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Effects of seasonal and interannual climate variability on net ecosystem productivity of boreal deciduous and conifer forests

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Abstract:

The response of net ecosystem productivity (NEP) and evaporation in a boreal aspen (Populus tremuloides Michx.) forest and a black spruce (Picea mariana (Mill.) BSP) forest in Canada was compared using a newly developed realistic model of surface-atmosphere exchanges of carbon dioxide (CO2), water vapor, and energy as well as eddy covariance flux measurements made over a 6-year period (1994-1999). The model was developed by incorporating a process-based two-leaf (sunlit and shaded) canopy conductance and photosynthesis submodel in the Canadian Land Surface Scheme (CLASS). A simple submodel of autotrophic and heterotrophic respiration was combined with the photosynthesis model to simulate NEP. The model performed well in simulating half-hourly, daily, and monthly mean CO2 exchange and evaporation values in both deciduous and coniferous forests. Modeled and measured results showed a linear relationship between CO2 uptake and evaporation, and for each kilogram of water transpired, approximately 3 g of carbon (C) were photosynthesized by both ecosystems. The model results confirmed that the aspen forest was a weak to moderate C sink with considerable interannual variability in C uptake. In the growing season, the C uptake capacity of the aspen forest was over twice that of the black spruce forest. Warm springs enhanced NEP in both forests; however, high mid-summer temperatures appear to have significantly reduced NEP at the black spruce forest as a result of increased respiration. The model suggests that the black spruce forest is a weak C sink in cool years and a weak C source in warm years. These results show that the C balance of these two forests is sensitive to seasonal and interannual climatic variability and stresses the importance of continuous long-term flux measurement to confirm modeling results.

La réponse de la productivité nette de l'écosystème (PNE) et de l'évaporation, dans une tremblaie (Populus tremuloides Michx.) boréale et une pessière noire (Picea mariana (Mill.) BSP), a été comparée à l'aide d'un modèle réaliste et récemment développé pour simuler les échanges de dioxyde de carbone (CO2), de vapeur d'eau et d'énergie entre l'atmosphère et la surface et à l'aide de mesures de flux étalées sur une période de 6 ans (1994-1999) qui tiennent compte des effets dus à la turbulence. Le modèle a été développé en incorporant au projet canadien de surface terrestre (CLASS) un sous-modèle fonctionnel de photosynthèse et de conductance du couvert pour deux types de feuilles (d'ombre et de lumière). Un sous-modèle simple de respirations autotrophe et hétérotrophe a été combiné au sous-modèle de photosynthèse pour simuler la PNE. Le modèle fonctionne très bien pour simuler des valeurs semi-horaires, journalières et mensuelles des échanges moyens de CO2 et d'évaporation, à la fois dans la forêt résineuse et dans la forêt décidue. Les résultats mesurés et modélisés suivent une relation linéaire entre la fixation du CO2 et l'évaporation. Pour chaque kilogramme d'eau transpirée, approximativement 3 g de carbone (C) sont photosynthétisés par les deux écosystèmes. Les résultats de la modélisation confirment que la tremblaie constitue un puits faible à modéré de C où la fixation du C est soumise à une variation inter-annuelle considérable. Pendant la saison de croissance, la capacité de fixation du C de la tremblaie équivaut approximativement au double de celle de la pessière noire. Les printemps chauds favorisent la PNE dans les deux forêts; toutefois, les températures élevées du milieu de l'été semblent réduire significativement la PNE dans la pessière noire du fait d'une respiration plus importante. Le modèle suggère que la pessière est un faible puits de C durant les années froides et une faible source de C durant les années chaudes. Ces résultats montrent que le bilan de C de ces deux forêts est sensible aux variations saisonnière et inter-annuelle et soulignent l'importance de mesurer les flux de façon continue et à long terme de façon à confirmer les résultats de la modélisation.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: 2002-05-01

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