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Nordicana D31 / DOI : 10.5885/45520CE-0A48ADE0E2194290
Carbone organique dissous et données environnementales provenant de lacs et d'étangs circumpolaires nordiques
Dissolved organic carbon and related environmental data from ponds and lakes in the circumpolar North
Maxime Wauthy* 1, 2, Milla Rautio 1, 2, 3, Kirsten S. Christoffersen 4, 5, Laura Forsström 6, Isabelle Laurion 2, 3, 7, Heather Mariash 8, Sari Peura 9, 10, Warwick F. Vincent 2, 11

(1) Département des sciences fondamentales, Université du Québec à Chicoutimi, Chicoutimi, Quebec, Canada
(2) Centre d’études nordiques (CEN), Université Laval, Quebec City, Quebec, Canada
(3) Group for Interuniversity Research in Limnology and Aquatic Environment (GRIL), Université de Montréal, Montreal, Quebec, Canada
(4) Freshwater Biological Laboratory, Department of Biology, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark
(5) Department of Arctic Biology, University Centre in Svalbard, Longyearbyen, Norway
(6) Department of Environmental Sciences, University of Helsinki, Helsinki, Finland
(7) Centre Eau Terre Environnement, Institut national de la recherche scientifique, Quebec City, Quebec, Canada
(8) Environment and Climate Change Canada, National Wildlife Research Centre, Ottawa, Ontario, Canada
(9) Limnology, Department of Ecology and Genetics, Uppsala University, Uppsala, Sweden
(10) Molecular Epidemiology, Department of Medical Sciences, Uppsala University, Uppsala, Sweden
(11) Département de biologie, Université Laval, Quebec City, Quebec, Canada
*Auteur pour la correspondance / Corresponding author

Résumé / Abstract
Le pergélisol constitue l’un des plus importants réservoirs de carbone organique sur Terre. Avec le réchauffement climatique, ce pergélisol dégèle à un rythme accéléré, favorisant la formation d'étangs thermokarstiques. Ces étangs sont de plus en plus abondants dans les milieux arctiques et subarctiques, pouvant représenter jusqu'à 90% des lacs dans certaines régions. Par ailleurs, en raison de ce dégel, l'importante quantité de carbone qui était prisonnière du pergélisol se trouve libérée et finit sa course dans ces nouveaux plans d’eau. Les écosystèmes lacustres nordiques, généralement caractérisés par une eau limpide avec une production élevée d'oxygène par les algues benthiques et une autotrophie nette générale, reçoivent donc désormais une quantité croissante de matière organique terrestre provenant du bassin versant, avec des conséquences importantes sur le métabolisme de l'écosystème. L'augmentation de la dépendance au carbone et nutriments terrestres stimule la production et la respiration bactérienne et diminue la disponibilité en lumière pour la production primaire benthique, contribuant à faire de ces étendues d'eaux douces circumpolaires une source importante de gaz à effet de serre. L'effet combiné de l'augmentation de la teneur en composés humiques venant bassin versant et des modifications du métabolisme de l'étang contribuent à modifier la composition du carbone dissous dans l'eau. Cependant, bien que les étangs peu profonds soient le principal type d'écosystème d'eau douce et une composante intégrale du cycle du carbone à haute latitude, l'ampleur et le rythme de cette modification demeurent inconnus. Afin d'étudier l'influence du dégel du pergélisol sur les stocks et la composition de la matière organique dissoute (MOD) dans les systèmes d'eau douce circumpolaire nordique, nous avons utilisé une série d’indicateurs chimique (COD), biologique (chlorophylle a), optiques (indices spectrophotométriques, EEMs, PARAFAC) et isotopiques (d13C et d2H). Entre 2002 et 2016, nous avons échantillonné durant l’été 253 étangs répartis dans 14 régions circumpolaires, pour un total de 356 échantillons, une partie de ces plans d’eau étant échantillonnés plus d'une fois au cours de ces 15 ans. Les sites d'étude sont répartis dans une zone géographique très large, couvrant environ 200° en longitude (de l'Alaska à la Russie) et 30° en latitude (de la zone subarctique jusqu'au Haut-Arctique), comprenant ainsi un large spectre de condition de dégel du pergélisol. Nous avons divisé les étangs en trois catégories selon leur exposition au dégel du pergélisol: (1) les étangs sur socle rocheux, caractérisés par un bassin versant rocheux et non directement affectés par le dégel du pergélisol; (2) les étangs de toundra, non touchés par le dégel du pergélisol et caractérisés par des bassins versants forestiers, arbustifs ou désertiques, selon la région; et (3) les étangs thermokarstiques, directement affectés par le dégel du pergélisol.



Frozen tundra soils hold one of the Earth’s largest pools of organic carbon. With global warming, permafrost is thawing at an accelerated rate, promoting the formation of thermokarst ponds. These ponds have become increasingly abundant in high latitude areas, representing up to 90% of all lakes in some regions. They act as recipients of the huge amount of carbon stored in permafrost that, due to thawing, is transported to aquatic ecosystems. Originally transparent ponds with high oxygen production by benthic algae and general net autotrophy are receiving increasing amounts of terrestrial organic material from the changing watershed with consequences for the ecosystem metabolism. Increasing reliance to terrestrial carbon and nutrients stimulate bacteria production and respiration and decrease the light availability to benthic primary production, contributing to making an increasing number of circumpolar freshwaters an important source of greenhouse gases to atmosphere. The combined effect of increasing humic compounds from the watershed and the modifications in the pond metabolism contribute to changes in the composition of the carbon pool in water. The extent and rate of this change are however unknown although shallow ponds are the major freshwater ecosystem type in the circumpolar North and constitute an integral component in the carbon cycling at high latitudes. In order to investigate the influence of permafrost thaw to the stocks and composition of dissolved organic material (DOM) in circumpolar North freshwater systems, we used a suite of chemical (DOC), biological (chlorophyll a), optical (spectrophotometric indexes, EEMs, PARAFAC) and stable isotopic (d13C and d2H) indicators. During the summer periods from 2002 to 2016, we sampled a total of 253 ponds distributed in 14 circumpolar regions, for a total of 356 samples, a fraction of ponds being sampled more than one time during these 15 years. The regions span over a very wide geographic area, covering ~200° in longitude (from Alaska to Russia) and ~30° in latitude (from Subarctic to High Arctic), and resulting in a large range of thawing permafrost influence. We divided the ponds into three categories according to their exposure to permafrost thaw: (1) bedrock ponds, characterized by a bedrock catchment and not directly affected by thawing permafrost; (2) tundra, not impacted by permafrost thaw, but characterized by forest, shrub or desert tundra watersheds, depending on the region; and (3) thaw ponds, directly affected by thawing permafrost.
Citation des données / Data citation
Wauthy, M., Rautio, M., Christoffersen, K.S., Forsström, L., Laurion I., Mariash, H., Peura, S., Vincent, W.F. 2017. Carbone organique dissous et données environnementales provenant de lacs et d'étangs circumpolaires nordiques, v. 1.0 (2002-2016). Nordicana D31, doi: 10.5885/45520CE-0A48ADE0E2194290.
Wauthy, M., Rautio, M., Christoffersen, K.S., Forsström, L., Laurion I., Mariash, H., Peura, S., Vincent, W.F. 2017. Dissolved organic carbon and related environmental data from ponds and lakes in the circumpolar North, v. 1.0 (2002-2016). Nordicana D31, doi: 10.5885/45520CE-0A48ADE0E2194290.
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Publications clés / Key references
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Laurion, I., Mladenov, N. 2013. Dissolved organic matter photolysis in Canadian arctic thaw ponds. Environmental Research Letters. 8:035026. DOI: 10.1088/1748-9326/8/3/035026.
MacMillan, G.A., Girard, C., Chételat, J., Laurion, I., Amyot, M. 2015. High methylmercury in arctic and subarctic ponds is related to nutrient levels in the warming eastern Canadian Arctic. Environmental Science & Technology. 49:7743-7753. DOI: 10.1021/acs.est.5b00763.
Rautio, M., Dufresne, F., Laurion, I., Bonilla, S., Vincent, W.F., Christoffersen, K. 2011. Shallow freshwater ecosystems of the circumpolar Arctic. Ecoscience 18: 204-22 DOI: 10.2980/18-3-3463.
Rautio, M., Vincent, W.F. 2007. Isotopic analysis of the sources of organic carbon for zooplankton in shallow subarctic and arctic waters. Ecography. 30:77-87. DOI: 10.1111/j.0906-7590.2007.04462.x.
Roiha, T., Laurion, I., Rautio, M. 2015. Carbon dynamics in highly heterotrophic subarctic thaw ponds. Biogeosciences. 12:7223-7237. DOI: 10.5194/bg-12-7223-2015.
Roiha, T., Peura, S., Cusson, M., Rautio, M. 2016. Allochthonous carbon is a major regulator to bacterial growth and community composition in subarctic freshwaters. Sci Rep. 6:34456. DOI: 10.1038/srep34456.
Roiha, T., Tiirola, M., Cazzanelli, M., Rautio, M. 2012. Carbon quantity defines productivity while its quality defines community composition of bacterioplankton in subarctic ponds. Aquatic Sciences. 74:513-525. DOI: 10.1007/s00027-011-0244-1.
Rossi, P.G., Laurion, I., Lovejoy, C. 2013. Distribution and identity of Bacteria in subarctic permafrost thaw ponds. Aquatic Microbial Ecology. 69:231-245. DOI: 10.3354/ame01634.
Wauthy, M., Rautio, M., Christoffersen, K.S., Forsström, L., Laurion I., Mariash, H., Vincent, W.F. 2017. Increasing dominance of terrigenous organic matter in circumpolar freshwaters due to permafrost thaw. Submitted to L&O Letters.
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Version 1.0 (2002-2016) - Mise à jour le 11 septembre 2017 / Updated September 11, 2017

Sites de mesure / Measurement sites
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Bylot Island
73.150-79.983
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BGR
56.617-76.217
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Cambridge Bay
69.117-105.017
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Coral Harbour
64.000-82.083
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Hazen
81.833-70.417
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KW
55.283-77.733
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KWK
55.333-77.500
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Kangerlussuaq
67.000-50.667
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Kilpisjärvi
69.03320.833
Plus d'info
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McKenzie Delta
69.700-134.467
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More info
Resolute Bay
74.683-94.817
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SAS
55.217-77.683
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Seida
67.05062.933
Plus d'info
More info
Toolik
68.633-149.600
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Tasiapik
56.550-76.467
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83.067-74.167
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Zackenberg
74.500-20.667

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Fichier de données / Data file: CDOM_Database.csv
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Sites
BGR
Bylot Island
Cambridge Bay
Coral Harbour
Hazen
Kangerlussuaq
Kilpisjärvi
KW
KWK
McKenzie Delta
Resolute Bay
SAS
Seida
Tasiapik
Toolik
Ward Hunt
Zackenberg
Données / Data
Abondance relative de la composante C1 / Relative abundance of the component C1
07/2002 - 09/2016
Abondance relative de la composante C2 / Relative abundance of the component C2
07/2002 - 09/2016
Abondance relative de la composante C3 / Relative abundance of the component C3
07/2002 - 09/2016
Abondance relative de la composante C4 / Relative abundance of the component C4
07/2002 - 09/2016
Abondance relative de la composante C5 / Relative abundance of the component C5
07/2002 - 09/2016
Absorbance ultraviolet spécifique à 254 nm / Specific ultraviolet absorbance at 254 nm
07/2002 - 09/2016
Coefficient d'absorption à 320 nm / Absorption coefficient at 320 nm
07/2002 - 09/2016
Coefficient d'absorption à 440 nm / Absorption coefficient at 440 nm
07/2002 - 09/2016
Coefficient de pente / Slope ratio
07/2002 - 09/2016
Concentration de la chlorophylle a pélagique / Pelagic chlorophyll a concentration (Chla)
07/2002 - 09/2016
Concentration en carbone organique dissous / Dissolved organic carbon concentration (DOC)
07/2002 - 09/2016
Concentration totale en azote dissous / Total nitrogen concentration
07/2002 - 09/2016
Concentration totale en fer dissous / Total dissolved iron concentration
07/2002 - 09/2016
Concentration totale en phospore dissous / Total phosphorus concentration
07/2002 - 09/2016
Fluorescence maximale de la composante C1 / Maximum fluorescence of the component C1
07/2002 - 09/2016
Fluorescence maximale de la composante C2 / Maximum fluorescence of the component C2
07/2002 - 09/2016
Fluorescence maximale de la composante C3 / Maximum fluorescence of the component C3
07/2002 - 09/2016
Fluorescence maximale de la composante C4 / Maximum fluorescence of the component C4
07/2002 - 09/2016
Fluorescence maximale de la composante C5 / Maximum fluorescence of the component C5
07/2002 - 09/2016
Indice de fluorescence / Fluorescence index
07/2002 - 09/2016
Pente spectrale pour l'intervalle 279-299 nm / Spectral slope for the interval 279-299 nm
07/2002 - 09/2016
pH / pH
07/2002 - 09/2016
Somme de l'abondance relative / Sum of the relative abundance
07/2002 - 09/2016
Somme de la fluorescence maximale / Sum of the maximum fluorescence
07/2002 - 09/2016
Taile de la cuvette / Cuvette size
07/2002 - 09/2016
- - Spectro_Scans_Raw_800-0.4-250.4Obtenir le fichier / Get file
Fichier de données / Data file: Spectro_Scans_Raw_800-0.4-250.4.csv
Taille / Size: 572 kb
Sites
BGR
Bylot Island
KW
KWK
SAS
Données / Data
Absorbance / Absorbance
07/2006 - 08/2009
Longueur d'onde / Wavelength
07/2006 - 08/2009
- - Spectro_Scans_Raw_800-1-250Obtenir le fichier / Get file
Fichier de données / Data file: Spectro_Scans_Raw_800-1-250.csv
Taille / Size: 569 kb
Sites
Bylot Island
Cambridge Bay
Coral Harbour
Hazen
Kangerlussuaq
Kilpisjärvi
KW
McKenzie Delta
SAS
Seida
Tasiapik
Toolik
Ward Hunt
Zackenberg
Données / Data
Absorbance / Absorbance
07/2003 - 09/2016
Longueur d'onde / Wavelength
07/2003 - 09/2016
- - Spectro_Scans_Raw_800-2-250Obtenir le fichier / Get file
Fichier de données / Data file: Spectro_Scans_Raw_800-2-250.csv
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Sites
KW
Resolute Bay
Données / Data
Absorbance / Absorbance
07/2002 - 08/2002
Longueur d'onde / Wavelength
07/2002 - 08/2002
- - SIA_DataObtenir le fichier / Get file
Fichier de données / Data file: SIA_Data.csv
Taille / Size: 6 kb
Sites
KW
SAS
Données / Data
d13C Écart-type / d13C Standard deviation
08/2014 - 08/2014
d13C Moyenne / d13C Mean
08/2014 - 08/2014
d2H Écart-type / d2H Standard deviation
08/2014 - 08/2014
d2H Moyenne / d2H Mean
08/2014 - 08/2014