Seasonal dynamics of CO₂ exchange during primary succession of boreal mires as controlled by phenology of plants

Abstract

Vegetation succession in mires is rather well identified using the paleoecological approach. Recently, the ecological succession concept has been extended to ecosystem functions, e.g., carbon dioxide (CO₂) dynamics. Although a strong link between mire vegetation and carbon dynamics is well acknowledged, the successional changes in mire ecosystem functions have remained practically unstudied, especially under the same climatic control. To study the patterns and dynamics of CO₂ exchange during mire succession, we measured CO₂ exchange and vegetation dynamics over 2 growing seasons along a mire chronosequence on the land uplift coast of the Bay of Bothnia in western Finland. The study showed a decrease in photosynthesis during mire succession that was linked to compositional change in vegetation, i.e., replacement of sedge and herb dominance with the dominance of dwarf shrubs and Sphagna. Similarly, the study revealed decreased variation in gross photosynthesis (P_G) and ecosystem respiration (R_E) over a growing season, which resulted in lower levels of seasonal CO₂ dynamics at older stages. The observed successional trend in phenology and CO₂ dynamics was largely a consequence of the gradual decrease in the abundance of plant groups with efficient photosynthesis and green area production.

Résumé

La succession végétale des tourbières est assez bien définie grâce à l'approche paléoécologique. Récemment, le concept de succession écologique a été étendu aux fonctions écosystémiques, par exemple, la dynamique du dioxyde de carbone (CO₂). Bien que l'existence d'un lien important entre la végétation des tourbières et la dynamique du carbone soit reconnu, les changements successifs des fonctions écosystémiques des tourbières demeurent très peu étudiés, particulièrement en conditions climatiques similaires. Afin d'étudier les patrons et la dynamique d'échange du CO₂ dans une succession de tourbières, nous avons mesuré les échanges de CO₂ et la dynamique végétale durant 2 saisons de croissance le long d'une chronoséquence de tourbières sur la côte en relèvement isostatique de la baie de Bothnia, dans l'ouest de la Finlande. L'étude a démontré une diminution de la photosynthèse au cours de la succession des tourbières liée au changement dans la composition de la végétation, c'est-à-dire au remplacement de la dominance des carex et des herbes par celle des arbustes nains et des sphaignes. L'étude a également révélé une diminution de la variation de la photosynthèse brute et de la respiration de l'écosystème sur une saison de croissance, ainsi des niveaux plus faibles d'échanges dans la dynamique saisonnière du CO₂ ont été mesurés pour les stades plus avancés. La tendance observée dans la succession au niveau de la phénologie des plantes et de la dynamique du CO₂ était en grande partie une conséquence de la diminution graduelle de l'abondance des groupes de plantes ayant une photosynthèse et une production de matière verte efficaces.

Keywords:

• carbon dioxide exchange
• chronosequence
• land uplift
• mire
• primary succession

Mots-clés:

• chronoséquence
• échange de dioxyde de carbone
• relèvement isostatique
• succession primaire
• tourbière