Agricultural contaminants in Quaternary aquitards: A review of occurrence and fate in North America

Abstract.

The intensity of agriculture has increased significantly during the past 30 years, resulting in increased detection of agricultural contaminants (nutrients, pesticides, salts, trace elements, and pathogens) in groundwater. Till, glaciolacustrine, and loess deposits of Quaternary age compose the most common surficial deposits underlying agricultural areas in North America. Quaternary aquitards generally contain higher concentrations of solid organic carbon (SOC, as much as 1.4%), dissolved organic carbon (DOC, as much as 205 mg/L), and reduced sulfur (as much as 0.9%) than do aquifers. Their potential to sorb pesticides increases with the percent of older SOC, because diagenesis increases K_oc. Denitrification consistently reduces nitrate to non-detectable levels in unweathered Quaternary aquitards. Organic carbon of Quaternary age is a more labile electron donor than carbon from shale clasts. Pyrite is a more labile electron donor than carbon in many instances. Unweathered Quaternary aquitards provide a high degree of protection for underlying aquifers, due to their large reserves of SOC and reduced sulfur for sorption and denitrification, combined with their typically low hydraulic conductivity. In contrast, agricultural contaminants are common in weathered Quaternary aquitards. Lower reserves of reduced sulfur and sorptive/labile organic carbon, and a higher bulk K due to fractures, limit their ability to attenuate nitrate and pesticides. Subsurface drainage, which is common in Quaternary aquitards because of high water tables, bypasses the attenuation capacity of Quaternary aquitards and facilitates the transport of agricultural contaminants to surface water.

Résumé.

L'agriculture s'est significativement accrue au cours des dernières 30 années, provoquant une détection plus fréquente dans les eaux souterraines de contaminants agricoles (engrais, pesticides, sels, éléments en traces et germes pathogènes). Les moraines, les formations glacio-lacustres et les lœss d'âge quaternaire sont les dépôts superficiels les plus courants sur lesquels sont implantées les régions agricoles d'Amérique du Nord. Les imperméables quaternaires contiennent généralement des concentrations en carbone organique particulaire (COP), jusqu'à 1,4%, en carbone organique dissous, jusqu'à 205 mg/L et en soufre réduit, jusqu'à 0,9%, plus élevées que dans les aquifères. Leur potentiel à adsorber les pesticides augmente en même temps que le pourcentage en COP plus ancien, parce que la diagenèse fait croître K_OC. La dénitrification réduit logiquement les nitrates à des niveaux non détectables dans les imperméables quaternaires non altérés. Le carbone organique d'âge quaternaire est un donneur d'électrons plus labile que le carbone des débris schisteux. La pyrite est un donneur d'électrons plus labile que le carbone dans de nombreux cas. Les imperméables quaternaires non altérés constituent une protection très efficace pour les aquifères sous-jacents, du fait de leur importante réserve en COP et en soufre réduit, qui interviennent dans la sorption et la dénitrification, et du fait de leur conductivité hydraulique typiquement faible. Au contraire, les contaminants agricoles sont communs dans les imperméables quaternaires altérés. Leur plus faible réserve en soufre réduit et en carbone organique labile impliqué dans la sorption, ainsi qu'une conductivité globale plus forte due aux fractures, limite leur aptitude à atténuer les nitrates et les pesticides. Le drainage souterrain, qui est courant dans les imperméables quaternaires à cause des niveaux élevés des nappes, court-circuite la capacité d'atténuation des imperméables quaternaires et facilite le transport des contaminants agricoles vers les eaux de surface.

Resúmen.

La intensidad de la agricultura ha aumentado de forma significativa durante los últimos 30 años, provocando una afección creciente de contaminantes de origen agrícola (tales como nutrientes, pesticidas, sales, elementos traza y patógenos) en las aguas subterráneas. Los depósitos cuaternarios de till, de origen glaciolacustre y de loess constituyen la mayor parte de los terrenos aprovechados desde el punto de vista agrícola en Norteamérica. Los acuitardos cuaternarios contienen normalmente concentraciones más elevadas que los acuíferos en carbono orgánico sólido (COS, con hasta un 1,4%), carbono orgánico disuelto (COD, hasta 205 mg/L) y sulfuro reducido (hasta un 0,9%). Su potencial para absorber pesticidas aumenta con el porcentaje de COS más antiguo, ya que la diagénesis incrementa el coeficiente de partición, K_oc. El nitrato se reduce por denitrificación hasta alcanzar valores no detectables en acuitardos cuanternarios no meteorizados. El carbono orgánico de la Edad Cuaternaria es un dador de electrones más lábil que el carbono presente en los clastos de esquisto. La pirita es un dador de electrones más lábil que el carbono en muchas circunstancias. Los acuitardos no meteorizados del Cuaternario proporcionan un alto grado de protección para los acuíferos subyacentes, puesto que tienen grandes reservas de COS y sulfuro reducido para sorción y denitrificación, además de conductividades hidráulicas normalmente bajas. Por el contrario, los contaminantes agrícolas son más habituales en acuitardos meteorizados del Cuaternario, donde la capacidad para atenuar nitratos y pesticidas se ve limitada por unas reservas menores de sulfuro reducido y de carbono orgánico sorbible/lábil, así como por la elevada conductividad hidráulica promedio debido a las fracturas. El drenaje subsuperficial, que es común en los acuitardos cuaternarios que tienen niveles freáticos altos, evita la capacidad de atenuación propia de dichos acuitardos y facilita el transporte de los contaminantes de origen agrícola hacia las aguas superficiales.