Factors determinants de l’acumulació de carboni edàfic als prats de muntanya del Pirineu

Abstract

La matèria orgànica del sòl juga un paper essencial en el cicle global del carboni, allotjant bona part del C que contenen els ecosistemes terrestres. En àrees de muntanya, l’alta variabilitat climàtica associada a la complexitat topogràfica fa que els balanços de C siguin difícils de predir. L’objectiu d’aquesta tesi és en primer lloc estimar el contingut de C dels prats de muntanya del Pirineu i determinar els factors climàtics que determinen la seva distribució al paisatge. En segon lloc analitzar els factors que regulen processos específics que són claus en el cicle del C d’aquests ecosistemes. Mitjançant un mostreig extensiu de perfils edàfics en prats subalpins i alpins del Pirineu, s’estimà que el contingut de C dels prats de muntanya varia entre els 5,9 i els 29,9 kg C m-2. Aquests continguts tendeixen a reduir-se amb l’altitud, però mentre a les zones més baixes els sòls acumulen més C als vessants obacs, a les parts més altes és als solells on es tendeix a acumular més C. Això suggereix que l’acumulació de C al sòl està més relacionada amb les condicions que afavoreixen la producció que no pas amb les que n’afavoreixen la mineralització. La incubació al laboratori de les mostres de sòl dels perfils anteriors ens permeteren determinar els factors de tipus edàfic que són determinants en la mineralització de la matèria orgànica als sòls superficials i subsuperficials. Els resultats mostren que mentre als horitzons superficials la mineralització de la matèria orgànica es relaciona clarament amb la disponibilitat de C, en els sòls subsuperficials tot i que la proporció de C actiu és similar, la disponibilitat de N pren més rellevància. Per tal d’analitzar el component biòtic com a regulador de la mineralització de la matèria orgànica també es van incubar mostres de sòl al laboratori en les quals es van alterar les comunitats microbianes. L’addició d’una font de C làbil (glucosa) enriquida amb 13C permeté distingir el C respirat derivat de la matèria orgànica i de la glucosa. Els resultats indiquen que una font de C làbil estimula la mineralització de C (efecte priming) però la magnitud d’aquest estímul depèn en gran mesura de l’estructura de les comunitats microbianes. Als prats, el C orgànic edàfic prové majoritàriament de les arrels. Per això es va estimar la producció d’arrels, la descomposició d’arrels estàndard i la incorporació del C provinent d’aquestes arrels a les fraccions protegides del sòl en prats subalpins. Els resultats ens mostren que anualment es produeixen uns 400-500 g m-2 d’arrels en els primers 15 cm de sòl, cosa que suposa al voltant de 200 g C m-2, amb una marcada estacionalitat i amb una productivitat relativa a la biomassa que és superior a l’horitzó subsuperficial. D’altra banda, les taxes de descomposició són relativament baixes i no es redueixen amb la fondària, segurament per les millors condicions ambientals al sòl subsuperficial. La incubació al camp d’arrels enriquides amb isòtops estables permeté detectar que durant el primer any entre un 3.5 i un 7% del C incubat es va incorporar a la fracció protegida (associada a llims i argiles). Aquesta matèria orgànica de les arrels incorporada a la fracció protegida era làbil i rica en N. Atesa la progressiva reducció de la pressió de pastura en extenses àrees de muntanya, es simulà un abandonament de pastura per detectar possibles canvis a curt termini en la producció i descomposició d’arrels. Els resultats indiquen un lleuger increment de la producció durant l’estiu en els prats no pasturats i no es detectà cap efecte en la descomposició de les arrels.

La materia orgánica del suelo juega un papel esencial en el ciclo del carbono, albergando la mayor parte del C que contienen los ecosistemas terrestres. En áreas de montaña, la elevada variabilidad climática asociada a la complejidad topográfica hace que los balances de C sean difíciles de predecir. El objetivo de esta tesis es en primer lugar estimar el contenido de C de los pastos de montaña del Pirineo i determinar los factores climáticos que determinan su distribución en el paisaje. En segundo lugar analizar los factores que regulan los procesos clave del ciclo del C en estos ecosistemas. Mediante un muestreo extensivo de perfiles edáficos en pastos subalpinos y alpinos del Pirineo, se estimó que el contenido de C de los pastos de montaña varía entre 5,9 y 29,9 kg C m-2. El contenido de C tiende a reducirse con la altitud, pero mientras en las cotas más bajas los suelos acumulan más C en las umbrías, en las zonas más altas es en las solanas donde tiende a acumularse más. Esto sugiere que la acumulación de C en el suelo está más relacionada con las condiciones que favorecen la producción que con las que favorecen la mineralización. La incubación en el laboratorio de las muestras de suelo de los perfiles anteriores nos permitió determinar los factores de tipo edáfico que son determinantes en la mineralización de la materia orgánica en suelos superficiales y subsuperficiales. Los resultados muestran que así como en los horizontes superficiales la mineralización de C está claramente relacionada con la disponibilidad de C, en los suelos subsuperficiales la disponibilidad de N toma más importancia. Para analizar el papel del componente biótico en la regulación de la mineralización de la materia orgánica también se incubaron muestras de suelo en el laboratorio en las cuales se alteraron las comunidades microbianas. La adición de una fuente de C lábil (glucosa) enriquecida con 13C permitió distinguir el C respirado derivado de la materia orgánica y de la glucosa. Los resultados indican que una fuente de C lábil estimula la mineralización del C (efecto priming), pero la magnitud de este estímulo depende en gran medida de la estructura de las comunidades microbianas. En los pastos, el C del suelo proviene mayoritariamente de las raíces. Por esto se estimó la producción radicular, la descomposición de raíces estándar y la incorporación del C que proviene de estas raíces a las fracciones protegidas del suelo en pastos subalpinos. Los resultados nos muestran qua anualmente se producen unos 400-500 g m-2 de raíces, lo que equivale a unos 200 g C m-2, con una marcada estacionalidad y con una productividad relativa a la biomasa que es superior en el horizonte subsuperficial. Por otro lado, las tasas de descomposición son relativamente bajas y no se reducen con la profundidad, seguramente por las mejores condiciones ambientales en el suelo subsuperficial. La incubación en campo de raíces enriquecidas con isótopos estables permitió detectar que durante el primer año entre un 3,5 y un 7% del C incubado se incorporó a la fracción protegida (asociado a limos y arcillas). Esta materia orgánica de las raíces incorporada a la fracción protegida era lábil y rica en N. Puesto que existe una progresiva reducción de las cargas de pastoreo en extensas zonas de montaña, se simuló el abandono del pasto para detectar posibles cambios a corto plazo en la producción y en la descomposición de las raíces. Los resultados indican un ligero incremento de la producción en verano en los pastos no pastoreados y no se detectó ningún efecto en la descomposición de las raíces.

Soil organic matter plays a key role in the global carbon cycle, storing most of the carbon contained in the terrestrial ecosystems. In mountain areas, the high spatial variability of climate conditions makes C balances difficult to predict. The main aim of this thesis is first to estimate soil C stocks and the environmental factors that determine C accumulation in the soils of the Pyrenean mountain grasslands. Secondly, we aim to analyse the factors that regulates some specific processes of the C cycle in these ecosystems. An extensive sampling in subalpine and alpine grasslands along the Pyrenees revealed that mountain grasslands store between 5.9 and 29.9 kg C m-2. Carbon stocks generally reduced with altitude, but while in the highest altitudes soils accumulated more C in the south-facing slopes, at the subalpine areas was at the north-facing slopes where soil stored more C. This suggests that soil organic C accumulation is enhanced at the sites with the most suitable conditions for plant productivity rather than at the sites with expected low mineralization rates. The laboratory incubation of soil samples coming from these soil profiles allowed determining the soil factors that regulates organic matter mineralisation in surface and subsurface soils. The results indicated that while C availability was the main factor explaining C mineralisation in surface soils, in the subsoil N availability became the most important factor. The role biotic factor in regulating organic matter mineralisation was assessed by incubating soil samples in the laboratory in which microbial community structure was altered. The addition of a labile C substrate (glucose) enriched with 13C allowed to partition the respired C among soil organic matter derived C and glucose-derived C. The results indicated that the addition of a labile C source promotes the C mineralisation through the priming effect, but the magnitude of priming is depends on the structure of microbial communities. Most of organic C in grassland soils derives from root tissues. Hence we estimated belowground production, decomposition rates of standard roots and root-derived C incorporation into the protected pool (associated to silt and clay fractions) in subalpine grasslands. The results showed that these grasslands produce about 400-500 g m-2 y-1 of roots at the top 15 cm, meaning about 200 g C m-2 y-1. This production showed a great seasonality and with higher relative productivity rates in the subsoil than in the top 5 cm. Root decomposition rates quite low and did not decreased with depth, probably because of better microclimate conditions in the subsurface soil. The field incubation of roots enriched with stable isotopes allowed us to detect that between 3.5% and 7% of the incubated C had been incorporated into the protected fraction (associated to silt and clay) during the first year. The root-derived organic matter incorporated into the protected pool was labile and N-enriched. Given the reduction of stocking rates in extensive pastures in mountain areas, we simulated the pasture abandonment to detect short term changes in root production and decomposition. The results indicated a discrete increase of root production in summer in the non-grazed grasslands and no-effects were detected in root decomposition rates.