在对杂草的战斗中，耕作是农户进行有机或生态处置的最有力武器之一。但是，根据宾夕法尼亚州立大学的农业科学院研究人员的研究，这取决于当耕作的使用时机，耕作也可能是助推地下水污染氮损失一个强大的驱动力。
“我们知道，有机农业依靠一个很好的耕种制度来管理杂草并使粪便和覆盖作物进入土壤，我们的研究表明，这种做法可能会造成环境的权衡”，贾森•凯的实验室博士后学者兼土壤生物地球化学副教授丹尼斯•芬尼说， “虽然有利于减少化学品的使用，但耕作尤其是秋耕 - 是氮机制的重要驱动力，并具有潜在的环境影响。”
在跨度五年的研究中，芬尼和她的同事们设计了时间尺度和不同的有机管理措施的土壤氮素水平的比较，并针对四个不同种植制度进行了深入的氮监测。他们的研究结果已有网上预印本，将刊登在2015年12月的《生态应用》上，并可能帮助种植者做出减少他们氮损失的决策。
“氮是复杂的，”芬尼说。 “它受我们无法控制变量的影响，如温度和湿度以及我们做出的管理决策。虽然我们知道这些不同的变量对氮素供应和潜在损失的影响，但我们想了解他们是如何在田里互相影响，特别了解有机管理体系。“
研究人员进行了现场农田为基础的实验，设计复制实施了典型的宾夕法尼亚州有机饲料和饲料生产体系4耕作制度。这几种制度彼此不同，种植了诸如在生长过程中改善土壤质量和杂草控制等优点的经济作物和覆盖作物等不收割作物，作物在生长成熟的不同过程中的耕作操作和肥料投入的时机、强度也不相同。
研究人员在第一个生长季节种植了第一套制度的覆盖作物序列，这一制度是传统上的每个种植间的耕作。在接下来的2年里，他们最低限度地耕种紫花苜蓿这一经济作物来维持这一制度。
第二种种植制度获得了施肥，然后夏天种植苏丹草这种覆盖作物，进行耕种，随后进入休耕期。像第一个制度一样，也是在接下来2年最低限度地耕种紫花苜蓿。
第三种耕作制度中，在上一年秋天播种覆盖作物谷物黑麦/毛苕子，然后经历整个夏天后再耕作。该制度采用了夏末翻耕冬闲控制多年生杂草加拿大蓟。到了秋天，研究人员播种黑麦，越冬后，研究人员在夏天进行收获。该制度在播种免耕玉米前进行了施肥。
第四种耕作制度中使用的一系列最少耕种覆盖作物，包括荞麦、黑麦和毛苕子，在研究人员种植玉米前通过传统耕作方法管理。玉米生产前该种植制度也得到了肥料。
四种耕作制度之间的差异使研究人员能够观察到管理实践与气候变量之间如何交互影响两个关键氮循环方面：整个生长季节土壤中植物可用氮或无机氮的存在量和植物根区以下土壤水分中的硝酸盐存在数量。无机氮是植物可以通过其根系吸收的氮，包括铵和硝酸盐。虽然铵并不通过土壤移动，但硝酸盐却可以。在某些条件下，硝酸盐可能渗入根区下面的土壤进入水体，从而成为污染物。
在每年的研究中，从3月到11月，研究人员每两个星期从测试田收集一次土壤样方，分析无机氮含量。他们还在研究的第一年使用的水收集装置从根区以下取水样，测量其硝酸盐含量，以了解种植系统潜在的硝酸盐损失。
为了分析收集的研究过程中大量的数据- 包括2300个土壤样本，以及每天的气温、降水和土壤温度测量数据，研究人员寻求了并不常用的农业研究统计方法—机器学习，来确定这些纷繁复杂的变量如何相互作用影响土壤氮。
他们的研究结果表明，翻耕是在四个耕作制度中潜在氮素损失的最重要驱动力，尤其是在夏末和初秋。当秋耕后进入休耕，因为往往是在宾夕法尼亚州的情况下，氮的这些后季末 氮爆发并被没有被植物捕捉的摄取，并容易浸出，芬尼说，这是对种植者有重要影响一个点。
“我们需要确保我们做出有关决定耕作作业时机时，不仅考虑我们的杂草管理目标，也要考虑我们的氮素管理目标。我们知道耕作会释放氮，所以我们要确保我们跟随它，并采取夺回氮的一些手段，”她补充说，春季耕作可以有利于释放种植经济作物所需的氮。冬季种植覆盖作物是一个很好的策略，它可以捕捉氮并随秋耕释放。
尽管养分管理责任最终取决于农民，芬尼感觉还有政策发挥作用的余地。“我认为有趣的是，据我所知，我们的联邦有机政策不讨论耕作，但我们在这里清楚地看到耕作具有潜在的环境影响，”她说。
