Recent increases in atmospheric carbon dioxide caused by the combustion of fossil fuels and tropical deforestation may result in global warming. Carbon accumulation by regrowing temperate forests, in regions such as the southeastern United States, may have been extensive enough to counterbalance releases of carbon from the tropics. In the Virginia Piedmont, large amounts of carbon have accumulated in phytomass and detritus of loblolly pine (Pinus taeda) plantations and natural forests regrowing on post-agricultural fields. After 50 years, carbon in phytomass of old field plantations was 200,000 kg/ha, twice the amount accumulated by natural forests. Detrital carbon accumulations totaled over 100,000 kg/ha, but were dependent upon amounts of erosional loss prior to reforestation. The forested land area in the southeastern United States has stabilized, and forest conversion is now the primary form of reforestation. Therefore, the region's ability to continue to store carbon has been questioned. Still, the phytomass of late-rotation converted plantations stored 200,000 kg carbon/ha, twice the amount of the natural forests they replaced. In addition, while the harvest of natural forests resulted in small reductions in detrital carbon, it was rapidly restored to over 100,000 kg/ha within 30 years. Houghton et al. (1983) developed a series of models describing carbon dynamics during reforestation. My data show that patterns of carbon accumulation exhibited by regrowing loblolly pine plantations are different from their models. Therefore, modifications of the models are suggested to improve estimates of carbon storage in temperate forests. / Master of Science

Carbon (C) biogeochemical cycling studies in northern peatlands, in particular the production, consumption, storage and emission of C gases (CO2 and CH4) over space and time between different peatland landforms can help in understanding their current and future role in the global C cycle. In some peatlands, a distinct surface patterning of vegetation, interspersed with open water pools, controls the spatial and temporal variability in CO 2 and CH4 exchange to atmosphere. These open water pools initially develop from shallow, flooded hollows to deeper water bodies and at some point reach a limit in their depth. Observations link pool size to age and spatial location on the peatland surface and over time the proportional cover of pools increases, playing an important role in the long-term peatland C balance. / The processes responsible for the production of CO2 and CH 4 in pools remain unexplored. In particular, the contribution of pools to the peatland C balance over the timeframe of the development of a pool complex is not explained and pools are not incorporated into current peatland models. A field study was carried out to examine the exchange of CO2 and CH4 from pools to atmosphere and to explore the spatial and temporal dynamics in CO2, CH4 and DOC storage in pools of different size and spatial location. This was undertaken to improve the understanding of the processes responsible for the generation of CO 2 and CH4 over the timescale of pool development. The empirical study was carried out during spring, summer and fall over two years in an ombrotrophic, raised bog, Quebec, Canada. A modelling component was carried out to examine the contribution of pools to the long-term peatland C balance. / Measurements of dissolved concentrations and emissions of CO2 and CH4 from pool surfaces to atmosphere were different among pools of different sizes and spatial location. Shallow pools had consistently higher emissions of both CO2 and CH4 and higher water column dissolved CO2 and DOC concentrations. Deeper pools had greater concentrations of sediment CH4. Dissolved organic carbon in pools was allochthonous, with a greater concentrations and proportion from higher plant materials in shallow pools, likely contributing to the observed water column CO2 concentrations and greater CO2 emissions. / All pools were supersaturated with dissolved CO2 and CH 4 at the time of sampling, with shallow pools up to eight times atmospheric equilibrium concentrations for CO2 and concentrations were up to one hundred times greater than CH4, comparable to findings in other global freshwater systems. Results suggest that greater decomposition is occurring in shallow pools due to warmer water and basal sediment temperatures and increased light penetration and dissolved oxygen (00) and that greater CH4 production and oxidation accounts for some of the differences reaching a limit at 0.7 m deep. Even though this range of pools are not as deep as pools found on other northern peatlands, the results provide evidence for the potential processes responsible for the generation of CO2 and CH4 emissions to atmosphere and demonstrate that pools have a significant role in the short and long-term peatland C balance. Modelling the hypothesised processes responsible for the generation of CO2 and CH4 shows that if sediment decomposition is the major source of these gases then the dynamical link between pool sediments, C gas production and pool growth has been demonstrated. Ultimately their role as source or sink is largely determined by their size (depth), the proportional cover on the landscape and their rates of C storage in sediments versus rates of C uptake and exchange.

Accurate estimation of Net Primary Productivity (NPP), which is a key component of the terrestrial carbon cycle, is very important in studies of global climate. Ecosystem models have been used for NPP estimates. Determining how much each source of uncertainty contributes to modeled NPP is veiy important before ecosystem models can be used with confidence over larger areas and time periods. This research has systematically evaluated the boreal ecosystem productivity simulator (BEPS) carbon model in mountainous terrain, Kananaskis, Alberta. After parameterization of the model, sensitivity analysis was conducted as a controlled series of experiments involving sensitivity simulations with BEPS by changing a model input value in separate model runs. The results showed that NPP was sensitive to most model inputs measured in the study area, but that the most important input variables for BEPS were LAI and forest species. In addition, the NPP uncertainty resulting from topographic influence was approximately 3.5 %, which is equivalent to 140 kg C ha"1 yr"1. This suggested that topographic correction for the model inputs was also important for accurate NPP estimation. Using the topographically corrected data, the carbon dynamics were simulated, and average annual NPP production by forests in Kananaskis was estimated at 4.01 T ha"1 in 2003. / xix, 117 leaves : col. ill. ; 29 cm.

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Much of the current research into the processing and storage of carbon (C) in small lakes has focused on arctic and boreal lake systems, due to their global abundance. However this has led to an imbalance in the interpretation of lake functioning. Oligotrophic lakes are prevalent in the arctic and boreal zone, but are typically net heterotrophic due to loading of catchment-derived dissolved organic carbon (DOC) which alters their metabolic balance. In comparison, temperate lake systems tend to be more nutrient rich, typically due to anthropogenic activity, and would therefore be expected to exhibit the signs of net autotrophy, as a result of higher rates of gross primary production (GPP) and lower rates of catchment-derived DOC potentially subsidising respiration (R). In order to test the hypothesis that temperate, eutrophic lakes are net autotrophic (GPP > R) on an annual basis the C-dynamics of Rostherne Mere (maximum depth, zm, 31 m) and Tatton Mere (zm = 11 m), two monomictic Cheshire-Shropshire meres, were quantified over an 18 months period from 2010 2012. This monitoring study used high-resolution (hourly) oxygen (O2) sonde measurements, combined with high-resolution data from an automated on-lake monitoring buoy at Rostherne Mere (as part of the national UKLEON lake network) to calculate rates of epilimnion C-fixation. For both lakes, sediment traps were also used to determine water column C-flux and sediment core data to establish C-burial efficiency of these strongly stratifying lakes. Water column profiles of dissolved O2 and CO2 was also measured at 2 4 weekly intervals across both lakes. Particular attention was focused on: i) the long term C-storage of eutrophic, monomictic lakes; ii) up-scaling C-accumulation estimates from these two meres to the Cheshire-Shropshire meres region and all UK eutrophic waters; and iii) methodological sensitivity for estimating C-fixation, flux and burial efficiency and upscaling C-accumulation estimates. The results show that both lakes are net autotrophic on an annual basis, on average fixing 121 ± 2 g C m-2 yr-1 and sequestering 68 ± 4 g C m-2 yr-1, a C-burial efficiency of ~60%. If up-scaled to the Cheshire-Shropshire meres region, annual C-accumulation was estimated to be 506 ± 32 t C yr-1 or 0.05 ± 0.001 Mt C since 1900. From this, it was estimated that UK eutrophic waters could be sequestering 0.12 ± 0.01 Mt C yr-1 or 13.3 ± 0.2 Mt C since 1900. Annual UK CO2 emissions are ~128.85 Mt C yr-1, therefore UK eutrophic waters currently offset 0.09% of yearly UK CO2 emissions. Despite the finding that eutrophic, stratifying lakes have high C-fixation and sequestration values, lakes in other areas of the globe such as the arctic and boreal zones are typically a more important long term C-sink as they are far more abundant within the landscape and local soils are typically very poor within low C retention rates. Further investigation is needed into how lakes function on a regional and national scale, the importance of lake type and number when up-scaling C accumulation estimates and the potential impact on future C accumulation as a result of a changing environment and supra-regional policies in areas such as Europe.

Les coccolithophoridés sont des algues marines photosynthétiques et planctoniques qui produisent des plaques micrométriques de carbonate de calcium (CaCO3) appelés coccolithes. Ces algues sont apparues il y 210 Ma et produisent actuellement la majeure partie du CaCO3 dans les océans modernes, jouant ainsi un rôle majeur dans le cycle du carbone. Cependant, l’émergence de la production de CaCO3 océanique par les coccolithophoridés au cours du Jurassique, ainsi que son impact sur le cycle du carbone, restent très mal compris. Cette étude s’est donc focalisée sur une période du Jurassique Moyen (Bajocien inférieur, -170 Ma) enregistrant la diversification de Watznaueria, un genre de coccolithophoridé qui a ensuite dominé la production de CaCO3 océanique pendant plus de 80 Ma. L’analyse des assemblages de coccolithes du Jurassique Moyen du Portugal et du sud de la France, réalisée à l’aide d’une méthode de reconnaissance automatique appliquée pour la première fois aux coccolithes du Jurassique, a permis de quantifier l’importance de cette période de diversification sur la production de CaCO3 pélagique. En outre, la durée de cet intervalle clé a été réévaluée grâce à l’analyse cyclostratigraphique des séries sédimentaires du Sud de la France. Les variations de production de CaCO3 pélagique ainsi reconstituées ont été comparées aux perturbations du cycle du carbone enregistrées par les rapports des isotopes du carbone, et indiquent un lien probable avec une augmentation marquée de la fertilité des océans. Par ailleurs, l’analyse paléontologique montre que cette diversification correspond à l’apparition successive de différentes espèces vraisemblablement opportunistes du genre Watznaueria. Enfin, les flux obtenus de CaCO3 pélagiques, largement inférieurs à ceux observés dans les océans actuels, semblent insuffisants pour avoir eu une influence significative sur le cycle global du carbone du Jurassique Moyen. / Coccolithophorids are photosynthetic and planktonic marine algae that produce micrometric calcium carbonate (CaCO3) platelets called coccoliths. These algae appeared about 210 Ma ago and produce today most of the CaCO3 in the modern oceans, hence playing a major role in the carbon cycle. Nevertheless, the onset of oceanic CaCO3 production by these organisms during the Jurassic and its impact on carbon cycling remain poorly understood. This study therefore focused on the Middle Jurassic interval (Early Bajocian, -170 Ma) which records the diversification of Watznaueria, an evolutionary important coccolith genus that subsequently dominated oceanic CaCO3 production for more than 80 Myr. The analysis of coccolith assemblages from the Middle Jurassic of southern France and Portugal, based on an automaticcoccolith recognition device used for the first time on Jurassic coccoliths, allowed quantifying the impact of this diversification on CaCO3 production. In addition, the duration of this key interval has been revaluated by the cyclostratigraphic analysis of sedimentary strata from southern France. The reconstructed changes in CaCO3 production were compared to carbon cycle perturbations recorded by carbon isotope ratios and indicate a probable link with a marked increase of ocean fertility. Besides, paleontological analyses show that this diversification episode correspond to the successive appearance of different, probably opportunistic Watznaueria species. The obtained fluxes of pelagic CaCO3 production, by far lower than those recorded in modern oceans, seems too low to have significantly impacted theMiddle Jurassic carbon cycle.

Diverse Studien deuten darauf hin, daß das wichtigste Instrumentarium für die Wirkung der Artenvielfalt auf die Funktionen eines Ökosystems die Nischen-Komplementarität ist, aber auch daß es sehr schwierig ist diese wechselseitige Ergänzung und ihre wesentlichen Mechanismen zwischen den Pflanzenarten zu verstehen. Der Grundgedanke der Nischendifferenzierung ist, daß individuelle Arten mit sich ergänzenden Nischen die in einem Ökosystem vorhandenen Ressourcen besser nutzen, um eine höhere primäre Produktivität zu erreichen als in Monokulturen. Darum haben wir uns auf die Unterschiede in der ober- und unterirdischen Verteilung von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) zwischen Buche und Esche als ein Mechanismus der Nischendifferenzierung in Wäldern konzentriert. Die artenspezifische Rhizodeposition und der Stickstoffernährungszustand und die damit verbundene mikrobielle Aktivität spielen genauso wie die beteiligte Bodenfauna eine erhebliche Rolle im C und N Kreislauf des Baum-Boden Systems. Das Interesse der Forschungsvorhaben in den letzten Jahrzehnten bezog sich auf Laubwälder als wichtige Speicher für atmosphärisches CO2 und Baumarten die in der Lage sind diese Funktion zu verbessern. Derzeit haben wir umfassendere Kenntnisse über die Bedeutung von Streu von einzelnen Baumarten auf die Kohlenstoff- und Nährstoffdynamik im Laubwald als über wurzelbezogene Effekte. Wurzelbürtiger C und N werden in den Boden als Exsudate, Verlust durch Auslaufen oder zerfallendes Wurzelmaterial abgegeben. Hier regen sie einerseits mikrobielles Wachstum und Aktivität in der Rhizosphäre an und kontrollieren andererseits den C und N Umsatz in der Nahrungskette im Boden. Dennoch fehlt uns das Verständnis wie sich spezielle Arten auf die Menge des pflanzenbürtigen C und N auswirken und somit die Aktivität von Bodenorganismen in Laubwäldern der gemäßigten Zone beeinflussen. Aus diesem Grund erforscht diese Dissertation die Effekte von Buche und Esche auf den C und N Kreislauf und seine Dynamik im Baum und weiterhin den Zusammenhang zwischen Nährstoffen und Mikroben, mit Fokus auf Mycorrhiza und Bodenfauna. Die stabile Isotopenanalyse wurde vermehrt eingesetzt um C und N Nährstoffkreisläufe und ihre Struktur, Mengen und die zugrunde liegenden Mechanismen zu untersuchen, und sogar um Prozesse in natürlichen Ökosystemen im Fließgleichgewicht verfolgen zu können. Trotzdem ist diese Methode bisher noch nicht angewandt worden um die artspezifische C und N Dynamik in Laubwäldern in allen wesentlichen Kompartimenten ober- und unterirdisch zu beschreiben. Deshalb koordinierte ich ein Pulse Markierungsexperiment im National Park Hainich, bei dem 13CO2 und Ca(15NO3)2 auf das Laubdach von Buche und Esche aufgebracht wurde, um die C und N Verteilung von oben bis in den Boden genauer untersuchen zu können. Die Aufnahme und Verteilung von C und N in den verschieden Baumkompartimenten und der wurzelbürtige C und N in der Nahrungskette im Boden wurden 60 Tage lang untersucht. Buche assimilierte zweimal so viel 13CO2 wie Esche (20 bzw. 9%) und transportierte das aufgenommene C und N schneller in den Boden als Esche. Die von den Blättern aufgenommene Menge 15N (45%) war ähnlich in beiden Baumarten. Esche jedoch akkumuliert bevorzugt 15N und 13C in der Wurzel während Buche gibt mehr von dem anfangs assimilierten 13C und aufgenommenen 15N via Rhizodeposition an den Boden abgibt, welcher dann anschließend in der mikrobiellen Biomasse wieder gefunden werden konnte. Deshalb wurde auch mehr wurzelbürtiger N in die Bodenfauna unter Buche eingebaut als unter Esche, somit ist der Eintrag von Wurzelstickstoff in die Bodenfauna baumartspezifisch. Aufgrund der Tatsache, daß pflanzenbürtiger C und N in den Mesofauna Zersetzern wiedergefunden werden konnte, ist nicht nur bewiesen worden, daß ein C Transport von den Pilzen und der mikrobiellen Biomasse zu der nächst höheren trophischen Ebene stattfindet, sondern auch, daß die artspezifische Wurzel N Deposition einen Einfluss auf das Nahrungsnetz im Boden hat. Zusätzlich wurde die Tracer Wiederfindung im Boden und in der mikrobiellen Biomasse dreidimensional (vertikal und horizontal) bestimmt; diese zeigte horizontal eine homogene Verteilung bis zu 55 cm vom Stamm aber vertikal eine artspezifische Verteilung. Die Verteilung von13C und 15N war mit zunehmender Bodentiefe (0 - 30 cm) unter Buche abnehmend, doch Esche gab mehr 13C in die Tiefe von 10-20 cm in den Boden ab. Diese Ergebnisse reflektieren die Unterschiede in der Wurzelmorphologie von Buche und Esche und zeigten nochmals den Baumarteneffekt auf den C und N Kreislauf im Boden. Neben dem hauptsächlichen Feldversuch wurde ein Laborversuch durchgeführt. Dieses Experiment adressierte besonders den Baumarteneffekt auf die dazugehörigen mikrobiellen Gruppen, welche mit der 13CO2 Isotopenmarkierungsmethode an 1m hohen Buchen und Eschen identifiziert wurden. Die 13C Aufnahme in die Phospholipid Fettsäuen (PLFA) reflektierte, daß die Verwendung der Rhizodeposite von einzelnen mikrobiellen Gruppen stark von der Baumart beeinflusst wurde, obwohl die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft sich zwischen den untersuchten Baumarten nicht unterschied. Saprotrophe- und Ektomycorrhiza - Pilze von Buche und Esche – aber auch Arbuskuläre Mycorrhiza Pilze und gramnegative Bakterien unter der Esche – zeigten den Hauptteil des in den PLFA wieder gefundenen 13C. Von der pilzlichen PLFA C wurden innerhalb von fünf Tagen 30% durch das 13C aus der Rhizodeposition der Buche ersetzt und 10% aus der Rhizodeposition der Esche, freie assoziierte Bakterien hingegen tauschten nur max. 3% ihrer Membranfette aus. Das deutet darauf hin, dass die direkte Verteilung von C via Mycorrhiza-Symbiose sowohl die unterirdische Verteilung des C in Laubwäldern als auch die C Versorgung von Pilzen dominiert. Weiterhin hat sich die PLFA als eine geeignete Methode erwiesen, um Unterschiede im Kohlenstoffkreislauf von den Bäumen in die verschiedenen Mycorrhizaarten feststellen zu können. Die festgestellten Unterschiede in der 13C Aufnahme und Umsetzung von der ganzen Myco-Rhizosphäre beweisen auch, dass der Kohlenstoffkreislauf im Boden erheblich von der artspezifischen Rhizodeposition und den Verbindungen der Wurzel mit anderen Organismen abhängt. Beim Rezensieren der Rolle von Mycorrhiza in verschieden natürlichen Ökosystemen und der Mycorrhizaarten kam zum Vorschein, dass vermutlich die hohe C Verteilung zu den Pilzpartnern hauptsächlich durch den Phosphorkreislauf gesteuert wird, z.B. als Austausch von C gegen P (Phosphor). Demnach ist der Einfluss der Mycorrhizierung auf den Phosphorkreislauf ein Thema, welches weltweite Relevanz hat und nach mehr Aufmerksamkeit in der zukünftigen Forschung verlangt. Ich habe zwei 15N Pulsmarkierungsexperimente am Blatt durchgeführt um 15N in den unterirdischen Prozessen nach der Rhizodeposition verfolgen zu können. Dadurch konnte man diese Markierungsmethoden für die Produktion von hoch angereicherter Streu für weitere Zersetzungsstudien evaluieren. 15NH4Cl hatte eine höhere Aufnahme und eine homogenere Verteilung zwischen den Baum Kompartimenten in Buche und Esche zur Folge und deswegen ist sie geeigneter für Allokations-Studien. Beide 15N Tracer erlauben in situ Langzeit-Markierungsexperimente der N Rhizodeposition und Allokation im Boden, da sie keinen Schaden an den Blättern hinterlassen. Dennoch ist die Markierung der Blätter mit Ca(15NO3)2 im Vergleich zu 15NH4Cl die bessere Wahl, um hoch 15N angereichertes Blattstreu zu produzieren, da mehr des aufgenommenen 15N in den Blättern verbleibt für langzeitige Streu-Zersetzungs- und Umsatzstudien. Die artspezifische pflanzenbürtige C Allokation und vielleicht auch N Allokation impliziert einen Anstieg der mikrobiellen Aktivität. Das kann vermutlich zu einer höheren unterirdischen N Verfügbarkeit für Pflanzen führen und eine Erklärung für den positiven Effekt der Planzendiversität auf die Produktivität des Waldbestandes aufgrund von Nischen Partitionierung sein. Diese Arten – Nischen Partitionierung zwischen Bäumen könnte nicht nur die Produktivität in natürlichen Ökosystemen erhöhen, sondern auch die Produktivität von auf Holz basierenden Landnutzungssystemen. Deshalb wurde der Stickstoffkreislauf von einer Kurzumtriebsplantage mit einem Markierungsexperiment mit 15NH4NO3 und NH415NO3 an Weiden- und Pappelstecklingen untersucht. Das Experiment untersuchte die N Aufnahme und Allokation im Baum – Boden System von unten, mit Fokus auf die Biomasse und insbesondere auf die Holzproduktion in der anfänglichen Wachstumsphase. Die Weide zeigte keine Präferenz zwischen NH4+ und NO3ˉ, aber es konnte mehr NH4+ als bei der Pappel in den Baumkompartimenten gefunden werden. Die Pappel hingegen produzierte mehr Biomasse in der anfänglichen Wachstumsphase, dennoch ist die Weide möglicherweise die bessere Wahl wenn Nitratüberschuss auf Agrarflächen schnell in Biomasse umgewandelt werden soll. Weitere Experimente, die eine Verknüpfung zwischen pflanzenbürtigem N Eintrag als treibende Kraft für die Zersetzungsaktivität und die Stickstoffaufnahme vom Bodennahrungsnetz und der wachsenden Nachfrage nach Holz untersuchen, sind erforderlich, um die Hauptmechanismen in der Regulation des Stickstoffhaushaltes zu verstehen. Zusammenfassend vertieft diese Dissertation unser Verständnis über Auswirkungen einzelner Arten auf den C und N Kreislauf im Boden. Sie zeigt, dass die Rhizodeposition, die einem baumartspezifischen Einfluss auf den C und N Kreislauf unterliegt, im Besonderen die Aktivität bestimmter mikrobieller und pilzlicher Gruppen verstärkt. Die untersuchten Markierungsmethoden bedürfen weiterer Anwendung in anderen Waldökosystemen und Landnutzungssystemen wie z.B. dem Agroforest.

Il a été récemment montré que le rapport B/Ca des foraminifères planctoniques dépend du pH des eaux de surface, tandis que celui des foraminifères benthiques dépend de la saturation en ions carbonates des eaux de fond. Ce nouveau traceur pourrait permettre de mieux contraindre les variations du cycle océanique du carbone, en particulier lors des changements glaciaire-interglaciaires (G/IG) du Pléistocène. Les objectifs de cette thèse étaient donc (1) de développer l’analyse du B/Ca des foraminifères par spectrométrie de masse (ICP-QMS) au LSCE ; (2) d’identifier certains biais potentiels de ce traceur pour en apprécier les limites; et (3) d’appliquer le B/Ca à des reconstructions paléocéanographiques. Les contaminations et la facilité avec laquelle le bore s’adsorbe (effet mémoire) rendent difficile son analyse dans les coquilles de foraminifères où le rapport B/Ca est faible, typiquement compris autour de ~ 40-120 µmol/mol pour les foraminifères planctoniques et ~ 100-250 µmol/mol pour les foraminifères benthiques. Les techniques de nettoyage des foraminifères et d’analyse par ICP-QMS que j’ai employées et améliorées permettent au final de mesurer le B/Ca des foraminifères avec une précision de l’ordre de 3.5%.A partir de l’étude de sédiments de surface prélevés le long d’un profil bathymétrique dans l’Atlantique (Sierra Leone Rise), j’ai pu montrer que la dissolution des tests de l’espèce planctonique Globigerinoides sacculifer se traduit par une perte préférentielle du bore. La dissolution croissante des coquilles de G. sacculifer le long du profil se traduit ainsi par une diminution de ~ 0.1 unités dans les estimations du pH des eaux de surface à partir du B/Ca, un ordre de grandeur similaire aux variations G/IG. Pour s ‘affranchir de cet effet de la dissolution, je propose une procédure de correction basée sur le B/Ca des foraminifères benthiques (ΔCO₃²⁻ des eaux de fond). Cependant, au-delà de l’effet de la dissolution, la reconstruction du paléo-pH des eaux de surface se heurte surtout aux contradictions des études récentes concernant la calibration du coefficient apparent de partition (KD) du bore dans la calcite des foraminifères planctoniques. Pour s’affranchir de la co-variance de la température, de la salinité et du CO₃²⁻ dans les eaux de surface Atlantique, qui peut masquer le(s) facteur(s) important(s) pour la calibration du KD, j’ai réalisé l’analyse du B/Ca de l’espèce Globigerinoides ruber sur des sommets de carottes de l’Atlantique et de l’Indo-Pacifique. Mes données suggèrent qu’il n’y a pas de relation robuste entre le KD et la température ou le CO₃²⁻ des eaux de surface. Pour souligner les incertitudes sur les reconstructions de paléo-pH depuis le dernier stade glaciaire, j’ai effectué une étude de sensibilité basée sur les données B/Ca de l’espèce G. ruber prélevée dans une carotte du Canal du Mozambique et je propose plusieurs pistes pour tenter d’améliorer, à terme, la compréhension du proxy B/Ca dans les foraminifères planctoniques.Si l’utilisation du B/Ca des foraminifères planctoniques est complexe et demande encore un gros travail de compréhension et de calibration, celle du B/Ca des foraminifères benthiques est plus simple, le B/Ca étant directement lié à la saturation en ions carbonates des eaux de fond. L’analyse du B/Ca de Cibicidoides wuellestorfi à travers deux transitions G/IG (MIS16/15 et MIS12/11) au site ODP 849 (Pacifique équatorial) m’a permis de montrer que les changements de la chimie des eaux de fond estimés à partir de traceurs sédimentaires de la dissolution (e.g. teneur en CaCO3, poids et fragmentation des foraminifères,..) ont des amplitudes erronées et présentent des biais temporels. Les profils de B/Ca et du d13C des foraminifères benthiques permettent de mettre en évidence i) le lien entre dégazage océanique de CO2 et préservation des carbonates et ii) la dynamique de la compensation des carbonates sédimentaires marins. / It has been shown recently that the B/Ca ratio of planktonic foraminifers depends on the seasurface water pH, while benthic foraminifer B/Ca depends on the carbonate ion saturation of deep water. This new tracer could allow to better constrain the variations of oceanic carbon cycle, especially during the glacial-interglacial transitions (G/IG) of the Pleistocene. The objectives of this thesis were therefore : (1) to develop the foraminiferal B/Ca analysis by mass spectrometry (ICP-QMS) at LSCE, (2) to identify some potential biases of this tracer to assess its limits and (3) to apply the B/Ca proxy to paleoceanographic reconstructions. Contaminations and the ease with which the boron may be adsorbed (memory effect) make it difficult to analyze it in foraminifer’s shells, which have low B/Ca, typically in the range ~40-120 µmol/mol for planktonic foraminifers and ~100-250 µmol/mol for benthic foraminifers. Foraminifers cleaning techniques and analysis by ICP-QMS that I used and improved now allow the foraminiferal B/Ca measure with an accuracy of about 3.5%. Based upon the study of surface sediments collected along a depth transect in the Atlantic (Sierra Leone Rise), I was able to show that dissolution of the planktonic species Globigerinoides sacculifer results in the preferential loss of boron. The increasing G. sacculifer dissolution with depth of deposition results, therefore, in a ~0.1 units decrease of the seasurface pH estimated from B/Ca, an order of magnitude similar to the expected G/IG variations. To overcome this dissolution effect, I propose a correction procedure based on the B/Ca of benthic foraminifera (bottom water ΔCO₃²⁻). However, the dissolution effect is not the only problem. When trying to reconstruct surface water paleo-pH, we also have to deal with the severe contradictions between recent studies which dealt with the calibration of the apparent boron partition coefficien (KD) in the calcite of planktonic foraminifers. To overcome the co-variance of temperature, salinity and CO₃²⁻ in Atlantic surface waters, which can mask the real important(s) factor(s) for KD calibration, I analyzed the B/Ca of Globigerinoides ruber picked from both Atlantic and Indo-Pacific core-tops. My data suggest that there is no robust relationship between KD and temperature or CO₃²⁻ water surface. To emphasize the uncertainties on the reconstruction of paleo-pH since the last glacial stage, I conducted a sensitivity test based on G. ruber B/Ca data from a Mozambic Channel core. I propose several ways to try to improve our understanding of the B/Ca proxy in planktonic foraminifers. If the use of planktonic foraminifer B/Ca is complex and still requires some dedicated work to understand the problems and improve the calibrations, the use of benthic foraminifer B/Ca is more simple, the B/Ca being directly related to the carbonate ion saturation of bottom waters. Analyses of Cibicidoides wuellestorfi B/Ca through two G/IG transitions (MIS16/15 and MIS12/11) on ODP Site 849 (equatorial Pacific) allowed me to show that changes in deep water chemistry estimated from the sedimentological dissolution proxies (e.g. %CaCO3, foraminifer shell weight and fragmentation, …) display incorrect amplitudes and temporal biases. Based on the comparison of benthic foraminifer B/Ca and δ¹³C, I was able (i) to highlight the link between oceanic CO2 degassing and deep-sea carbonate preservation in the Pacific and (ii) better unravel the dynamics of pelagic carbonate compensation.

Les rivières sont une source importante de constituants biogéochimiques pour les océans. Jusqu’à présent, les modèles océaniques globaux représentaient de manière inadéquate ou ignoraient simplement les apports continentaux de nutriments, de carbone, d’alcalinité provenant des rivières. En particulier, les perturbations anthropiques des apports fluviaux au cours du 20 ème siècle et leurs conséquences sur l’état physique et biogéochimique des océans - notamment la zone côtière - n’ont pas encore été analysées à l’aide d’un modèle global prenant en compte la circulation tridimensionnelle de l’océan. L’objectif principal de cette thèse était donc d’intégrer les apports biogéochimiques provenant des rivières dans un modèle océanique global afin d’améliorer la compréhension du cycle du carbone de l’océan côtier et son évolution au cours du 20 ème siècle. Dans un premier temps, mon travail a visé à l’amélioration des connaissances concernant le rôle des apports biogéochimiques fluviaux sur le cycle du carbone océanique à long-terme, en se focalisant sur la période préindustrielle. Pour cela, j’ai estimé les apports des rivières en utilisant des modèles permettant d’estimer l’érosion chimique et le transfert de matière organique desécosystèmes terrestres à l’océan. Ces apports fluviaux ont ensuite été ajoutés dans le modèle biogéochimique océanique HAMOCC et leurs impacts sur la production primaire océanique et les flux de CO2 entre l’atmosphère et l’océan ont été analysés. Les résultats nous ont permis de quantifier un dégazage de CO 2 préindustriel de 0.23 Pg C yr -1 pour l’océan global, principalement localisé à proximité de l’embouchure des rivières. Le modèle a également démontré l’existence d’un transfert inter-hémisphèrique de carbone, avec un plus grand apport des rivières à l’océan dans l’hémisphère nord, et un transfert de l’hémisphère nord à l’hémisphère sud où un dégazage net se produit. Une augmentation considérable de la production primaire océanique induite par les apports des rivières a également été prédite.La modélisation biogéochimique de l’océan côtier a ensuite été améliorée, en augmentant la vitesse de minéralisation de la matière organique dans les sédiments côtiers et en incluant la dégradation de la matière organique dissoute d’origine terrestre (tDOM) dans l’océan. Par ailleurs, notre analyse suggère un temps de résidence des eaux dans la zone côtière significativement plus courte (14-16 mois en moyenne) que celui estimé jusqu’à présent (>4 ans). Ce temps de courte résidence implique un transfert efficace de matière organiquede l’océan côtier à l’océan ouvert, un état autotrophe net de l’océan côtier, ainsi qu’un puit de CO 2 (0.06-0.08 Pg C yr -1) pour la période préindustrielle, contrairement aux hypothèses précédemment proposées dans la littérature.Dans le dernier chapitre, les perturbations océaniques induites par les changements de la concentration en CO 2 dans l’atmosphère, de la physique de l’océan et des apports biogéochimiques fluviaux au cours du 20 ème siècle ont été analysées. Les résultats indiquent que la réduction de production primaire nette (NPP) observée dans les océans tropicaux et subtropicaux, pourrait être entièrement compensée par une augmentation de la NPP dans l’océan austral et dans les systèmes côtiers de type «EBUS». Les simulations montrent aussi que l’augmentation des apports fluviaux provoque une augmentation de NPP océanique à l’échelle de l’océan côtier (+15 %) et à l’échelle globale (+ 4 %). En conclusion, cette thèse a permis de démontrer l’importance d’inclure la variabilité spatio-temporelle des apports fluviaux et des processus biogéochimiques de l’océan côtier dans la description du cycle du carbone océanique global. Les améliorations apportées au modèle océanique global HAMOCC permettront d’affiner les prédictions du rôle de l’océan dans le cycle du carbone au cours du 21 ème siècle. / River deliver vast amounts of terrestrially derived compounds to the ocean. These fluxes are of particular importance for the coastal ocean, which is recognized as a region of disproportionate contribution to global oceanic biological fluxes. Until now, the riverine carbon, nutrient and alkalinity inputs have been poorly represented or omitted in global ocean biogeochemistry models. In particular, there has yet to be a model that considers the pre-industrial riverine loads of biogeochemical compounds to the ocean, and terrestrial inputs of organic matter are greatly simplified in their composition and reactivities in the ocean. Furthermore, the coastal ocean and its contribution to the globalcarbon cycle have remained enigmatic, with little attention being paid to this area of high biological productivity in global model analysis of carbon fluxes. Lastly, 20 th century perturbations in riverine fluxes as well as of the physical and biogeochemical states of the coastal ocean have remained unexplored in a 3-dimensional model. Thus, the main goals of this thesis are to integrate an improved representation of riverine supplies in a global ocean model, as well as to improve the representation of the coastal ocean in the model, in order to solve open questions with respect its global contributions to carbon cycling.In this thesis, I first aimed to close gaps of knowledge in the long-term implications of pre-industrial riverine loads for the oceanic cycling of carbon in a novel framework. I estimated pre-industrial biogeochemical riverine loads and their spatial distributions derived from Earth System Model variables while using a hierarchy of state-of-the-art weathering and organic matter land-ocean export models. I incorporated these loads into the global ocean biogeochemical model HAMOCC and investigated the induced changes in oceanic biological production and in the air-sea carbon flux, both at the global scale and in a regional shelf analysis. Finally, I summarized the results by assessing the net land sink of atmospheric carbon prescribed by the terrestrial models, and comparing it to the long-term carbon outgassing determined in the ocean model. The study reveals a pre-industrial oceanic outgassing flux of 231 Tg C yr -1 ,which is found to a large degree in proximity to the river mouths. The model also indicates an interhemispheric transfer of carbon from dominant northern hemisphere riverine inputs to outgassing in the southern hemisphere. Furthermore, I observe substantial riverine-induced increases in biological productivity in the tropical West Atlantic (+166 %), the Bay of Bengal (+377 %) and in the East China Sea (+71 %), in comparison to a model simulation which does not consider the riverine inputs.In addition to considering supplies provided by riverine fluxes, the biogeochemical representation of the coastal ocean is improved in HAMOCC, by firstly increasing organic matter remineralization rates in the coastal sediment and by secondly explicitly representing the breakdown process of terrestrial dissolved organic matter (tDOM) in the ocean. In an analysis of the coastal fluxes, the model shows a much shorter residence time of coastal waters (14-16 months) than previously assumed, which leads to an efficient cross-shelf transport of organic matter and a net autotrophic state for both the pre-industrial timeframe and the present day. The coastal ocean is also revealed as a CO2 sink for the pre-industrial time period (0.06-0.08 Pg C yr -1 ) in contrary to to the suggested source in published literature. The sink is however not only caused by the autotrophic state of the coastal ocean, but it is likely also strongly influenced by the effects of biological alkalinity production, as well as both physical and biogeochemical characteristics of open ocean inflows.In the final chapter, 20 th century oceanic perturbations due to changes in atmospheric CO 2 concentrations and in the physical climate, and to increases in riverine nutrient supplies were investigated by using sequential model simulations. The model results show that the decrease in the net primary production (NPP) in the tropical and subtropical oceans due to temperature-induced stratification may be completely compensated by increases in the Southern Ocean and in Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS). The model also reveals that including increases in riverine supplies causes a global ocean NPP increase of +4 %, with the coastal ocean being a particularlystrongly affected region (+15 %).This thesis shows a strong necessity to represent spatio-temporal changes in riverine supplies and of the coastal ocean state in spatially explicit global models in order to assess changes of the global cycling of carbon in the ocean in the past and potentially in the future. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

O presente estudo foi desenvolvido em uma área de Cerrado stricto sensu, localizado no Parque Estadual de Vassununga, próximo ao município de Santa Rita do Passa Quatro, interior de São Paulo. O objetivo deste trabalho foi mensurar os fluxos de CO2, liberado pelos processos respiratórios da vegetação e do solo (heterotrófica + autotrófica) para aferir a importância relativa destes compartimentos na respiração total do ecossistema, utilizando-se da técnica isotópica. Foi utilizada a técnica da reta de keeling plot, para determinar os valores isotópicos respirados pelo ecossistema, e pelos componentes vegetais (serapilheira, madeira morta, raízes, folha e ramo). De acordo com os resultados, os valores isotópicos do CO2 respirado pelos componentes autotróficos e heterotróficos, foram significativamente influenciados pela sazonalidade, ficando mais enriquecidos em 13C durante o período seco. As correlações encontradas entre os valores do \'delta\'13C- CO2 respirado pelos componentes e os fatores ambientais, como temperatura e umidade indicaram uma relação significativa. Os valores do \'delta\'13C-CO2 respirado pelo ecossistema foram menos enriquecidos em 13C quando houve maior disponibilidade de água no sistema. O valor isotópico do \'delta\'13C-CO2 respirado pelo ecossistema Cerrado foi de - 25,26%o . Particionando a respiração do ecossistema em acima e abaixo do solo, verificou-se que 75% foi realizada pela respiração abaixo do solo (microrganismo+raízes). Particionando a respiração em autotrófica e heterotrófica, observou-se que 54% foi realizado pela respiração da vegetação. Portanto, para tais resultados, a disponibilidade hídrica no solo, seguida da precipitação representaram um dos mais importantes fatores que contribuiram para a variabilidade nos valores isotópicos do \'delta\'13C orgânico e \'delta\'13C-CO2 respirado e no CO2 fixado pelo ecossistema. Os resultados obtidos neste estudo são de fundamental importância para uma melhor compreensão do ciclo do carbono no bioma Cerrado, bem como, abre a oportunidade de utilizar a técnica isotópica para definir padrões do \'delta\'13C-CO2 respirado em nível de ecossistema, utilizando estes resultados como indicadores de mudanças nas trocas gasosas frente ao cenário das mudanças climáticas / The presente study was carreid out in area o Cerrado strictu senso located at the State Park of Vassununga, closed to the Santa Rita do Passa Quatro city, São Paulo State, Brazil. The aim was of the present work was to measure de CO2 fluxes released through respiration processes of the vegetation and soil (heterotrophic and autotrophic) to check the relative importance of each of these ecosystems components on the respiration of overall ecosystem using the isotopic approach. The Keeling plot line was used to determine the isotopic values of carbon dioxide respired by the ecosystem and its components (litter, dead wood, roots, leaves and branches). The results show that isotopic values of the carbon dioxide were significantly affected by seasonality, being more enriched in 13C during the wet period. The correlations among \'delta\'13C-CO2 values respired by the ecosystem components and the environmental factors such as humidity and temperature indicated a significant relation with the gas exchanges. The \'delta\'13C-CO2 values respired by the entire ecosystem were less enriched in 13C when there was high level of water in the soil. This \'delta\'13C-CO2 value was 25,26%o . Partitioning the ecosystem respiration below and above ground, the data show that 75% of the total respiration has its origin of belowground (roots + microorganisms). Partioning the autotrophic and heterotrophic respiration, 54% of the total respiration has its origin on the vegetation. Therefore, for these results, the plant water availability followed by precipitation were the most important factors that contributed to the variability of \'delta\'13C of organic carbon, \'delta\'13C-CO2 respired carbon and fixed by the ecosystem. The results found in the study are relevant to a better comprehension of the carbon cycle within the Cerrado biome, as well as, open an opportunity to utilize the isotopic approach to define \'delta\'13C-CO2 patterns respired by the entire ecological system, utilizing these results as indicators of gas exchange alterations in the global change scenario