End member and Bayesian mixing models consistently indicate near-surface flowpath dominance in a pristine humid tropical rainforest

Abstract

The impacts of forest conversion on runoff generation in the tropics have received much interest, but scientific progress is still hampered by challenging fieldwork conditions and limited knowledge about runoff mechanisms. Here, we assessed the runoff generation, flow paths and water source dynamics of a pristine rainforest catchment in Costa Rica using end member mixing analysis (EMMA) and a Bayesian mixing model (MixSIAR). Geochemical tracer data collected over a 4-week field campaign were combined with tritium data used to assess potential deeper groundwater flow pathways to the perennial stream. The streamflow composition was best captured using three end-members, namely throughfall, shallow (5–15 cm) and deeper (15–50 cm) soil water. We estimated the end-member contributions to the main stream and two tributaries using the two mixing approaches and found good agreement between results obtained from EMMA and MixSIAR. The system was overwhelmingly dominated by near-surface sources, with little evidence for deeper and older groundwater as tritium-derived baseflow mean transit time was between 2.0 and 4.4 years. The shallow soil flow pathway dominated streamflow contributions in the main stream (median 39% and 49% based on EMMA and MixSIAR, respectively), followed by the deeper soil (32% and 31%) and throughfall (25% and 19%). The two tributaries had even greater shallow soil water contributions relative to the main stream (83% and 74% for tributary A and 42% and 63% for tributary B). Tributary B had no detectable deep soil water contribution, reflecting the morphology of the hillslope (steeper slopes, shallower soils and lower vegetation density compared to hillslope A). Despite the short sampling campaign and associated uncertainties, this study allowed to thoroughly assess runoff generation mechanisms in a humid tropical catchment. Our results also provide a first comparison of two increasingly used mixing models and suggest that EMMA and MixSIAR yield comparable estimates of water source partitioning in this tropical, volcanic rainforest environment.

Los impactos de la conversión de bosques en la generación de escorrentías en los trópicos han recibido mucho interés, pero el progreso científico aún se ve obstaculizado por las difíciles condiciones del trabajo de campo y el conocimiento limitado sobre los mecanismos de escorrentía. Aquí, evaluamos la generación de escorrentía, las rutas de flujo y la dinámica de la fuente de agua de una cuenca de captación de bosque lluvioso prístino en Costa Rica utilizando un análisis de mezcla de miembros finales (EMMA) y un modelo de mezcla bayesiano (MixSIAR). Los datos de trazadores geoquímicos recopilados durante una campaña de campo de 4 semanas se combinaron con datos de tritio utilizados para evaluar las posibles vías de flujo de agua subterránea más profundas hacia la corriente perenne. La composición del flujo de la corriente se capturó mejor utilizando tres miembros finales, a saber, agua del suelo de caída directa, poco profunda (5–15 cm) y más profunda (15–50 cm). Estimamos las contribuciones de los miembros finales a la corriente principal y dos afluentes utilizando los dos enfoques de mezcla y encontramos una buena concordancia entre los resultados obtenidos de EMMA y MixSIAR. El sistema estaba abrumadoramente dominado por fuentes cercanas a la superficie, con poca evidencia de aguas subterráneas más profundas y antiguas, ya que el tiempo de tránsito medio del flujo base derivado del tritio estaba entre 2,0 y 4,4 años. La vía de flujo de suelo poco profundo dominó las contribuciones de flujo de corriente en la corriente principal (mediana 39% y 49% según EMMA y MixSIAR, respectivamente), seguida por el suelo más profundo (32% y 31%) y la caída (25% y 19%). Los dos afluentes tenían contribuciones de agua del suelo poco profundo aún mayores en relación con la corriente principal (83% y 74% para el afluente A y 42% y 63% para el afluente B). El afluente B no tuvo una contribución de agua del suelo profundo detectable, lo que refleja la morfología de la ladera (pendientes más empinadas, suelos menos profundos y menor densidad de vegetación en comparación con la ladera A). A pesar de la corta campaña de muestreo y las incertidumbres asociadas, este estudio permitió evaluar a fondo los mecanismos de generación de escorrentía en una cuenca de captación tropical húmeda. Nuestros resultados también proporcionan una primera comparación de dos modelos de mezcla cada vez más utilizados y sugieren que EMMA y MixSIAR producen estimaciones comparables de la partición de la fuente de agua en este entorno de selva tropical volcánica.