Nitrate mass balance in agricultural areas of intensive fertilizer application: the North Maresme aquifer system case study (Spain)

Abstract

Nitrate pollution is a worldwide problem in groundwater, as it may limit water supply and increase health risk when high concentrations are present. The North Maresme coastal alluvial groundwater-dependent agrosystem, one of the most heavily nitrate polluted aquifers in Spain, is located 70 km northeast from Barcelona. Field monitoring campaigns performed in this aquifer yielded nitrate concentrations up to ten times the permitted limit for drinking water suggested by the World Health Organization (50 mg/l), with a maximum concentration of 567 mg/l and a mean of 137.5 mg/l. Nitrate contamination was quantified by means of a mass balance, taking into account the main hydrogeological and anthropogenic processes that control the behavior of this ion in the aquifer, such as recharge, groundwater extraction, irrigation and fertilizer application to crops. Nitrate balance is an integrative approach for assessing nitrate loading based on linking different sources of nitrates to a groundwater balance. This methodology considers nitrate as a conservative ion because the geological-geochemical medium behaves under oxidant conditions. Results show that the studied aquifer system receives, yields and retains approximately 935, 844 and 91 tons of NO3- / year, respectively. This methodology can be applied to other nitrate-contaminated aquifers with similar conditions to improve management of fertilizers practices in areas of intensive agriculture.

La contaminación por nitratos en agua subterránea es un problema mundial, porque limita el abastecimiento del recurso e incrementa el riesgo a la salud humana cuando se presentan altas concentraciones disueltas. El sistema agrohidrológico activo del aluvial costero del Maresme Norte, uno de los acuíferos más severamente impactados por nitratos en España, se localiza a 70 km al noreste de Barcelona. Campañas de monitoreo han permitido establecer que este acuífero presenta concentraciones del ión nitrato hasta 10 veces superiores al límite máximo permisible sugerido por la Organización Mundial de la Salud (50 mg/l), con una concentración máxima de 567 mg/l y una concentración media del orden 137.5 mg/l. La contaminación de nitratos se cuantificó por medio de un balance de masas, considerando los procesos primarios hidrogeológicos y antropogénicos que controlan el comportamiento de este ión en el acuífero, tales como la recarga, extracción del agua subterránea, irrigación e incorporación de fertilizantes agroquímicos a cultivos. El balance de nitratos representa un enfoque integrador de estudio donde se han vinculado las diferentes fuentes de este compuesto a un balance subterráneo. La metodología desarrollada considera al nitrato como un ión conservativo, porque las condiciones geológicas e hidrogeológicas del acuífero son oxidantes. Los resultados muestran que el acuífero estudiado recibe, cede y retiene aproximadamente 935, 844 y 91 t de NO3 -/año, respectivamente. Esta metodología puede ser aplicada a otros acuíferos semejantes contaminados por nitratos, como una herramienta útil para optimizar las prácticas de gestión y aplicación de fertilizantes agroquímicos en áreas de intensa actividad agrícola.