Movement of nitrogen through a riparian forest in a tropical, agricultural landscape

Les zones riveraines sont connues pour fonctionner comme des tampons efficaces, capable d’éliminer les nitrates des eaux souterraines avant leur rejet dans les ruisseaux adjacents. Ce rôle de tampon est particulièrement important dans les bassins versants agricoles où, l’azote supplémentaire, provenant des engrais, peut être lessivé dans les eaux souterraines. Sur les plaines côtières, les nitrates présents dans les eaux souterraines puis déchargés dans les ruisseaux peuvent potentiellement enrichir les eaux côtières. La transformation des nitrates par le processus de dénitrification permet d’améliorer la qualité de l'eau, cependant, la dénitrification incomplète produit du protoxyde d’azote (N2O), un gaz à effet de serre.Bien qu’un grand nombre de recherches aient été menées dans les régions tempérées, peu d'études ont été conduites dans les régions tropicales sur la capacité des zones riveraines à éliminer les nitrates des eaux souterraines. Dans les zones agricoles de la région tropicale humide en Australie, les précipitations annuelles sont élevées, autour de 3000 mm, et les saisons humides et sèches sont clairement définies. La saison humide se caractérise par des précipitations de forte intensité et de longue durée, suivie par une saison sèche définie par de faibles précipitations sporadiques.Les questions fondamentales de cette thèse sont les suivantes: dans un paysage agricole tropical humide, les nitrates contenus par les eaux souterraines, sont-ils éliminés lors de leur passage dans une zone boisée riveraine avant d’être transportés vers le ruisseau ?Observe- t-on des différences temporelles et spatiales des flux de N2O émis par les sols de la forêt riveraine ?Cette étude se focalise sur une zone riveraine boisée, d’une largeur de 150 m, située au milieu des champs de canne à sucre, sur la plaine côtière adjacente à la lagune de la Grande Barrière de corail (inscrite au patrimoine mondial), localisée dans la région tropicale humide d'Australie. Pour acquérir une compréhension du mouvement des eaux souterraines sur le site riverain, l'hydrologie de la zone a été caractérisée par des mesures de la teneur en eau du sol et par la profondeur de la nappe phréatique (13 piézomètres). Durant la saison humide, le système était très dynamique, avec de grandes fluctuations des niveaux de la nappe phréatique et, à long terme, l’inondation des zones basses. Les rapides hausses de la nappe phréatique ont été attribuées à une recharge in situ élevée, au faible volume d’air contenu dans les pores (zone non saturée), au piégeage de l'air et à la recharge occasionnelle de la crique. Les baisses rapides de la nappe phréatique ont été attribuées aux importantes différences de hauteur au sein de la zone riveraine, différences dues, partiellement, à la topographie vallonnée du site. La saison sèche a été caractérisée par un système lent, avec une profondeur de nappe phréatique pouvant atteindre 4 mètres dans certains endroits.Les eaux souterraines arrivant dans la zone riveraine contenaient de faibles concentrations de nitrates (moyenne <0.03 mg NO3- N L-1 durant les deux saisons). Cependant, les concentrations ont augmenté (jusqu'à 50 fois) lors de la progression des eaux souterraines à travers la zone riveraine, suggérant que la zone riveraine était une source de nitrates pour le ruisseau adjacent. L'augmentation de nitrates a été attribuée à la nitrification ayant lieu dans les sols riverains de surface, processus favorisé par une importante productivité primaire nette, notamment de grandes quantités de litière (12.19 Mg ha-1 an-1). Par la suite, les nitrates générés par le sol riverain ont été lessivés dans les eaux souterraines par les précipitations, durant la saison humide. Ainsi, les nitrates dans les eaux souterraines proviennent de la nitrification et, potentiellement, du mélange avec des eaux souterraines profondes ayant des concentrations supérieures en nitrates. La forêt tropicale riveraine est potentiellement une source importante de protoxyde d'azote,avec des flux allant de -24 à 657 Kg N2O-N m-2 h-1. Les émissions ont été plus élevées durant la saison humide, mais aucune différence significative n’a été observée entre les sites situés à haute ou basse altitude dans le paysage. De même, il n'a pas eu effet significatif, sur les émissions de N2O, des différentes quantités de litière de feuilles accumulées sur la surface du sol. Basé sur les différences de teneur en humidité du sol, les émissions de N2O ont été attribuées à la fois à la dénitrification et à la nitrification. Le N2O a également été produit en profondeur, au sein de la zone non saturée, avec des concentrations de l'air du sol variant de 0.7 à 157 mg N2O-N L-1. Les concentrations de N2O dissous dans les eaux souterraines ont été les plus élevées à 1,5 m de profondeur et bien corrélées avec les concentrations de nitrates des eaux souterraines. Des expériences menées en laboratoire ont permis de déterminer que les sols de surface riverains agissaient clairement comme une source de N2O, et que, ces sols ont une capacité limitée à réduire le N2O en N2. La dénitrification potentielle était jusqu'à 20 fois plus élevée dans les sols de surface que dans ceux situés à 0.5 m de profondeur.Cette étude a démontré que les eaux souterraines provenant des terres cultivées ne se caractérisent pas toujours par de fortes concentrations en nitrates et que les concentrations en nitrates ne sont pas nécessairement réduites lors du passage de l'eau souterraine à travers la forêt riveraine. Par ailleurs, sur notre site, les nitrates générés dans la zone riveraine sont lessivés dans les eaux souterraines au cours des fortes pluies, devenant une source de potentiel de nitrates pour le ruisseau. De même, les processus de nitrification et de dénitrification dans la zone boisée riveraine contribuent de façon considérable aux émissions de N2O dans l'atmosphère, avec des émissions comprises dans la gamme de celles mesurées pour les forêts tropicales. Bien qu'il existe de nombreux avantages environnementaux justifiant le maintien en bonne santé des forêts riveraines, cette étude, menée dans un environnement tropical humide, n'a pas montré de bénéfices des forêtsriveraines sur la qualité des eaux.

Riparian zones have been widely reported to function as effective buffers, removing nitrate (NO₃⁻) from groundwater before it is discharged into adjacent streams. This is particularly important in agricultural catchments where additional nitrogen (N) from fertilisers may be leached into groundwater. On coastal plains, NO₃⁻ in groundwater discharged into streams can potentially enrich coastal waters. The permanent removal of NO₃⁻ through denitrification can improve water quality, however incomplete denitrification produces nitrous oxide (N₂O), a greenhouse gas.Despite copious research in temperate regions, little study has been conducted on the capacity of riparian zones to remove NO₃⁻ from groundwater in the tropics. In agricultural areas of the Australian humid tropics, annual rainfall is high, around 3000 mm, and wet and dry seasons are clearly defined. Wet seasons are characterised by rainfall of high intensity and duration, followed by a dry season producing sporadic small amounts of rainfall.The overarching questions of this thesis are: in an agricultural landscape in the humid tropics, is NO₃⁻ in groundwater removed as it enters a forested riparian zone and is transported towards the stream? And, are there temporal and spatial differences in patterns of N₂O emissions produced from the riparian forest?This research is focused on a forested riparian zone 150 m wide, located amongst sugarcane fields, on the coastal plain adjoining the World-Heritage listed Great Barrier Reef lagoon, in the Australian humid tropics.To gain an understanding of the movement of groundwater through the riparian site, the hydrology of the riparian zone was characterized using measurements of soil water content and water table depth (13 piezometers). In the wet season the system was highly dynamic with large fluctuations in water table levels and long-term inundation of low lying areas. Rapid water table rises were attributed to high in-situ recharge, low air-filled pore space (unsaturated zone), air entrapment and occasional recharge from the creek, and the rapid falls to the steep local hydraulic gradients. The dry season was characterised by a slow moving system with depth to watertable up to 4 m at high locations.Groundwater entering the riparian zone was found to have low concentrations of NO₃⁻ (mean <0.03 mg NO₃⁻N L⁻¹ over both seasons), however, concentrations increased (by up to 50 fold) as groundwater progressed through the riparian zone, suggesting the riparian zone was a potential source of NO₃⁻ to the adjacent creek. The addition of NO₃⁻ was attributed to nitrification in riparian surface soils, driven by large net primary productivity, including large amounts of litterfall (12.19 Mg ha⁻¹y⁻¹). Nitrate generated in riparian soil was subsequently leached into groundwater in the wet season during rainfall events. Nitrate was also derived from nitrification in groundwater and, potentially, from the mixing of deeper groundwater of higher NO₃⁻ concentrations.The tropical riparian forest is a large emitter of N₂O, with soil emissions ranging from -24 to 657 μg N₂O-N m⁻2 h⁻¹. Emissions were highest in the wet season but not significantly different between sites of high and low elevation. Similarly, there was no effect on emissions from differing amounts of leaf litter accumulated on the soil surface. Based on differences in soil water content, N₂O emissions were attributed to both denitrification and nitrification. Nitrous oxide was also produced at depth, within the unsaturated zone, with concentrations in soil air ranging from. 0.7 to 157 μg N₂O-N L⁻¹. Dissolved N₂O concentrations in groundwater were greatest at 1.5 m depth and correlated well with NO₃⁻ concentrations in groundwater. Laboratory experiments determined that riparian surface soils were clearly a source of N₂O, and that soils had limited capacity to further reduce N₂O to dinitrogen (N₂). Denitrification potential was up to 20 times greater in surface soils than in soils at 0.5 m depth.This study has demonstrated that groundwater leaving cultivated land does not always have high concentrations of NO₃⁻ and that NO₃⁻ concentrations are not necessarily reduced during the passage of groundwater through riparian forest. Nitrate generated within the riparian zone, on the other hand, was leached into groundwater during heavy rain events and became a potential source of NO₃⁻ to the creek at our site. Similarly, nitrification and denitrification processes within the forested riparian zone contributed substantial N₂O emissions to the atmosphere, similar in range to emissions reported for other tropical forests. Although there are many environmental benefits to having healthy riparian forest, this study in a humid tropical environment did not show any water quality benefits.