Biogeochemistry of carbon, major and trace elements in watersheds of northern Eurasia drained to the Arctic Ocean: The change of fluxes, sources and mechanisms under the climate warming prospective

Warming of the permafrost accompanied by the release of ancient soil organic carbon is one of the most significant environmental threats within the global climate change scenario. While the main sites of permafrost carbon processing and its release to the atmosphere are thermokarst (thaw) lakes and ponds, the main carriers of carbon and related major and trace elements from the land to the Arctic ocean are Russian subarctic rivers. The source of carbon in these rivers is atmospheric C consumed by chemical weathering of rocks and amplified by plant uptake and litter decomposition. This multidisciplinary study describes results of more than a decade of observations and measurements of elements fluxes, stocks and mechanisms in the Russian boreal and subarctic zone, from Karelia region to the Kamchatka peninsula, along the gradient of permafrost-free terrain to continuous permafrost settings, developed on various lithology and vegetation types. We offer a comprehensive, geochemically-based view on the functioning of aquatic boreal systems which quantifies the role of the following factors on riverine element fluxes: (1) the specificity of lithological substrate; (2) the importance of organic and organo-mineral colloidal forms, notably during the snowmelt season; (3) the phenomenon of lakes seasonal overturn; (4) the role of permafrost within the small and large watersheds; and (5) the governing role of terrestrial vegetation in element mobilization from rock substrate to the river. Care of such a multiple approach, a first order prediction of the evolution of element stocks and fluxes under scenario of progressive warming in high latitudes becomes possible. It follows the increase of frozen peat thawing in western Siberia will increase the stocks of elements in surface waters by a factor of 3 to 10 whereas the increase of the thickness of active layer, the biomass and the primary productivity all over permafrost-affected zone will bring about a short-term increase of elements stocks in labile reservoir (plant litter) and riverine fluxes by a factor of 2. The change of the plant productivity and community composition under climate warming in central Siberia will be the most important factor of major and trace element fluxes increase (probably a factor of 2) from the soil to the river and, finally, to the Arctic Ocean.

RésuméLe réchauffement du permafrost, accompagné de la libération du carbone organique à partir d’anciens sols, constitue l’une des menaces environnementales les plus significatives dans le scénario du changement climatique global. Tandis que les principaux sites de carbone de permafrost et de libération de cet élément dans l’atmosphère sont les lacs et marais thermokarstiques, les principaux vecteurs du carbone et des éléments majeurs et en traces qui lui sont associés, du continent vers l’océan Arctique, sont les rivières sub-arctiques russes. La source de C dans les rivières est le C atmosphérique consommé par altération chimique des roches, et augmenté du fait du prélèvement de cet élément par la végétation et de la décomposition de la litière végétale. L’étude multidisciplinaire ici présentée fournit les résultats de plus d’une décennie d’observations et de mesures de flux et de stockage d’éléments et décrit les mécanismes impliqués dans les zones boréales et sub-arctiques russes, depuis la Karelia jusqu’à la péninsule du Kamtchatka, le long d’un gradient allant des terrains sans permafrost jusqu’à ceux comportant en continu un permafrost, développé sur des lithologies et des types de végétation variés. Les auteurs présentent une vue d’ensemble fondée sur la géochimie du fonctionnement des systèmes aquatiques boréaux, avec quantification du rôle des facteurs suivants qui régissent le flux des éléments dans les rivières : 1) spécificité du substrat lithologique ; 2) importance des formes colloïdales organiques et organo-minérales, notamment pendant la saison de la fonte des neiges ; 3) phénomène de basculement saisonnier des lacs ; 4) rôle du permafrost dans les bassins versants de petite et de grande tailles ; 5) rôle de la végétation terrestre dans la mobilisation des éléments depuis le substrat rocheux jusqu’à la rivière. Une telle approche multidisciplinaire est garante d’une prédiction de premier ordre quant à l’évolution des stocks et des flux d’éléments dans le scénario d’un réchauffement progressif sous hautes latitudes. Il en résulte que l’augmentation du dégel dans la tourbe gelée en Sibérie occidentale accroîtra les stocks d’éléments dans les eaux de surface d’un facteur de 3 à 10, tandis que l’augmentation d’épaisseur de l’horizon actif, la biomasse et la productivité primaire sur toute la zone affectée par le permafrost induiront, à court terme, un accroissement des stocks d’éléments dans le réservoir labile (litière végétale) et les flux en rivière d’un facteur de 2. Le changement de productivité de la végétation et de sa composition au cours du réchauffement climatique en Sibérie centrale sera le facteur le plus important d’augmentation des flux d’éléments majeurs et en traces (probablement d’un facteur de 2) depuis le sol jusqu’à la rivière et enfin à l’océan Arctique.