Exploring the acid neutralizing effect in rainwater collected at a tropical urban area: Central Valley, Costa Rica

Abstract

We report on the chemical and the carbon isotopic composition of dissolved inorganic carbon (DIC) of rainwater collected between May and October 2020 in the Central Valley, Costa Rica. Precipitation samples were collected daily (N = 55) and analyzed for major ions, DIC, and δ13CDIC. Significant correlation (p < 0.05) between main acidic (SO42- and NO3- ) and major alkaline (Ca2+ and NH4+) species confirmed a very effective acid neutralization effect in rainwater (average pH: 5.90 ± 0.74). Significant temporal variations (p < 0.05) of δ13CDIC indicated the contribution of carbonate salts in rainwater from May to October but also CO2 dissolution at the beginning of the wet season (May), probably due to increased CO2 emissions from soil degassing. Temporal changes of Ca2+ neutralization factors followed the observed changes in δ13CDIC, which confirmed the high buffer capacity of precipitation in our study. HYSPLIT analysis also revealed long-range contributions of pedogenetic carbonates (e. g., Saharan dust) responsible for the acid neutralization capacity of rainwater (e.g., from July to September). Principal component analysis showed that four main factors explain 65% of the variance are: i) acid neutralization processes (Ca2+ neutralization factor), ii) marine salts (Cl- , Na+), iii) fossil fuels (SO42- , NO3- ), and iv) agriculture/fertilizers (NO3- , NH4+, K+). Our study demonstrated that a combined approach of chemical, isotope, and statistical analysis techniques can help unravel the mechanism of acid neutralization of rainwater in tropical urban areas. This information has strong implications for future studies related with the impact of acid deposition on ecosystem functioning, water quality, and infrastructure degradation.

Informamos sobre la composición química y isotópica de carbono del carbono inorgánico disuelto (DIC) del agua de lluvia recolectada entre mayo y octubre de 2020 en el Valle Central, Costa Rica. Se recogieron muestras de precipitación diariamente (N = 55) y se analizaron en busca de iones principales, DIC y δ13CDIC. La correlación significativa (p < 0,05) entre las principales especies ácidas (SO42- y NO3- ) y alcalinas (Ca2+ y NH4+) confirmó un efecto de neutralización ácida muy eficaz en el agua de lluvia (pH promedio: 5,90 ± 0,74). Variaciones temporales significativas (p < 0,05) de δ13CDIC indicaron la contribución de las sales de carbonato en el agua de lluvia de mayo a octubre, pero también la disolución de CO2 al comienzo de la estación húmeda (mayo), probablemente debido al aumento de las emisiones de CO2 por la desgasificación del suelo. Los cambios temporales de los factores de neutralización de Ca2+ siguieron a los cambios observados en δ13CDIC, lo que confirmó la alta capacidad amortiguadora de la precipitación en nuestro estudio. El análisis HYSPLIT también reveló contribuciones a largo plazo de carbonatos pedogenéticos (por ejemplo, polvo del Sahara) responsables de la capacidad de neutralización ácida del agua de lluvia (por ejemplo, de julio a septiembre). El análisis de componentes principales mostró que cuatro factores principales explican el 65% de la varianza son: i) procesos de neutralización de ácidos (factor de neutralización Ca2+), ii) sales marinas (Cl-, Na+), iii) combustibles fósiles (SO42-, NO3-), y iv) agricultura/fertilizantes (NO3-, NH4+, K+). Nuestro estudio demostró que un enfoque combinado de técnicas de análisis químico, isotópico y estadístico puede ayudar a desentrañar el mecanismo de neutralización ácida del agua de lluvia en áreas urbanas tropicales. Esta información tiene fuertes implicaciones para futuros estudios relacionados con el impacto de la deposición ácida en el funcionamiento de los ecosistemas, la calidad del agua y la degradación de la infraestructura.