nitrate relationships between stream baseflow, well water...
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: [email protected]© 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