The mechanism of soil water movement as inferred from ¹⁸O stable isotope studies

Abstract

The seasonal movement of soil water through a deep vadose zone of a sandy hill was studied in the central part of The Netherlands. The behaviour of soil water was tracked by monitoring soil water fluctuations and changes in the environmental tracer ¹⁸O in vertical profiles at test sites with grassland, heathland and forest. In the temperate climate of the study area a soil moisture deficit develops during summer and a precipitation surplus prevails during winter. The ¹⁸O content in precipitation exhibits a distinct seasonal cycle with the highest (relatively enriched) values of c. −6% vs V-SMOW occurring in summer and the lowest (relatively depleted) values of c. −9% vs V-SMOW in winter. The influence of this cycle can be traced back in the subsurface to a depth of sometimes more than 6 m. This seasonal fluctuation moves around the average annual ¹⁸O content in rainfall, tending closer to the average as depth increases. In the saturated zone the same average value is observed. This suggests that, although the precipitation surplus is limited to the winter period, part of the summer precipitation also infiltrates to below the root zone and contributes to the groundwater recharge. The results of this study indicate that preferential flow dominates in the root zone. Below the root zone of low homogeneous vegetation covers, the soil water movement is dominated by diffuse flow. In forests, a more heterogeneous root pattern causes a more preferential type of flow, also at greater depths below the root zone.

Résumé

Nous avons réalisé une étude du mouvement saisonnier des eaux souterraines à travers une zone vadose profonde d'une colline sableuse, au centre des Pays-Bas. Le comportement des eaux souterraines a été suivi en contrôlant les modifications du traceur environnemental ¹⁸O selon des profils verticaux sur des sites d'essai situées dans des prairies, des landes et des forêts. La teneur en ¹⁸O des précipitations présente un cycle saisonnier propre, avec des valeurs maximales (relativement enrichies) d'environ −6% par rapport au V-SMOW l'été, et minimales (relativement appauvries) de −9% par rapport au V-SMOW l'hiver. L'influence de ce cycle peut être retrouvée dans le sous-sol jusqu'à une profondeur parfois supérieure à 6 m. Cette fluctuation saisonnière est proche du pourcentage annuel moyen de ¹⁸O dans les précipitations, tendant à se rapprocher davantage de la moyenne lorsque la profondeur augmente. Dans la zone saturée, on observe la même valeur moyenne ce qui suggère qu'une partie des pluies estivales s'infiltre sous la couche d'enracinement et contribue à la réalimentation des nappes phréatiques, bien que l'excédent de précipitations se limite à la période hivernale. Il ressort des résultats de cette étude que l'écoulement préférentiel est dominant dans la couche d'enracinement. Sous la couche d'enracinement des couvertures végétales homogènes basses, le mouvement des eaux souterraines est dominé par un écoulement diffus. Dans les forêts, la disposition plus hétérogène des racines entraïne un type d'écoulement préférentiel, y compris en dessous de la zone d'enracinement.