Hydrological aspects of the carbon balance in a boreal catchment: A model study

Abstract

AbstractThe cycling of carbon in its gaseous, solid and dissolved forms is of central importance to ecosystem science, particularly, when the natural carbon cycle has been perturbed by human activity. Mathematical models are commonly used to asses and predict global and regional patterns of terrestrial carbon exchange. At the same time, processes operating on smaller (sub-grid) scales are usually outside the scope of the large-scale models exploring climate?biosphere interactions. However, if a sub-grid feature is found repeatedly in a large number of particular realizations, we may expect that its characteristic dynamics are likely to be important even at larger scales. This work examines some of these phenomena. First, a boreal landscape differentiated into forests and peatlands is investigated. Second, the export of dissolved organic carbon (DOC) in peatland streams is assessed.The work described herein mainly addresses methodology, i.e. how approaches to hydrology and ecosystem modelling can be combined. Specifically, the general ecosystem model GUESS was modified and supplied with new modules to be used for peatland simulations. The model was also designed to reproduce soil moisture and related ecosystem properties along a topographical catena. In addition, a completely new model of DOC production, transport and transformation in peat was developed. The data for model development and validation came from boreal catchments in the Vindelns Forest Research Parks, The Swedish University of Agricultural Sciences, Northern Sweden. A relatively good fit between the modelled and measured NEE at the Degerö Stormyr peatland was demonstrated for 2001-2003. Further, the model was used to demonstrate that the NEE was quite insensitive to changes in water table level within the ranges typical for the dominant mire plant community. The newly constructed model was able to reproduce DOC concentrations measured at the outlet of the Kallkälsmyren peatland for 1993-2001. The model suggested that the main drivers for interannual variability in DOC concentrations were the rates of microbially mediated DOC production and mineralization and the flow intensity in the active surface layer of the peatland. The amount of DOC in the peat water at a particular time was mainly determined by (much larger) amounts of soluble carbon sorbed on the peat matrix. A dynamic, rather than static, description of the adsorption and desorption processes was advocated.The work makes some contribution to filling the gap that currently exists between field observations at the plot scale and large-scale model analysis of the climate?biosphere interaction.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Koncentrationen av växthusgaser i atmosfären har ökat kontinuerligt under de senaste 200 åren, och ökningen tillskrivs huvudsakligen antropogena utsläpp. FN´s senaste klimatrapport slår vidare fast att den ökade halten av växthusgaser i atmosfären leder till klimatförändringar. Både förhöjda halter av växthusgaser i atmosfären och ett ändrat klimat påverkar dock omsättningen av växthusgaser i olika ekosystem, s.k. återkopplingsmekanismer. Förändringarna i ekosystemens funktion kan leda till antingen ökad eller minskad produktion eller upptag av växthusgaser. D.v.s att förändringarna i ekosystemens funktion kan antingen ytterligare accelerera eller bromsa växthuseffekten. Ett av de viktigaste redskapen för att förstå hur olika ekosystem svarar på klimatförändringar är modeller.



Syftet med den här avhandlingen har varit att utveckla och att anpassa ekosystemmodeller till boreala ekosystem. Arbetet har utgått ifrån en generell ekosystemmodell, GUESS, till vilken en särskild modell för markens biogeokemiska processer, ROMUL, har kopplats. Arbetet har huvudsakligen inriktats på att utveckla modeller för att studera interaktioner mellan vattnets omsättning, hydrologin, och omsättningen av kol. Fältdata för såväl parametrisering som testning av modellerna kommer från Vindelns Skogliga Försöksparker, Sveriges Lantbruksuniversitet, ca 6 mil från Umeå, norra Sverige, och har tillhandahållits av olika forskargrupper. Mer precist har följande frågeställningar behandlats:



· Hur varierar mängden organiskt material i marken som en funktion av varierande markfuktighet i ett skogslandskap?



· Hur påverkas utbytet av koldioxid mellan en myr och atmosfären av vattenytans position, d.v.s. vad händer om vattenbalansen ändras?



· Vad kontrollerar mängd och variabilitet av löst organiskt kol i avrinningen från torvmarker? Även vilka faktorer som styr variationen av löst organiskt material på olika tidsskalor har studerats.



Simuleringarna av mängden organiskt material som en funktion grundvattenytans läge utmed olika transekter i ett skogslandskap genererar samma variation i organiskt material som återfinns i landskapet. Dock visar modellresultaten att olikheter i mängd organiskt material bara till viss del kan förklaras med enbart variation i markfuktighet. En väl så viktig faktor är förekomsten av skogsbrand. Om man antar naturlig förekomst av skogsbrand så härrör ca 40% av variationen i humuslagrets tjocklek från brand. I och med att människan i dag, i Sverige, mycket framgångsrikt bekämpar skogsbränder tyder detta på att humustäckets tjocklek i Svenska skogar sannolikt kommer att öka.



Ytterligare ett viktigt bidrag i avhandlingen har varit inkorporeringen av torvbildande ekosystem, myrar, i den generella ekosystemmodellen GUESS. Den nya versionen av modellen användes b.la. för att studera hur varierande vattenytenivå samt temperatur påverkar utbytet av koldioxid mellan myren och atmosfären. Modellen visar tydligt att så länge vattenytan varierar inom det intervall som är typiskt för det dominerande växtsamhället så är flödet av koldioxid relativt stabilt. Om vattenytan blir betydligt högre eller lägre än normalt så påverkas utbytet av koldioxid i första hand genom att fotosyntesen påverkas och i mindre utsträckning genom ändrad nedbrytning.



Ytterligare en utveckling av modellen gjordes för att kunna modellera förekomsten av löst organiskt material i markvatten i myrar samt i avrinningen från myrar. Modelleringen av koncentrationen av löst organiskt material baseras på en ekvation för advektion och dispersion. Modellen inkluderar vidare både produktion, nedbrytning samt adsorption av det lösta organiska materialet. Eftersom mängden humus i sjöar och vattendrag har stor betydelse för många av vattnens biogeokemiska funktioner och dess kvalité är det av stor vikt kunna modellera mängden löst organiskt material och hur denna påverkas av olika mänskliga aktiviteter såväl som av klimatförändringar. Modellkörningar visar bl.a. att de huvudsakliga faktorerna som bestämmer nivån på hur mycket löst organiskt material som kan finnas i vattnet är hastigheten på bildningen samt nedbrytningen av det lösta organiska materialet. Hur mycket löst organiskt material som finns vid en given tidpunkt bestäms däremot huvudsakligen av adsorptionsprocesser till det fasta organiska materialet.



De olika utvecklingarna och anpassningarna av ekosystemmodellen GUESS-ROMUL är ett viktigt bidrag både för att ytterligare kunna förstå kolomsättningen i olika ekosystem men också för att göra uppskattningar av storleken på olika processer eller flöden över större områden.

• author: Yurova, Alla
• supervisor: Harry Lankreijer
• opponent: Dr. Prof. Jansson, Per-Erik, The Royal Institute of Technology, Stockholm
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physical Geography
• keywords: cartography, pedology, geomorphology, Physical geography, boreal peatland, dissolved organic carbon, ecohydrology, model, climatology, Fysisk geografi, geomorfologi, marklära, kartografi, klimatologi
• in: Meddelanden från Lunds universitets geografiska institution. Avhandlingar
• pages: 50 pages
• defense location: Världen, Geocentrum I, Sölvegatan 12
• defense date: 2007-10-26 10:15:00
• external identifiers: scopus:35348869451
• ISSN: 0346-6787
• ISBN: 978-91-85793-03-7
• project: NECC
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 39379fa7-460a-491a-98ff-8a56d1a21b78 (old id 599043)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:16:14
• date last changed: 2022-01-28 18:28:39