Modeling land-based nitrogen loads from groundwater-dominated agricultural watersheds to estuaries to inform nutrient reduction planning.

Jiang, Y., Nishimura, P., van den Heuve, M.R., MacQuarrie, K.T.B., Crane, C., Xing, Z.S., Raymond, B., et Thompson, B. (2015). « Modeling land-based nitrogen loads from groundwater-dominated agricultural watersheds to estuaries to inform nutrient reduction planning. », Journal of Hydrology, 529(P1), p. 213-230. doi : 10.1016/j.jhydrol.2015.07.033  Accès au texte intégral (en anglais seulement)

Résumé

La charge excessive de nitrate provenant de la production intensive des pommes de terre a été associée à des événements anoxiques récurrents dans nombre d’estuaires à l’Île-du-Prince-Édouard (Î‑P.‑É.), au Canada. La planification de la réduction des nutriments axée sur les bassins versants et dirigée par les collectivités a été favorisée comme stratégie de restauration de la qualité de l’eau, et des critères de charge initiale de nitrate ont été proposés pour les estuaires touchés. Nous avons mis au point une méthode de modélisation intégrée capable de prédire les charges de nitrate du débit de base dans le but d’orienter les activités de planification dans les bassins versants agricoles dominés par les eaux souterraines. La charge de nitrate correspond au débit de base multiplié par la concentration moyenne de nitrate à l’exutoire du bassin versant récepteur. La concentration moyenne de nitrate estimée correspond à l’intégration de la concentration de nitrate du lixiviat sur l’aire du bassin versant moins un coefficient de perte de nitrate qui tient compte du stockage de nitrate à long terme dans l’aquifère et des pertes dues à l’alimentation des zones d’évacuation. Les concentrations de nitrate du lixiviat des systèmes de rotation de la pomme de terre ont été estimées à l’aide d’un modèle LEACHN, et les zones d’utilisation des terres, déterminées d’après les données d’images satellitaires (2006‑2009) au moyen d’un SIG. Les concentrations de nitrate moyennes simulées sont comparées à la moyenne arithmétique des concentrations de nitrate mesurées dans chacun des 27 bassins versants pour l’étalonnage du modèle et dans 138 bassins versants pour les vérifications du modèle durant la période 2006‑2009. La sensibilité du modèle aux variations des erreurs de cartographie de l’utilisation des terres, à celles des concentrations de nitrate du lixiviat des principales sources et à celles du coefficient de perte de nitrate a été testée. Les statistiques d’étalonnage et de vérification ainsi que l’analyse de la sensibilité révèlent que le modèle peut prédire avec exactitude la concentration de nitrate pour les bassins versants comportant des zones de drainage de plus de 5 km2 et une concentration de nitrate supérieure à 2 mg N L‑1, tandis que la résolution du modèle pour les bassins versants comportant des zones de drainage de moins de 5 km2 et/ou une concentration de nitrate inférieure à 2 mg N L‑1 pourrait ne pas répondre adéquatement aux besoins en matière de gestion de la charge de nitrate. La comparaison des débits normalisés quotidiens entre les stations hydrométriques actives a montré que le débit de base des cours d’eau pourrait être réparti au prorata pour le calcul de la charge de nitrate d’après la station hydrométrique la plus proche en l’absence de mesures de débit. Les pertes annuelles de nitrate, y compris le stockage à long terme en aquifère, la dénitrification et l’absorption par les plantes riveraines, ont été estimées à 0,8 mg N L‑1, ce qui correspond à 3,4 kg N ha‑1. Les valeurs prédites des charges de nitrate maximales et médianes du débit de base vers les estuaires, d’après les 27 bassins versants utilisés pour l’étalonnage, ont été établies à 28,4 et 8,7 kg N ha‑1 respectivement, avec une erreur quadratique moyenne (EQM) de 2,3 kg N ha‑1. D’après les 75 bassins versants sélectionnés pour la vérification du modèle, les charges de nitrate maximales et médianes du débit de base vers les estuaires ont été estimées à 29 et 5,5 kg N ha‑1 respectivement, avec une EQM de 2,6 kg N ha‑1. Dans le cas des estuaires dont la charge de nitrate était supérieure à la valeur médiane, les sources prédominantes de nitrate (75‑98 %) étaient les terres de culture de pommes de terre en rotation, ce qui met en évidence l’importance d’une utilisation bien gérée de l’azote pour la production de pommes de terre en vue de la restauration de la qualité de l’eau; la contribution de la charge en nitrate attribuable aux dépôts d’azote atmosphérique a été estimée à 3,6‑13 % de la charge annuelle en nitrate dans les bassins versants dont la charge en nitrate excède la valeur médiane. L’application du modèle à la planification de la réduction des nutriments dans le bassin versant de la rivière Southwest signifie qu’il faut apporter d’importants changements aux pratiques culturales pour limiter les événements anoxiques dans ce bassin versant agricole fortement touché.

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