Isotope hydrology of a tropical coffee agroforestry watershed: Seasonal and event-based analyses

Abstract

Stable isotope variations are extremely useful for flow partitioning within the hydrologic cycle but remain poorly understood throughout the tropics, particularly in watersheds with rapidly infiltrating soils, such as Andisols in Central America. This study examines the fluctuations of stable isotope ratios (δ18O and δ2H) in the hydrologic components of a tropical coffee agroforestry watershed (~1 km2 ) with Andisol soils in Costa Rica. Samples were collected in precipitation, groundwater, springs, and stream water over two years. The Local Meteoric Water Line for the study site was δ 2H = 8.5  18O + 18.02 (r2 = 0.97, n=198). The isotope ratios in precipitation exhibited an enriched trend during the dry season and a notable depletion at the beginning of the wet season. The δ 18O compositions in groundwater (average = -6.4‰,  = 0.7) and stream water (average = -6.7‰,  = 0.6) were relatively stable over time, and both components exhibited more enriched values in 2013, which was the drier year. No strong correlation was observed between the isotope ratios and the precipitation amount at the event or daily time-step, but a correlation was observed on a monthly scale. Stream water and base flow hydrograph separations based on isotope end-member estimations showed that pre-event water originating from base flow was prevalent. However, isotope data indicate that event water originating from springs appears to have been the primary driver of initial rises in stream flow and peak flows. These results indicate that isotope sampling improves the understanding of water balance components, even in a tropical humid location, where significant variations in rainfall challenge current modeling efforts. Further research using fine-scale hydrometric and isotopic data would enhance understanding the processes driving spring flow generation in watersheds.

Las variaciones de isótopos estables son extremadamente útiles para dividir el flujo dentro del ciclo hidrológico, pero siguen sin comprenderse bien en los trópicos, particularmente en cuencas hidrográficas con suelos que se infiltran rápidamente, como los andisoles en América Central. Este estudio examina las fluctuaciones de las proporciones de isótopos estables (δ18O y δ2H) en los componentes hidrológicos de una cuenca agroforestal de café tropical (~1 km2) con suelos Andisol en Costa Rica. Las muestras se recolectaron en precipitaciones, aguas subterráneas, manantiales y agua de arroyos durante dos años. La línea de agua meteorológica local para el sitio de estudio fue δ 2H = 8,5  18O + 18,02 (r2 = 0,97, n=198). Las proporciones de isótopos en la precipitación exhibieron una tendencia enriquecida durante la estación seca y un agotamiento notable al comienzo de la estación húmeda. Las composiciones de δ 18O en aguas subterráneas (promedio = -6.4‰,  = 0.7) y agua corriente (promedio = -6.7‰,  = 0.6) fueron relativamente estables en el tiempo, y ambos componentes exhibieron valores más enriquecidos en 2013, que fue el año año más seco. No se observó una fuerte correlación entre las proporciones de isótopos y la cantidad de precipitación en el evento o paso de tiempo diario, pero se observó una correlación en una escala mensual. Las separaciones hidrográficas de flujo base y agua corriente basadas en estimaciones de miembros terminales de isótopos mostraron que prevalecía el agua anterior al evento que se originaba en el flujo base. Sin embargo, los datos de isótopos indican que el agua de eventos que se origina en los manantiales parece haber sido el principal impulsor de los aumentos iniciales en el flujo de la corriente y los flujos máximos. Estos resultados indican que el muestreo de isótopos mejora la comprensión de los componentes del balance hídrico, incluso en una ubicación tropical húmeda, donde las variaciones significativas en las precipitaciones desafían los esfuerzos de modelado actuales. La investigación adicional que utilice datos hidrométricos e isotópicos a escala fina mejoraría la comprensión de los procesos que impulsan la generación de flujo de manantial en las cuencas hidrográficas.