Riverine and coastal ocean contributions to global and regional oceanic cycling of carbon and nutrients

• Main Author: Lacroix, F.
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: Université Libre de Bruxelles 2020
• Subjects: Southern Ocean; Austral
• Online Access: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0006-3D21-1; http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0006-3D23-F

Les rivières sont une source importante de components biogéochimiques pour les océans. Les flux de ces composés affectent particulièrement les ré- gions côtières des océans qui sont importantes pour les activités biologique à l’échelle global. Jusqu’à présent, les modèles globaux biogéochimiques des océans ont représenté de manière inadéquate, ou même complètement ignorés les flux de carbone, de nutriments et d’alcalinité provenant des rivières. En particulier, aucun modèle n’a considéré les apports fluviaux de la période préindustrielle, et les flux organiques ont été fortement simplifiés selon leur composition biogéochimique et leur réactivité dans l’océan. Les océans côtiers et leur contribution au cycle du carbone global restent incompris, et jusqu’à présent peu de recherches ont été réalisées sur cet aspect important, et en appli- quant des modèles globaux. Finalement, les perturbations anthropogènes des apports fluviaux lors du 20e siècle et leurs conséquences sur l’état physique et biogéochimique des océans côtiers n’ont pas été analysées dans un modèle global qui prenne en compte la circulation tridimensionnelle de l’océan. Ainsi, l’objectif principal de cette thèse a été d’intégrer les apports biogéochimiques des rivieres et ameliorer la representation du cycle du carbone dans la zone cotiere dans un model océanique global. iv Dans une première étape, mon travail a visé à combler les lacunes en terme de connaissances concernant les implications à long terme des apports biogéochim- iques fluviaux pour le cycle océanique du carbone, en tenant compte de la période préindustrielle. J’ai estimé la contribution des rivières dans les ap- ports préindustrielle et leur distribution spatiale en utilisant les données prédites d’un Modèle du Système Terre, en utilisant une hiérarchie de mod- èles avancés qui permettent d’estimer l’érosion chimique et le transfert de matériel organique des écosystèmes terrestres à l’océan. Les apports fluviaux ont été ajoutés dans le modèle de biogéochimique océanique HAMOCC. Ce nouveau modèle a permis d’analyser les changements induits dans la produc- tion biologique primaire océanique et dans le flux de CO2 entre l’atmosphère et l’océan, à une échelle globale et régionale. Enfin une synthèse des résul- tats a été réalisée en évaluant la consommation nette de CO2 atmosphérique calculée pour les modèles terrestres, et en comparant celle-ci au dégazage de carbone estimé à long terme par le modèle océanique. L’étude prédit un dégazage océanique préindustriel de 0.23 Pg C yr-1, quise presente principale- ment à proximité de l’embouchure des rivieres. Le modele indiqueaussi un transfert inter-hémisphère de carbone, avec un apport des rivières à l’océan dans l’hémisphère nord, et un transfert de l’hémisphère nord à l’hémisphère sud où un dégazage se produit. De plus, une augmentation de la produc- tion biologique primaire causée par les apports des rivières est prédite dans l’Atlantique de l’ouest tropicale (+166 %), dans la Baie du Bengale (+377 %) et dans la mer de Chine orientale (+71 %), en comparaison avec les prédiction d’un modèle ne prenant pas en compte les apports des rivières. Après l’inclusion des apports fluviaux dans le modèle HAMOCC, la modéli- sation biogéochimique de l’océan côtier a été amélioré selon deux approches, en augmentant le rapport de reminéralisation de la matière organique dans les sédiments côtiers, et en incluant de façon explicite la dégradation de la matière organique terrestre dissoute (tDOM) dans l’océan. Lors de l’analyse des flux côtiers, le modèle suggère une durée de résidence des eaux dans la zone côtière réduite (14-16 mois en moyenne) que ce qui a été assumé jusqu’à présent (>4 ans), ce qui indique un transfert efficace de matière organique de l’océan côtier à l’océan ouvert et un état autotrophe net de l’océan côtier, aussi bien pour la période préindustrielle que la période actuelle. L’océan côtier est un puit de CO2 dans le modèle (0.06-0.08 Pg C yr-1) pour la période préindustrielle, contrairement à ce qui a été rapporté dans la littérature. Le puit de carbone n’est pas seulement le résultat de l’état autotrophe de l’océan côtier, mais aussi associé à l’effet de la production primaire sur le niveau v d’alcalinité et aux caractéristiques physiques et biogéochimiques de l’apport d’eau des rivières à l’océan ouvert. Dans le dernier chapitre, les perturbations océaniques induites par les change- ments de la concentration du CO2 dans l’atmosphère, du climat physique et des apports biogéochimiques fluviaux durant le 20e siècle, sont analysées à partir de simulations séquentielles. Les résultats de ces simulations indiquent que la réduction dans production primaire nette (NPP) observée dans les océans tropicaux et subtropicaux, expliqué par une stratification induite par la température, aurait pu être entièrement compensée par une augmentation de la NPP dans l’océan austral et dans les systèmes côtiers avec frontière terrestre à l’est (EBUS). Les simulations montrent aussi que l’inclusion des change- ments des apports fluviaux provoque une augmentation du NPP océanique à l’échelle globale (+ 4 %), la zone côtière étant la plus touchée (+15 %). En conclusion, cette thèse a permis de démontrer l’importance d’inclure, dans les modèles globaux biogéochimiques des océans, les changements temporels et spatiaux non seulement des apports fluviaux, mais aussi de l’état biogéochimique côtier, afin de mieux représenter les changements dans le cycle du carbone océanique observé pendant la période historique. Le nouveau modèle développé dans ce travail devrait permettre d’affiner la prédiction des changements du cycle du carbone océanique dans le futur. River deliver vast amounts of terrestrially derived compounds to the ocean. These fluxes are of particular importance for the coastal ocean, which is recog- nized as a region of disproportionate contribution to global oceanic biological fluxes. Until now, the riverine carbon, nutrient and alkalinity inputs have been poorly represented or omitted in global ocean biogeochemistry models. In particular, there has yet to be a model that considers the pre-industrial riverine loads of biogeochemical compounds to the ocean, and terrestrial inputs of organic matter are greatly simplified in their composition and reactivities in the ocean. Furthermore, the coastal ocean and its contribution to the global carbon cycle have remained enigmatic, with little attention being paid to this area of high biological productivity in global model analysis of carbon fluxes. Lastly, 20th century perturbations in riverine fluxes as well as of the physical and biogeochemical states of the coastal ocean have remained unexplored in a 3-dimensional model. Thus, the main goals of this thesis are to integrate an vi improved representation of riverine supplies in a global ocean model, as well as to improve the representation of the coastal ocean in the model, in order to solve open questions with respect its global contributions to carbon cycling. In this thesis, I first aimed to close gaps of knowledge in the long-term impli- cations of pre-industrial riverine loads for the oceanic cycling of carbon in a novel framework. I estimated pre-industrial biogeochemical riverine loads and their spatial distributions derived from Earth System Model variables while using a hierarchy of state-of-the-art weathering and organic matter land-ocean export models. I incorporated these loads into the global ocean biogeochemical model HAMOCC and investigated the induced changes in oceanic biological production and in the air-sea carbon flux, both at the global scale and in a regional shelf analysis. Finally, I summarized the results by assessing the net land sink of atmospheric carbon prescribed by the terrestrial models, and comparing it to the long-term carbon outgassing determined in the ocean model. The study reveals a pre-industrial oceanic outgassing flux of 231 Tg C yr-1, which is found to a large degree in proximity to the river mouths. The model also indicates an interhemispheric transfer of carbon from the northern riverine inputs to outgassing in the southern hemisphere. Furthermore, I observe substantial riverine-induced increases in biological productivity in the tropical West Atlantic (+166 %), the Bay of Bengal (+377 %) and in the East China Sea (+71 %), in comparison to a model simulation which does not consider the riverine inputs. In addition to considering supplies provided by riverine fluxes, the biogeo- chemical representation of the coastal ocean is improved in HAMOCC, by firstly increasing organic matter remineralization rates in the coastal sediment and by secondly explicitly representing the breakdown process of terrestrial dissolved organic matter (tDOM) in the ocean. In an analysis of the coastal fluxes, the model shows a much shorter residence time of coastal waters (14-16 months) than previously assumed, which leads to an efficient cross-shelf trans- port of organic matter and a net autotrophic state for both the pre-industrial timeframe and the present-day. The coastal ocean is also revealed as a CO2 sink for the pre-industrial time period (0.06-0.08 Pg C yr-1) in contrary to to the suggested source in published literature. The sink is however not only caused by the autotrophic state of the coastal ocean, but it is likely also strongly influenced by the effects of biological alkalinity production and both physical and biogeochemical characteristics of open ocean inflows. In the final chapter, 20th century oceanic perturbations due to changes in vii atmospheric CO2 concentrations and in the physical climate, and to increases in riverine nutrient supplies were investigated by using sequential model simulations. The model results show that the decrease in the net primary production (NPP) in the tropical and subtropical oceans due to temperature- induced stratification may be completely compensated by increases in the Southern Ocean and in Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS). The model also reveals that including increases in riverine supplies causes a global ocean NPP increase of +4 %, with the coastal ocean being a particularly strongly affected region (+15 %). This thesis shows a strong necessity to represent spatio-temporal changes in riverine supplies and of the coastal ocean state in spatially explicit global models in order to assess changes of the global cycling of carbon in the ocean in the past and potentially in the future.