Tuy nhiên, việc sử dụng N tổng hợp có liên quan đến ô nhiễm nitrat (NO₃⁻ ) trong nước ngầm và nước mặt, gây ra rủi ro cho sức khỏe con người và môi trường. Do đó, việc xác định và áp dụng các hệ thống sản xuất duy trì năng suất cây trồng đồng thời giảm thiểu ô nhiễm nitrat là rất quan trọng. 

Trong nghiên cứu hợp tác kéo dài chín năm, các nhà khoa học thuộc USDA-ARS và Đại học bang Iowa đã đánh giá tác động của canh tác hữu cơ đến sự thất thoát nitrat và năng suất cây trồng trên đất được thoát nước nhân tạo ở vùng Trung Tây Hoa Kỳ, một khu vực mà các nghiên cứu như vậy còn rất ít. Nhóm nghiên cứu đã xem xét những thay đổi về tải lượng nitơ và năng suất cây trồng đối với hệ thống luân canh hữu cơ đa dạng (ngô-đậu nành-yến mạch/cỏ linh lăng), hệ thống đồng cỏ hữu cơ lâu năm và hệ thống luân canh ngô-đậu nành thông thường. 

Hệ thống luân canh hữu cơ đa dạng và đồng cỏ lâu năm đã giảm tải lượng nitơ trong hệ thống thoát nước ngầm lần lượt là 50% và 93% so với hệ thống canh tác thông thường. Đặc biệt, năng suất ngô và đậu nành hữu cơ tương đương với năng suất canh tác thông thường ở hầu hết các năm. Mặc dù năng suất ở cả hai hệ thống đều thấp hơn mức trung bình của quận, nghiên cứu này cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho thấy các hệ thống canh tác hữu cơ, khi được thiết kế với hệ thống luân canh đa dạng và nguồn dinh dưỡng hữu cơ, có thể giảm đáng kể ô nhiễm nitơ trong nước ngầm trong khi vẫn duy trì sản lượng lương thực.