanza acqua per spingere il nitrato oltre le radici, ma non così tanta da lavare via tutto immediatamente. Al contrario, nelle aree con precipitazioni molto elevate, superiori ai 600 millimetri, l'accumulo profondo di nitrato diminuiva effettivamente. I ricercatori suggeriscono che questo accade perché le piogge intense risciacquano il nitrato in modo così accurato da farlo passare oltre la profondità di dieci metri misurata, raggiungendo probabilmente direttamente la falda acquifera. Ciò indica che nei climi più umidi, il rischio non è solo lo stoccaggio profondo, ma la contaminazione immediata della risorsa idrica.

Uno dei risultati più sorprendenti è stata la differenza regionale, in particolare in Cina. I dati hanno mostrato che l'accumulo di nitrato nel suolo nei sistemi agricoli cinesi era significamente più alto della media globale. Nei frutteti cinesi, il nitrato accumulato nei primi quattro metri era oltre trenta volte superiore rispetto ai frutteti di altri paesi, nonostante gli apporti di fertilizzante fossero solo due o tre volte superiori. Ciò suggerisce che fattori oltre la semplice quantità di fertilizzante — forse la specifica storia dell'uso del suolo, i tipi di suolo o le pratiche di irrigazione in quella regione — stanno creando un ambiente unico per l'accumulo di nitrato.

Lo studio mette in discussione l'idea che la gestione dell'azoto riguardi solo la stagione agricola corrente. Il nitrato trovato nel suolo profondo rappresenta un "eredità" delle pratiche agricole passate. È un serbatoio di inquinamento che è stato creato anni o anche decenni fa. Poiché questo nitrato è conservato in un suolo profondo e ricco di ossigeno dove non può facilmente decomporsi, può persistere per molto tempo. Ciò crea una minaccia ritardata: anche se un agrictore smettesse di usare eccesso di fertilizzante oggi, il nitrato già presente in profondità nel terreno continuerebbe a scendere verso il basso, potenzialmente contaminando le fonti d'acqua per gli anni a venire.

I ricercatori hanno concluso che risolvere questo problema richiede un nuovo approccio alla gestione del territorio e dell'acqua. Semplicemente ridurre l'uso di fertilizzanti è necessario, ma potrebbe non bastare a fermare il flusso di nitrato che è già profondo nel terreno. Le strategie devono tenere conto della profondità del suolo e delle condizioni specifiche dell'azienda agricola, come il tipo di coltura e la piovosità locale. Per i frutteti, che hanno mostrato i pool più grandi e profondi di nitrato, è necessaria un'attenzione speciale per evitare che questa eredità diventi una fonte permanente di inquinamento. Lo studio sottolinea che, per proteggere le nostre acque e i nostri ecosistemi, dobbiamo guardare oltre la superficie e gestire i serbatoi invisibili nascosti sotto i nostri piedi.