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Implications of a predicted shift from upland oaks to red maple on forest hydrology and nutrient availability

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Fire suppression has facilitated the spread of red maple (Acer rubrum L.), a fire-sensitive, yet highly adaptable species, in historically oak-dominated forests of the eastern United States. Here, we address whether a shift from upland oaks to red maple could influence forest hydrology and nutrient availability because of species-specific effects on precipitation distribution and inorganic nitrogen (N) cycling. In eastern Kentucky, we measured seasonal variations in red maple, chestnut oak (Quercus montana Willd.), and scarlet oak (Quercus coccinea Münchh.) throughfall and stemflow quantity and quality following discrete precipitation events, and we assessed net N mineralization rates in underlying soils over a 2-year period (2006–2008). Throughfall was 3%–9% lower underneath red maple than both oaks, but red maple generated 2–3× more stemflow. Consequently, NH4+ throughfall deposition was less under red maple than chestnut oak, whereas stemflow-derived nutrient inputs were substantially larger for red maple than both oaks. Soils underlying red maple had 5–13× greater winter net nitrification rates than soils under both oaks and 20%–30% greater rates of seasonal net ammonification than soils under chestnut oak. These findings suggest a spatial redistribution of water and nutrients via precipitation as red maple dominance increases and point to stemflow as an important mechanism that may foster red maple competitive success, further bolstering the mesophication process in the United States.

La suppression des incendies a facilité la propagation de l’érable rouge (Acer rubrum L.), une espèce sensible au feu mais qui s’adapte très facilement dans les forêts jadis dominées par le chêne dans l’est des États-Unis. Dans cette étude, nous examinons si le remplacement du chêne en milieu sec par l’érable rouge pourrait influencer l’hydrologie forestière et la disponibilité des nutriments à cause d’effets propres à cette espèce sur la distribution des précipitations et le recyclage de l’azote (N) inorganique. Dans l’est du Kentucky, nous avons mesuré les variations saisonnières de la quantité et de la qualité de la précipitation au sol et de l’écoulement sur écorce chez l’érable rouge, le chêne de montagne (Quercus montana Willd.) et le chêne écarlate (Quercus coccinea Münchh.) lors d’épisodes discrets de précipitation et nous avons évalué les taux de minéralisation nette dans les sols sous-jacents sur une période de deux ans (2006–2008). La précipitation au sol était 3–9 % plus faible sous l’érable rouge comparativement aux deux autres espèces de chêne mais l’érable rouge générait 2–3 fois plus d’écoulement sur écorce. Par conséquent, les dépôts de NH4+ dans la précipitation au sol étaient plus faibles sous l’érable rouge que sous le chêne de montagne tandis que les apports de nutriments provenant de l’écoulement sur écorce étaient substantiellement plus importants que chez les deux espèces de chêne. Le taux de nitrification nette en hiver dans le sol sous l’érable rouge était 5–13 fois plus élevé que sous les deux espèces de chêne et le taux saisonnier d’ammonification nette était 20–30 % plus élevé que sous le chêne de montagne. Ces résultats montrent qu’il y a une redistribution spatiale de l’eau et des nutriments par le biais des précipitations à mesure que la dominance de l’érable rouge augmente et indiquent que l’écoulement sur écorce est un mécanisme important qui peut contribuer au succès compétitif de l’érable rouge, favorisant ainsi le processus de mésophication aux États-Unis.

Document Type: Research Article

Publication date: April 1, 2010

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  • Published since 1971, this monthly journal features articles, reviews, notes and commentaries on all aspects of forest science, including biometrics and mensuration, conservation, disturbance, ecology, economics, entomology, fire, genetics, management, operations, pathology, physiology, policy, remote sensing, social science, soil, silviculture, wildlife and wood science, contributed by internationally respected scientists. It also publishes special issues dedicated to a topic of current interest.
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