Screening and scoping-level assessment of beneficial management practices in a Canadian prairie watershed

Abstract

In the Canadian prairies, eutrophication is a widespread issue, with agriculture representing a major anthropogenic nutrient source in many watersheds. However, efforts to mitigate agricultural nutrient export are challenged by the lack of coordinated monitoring programs and the unique hydrological characteristics of the prairies, notably, the dominance of snowmelt in both water flows and nutrient loads, variable runoff, variable contributing area and the issues of understanding how scale affects nutrient concentrations and prevalence of dissolved nutrient transport (over total nutrients). Efforts are being made to integrate these characteristics in process-based water quality models, but the models are often complex and are not yet ready for use by watershed managers for prioritizing implementation of beneficial management practices (BMPs). In this study, a screening and scoping approach based on nutrient export coefficient modeling was used to prioritize BMPs for the 55,700 km² Qu’Appelle Watershed, Saskatchewan. By integrating land use information, in-stream monitoring data, stakeholder input and nutrient export coefficient modeling, the study assessed potential efficiencies of six BMPs involving fertilizer, manure, grazing, crop and wetland management in nutrient load reductions for nine tributaries of the watershed. Uncertainty around the effectiveness of the BMPs was assessed. Field-level export coefficients were adjusted with nutrient delivery ratios for estimating watershed-level exports. Of the BMPs examined, in general, wetland restoration had the greatest potential to reduce both nitrogen and phosphorus loads in most tributaries, followed by fertilizer management. The importance of wetland restoration was supported by positive, significant, linear correlations between nutrient delivery ratios and drainage intensity in the tributaries (nitrogen: R² = 0.67; phosphorus: R² = 0.82). Notably, the relative ranking of BMP efficiencies varied with tributaries, as a result of differing landscape characteristics, land uses and nutrient inputs. In conclusion, the approach developed here acknowledges uncertainty, but provides a means to guide management decisions within the context of an adaptive management approach, where BMP implementation is partnered with monitoring and assessment to revise ongoing plans and ensures selected practices are meeting goals for nutrient abatement.

RÉSUMÉ

Dans les Prairies canadiennes, l’eutrophisation est un problème répandu et l’agriculture représente une importante source anthropique d’éléments nutritifs dans de nombreux bassins versants. Toutefois, les efforts visant à atténuer les exportations d’éléments nutritifs agricoles se heurtent à l’absence de programmes de surveillance coordonnés et aux caractéristiques hydrologiques uniques des Prairies, notamment la prédominance de l’eau de fonte dans les débits d’eau et les charges d’éléments nutritifs, le ruissellement variable, l’aire d’alimentation variable du bassin et les problèmes de compréhension de l’incidence de l’échelle sur les concentrations d’éléments nutritifs et la prévalence du transport des éléments nutritifs dissous (par rapport à la quantité totale d’éléments nutritifs). On s’efforce d’intégrer ces caractéristiques dans des modèles de qualité de l’eau fondés sur les processus, mais les modèles sont souvent complexes et ne sont pas encore prêts à être utilisés par les gestionnaires de bassins versants pour la mise en œuvre de pratiques de gestion bénéfiques (PGB). Dans cette étude, une approche de sélection et de détermination de la portée axée sur la modélisation du coefficient d’apport d’éléments nutritifs a été utilisée pour classer les PGB en ordre prioritaire pour le bassin versant de la Qu’Appelle (55 700 km2), en Saskatchewan. En intégrant l’information sur l’utilisation des terres, les données de surveillance dans les cours d’eau, les commentaires des intervenants et la modélisation du coefficient d’apport d’éléments nutritifs, l’étude a évalué l’efficacité potentielle de six PGB impliquant la gestion des engrais, du fumier, des pâturages, des cultures et des zones humides dans la réduction des charges d’éléments nutritifs pour neuf affluents du bassin versant. L’incertitude entourant l’efficacité des PGB a été évaluée. Les coefficients d’apport au niveau du champ ont été ajustés avec les ratios d’éléments nutritifs acheminés pour estimer les apports au niveau du bassin versant. Parmi les PGB examinées, en général, la restauration des zones humides avait le plus grand potentiel pour réduire les charges d’azote et de phosphore dans la plupart des affluents, suivie par la gestion des engrais. L’importance de la restauration des zones humides a été confirmée par des corrélations linéaires positives et significatives entre les ratios d’acheminement d’éléments nutritifs et l’intensité du drainage dans les affluents (azote : R2 = 0,67; phosphore : R2 = 0,82). En particulier, le classement relatif de l’efficacité des PGB varie selon les affluents, en raison des différentes caractéristiques du paysage, des utilisations des terres et des apports en éléments nutritifs. En conclusion, l’approche élaborée ici reconnaît l’incertitude, mais fournit un moyen d’orienter les décisions de gestion dans le contexte d’une approche de gestion adaptative, où la mise en œuvre des PGB est associée à la surveillance et à l’évaluation pour réviser les plans en cours et s’assurer que les pratiques retenues atteignent les objectifs de réduction des éléments nutritifs.

Keywords:

• Beneficial management practice
• Canadian prairies
• cold climate
• nutrient delivery ratio
• nutrient export coefficient
• water quality
• watershed management

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Additional information

Funding

We thank the Saskatchewan Water Security Agency for funding the study examining watershed nutrient loads since it formed the basis of this article. We also thank the Canada First Excellence Research Fund (Global Water Futures Program–Agricultural Water Futures project) for funding to undertake the analysis and to publish this work. Analyses presented in this article do not necessarily reflect the opinions or official position of the Saskatchewan Water Security Agency or the Government of Saskatchewan.