Quantity and composition of waterborne carbon transport in subarctic catchments containing peatlands and permafrost

• Main Author: Olefeldt, David
• Other Authors: Nigel Thomas Roulet (Supervisor)
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: McGill University 2011
• Subjects: Earth Sciences - Physical Geography; Stordalen; Nord de la Suède; Northern Sweden; palsa; palsas; palse*; permafrost; Subarctic; palse; pergélisol
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=103675

Both quantity and composition of waterborne transport of dissolved organic carbon (DOC) from peatlands has been hypothesized to be affected by permafrost thaw. Changes in DOC can impact the carbon (C) balance of peatlands directly, but also the carbon balances and metabolism of downstream aquatic environments. In this study I have investigated the DOC export from different peatland types in the Stordalen catchment of northern Sweden (68.20N, 19.03E). The research was performed at various spatial and temporal scales in order to assess the importance of peatland permafrost thaw for both peatland and catchment DOC export. In the Stordalen catchment, peatland permafrost thaw leads to the conversion of palsas (a rain-fed peatland type with a permafrost core) into bogs dominated by Sphagnum mosses or into fens of varying nutrient status depending on their hydrological setting. The palsas were found to have low DOC export rates, at between 2.5 and 3.5 g C m-2 yr-1, and its composition characterized by several bulk DOC indices was of poor substrate quality for microbial degradation. The DOC export from the bogs was not found to differ in quantity to that of the palsas, but its DOC composition had lower aromaticity and a larger fraction derived from microbial sources. Snowmelt runoff occurred early on the palsa and bog, and mass flux at this time of years was responsible for >70% of the annual DOC export – causing the palsas and bogs to significantly affect catchment DOC export patterns during early snowmelt runoff, despite covering <4% of the catchments. Partly due to the restricted DOC export, the Stordalen palsa/bog complex was found to be net annual C sinks despite its low ecosystem productivity. In contrast, the fens were found to export 2 to 4 times as much DOC as the palsas and bogs, with a majority of the DOC export occurring outside the snowmelt runoff period. Several pieces of evidence show that fens not only act as catchment sources of DOC, but through selective degradation they transform DOC that reach the fens from upstream sources, causing the fens to regulate catchment DOC composition and concentrations during summer and fall low runoff periods despite covering only a small fraction of the catchment area. The impact on peatland DOC export from permafrost thaw is primarily dependent on the hydrological setting after thaw in Stordalen, where a conversion of palsas into fens has the greatest potential for the alteration of catchment DOC export patterns. L'hypothèse a été émise que la quantité et la composition du carbone organique dissous (COD) des tourbières, transporté par l'eau, est affecté par le dégel du pergélisol. Les changements de COD peuvent influer sur l'équilibre du carbone (C) directement, mais aussi les bilans de C et le métabolisme des milieux aquatiques en aval. Dans cette étude, j'ai étudié l'exportation de COD provenant de différents types de tourbières dans le bassin versant Stordalen au nord de la Suède (68.20N, 19.03E). La recherche a été réalisée à différentes échelles spatiales et temporelles afin d'évaluer l'importance du dégel du pergélisol des tourbières sur la tourbière elle-même et sur l'exportation du COD dans le bassin versant. Dans le bassin versant Stordalen, le dégel du pergélisol des tourbières a conduit à la conversion des palses (un type de tourbière pluviale avec un noyau de pergélisol) vers des tourbières dominées par les sphaignes ou en tourbières de carex avec des statuts d'éléments nutritifs variés en fonction de leur contexte hydrologique. Les palses se sont avérés avoir un faible taux d'exportation de COD, entre 2,5 et 3,5 gC m-2 an-1, et sa composition se caractérise par plusieurs indices de COD qui étaient de mauvaise qualité de substrat pour la dégradation microbienne. L'exportation du COD dans les tourbières n'a pas montré de différences quant à la quantité par rapport à celles de la palse, mais sa composition avait une plus faible aromaticité et une fraction plus importante provenant de sources microbiennes. La fonte des neiges s'est produite tôt dans la palse et les tourbières, et le flux de COD à ce moment de l'année a été responsable de plus de 70% de l'exportation annuelle de COD – provoquant la palse et les tourbières de modifier sensiblement l'exportation du COD du bassin versant malgré que ces dernières ne couvrent que moins de 4% du bassin versant. En raison notamment de l'exportation restreinte de COD, le complexe palse/bassin versant Stordalen a été déterminé être un puit net annuel de C en dépit de sa faible productivité de son écosystème. En revanche, les tourbières à carex on montré une exportation de 2 à 4 fois plus élevée que le COD des palse et des tourbières à sphaigne, avec une majorité de l'exportation du COD survenant en dehors de la période de fonte des neiges. Plusieurs preuves ont montrés que les tourbières à carex n'agissaient pas uniquement en tant que source de captage de COD, mais par la dégradation sélective, elles transforment le COD qui atteint les tourbières à carex à partir de sources en amont, ce qui provoque les tourbières à carex de modifier la composition du COD et les concentrations du bassin versant, en été et en automne, période de faible hydraulicité, malgré que ces dernières ne couvrent qu'une petite fraction du bassin versant. L'impact de l'exportation de COD des tourbières durant le dégel du pergélisol a été montré dépendant des conditions hydrologiques après le dégel, durant laquelle une conversion en tourbières à carex montre un plus grand potentiel pour la modification des patrons de transport de COD.