Heterogeneity in soil nitrogen within first-order forested catchments at the Turkey Lakes Watershed


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Abstract

Topographic positional regulation of nitrogen (N) dynamics in soil within Canadian Shield headwaters, located in calibrated catchments containing mature, tolerant hardwood forest, was examined to determine how N pools, mineralization, nitrification, and leaching in soil relate to N export in drainage waters. A uniformly high net N mineralization and nitrification potential for surficial soil layers rich in organic N was demonstrated for ridge, upper-middle slope, and lower slope – footslope topographic positions. Results from plot-scale studies revealed that NO3 concentrations in soil water from well-drained soils were very highly variable throughout the catchments, ranging from 25 to 175 μmol·L−1, with a median of 80 μmol·L−1. The isotopic effects of denitrification were not detected in soil water collected from lower slope – footslopes, and in situ rates of N2O production from soils on lower slope – footslopes and valley bottoms were very low and highly variable. Higher N exports from soils than from streams were not explained by differences in soil water N with topographic position or denitrification in lower landscape topographic positions. Using an average soil water N value, based on the replicated plots within catchments, did not reduce the calculated substantial differences in N export between soils and streams.RésuméLa régulation de la dynamique d'azote (N) dans le sol par la position topographique en amont de bassins versants calibrés du Bouclier canadien, supportant une forêt mature de feuillus tolérants, a été étudiée afin de déterminer comment les pools de N, la minéralisation, la nitrification et le lessivage dans le sol peuvent être reliés aux exportations de N dans les eaux de drainage. Un potentiel élevé et uniforme de minéralisation nette de N et de nitrification pour les couches superficielles de sol riche en N organique a été démontré pour les positions topographiques de la crête, du haut de pente et du bas de pente. Les résultats des études à l'échelle de la parcelle ont révélé que la concentration de NO3 dans la solution de sol des sols bien drainés était très variable dans l'ensemble des bassins, variant de 25 à 175 μmol·L−1 avec une médiane de 80 μmol·L−1. Les effets isotopiques de la dénitrification n'ont pas été détectés dans la solution de sol du bas de pente et les taux in situ de production de N2O dans les sols de bas de pentes et de fond de vallées étaient très faibles et fortement variables. Les exportations de N plus élevées en provenance des sols que des cours d'eau n'ont pas été expliquées par les différences de N dans la solution de sol selon la position topographique ou la dénitrification dans les positions topographiques plus basses du paysage. Même en utilisant une valeur moyenne de N dans la solution de sol, basée sur la répétition de parcelles dans les bassins, cela n'a pas réduit les différences substantielles calculées dans l'exportation de N entre les sols et les cours d'eau.

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