Linking dissolved organic matter quality and quantity to CO2 and CH4 concentrations in ombrotrophic bog pools

Abstract

Les petits plans d'eau, en particulier ceux riches en matière organique, sont encore négligés en tant que sources naturelles majeures d'émission de carbone (C) dans l'atmosphère et contributeurs importants au bilan mondial de C. Les mares de tourbières riches en matières organiques sont une source nette de C atmosphérique dans les écosystèmes de tourbières, qui sont généralement un puits net de C. Ces mares émettent des gaz à effet de serre (GES) à des taux plus élevés, en particulier de méthane (CH4), par rapport à d'autres petits plans d'eau lentiques (petits lacs et étangs), ce qui peut être attribué à la connectivité hydraulique des bassins donc aux apports en C de la tourbe environnante et aux caractéristiques morphologiques des mares. Cependant, il existe très peu d'informations sur les schémas et les mécanismes de la dynamique du C dans les bassins de tourbières par rapport à leur couvert végétal ainsi qu'à d'autres petits environnements aquatiques. En particulier, la matière organique dissoute (MOD), un important intermédiaire et substrat de C, peut influencer la dynamique des émissions de GES, mais son rôle demeure méconnu à l'échelle intra- et inter-régionale. Dans cette étude, nous avons caractérisé et identifié les patrons intra- et interrégionaux et les mécanismes potentiels contrôlant la quantité et la qualité de la MOD et des concentrations de GES, ainsi que leurs liens en analysant une gamme de variables optiques et chimiques et en compilant les données géographiques (c'est-à-dire le climat, le couvert végétal et morphométrie des bassins) à partir de bassins de tourbières ombrotrophes dans cinq régions de l'est du Canada (Grande plée Bleue, sud du Québec et région de la Minganie, est du Québec) et du sud de la Patagonie chilienne (Punta Arenas, parc Karukinka et île Navarino). Nous avons également effectué un échantillonnage interannuel dans la Grande plée Bleue pour identifier les tendances temporelles des concentrations et de la composition des GES et de MOD. Nous avons trouvé une variabilité interrégionale élevée dans les patrons de MOD et de GES par rapport à la variabilité intrarégionale qui était cohérente avec l'hétérogénéité des propriétés géographiques, en particulier, le climat. Les patrons interrégionaux des concentrations de GES étaient de plus déterminés par la couverture végétale environnante, la morphométrie du bassin et la composition de la MOD de type protéique. D'autre part, bien que nous n'ayons pas observé de patrons temporels significatifs dans les concentrations de GES, de MOD et de la composition de type humique terrestre au cours de l’été dans la Grande plée Bleue, les patrons temporels de GES ont été influencés par la concentration de MOD, la composition de type humique terrestre, et la chimie interne de l'eau. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que les patrons interrégionaux de la MOD et des GES, et les liens entre eux, sont principalement contrôlés par le climat (température et précipitations), la couverture végétale et la morphométrie des bassins, tandis que les patrons temporels de la MOD et des GES sont principalement régis par des facteurs à l'échelle locale tels que la morphométrie des bassins et la connectivité hydrologique.

Small waterbodies, especially organic-rich, are still overlooked as a major natural source of carbon (C) emission to the atmosphere and an important contributor in the global C budget. Organic-rich peatland pools are generally net atmospheric C sources embedded in peatland ecosystems, which are generally net C sinks. They emit high areal rates of greenhouse gases (GHG), particularly methane (CH4), compared to other small lentic waterbodies (small lakes and ponds) which may be attributed to peat-pool hydraulic connectivity leading to C loading from the surrounding peat and morphological characteristics. But there is very little information on the patterns and drivers of C dynamics within peatland pools compared to their vegetated areas as well as other small aquatic environments. In particular, the role that dissolved organic matter (DOM), an important intermediate and C substrate, may play in GHG dynamics is poorly known at the intra- and inter-regional scales. In this study, we characterized and identified the intra- and inter regional patterns and drivers of DOM quantity and quality and GHG concentrations as well as their links. We did so by analyzing a range of optical and chemical variables and compiling geographic data (i.e., climate, vegetation cover and pool morphometry) from ombrotrophic peatland pools across five regions in eastern Canada (Grande plée Bleue, southern Québec and Minganie region, eastern Québec) and southern Chilean Patagonia (Punta Arenas, Karukinka Park and Navarino Island). We also conducted inter-annual sampling in Grande plée Bleue to identify the temporal patterns in GHG and DOM concentrations and composition. We found high inter-regional variability in DOM and GHG patterns compared to intra-regional variability which was coherent with the heterogeneity of geographical properties. Inter-regional patterns in GHG concentrations were driven by surrounding vegetation cover, pool morphometry and protein-like DOM composition. On the other hand, although we did not observe significant temporal patterns in GHG and DOM concentrations and terrestrial humic-like composition throughout the growing seasons in Grande plée Bleue, temporal patterns of GHG were influenced by the DOM concentration, terrestrial humic-like composition, and internal water chemistry. Overall, our results suggest that inter-regional patterns in DOM and GHG, and the links among them are predominantly controlled by the broad-scale patterns in climate (temperature and precipitation), vegetation cover, and pool morphometry, while temporal patterns in DOM and GHG are predominantly governed by local-scale drivers such as pool morphometry.