nitrate relationships between stream baseflow, well water...

Post on 15-Jul-2020

1 Views

Category:

Documents

0 Downloads

Preview:

Click to see full reader

TRANSCRIPT

187

Lin et al.: Nitrate Relationships in the Tomorrow-Waupaca Watershed TheScientificWorld (2001) 1(S2), 187–193

Research ArticleOptimizing Nitrogen Management in Food and Energy Productionand Environmental Protection: Proceedings of the 2nd InternationalNitrogen Conference on Science and PolicyTheScientificWorld (2001) 1(S2), 187–193ISSN 1532-2246; DOI 10.1100/tsw.2001.294

* Corresponding author.E-mail: henrylin@psu.edu© 2001 with author.

We examined the use of stream baseflow waterquality as a representative measure of meanground water quality in the Tomorrow-WaupacaWatershed in central Wisconsin and the relation-ship between agricultural land use and watershedwater quality. From 1997 to 1999, 38 stream siteswere sampled for nitrate during winter and sum-mer baseflow conditions. Some sites have beensampled during winter baseflow conditions since1994. The land area contributing ground water toeach stream sampling site was delineated, result-ing in 38 sub-basins. In addition, over 3500 testresults from private wells in the watershed werecompiled and mapped using a Geographic Infor-mation System (GIS). Nitrate concentrations instream baseflow and well waters were found tohave strong positive correlation in the sub-basinsof second order or higher. This indicates thatstream baseflow may be valid for monitoring meanground water quality in watersheds predominantlyfed by ground water, where much of the streamnitrate is believed to originate from ground water.Analysis of seasonal variation in the stream datashowed that winter nitrate concentrations werehigher than summer concentrations, implying thatwinter stream monitoring may be more critical forthe assessment of overall ground water quality inthe watershed. We also found that, as the amountof agricultural land increased in each sub-basin,average nitrate concentrations in the well andstream waters also increased, suggesting a con-nection between agricultural land use and nitrate

contamination of water resources in the water-shed.

KEY WORDS: nitrate leaching, ground water quality, streambaseflow, watershed monitoring

DOMAINS: environmental sciences, soil systems,agronomy, water science and technology, environmentalmonitoring

INTRODUCTION

������������������������� ������������������������������������������������������������ ���������� ������������� ������������������������������������������� �������������������!�������������� ������� ����������������� �������������������� ������ ��������������������"���������������� �������������������������������������������������#����� ������$������������������������������������#������������������������������������������������������%&'(����������� �������������������������������� ������$������������������������������ �#����������������$����� ���������� � ���������)%�*�+�,�-.����� ���� ��������������������!�����������-(/�� ������ �� ������$��������)0.��1����������������!����� ����� ����!� ������������������������������������������������������2������������������������������������ ����������������������� �����#�� ������������ ���������������������������������� � ����������)'�3.��4�� ����!�������������� �����������*-�������!������������������������������������������������������������������� �������������������)%�&.�������� ���� ������$��������������������������������������!��!�������� � �������������������������2�����������

Nitrate Relationships between StreamBaseflow, Well Water, and Land Usein the Tomorrow-Waupaca Watershed

Henry Lin1,*, Rebecca Cook2, and Byron Shaw2

1Department of Crop and Soil Sciences, Pennsylvania State University,University Park, PA 16802; 2College of Natural Resources, University ofWisconsin, Stevens Point, WI 54481.

188

Lin et al.: Nitrate Relationships in the Tomorrow-Waupaca Watershed TheScientificWorld (2001) 1(S2), 187–193

����������5������� ������ �������������������������������������� ���������������������������2����2�����������22������������2����������6� ��%�������� �������7����������������8��������2���������4���������� ������9����������24�9�)%(.��:������������������������!��������������������������!���%(�� ;���6� ��%�������24�9������������ ����<%'����������������������������2����������� ����������������� ������������!��2��������=������������)%%.��������� ����� ������������������������������������������������������������ ������������ ��������������������� �������� �� ���� �������������� � � ������� ������ ���������5:������������ �� ������������ �������������������� ����������������������� ����������������������������������������������������������!��������������������������������� ����!������������ �������������������������������������������������������������������������� ��5:����!�����������������������!����������������������������������������5:���������������������!�����������������!��������� ���������������9������� ������������������!���������������������� �����!������� �5:��� ����������� �����������6����>�������� ������!�����������2���������������������������������������5:�������� ����!����������� � ����������������������5:������������������������ ���� ������������������������������ ����������������)%*�%+�%,.�����?#������������������������)%-.������� ����������������!������������������� ������ � ����!������� �5:�������������� ���������� ������������������������� ���� �

5��������������������������������!������������������� ������ ��������������������������#��� ���������� ���������>�����!�������������������������������������������������!����������������������� ���������� ��������������������������� ����� �������������������������22���������������������������������������� �����������������������������������������������!���������������������� ������ �������������������� ������#������������������������������������� � � ��������������������� ����������� ���������������������������������!����������� ����!���������������!��������������������������� ������������������� ������������������������������5:����1�����������������!���� ���������������������������������������������������� ��������������������������� ����!���������� ����������� ���������!�������� ���������������������� ��������������������>��������������������������������������������������������� ��������������1������������������������������������������������������������������������������������� �������� �������������������������������������������>���������������������������� ���������� �������������������!������ ������������ �����������������������

MATERIALS AND METHODS

Study Area — The Tomorrow-WaupacaWatershed (TWW)

��������������������������������������������� ����������������������2����������������������������!������� ������������������ �������������9�!���������������������� �@����������������!��� ��������������������������������������

2����@���������������������2����9�!����A���� ��!��������������������������������>������ ���������� �!������������������������������� ����������� ����������������������� ��������������������������� �������������������������� ��������������������5���� ���� ����� ��� ������ ������������������� ������������������������������������������������������>�������'0��������������*-���� ��� ���� �������������� �)%0�%'.��:����� ������������ �-%����������������!��������������������� ����������������������������� ��4��������������������������������� ��� ����$�����������>������*(����5�����#���� ����� ����%����%('��������������� ����������������� ������ � �����)%0�%'.�����������3(� �#��� ��� ��������������%0����������������������� ����������������������� ���������� ����1����������� ���#������������!���� ������������������ �������� ���� ��������������������������������� ���� ����� ���������������������� ��������� ���������� ��� �����22��������� �������������� ���������������������������� � ��������������!����!���)%(.�

������� � ��������������������!�������� ������������������������� �!������ �� � ����������������������>�������� �����>�����!������������������� ���������������������������1�������B������� ��������������������������#�� ��� ��� �����������������������!���� ������� ���������������� ������������������������������)%3.�

C�������������������������--/� �����������+-/� ��������-/������������-/���!������� �������>�������%+�(((����������������� �%&&3�����������������%,-�����#����;���������������������D�3(�� ���������� �������������������� � ���������0-���������� ����!�� �� �*(���������)%&.������� ����������������������������#��� ������������������������!����� �������������������������������!�������������������? ���� ���������������3*/�������������� ��������������� ���� ���������������������%3/�������� ������������ ����������������������������������������������������������@������������ ���������������������������!��������������B�������������������������������������������������

Stream and Well Water Quality Database

����������+3� ������������������������������������ ����22����� ����E���A�� ������ 1� ��������������� �A1���F�91�1�����9��������@�������������������������������� ������������������ ������������������ ���������������������������� ��������������� ���������������!�� ����� �������������� ���������������������� ���� �������������� ��������������������������������������������������������������������� ��������� �������������� ����������� ���� �����������������������������������!������������ ���������� ������������������������������ ������B��������������������������� �����������!�����������������������������������������������%(������� ����������������������2���9�!������*3��������������������������6� ��%��

������������������������������� ��������+3������������� ���������� ��������������������%&&,��6����G����%&&'���G�����%&&&�������������������������� ��������� �������������5������� ��������������������� ����������������������������� ������������������ ��������������� ����+����������� ������������� ��� � ��������� �!������������������������������������*-(�������������������������������!��

189

Lin et al.: Nitrate Relationships in the Tomorrow-Waupaca Watershed TheScientificWorld (2001) 1(S2), 187–193

������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����H��?����������������������������������������������������������� ������������������������������������ ���������������������#��������:����:�5������������*(((� ������������������������������������������������� �����������������������*,���������� ������ �!��������� ��!����F�������������������$��� ���������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������������� ����F�!������������#6�����C��������������"��!�������� �2��������I���!������������� �����!�����������

����>�����!�����!������������������������� ������������������������������������������������� �����������

190

Lin et al.: Nitrate Relationships in the Tomorrow-Waupaca Watershed TheScientificWorld (2001) 1(S2), 187–193

�������������!��������!��� ��������� ����� �� ����F�!�������������#�6�����C�������������A������2����9�����!��������#�� �����24�9��������� ��@������H�����C������������������������� �� ��!���+-((�������������� �������!���������� �����22����� ��������������������������� ����E��A1���6� ��%���2�����������������������������!��������������������������������������������������������������������������������� ������������������ ����� ���������������������� ����� ���������� ���������������������� � ����� ��� ������ ��� ������ ��� ��� ���� ������ ����� �%((��������������������������������������������������B����

GIS and Statistical Analysis

���E���A1�����������������������������������!�������������������������$��������������������5������������� �����������������!������������������������������������������������� ��� ���������������� ���������������������������������� ���������� ����������������������������������������������������������������������������� ���������������� �����������������������������������1���������1�����@����@��������������� �����������������������������������������������������������������������������������)*(.��@�������������������������������� ���������������������������������������������������������������=��������������������������������������������������������������#����������������� ������ �����������5���������������������� ������������ �������������������������������������������������$�����������������������������=����������D����������������������������������������������������� �� ������� ������������!�������������������������������������������������������$���������������������������� �����������������

RESULTS AND DISCUSSION

Nitrate Relationship between StreamBaseflow and Well Water

��������������������������!�� ������������������������������������������������������� ����������������������������������� �������������� ������������6� ��*���2�������!���������������������������������� ������� �������������������������������������������������������$������� �� �����!�������������������!����6� ���*����+����5���������� ������������������������������(�%-����%,�+�#������������ ������������������������������!���������� ����!���������������������� ����� ������������������������������!���������������������������������������������������������� ��������������������� �����������1�����������������#�� ������������������� ����� ��� ������ ��� ���� ����������� � � ���� ����������������������������� �� �������������� ������� ������������������� ���������������#�� �������������������������������������������������������������� �������������������������!������������������������������������������������������� ������������������

��!����������������������������!������������� ����� ��������������������������������!��������������������������� �� ���������������������������������������������������������������� ���� ���������������6� ��*��������������22���������������� ���������� ���������� ����������������������������������� ������ �������� ����������������� �������������� �������������!������������!����� ����������������������������� �������!������������ �����������#����������� �������������������������������� ������������������� ������������� �������������� �������!������� ����������������������������������6� ��*������������������� ���������������������������������������������������������������������������������� �������������������������?������������������������������������������������ ������������� ������������������������������������������� ������������������1������������������������ ���� ��������������� ��������������������� �������� ���������� ������������������������������ �������������������������� ������������������������������ �������������� ����������� �����������������������������������������������������!�������� ������������������������������ ������������������������������������� ��������>���������1����������������������������� ����������������������������������������������������� ��������������������������������� ���������� �������������������6� ��*�

Seasonal Variation in Stream BaseflowNitrate Concentration

����������������������� ����������������������������������������� �������� ���������������� �%&&'������ ������������ �%&&&�����������*������ �������������������������������������6������������� �������������� ���������������������� ������ ������!�� ������������������������������������������ ����������� �� ����� ��!����!���&&/��6� �+������������������#������������������ ��������������������� ���!��������#���������!� �������������������������� ���������������;�������� ���������� ��������� ����!���������������� ���� ���������������� ������������������������������������ ��������������������������������������������������� ������������������ ������$����������� ����������������������� ������ ������������������������������������������������������������������������������������������������ ������������� ��������������������������������

E������������������������� ������������!�������� ��� ����%&&,����%&&&��������������� ������������������������������!���������� ������� �������������� ���������6� ��+������������!��������������������������� ������������������������������������������ �������������������������������!�������������������� ����������������������������������������������������������������!���������� ��������������������������������!�������������������� �������������������!�����������������������6� ��+�����������!����������������������� �������� �������������������������������������������!������������������� �����������������������������>�������������������������������������������������������� ���������!������������� ������������������������������������� �������7���� ���$��8�������������������������� ������������������

191

Lin et al.: Nitrate Relationships in the Tomorrow-Waupaca Watershed TheScientificWorld (2001) 1(S2), 187–193

������������������� �������������������������������������������������������������� ���������� ���������������� �����������������!�������������������� ������������������������������������������������������������������������������ ���������� ���������������� ������������������

Nitrate and Agricultural Land Use

����������� ��� �������� ������������������������������������������>�������������� ���������������������������������!�� ��� ��� �������!�������������� �������������������������������������������������������������!�� �������������������������������������� ����������������������� ������������ ���� ���������������������������������� ����������������H��!������������ �������������� �������

����������������!�� ���������������������������������������������������� ���������� ����������� ����������� �������������������������>����� ������� ���������������������6� ��*���������������������� ����� �����������������������������������������!������������������������������������������� �������� ������������������������ ������������ ������������������� � ������������������������������������������������������������������ �������������B������� ������������������������������������������������ �������� ���������� ������

192

Lin et al.: Nitrate Relationships in the Tomorrow-Waupaca Watershed TheScientificWorld (2001) 1(S2), 187–193

������� ��������������������#������������������������ �����������������������������!������������� ������������������������������������������������������������������!���� ����������������������� �������������������������������������������������6����>������G����������)*%.���!���� ����*'������������!�� ��� ���� �������������� ���������������������������@������������!������� �����@�����#��5������ ���� �������������������� ��� ����������������>�����,-����-%/� �!��������������� ����� ����������������������������������������5��#������J�����)**.����������������������������������������*-/���������������������� �� ��������� �������������������������������������������������������������H���)*+.� ����� ��������������������������������������������� ������������K%(�� ;�����,%/�� ����� ����������������

�#����������������� ���������������������������������������L%�� ;��

CONCLUSIONS

��������� �������������������������������� ���������������� ��� �����22�������������� ������ �������� �����������5������� ��������!����������������� ������������ ��������������������� ������������������ � ���������������������������������������������� � ������������������������������������� ������������������� �����!�� ��������������������������������������������������������������� ����� ����#���

������������"�������������� ������������� ��������������������������������������������������������������������#$$%����#$$$������������������������������!���������������������������� ������������������������������� �����������������������������������������������������������������������#$$&����#$$$�����������

193

Lin et al.: Nitrate Relationships in the Tomorrow-Waupaca Watershed TheScientificWorld (2001) 1(S2), 187–193

������������������ ������������������������������������������������������������

ACKNOWLEDGMENTS

6����� � �������������������!�������������������2��������4���������� �������9��������������"��!�������� �2��������2����9��������� 1���������� ��� ����"�4���91� ���� M*((%�+-%(*�%((,,�

REFERENCES

�� ���������� ���������������������� ������������������������� �!�!�����"#���������$����!�������������������%��&�������!��%�$�������!������������������ ����'�()'�*�

'� ���������������������������������� �!�!�����"#������������&���+!���&����� �����!������"&�!&��� ���"��!���,�%"��%��������������������-)����

.� /#���0�������&������1�������*��� ��2���!���&�"��1���"&�3!&���/#���"�%�������&���,!������ �4�%56��������������3%&�!%�������7�1��%����!#��0��#�����%�18&������,!�����%�&�"�%9�$�%!��!���%���2��!��:�����������"����"��!���22��*;)�..*�

�� ���%�����������*����#��<���!&������/�%!%�������&���,!��/��!���!���������1���"&�!&���/#���"�%6�1� !��������%2�"3!�$���1���"&�!&����"�����"���2��!��:������2�!���!����1���3"&�!&����22��(�;�

(� ������/�1����44��%�=�������>���%���?�����**���"!��%�1�3��"!����?�"#�������1���"&�!&���1��%������1%%�%%���!����1�3��"&�!&���/#���"�%�������&���,!��������%%��,!�����%�&�"�%9�$�%!��!���%���2��!��:�����������"����"��!���22��**)��-��

;� ��+��� ��������"#�22��%� �������*��� �!�!��"��!���!���������&���+!������ ��!#�1����"�����������������������������;()�*��

�� ?�+����>�� ������"#�������!� ���<"�+��������� ���&%%�+�,������(�� �!�!��<�$����!�!#��&�#�!#��:�%!&�!��@���� ��� � ���������� ��� !#��?�+���,�%"��%�����$���=��������&���,!�����%��"#���2��!�,�/������(3-(��:��$��%�!����,�%"��%���<��%���

*� �!�!�%�,��������!��������;��=���!4���1���"&�!&���9�2"!%�������&���,!���>%������!#��/��!������%��/��!���,�%"��%�����&���,!���/��!�����2��!��/������� ��� !&�����%�&�"�%:��$��%�!�����,�%"��%����!�$��%�����!�

�� 0��!���<���������/��&���?�"#�����!&��������7���%!�"���% �!�!�����/#�������!#��&�#���&��,�%"��%�������%�A<�����#�3%�%B��/������� ��� !&�����%�&�"�%�:��$��%�!�� ���,�%"��%���!�$��%�����!�

�-� >�������������#�������������(�� ��2���!���&�"��/��!�����������!#���������+3,&2"���$���������!��,!��%#������C�"!�,�%"��%�����2�!���!���� !&�����%�&�"�%�<��%���

��� �%����������������%����"���&��"!�����,�%"��%�����2�!3���!���� !&�����%�&�"�%��������>��

�'� D%4��������/&�+����������#+�>������-��E&�!����������&��+!���8&��!�����2���&"!�$�!������"!%����4�%!��������!�2�"3!�"�%���������!���%��%������������������� ���� ���������������������� ����� ,,1����&���,!���<������!�=���� �22��'�)��.�

�.� ���!�������!�!�%�,��<�"#���"#�������>��� ������(�����!��+��%� ���&���+!��� 2�����!��+!��%#����/��!���,�%"��%�����&���,!���/��!�����2��!��/������� ��� !&�����%�&�"�%:��$��%�!�����,�%"��%����!�$��%�����!�

��� ���!���������<�"#���"#��� ������;���$�&!�������>�%!�<�3�����!���"!�"�%�������&"���� �!�!������&!��������!�$��%�����!F�,#�!����F����$���1����/��!���,�%"��%������&���,!��/��!�����2��!��/���������� !&�����%�&�"�%�:��$��%�!�����,�%3"��%����!�$��%�����!�

�(� �!����������������<������G���<�1���������������������(����� ������������������ � ����������������������������������:��$��%�!��/��!�������,!�����%��"#�D5�3#����!!��:��$��%�!���!���+!���

�;� >��5%!��%%��� /���� ��� ���;������&��3,!��� ��%�&�"�%� ��,&2"�/�&�!���:�����������"���&�$���,%#���!�����/�

��� 0��!� ���/�?�������;(�������������,!�����%�&�"�%�������3!���/�&�!��,�%"��%����:�����������"���&�$���,%#���!����/�

�*� ,��%!���/�?������(����������+3,&2"���$���������!��,!��3%#������&���,!�����%�&�"��122��%���,�%"��%�����2�!���!��� !&�����%�&�"�%���2��!��<��%���

��� >�������������������%����"���&��"!��������!���/�&�!��?��/��%��$!������2�!���!��!�$��%�����!�,9�

'-� 0��%�����������0��%"#���<������'������������ ����!�����������"���������#������ ���� �������$�������"��������%���������%�$����1�%!������#�� �!#�����%�

'�� ����������/���������?�����,���������������������!�����&3!����!���%"#���������+!��%#��%�!������&%�����%!������+�$��34���!���������"������"�������'(��)'(�-�

''� >&�5�!�<����������2�����,������.��0��������"�������3&%���"!��%�%%�"�!���+�!#�#��4�"���%������!�!�%�������3%&�3�"��8&����%��������������� �����;�;);(;�

'.� 0����1�������*.�� �!�!����%!��4&!�������!#�����&���+!������!#�1���%!�������������D�!����/�������������������;�;)�-'�

���� �������������� ��� ���������������

?���0��/��5��������#+�>���'--��� �!�!�����!���%#�2%�4�!+���%!����4%����+�+����+!����������&%�����!#���������+3,&2"+!��%#����9��D2!���G���� �!������<������!����������������������&"!���� ��� ��$�������!�� ���!�"!���6� ���"������%� ��� !#�� '��9�!���!����� �!������ /�������"�� ��� �"���"�� ��� ����"��&!��������'���� ����������*�)��.�

'���� ��( )��� *+��*,,#'� ����( ��������� *&��*,,#-�������( .������ $��*,,#/��������( .������ *+��*,,#

BIOSKETCH

��������������������������� ������� �H���������� �;�����H������ ���������4���������� �@���������������������������������!��������"��!��������"��!���������#�������H�������������������� ����������������������������N������� ���������������� � ��������������������������������!�����$������������������������������������� �� �������������������������D�������������������������������� � ���������������� �������!����������������� ������� ������������ ����������������������������������������������������������!������ �?��������!�����������1� ������������������?��1�����4���C����������5������������������������ ����������@��������� ����6�B���� ����������"��!���������@�����%&3-����:������������� �;�����A�� ����� ������B�� �1���������� �������������������@��������������� ����������%&33����������4��������������������������� �� ������>���O:�"��!��������%&&-��

Submit your manuscripts athttp://www.hindawi.com

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Inorganic ChemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com Volume 2014

International Journal ofPhotoenergy

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Carbohydrate Chemistry

International Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Journal of

Chemistry

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Advances in

Physical Chemistry

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com

Analytical Methods in Chemistry

Journal of

Volume 2014

Bioinorganic Chemistry and ApplicationsHindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

SpectroscopyInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

The Scientific World JournalHindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com Volume 2014

Medicinal ChemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Chromatography Research International

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Applied ChemistryJournal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Theoretical ChemistryJournal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Journal of

Spectroscopy

Analytical ChemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Journal of

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Quantum Chemistry

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

Organic Chemistry International

ElectrochemistryInternational Journal of

Hindawi Publishing Corporation http://www.hindawi.com Volume 2014

Hindawi Publishing Corporationhttp://www.hindawi.com Volume 2014

CatalystsJournal of

top related