Everglades Ridge, Slough, and Tree Island Mosaics: Year 2 Annual Report

Status and history of the Ridge-Slough Mosaic The Florida Everglades is a large subtropical wetland with diverse hydrologic, edaphic, and vegetative characteristics. Historically, a significant portion of this system was a slow moving river originating from the Kissimmee River floodplain, flowing into the vast but shallow Lake Okeechobee, and draining south-southwest over extensive peatlands into Florida Bay (McVoy 2011). Human-induced alterations to the hydrologic regime, including reduction, stabilization, and impoundment of water flow through diversion and compartmentalization of water via canals and levees have degraded pre-drainage vegetation patterns and microtopographic structure (Davis and Ogden 1994, Ogden 2005, McVoy 2011). The Everglades peatland emerged 5,000 years ago with the stabilization of sea level at approximately current elevations (Loveless 1959, Gleason and Stone 1994). This, combined with subtropical rainfalls, allowed a vast mass of water to slowly flow over a limestone bedrock platform 160 km long and 50 km wide at a near uniform descent totaling about 6 m, ultimately reaching Florida Bay (Stephens 1956, Gleason and Stone 1994, McVoy 2011). Vegetation quickly colonized the area, and peat, in the absence of adequate respiration, accumulated on the limestone bedrock to a depth of 3-3.7 m (Gleason and Stone 1994, McVoy et al. 2011). The “River of Grass” referenced by Douglas (1947) alludes to the dually intertwined processes of the historic riverine nature of the Everglades and the vast sawgrass (Cladium jamaicense) communities that have dominated the landscape for about the last 1,000 years (Bernhardt and Willard 2009).

Bulk density, and peat and net carbon accumulation of samples from Selwyn lake, Canada

Peat and net carbon accumulation rates in two sub-arctic peat plateaus of west-central Canada have been studied through geochemical analyses and accelerator mass spectrometry (AMS) radiocarbon dating. The peatland sites started to develop around 6600-5900 cal. yr BP and the peat plateau stages are characterized by Sphagnum fuscum peat alternating with rootlet layers. The long-term peat and net carbon accumulation rates for both profiles are 0.30-0.31 mm/yr and 12.5-12.7 gC/m**2/yr, respectively. These values reflect very slow peat accumulation (0.04-0.09 mm/yr) and net carbon accumulation (3.7-5.2 gC/m**2/yr) in the top rootlet layers. Extensive AMS radiocarbon dating of one profile shows that accumulation rates are variable depending on peat plateau stage. Peat accumulation rates are up to six times higher and net carbon accumulation rates up to four times higher in S. fuscum than in rootlet stages. Local fires represented by charcoal remains in some of the rootlet layers result in very low accumulation rates. High C/N ratios throughout most of the peat profiles suggest low degrees of decomposition due to stable permafrost conditions. Hence, original peat accretion has remained largely unaltered, except in the initial stages of peatland development when permafrost was not yet present.

(Table 1) Stable oxygen and carbon isotopic ratios of tree rings, and tree ring width of white spruce (Picea glauca), Ennadai Lake

Stable isotope ratios from tree rings and peatland mosses have become important proxies of past climate variations. We here compare recent stable carbon and oxygen isotope ratios in cellulose of tree rings from white spruce (Picea glauca), growing near the arctic tree line; and cellulose of Sphagnum fuscum stems, growing in a hummock of a subarctic peatland, in west-central Canada. Results show that carbon isotopes in S. fuscum correlate significantly with July temperatures over the past ~20 yr. The oxygen isotopes correlate with both summer temperature and precipitation. Analyses of the tree-ring isotopes revealed summer temperatures to be the main controlling factor for carbon isotope variations, whereas tree-ring oxygen isotope ratios are controlled by a combination of spring temperatures and precipitation totals. We also explore the potential of combining high-frequency (annual) climate signals derived from long tree-ring series with low-frequency (decadal to centennial) climate signals derived from the moss remains in peat deposits. This cross-archive comparison revealed no association between the oxygen isotopes, which likely results from the varying sensitivity of the archives to different seasons. For the carbon isotopes, common variance could be achieved through adjustments of the Sphagnum age model within dating error.

Hydrological and economic effects of oil palm cultivation in Indonesian peatlands

Oil palm has increasingly been established on peatlands throughout Indonesia. One of the concerns is that the drainage required for cultivating oil palm in peatlands leads to soil subsidence, potentially increasing future flood risks. This study analyzes the hydrological and economic effects of oil palm production in a peat landscape in Central Kalimantan. We examine two land use scenarios, one involving conversion of the complete landscape including a large peat area to oil palm plantations, and another involving mixed land use including oil palm plantations, jelutung (jungle rubber; (Dyera spp.) plantations, and natural forest. The hydrological effect was analyzed through flood risk modeling using a high-resolution digital elevation model. For the economic analysis, we analyzed four ecosystem services: oil palm production, jelutung production, carbon sequestration, and orangutan habitat. This study shows that after 100 years, in the oil palm scenario, about 67% of peat in the study area will be subject to regular flooding. The flood-prone area will be unsuitable for oil palm and other crops requiring drained soils. The oil palm scenario is the most profitable only in the short term and when the externalities of oil palm production, i.e., the costs of CO2 emissions, are not considered. In the examined scenarios, the social costs of carbon emissions exceed the private benefits from oil palm plantations in peat. Depending upon the local hydrology, income from jelutung, which can sustainably be grown in undrained conditions and does not lead to soil subsidence, outweighs that from oil palm after several decades. These findings illustrate the trade-offs faced at present in Indonesian peatland management and point to economic advantages of an approach that involves expansion of oil palm on mineral lands while conserving natural peat forests and using degraded peat for crops that do not require drainage.

Rôle des nutriments dans l’enracinement et le rendement en fruits chez la chicouté (Rubus chamaemorus)

La chicouté (Rubus chamaemorus L.) pousse naturellement dans les tourbières ombrotrophes. La culture de la chicouté dans les tourbières en fin d’exploitation serait très intéressante afin de maintenir des activités économiques sur ces sites ainsi que d’améliorer la disponibilité de ce petit fruit pour une future commercialisation. L’implantation de cette culture fait toutefois face à certains problèmes tels la faible survie des boutures au cours de la première année et un rendement fruitier très variable. Des essais de fertilisation et d’application d’auxine ont été réalisés pour augmenter la production de racines sur les boutures de rhizome au moment de la plantation afin de réduire leur mortalité. La fertilisation a permis d’augmenter la longueur des racines, mais seulement à la fin de la saison. Les fertilisants ont également stimulé la croissance des plants. Par contre, les concentrations d’auxine utilisées ont entraîné une très forte mortalité des boutures de chicouté. Aucun de ces traitements n’a permis d’augmenter la survie des boutures lors de la plantation. Afin de mieux comprendre les limitations nutritives liées aux faibles rendements fruitiers, nous avons utilisé une analyse compositionnelle (CND) nous permettant d’identifier les débalancements nutritifs. Cette analyse a montré que les parcelles moins productives sont caractérisées par une concentration foliaire plus élevée en manganèse, fer, soufre et cuivre. Les résultats de ce projet de maîtrise vont permettre d’améliorer la régie de fertilisation lors de la plantation de la chicouté en tourbière résiduelle, mais d’autres recherches doivent être menées afin de réduire la mortalité des boutures lors de la plantation.

Dynamique de l'oxygène et l'activité microbienne dans les lacs de fonte du pergélisol subarctique

Les lacs de thermokarst (lacs peu profonds créés par le dégel et l’érosion du pergélisol riche en glace) sont un type unique d’écosystèmes aquatiques reconnus comme étant de grands émetteurs de gaz à effet de serre vers l’atmosphère. Ils sont abondants dans le Québec subarctique et ils jouent un rôle important à l’échelle de la planète. Dans certaines régions, les lacs de thermokarst se transforment rapidement et deviennent plus grands et plus profonds. L’objectif de cette étude était d’améliorer la compréhension et d’évaluer quelles variables sont déterminantes pour la dynamique de l’oxygène dans ces lacs. C’est pourquoi j’ai examiné les possibles changements futurs de la dynamique de l’oxygène dans ces lacs dans un contexte de réchauffement climatique. Une grande variété de méthodes ont été utilisées afin de réaliser cette recherche, dont des analyses in situ et en laboratoire, ainsi que la modélisation. Des capteurs automatisés déployés dans cinq lacs ont mesuré l’oxygène, la conductivité et la température de la colonne d’eau en continu de l’été 2012 jusqu’à l’été 2015, à des intervalles compris entre 10 à 60 minutes. Des analyses en laboratoire ont permis de déterminer la respiration et les taux de production bactériens, les variables géochimiques limnologiques, ainsi que la distribution de la production bactérienne entre les différentes fractions de taille des communautés. La température de l’eau et les concentrations d’oxygène dissous d’un lac de thermokarst ont été modélisées avec des données du passé récent (1971) au climat futur (2095), en utilisant un scénario modéré (RCP 4.5) et un scénario plus extrême (RCP 8.5) de réchauffement climatique. Cette recherche doctorale a mis en évidence les conditions anoxiques fréquentes et persistantes présentes dans de nombreux lacs de thermokarst. Aussi, ces lacs sont stratifiés pendant l’hiver comme des concentrations élevées d’ions s’accumulent dans leurs hypolimnions à cause de la formation du couvert de glace (cryoconcentration) et de la libération des ions avec la respiration bactérienne. Les différences de température contribuent également à la stabilité de la stratification. La dynamique de mélange des lacs de thermokarst étudiés était contrastée : la colonne d’eau de certains lacs se mélangeait entièrement deux fois par année, d’autres lacs se mélangeaient qu’une seule fois en automne, alors que certains lacs ne se mélangeaient jamais entièrement. Les populations bactériennes étaient abondantes et très actives, avec des taux respiratoires comparables à ceux mesurés dans des écosystèmes méso-eutrophes ou eutrophes des zones tempérées de l’hémisphère nord. L’érosion des matériaux contenus dans le sol des tourbières pergélisolées procure un substrat riche en carbone et en éléments nutritifs aux populations bactériennes, et ils constituent des habitats propices à la colonisation par des populations de bactéries associées aux particules. Le modèle de la concentration d’oxygène dissous dans un lac a révélé que le réchauffement des températures de l’air pourrait amincir le couvert de glace et diminuer sa durée, intensifiant le transfert de l’oxygène atmosphérique vers les eaux de surface. Ainsi, la concentration en oxygène dissous dans la colonne d’eau de ce lac augmenterait et les périodes de conditions anoxiques pourraient devenir plus courtes. Finalement, cette thèse doctorale insiste sur le rôle des lacs de thermokarst comme des réacteurs biogéochimiques pour la dégradation du carbone organique, qui était retenu dans les sols gelés, en gaz à effet de serre libérés dans l’atmosphère. L’oxygène est un indicateur sensible du mélange de la colonne d’eau et de la dynamique chimique des lacs, en plus d’être une variable clé des processus métaboliques.

Modelling global pyrogeography using data derived from satellite imagery

Doutoramento em Engenharia Florestal e dos Recursos Naturais - Instituto Superior de Agronomia - UL

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

Paléoécologie d’une tourbière à pergélisol en dégradation du sud des Territoires du Nord-Ouest : implications pour le cycle du carbone

Les tourbières ont contribué à refroidir le climat terrestre pendant l’Holocène en accumulant un réservoir de carbone important. Dans la forêt boréale canadienne, les sols gelés en permanence (pergélisols) sont répandus et ceux-ci sont principalement localisés dans les tourbières où ils forment des plateaux surélevés. Le dégel du pergélisol, causé entre autres par le réchauffement atmosphérique ou d’autres perturbations, provoque l’effondrement des plateaux et la saturation en eau du sol ce qui modifie entre autres le couvert végétal et le cycle du carbone. Les modélisations suggèrent que les latitudes nordiques seront les plus affectées par le réchauffement climatique alors qu’on y observe déjà un recul du couvert du pergélisol. Il est primordial de comprendre comment le dégel du pergélisol affecte la fonction de puits de carbone des tourbières puisque des rétroactions sur le climat sont possibles si une grande quantité de gaz à effet de serre est émise ou séquestrée. J’utilise une chronoséquence représentant le temps depuis le dégel d’un plateau de pergélisol des Territoires du Nord-Ouest pour comprendre les facteurs influençant l’aggradation et la dégradation du pergélisol dans les tourbières et évaluer l’effet du dégel sur l’accumulation de carbone et la préservation du carbone déjà accumulé. Les taux d’accumulation de carbone associés à la présence de pergélisol dans le passé et au présent sont lents, et la tourbe est moins décomposée dans les secteurs ayant été affectés plus longtemps par le pergélisol. En somme, le pergélisol réduit l’accumulation de carbone en surface mais permet une meilleure préservation du carbone déjà accumulé.

Plant-mediated effects on microbial diversity in mesocosms of an oligotrophic bog

Globally, peatlands occupy a small portion of terrestrial land area but contain up to one-third of all soil organic carbon. This carbon pool is vulnerable to increased decomposition under projected climate change scenarios but little is known about how plant functional groups will influence microbial communities responsible for regulating carbon cycling processes. Here we examined initial shifts in microbial community structure within two sampling depths under plant functional group manipulations in mesocosms of an oligotrophic bog. Microbial community composition for bacteria and archaea was characterized using targeted 16S rRNA Illumina gene sequencing. We found statistically distinct spatial patterns between the more shallow 10-20 cm sampling depth and the deeper 30-40 cm depth. Significant effects by plant functional groups were found only within the 10-20 cm depth, indicating plant-mediated microbial community shifts respond more quickly near the peat surface. Specifically, the relative abundance of Acidobacteria decreased under ericaceous shrub treatments in the 10-20 cm depth and was replaced by increased abundance of Gammaproteobacteria and Bacteroidetes. In contrast, the sedge rhizosphere continued to be dominated by Acidobacteria but also promoted an increase in the relative recovery of Alphaproteobacteria and Verrucomicrobia. These initial results suggest microbial communities under ericaceous shrubs may be limited by anaerobic soil conditions accompanying high water table conditions, while sedge aerenchyma may be promoting aerobic taxa in the upper peat rhizosphere regardless of ambient soil oxygen limitations.

IONIC LIQUID EXTRACTION UNVEILS PREVIOUSLY OCCLUDED HUMICBOUND IRON IN PEAT POREWATER

Extracellular iron reduction has been suggested as a candidate metabolic pathway that may explain a large proportion of carbon respiration in temperate peatlands. However, the o-phenanthroline colorimetric method commonly employed to quantitate iron and partition between redox species is known to be unreliable in the presence of humic and fulvic acids, both of which represent a considerable proportion of peatland dissolved organic matter. We propose ionic liquid extraction as a more accurate iron quantitation and redox speciation method in humic-rich peat porewater. We evaluated both o-phenanthroline and ionic liquid extraction in four distinct peatland systems spanning a gradient of physico-chemical conditions to compare total iron recovery and Fe2+:Fe3+ ratios determined by each method. Ionic liquid extraction was found to provide more accurate iron quantitation and speciation in the presence of dissolved organic matter. A multivariate approach utilizing fluorescence- and UV-Vis spectroscopy was used to identify dissolved organic matter characteristics in peat porewater that lead to poor performance of the o-phenanthroline method. Where these interferences are present, we offer an empirical correction factor for total iron quantitation by o-phenanthroline, as verified by ionic liquid extraction. The written work presented in this thesis is in preparation for submission to Soil Biology and Biochemisrty by T.J. Veverica, E.S. Kane, A.M. Marcarelli, and S.A. Green.

Influence of Vegetation Removal and Altering Water Levels on CO2 Flux Rates of a Northern Bog

Boreal peatlands contain approximately one third of the global soil carbon and are considered net sinks of atmospheric CO2. Water level position is one of the main regulators of CO2 fluxes in northern peatlands because it controls both the thickness of the aerobic layer in peat and plant communities. However, little is known about the role of different plant functional groups and their possible interaction with changing water level in boreal peatlands with regard to CO2 cycling. Climate change may also accelerate changes in hydrological conditions, changing both aerobic conditions and plant communities. To help answer these questions, this study was conducted at a mesocosm facility in Northern Michigan where the aim was to experimentally study the effects of water levels, plant functional groups (sedges, shrubs and mosses) and the possible interaction of these on the CO2 cycle of a boreal peatland ecosystem. The results indicate that Ericaceous shrubs are important in the boreal peatland CO2 cycle. The removal of these plants decreased ecosystem respiration, gross ecosystem production and net ecosystem exchange rates, whereas removing sedges did not show any significant differences in the flux rates. The water level did not significantly affect the flux rates. The amount of aboveground sedge biomass was higher in the low water level sedge treatment plots compared to the high water level sedge plots, possibly because the lowered water level and the removal of Ericaceae released nutrients for sedges to use up.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

Paléoécologie d’une tourbière à pergélisol en dégradation du sud des Territoires du Nord-Ouest : implications pour le cycle du carbone

Les tourbières ont contribué à refroidir le climat terrestre pendant l’Holocène en accumulant un réservoir de carbone important. Dans la forêt boréale canadienne, les sols gelés en permanence (pergélisols) sont répandus et ceux-ci sont principalement localisés dans les tourbières où ils forment des plateaux surélevés. Le dégel du pergélisol, causé entre autres par le réchauffement atmosphérique ou d’autres perturbations, provoque l’effondrement des plateaux et la saturation en eau du sol ce qui modifie entre autres le couvert végétal et le cycle du carbone. Les modélisations suggèrent que les latitudes nordiques seront les plus affectées par le réchauffement climatique alors qu’on y observe déjà un recul du couvert du pergélisol. Il est primordial de comprendre comment le dégel du pergélisol affecte la fonction de puits de carbone des tourbières puisque des rétroactions sur le climat sont possibles si une grande quantité de gaz à effet de serre est émise ou séquestrée. J’utilise une chronoséquence représentant le temps depuis le dégel d’un plateau de pergélisol des Territoires du Nord-Ouest pour comprendre les facteurs influençant l’aggradation et la dégradation du pergélisol dans les tourbières et évaluer l’effet du dégel sur l’accumulation de carbone et la préservation du carbone déjà accumulé. Les taux d’accumulation de carbone associés à la présence de pergélisol dans le passé et au présent sont lents, et la tourbe est moins décomposée dans les secteurs ayant été affectés plus longtemps par le pergélisol. En somme, le pergélisol réduit l’accumulation de carbone en surface mais permet une meilleure préservation du carbone déjà accumulé.