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.