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About half of the global wetlands are located between 50-70° N, where climate change is projected to be greater than other regions. More than 95% of northern wetlands are peatlands. The majority of peatlands accumulate soil carbon (C) because, on average, net primary production (NPP) exceeds decomposition. Peatlands store ~ 450 G t soil carbon (1Gt C=1015 g C), a mass equivalent to about 20% of global terrestrial soil C, or half of atmospheric C. The carbon exchange between peatlands and the atmosphere is sensitive to climate variability and change because of the tight coupling with hydrology and ecosystem biogeochemistry. A critical question of this thesis is "Will northern peatlands continue to function as C sink under the projected climate change?" / I use a modelling approach to answer this question. Firstly, a peatland C cycling model, the McGill Wetland Model (MWM), originally developed to simulate the C dynamics of ombrotrophic bogs, was modified, parameterized and evaluated for the simulation of the CO2 biogeochemistry of fens. Three modifications were made: (1) a function describing the impact of soil moisture on the optimal gross primary production (GPP); (2) a scheme to partition the peat profile into oxic and anoxic C compartments based on the effective root depth as a function of daily sedge NPP; and (3) a modified function describing the fen moss water dynamics. Secondly, I have examined the effect of bog microtopography on the simulation of ecosystem-level C cycling and found model processes scale linearly, so "parameter" upscaling can be used in regional scale assessments. Thirdly, I successfully evaluated a coupled Wetland version of Canadian Land Surface Scheme (CLASS3W) and MWM (called CLASS3W-MWM) for bogs and fens. The sensitivity analysis indicates that northern peatlands are thermally and hydrologically conservative and the combination of changes in temperature, precipitation and double CO2 concentration is much different than the sensitivity of peatlands to each environmental variable on their own. / Finally, I used CLASS3W-MWM to do a first-order experiment on how the CO2 exchange in northern peatlands might change under the changing climate. For future climate, I adjusted the site "measured" climate variables by the climate anomalies estimated by the CCCma-GCM3.0 for three time slices (2030, 2060 and 2100) using four different climate scenarios (A1B, A2, B1 and Commit). These simulations showed that bogs and fens have significantly different responses to climate change, particularly that fens are more sensitive to environmental change than bogs. At 2100, the bog remains a C sink for all the climate scenarios assessed because a significant increase in GPP still offset, to a smaller extent, the large increase in total ecosystem respiration (TER). However, by 2100, the fen switches to a C source for two scenarios (A1B and A2), due to a dramatic decrease in GPP and a significant increase in TER resulting from water stress linked to a large drop of water table depth. / Environ la moitié de l'ensemble des tourbières sont situées entre 50-70° N, là où les changements climatique prévus risquent d'être plus important que dans les autres régions. Plus de 95% des milieux humides nordiques sont des tourbières. La majorité des tourbières accumule du carbone (C) puisqu'en moyenne, la production nette primaire (NPP) excède la décomposition. Les tourbières accumulent environ 450 G t de C (1Gt C=1015 g C), une masse équivalente à environ 20% du C terrestre, ou la moitié du C atmosphérique. L'échange de C entre les tourbières et l'atmosphère est sensible aux changements climatiques et varie en fonction du lien entre leur hydrologie et la biogéochimie de l'écosystème. Une des questions critiques de cette thèse est « est-ce que les tourbières du nord demeureront des puits de C malgré les changements climatiques projetés? ». / J'utilise une approche de modélisation pour répondre à cette question. Premièrement, le modèle représentant le cycle du C dans les tourbière, le McGill Wetland Model (MWM), développé à l'origine pour simuler la dynamique du C dans les tourbières ombrotrophiques, a été modifié et les paramètres ajustés et évalués afin de simuler la biogéochimie du dioxide de carbone (CO2) des tourbières oligotrophiques. Trois modifications ont été faites : (1) une fonction décrivant l'impact de l'humidité du sol sur la production primaire brute (GPP) optimale; (2) un schéma pour partitionner le profil de la tourbière selon les compartiments oxiques et anoxiques du C basé sur la profondeur effective des racines en fonction de la NPP journalière du carex; et (3) une fonction modifiée décrivant la dynamique de l'eau de la tourbe en milieu oligotrophique. Deuxièmement, j'ai examiné l'effet de la microtopographie de la tourbière sur la simulation du cycle du C à l'échelle de l'écosystème et trouvé les processus du modèle à l'échelle linéaire, pouvant ainsi modifier les paramètres en changeant l'échelle utilisée pour l'évaluation à l'échelle régionale. Troisièmement, j'ai évalué avec succès une version couplée du modèle Canadian Land Surface Scheme (CLASS3W) et MWM, nommé (CLASS3W-MWM) pour les types de tourbières ombrotrophiques et oligotrophiques. L'analyse de sensibilité indique que les tourbières du nord sont conservatrices au niveau thermal et hydrologique et la combinaison du changement de température, de précipitation et une double concentration de CO2 est très différente par rapport à la sensibilité de chaque variable individuellement. / Finalement, j'ai utilisé le CLASS3W-MWM pour faire une expérience de premièr-ordre vérifiant comment l'échange de CO2 dans les tourbières du nord peuvent être modifiés sous un climat changeant. Pour les climats futurs, j'ai ajusté la variable climatique du site « mesuré » par les anomalies climatiques estimées par le CCma-GCM3.0 pour trois périodes de temps (2030, 2060 et 2100) en utilisant quatre différents scénarios climatiques (A1B, A2, B1 et Commit). Ces simulations ont montré que les tourbières oligotrophiques et ombrotrophiques ont des réponses significativement différentes aux changements climatiques, particulièrement les tourbières oligotrophiques, qui sont plus sensibles au changements environnementaux que les tourbières ombrotrophiques. En 2100, la tourbière ombrotrophique demeure un puits de C durant la totalité du scénario puisqu'une augmentation significative de la GPP compensait toujours, même si de manière moindre, l'augmentation importante de la respiration de l'écosystème (TER). Toutefois, en 2100, la tourbière oligotrophique est devenue une source de C pour deux scénarios (A1B et A2), dû à une diminution drastique de la GPP et une augmentation du TER résultant du stress hydrique lié à une grande diminution de la profondeur de la nappe phréatique. fr

The source and fate of organic carbon in coastal sediments of the Beaufort Sea, Canadian Arctic, are examined. Despite the Mackenzie River's discharge to the coastal waters, sediments of the adjacent slope and Amundsen Gulf have a similar organic carbon content and CORG:N ratio to sediments of the continental margin. In contrast, the stable isotope composition of the organic carbon and nitrogen reveal striking differences: low δ13C and δ15N values are found in Beaufort Shelf sediments indicative of a terrigenous origin, whereas higher values, closer to the marine signature, are observed in the Amundsen Gulf sediments. On the Slope, the isotopic signatures are intermediate and may be interpreted as a mixture of terrigenous and marine organic matter. These results indicate that the terrigenous suspended matter carried by the Mackenzie River's plume and discharged to the Beaufort Sea does not spread to the Amundsen Gulf. Organic carbon that settles onto the seafloor fuels most early diagenetic reactions. The nature and amount that reaches the sediment determines the vertical zonation of redox reactions within the sediment. In turn, the vertical distribution of available oxidants can be used to infer the flux of organic carbon to the seafloor. The Mn and Fe oxide content of Gulf and Slope sediments are one order of magnitude larger than in Shelf sediments, indicating that the Mn and Fe cycles are maintained well below the sediment-water interface by low accumulation rates of organic carbon. Conversely, in margin sediments, high organic carbon accumulation rates bring the Mn and Fe cycles closer to the interface and allow their escape to the overlying waters. In strongly seasonal environments, organic carbon is typically delivered to the sediment in pulses. To simulate the influence of episodic organic carbon fluxes on the sediment chemistry, closed-jar incubation experiments were conducted using both Mn and Fe oxide-poor (Mackenzie Shelf) and -rich sediments (Amund / La source et le devenir du carbone organique sont examinés dans les sédiments côtiers de la mer de Beaufort dans l'Arctique Canadien. Malgré l'apport en sédiment de la rivière Mackenzie aux eaux côtières, les sédiments du talus continental et du Golfe d'Amundsen possèdent une concentration en carbone organique et un ratio CORG:N similaires à ceux de la marge continentale. À l'inverse, les compositions en isotope stable du carbone et de l'azote organique révèlent des différences frappantes: des faibles valeurs de δ13C et δ15N indiquant une origine terrigène sont trouvées dans les sédiments de la marge continentale, tandis que des valeurs élevées, plus proches d'une signature marine, sont observées dans les sédiments du Golfe d'Amundsen. Sur le talus continental, les signatures isotopiques sont intermédiaires et pourraient indiquer un mélange de matière organique terrigène et marine. Ces résultats indiquent que l'apport de sédiment de la rivière Mackenzie ne s'étend pas au golfe d'Amundsen. Le carbone organique qui sédimente sur le fond marin alimente la plupart des réactions diagénétiques. Sa nature et sa quantité déterminent la zonation verticale des réactions redox à l'intérieur du sédiment. Par conséquent, la distribution verticale des oxydants peut être utilisée pour déduire le flux de carbone organique sur le fond. Les concentrations en Mn et Fe des sédiments du Golfe et du talus sont un ordre de grandeur supérieure à celles des sédiments de la marge, indiquant que les cycles diagénétiques du Mn et Fe sont maintenus largement au-dessous de l'interface eau-sédiment par des faibles taux d'accumulation du carbone organique. En revanche, dans les sédiments de la marge, de forts taux d'accumulation sont responsables de la migration des cycles du Mn et Fe vers l'interface eau-sédiment et à leur diffusion vers les eaux surnageantes. Dans les environnements fortement saisonniers, le carbone organique est typique

<p> Lipids preserved in soils and sediments are important proxies in paleoclimate research. However, various growth conditions that affect the organisms synthesizing the lipids can in turn affect the abundance and stable isotopic compositions of the lipids themselves, and, consequently, can introduce significant errors in the paleoclimatic inferences drawn from them. This work examines how two climate proxies based on lipids, namely, glycerol dialkyl glycerol tetraether (GDGT)-based paleotemperature proxies in soils, and paleohydrological proxies based on hydrogen isotopic composition of lipids, respond to variability in environmental and other growth conditions (e.g., carbon source).</p><p> In order to evaluate the role of annual precipitation amount on the distribution of soil GDGTs and on GDGT-based temperature proxies in soils, we studied GDGT distribution in soils collected from two environmental transects in the USA&mdash;a dry, western transect covering six western states and a wet, east coast transect from Maine to Georgia. Our results indicate a significant impact of precipitation amount on soil GDGT distribution, which is related to soil aeration that in turn depends on precipitation amount, and also to soil pH. Our results also indicate that below an annual precipitation of 700-800 mm yr^&ndash;1 the MBT/CBT-temperature proxy based on soil GDGTs is not applicable. Furthermore, due to the distinct GDGT distributions in soils under arid conditions, soil input into lacustrine or marginal marine environments cannot be estimated using BIT index.</p><p> In order to estimate the effects of variability in environmental conditions and utilization of different substrates on D/H_lipid, we studied two heterotrophic organisms&mdash;<i>Haloarcula marismortui</i>, a halophilic archaeon and <i>Tetrahymena thermophila</i>, a ciliated protozoan, in pure cultures. Our results from experiments with <i>H. marismortui</i> indicate that metabolism of different substrates leads to formation of reducing agents (mainly nicotinamide adenine dinucleotide phosphate or NADPH) with distinct D/H signatures, which is reflected in the significant D/H variations in isoprenoidal lipids (ca. 100&permil;). Growth temperature affects growth rate as well as enzyme activities, and salinity of the growth media affects mainly growth rate of <i>H. marismortui</i>, and both cause similar variations in D/H_lipid (ca. 20-30&permil;) that are smaller compared to the substrate-effect. <i>T. thermophila </i>, on the other hand, responds to variations in growth temperature in a different manner. Isoprenoid and fatty acids synthesized by <i> T. thermophila</i> generally become more D-enriched with temperature increase. The isoprenoid ranges from being D-depleted to D-enriched relative to water with temperature increase, but the fatty acids do not display similar patterns. Our results from <i>T. thermophila</i> culture experiments indicate that temperature has a critical control on the D/H ratios of NADPH and possibly also intracellular water, due probably to temperature effects on processes that are related to growth and metabolism of <i>T. thermophila. </i></p>

<p> The main objective of this research was to study the flux of dissolved organic carbon (DOC) from a terrestrial urbanized watershed to an estuarine system using a process-based regional hydro-ecological model and remotely sensed data.</p><p> While DOC is an important component of the global carbon cycle, the link of the variations in terrestrial carbon storage is still poorly understood. Soil moisture is a key factor that influences the amount of available water for vegetation growth and the decomposition rate of organic matter in the soil and thus contributes to the amount of DOC in the soil at the land-water boundary. The Regional Hydro-Ecological Simulation System (RHESSys) was used to model the biogeochemical cycle in the Neponset Watershed, Boston MA from 2006 to 2011. Remotely sensed indices and field measurements of soil moisture, locally measured watershed DOC values, and streamflow gauge amounts were used to evaluate the modeled results. </p><p> The fully parameterized high resolution RHESSys model was used to simulate soil moisture in the highly urbanized and fragmented Neponset watershed and displayed good correlation with the measured soil moisture values. Another two measures of soil moisture conditions (the topographic moisture index (TMI) and the remotely sensed temperature vegetation dryness index (TVDI)) were also estimated and compared with field measured data. Two nested study areas, the Neponset River Watershed and the Greater Boston Area, were utilized to correspond with two spatial resolutions. The DOC concentration data sampled in the Neponset River Watershed were analyzed and the sensitivity of the DOC simulation in RHESSys was evaluated. The simulated DOC was compared with estuarine results and a good correlation was found to exist between the measured and simulated DOC concentrations and fluxes. </p><p> This effort represents the first successful application of RHESSys model to an urbanized New England watershed and not only provided an accurate way to estimate both soil moisture and DOC flux but also provided a framework to test further hypotheses and future scenarios to benefit global carbon cycle research.</p>

Mineralization has long been thought to be the main driver in providing plant available nitrogen (N). However, slow mineralization rates of northern ecosystems cannot sustain total plant N accumulation and it is now recognized that plants can utilize organic forms of N. N is often a limited nutrient in ombrotrophic bogs and at Mer Bleue peatland nearly 80% of the N in the porewater is in the dissolved organic nitrogen (DON) form. This study determined whether peatland plants can take up organic forms of N and whether there are differences between plant functional types, which dominate bog vegetation. To determine if bog plants take up organic N, 16 plots were selected at Mer Bleue where half remained a control and half received a treatment of isotopically labeled glycine (13C2,15N, 98% atom). The labeled glycine was injected into the rhizosphere at a depth of 0-20cm. After 72 hours the leaves and roots of shrub (C. calyculata, V. myrtilloides, L. groenlandicum), sedge (E. vaginatum) and moss (S. magellanicum, S. capillifolium) in the plots were sampled and analyzed for plant δ13C and δ15N. Foliar samples showed a significant uptake of 15N across all species and no significant uptake of 13C. Root samples showed greater enrichment in 15N and 13C for both shrub and sedge species; however, sedge uptake of 13C was not found to be significant. Results showed that shrub species took up glycine intact while a significant uptake of glycine was not found for sedge and moss species. This suggests that the mycorrhizal associations of ericaceous shrubs may contribute to organic N uptake at Mer Bleue bog. / La minéralisation a longtemps semblé être le conducteur principal fournissant l'azote aux plantes. Cependant, les faibles taux de minéralisation des écosystèmes nordiques ne peuvent pas pourvoir l'apport total d'azote des plantes et il est maintenant reconnu que les plantes peuvent utiliser les formes organiques de l'azote. L'azote est souvent un nutriment limitant dans les tourbières ombrotrophes et, à la tourbière Mer Bleue, près de 80% de l'azote dans l'eau interstitielle est sous forme d'azote organique dissous. Cette étude avait pour but de déterminer si les plantes des tourbières peuvent absorber l'azote sous formes organiques et s'il y a des différences entre les types fonctionnels de plantes qui dominent la végétation des tourbières. Pour déterminer si les plantes des tourbières absorbent l'azote organique, 16 parcelles ont été choisies à Mer Bleue, où une moitié a été utilisée comme contrôle et l'autre moitié a reçu un traitement de glycine marquée isotopiquement (13C2, 15N, 98% atomes). La glycine marquée a été injecté dans la rhizosphère à une profondeur de 0-20cm. Après 72 heures, les feuilles et les racines des arbustes (C.calyculata, V. myrtilloides, L.groenlandicum), laîches (E. vaginatum) et les mousses (S. magellanicum, S.capillifolium) dans les parcelles ont été recueillies et analysées pour les plantes δ13C et δ15N. Les échantillons foliaires ont montré une absorption importante de 15N pour toutes les espèces et aucune augmentation significative de signatures δ13C. Les échantillons de racines ont montré un enrichissement plus grand en δ15N et δ13C pour les deux espèces d'arbustes et celle de laîche. Cependant, l'absorption de δ13C pour espèces de laîche n'a pas été jugée significative. Les résultats ont montré que les espèces d'arbustes ont absorbé la glycine entièrement alors que l'absorption de glycine n'a pas été importante pour les espèces de carex et de mousse, ce qui suggère que les associations mycorhiziennes des arbustes éricacées peut être le facteur déterminant dans l'absorption de l'azote organique à la tourbière Mer Bleue.

The dissolved oxygen concentration has progressively decreased in the bottom water of the Lower St. Lawrence Estuary (LSLE) during the last century and reached the severe hypoxic threshold ([O2] < 62.5 µmol L-1) in the 1980s where it has hovered ever since. This thesis investigates the causes and impacts of the large-scale persistent hypoxia in the bottom water of the LSLE, using multidisciplinary tools. The causes were identified, by examining the processes governing the oxygen distribution in the water column, using a two-dimensional advection-diffusion model representing the transport of oxygen in the bottom water along the Laurentian Channel (Gulf of St. Lawrence, Canada). The impacts of persistent hypoxia were highlighted on modifications of sediment chemistry, more specifically by the diagenetic response of three redox-sensitive elements, Mn, Fe, and As, as well as on the fluxes of nutrients and metabolites across the sediment-water interface. Results of numerical simulations revealed that the oxygen distribution in the water column is governed by the combination of physical and biogeochemical processes, but its vertical distribution is mostly controlled by the deep-water circulation. In other words, the vertical distribution is much more sensitive to variations in physical than biogeochemical processes, and oxygen conditions at the continental shelf edge, where Laurentian Channel bottom waters originate, are mostly responsible for the establishment of hypoxia in the Lower Estuary. Whereas the concentrations and vertical distributions of sedimentary Mn phases seem to adjust rapidly to the progressive depletion of oxygen in the overlying waters and remained at steady-state since the 1980s, the development and persistence of hypoxia strongly modified the chemistry of Fe and As in LSLE sediments. The lower overlying-water oxygenation increased the proportion of organic matter that is oxidized by anaerobic pathways in the sediments, which contributed to increase the proportion of dissolved and solid reactive phases of Fe and As. The greater availability of reactive Fe and As phases restricted the formation of pyrite, which, in turn, limited the sequestration of As with pyrite, increasing the availability of this potentially toxic trace element to benthic organisms. Despite the accumulation of Fe and As in sedimentary reactive phases over the past 25 years, it has not significantly modified their fluxes across the sediment-water interface, and their sequestration within the sediment is maintained. / La concentration d'oxygène dissous dans l'eau de fond de l'estuaire maritime du Saint-Laurent (EMSL) a progressivement diminué au cours du siècle dernier, pour atteindre, dans les années 1980, le seuil de l'hypoxie sévère ([O2] < 62.5 µmol L-1) autour duquel elle a fluctué depuis. Cette thèse examine, à l'aide d'outils multidisciplinaires, les causes et les impacts de l'hypoxie persistante à grande échelle dans l'EMSL. Les causes sont identifiées à l'aide d'un modèle d'advection-diffusion à deux dimensions représentant le transport d'oxygène dissous dans l'eau de fond le long du Chenal Laurentien (Golfe du Saint-Laurent, Canada). Les impacts de l'hypoxie persistante sont illustrés par les modifications de la chimie du sédiment, notamment par la réponse diagénétique de trois éléments redox-sensibles, le Mn, le Fe et l'As, ainsi que sur les flux de nutriments et métabolites à l'interface eau-sédiment. Les résultats des simulations numériques révèlent que la distribution de l'oxygène dissous dans la colonne d'eau est gouvernée par une combinaison de processus physiques et biogéochimiques, mais sa distribution verticale dépend principalement de la circulation de la masse d'eau de fond. En d'autres termes, la distribution verticale de l'oxygène dissous dans le chenal est beaucoup plus sensible aux variations physiques que biogéochimiques et le niveau d'oxygénation à la limite du plateau continental, d'où la masse d'eau de fond provient, est principalement responsable de l'établissement de l'hypoxie dans l'EMSL. Tandis que les concentrations et distributions verticales des phases sédimentaires du Mn semblent s'être rapidement ajustées à la diminution progressive d'oxygène dans les eaux surnageantes et être restées à l'état stationnaire depuis les années 80, le développement et la persistance de l'hypoxie ont fortement modifié la chimie du Fe et de l'As dans les sédiments de l'EMSL. La diminution de l'oxygénation des eaux surnageantes aurait augmenté la proportion de matière organique métabolisée sous des conditions anaérobiques, contribuant à augmenter la proportion des phases réactives solides et dissoutes du Fe et de l'As. La plus grande disponibilité des phases réactives du Fe et de l'As a restreint la formation de pyrite authigène, qui, par conséquent, a limité la séquestration de l'As avec celle-ci, augmentant la disponibilité de cet élément potentiellement toxique aux organismes benthiques. Malgré l'accumulation du Fe et de l'As dans les phases sédimentaires réactives au cours des dernières 25 années, leur flux à l'interface eau-sédiment n'a pas été modifié significativement, maintenant ainsi l'efficacité de leur puits sédimentaire, pour le moment.

Thesis (Ph.D.)--Monash University, 2000. / Includes bibliographical references. Also available as pdf file on the WWW.

Thesis (Ph.D.)--Indiana University, 2005. / (UnM)AAI3183912. Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 66-07, Section: B, page: 3599. Chair: Lisa Pratt.

Thesis (Ph.D.)--University of California, San Diego, 2005. / (UnM)AAI3185926. Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 66-08, Section: B, page: 4141. Chair: Martin Wahlen.