Modélisation du cycle du carbone terrestre au cours du dernier maximum glaciaire

Modeling terrestrial carbon cycle during the Last Glacial Maximum

• Auteur / Autrice : Dan Zhu
• Direction : Philippe Ciais, Gerhard Krinner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Météorologie, océanographie, physique de l'environnement
• Date : Soutenance le 30/09/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bousquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Masa Kageyama, Pierre Antoine, Roland Zech
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Kuhry, Victor Brovkin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Herbivores

Dynamique de la végétation

Glaciations

Simulation, Méthodes de

Cycle du carbone

Mots clés libres

Cycle global du carbone

Dernier Maximum Glaciaire

Pergélisol

Dynamique de la végétation

Grands herbivores

Global carbon cycle

Last Glacial Maximum

Permafrost

Dynamic vegetation

Large herbivores

Résumé

Pendant les transitions glaciaire-interglaciaires,on observe une augmentation en partie abrupte de près de 100 ppm du CO2 atmosphérique, indiquant une redistribution majeure entre les réservoirs de carbone des continents, de l'océan et de l'atmosphère. Expliquer les flux de carbone associés à ces transitions est un défi scientifique, qui nécessite une meilleure compréhension du stock de carbone ‘initial’ dans la biosphère terrestre au cours de la période glaciaire. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension du fonctionnement des écosystèmes terrestres et des stocks de carbone au cours du dernier maximum glaciaire (LGM, il y a environ 21.000 ans), à travers plusieurs nouveaux développements dans le modèle global de végétation ORCHIDEE-MICT, pour améliorer la représentation de la dynamique de la végétation, la dynamique du carbone dans le sol du pergélisol et les interactions entre les grands herbivores et la végétation dans le modèle de la surface terrestre. Pour la première partie, la représentation de la dynamique de la végétation dans ORCHIDEEMICT pour les régions des moyennes et hautes latitudes, a été calibrée et évaluée avec un ensemble de données spatiales de classes de végétation, production primaire brute, et de biomasse forestière pour la période actuelle. Des améliorations sont obtenues avec la nouvelle version du modèle dans la distribution des groupes fonctionnels de végétation. Ce modèle a ensuite été appliqué pour simuler la distribution de la végétation au cours de laLGM, montrant un accord général avec les reconstructions ponctuelles basées sur des données de pollen et de macro-fossiles de plantes. Une partie du pergélisol (sols gelés en permanence) contient des sédiments épais, riches en glace et en matières organiques appelés Yedoma, qui contiennent de grandes quantités de carbone organique, et sont des reliques des stocks de carbone du Pléistocène. Ces sédiments ont été accumulés sous des climats glaciaires. Afin de simuler l'accumulation du carbone dans les dépôts de Yedoma, j’ai proposé une nouvelle paramétrisation de la sédimentation verticale dans le module de carbone dans le sol de ORCHIDEE-MICT. L'inclusion de ce processus a permis de reproduire la distribution verticale de carbone observée sur des sites de Yedoma. Une première estimation du stock de carbone dans le pergélisol au cours du LGM est obtenue, de l’ordre de ~ 1550 PgC, dont 390 ~446 PgC sous forme de Yedoma encore intacts aujourd’hui (1,3 millions de km2). Potentiellement, une plus grande surface de Yedoma pourrait être présente pendant leLGM, qui a disparue lors de la déglaciation.Pour la troisième partie, à la lumière des impacts écologiques des grands animaux, et le rôle potentiel des méga-herbivores comme une force qui a maintenu les écosystèmes steppiques pendant les périodes glaciaires, j'ai incorporé un modèle de d’herbivores dans ORCHIDEE-MICT, basé sur des équations physiologiques pour l'apport énergétique et les dépenses, le taux de natalité, et le taux de mortalité pour les grands herbivores sauvages.Le modèle a montré des résultats raisonnables de biomasse des grands herbivores en comparaison avec des observations disponibles aujourd’hui sur des réserves naturelles. Nous avons simulé un biome de prairies très étendu pendant le LGM avec une densité importante de grands herbivores. Les effets des grands herbivores sur la végétation et le cycle du carbone du LGM ont été discutés, y compris la réduction de la couverture forestière, et la plus grande productivité des prairies. Enfin, j’ai réalisé une estimation préliminaire du stock total de carbone dans le permafrost pendant le LGM, après avoir tenu compte des effets des grands herbivores et en faisant une extrapolation de l'étendue spatiale des sédiments de type Yedoma basée sur des analogues climatiques et topographiques qui sont similaires à la région de Yedoma actuelle.

During the repeated glacialinterglacialtransitions, there has been aconsistent and partly abrupt increase of nearly 100 ppm in atmospheric CO2, indicating majorredistributions among the carbon reservoirs of land, ocean and atmosphere. A comprehensive explanation of the carbon fluxes associated with the transitions is still missing, requiring a better understanding of the potential carbon stock in terrestrial biosphere during the glacial period. In this thesis, I aimed to improve the understanding of terrestrial carbon stocks andcarbon cycle during the Last Glacial Maximum (LGM, about 21,000 years ago), through a series of model developments to improve there presentation of vegetation dynamics, permafrost soil carbon dynamics, and interactions between large herbivores andvegetation in the ORCHIDEE-MICT land surface model. For the first part, I improved the parameterization of vegetation dynamics in ORCHIDEE-MICT for the northern mid- to high-latitude regions, which was evaluated against present-day observation-based datasets of land cover, gross primary production, and forest biomass. Significant improvements were shown for the new model version in the distribution of plant functional types (PFTs),including a more realistic simulation of the northern tree limit and of the distribution of evergreen and deciduous conifers in the borealzone. The revised model was then applied t osimulate vegetation distribution during the LGM, showing a general agreement with the point-scale reconstructions based on pollen and plant macrofossil data. Among permafrost (perennially frozen) soils, the thick, ice-rich and organic-rich silty sediments called yedoma deposits hold large quantities of organic carbon, which are remnants of late-Pleistocene carbon accumulated under glacial climates. In order to simulate the buildup of the thick frozen carbonin yedoma deposits, I implemented a sedimentation parameterization in the soilcarbon module of ORCHIDEE-MICT. The inclusion of sedimentation allowed the model to reproduce the vertical distribution of carbon observed at the yedoma sites, leading to several-fold increase in total carbon. Simulated permafrost soil carbon stock during the LGMwas ~1550 PgC, among which 390~446 PgC within today’s known yedoma region (1.3million km2). This result was still an underestimation since the potentially larger area of yedoma during the LGM than today was not yet taken into account. For the third part, in light of the growing evidence on the ecological impacts of large animals, and the potential role of mega herbivores as a driving force that maintained the steppe ecosystems during the glacial periods, I incorporated a dynamic grazing model in ORCHIDEE-MICT, based on physiological equations for energy intake and expenditure, reproduction rate, and mortality rate for wild large grazers. The model showed reasonable results of today’s grazer biomass compared to empirical data in protected areas,and was able to produce an extensive biome with a dominant vegetation of grass and a substantial distribution of large grazers duringthe LGM. The effects of large grazers on vegetation and carbon cycle were discussed, including reducing tree cover, enhancing grassland productivity, and increasing the turnover rate of vegetation living biomass. Lastly, I presented a preliminary estimation ofpotential LGM permafrost carbon stock, after accounting for the effects of large grazers, as well as extrapolations for the spatial extent of yedoma-like thick sediments based on climaticand topographic features that are similar to the known yedoma region. Since these results were derived under LGM climate and constant sedimentation rate, a more realistic simulation would need to consider transient climate during the last glacial period and sedimentation rate variations in the next step.