Нитраты в бассейне реки Миссисипи

Рост загрязнения реки Миссисипи сильно повлиял на виды, которые живут в воде, а также на тех, кто зависит от реки в качестве источника пищи и для отдыха. Одним из основных типов загрязнения является избыток нитрата ( NO−3), вызванные химическими отходами электростанций и сельскохозяйственными стоками. Водораздел охватывает около 40% нижних 48 штатов, причем 7 из 10 ведущих сельскохозяйственных производящих штатов находятся в пределах этого водораздела. ^[1]

Азотный цикл

Это таблица, которая идентифицирует процессы азотного цикла с соответствующими им химическими реакциями. ^[2]

Азот участвует в азотном цикле , где он преобразуется в различные формы (т. е. азот ( ), нитрат ( ) и аммиак ( )) посредством различных процессов, таких как фиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация. ${\displaystyle N_{2}}$ ${\displaystyle NO_{3}^{-}}$ ${\displaystyle NH_{3}}$

Воздействие азота на окружающую среду определяется не только его формой в азотном цикле, но и общей концентрацией каждой формы. Негативное воздействие на окружающую среду может наблюдаться, когда эти различные формы азота находятся в избытке. Агентство по охране окружающей среды установило максимальную концентрацию нитрата в 10 мг/л в питьевой и поверхностных водах. ^[3] Когда азот в форме нитрата находится в избытке, это может привести к образованию мертвой зоны . Мертвая зона — это водоем с обедненной концентрацией кислорода, которая является низкой и может привести к удушью животных. ^[4] Примером этого является мертвая зона, расположенная у побережья реки Миссисипи. По данным NOAA , прогнозируемый размер этой мертвой зоны на 2016 год составит приблизительно 5898 квадратных миль с концентрацией нитрата 146 000 метрических тонн нитрата, стекающего по рекам Миссисипи и Атчафалайя в Мексиканский залив. ^[5] Концентрация нитратов значительно возросла (в 2–5 раз) с начала 1900-х годов. ^[6] Это связано с сельскохозяйственными стоками из сельскохозяйственных штатов, которые сбрасываются в реку Миссисипи. Более половины (52%) концентрации азота поступает из сои и кукурузы. ^[7]

Концентрация нитрата

Правильное исследование изменений и эффектов концентрации нитрита требует точной количественной оценки уровней нитрита. Для оценки концентрации используется метод взвешенных регрессий по времени, сбросу и сезону (WRTDS). Следующее уравнение дает оценку:

${\displaystyle \ln(c)=\beta _{0}+\beta _{1}t+\beta _{2}ln(Q)+\beta _{3}sin(2\pi t)+\beta _{4}cos(2\pi t)+\varepsilon }$ (1)

где — концентрация нитрата, , . , , и — подобранные коэффициенты, — время, — средний суточный расход воды, — неожиданная изменчивость из других источников. ^[8] Эта калибровочная кривая генерируется каждый день и сравнивается с кривой за предыдущий день. Проблема, обнаруженная при этом, заключается в том, что сброс меняется изо дня в день. Это изменение сброса может увеличить концентрацию в один день, а на следующий день может произойти ее уменьшение. Это может затруднить наблюдение за тенденциями в концентрациях. ^[8] ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle \beta _{0}}$ ${\displaystyle \beta _{1}}$ ${\displaystyle \beta _{2}}$ ${\displaystyle \beta _{3}}$ ${\displaystyle \beta _{4}}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle \varepsilon }$

Тенденции

Практика землепользования в бассейне реки Миссисипи значительно снизила количество доступного азота в почве. ^[9] Этот азот обычно находится в форме нитрата. ^[9] Нитрат просачивается через почву и попадает в грунтовые воды через сельскохозяйственные приемы, такие как дренаж плитки , которые в конечном итоге попадают в поверхностные воды. ^[10] Концентрация нитрата может быть опасной после определенного уровня. Вода в реке Де-Мойн близка к максимально допустимому уровню концентрации нитрата для питьевой воды, и Агентство по охране окружающей среды объявило большую часть рыбы в реке небезопасной для употребления в пищу. ^[9]

Оценки концентрации нитратов проводились с 1980 по 2010 год на участке реки Миссисипи выше канала оттока реки Олд, который также известен как структура контроля реки Олд . Его цель — перекачивать воду из реки Миссисипи в бассейн Атчафалайя, чтобы не допустить изменения русла реки Миссисипи. Это исследование показывает, что с 1980 по 2010 год концентрация нитратов оставалась постоянной; однако с 2000 по 2010 год наблюдалось увеличение концентрации на 12%. Источники этого азота неизвестны, и причины, по которым нитраты увеличиваются в некоторых районах бассейна реки Миссисипи, а в других уменьшаются, до сих пор остаются загадкой. ^[11] Однако концентрации нитратов были выше в осенние и зимние месяцы, в отличие от весенних и летних месяцев. Эта общая тенденция к увеличению заставляет ученых полагать, что мертвая зона в Мексиканском заливе в устье реки Миссисипи увеличивается. ^[8]

Дренаж с полей привел к выщелачиванию нитратов в грунтовые воды, что отрицательно повлияло на некоторые источники питьевой воды в бассейне реки Миссисипи. ^[9] В поверхностных водах высокие уровни нитратов привели к случаям эвтрофикации, что привело к значительному снижению уровня растворенного кислорода в затронутых водоемах, включая прибрежные воды Мексиканского залива. ^[9] Кроме того, измененные соотношения нитратов и силикатов привели к тому, что прибрежные морские экосистемы перешли от системы, основанной на диатомовых водорослях, к менее продуктивной системе. ^[12]

Ремедиация

Возможный способ снижения концентрации нитрата — восстановление ландшафтов. Буферы из травы и промежуточных культур, а также лесные буферы успешно предотвращают накопление избыточного нитрата. Любое увеличение растительности приводит к снижению концентрации нитрата из-за его поглощения растениями. Водно -болотные угодья являются естественным барьером для этого, но они быстро разрушаются. Лучший способ предотвратить появление мертвой зоны — это восстановить и восстановить водно-болотные угодья у побережья Луизианы. ^[13] Для того чтобы удалить по крайней мере 40% концентрации нитрата, необходимо восстановить 22 000 квадратных километров водно-болотных угодий. Это оказывается сложным, поскольку для этого потребуется в 65 раз больше восстановления водно-болотных угодий, чем было сделано за последние 10 лет. ^[14]

Изменение методов ведения сельского хозяйства также может помочь решить проблему нитратов. Полосное земледелие и использование зимних покровных культур минимизируют выщелачивание нитратов. ^[15]

Ссылки

1. "Факты о реке Миссисипи - Национальная река и зона отдыха Миссисипи (Служба национальных парков США)". www.nps.gov . Получено 8 октября 2016 г.
2. Ибаньес, Хорхе Г.; Эрнандес-Эспарса, Маргарита; Дориа-Серрано, Кармен; Фрегосо-Инфанте, Артуро; Сингх, Моно Мохан (2007). Основы химии окружающей среды . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer Science+Business Media, LLC. стр. 152–154. ISBN 978-0-387-26061-7.
3. PG, г-н Брайан Орам. «Нитратный азот нитрита в поверхностных водах и питьевой воде». www.water-research.net . Получено 9 октября 2016 г.
4. "Что такое мертвая зона?". Национальное управление океанических и атмосферных исследований NOAA . Национальная океаническая служба Министерства торговли. 3 сентября 2014 г. Получено 20 ноября 2016 г.
5. "Прогноз средней "мертвой зоны" для Мексиканского залива | Национальное управление океанических и атмосферных исследований". www.noaa.gov . Получено 8 октября 2016 г.
6. Goolsby, Donald A.; Battaglin, William A; Aulenbach, Brent T.; Hooper, Richard P. (2000). «Поток азота и его источники в бассейне реки Миссисипи». Наука об окружающей среде в целом . 248 (2–3): 75–86. Bibcode : 2000ScTEn.248...75G. CiteSeerX 10.1.1.531.6264 . doi : 10.1016/s0048-9697(99)00532-x. PMID  10805229. 
7. Александр, Ричард Б.; Смит, Ричард А.; Шварц, Грегори Э.; Бойер, Элизабет В.; Нолан, Жаклин В.; Брейкбилл, Джон В. (2008). «Различия в доставке фосфора и азота в Мексиканский залив из бассейна реки Миссисипи». Environmental Science & Technology . 42 (3): 822–830. Bibcode : 2008EnST...42..822A. doi : 10.1021/es0716103 . PMID  18323108.
8. Murphy, JC; Hirsch, RM; Sprague, LA (2013). «Нитрат в реке Миссисипи и ее притоках, 1980-2010: обновление». Отчет Геологической службы США о научных исследованиях 2013-5169 .
9. Тернер, Р. Юджин; Рабалес, Нэнси Н. (2003). «Связь ландшафта и качества воды в бассейне реки Миссисипи на протяжении 200 лет». BioScience . 53 (6): 563. doi : 10.1641/0006-3568(2003)053[0563:llawqi]2.0.co;2 .
10. Halberg, GR (1989). "Нитрат в грунтовых водах в Соединенных Штатах". Управление азотом и защита грунтовых вод . Разработки в области сельскохозяйственной и управляемой лесной экологии. Том 21. С. 35–74. doi :10.1016/B978-0-444-87393-4.50009-5. ISBN 9780444873934. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
11. Спраг, Дженнифер К. Мерфи, Роберт М. Хирш и Лори А. «Нитраты в реке Миссисипи и ее притоках, 1980–2010: обновление». pubs.usgs.gov . Получено 6 мая 2017 г. .{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
12. Тернер, Р. Э. (1 августа 2002 г.). «Соотношения элементов и водные пищевые сети». Эстуарии . 25 (4): 694–703. doi :10.1007/BF02804900. ISSN  0160-8347. S2CID  54936605.
13. Хорнбек, Дж. Хоуп (1999). «Биологическая очистка от загрязнения нитратами на границе раздела земля/вода». Студенческий онлайн-журнал . 5 .
14. Митч, Уильям Дж.; Дэй, Джон В.; Чжан, Ли; Лейн, Роберт Р. (2005). «Удержание нитратного азота в водно-болотных угодьях бассейна реки Миссисипи». Экологическая инженерия . 24 (4): 267–278. doi :10.1016/j.ecoleng.2005.02.005.
15. Кладивко, Э. Дж.; Каспар, ТК; Джейнс, ДБ; Мэлоун, РВ; Сингер, Дж.; Морин, ХК; Серчингер, Т. (1 июля 2014 г.). «Покровные культуры в верхнем Среднем Западе США: потенциальное внедрение и сокращение выщелачивания нитратов в бассейне реки Миссисипи» (PDF) . Журнал охраны почв и водных ресурсов . 69 (4): 279–291. doi : 10.2489/jswc.69.4.279 . ISSN  0022-4561.