Effect of Variable Source Areas on Cation Delivery From a Small Wetland Watershed

Abstract

A small (47.5 ha) watershed near Peterborough, Ontario, was monitored to quantify and compare cation movements and export from upland and wetland zones during snow-melt runoff in 1980. Particular attention was paid to effects of fluctuations in the extent of saturated soils on the patterns, since most runoff during flood peaks was generated by saturation overland flow. Of a total precipitation input of 254 mm, 180 mm emerged as runoff from the upland zone and only 103 mm from the wetland. The lower output from the wetland was mainly because a clay layer at its base isolated it from significant regional ground water inputs. Runoff from the two zones varied on an event-to-event basis depending on the magnitude of precipitation inputs and antecedent wetness conditions, but with the response of the wetland zone decreasing as water stored within it drained. On the basis of changing patterns in ion concentrations, the runoff season was divided into early and late runoff periods. Ca++ concentrations and export rates were initially low because frozen soils limited the contact of surface runoff with the calcareous soils. They increased considerably in the later period, especially in the upland zone, partly as the result of increased subsurface flow. Mg++ and Na++ showed similar, but less pronounced, trends. K+ concentrations and export rates, by contrast, were rather higher during the early period, especially from the wetland zone, as the result of leaching of organic material which had accumulated in standing water since the previous spring. H+ concentrations were also relatively much higher early in the runoff period from both zones because of flushing from the snowpack, but were later buffered by contact with calcareous soils. Spatial and temporal variations in ion export rates, however, closely followed the pattern of water export. This is because there was a much greater range in flow rates than in ion concentrations.

Un contrôle a été exercé sur un petit bassin versant (47,5 ha) aux alentours de Peterborough, en Ontario, afin de quantifier et de comparer les mouvements de cations et leur transport à partir de zones de hautes terres et de marécages, durant le ruissellement de la fonte des neiges en 1980. L’on a surveillé plus particulièrement les effets de fluctuations dans l’étendue de sols saturés sur les distributions, étant donné que la majeure partie du ruissellement en période de crue maximale était produite par ruissellement de saturation. Sur une précipitation totale de 254 mm, il y a eu 180 mm de ruissellement de la zone des hautes terres, et 103 mm seulement en provenance du marécage. La quantité inférieure provenant du marécage était due principalement à une couche d’argile qui isolait la base de l’endroit quant aux apports importants d’eau souterraine régionale. Le ruissellement des deux zones variait selon les événements, en fonction de l’importance des précipitations et des conditions d’humidité précédentes, mais le ruissellement de la zone du marécage décroissait à mesure que l’eau retenue à l’intérieur était drainée. Sur la base de distributions variables dans les concentrations d’ions, la saison de ruissellement a été divisée en périodes de début et de fin. Les taux de concentrations et de transport de Ca++ étaient initialement bas parce que les sols limitaient le contact du ruissellement en surface avec les couches calcaires. Ces taux ont augmenté considérablement dans la dernière période, plus particulièrement dans la zone de hautes terres, ce qui résultait en partie d’un débit souterrain accru. Les concentrations de Mg++ et de Na++ ont montré des tendances similaires, mais moins prononcées. Quant aux taux de concentrations et de transport de K+, ils étaient, en revanche, plutôt supérieurs durant la première pèriode, surtout en provenance du marécage, ce qui était dû au lessivage des matières organiques accumulées dans l’eau stagnante depuis le printemps précédent. Les concentrations de H+ étaient aussi relativement plus élevées durant la première période de ruissellement des deux zones, à cause du nettoyage produit par la couche de neige, mais ils ont été amortis plus tard par contact avec les sols calcaires. Toutefois, les variations spatiales et temporelles des taux de transport d’ions étaient à peu près semblables à celles du débit d’eau, ce qui est dû au fait que les débits varient beaucoup plus que les concentrations d’ions.