Simulating the Carbon Cycling of Northern Peatlands Using a Land Surface Scheme Coupled to a Wetland Carbon Model (CLASS3W-MWM)

Northern peatlands store approximately one-third of the terrestrial soil carbon (C), although they cover only 3% of the global land mass. Northern peatlands can be subdivided into bogs and fens based on their hydrology and biogeochemistry. Peatland hydrology and biogeochemistry are tightly coupled to climate and, therefore, may be very sensitive to climate variability and change. To address the fate of the large peatland soil C storage under a future changed climate, a peatland C model, the McGill Wetland Model (MWM), was coupled to a land surface climate model (the wetland version of the Canadian Land Surface Scheme, CLASS3W), referred as CLASS3W-MWM. We evaluated the CLASS3W-MWM for a bog (Mer Bleue, located at 45.41°N, 75.48°W, in eastern Canada) and a poor fen (Degerö Stormyr, located at 64°11′N, 19°33′E, in northern Sweden).

CLASS3W-MWM captured the magnitude and direction of the present day C cycling very well for both bogs and fens. Moreover, the seasonal and interannual variability were reproduced reasonably well. Root mean square errors (RMSE) were <0.65 and the degree of agreements (d*) were >0.8 for the components of net ecosystem production (NEP) for both the Mer Bleue bog and the Degerö Stormyr fen. The performance of the coupled model for both bog and fen is similar to that of the stand-alone MWM driven by observed weather rather than simulated surface and soil climate. This modelling study suggests that northern peatlands are hydrologically and thermally conservative ecosystems. It was also shown that C cycling for bogs and fens was more sensitive to changes in air temperature than precipitation. Changes in temperature within the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) projected range switch the peatlands from a present-day C sink to a source, but projected changes in precipitation still maintain the peatlands as a C sink, although to a somewhat lesser degree. Increase in atmospheric CO₂ concentration enhances C sequestration for both bogs and fens. Our sensitivity analysis suggests that northern peatlands respond to changes in temperature, precipitation and doubled CO₂ concentration in a highly non-linear way. The sensitivity of C cycling in northern peatlands with respect to changes in air temperature, precipitation and the concentration of atmospheric CO₂ together is not a simple addition or subtraction of the sensitivity of the individual changes. Therefore, the sensitivity of a combination of changes in temperature, precipitation and doubled CO₂ concentration is very different from the sensitivity of peatlands to each environmental variable on their own. Our sensitivity analysis suggests that fens have a narrower tolerance to climate changes than bogs.

RÉSUMÉ Traduit par la rédaction] Les tourbières du Nord renferment approximativement le tiers du carbone se trouvant dans le sol terrestre, même si elles ne couvrent que 3% des terres du globe. On peut subdiviser les tourbières du Nord en tourbières hautes et en tourbières basses selon leur hydrologie et leur biogéochimie. L'hydrologie et la biogéochimie des tourbières sont intimement liées au climat et peuvent donc être très sensibles à la variabilité et au changement climatique. Pour étudier comment évoluera le stockage du carbone dans les grands terrains tourbeux sous un climat futur modifié, nous avons couplé un modèle de carbone de tourbière, le McGill Wetland Model (MWM), à un modèle climatique de surface terrestre (la version terres humides du CLASS3W canadien), c'est-à-dire le CLASS3W–MWM. Nous avons évalué le CLASS3W–MWM pour une tourbière haute (Mer Bleue, situé à 45,41°N, 75,48°O, dans l'est du Canada) et pour une tourbière basse ombrotrophe (Degerö Stormyr, situé à 64°11′N, 19°33′E, dans le nord de la Suède).

Le CLASS3W–MWM a très bien capturé la grandeur et la direction du recyclage actuel du carbone, tant pour les tourbières hautes que pour les tourbières basses. De plus, la variabilité saisonnière et interannuelle a été raisonnablement bien reproduire. Les écarts-types étaient <0,65 et les degrés de concordance (d*) étaient >0,8 pour les composantes de la production nette de l’écosystème tant pour la tourbière haute Mer Bleue que pour la tourbière basse Degerö Stormyr. La performance du modèle couplé pour la tourbière haute et la tourbière basse est semblable à celle du MWM autonome piloté par des conditions observées plutôt que par un climat simulé de la surface et du sol. Cette étude par modèle suggère que les tourbières du Nord sont des écosystèmes hydrologiquement et thermiquement conservatifs. Il a aussi été démontré que le recyclage du carbone pour les tourbières hautes et basses était plus sensible aux changements dans la température de l'air que dans les précipitations. Des changements de température de l'ordre de ceux projetés par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) font que les actuels puits de carbone que constituent les tourbières se transforment en sources, mais les changements projetés dans les précipitations maintiennent encore les tourbières comme des puits de carbone, quoique dans une moindre mesure. L'accroissement de la concentration du CO₂ atmosphérique améliore la séquestration du carbone à la fois pour les tourbières hautes et les tourbières basses. Notre analyse de sensibilité suggère que les tourbières du Nord réagissent aux changements dans la température et les précipitations et à une concentration doublée de CO₂ d'une façon fort peu linéaire. La sensibilité du recyclage du carbone dans les tourbières du Nord par rapport aux changements dans la température de l'air, les précipitations et la concentration du CO₂ atmosphérique ensemble n'est pas une simple addition ou soustraction de la sensibilité aux changements individuels. Par conséquent, la sensibilité à une combinaison de changements dans la température et les précipitations et à une concentration doublée de CO₂ est très différente de la sensibilité des tourbières à chaque variable environnementale prise seule. Notre analyse de sensibilité suggère que les tourbières basses ont une plus faible tolérance aux changements climatiques que les tourbières hautes.