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Ann. For. Sci.
Volume 58, Number 1, January 2001
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Page(s) | 31 - 46 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/forest:2001105 |
Ann. For. Sci. 58 (2001) 31-46
Simulated soil CO2 efflux and net ecosystem exchange in a 70-year-old Belgian Scots pine stand using the process model SECRETS
David A. Sampson, Ivan A. Janssens and Reinhart CeulemansDepartment of Biology, University of Antwerpen (UIA), 2610 Wilrijk, Belgium
(Received 13 December 1999; accepted 18 September 2000)
Abstract
Within the framework of the EU ECOCRAFT (European collaboration on CO2 responses
applied to forests and trees), we developed a stand scale process model to simulate
short-term carbon (C) and water fluxes from a mixed coniferous/deciduous forest in
Northern Belgium (51o31' N, 4o22' E). The model, termed SECRETS, is a sequential,
multi-species and multiple layer simulator that uses process modules adapted from
several sources. Namely, we adapted BIOMASS (maintenance respiration and water
balance), and coded the sun/shade model (photosynthesis; modified for forest species),
and the GRASSLAND DYNAMICS (soil carbon and nitrogen) models. In this contribution
we simulate carbon fluxes for a 70-year-old Scots pine (Pinus sylvestris L.) stand and
we introduce an approach to characterize uncertainty in the model outputs. Simulated,
annual gross primary productivity (GPP) for 1997 and 1998 was 1 965
and 1 888 g C m-2, respectively. Soil respiration was 25% (495 g C m-2 a-1)
and 27% (505 g C m-2 a-1) of the GPP in 1997 and 1998, respectively, in this
slow growing Scots pine stand. Heterotrophic respiration () accounted for,
roughly, 32% of the total soil C efflux for both years. Simulated daily fluxes
for net ecosystem exchange (NEE) suggested C uptake throughout most, but not all,
of the spring and summer, but net release during mid-autumn to early winter periods
for both years. Our base estimates of NEE ranged from 385 g C m-2 a-1 in 1997
to 310 g C m-2 a-1 in 1998. However, the uncertainty in NEE varied from 167
to 509 g C m-2 a-1 and 138 to 392 g C m-2 a-1 in 1997 and 1998, respectively.
Thus, this stand may be accumulating C at a rate of 138 to 509 g C m-2 a-1
depending on the assumed stand and site characteristics, tree physiology,
and local variation in weather.
Résumé
Utilisation du modèle mécaniste "SECRETS "pour la simulation des efflux de
CO2 du sol et de l'échange net de l'écosystème dans un peuplement belge de
Pin sylvestre de 70 ans.
À l'occasion du contrat européen ECOCRAFT (collaboration
européenne sur les réponses du CO2 appliquées aux forêts et aux arbres), nous
avons développé, à l'échelle du peuplement, un modèle mécaniste pour simuler
les flux à court terme du carbone (C) et de l'eau pour une forêt mélangée
feuillus résineux dans le Nord de la Belgique (51o31' N, 4o22' E). Le modèle,
nommé SECRETS, est un simulateur séquentiel, multi-espèces et multi-couches qui
utilise des modules mécanistes adaptés de différentes origines. Nommément, nous
avons adapté les modèles BIOMASS (entretien de la respiration et bilan en eau),
et codé le modèle soleil/ombre (photosynthèse ; modifié pour les espèces forestières),
et GRASSLAND DYNAMICS (carbone et azote du sol). Dans cette contribution nous
simulons les flux de carbone pour un peuplement de 70 ans de Pin sylvestre
(Pinus sylvestris L.) et introduisons une approche pour caractériser les
incertitudes dans les sorties du modèle. La production primaire annuelle
simulée (GPP) pour 1997 et 1998 était de 1 965 et 1 888 g C m-2, respectivement.
La respiration du sol représentait 25 % (495 g C m-2 a-1) et 27 %
(505 g C m-2 a-1) du GPP en 1997 et 1998, respectivement, dans ce peuplement
de Pin sylvestre à faible croissance. La respiration hétérotrophe ()
représente, environ, 32 % de l'efflux total du carbone du sol pour les deux années.
Les flux journaliers simulés pour l'échange net de l'écosystème (NEE) suggère un
prélèvement de C pour la plupart de la durée, mais pas pour tout, du printemps et
de l'été, alors que la libération nette se ferait pendant la période entre la
mi-automne et le début de l'hiver et ce pour les deux années. Notre estimation
de base pour NEE variait de 385 g C m-2 a-1 en 1997 à 310 g C m-2 a-1 en 1998.
Cependant, l'incertitude sur NEE variait de 167 à 509 g C m-2 a-1 et 138
à 392 g C m-2 a-1 en 1997 et 1998, respectivement. Ainsi, ce peuplement
pourrait accumuler du C au rythme de 138 à 509 g C m-2 a-1 selon les
caractéristiques probables du peuplement et du site, de la physiologie de
l'arbre, et de la variation locale du temps.
Key words: net ecosystem exchange / carbon budgets / heterotrophic respiration
Mots clés : échange net de l'écosystème / bilan de carbone / biomasse microbienne
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