Factors controlling dissolved organic carbon in soils: a database analysis and a model development

Datum: 9 oktober 2015

Locatie: UAntwerpen, Stadscampus, B0.03 - Prinsstraat 13 - 2000 Antwerpen

Tijdstip: 15 uur

Promovendus: Marta Camino Serrano

Promotor: Ivan Janssens & Sebastiaan Luyssaert

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Marta Camino Serrano - Faculteit Wetenschappen, Departement Biologie



Abstract

Koolstof wordt voortdurend uitgewisseld tussen waterstromen op het land en de oceanen. Ondanks de belangrijke rol van dit laterale transport van opgeloste organische koolstof (dissolved organic carbon; DOC) in de globale koolstofcyclus, wordt het meestal genegeerd in Land Surface Models (LSM). De laterale DOC stromen in bouwen in globale modellen is nochtans van belang om twee redenen: 1) het ontbreken van deze fluxen kan leiden tot een overschatting van koolstofopslag op het land, en 2) om de globale koolstofcyclus beter te begrijpen en te voorspellen moet onze visie veranderen naar een ‘grenzeloze koolstofcyclus’ waarbij terrestrische, zoetwater- en mariene ecosystemen geïntegreerd worden. Om deze reden werden enkele modellen ontwikkeld voor DOC-gerelateerde processen en transport. Er is echter nood aan nauwkeurigere informatie om de DOC-dynamieken beter te kunnen begrijpen en voorspellen.

Deze thesis had dan ook twee doelstellingen: (1) het opstellen en analyseren van een DOC database om te achterhalen welke omgevingsfactoren de spatiale en temporele variatie in DOC concentraties in bodemoplossing bepalen; (2) implementatie van productie-, retentie- en transportprocessen van DOC in het LSM ORCHIDEE. Deze thesis bestaat dus deels uit data-analyses, en deels uit modeltoepassingen.

Mijn database bevat DOC-concentraties in bodemoplossing op site-niveau voor verschillende ecosystemen verspreid over de Aarde, met veel aandacht vooral voor bossen in het Noordelijk halfrond. Ik heb eerst onderzocht hoe DOC-concentraties verschillen tussen ecosystemen, klimaten en bodemtypes op globale schaal, om vervolgens te focussen op de spatiale en temporele variatie in Europese bossen. Zoals verwacht waren de DOC-concentraties hoger voor organische dan voor minerale bodems. Ik vond ook dat DOC-concentraties lager waren in loofbossen dan in naaldbossen, waarschijnlijk vanwege de tragere ontbinding van afgevallen naalden. Over het algemeen stegen de DOC-concentraties in de organische bodemlagen, terwijl de temporele trends van DOC in bodemoplossing in de minerale bodemlagen geen consistent patroon vertoonden. De database-analyse suggereerde een belangrijk rol voor stikstofbeschikbaarheid en zuurtegraad van de bodem in het bepalen van zowel spatiale als temporele variatie in DOC-concentratie in de bodem. In deze thesis duid ik verder op het belang van de interne bodemprocessen als bepalende factor van de uiteindelijke DOC-concentraties in de bodem en de heterogeniteit ervan.

In het tweede deel van deze thesis heb ik de processen van DOC-decompositie, van adsorptie en desorptie van DOC aan mineralen, en van DOC-transport doorheen de bodem geïmplementeerd in ORCHIDEE. Ik heb ook de bodem-module gediscretiseerd tot 2 m om zo rekening te kunnen houden met de organische koolstof en DOC dynamieken in de diepere bodemlagen. Een evaluatie van het resulterende nieuwe model, ORCHIDEE-SOM, werd geëvalueerd met de DOC-concentratie-data van een gematigd bos. De overeenstemming tussen model en data was vrij goed wat betreft dynamieken en bodemprofiel, wat erop wijst dat de belangrijkste processen van DOC-productie en –transport goed weergegeven zijn in ORCHIDEE-SOM. Echter, ORCHIDEE-SOM kan voorlopig de DOC- en SOC-dynamieken op site-niveau nog niet perfect simuleren omdat de fysicochemische bodemeigenschappen die belangrijk zijn voor deze dynamieken nog niet opgenomen zijn in het model. Voor gebruik op globale schaal raad ik dan ook aan om, tijdens het inbouwen van de rol van nutriënten en pH in het model, ORCHIDEE-SOM ook te blijven verbeteren door middel van multi-site optimisatie.