Watershed buffering of anthropogenic phosphorus pressure: landscape and legacy

Phosphorus (P) is a non-renewable resource that is an essential element for agricultural crop production. However, when excess P enters fresh and coastal water systems, it can result in undesirable impacts such as the excessive growth of algae species and oxygen depletion. Millions of tonnes of P are applied to agricultural lands every year in the form of phosphate fertilizer to increase yields. While some of this P is taken up by crops, much is left on the land, and this P has a tendency to stay in the soil, which results in a build-up of P in agricultural landscapes that can last years or even centuries. This build-up of historic P inputs, also known as "legacy P", represents a threat to surrounding water bodies because erosion and runoff processes can transport P-enriched soils to water systems.The processes that transport P from upland soils to water bodies are varied depending on the biological and biophysical features of the landscape as well as the human management features of the landscape. Together, these features mediate the residence time of P in the soils and landscape. The ability of a watershed to retain historic P inputs is its "buffering capacity", its ability to buffer the water quality from the impact of current and historic P inputs to the watershed. In this thesis, I ask, "how does buffering capacity vary among watersheds in southern Quebec over a thirty-year period of intensive farming?" and "which watershed characteristics impact watersheds' buffering capacity and the transport of legacy P from land to water systems?"I used two different methods to determine the buffering capacity of watersheds. One method compares the long-term P accumulation of a watershed to current day riverine P flux values. I call this the Buffering Index (BI). The other method, known as Extended End-Member Mixing Analysis (E-EMMA) uses hydrological modeling to estimate the degree to which P is retained and released by watershed ecosystems as water moves through the landscape. These two values were calculated for sixteen different watersheds in the Saint Lawrence Basin, in Quebec, Canada, spanning a thirty-year period (1981-2011). I then compared these values to geochemical, hydrological, landscape, and socio-ecological factors to determine which factors are important in predicting buffering capacity. All of the study watersheds have been accumulating P in their soils throughout the study period. My comparison of average riverine P flux values with average NAPI values showed that the study watersheds retained, on average, between 58% and 97% of net imported P in a given year. In general, watersheds with more P accumulation have higher riverine P flux; however, in many watersheds, riverine P flux has decreased over the study period, despite the fact that the amount of P accumulation in the watersheds has continued to mount over this time. I found a range of BI and E-EMMA values among the watersheds, along with a range of geochemical, hydrological, landscape, and socio-ecological characteristics. There was no correlation between the two buffering metrics calculated for the watersheds suggesting that these two metrics measure different buffering phenomena. However, each of the buffering indicators correlate with various watershed characteristics. This suggests that geochemistry, hydrology, and landscape features may, indeed, play a role in determining various aspects of the overall buffering capacity of watersheds. Determining which landscape features impact agricultural landscape buffering capacity can help us to understand how landscapes can be managed to increase their resilience to external pressure and identify leverage points for more holistic land management. A greater understanding of how buffering capacity is conferred on a watershed can also help identify which watersheds are particularly vulnerable to P pressure that could arise from changes in land use, including agricultural intensification and urbanization.Le phosphore (P) est une ressource non-renouvelable qui est essentiel pour la production agricole. Par contre, quand un surplus de P entre dans les systèmes d'eau douce et côtière il peut entrainer des effets indésirables tel une croissance accrue d'algues et une diminution d'oxygène. Des milliers de tonnes de P sont appliqués sur des terres agricoles à chaque année sous format de fertilisant de phosphate. Malgré le fait qu'une portion de ce P est absorbé par les produits agricoles une grande portion de résidus reste dans le sol et tend à s'accumuler pendant plusieurs années. Cette accumulation de P historique, aussi connu sous le nom de « P d'héritage » peut menacer les cours d'eau environnantes dû à l'érosion et le ruissèlement de sol enrichi par le P. Les processus qui transportent le P des bassins versants vers les cours d'eau varient selon les conditions biologiques et biophysique du paysage ainsi que des tactiques de gestion du territoire. Ensembles, ces conditions affectent le temps de résidence du P dans le sol et les paysages. La capacité d'un bassin versant de retenir le P historique se nomme la « capacité tampon ». Dans cette thèse, je demande « comment est-ce que la capacité tampon change des les bassins versant avec le temps ? » et « quels caractéristiques de bassins versant influencent leur capacité tampon et le transport de P historique du sol vers les cours d'eau ? »J'utilise deux méthodes différentes afin de détermine la capacité tampon des bassins versants. Une de ces méthodes compare l'accumulation de P à long-terme dans un bassin versant à la quantité moderne de P en fluctuation d'une rivière. Je nomme ceci L'index Tampon, ou IT. L'autre méthode, connu sous le nom de « Extended End-Member Mixing Analysis (E-EMMA) » Ces utilise la modélisation hydrologique pour estimé le degré de P retenue et relâché par un bassin versant lorsque l'eau se déplace à travers un paysage. Ces deux valeurs ont été calculés sur une période de trente ans (1981-2011) dans 16 différents sous-bassins versant du grand bassin du Fleuve Saint Laurent, au Québec, Canada. J'ai ensuite comparé ces valeurs à des composantes géochimiques, hydrologiques, de composition du paysage et socio-écologiques afin de déterminer lesquels de ces facteurs sont d'importants prédicteurs de la capacité tampon. J'ai trouvé une gamme de valeurs de IT et E-EMMA dans les bassins versant évalués, ainsi qu'une gamme de caractéristiques géochimiques, hydrologiques, du paysage et socio-écologiques. Il n'avait aucune corrélation entre les deux mesures de capacité tampon, ce qui suggère que ces deux indicateurs mesurent des phénomènes de tamponnage différents. Ceci étant dit, chacun des indicateurs de tamponnage sont corrélés avec divers caractéristiques de bassins versant. Ceci suggère que les caractéristiques géochimiques, hydrologiques et du paysage jouent effectivement un rôle au sein de la capacité tampon d'un bassin versant. Déterminer quels facteurs influencent la capacité tampon de paysages agricoles peut nous aider à mieux comprendre comment les paysages peuvent être gérer pour augmenter leur résilience aux pressions externes. Une meilleure compréhension de comment la capacité tampon d'un bassin versant se forme peut aussi nous aider à identifier quels bassins sont particulièrement vulnérables au P et aux changements de P qui peuvent être causés par l'intensification agricole et l'urbanisation