Dewek 
Di hulu daerah aliran sungai Minnesota, airnya sangat penuh dengan nitrogen oksida terlarut sehingga ahli hidrologi Universitas Illinois Urbana-Champaign Zhongjie Yu menyamakannya dengan kaleng soda.
“Jika Anda mengambil air dari sungai setempat dan mengukur nitrogen oksida, saturasinya puluhan ribu kali lebih tinggi daripada saat berada dalam kesetimbangan dengan atmosfer. Dengan kata lain, air tersebut sangat jenuh dengan gas rumah kaca yang kuat ini. Tentu saja, Anda bertanya-tanya dari mana asalnya,” kata Yu, asisten profesor di Departemen Sumber Daya Alam dan Ilmu Lingkungan, bagian dari Fakultas Pertanian, Konsumen, dan Ilmu Lingkungan di Illinois.
Dalam dua makalah terbaru, Yu dan rekan kerjanya menemukan bahwa emisi dari sungai seperti yang mereka ambil sampelnya di Minnesota sebagian besar berasal dari proses nitrifikasi (pemupukan) di tanah pertanian. Lebih jauh, mereka menemukan bahwa emisi sungai merupakan bagian yang jauh lebih besar dari kadar nitrogen oksida tahunan daripada yang diketahui sebelumnya.
“Metode konvensional untuk memperkirakan emisi nitrogen oksida adalah dengan mengukurnya dari ruang yang ditempatkan di permukaan tanah, tetapi dengan berfokus sepenuhnya pada tanah, Anda tidak akan memperoleh gambaran tentang emisi nitrogen oksida dari ekosistem hilir atau hilir yang menerima kelebihan nitrogen yang hilang dari sistem pertanian,” kata Yu. “Ketika kami menelusuri emisi hilir tersebut, kami menemukan bahwa emisi tersebut berpotensi menyumbang sepertiga dari total emisi nitrogen oksida di wilayah Corn Belt.”
Jika ditelusuri, relatif mudah untuk mengukur total emisi nitrogen oksida dalam satu tahun tertentu. Gas rumah kaca, yang memerangkap panas hampir 300 kali lebih efisien daripada karbon dioksida, bertahan lama di atmosfer. Jadi, jika para ilmuwan mengukurnya pada satu titik waktu, mudah untuk menghitung berapa banyak lagi yang terkumpul di musim atau tahun berikutnya. Yang lebih menantang adalah menentukan dari mana asalnya.
Secara umum diterima bahwa pertanian merupakan sumber utama nitrogen oksida di atmosfer. Ketika petani menggunakan pupuk berbasis nitrogen, sebagian diserap oleh tanaman, sebagian hilang ke sungai di dekatnya, dan sebagian diubah oleh mikroba tanah menjadi nitrogen oksida. Gas tersebut dapat langsung menguap ke udara atau, jika terperangkap di bawah tanah dalam pori-pori tanah, gas tersebut dapat larut ke dalam air tanah dan akhirnya terbawa ke air tanah dan/atau aliran air selama hujan atau salju mencair.
Yu mengatakan bahwa sebagian nitrogen oksida yang tersimpan di dalam tanah, terbawa limpasan, dan dipancarkan dari aliran air dan sungai penerima telah diabaikan sebagai bagian dari kontribusi pertanian terhadap emisi gas rumah kaca.
“Dengan lebih memahami emisi aliran air tidak langsung ini, kita dapat menyempurnakan estimasi emisi tanah langsung. Dalam kasus kami, kontribusi tinggi emisi aliran air menunjukkan bahwa emisi tanah mungkin telah ditaksir terlalu tinggi dalam anggaran nitrogen oksida regional saat ini,” kata Yu. “Menetapkan inventarisasi emisi nitrogen oksida regional yang kuat merupakan langkah awal yang penting dalam merancang strategi mitigasi yang efektif dan memverifikasi hasilnya pada skala spasial yang besar.”
Selama proses mikroba nitrifikasi dan denitrifikasi, nitrogen dan oksigen — komponen nitrogen oksida — mengalami perubahan isotop halus yang dapat dibaca oleh instrumen Yu seperti sidik jari. Ketika timnya mengambil sampel air sungai, mereka dapat mengetahui bahwa hingga setengah dari nitrogen oksida berasal dari proses nitrifikasi di tanah pertanian. Analisis tersebut juga mengungkap apa yang Yu sebut sebagai “titik panas” dan “momen panas” produksi nitrogen oksida dan hilangnya nitrogen oksida ke saluran air, seperti setelah pemberian pupuk berbasis amonia, diikuti oleh hujan lebat.
“Hasil penelitian kami menunjukkan bahwa emisi aliran sungai paling tinggi di area dengan hubungan kuat antara aliran sungai dan tanah di sekitarnya, terutama selama periode basah. Peristiwa badai besar, pencairan salju, dan pemasangan saluran pembuangan ubin, yang meningkatkan hubungan tanah-aliran sungai, berkontribusi secara tidak proporsional terhadap tingginya emisi nitrogen oksida melalui aliran sungai,” katanya. “Area dan peristiwa ini harus diprioritaskan untuk upaya mitigasi yang ditargetkan.”
Ketika tim mengambil sampel udara dari menara tinggi 328 kaki di atas tanah, tanda-tanda isotop mengungkapkan bahwa setidaknya 35% nitrogen oksida di wilayah tersebut berasal dari aliran sungai. Namun, Yu berhati-hati untuk tidak melebih-lebihkan perkiraan itu, mengingat bahwa itu hanya berasal dari satu menara di Minnesota. Dia dan kolaboratornya berencana untuk mengambil sampel area yang lebih luas melalui jaringan tujuh menara dalam waktu dekat. Namun, temuan tersebut menunjukkan bahwa para ilmuwan dan pengelola lahan harus lebih memperhatikan aliran sungai yang terhubung dengan pertanian.
“Ketika membahas emisi nitrogen oksida pertanian, fokusnya sering kali pada masukan nitrogen pupuk atau efisiensi penggunaan nitrogen yang rendah dalam sistem pertanian. Hasil dari studi kami memperluas pemahaman ini dengan mengungkap potensi pentingnya jalur emisi tidak langsung melalui aliran air dan sungai,” kata Yu. “Ini berarti bahwa praktik pengelolaan yang mengurangi pencucian atau mendorong daur ulang air yang efisien tidak hanya merupakan praktik pengelolaan terbaik untuk meningkatkan kualitas air, tetapi juga berpotensi menurunkan emisi gas rumah kaca dari wilayah pertanian intensif. Misalnya, menggabungkan tanaman penutup musim dingin di lahan tadah hujan atau irigasi terkendali dapat menjadi strategi yang efektif.
“Di sisi lain, praktik yang mendorong peningkatan infiltrasi air tanah (yaitu, pergerakan air melalui profil tanah), yang umumnya dianggap bermanfaat untuk mencegah kondisi tanah yang tergenang air, secara tidak sengaja dapat meningkatkan emisi nitrogen oksida di hilir,” tambahnya. “Ini menyoroti perlunya pendekatan pengelolaan holistik yang mempertimbangkan siklus nitrogen dan air secara bersamaan.”
Studi pertama, “Hydrologic connectivity regulates riverine N2O sources and dynamics,” diterbitkan dalam Environmental Science & Technology [DOI: 10.1021/acs.est.4c01285]. Studi kedua, “Isotopic constraints on nitrous oxide emissions from the US Corn Belt,” diterbitkan dalam Geophysical Research Letters [DOI: 10.1029/2024GL109623].
Kedua studi tersebut didukung oleh National Science Foundation [proyek 2110430 dan 2110241]. Sumber pendanaan tambahan termasuk USDA-NIFA (proyek ILLU-875-983 dan 2018-67019-27808), National Natural Science Foundation of China (proyek 42107393), dan Komisi Eropa di bawah Horizon 2020 Research and Innovation Framework Programme (ATMO-ACCESS 101008004).
