Distribution and Sources of Nitrate-Nitrogen in Kansas Groundwater

Post on 06-Mar-2023

0 views 0 download

Transcript of Distribution and Sources of Nitrate-Nitrogen in Kansas Groundwater

216

Townsend et al.: Nitrate in Kansas Groundwater TheScientificWorld (2001) 1(S2), 216–222

Research ArticleOptimizing Nitrogen Management in Food and Energy Productionand Environmental Protection: Proceedings of the 2nd InternationalNitrogen Conference on Science and PolicyTheScientificWorld (2001) 1(S2), 216–222ISSN 1532-2246; DOI 10.1100/tsw.2001.331

* Corresponding author.E-mails: townsend@kgs.ku.edu, sam8f@virginia.edu,

young@kgs.ku.edu© 2001 with author.

Kansas is primarily an agricultural state. Irriga-tion water and fertilizer use data show long-term increasing trends. Similarly, nitrate-N con-centrations in groundwater show long-term in-creases and exceed the drinking-water standardof 10 mg/l in many areas. A statistical analysis ofnitrate-N data collected for local and regional stud-ies in Kansas from 1990 to 1998 (747 samples)found significant relationships between nitrate-Nconcentration with depth, age, and geographic lo-cation of wells. Sources of nitrate-N have beenidentified for 297 water samples by using nitro-gen stable isotopes. Of these samples, 48%showed fertilizer sources (+2 to +8) and 34%showed either animal waste sources (+10 to +15with nitrate-N greater than 10 mg/l) or indicationthat enrichment processes had occurred (+10 orabove with variable nitrate-N) or both. Ultimatesources for nitrate include nonpoint sources as-sociated with past farming and fertilization prac-tices, and point sources such as animal feed lots,septic systems, and commercial fertilizer storageunits. Detection of nitrate from various sourcesin aquifers of different depths in geographicallyvaried areas of the state indicates that nonpointand point sources currently impact and will con-tinue to impact groundwater under current landuses.

KEY WORDS: nitrate, nitrate-N, groundwater, nitrogenisotopes, statistics, Kansas, water quality, agriculture,irrigation

DOMAINS: agronomy, soil systems, freshwater systems

INTRODUCTION

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

(���������� !#!� ���� �� �����!� ��������� ��� ���������� ������ ������)�*��� ���� �����! ��������+��!��%���$!�,'-��� ���"���# ������ �����������#�!�����������!� ���� ���������������������������� � �".�� ������������� ��� ������� �� ���!!.����!./� �����������������������������00�����001�

METHODS

��������.� ���� ����������� � ���� ��� �����".������� � ���!�����!�*��#.�2��*3�����".���������� ��������������*����������������������� �.����!. ��4����!!����!���� ���� � ��� ��!� �� ����*'� ��4��� &���������5�����������6��!. � �*. ��24&56*3����"� ���'������!���� ����� �����"������������!������������������������!!���� ��������4��� ���! ������!!�����������!./��� ���� ���������!������!�"�����.����� '�� ������! ����7��

���������������!. � ����"� �� ���! ������������������������� �! �������������������������� �������!. � ��������� ����������� ���� �� ��δ������ ������������5������ �8������ ����������� � �������2&95*3����!���������!���!����!./��2:63'���������#��!!������ ����"���������;�2�����!3��9 �! �����������!��#���� �������2��� ��������3���������"��;�����<�� ���� �������δ �������=��

Distribution and Sources of Nitrate-Nitrogenin Kansas Groundwater

Margaret A. Townsend1,*, Stephen A. Macko2, andDavid P. Young1

1Kansas Geological Survey, Lawrence, KS 66047; 2University of Virginia,Charlottesville, VA 22093

217

Townsend et al.: Nitrate in Kansas Groundwater TheScientificWorld (2001) 1(S2), 216–222

*�� ���!����!. � ��� ���������������*6*� �� ���!�����������)�&>� . � �1���(��� ������!������������!�.��������� �2*�������4�!� ����"�"�!�.� �#�!� ������!!��������� ����! �����������3����������������� ���� ��� �� ������� �� ���������� ��!�4�!!� � �2���!.� � ����#�������+��#�!�3'���5����4���.��� �+��#�!�'���� ��*������� ���� � ��������!������6!!� ��������������� ��0���!#!�������������2������3�7���@���� �������"�"�!�.�#�!� �����������������������������

BACKGROUND

6�����!���� ��������������� �.������� � �� ���������������!���!��������� �������.���%�������!�����������������' �."�� '� ����������������'����'���!'�����.'�������� �0��(��� ���� ��<� �#�������!��� ��� �� �'����.���� � ���� �������������!����������������#�� �"�������� �������������� ���� �

9�����!!� ���� � �� �� � � #����"!� 2�����<���!.-���A��$.������� ������ � ����#��������$.������� ����� � 3��&�������������!��'�������!��!.������� ���������� ������� � '��� ������ �� �������0-� '�� ��!!� ����".������!��#������������������� �������#�!���������������!�/�� �!�� �����0��2@�����3�

6����!��� �2���!�������������� 3�� ������������!����� �������������2��!� '� ���� . � '����� ������ ������ . � 3������������� �����2� ����������� ����!��/�3�� �������!������"�������������!��� ��������!������

�� ���.���!����� . �������� � � � ������<���!.��1�'���������� $.���0'����������� �� ���������!.���!�/��� ���!�����������������������������������!����������� ���� � �! �����%���������������������������!�����������������������!����!�/� �20��'����������� '�@�����3������.��%����

B�������������!����� �����������������+��!�.���������� ������)�*����'�%�'�� �!������������ ������������������ ��&�����.���� ������� � '���������������� ����"�#���"����������!#!����%���$!��" �#��������#!�������� ������)�*�'����������������������������������������������+��!�.�,'7���6� ���������������!! ������� � ������ ���!�������������� �.����"������0=� ��������00� �!!� �� ���!����������������������������!���C�����#��!!������ ��������������������2@����%3�

IDENTIFICATION OF NITROGEN SOURCES

�����!� �"�������������� � ���� ���!. � � � � ������� ���+��!.� � �� �� � � � ��� ��������� ���� � ��� ������� ������������� ��� �������!. � ���#�!# � �"!� ������������������������2���3�����������-�2���3����������������������������������������" �#������� ������'���� ������������2���3��D������ �� ����� �#�!� ��������������� ����2�� ��#3����! �2����#3���������� ���!�� ��#�!� �� ��������������� ���!�� ��������2E3������!��2F3����!��������� �������

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

218

Townsend et al.: Nitrate in Kansas Groundwater TheScientificWorld (2001) 1(S2), 216–222

& ������#�!� ����������� ������������!�2;3�=�G

���2;3�?�2���$���3������F�2���$���3����� �� �

�����2���$����3����� ��

2�3

@����,��!!� �� ��������������#�!� �����#����� � ���� ��� ������� ���� � ������ ���� � �������� �� �����"���������-�������!!.'�"��!�����!����#�� �� ������������!!.'� �!��������������� �����#�!���������������� �" ���H�#��� �������� � ��������������������������!����!�/� ���� ��� ����#�!� ����F%���E1;'������ ��!�����������������E�� ��E=;'����� ����������!��� �����!!.������ ���E��;��-'�����8�������������'� ����� ��� �!#���<.��'� ��!���.'�����'����������� ����������� '��������<���.���������!� ���� '���� ���� ���������������

I�����������'������� ����"�����������������".�"����������������!��!������������ '��! ��� �! ����������������E��������������E%�;�������������������� ������������������������������������ ��� ���������������������� ������!!.��!��������!��� ������������������ ������ �������" �#����������#�!���6����!��� � ���� �����!!.� �!�����!��#!.��������������������� ��������������������� �����!!.�� �!�����!��#!.�!������������������ �

J�!��!�/��������������������������� �������������������������������.�!����K�L�1�� ��� �!����#�!��!�/������ �������� �����#�!���������������������"����#����"!�������������������5� �#�!��!�/�������� ������� � ���� ���� ��� ����� �!� !������� !� � ��! ����� �" �#�"!� ��!���

/�� ��7'�=���9 ��������� ����"�� ����� ��! ���!!� ���������� �������#�!� �������!����/�� ���� ������ ������������� �.��-��

6���!����%0=� ���! ������ �� ��� ������������� � ���#�!����� ������������ ��� ��8��� � ���! '�-1���!!������������!�/�������.'��1����#���<�� ���� '����,-����#����#�!� ����������E��;�2@����-3�� ��������.������!! � ���!�������� ����!! '����� ������������'��"!������� ���!.'����������������!! ����!�����6� ����� �������������!����������#��������������������������� � �"!� ���� ����������

@���������� ������ �����'��� ���! ������������".����������� ��������!!�������������2@�����'����<����3�6������ ����� ������ � �������� � ���������H!��������H!� ����K����H!��� ��+������#�!����".������!� ����� � '���!����/�� '���������������"!�������������,�A��6���%'���� ��������!���� � '���� � ���� ��!!���H!� ���K����H!��� � ���� '�������� ����#�.� ���.� ������ ��! ����#��� �/��'������� ��!!��������"!������������! ��&����������������� �����������"���6�� �������%��6���,'�������������!���� � '���� � �����!!.�����!!�#��!� ���� ��!�����������#� ������ ���������� ���*���� ����������� �!!����������!����� �/�� ��� ���.�!��� ������!�.�!� ��I������������� ������ �����!!.�! ���������

8�������� ���! ������������������"�#�E��;'�,� ���! ���#������#�!� ����! �����-���$!�� � �������!�� ���! �����������#�����!������� �!������������������'����"��� �����������������������������������������#�����������$�����������#�!��!�/��������� ��������������

������� ������������������� ������� �� ���� ������������!�"#����!��#��$��� ���������� ���� ����%����� ������ ���& '���� ���������()����*���(��������� �!#��+��,�!-��

219

Townsend et al.: Nitrate in Kansas Groundwater TheScientificWorld (2001) 1(S2), 216–222

�������� .��� ��)������ ����� ��� �� � ����� ���������� ������ �� ��������� ��� ����� ���������� ��� ����!/��

��������������#��� �/���� ��������.����� � ���! �����������������+���� ����� ������ � �26����'�@�� ��-������3��������� �����!�������"�!�.������!����� ������ ��! �����#��� �/���26�� �������,'�@�� ��-������3��7'�=��

8���� ���! ������������������"�#�E��;'�-0���#�������������������$!���������������#���������!��� ���� �� �� ���! �����������!��� �.�������������@���A-����������!����� ������������� ���� �� ������������ � ��� �� � � � �����!!.������������6�� �%�����,��D��������������� ����!���� ����"�������� ���������������!�������������������� ���! �������!!�#��!���� '������� �����������������!��� � ���������������26���,'�@�����3�:#�!����������� ��!���� ������������������� �� ��������!"��� ��������� �".������!� �!���.� ���� �

��������.���� ���! ����������"!��������!�����E1;�2���!�/������.�3������������ ���������������������'� ���.� ��! '� ���� ��� �"#��� � �����!��� � ���� �7'�,'�7'�=��� � � ���! � ��� �� �� ���������������� ������������������������� ������ ��

FACTORS AFFECTING OCCURRENCE OFNITRATE IN KANSAS GROUNDWATER

8��� ��� ������������)�*����#���������������.������� � ���� ���!���� �� ��������� ��� ����� ��� �����������7'��'�%��� � ������ � ���!�����������!!'��������!!'����"�!�.���� ��! '����������������'������!!���� �������������� '�������������1'�0'%�'%����&����� � '������������� ������� �� ���!!.�����!���������������������������������������� ��������!����������!!'���������!!'��������������!��������������� ��7'�,���@������ ��� ��

!������������� ��"������������������=-=� ���! �� ������ ������ ���

Geographic Area

@������2���<����3��! �� ��� ������������� �"��#� �������� ��"� ���������!.�����+��������'� ��!�.�'�����������'����!����� �� ����#� ��������� ���� �"� ����������������#��!�"!� ����� ��#��� � ����+��!�.� ��� � ������ � ��7'�,'�7'�=���6��������� ������ � ���� � ��������!.��������K����H!��� ��+����������������#��� �/��������������� �.���������������������6���%���� ��������!���� � �� ��������������K����H!��� ��+���������! � ����������� '������#��� �/��'� ������ ��! '������! ����������� �.����������������������6���,���� � �������!!�#��!� . � � ���!�������������!������ ������ � �� ���!!�#��!� . � ���������!!.��� ��!!�� ������������ . � �����#����"!� ���'���#!'������!�.�/�� ���������#��� �/�� �

����� ��!�4�!!� � � ��� ��� ���������� �� ���!����������"���������������!������������ ���! �������" �#����������������� '����������� ����������� ����������������!!�#��!� . � �26���,3'�������������������� � ��� �� ��������!� ���� 26��� %3'� ���� �� !�� ���������� ����� ������ �26����M� �"!��3��@���� �������"����������" �#�������#�!� �����!!�����2 ��!!��������� ���� 3'� ��!�.��2 ���������6���%3'���������� ���#��� � /��� 2��� � ������ � �� � ����� �� ���� � /�� ��������������!!�#��!� . � 3��&���������'�!���������#�!� ���� ������ � ���.� "� �!��� �� "��!�����!� �������� ���� #��� � /��� ��� ���������� ���������� �"�#� ��!���/�� '� � � �" �#�� ����"�� ��� ���� ��� �� ��� � ������� � ���'�7'�=��

220

Townsend et al.: Nitrate in Kansas Groundwater TheScientificWorld (2001) 1(S2), 216–222

Age of Well

H�����!!���� �������� ���������� ����� �"!������.������#����������������!���� �������������������1'%�'%���H��������0=�'��!!���� ������������� ������� � �������!.���!�������#!�������������!���� �������&��!���������!�� !���������0=���+���������!! �"������������!���� �����������!� �=������

&����������!!������� �� �������� ����!. � �"��� �����<� ���������������������������������������������!! ����� �������������!!������ ���� ���#����6�� ������%�� � � ������ ���� ��"��� ��������� ��!!���K���H!��� ��+������D���!�������������������������� �������� ��� ���� ����������

��5����4���.�� �! �!� ����� �"!��������������!! ������ �� ���!!.�!����������������������������������!! �������� �!!�������0=��� ���������!!����!. � � ��� ����!!���� ������������� �������!�������������������!!.���!!��������#�� ���#����������������!!���.���#����������������������������������������������������!���!! �

Depth of Well

9 ���������"�� ����� � ��������������#�����!�����<�� �"�������������������������������!!'������������� ��!!�����!! � ������� !��!.� �� "� ���������� ��������!! ��1'%����9 ����������� � ��! �������� ������"�� ��������������#�����!�����2 �"!��3��:#�!�������������������������������!!�����������������������������! �� ��� ��� ���!�������"�� ��������������#�����!������&��������'���5����4���.� � ��� �����!! � ��!!����������������������,,�����#������������#�!� � ����������!! ��8�����!! � ��!!�������������������'�%1���#������#�!� ���������������$!'�� ����� �����,�����������!! �

CONCLUSIONS

������������������������������������ � �� ���������������"�"!���������"!���:#������+�����/�� � ��������"!�!#! ����������������!������������������� ������

�������� 0������������� �� ������� �� ������ ������ ��������������)������� �������������������1�!1�!"��0 �� ��� ��������������������������� ������ ���2� ����� ����������� ��� � ���� ���� ���������� ���� �����&� *�� ��������������������*�����������������*��� ������������,�-�/��3���!�,����-������������4����5���'���6�

221

Townsend et al.: Nitrate in Kansas Groundwater TheScientificWorld (2001) 1(S2), 216–222

������� 378 ��� � ��������������� ��������������&78 ��� � �������� ��������� �����5� ���� �� ��� ������������ ����6���������9��'����� �������� � �������� � ������ ��%�����%������������ �� � ���� �������� ������� ����������������1��9�������������������������� ��������3��!�2������������ ����3���,���-�

TABLE 1Summary Table of Significant Statistical Results[6]

Factor Evaluated Number Samples Median Nitrate-N Range Nitrate-N

Geographic area (Fig. 5)

Area 1 (Deep High Plains aquifer) 358 4.3 0.02–69.7

Area 2 (High Plains aquifer) 333 5.7 0.02–77.4

Area 3 (Alluvial aquifers) 56 7.7 0.10–58.4

Kruskall-Wallis p value = 0.0339

Age of irrigation well

≤ 1975 276 5.2 0.02–43.3

> 1975 196 4.5 0.02–28.7

Mann-Whitney p value = 0.0069

Median depth

< 33 m 270 6.1 0.02–61.4

≥ 33 m 266 4.4 0.02–69.7

Mann-Whitney p value = 0.0006

All nitrate values vs. depth of well: Spearman rho = -0.144 (p = 0.0008).

222

Townsend et al.: Nitrate in Kansas Groundwater TheScientificWorld (2001) 1(S2), 216–222

���������� �#��.���������������!������������ �'��!!���'������������!!���� �������� �������������� ��������������������������������������� ��� ��������������� ���!!��������������� ������������!����� ������� ��������� �������!. ������������� ������� �����!�/������� '�� ��!!�� ������!������������ � ���� '��������������"��� �������������������������� � ������������ ���#�������������������'�������������������!!����� ���� �� ��� ��.��( ��������������� ����������������������������� � ����!��� �!�����!������ �������!��/�'����!������ ��!� �������������������!���'�� ������������������!����� �������������!�/�����!������'����#�!�������������!��������� ���������/�!����������<�� �����������������!� �

ACKNOWLEDGMENTS

������� ��� �����������#����� ������ ������� ���!����� � ���������!!������������!. � �������� ���! �� ������ ��! ���� ���������5��!������I����6���� �K!� ������5����*������ ������ � ������������������������� �

REFERENCES

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

(� ����� �())��*�� ���� �� ����+� �, �#���� ���������� ��-.//000��-��#�&/����0����/���� ���1 ���#�� ��&�� � ��2$��())���

3� 4$������+�5�����������+�������6�*$�� ���� �� �*�� ���7�����89��4$� ���"���9 �#:����"����# ����$�&��' ��$�����36�

;� ����"����# ����$�&��������9 �<$�� �����$�*�� ��7��%����8*$�� ����������� � ��������"����# ����$�&��' ��$%����((!�

!� �������������������=������� ��4���#�������������%� ��������=4����>��� ��;�������> �0����7�4��$���5�����+�-����������#� �$��$���+ & � ������������$�����9�-�,��

6� 9�0������4������?�$�#�+����()))�������������� �����%� ���#��� ��� @$� �� �5�����#��$��0��������)A�������������������������(!A�3;�

B� ������2�����B���� �����������������������;������-� �#��%>����#����� ��()�-�

�� ���=��� �$������6�4����� ���C�����������+��$�����%� ���>��� ��6��(������ ��*=D-�����������=��� �$���'����*'�

�� 5�����+�-����������#� �$��$���())��5�����+�-����������#� �$��$���������'������ ��-.//000� �,���#/-$@� �/,��/ ���C� ����&�� � ��2$��())���

�)� ��& ���������+������E$���())������$� ������� ����� ���0����� ��-.//000�������������#/��&%��������/�0/�&�� � ��F�%��@���())���

��� �-��� �#���E�����C����4�������3�F��$��������� ����� �#��$��0����%���& �0����������������������3�(A;)(�

�(� ����@��#�"���������* ����� �#��$��0���� �� ��� ����������=���������������������������������� ��������!�"����#�����������$�������������������#%�������������&'�E��������E���������& ���*�0?��,�--�3!AB;�

�3� 9�0������4��� ���?�$�#�+��� ������* ����� �5�����"��$�������5�����"����# ����$�&���$@� �=������� ��' �%�$���*$�@���;�;-�

�;� �������9���������6�=����- ���$� ����� ���#��-���$� �� �� � �����- �����������- ���.���& �0�(��������������BA�)(�

�!� ���@���4�2�����-��� �#���E�����3�>�����G������� � G��%��� &��� ���������*�C����������������������3B6A3�(�

�6� 9�0������4�������!������� ����$������� ����� ���$� E��,�����&��'���,����� ���� �����'�$����5������5�����"����# ����$�&��F-��%E ����-����!%B3�

�B� 9�0������4��������G�����F�����4��,����������6�����������#� �$��$���-���� ������&�����G�������� #��- ���� ��������������� �� �#��$��0���� �5��������������������)�������������(��A((6�

��� "����� �� +�'�� ����� �,� 2�� 9���@��� ��� ' ���D�� ����$����� ���������B�+����� �0���0����H$�� �� ��$���*�%@���,�.���$���� �����%� ���#���-��� � ���������� ����@����%� ����������������������������������BBA�B�

��� 5��- ��+����$�,����4�������9 $�������4�����;����@ %� ������� ����� �����%�$������H$ ���� �� �� �%���� �������� �������������������"����# ����$�&������%�$--����%-��(;�3�

()� ��� � ���2��5���� ,���2��"��� �+���� �������?����$����������@@ ���>� ������'����� ��� ���� ���������0���� @�-��� � ����&���� ����#�� ������ ���#�� �� �� ���� �5���������������������������������!3A�6)�

(�� �-��� �#�4��� ����;� =�-� ��� �� �� ���-���� &�� �� ������ &��� ��� ����� � ��� �� �� #��$��0���� � �����%� ���#�� �� �����'�$��� �-�� �� $�� �����*�@���,���������$����������� =��� �$����-��� 3B(�)6��� &��� �� ��*�@���,��I ������

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

9�0������4����4��,����������?�$�#�+����())��+ ��� @$� �������$������� �����%� ���#�� �5�����#��$��0�����=�F-� � G �#* ���#��4���#����� �E����������#�����$�� �������& ���%������������� ��.������� �#���� �(��=������� ����* ���#��'��%����������� ���������� ����)���������*�������� ����(�6A(((�

. ���7 :��� !"�,##!

.����7 ; � %� !!�,##!3 ���7 ; � %� ,��,##!2�%�����7 ) ��%� ��,##!