Nitrate stable isotopes: tools for determining nitrate sources among different land uses in the Mississippi River Basin

Cecily C.Y Chang, Carol Kendall, Steven R. Silva, William A. Battaglin, and Donald H. Campbell

Abstract: A study was conducted to determine whether NO₃^– stable isotopes (d¹⁵N and d¹⁸O), at natural abundance levels, could discriminate among NO₃^– sources from sites with different land uses at the basin scale. Water samples were collected from 24 sites in the Mississippi River Basin from five land-use categories: (1) large river basins (>34 590 km²) draining multiple land uses and smaller basins in which the predominant land use was (2) urban, (3) undeveloped, (4) crops, or (5) crops and livestock. Our data suggest that riverine nitrates from different land uses have overlapping but moderately distinct isotopic signatures. d¹⁸O data were critical in showing abrupt changes in NO₃^– source with discharge. The isotopic values of large rivers resembled crop sites, sites with livestock tended to have d¹⁵N values characteristic of manure, and urban sites tended to have high d¹⁸O values characteristic of atmospheric nitrate.

Résumé : Notre étude a cherché à déterminer si les isotopes stables de NO₃^– (d¹⁵N et d¹⁸O), aux niveaux naturels d'abondance, permettent de distinguer les sources de NO₃^– provenant d'utilisations différentes des terres à l'échelle du bassin hydrographique. Des échantillons d'eau ont été prélevés à 24 sites du bassin hydrographique du Mississipi dans cinq catégories d'utilisation des terres: (1) de grands bassins hydrographiques de rivières (>34 590 km²) drainant des terres à utilisations multiples, ainsi que des bassins plus petits dans lesquels les terres étaient surtout (2) urbanisées, (3) non développées, (4) agricoles ou (5) agricoles et pâturables. Nos données laissent croire que les nitrates des rivières provenant de terres à usages différents possèdent des signatures modérément distinctes, bien qu'il y ait des chevauchements. Les données de d¹⁸O sont importantes pour indiquer les changements brusques de sources de NO₃^– dans le débit. Les valeurs isotopiques des grandes rivières ressemblent à celles des régions agricoles; les sites où il y a élevage ont des valeurs de d¹⁵N caractéristiques du fumier; les sites urbains ont de fortes valeurs de d¹⁸O caractéristiques des nitrates atmosphériques.

[Traduit par la Rédaction]