Bằng Chứng về Việc Sử Dụng Đập Thấp trong Các Rãnh Thoát Nước để Cải Thiện Giảm Tải Lượng Dinh Dưỡng Từ Nông Nghiệp

Water, Air, and Soil Pollution - Tập 221 - Trang 223-234 - 2011
Robert Kröger1, Matthew T. Moore2, Jerry L. Farris3, Mathangi Gopalan3
1Department of Wildlife, Fisheries and Aquaculture, Mississippi State University, Mississippi State, USA
2USDA-Agricultural Research Service National Sedimentation Laboratory, Water Quality and Ecology Research Unit, Oxford, USA
3Arkansas Biosciences Institute, Arkansas State University, State University, Jonesboro, USA

Tóm tắt

Các cấu trúc thoát nước kiểm soát điển hình trong các rãnh thoát nước cung cấp các chiến lược quản lý thoát nước cho những khoảng thời gian nhất định. Các đập thấp được mong đợi sẽ cung cấp kiểm soát thủy lực hàng năm, cũng như được lắp đặt tại nhiều vị trí trong các rãnh thoát nước để cải thiện quá trình biến đổi sinh hóa không gian. Nghiên cứu này cung cấp bằng chứng về khả năng của các đập thấp trong việc giảm tải lượng dinh dưỡng, khi so sánh với cấu trúc thoát nước được kiểm soát điển hình của hệ thống ống dẫn có khe. Ba rãnh có đập được so sánh với ba rãnh có ống dẫn có khe, và hai rãnh đối chứng để kiểm tra thời gian lưu trú thủy lực (HRT) và giảm tải lượng dinh dưỡng. Không có sự khác biệt về thể tích nước hay HRT giữa các hệ thống có đập và ống dẫn. Nồng độ dinh dưỡng giảm đáng kể từ nước vào đến nước ra trong cả hai chiến lược thoát nước kiểm soát, nhưng có rất ít sự khác biệt thống kê về sự giảm nồng độ N và P giữa các biện pháp thoát nước kiểm soát. Tương tự, có sự giảm đáng kể trong tải trọng N và P, nhưng không có sự khác biệt thống kê về tải trọng N và P trung vị giữa các rãnh có đập (W) và rãnh có ống dẫn (R) đối với phosphate vô cơ hòa tan (W, 92%; R, 94%), phosphate vô cơ tổng số (W, 86%; R, 88%), nitrate-N (W, 98%; R, 96%), và ammonium (W, 67%; R, 85%) khi các chất dinh dưỡng được đưa vào như các sự kiện thoát nước. Những kết quả này chỉ ra tầm quan trọng của HRT trong việc cải thiện giảm tải lượng dinh dưỡng. Các đập thấp nên hoạt động như những cấu trúc kiểm soát thoát nước quan trọng trong việc giảm tải lượng dinh dưỡng đến các hệ thống nhận nước ở hạ lưu, nếu thời gian lưu trú thủy lực của hệ thống được tăng cường đáng kể với nhiều đập, nhờ vào chiều dài và độ dốc của rãnh thoát nước.

Từ khóa

#đập thấp #rãnh thoát nước #giảm tải lượng dinh dưỡng #thời gian lưu trú thủy lực #chiến lược quản lý thoát nước

Tài liệu tham khảo

Amatya, D. M., Gilliam, J. W., Skaggs, R. W., Lebo, M. E., & Campbell, R. G. (1998). Effects of controlled drainage on forest water quality. Journal of Environmental Quality, 27, 923–935. APHA. (1998). Standard methods for the examination of water and wastewater (20th ed.). Washington D.C.: American Public Health Association. Bachand, P. A. M., & Horne, A. J. (2000). Denitrification in constructed free-water surface wetlands: 1. Very high nitrate removal rates in macrocosm study. Ecological Engineering, 14, 9–15. Borin, M., Bonaiti, G., & Giardini, L. (2001). Controlled drainage and wetlands to reduce agricultural pollution: a lysimetric study. Journal of Environmental Quality, 30, 1330–1340. Burchell, M. R., Skaggs, R. W., Chescheir, G. M., Gilliam, J. W., & Arnold, L. A. (2005). Shallow subsurface drains to reduce nitrate losses from drained agricultural lands. Transactions of the ASAE, 48(3), 1079–1089. Cooper, C. M. (1993). Biological effects of agriculturally derived surface water pollutants on aquatic systems—a review. Journal of Environmental Quality, 22, 402–408. Dinnes, D. L., Karlen, D. L., Jaynes, D. B., Kaspar, T. C., Hatfield, J. L., Colvin, T. S., et al. (2002). Nitrogen management strategies to reduce nitrate leaching in tile-drained mid-western soils. Agronomy Journal, 94, 153–171. Dunne, E. J., McKee, K. A., Clark, M. W., Grunwald, S., & Reddy, K. R. (2007a). Phosphorus in agricultural ditch soil and potential implications for water quality. Journal of Soil and Water Conservation, 62(4), 244–252. Dunne, E. J., Smith, J., Perkins, D. B., Clark, M. W., Jawitz, J. W., & Reddy, K. R. (2007b). Phosphorus storages in historically isolated wetland ecosystems and surrounding pasture uplands. Ecological Engineering, 31, 16–28. Evans, R. O., Parsons, J. E., Stone, K., & Wells, W. B. (1992). Water table management on a watershed scale. Journal of Soil and Water Conservation, 1, 58–64. Evans, R. O., Skaggs, R. W., & Gilliam, J. W. (1995). Controlled versus conventional drainage effects on water quality. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 121(4), 271–275. Evans, R. O., Bass, K. L., Burchell, M. R., Hinson, R. D., Johnson, R., & Doxey, M. (2007). Management alternatives to enhance water quality and ecological function of channelized streams and drainage canals. Journal of Soil and Water Conservation, 62(4), 308–320. Gilliam, J. W., & Skaggs, R. W. (1986). Controlled agricultural drainage to maintain water quality. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 112(3), 254–263. Gilliam, J. W., Skaggs, R. W., & Weed, S. B. (1979). Drainage control to diminish nitrate loss from agricultural fields. Journal of Environmental Quality, 8(1), 137–142. Hammer, D. A. (1999). Designing constructed wetlands systems to treat agricultural nonpoint source pollution. In J. Vymazal (Ed.), Nutrient cycling and retention in natural and constructed wetlands. Leiden: Backhuys Publishers. Kröger, R., Holland, M. M., Moore, M. T., & Cooper, C. M. (2007). Hydrological variability and agricultural drainage ditch inorganic nitrogen reduction capacity. Journal of Environmental Quality, 36, 1646–1652. Kröger, R., Cooper, C. M., & Moore, M. T. (2008a). A preliminary study of an alternative controlled drainage strategy in surface drainage ditches: low-grade weirs. Agricultural Water Management, 95, 678–684. Kröger, R., Holland, M. M., Moore, M. T., & Cooper, C. M. (2008b). Agricultural drainage ditches mitigate phosphorus loads as a function of hydrological variability. Journal of Environmental Quality, 37, 107–113. Lalonde, V., Madramootoo, C. A., Trenholm, L., & Broughton, R. S. (1996). Effects of controlled drainage on nitrate concentrations in subsurface drain discharge. Agricultural Water Management, 29, 187–199. Martin, H. W., Ivanoff, D. B., Graetz, D. A., & Reddy, K. R. (1997). Water table effects on histosol drainage water carbon, nitrogen and phosphorus. Journal of Environmental Quality, 26, 1062–1071. Moore, M. T., Bennett, E. R., Cooper, C. M., Smith, S. Jr., Shields, F. D. Jr., Milam, C. D., et al. (2001). Transport and fate of atrazine and lambda-cyhalothrin in an agricultural drainage ditch in the Mississippi Delta, USA. Agriculture Ecosystems & Environment, 87, 309–314. Moore, M. T., Kröger, R., Locke, M. A., Cullum, R. F., Steinriede, R. W., Jr., Testa, S., et al. (2010). Nutrient mitigation capacity in mississippi delta, USA drainage ditches. Environmental Pollution, 158, 175–184. Murphy, R., & Riley, J. P. (1962). A modified single solution method for the determination of phosphate in natural waters. Analytica Chimica Acta, 27, 31–36. Needelman, B. A., Kleinman, P. J. A., Strock, J. S., & Allen, A. L. (2007). Improved management of agricultural drainage ditches for water quality protection: an overview. Journal of Soil and Water Conservation, 62(4), 171–178. Olli, G., Darracq, A., & Destouni, G. (2009). Field study of phosphorus transport and retention in drainage reaches. Journal of Hydrology, 365, 46–55. SAS. (2008). JMP 8 introductory guide. Cary, NC, USA: SAS Institute Inc. Seitzinger, S. (2008). Nitrogen cycle: out of reach. Nature, 452, 162–163. Sharpley, A. N., Krogstad, T., Kleinman, P. J. A., Haggard, B. E., Shigaki, F., & Saparito, L. S. (2007). Managing natural processes in drainage ditches for nonpoint source phosphorus control. Journal of Soil and Water Conservation, 62(4), 197–206. Shirmohammadi, A., Wenberg, R. D., Ritter, W. F., & Wright, F. S. (1995). Effect of agricultural drainage on water quality in mid-atlantic states. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 121(4), 302–306. Sirivedhin, T., & Gray, K. A. (2006). Factors affecting denitrification rates in experimental wetlands: field and laboratory studies. Ecological Engineering, 26, 167–181. Skaggs, R. W., Breve, M. A., & Gilliam, J. W. (1994). Hydrologic and water quality impacts of agricultural drainage. Critical Reviews in Environment Science and Technology, 24(1), 1–32. Starr, R. C., & Gillhorn, R. W. (1993). Denitrification and organic carbon availability in two aquifers. Groundwater, 31, 934–947. Thomas, D. L., Shirmohammadi, A., Lowrance, R. R., & Smith, M. C. (1991). Drainage-subirrigation effect on water quality in georgia flatwoods. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 117(1), 123–137. Thomas, D. L., Perry, C. D., Evans, R. O., Izuno, F. T., Stone, K. C., & Gilliam, J. W. (1995). Agricultural drainage effects on water quality in southeastern U.S. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 121(4), 277–282. Wells, H. W. (1992). Pollution prevention. Pollution Engineering, 24(1), 23–25. Wesstrom, I., & Messing, I. (2007). Effects of controlled drainage on n and p losses and n dynamics in a loamy sand with spring crops. Agricultural Water Management, 87, 229–240. Wesstrom, I., Messing, I., Linner, H., & Lindstrom, J. (2001). Controlled drainage—effects on drain outflow and water quality. Agricultural Water Management, 47, 85–100. Wright, J. A., Shirmohammadi, A., Magette, W. L., Fouss, J. L., Bengston, R. L., & Parsons, J. E. (1992). Water table management practice effects on water quality. Transactions of the ASAE, 35(3), 823–831. Zhuan-Xi, L., Bo, Z., Jia-Liang, T., & Tao, W. (2009). Phosphorus retention capacity of agricultural headwater ditch sediments under alkaline condition in purple soils area, china. Ecological Engineering, 35, 57–64.