DOI: 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 Ceulemans

Department 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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