Previous research has shown a close relationship between the terrestrial and aquatic carbon (C) cycles, namely that part of the C fixed via terrestrial net primary production (NPP) is exported to inland waters. In turn, it has been demonstrated that once in the freshwater system C can not only be transported laterally as dissolved organic carbon (DOC), particulate organic carbon (POC) and dissolved inorganic carbon (DIC) but is also mineralized and evaded back to the atmosphere as CO2, or buried in sediments. A number of hotspot areas of aquatic CO2 evasion have been identified but there are considerable gaps in our knowledge, particularly associated with understanding and accounting for the temporal and spatial variation of aquatic C fluxes at regional to global scales, which we know from local scale studies, to be substantial. In this thesis, three important regional hotspots of LOAC activity were identified, where significant gaps in our understanding remain.For the boreal region, an empirical model is developed to produce the first high resolution maps of boreal lake pCO2 and CO2 evasion, providing a new estimate for total evasion from boreal lakes of 189 (74–347) Tg C yr-1, which is more than double the previous best estimate. The model is also used along with future projections of terrestrial NPP and precipitation, to predict future lake CO2 evasion under future climate change and land-use scenarios, and it is found that even under the most conservative scenario CO2 evasion from boreal lakes may increase 38% by 2100. For the Amazon Basin, the ORCHILEAK land surface model driven by a newly developed wetland forcing file, is used to show that the export of C to and CO2 evasion from inland waters is highly interannually variable; greatest during wet years and lowest during droughts. However, at the same time overall net ecosystem productivity (NEP) and C sequestration is highest during wet years, partly due to reduced decomposition rates in water-logged floodplain soils. Furthermore, it is shown that aquatic C fluxes display greater variation than terrestrial C fluxes, and that this variation significantly dampens the interannual variability in NEP of the Amazon basin by moderating terrestrial variation. Finally, ORCHILEAK is applied to the Congo Basin to investigate the evolution of the integrated aquatic and terrestrial C fluxes from 1861 to the present day, and in turn to 2099 under a future climate and land-use scenario. It is shown that terrestrial and aquatic fluxes increase substantially over time, both over the historical period and into the future, and that these increases are largely driven by atmospheric CO2. The proportion of terrestrial NPP lost to the LOAC also rises from 3% in 1861 to 5% in 2099 and this trend is driven not only by atmospheric CO2 but also by climate change. This is in contrast to the boreal region where the proportion of NPP exported to inland waters is predicted to remain relatively constant, and to the Amazon, where a decrease has been predicted, due to differences in projected climate change. / L’état de l’art dans le domaine a montré qu’il y avait un lien étroit entre les cycles du carbone terrestre et aquatique :en effet, une partie du carbone fixé par photosynthèse (productivité primaire brute) est transférée vers les milieux aquatiques continentaux pour être ensuite transporté latéralement sous forme de carbone organique dissous (COD), de carbone organique particulaire (COP), de carbone inorganique dissous (CID). Durant ce transfert latéral, le carbone peut être minéralisé puis réémis vers l’atmosphère sous forme de CO2 ou enfoui dans les sédiments. Cependant, nous sommes encore loin de bien comprendre et surtout de quantifier les variations temporelles et spatiales des flux de carbones à l’échelle régionale et globale, même si les études faites à l’échelle locale nous montrent qu’elles sont importantes. Au cours de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur 3 grandes régions pour lesquelles la connaissance des flux de carbone le long du continuum aquatique reliant les écosystèmes terrestres aux océans étaient encore très parcellaire.Pour la région boréale, un modèle empirique a été développé afin de produire les premières cartes à haute résolution de pCO2 et d’émission de CO2 pour les lacs boréaux. Les résultats du modèle nous ont permis de contraindre les émissions totales de CO2 pour les lacs boréaux à 189 (74-347) Tg C an-1, soit plus du double des estimations précédentes. Ce modèle a ensuite été couplé aux projections de production primaire brute terrestre et de précipitations afin de prédire les émissions de CO2 pour ces lacs pour différents scénarios de changement climatique et d’occupation des sols. Les résultats montrent que même en prenant le scénario le plus conservatif, les émissions de CO2 des lacs boréaux augmenteraient de 38% d’ici 2100.Pour le bassin de l’Amazone, le modèle d’écosystème terrestre ORCHILEAK, paramétré par de nouvelles donnés de forçage des zones humides, a été utilisé pour démontrer que l’export de carbone terrestre vers les réseaux fluviaux ainsi que les émissions de CO2 ont une très grande variabilité interannuelle :émissions élevées lors des années à forte précipitation et basses lors des années sèches. Cependant, la productivité nette de l’écosystème (PNE) Amazone et la fixation nette de carbone à l’échelle du bassin sont plus élevées lors des années humides, en partie dû au taux de décomposition de carbone organique réduit lorsque les sols sont saturés en eau. De plus, les résultats montrent que les flux de carbone des systèmes aquatiques ont une plus grande variabilité que les flux terrestres, ce qui atténue considérablement la variabilité interannuelle de la PNE du bassin de l'Amazone.Pour finir, nous avons appliqué ORCHILEAK au bassin du Congo afin d’étudier l’évolution intégrée des flux de carbone terrestres et aquatiques de 1861 à nos jours, ainsi que de projeter leur devenir au cours du 21eme siècle selon les scénarios de changement climatiques et de changement d’occupation des sols. Nous avons montré que les flux terrestres et aquatiques augmentent de façon significative durant la période historique et dans le futur, cette augmentation étant largement induite par l’augmentation du CO2 atmosphérique et, dans une moindre mesure, par le changement climatique. En particulier, la proportion de la productivité primaire brute terrestre exportée vers le continuum aquatique passe de 3% en 1861 à 5% en 2099. Ce résultat contraste avec ceux obtenu pour la région boréale où cette proportion reste relativement constante et pour l’Amazone où c’est une baisse qui est en fait prédite. Ces différences s’expliquent par des trajectoires de changement climatique distinctes pour ces 3 régions. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished
| Identifer | oai:union.ndltd.org:ulb.ac.be/oai:dipot.ulb.ac.be:2013/287934 |
| Date | 03 June 2019 |
| Creators | Hastie, Adam |
| Contributors | Regnier, Pierre A.G., Chou, Lei, Bonneville, Steeve, Servais, Pierre, Ciais, Philippe, Wehrli, Bernhard BW, Lauerwald, Ronny |
| Publisher | Universite Libre de Bruxelles, Université libre de Bruxelles, Faculté des Sciences – Sciences de la Terre et de l'Environnement, Bruxelles |
| Source Sets | Université libre de Bruxelles |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:ulb-repo/semantics/doctoralThesis, info:ulb-repo/semantics/openurl/vlink-dissertation |
| Format | 3 full-text file(s): application/pdf | application/pdf | application/pdf |
| Rights | 3 full-text file(s): info:eu-repo/semantics/closedAccess | info:eu-repo/semantics/openAccess | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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