DOC Transport and Export in a Dynamic Tropical Catchment

Abstract

Abstract Dissolved organic carbon (DOC) transport and export from headwater forests into freshwaters in highly dynamic tropical catchments are still understudied. Here we present a DOC analysis (2017) in a pristine and small (~2.6 km2) tropical catchment of Costa Rica. Storm flows governed a rapid surface and lateral allochthonous DOC transport (62.2% of the annual DOC export). Cross‐correlation analysis of rainfall and stream discharge indicated that DOC transport occurred on average ~1.25 hr after the rainfall maxima, with large contributions of event water, ranging from 42.4±0.3% up to 98.2±0.3% of the total discharge. Carbon export flux (annual mean=6.7±0.1 g C · m‐2 · year‐1) was greater than values reported in subtropical and temperate catchments. Specific ultraviolet absorbance indicated a mixture of hydrophobic humic and hydrophilic nonhumic matter during both baseflow and storm events. Our results highlight the rapid storm‐driven DOC transport and export as well as low biogeochemical attenuation during baseflow episodes in a climate sensitive hot spot. By understanding the key factors controlling the amount of organic carbon transported to streams in dynamic tropical landscapes, better global‐ and catchment‐scale model assessments, conservation practices, and water treatment innovations can be identified. Plain Language Summary Humid tropical forests represent ~20% of the global soil organic matter reservoirs. Nutrient availability coupled with transport and export of dissolved organic carbon (DOC) from forests into freshwater ecosystems is still poorly understood in the tropics. Here we present a study of DOC dynamics in a humid tropical catchment of central Costa Rica. Overall, DOC was transported from the forest to the stream on average within ~1.25 hr after large rainfall events. Storm flows were dominated by event water (recent rainfall) in the catchment. Fluvial carbon flux exported from the catchment was estimated at 6.7±0.1 g C · m‐2 · year‐1. Our results highlight the rapid DOC transport and export during storm flows as well as low biodegradation during baseflow episodes. These findings may contribute to improve model calibration and validation considering the limited high‐resolution DOC data in dynamic tropical landscapes.

Resumen El transporte y la exportación de carbono orgánico disuelto (COD) desde los bosques de cabecera hacia aguas dulces en cuencas tropicales altamente dinámicas todavía están poco estudiados. Aquí presentamos un análisis DOC (2017) en una cuenca de captación tropical prístina y pequeña (~ 2.6 km2) de Costa Rica. Los flujos de tormenta gobernaron un rápido transporte de DOC alóctono lateral y superficial (62,2% de la exportación anual de DOC). El análisis de correlación cruzada de la precipitación y la descarga de arroyos indicó que el transporte de DOC ocurrió en promedio ~ 1,25 horas después de los máximos de lluvia, con grandes contribuciones de agua del evento, que van desde 42,4 ± 0,3% hasta 98,2 ± 0,3% de la descarga total. El flujo de exportación de carbono (media anual = 6,7 ± 0,1 g C · m ‐ 2 · año ‐ 1) fue mayor que los valores informados en las cuencas subtropicales y templadas. La absorbancia ultravioleta específica indicó una mezcla de materia húmica hidrófoba y no húmica hidrófila durante los eventos de flujo base y tormenta. Nuestros resultados destacan el rápido transporte y exportación de DOC impulsado por tormentas, así como la baja atenuación biogeoquímica durante los episodios de flujo base en un punto caliente sensible al clima. Al comprender los factores clave que controlan la cantidad de carbono orgánico transportado a los arroyos en paisajes tropicales dinámicos, se pueden identificar mejores evaluaciones de modelos a escala global y de captación, prácticas de conservación e innovaciones en el tratamiento del agua. Resumen en lenguaje sencillo Los bosques tropicales húmedos representan ~ 20% de las reservas mundiales de materia orgánica del suelo. La disponibilidad de nutrientes junto con el transporte y la exportación de carbono orgánico disuelto (COD) de los bosques a los ecosistemas de agua dulce aún no se conoce bien en los trópicos. Aquí presentamos un estudio de la dinámica del DOC en una cuenca de captación tropical húmeda del centro de Costa Rica. En general, el DOC fue transportado desde el bosque al arroyo en promedio dentro de ~ 1.25 horas después de grandes eventos de lluvia. Los flujos de tormenta estuvieron dominados por eventos de agua (lluvias recientes) en la cuenca. El flujo de carbono fluvial exportado desde la cuenca se estimó en 6,7 ± 0,1 g C · m ‐ 2 · año ‐ 1. Nuestros resultados destacan el rápido transporte y exportación de DOC durante los flujos de tormenta, así como la baja biodegradación durante los episodios de flujo base. Estos hallazgos pueden contribuir a mejorar la calibración y validación del modelo considerando los limitados datos DOC de alta resolución en paisajes tropicales dinámicos.