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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.86815 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Wu, Jianghua |
| Contributors | Nigel Thomas Roulet (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Geography) |
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| Relation | Electronically-submitted theses. |
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