Solutions to Nitrogen Pollution: 
Solving the Cranberry Puzzle 
April 14, 2015
Rachel W. Jakuba, Buzzards Bay Coalition
Chris Neill, Marine Biological Laboratory
Carolyn DeMoranville, UMass Cranberry Station
Kirby Gilmore, Gilmore Cranberry Company
Logistics and Details
• Agenda
• Evaluation – please fill out and return.
• Upcoming workshops
– May 27 – Solutions to Nitrogen Pollution: The 
Wareham Case Study.
– June 11 – Water Words that Work. 
• www.savebuzzardsbay.org/DecisionMakers
Outline
• Rachel – Background & study methodology
• Chris – Study results
• Carolyn – Other research & next steps
• Kirby – Perspective from a grower
What is Nitrogen Pollution?
• Nitrogen is a naturally occurring element
• Nitrogen is a key component of cellular 
building blocks
• Nitrogen usually controls how much algae 
grow in coastal waters 
• Too much nitrogen is damaging to coastal 
ecosystems
What is Nitrogen Pollution?
Examples of Nitrogen Pollution
Rusty Tide in the Wareham River 
(Tempest Knob boat ramp, 2012)
Examples of Nitrogen Pollution
Nitrogen pollution management
• Many coastal waters around Buzzards Bay are 
listed as impaired for N on 303(d) ‘Dirty 
Waters’ list
• MA is required to developed TMDLs for these 
waters that include plans for reducing N
• Massachusetts Estuaries Project develops a 
target N threshold that a specific estuary can 
handle and sources of N to that estuary
• Local Management is critical
Wareham Nitrogen Consensus
• Collaboration of Wareham thought 
leaders who all believed they had a 
direct interest in seeing N pollution 
reduced and Wareham coastal water 
quality restored
• Series of nine facilitated meetings 
focusing on two N pollution sources:  
wastewater and cranberry agriculture
• Group collaboratively developed an 
Action Plan 
• One action was to launch a scientific 
study to better determine N loadings 
from different types of cranberry bogs
Agriculture as a nitrogen source
• Agriculture can be a significant contributor to 
N in coastal waters in SE MA, though 
wastewater is typically the largest source of N
• Cranberry is the dominant form of agriculture 
in the Buzzards Bay watershed
• While a low relative rate of fertilizer compared 
with other crops they are closely connected to 
waterways 
Agriculture as a nitrogen source
Distribution of N sources
• In some SE MA subwatersheds cranberry 
agriculture can be a significant contributor of N 
to coastal waters
Agawam River subwatershed Wankinko River subwatershed
Data from Massachusetts Estuaries Project (Howes et al. 2013)
Understanding the effect of bogs
• Limited quantitative
information – only two       
scientific studies in SE MA      
on N loss from bogs 
• Values from the two                                       studies 
range by over 3‐fold for N loading
• Uncertainty in loading models can lead to unfulfilled 
or unexpected outcomes from actions taken
• Biggest concern is movement of N in surface water
• Extent of groundwater pathway is unknown
Reducing Uncertainty
• Partnership between Coalition, 
UMass Cranberry Station, 
MBL, Town of Carver, Cape 
Cod Cranberry Growers’ 
Association
• Study 2 common bog 
configurations for 2 flood 
seasons (two harvests, two 
winter floods)
• Funded by DEP and BBNEP
Long Tail Pathway
Closed Loop
Basic study design
• Measure N & P in water before 
and after it is on the bog
• Groundwater up and down 
gradient
• Surface water in and out
• Measure surface water levels 
to estimate flow
• Combine N & P concentration 
data with water flow estimates 
to calculate mass of N & P 
leaving the bogs
Example site
Chris Neill ‐ Results
Groundwater Nitrogen
Closed Loop Long Tail
Groundwater Phosphorus
Closed Loop Long Tail
Surface Water ‐ Harvest Nitrogen
Closed Loop Long Tail
Surface Water ‐ Harvest 
Phosphorus
Closed Loop Long Tail
Surface Water – non‐flood 
Nitrogen
Closed Loop Long Tail
Surface Water – non‐flood 
Phosphorus
Closed Loop Long Tail
Flux during floods
Comparison to Previous Study
Nitrogen fluxes to the Wareham River Estuary
Fluxes in perspective
Assumptions:
Watershed fluxes: DeMoranville & Howes 17% from bogs
This study 19‐22% from bogs
• Annual fluxes in current study are in the 
same proportion to harvest floods as in 
DeMoranville & Howes
• Same proportion of flow‐through and 
more modern bogs as in MEP
• Same attenuation (8‐17%) in streams 
and rivers
• Concentrations and forms of nitrogen and phosphorus in 
input and output water were variable and made it hard to 
define an "average" bog
• Phosphorus concentrations tended to be highest in 
outflowing water during harvest floods
• Net nutrient fluxes based on estimates of water flow and 
measured input and output concentrations were in the 
range measured by other studies and provide confidence 
that we correctly estimated the range of potential fluxes
• Scaling fluxes from cranberry bogs to the whole watershed 
leads to conclusions similar to those reached in the MEP
• Future work should better quantify water fluxes and 
increase sampling frequency to better capture changes to 
concentrations during periods of high water movement. 
Conclusions
Other Research and Next Steps
Carolyn DeMoranville
UMass Cranberry Station
UMass Cranberry Station
• Casey Kennedy, USDA ARS
– Continuous monitoring approach
– Multiple sites
– P and N
• Coalition / MBL / Cranberry Station group
– Lessons from Kennedy outcomes
– Continuous approach to floods and storm events
UMass Cranberry Station
Research Projects
UMass Cranberry Station
Casey Kennedy – Several ongoing studies
Continuous Monitoring
UMass Cranberry Station
Continuous Monitoring
UMass Cranberry Station
Measurement of Volumetric Flow
Kennedy studies – P in floods
• Winter flood is 4x lower in P compared to 
harvest
• Newly renovated bogs export less P in floods
• TDP – mainly from soil pore water
• TPP – ditch sediment mobilization
UMass Cranberry Station
Kennedy studies – P in floods
Renovated beds export 
less P in harvest flood
TDP peaks: 0‐5 cm below bed surface; ~25 cm below bed surface
TPP peak: level of ditch sediments
Not all of the flood water is equal!!
Same site as previous slide. 
Water numbers are N in kg/ha in harvest flood only.
Blue items below are unknowns.
N comes into a bog in fertilizer, rain, surface water and groundwater discharge.
N leaves in the berries, surface discharge, and groundwater recharge.  
N is stored in the soil and plants.
UMass Cranberry Station
Kennedy studies – N in floods
TN rise associated with drainage reaching 50 cm below the surface – combination
of pore water and ditch sediments
Ditch water
Flood release water
Water level 50 cm
below surface
UMass Cranberry Station
“Wisconsin Style” Bog – yearly study
TD3TD4
TD2 TD1
FLUME
‐Cranberry Bed
‐Drainage
Ditch
‐Sampling site
‐Discharge
Flume
‐Input Flume
‐Flow Direc on
of ditch
‐Drainage le
UMass Cranberry Station
Hydrologic Inputs
1.48
4.10
6.50
1.17
irrigation
precip
flood input
Input from adjacent
bed
UMass Cranberry Station
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
Feet(normalizedto5acrebed)
Surface Water Discharge: Storms Vs. Harvest Flood
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
cubicfeetpersecond
August Storm Event ‐ Flow
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
cubicfeetpersecond
2013 Harvest Flood Discharge
0
5
10
15
20
25
30
35
TDN
NH4
NO3+NO2
DON
Net Export (kg)
0.454
0.433
-0.065
0.086
0
20
40
60
80
100
TDN
NH4
NO3+NO2
DON
Net Export (kg)
2.93
0.02 
0.16 
2.75
August storm
Harvest
UMass Cranberry Station
Net Export of Storms and Flood
2.414
2.932
TDN (kg)
Total
Storms
Harvest
Flood
0.985
2.750
DON (kg)
Total
Storms
Harvest
Flood
UMass Cranberry Station
The future
• Partner group
– Will continue study of sites, funding
from the EPA via Coastal Zone
Management
– Methods modified to more continuous
approach: lessons from other projects
– Focus on floods AND big rain events
– Develop better numbers for the Mass
Estuaries model based on bog
configurations
UMass Cranberry Station
The future
• Kennedy
– Annual nutrient budgets – but…..
– Models
• Hydrogeology
• Placement in
landscape
UMass Cranberry Station
The future
• Cranberry Station
In addition to
research:
– Use research to
formulate
extension
recommendations
– Example: Focus on
critical portions of
events
Kirby Gilmore, Cranberry 
Grower
Questions & Discussion

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