Evaluation of nutrient beneficial management practices on nitrate loading to groundwater in a Southern Ontario agricultural landscape

Abstract

Evaluation of the performance of agricultural Beneficial Management Practices (BMPs) intended to protect groundwater resources that may be impacted by the leaching of excess agricultural nutrients is both essential and problematic. Many field-monitoring techniques are hampered by the substantial lag time that often exists between when the BMP is implemented and when a related impact on the groundwater quality might be observed. As a result, agricultural nitrogen models that are adapted to site-specific field conditions are often utilized in concert with field observations to provide estimates of BMP performance. In the current work, the Root Zone Water Quality Model was used to evaluate the long-term reduction of nitrate loading as a result of regional nutrient reduction BMP implementation across agricultural fields located within a municipal well field capture zone. Soil nitrate concentration and soil moisture content profiles were collected from a series of monitoring locations. These data, in conjunction with a heuristic optimization algorithm, were used to calibrate and validate the model. Validation results showed that the simulated moisture content profiles matched very well with the observed profiles, and that the simulated soil nitrate concentration was in general agreement with field observations except for the highly reactive and transient rooting zone. The calibrated model was used to investigate a series of potential nutrient reduction BMP scenarios. Results indicated that the annual nitrate loading varied both spatially and temporally relative to the subsurface conditions and the agricultural land management. The overall results indicate that BMP effectiveness needs to be investigated over relatively long time periods and that short-term, point-scale field measurements may not provide sufficient information to evaluate BMP performance. The results obtained through the integration of field data and an agriculture nitrogen model indicates that this approach can be highly beneficial to assess or evaluate the potential long-term performance of agricultural BMPs.

Résumé

L’évaluation de la performance des pratiques de gestion bénéfiques (PGB) prévue pour la protection des ressources en eaux souterraines pouvant être affectées par le lessivage de l’excédent de nutriments agricoles est à la fois essentielle et problématique. De nombreuses techniques de monitorage sur le terrain sont entravées par l’important décalage entre l’exécution des PGB et l’observation de l’impact sur la qualité des eaux souterraines. Par conséquent, les modèles d'azote agricole qui sont adaptés aux conditions spécifiques du terrain à l’étude sont utilisés conjointement avec des observations de terrain en vue de fournir des estimations du rendement des PGB. Dans les travaux en cours, le modèle de qualité de l'eau de la zone racinaire a été utilisé pour évaluer la réduction à long terme de la charge en nitrates résultant de la mise en oeuvre d'une PGB de réduction des éléments nutritifs au niveau régional dans des champs agricoles situés dans une zone de captage d'un champ de puits municipal. Les profils de concentration en nitrates dans le sol et de teneur en humidité du sol ont été recueillis à des sites de surveillance. Ces données, associées à un algorithme d'optimisation heuristique, ont été utilisées pour calibrer et valider le modèle. À l'exception de la zone d'enracinement hautement réactive et transitoire, les résultats de validation ont montré que les profils de teneur en humidité simulés correspondaient aux profils observés et que la concentration simulée de nitrates dans le sol était en général en accord avec les observations sur le terrain. Le modèle calibré a été utilisé pour étudier une série de scénarios de PGB de réduction potentielle des éléments nutritifs. Les résultats ont démontré que la charge annuelle en nitrates variait à la fois spatialement et temporellement par rapport aux conditions souterraines et à la gestion des terres agricoles. L’ensemble des résultats indiquent que l’efficacité des PGB doit être étudiée sur des périodes relativement longues et que les mesures sur le terrain prises à court terme et de façon ponctuelle peuvent ne pas fournir suffisamment d’informations pour évaluer les performances des PGB. Les résultats obtenus grâce à l'intégration de données de terrain et à un modèle d'azote agricole indiquent que cette approche peut être très bénéfique pour estimer ou évaluer le rendement potentiel à long terme des PGB agricoles.

Keywords:

• Nitrate
• groundwater loading
• beneficial management practices
• performance assessment
• RZWQM

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Additional information

Funding

This article was funded by the Canadian Water Network, and NSERC Discovery Grants (D. Rudolph and N. Thomson).