Environmental impacts of nitrification and nitrate adsorption in fertilized andisols in the Valle Central of Costa Rica

Abstract

A major scientific challenge for modern agriculture is control of off-site effects on the water resource. In the Valle Central of Costa Rica, coffee plantations may leach fertilizer-derived (Equation presented) to groundwaters, as a result of high fertilization rates (annually ~270 kg/ha as N), highly permeable and well structured Andisols, and high rates of annual runoff (>1000 mm). The objective of this study was to examine several aspects of the nitrification and (Equation presented) adsorption that control (Equation presented) leaching from these highly productive soils. Monthly collections from four Andisols indicated that soil (Equation presented) varied seasonally, with (Equation presented) accumulating to about 280 kg/ha in the upper meter of soil during the 5-month dry season. Soil (Equation presented) was reduced during wet season months, even though fertilization was confined to the wet season. During these months, soil (Equation presented) averaged about 140 kg/ha as N in the upper meter of soil, apparently reduced by wet season leaching, root uptake, and, possibly, dentrification. Field and laboratory incubations at different soil moisture and temperature regimes demonstrated how soil microflora mineralized N and nitrified (Equation presented) at relatively high rates, even at low water potentials, e.g., <−1.5 MPa. During the dry season, field incubations suggested that nitrification rates were about 30 kg/ha per month as N in the upper 20 cm of soil. Relatively large contents of (Equation presented) can be adsorbed by these allophanous Andisols, especially at low pH (up to about 5 cmol/kg at pH <3). Nitrate adsorption potentially retards leaching of (Equation presented) to groundwater; however, the effectiveness of adsorption as a protection of groundwater quality is probably limited due to high inputs of fertilizer N and to liming management of coffee soils that maintains relatively high soil pH. Additional research into the coffee N cycle and fertilizer efficiency in coffee is needed to ensure high coffee productivity and to protect aquifer water quality in the Valle Central. © 1994 The Williams and Wilkins.

Un desafío científico importante para la agricultura moderna es el control de los efectos externos sobre los recursos hídricos. En el Valle Central de Costa Rica, las plantaciones de café pueden lixiviar derivados de fertilizantes (Ecuación presentada) a las aguas subterráneas, como resultado de altas tasas de fertilización (anualmente ~270 kg/ha como N), andisoles altamente permeables y bien estructurados, y altas tasas de escorrentía anual (>1000 mm). El objetivo de este estudio fue examinar varios aspectos de la nitrificación y (Ecuación presentada) adsorción que controlan (Ecuación presentada) la lixiviación de estos suelos altamente productivos. Las recolecciones mensuales de cuatro Andisoles indicaron que el suelo (Ecuación presentada) varió estacionalmente, con (Ecuación presentada) acumulando alrededor de 280 kg/ha en el metro superior del suelo durante la estación seca de 5 meses. El suelo (ecuación presentada) se redujo durante los meses de la estación húmeda, aunque la fertilización se limitó a la estación húmeda. Durante estos meses, el suelo (Ecuación presentada) promedió alrededor de 140 kg/ha como N en el metro superior del suelo, aparentemente reducido por la lixiviación de la estación húmeda, la absorción de raíces y, posiblemente, la desnitrificación. Las incubaciones de campo y de laboratorio a diferentes regímenes de humedad y temperatura del suelo demostraron cómo la microflora del suelo mineralizaba el N y nitrificaba (ecuación presentada) a tasas relativamente altas, incluso con potenciales hídricos bajos, por ejemplo, <−1,5 MPa. Durante la estación seca, las incubaciones de campo sugirieron que las tasas de nitrificación eran de alrededor de 30 kg/ha por mes como N en los 20 cm superiores del suelo. Contenidos relativamente grandes de (Ecuación presentada) pueden ser adsorbidos por estos andisoles alófanos, especialmente a pH bajo (hasta alrededor de 5 cmol/kg a pH <3). La adsorción de nitrato retarda potencialmente la lixiviación de (Ecuación presentada) a las aguas subterráneas; sin embargo, la eficacia de la adsorción como protección de la calidad del agua subterránea probablemente sea limitada debido a los altos aportes de N fertilizante y al manejo del encalado de los suelos cafetaleros que mantiene un pH del suelo relativamente alto. Se necesita investigación adicional sobre el ciclo del N del café y la eficiencia de los fertilizantes en el café para garantizar una alta productividad del café y proteger la calidad del agua del acuífero en el Valle Central. © 1994 Williams y Wilkins.