Mechanism of nitrate loss from a forested catchment following a small-scale, natural disturbance


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Abstract

In Matsu-zawa catchment, central Japan, nitrate concentrations in stream water increased following a small-scale, natural disturbance involving an outbreak of pine wilt disease that affected ∼25% of the forested catchment. To clarify nutrient dynamics in soils and their relationship with stream water nitrate, we investigated soil nitrogen dynamics and soil water chemistry in disturbed and undisturbed, water-unsaturated and -saturated plots. The highest values for nitrification rate, nitrate concentration in soil solution, and nitrate exported from the root zone were observed for the disturbed plot. The ratio of nitrification to mineralization in surface soil of the disturbed plot dramatically increased from 1989 (pre-disturbance) to 1997. Root zone leachate from the disturbed area showed gradually increasing groundwater nitrate concentrations in the temporarily saturated zone during lateral, matrix flow. The catchment's deep soils and associated hydrologic processes limited the degree of plant uptake of the nitrate generated in the disturbed area. It was inferred that the persistent high levels of nitrate observed in the stream water resulted largely from the stable high nitrate concentrations observed in the saturated groundwater of this catchment. Stream water nitrate loads discharged following the disturbance were about 16 times greater than prior to it.RésuméDans le bassin-versant de Matsu-zawa, au centre du Japon, la concentration de nitrate dans le cours d'eau a augmenté suite à une perturbation naturelle à petite échelle causée par une épidémie de flétrissement du pin qui a affecté ∼25% de la forêt dans ce bassin-versant. Dans le but de clarifier la dynamique des nutriments dans le sol et leur relation avec les nitrates présents dans le cours d'eau, nous avons étudié la dynamique de l'azote dans le sol et la chimie de l'eau du sol dans des parcelles perturbées et non perturbées, non saturées et saturées en eau. Les plus fortes valeurs pour le taux de nitrification, la concentration de nitrate dans la solution de sol et la quantité de nitrate exportée hors de la zone racinaire ont été observées dans les parcelles perturbées. De 1989 (avant la perturbation) à 1997, le rapport de la nitrification sur la minéralisation dans le sol de surface a augmenté dramatiquement dans les parcelles perturbées. Le lessivat de la zone racinaire dans les zones perturbées a montré une augmentation graduelle de la concentration de nitrates dans l'eau du sol de la zone temporairement saturée lors de l'écoulement matriciel latéral. Les sols profonds du bassin-versant et les processus hydrologiques qui y sont associés ont limité le niveau d'absorption par les plantes des nitrates générés dans les zones perturbées. On conclut que la persistance des niveaux élevés de nitrates observés dans le cours d'eau est en grande partie le résultat des fortes concentrations stables de nitrates observées dans l'eau des sols saturés de ce bassin. Les quantités de nitrates entraînés dans le cours d'eau suite à la perturbation étaient environ 16 fois plus élevées qu'avant cette perturbation.

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