Patterns of canopy interception and throughfall along a topographic sequence for black spruce dominated forest ecosystems in northwestern Ontario

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Abstract:

A 3-year (1993–1995) study was conducted to describe both the spatial (within- and between-site) and temporal (monthly) patterns associated with canopy interception, throughfall, and net forest water along a black spruce (Picea mariana (Mill.) BSP) topo-sequence situated in northwestern Ontario. This site array included (1) an upland, well-drained, mineral soil site; (2) a poorly drained, midslope, wet mineral site; and (3) a treed wetland on organic (peat) soil. Bulk precipitation (BP) and throughfall (TF) were collected, on an event basis (63 events, over 4800 samples analyzed), using standard collecting devices and analyzed for total Kjeldahl nitrogen (TKN), ammonium (NH4+), nitrate (NO3), total phosphorus (TP), potassium (K), calcium (Ca), and magnesium (Mg). Comparison of BP and TF data suggested that an enrichment of K (190%), Mg (115%), and Ca (70%) occurred during canopy interactions. On the other hand, inorganic nitrogen (NH4+: –73%; NO3: –47%), and to a lesser extent TP (–35%), rates declined. TKN, however, remained the same, suggesting that inorganic N reductions were offset by organic N inputs. Downward shifts in pH were also detected for TF (4.45–4.48), as compared with the pH of BP (4.52–4.80). Although all study sites received similar rainfall amounts, the more productive sites (i.e., carrying greater foliar mass, higher leaf area index) had lower TF volumes (i.e., higher interception rates) but higher macronutrient returns to the forest floor. This increase in macronutrient deposition was directly related to substantial increases in nutrient concentrations, which, in turn, suggested a greater degree of canopy interaction and (or) leaching on these sites. Throughfall pH, however, was not significantly different across the three study sites. With respect to temporal patterns, the major cations (K+, Ca2+, Mg2+) demonstrated an increasing trend in concentration levels in TF as the season progressed to a maximum in October. TKN and TP concentrations, on the other hand, maintained relatively stable levels throughout the summer, peaking in September, but dropping substantially in October as metabolic processes slowed and the supply of these nutrients to the foliage was reduced. Even with the increase in base cation concentration, throughfall pH shifted downward to 4.3 or below by late fall.

Une étude d'une durée de 3 ans (1993–1995) a été réalisée dans le but de décrire les variations spatiales (dans et entre les sites) et temporelles (mensuelles) associées aux pertes d'interception par le couvert, à la précipitation sous couvert et à la quantité nette d'eau en forêt le long d'une topo-séquence dans une forêt d'épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP) située dans le Nord-Ouest de l'Ontario. Cet ensemble de stations comprenait : (1) une station sèche, bien drainée, sur un sol minéral, (2) une station à mi-pente, mal drainée, sur un sol minéral humide et (3) une station marécageuse avec un sol organique (tourbe). La précipitation incidente et la précipitation sous couvert ont été collectées sur la base d'événements (63 événements et 4800 échantillons analysés) à l'aide d'appareils standard de collection et analysées pour l'azote total Kjeldahl (TKN), l'ammonium (NH4+), le nitrate (NO3), le phosphore total (TP), le potassium (K), le calcium (Ca) et le magnésium (Mg). La comparaison des données de précipitation incidente et sous couvert montre qu'un enrichissement en K (190 %), Mg (115 %) et Ca (70 %) résulte des interactions avec le couvert. D'autre part, les taux d'azote inorganique (NH4+ : –73 %; NO3 : –47 %) et à un degré moindre de TP (–35 %) diminuent. TKN demeure cependant inchangé, ce qui laisse croire que la diminution de N inorganique est compensée par des apports de N organique. Des baisses de pH ont également été détectées dans la précipitation sous couvert (4,45–4,48) comparativement au pH de la précipitation incidente (4,52–4,80). Bien que toutes les stations étudiées aient reçu la même quantité de précipitation, les stations plus productives (celles ayant la plus grande masse foliaire et la valeur de l'indice de surface folaire la plus élevée) avaient un plus faible volume de précipitation sous couvert (c.-à-d. les taux d'interception les plus élevés) mais le recyclage de macro-éléments le plus élevé dans la couverture morte. L'augmentation des dépôts de macro-éléments était directement reliée à une importante augmentation dans la concentration des éléments, laquelle en retour était l'indice d'une plus forte interaction (plus de lessivage) avec le couvert dans les stations étudiées. Dans le cas des variations temporelles, la concentration des principaux cations (K+, Ca2+, Mg2+) avait tendance à augmenter dans la précipitation sous couvert pour atteindre un maximum en octobre. Les concentrations de TKN et de TP par contre se maintenaient à des niveaux relativement stables pendant tout l'été, atteignaient un pic en septembre et diminuaient substantiellement en octobre au moment où les processus métaboliques ralentissent et l'apport de ces nutriments vers le feuillage est réduit. Même avec l'augmentation de la concentration des cations basiques, le pH de la précipitation sous couvert variait à la baisse jusqu'à ou en dessous de 4,3 à la fin de l'automne.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: June 1, 2003

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