Phosphorus behaviour near the groundwater-stream interface across multiple seasons

ABSTRACT: Agricultural practices can cause excess inputs of phosphorus (P) to freshwater catchments leading to eutrophication and harmful algal blooms. The contribution of groundwater and hyporheic (i.e. subsurface) discharges to the delivery of P to streams remains unclear although these inputs may affect the timing and specific form of P (particulate vs dissolved) delivered to a stream. These inputs may contribute to the limited success of prior efforts to reduce P loads in agricultural streams. Improved understanding of the hydrological and geochemical processes governing P fate near groundwater-stream interfaces, and the influence of changing conditions (e.g. seasonality) is needed to better quantify P inputs to streams via subsurface discharges. The objective of this study is to evaluate how spatio-temporal variability in groundwater-stream interactions and streambed chemistry affect P inputs to a headwater agricultural stream via subsurface discharges. Field investigations were conducted along a 40 m stream reach in an agricultural area of the Thames watershed, Ontario, Canada. Streambed temperature mapping and vertical hydraulic gradient measurements provided initial identification of groundwater upwelling and downwelling zones. Groundwater, tile drain and surface water samples were collected approximately monthly over a 12-month period and analyzed for soluble reactive phosphorus (SRP), total P, and parameters that influence P mobility including oxidation-reduction potential (ORP). In addition to discrete monthly sampling, ORP was continuously measured in the streambed sediments at select locations along the reach over a six month period. Preliminary results indicate low porewater SRP concentrations (typically 5 to 70 g/L) in the high groundwater discharge zones, and high porewater SRP (up to 1000 to 1980 g/L) in the low groundwater discharge zones. Porewater SRP concentrations are negatively correlated with ORP, and concentrations were found to generally be higher in early fall and early spring compared with winter. Future work will focus on identifying factors contributing to the spatial and seasonal trends in streambed SRP concentrations. The study findings are needed to improve predictions of P loads to agricultural streams via subsurface discharges and thereby improve management practices designed to reduce P stream loads.

RÉSUMÉ: Les pratiques agricoles peuvent provoquer des apports excessifs de phosphore (P) dans les bassins versants d'eau douce, ce qui entraîne une eutrophisation et des proliférations d'algues nuisibles. La contribution des eaux souterraines et des décharges hyporhéiques à l'apport de P dans les cours d'eau n'est pas claire, bien qu'elles puissent influencer le moment de décharge et la forme du P (particulaire ou dissous) apporté. Ces décharges peuvent contribuer au succès limité des efforts antérieurs visant à réduire les charges de P dans les cours d'eau agricoles. Il est nécessaire de mieux comprendre les processus hydrologiques et géochimiques qui influencent le P près des interfaces entre les eaux souterraines et les cours d'eau. L'influence des conditions changeantes (par exemple, les changements saisonniers) pour mieux quantifier les apports de P des eaux souterraines aux cours d'eau. L'objectif de cette étude est d'évaluer comment la variabilité spatio-temporelle dans les interactions entre les eaux souterraines et les cours d'eau et dans les conditions de sédimentation des cours d'eau influencent l'apport de P dans un cours d'eau agricole en amont. Des enquêtes de terrain ont été menées le long d'un cours d'eau de 40 m dans une zone agricole du bassin versant de la Tamise, en Ontario, au Canada. La cartographie de la température du lit du cours d'eau et les mesures du gradient hydraulique vertical ont permis une première identification des zones de remontée et de descente des eaux souterraines. Des échantillons d'eau souterraine, de drain de tuile et d'eau de surface ont été analysés pour le P réactif soluble, le P total et les paramètres qui influencent la mobilité du P, y compris le potentiel d'oxydation-réduction. L'échantillonnage a été complété par des mesures continues du potentiel d'oxydoréduction dans les sédiments du lit du cours d'eau à des endroits choisis le long du tronçon. Les résultats préliminaires indiquent de faibles concentrations de P réactif soluble dans l'eau de porosité (typiquement 5 à 70 g/L) dans les zones de décharge d'eaux souterraines élevées et un P réactif soluble élevé dans l'eau de porosité (atteignant 1000 à 1980 g/L) dans les zones de décharge d'eaux souterraines basses. Les concentrations de P réactif soluble dans l'eau de porosité sont négativement corrélées avec le potentiel d'oxydoréduction. Cela a constaté que les concentrations étaient plus élevées au début de l'automne et du printemps qu'en hiver. Les travaux futurs se concentreront sur l'identification des facteurs contribuant à la mobilisation du P réactif soluble élevé dans les cours d'eau. Les résultats de l'étude sont nécessaires pour guider l'amélioration des pratiques de gestion afin d'aborder l'influence des interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sur les charges de P dans les cours d'eau.