Dissolved organic carbon and nitrogen dynamics in a pristine old growth forested watershed with anthropogenic nitrogen deposition

Forested watersheds play an important role in the transformation of nitrogen (N) and carbon (C) as they pass from atmospheric inputs to aquatic ecosystems, under diverse anthropogenic nitrogen deposition and land cover regimes. In this study, I examined the transformations of dissolved organic carbon (DOC), ammonium (NH4), nitrate (NO3), and dissolved organic nitrogen (DON) from precipitation inputs through the forest canopy, into the well-drained and wetland soils, and into two streams draining a 46 ha and a 11 ha nested old growth forested watersheds at Mont St. Hilaire (MSH), in southern Quebec. Measurements were made from May to September 2013, with sampling at one-week intervals and during storm events. Concentrations and fluxes of DOC, NH4, and DON increased from the atmosphere to throughfall, and decreased as water passed through the upland mineral soils and wetlands to the stream, while NO3 showed no change. Transformations of DON occurred as water passed through persistently saturated areas within the wetland and surrounding the stream, resulting in biogeochemical hotspots, where DON concentrations significantly decreased. DOC did not respond these locations, yet is positively correlated to DON and increased water depth. Yearly estimated inputs through the forest canopy were 4.04 kg/ha/yr, 5.61 kg/ha/yr, 3.14 kg/ha/yr, and 79.41 kg/ha/yr for NO3, NH4, DON and DOC. Overall, N retention rates from atmospheric input to stream output were 90 % and 91 % for DON and for a combined NO3 and NH4 input-output measure, while DOC inputs were five times greater than outputs. NO3 was retained less during saturated soils conditions and DON showed slightly more retention at the beginning of the growing season. When compared to other studies with low nitrogen, MSH, showed no similarities in retention or output. Studies with high nitrogen deposition and past disturbance did compare with NO3 and NH4 retention results for MSH, however, hydrological DOC inputs-outputs, at MSH, when compared to other high nitrogen sites with anthropogenic disturbance differed, showing five times more DOC input than output, compared to two times more output than input for the disturbed sites. These findings help to define the present day N and C dynamics in an old growth forest with anthropogenic nitrogen deposition, and provide a comparison for future environmental changes and to conservation and natural resource managers during the restoration and protection of forested watersheds.Les bassins versants boisés jouent un rôle important dans la transformation de l'azote (N) et du carbone (C) lors de leur passage de l’atmosphère aux écosystèmes aquatiques, sous différents régimes de déposition d'azote anthropiques et couvertures terrestres. Dans cette étude, j’ai examiné la transformation du carbone organique dissous (DOC), de l'ammonium (NH4), des nitrates (NO3) et de l'azote organique dissous (DON) provenant des précipitations, à travers la canopée forestière, les sols bien drainés, les zones humides, et finalement deux ruisseaux drainant deux bassins versants boisés de 46 ha et 11 ha au Mont Saint- Hilaire (MSH) dans le sud du Québec. Les mesures ont été effectuées de Mai à Septembre 2013 de façon hebdomadairement, ainsi que lors des évènements de fortes précipitations. Les flux et concentration de DOC, NH4, et DON augmentaient de l'atmosphère à la canopée, et diminuaient ensuite à travers les sols minéraux et les zones humides, jusqu’aux ruisseaux, tandis que le NO3 ne montrait aucun changement. Les transformations de DON ont eu lieu lorsque l'eau passait à travers les zones saturées (milieux humides et bordures de ruisseaux), créant ainsi des points chauds biogéochimiques, où les concentrations de DON ont significativement diminuées. Ces changements ne sont pas observés pour le DOC, mais celui-ci était positivement corrélé au DON et à l'augmentation de la profondeur de la nappe phréatique. Les apports annuelles estimés à travers la canopée de la forêt étaient 4,04 kg/ha/an, 5,61 kg/ha/an, 3,14 kg/ha/an, et 79,41 kg/ha/an pour le NO3, NH4, DON et DOC respectivement. Les niveaux de rétention de N, provenant de la déposition atmosphérique, mesurés au niveau des ruisseaux, étaient de 90% pour le DON et de 91% pour les NO3 et NH4 combinés, tandis que les imports de DOC étaient cinq fois plus grand que les exportations. Le NO3 était moins retenu lorsque les conditions de sols étaient saturées alors que la rétention du DON était plus grande au début de la saison de croissance. Lorsque comparé à d'autres recherches où le taux d'azote était faible, MSH, ne montre pas de similitudes en terme de rétention ou d’exportation. Comparativement à des sites perturbés et ou les taux de déposition d'azote sont élevés MSH a des niveaux de rétentions similaires en terme de NO3 et de NH4. Cependant, le ratio imports-exports hydrologique de DOC à MSH étaient de cinq, comparativement à deux pour les sites perturbés élevés en N. Les résultats présentés aident à définir les dynamiques du N et du C dans une forêt ancienne avec dépôts d'azote atmosphérique d'origine anthropique. C’est résultats offrent des éléments de comparaison pour les changements environnementaux futurs importants pour les gestionnaires de conservation ainsi que les organismes de protection de bassins versants boisés