Leaching of nutrient cations from the forest floor: effects of nitrogen saturation in two long-term manipulations

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Abstract

Nitrogen saturation results in greater mobility of nitrate, which in turn is often correlated with concentrations of nutrient cations in soil solution and streamwater. At the Harvard Forest, U.S.A., under long-term NH4NO3 inputs, a Pinus resinosa Ait. forest has exhibited signs of N saturation more rapidly than a mixed-Quercus forest. We test the hypothesis that increased nitrate leaching causes increased concentrations of nutrient cations in soil solution. Over 2 years (years 6 and 7 of treatment) we measured SO42-, NO3−, Cl−, Ca2+, K+, Mg2+, Na+, H+, and NH4+ in throughfall solution and in forest-floor (Oa) leachate. Concentrations of NO3− in forest-floor leachate increased with rates of N amendment and correlated positively with cation concentrations, with stronger overall correlations in the pine forest: r2 values were 0.51 (pine forest) and 0.39 (oak forest) for Ca2+, 0.45 (pine) and 0.16 (oak) for K+, and 0.62 (pine) and 0.50 (oak) for Mg2+. In summer and fall, the oak forest showed some negative relationships between nutrient cation leaching and rate of N amendment. These contrasts showed retention of cations and N to occur together in an N-limited system, whereas increased nitrate mobility occurred with increased cation losses in an N-saturated system.

La saturation en azote se traduit par une plus grande mobilité des nitrates, laquelle est alors corrélée aux concentrations des cations nutritifs dans la solution de sol et dans le cours d'eau. À la forêt de Harvard aux États-Unis, une forêt de Pinus resinosa Ait. soumise à des apports à long terme de NH4NO3 a présenté des signes de saturation en N plus rapidement qu'une forêt mélangée de Quercus. Nous avons vérifié l'hypothèse voulant qu'un accroissement du lessivage des nitrates causerait une augmentation des concentrations des cations nutritifs dans la solution de sol. Sur deux années (ans 6 et 7 du traitement), nous avons mesuré SO42-, NO3−, Cl−, Ca2+, K+, Mg2+, Na+, H+ et NH4+ dans la solution de pluviolessivage et dans le lessivat de la couverture morte (Oa). Les concentrations de NO3− dans le lessivat de la couverture morte ont augmenté avec les taux d'ajout de N et étaient positivement corrélées avec les concentrations des cations, les plus fortes corrélations étant observées dans la forêt de pin: les valeurs de r2 étaient de 0,51 (forêt de pin) et 0,39 (forêt de chêne) pour Ca2+, de 0,45 (pin) et 0,16 (chêne) pour K+, et de 0,62 (pin) et 0,50 (chêne) pour Mg2+. Durant l'été et l'automne, la forêt de chêne a montré quelques relations négatives entre le lessivage de cations nutritifs et le taux d'ajout de N. Ces contrastes montrent que la rétention des cations et de N peut être observée simultanément dans un système pauvre en N tandis qu'une mobilité accrue des nitrates est survenue avec une augmentation des pertes de cations dans un système saturé en N.

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