Double-funneling of trees: Stemflow and root-induced preferential flow

1 Associate Editor: Tim Moore.

Abstract:

Trees partition rainfall into throughfall and stemflow, resulting in a spatial distribution of nutrient and water fluxes reaching the soil centred on the trunks of trees. Stemflow fluxes of water and nutrients are then funneled preferentially belowground along tree roots and other preferential flow paths, bypassing much of the bulk soil. This double funneling leads to increased soil chemical, biological, and hydrological heterogeneity, which has been shown to persist for decades. In this paper, we review nutrient fluxes of stemflow water for a variety of tree species and climates. The amount of precipitation partitioned by trees to stemflow ranges over more than three orders of magnitude, accounting for 0.07–22% of incident rainfall in a range of precipitation regimes (600–7100 mm·y-¹). Stemflow fluxes of NO₃^- and K were found to be larger for species with greater stemflow partitioning, regardless of climate type. While stemflow volumes may increase in relation to increasing precipitation, stemflow nutrient concentrations tend to become more dilute. On an annual basis, however, it appears that plant canopy morphology is strongly related to stemflow fluxes for plant-mobile nutrients such as K (r² = 0.64) and NO₃^- (r² =0.61). Root-induced preferential flow provides an additional feedback mechanism in nutrient cycling by which stemflow-derived nutrient fluxes are delivered to the rhizosphere.

Résumé:

Les arbres divisent les précipitations en pluviolessivats et en écoulements le long du tronc résultant en une distribution spatiale des nutriments et des flux d’eau au sol centrée sur le tronc des arbres. Les flux d’eau qui s’écoule le long des troncs sont ensuite canalisés préférentiellement en écoulement souterrain le long des racines et dans d’autres réseaux hydrauliques préférentiels, évitant ainsi l’écoulement libre dans le sol. Cette canalisation double de l’écoulement contribue à faire augmenter l’hétérogénéité chimique, biologique et hydrique du sol et il a été démontré que ce phénomène persiste sur plusieurs décennies. Dans cette étude, nous passons en revue les flux de nutriments dans l’eau de ruissellement le long des troncs pour une variété d’espèces d’arbres et de climats. La quantité de précipitation canalisée par les arbres en écoulement le long des troncs varie sur plus de trois ordres de grandeur, représentant entre 0.07 et 22% de la pluie incidente et ce pour une gamme de régimes de précipitation (600–7100 mm·y-¹). Les flux de NO₃^-, et de K dans l’eau s’écoulant le long des troncs sont plus importants pour les espèces canalisant une plus grande quantité d’eau le long de leurs troncs et ce indépendamment du type de climat. Lorsque les précipitations augmentent, les volumes d’eau s’écoulant le long des troncs sont plus importants mais les concentrations en nutriments deviennent alors plus diluées. Sur une base annuelle cependant, il semble que la morphologie de la canopée des plantes soit fortement liée aux flux de nutriments mobiles tels que K (r² = 0.64) et NO₃^- (r² =0.61) dans l’eau qui s’écoule le long des troncs. Les canaux d’écoulement préférentiels le long des racines procurent un mécanisme de rétroaction supplémentaire grâce auquel les nutriments provenant de l’écoulement le long des troncs sont acheminés vers la rhizosphère.

Key words::

• canopy partitioning
• nutrient cycling
• preferential flow
• soil heterogeneity
• stemflow

Mots-clés::

• canal d’écoulement préférentiel
• cyclage de nutriments
• écoulement le long du tronc
• hétérogénéité du sol
• division par la canopée

Nomenclature::

• Tutin
• 1980;
• Flora of North America Editorial Committee
• 1993

Notes

1 Associate Editor: Tim Moore.