Factors driving the biogeochemical budget of the Amazon River and its statistical modelling

The seasonal and interannual fluctuations of the biogeochemical budget (solutes, suspended matter, isotopes) of the Amazon River basin were analyzed, with a special focus on 44 physicochemical parameters monitored over the period 1982–1984 during the Carbon in the AMazon River Experiment (CAMREX) project. The relevant factors driving this variability were identified and sorted through the implementation of a statistical-regressive model coupled to variance analysis. Basically, the compositional fluctuations in the Amazon River are related (1) to the variable contribution of major tributaries (variable regional source) to the river flow but also (2) to the variable contribution of hydrological sources, (3) to river processes, i.e. in-stream diagenesis and sediment dynamics and (4) to the hydrological budget of the floodplains. Their respective contributions to the variability of chemical signals observed in the stream waters depend on which parameter was investigated but their combination explains on average 85% of the observed variability. The variability related to regional sources was captured by the compared measures of flow discharge and biogeochemical fluxes at the outlet of the major tributaries. The variability of hydrological sources was described by the variable contribution of three runoffs of distinct but constant composition: forwarded direct runoff, delayed floodplain runoff and baseflow. Several methods were tested to depict the seasonal and interannual variations of their individual discharges. Biologically-mediated processes were related to a hydrobiological index IBIO = [O2]–[CO2] which allows tracking the nature of the dominant ecological regime (autotrophy vs. heterotrophy). The alteration of chemical signals related to the intermittent discharge of the floodplains (where specific processes occur such as: gas exchanges at the air–water interface, sorption of dissolved organic matter, chemical weathering, deposition vs. remobilization of sediments, etc.) was simulated by taking into account the default of hydrological balance between inflows and outflows, used as a marker of floodplains discharge. This analysis shows that the chemical baseline observed in the waters of the Amazon River is mostly acquired upstream from the junction of major tributaries with the Amazon main reach.

RésuméLes fluctuations saisonnières et interannuelles du bilan biogéochimique (solutés, matière particulaire, isotopes) du fleuve Amazone ont été analysées, avec une attention particulière apportée à 44 paramètres physicochimiques mesurés entre 1982 et 1984 dans le cadre du programme CAMREX. Les facteurs exerçant une influence significative sur cette variabilité ont été identifiés et hiérarchisés par le biais d’un modèle statistique couplé à une analyse de variance. Les variations de composition des eaux de l’Amazone sont fondamentalement associées (1) à la contribution variable de ses affluents majeurs (source régionale variable) au débit total, mais aussi (2) à la contribution variable des pôles de mélange hydrologiques, (3) à des processus fluviaux correspondant au régime hydrobiologique et à la dynamique sédimentaire et (4) au bilan hydrologique des plaines d’inondation. Leurs contributions respectives à la variabilité des signaux chimiques observés dans les eaux du fleuve dépendent du paramètre considéré, mais leur combinaison explique en moyenne 85 % de la variabilité observée. La variabilité associée aux contributions régionales variables est appréhendée en procédant aux bilans entrées–sorties des débits et flux biogéochimiques. La variabilité de contribution des pôles de mélange est décrite par la contribution variable de trois écoulements de compositions distinctes mais constantes : l’écoulement direct à expression précoce, l’écoulement local de vidange alluviale à expression différée et l’écoulement de base. Douze méthodes ont été testées afin de décrire les variations saisonnières et interannuelles des débits individuels de chaque pôle de mélange. Les processus contrôlés par le vivant sont appréhendés à partir d’un indice hydrobiologique IBIO = [O2]–[CO2] qui permet de déterminer la nature du régime hydro-écologique dominant (autotrophe vs. hétérotrophe). L’altération des signaux chimiques générée par la vidange intermittente des plaines d’inondation (au niveau desquelles ont lieu des processus spécifiques : échanges gazeux, sorption de matière organique dissoute, érosion chimique, dépôt vs. remise en suspension de sédiments, etc.) est simulée en prenant en compte le défaut de bilan hydrologique entrées–sorties utilisé comme marqueur de débit des plaines d’inondation. Cette analyse montre que le bruit de fond chimique observé dans les eaux du fleuve Amazone est principalement acquis en amont des confluences entre le tronçon fluvial étudié et les principaux affluents qui l’alimentent.