Climate change effects on soil respiration and belowground biogenic volatile organic compounds in subalpine and Mediterranean forests

Abstract

Els sistemes de sòl-atmosfera tenen un paper determinant en el cicle global del carboni, i hi ha una gran incertesa sobre com responen els sòls als canvis mediambientals, especialment pel canvi climàtic. Això és crucial per comprendre el cicle del carboni. El canvi climàtic afecta també els climes locals, els ecosistemes i els sòls. L'altiplà tibetà conté una reserva de carboni molt important als seus sòls i és sensible al canvi climàtic, escalfant-se més que altres regions i disminuint-ne la capa de neu. A la regió mediterrània s'han reduït les precipitacions, provocant un gran estrès hídric als sòls, alterant els processos del cicle bioquímic. En aquesta tesi he investigat la resposta d'aquests ecosistemes (l'altiplà tibetà i el Mediterrani) al canvi climàtic (escalfament i sequera). A l'altiplà tibetà he investigat respostes de les propietats del sòl i processos biològics (respiració, agregats, microorganismes, enzims i biomassa radicular) a la retirada de la neu simulant l'efecte de l'escalfament global. Això va provocar que la concentració d'àcids grassos fosfolipídics i l'activitat enzimàtica es reduïssin, sense alterar-ne l'estequiometria. Els canvis microbians van ser més pronunciats als microagregats petits (capítol 1). La reducció de la capa de neu va augmentar significativament la intensitat i la freqüència de les gelades, la disponibilitat de nitrogen, reduint la biomassa radicular. Això va provocar una reducció de l'eflux de CO2 del sòl a l'hivern (17% de mitjana). Tot i això, no va tenir cap efecte sobre la respiració del sòl i l'activitat microbiana posterior a l'estació de creixement (forta resistència microbiana al canvi mediambiental) (capítol 2). Els intercanvis de compostos orgànics volàtils biogènics (COVBs) del sòl també es veuen afectats pel canvi climàtic. Les emissions de COVBs del sòl (amb fullaraca) s'havia menyspreat, subestimant-se la seva capacitat d'embornal. Per això, he revisat estudis recents sobre les fonts de COVB del sòl i l'efecte del canvi global sobre el seu intercanvi entre el sòl i l'atmosfera en diferents ecosistemes. Els sòls forestals emeten principalment isoprenoides. La tundra i les terres de cultiu emeten principalment no isoprenoides. Entre el 17 i el 36% dels COVBs poden ser absorbits pels sòls. També vaig demostrar que el canvi climàtic afecta aquests intercanvis segons l'ecosistema, i que la resposta a l'escalfament dels COVBs del sòl no pot coincidir amb els patrons mostrats per les emissions d'altres fonts (Capítol 3). Els boscos mediterranis s'enfronten a greus problemes derivats de la sequera persistent i la deposició de nitrogen (N). Vaig dur a terme un experiment de manipulació de la sequera i la deposició de N en un alzinar mediterrani i vaig mesurar els fluxos estacionals de COVBs i CO2 del sòl durant dos anys. La sequera perllongada va provocar una reducció significativa del contingut d'aigua del sòl, cosa que va afectar l'equilibri de COVBs entre el sòl i l'atmosfera. La deposició de N va augmentar l'alliberament de monoterpens per la fullaraca. Tot i que l'estacionalitat va tenir un paper crucial en la regulació de l'intercanvi de COVBs dels sòls, tant com a fonts com a embornals, la seva influència pot disminuir a mesura que s'incrementa la sequera (capítol 4). En conclusió, la meva tesi demostra el significatiu impacte que la disminució de la neu i les sequeres tenen en els processos del cicle bioquímic del sòl i el seu paper al cicle del carboni. També la importància dels processos del sòl i les diferències entre ecosistemes pel que fa a les respostes al canvi climàtic. Destaco la necessitat de millorar la modelització del cicle del C considerant els sòls.

Los sistemas de suelo-atmósfera desempeñan un papel determinante en el ciclo global del carbono, existiendo una gran incertidumbre sobre cómo responden los suelos a los cambios medioambientales, especialmente por el cambio climático. Esto es crucial para comprender el ciclo del carbono. El cambio climático afecta también los climas locales, los ecosistemas y a los suelos. La meseta tibetana contiene una reserva de carbono muy importante en sus suelos y es sensible al cambio climático, calentándose más que otras regiones y disminuyendo su capa de nieve. En la región mediterránea se han reducido las precipitaciones, provocando un gran estrés hídrico en los suelos, alterando los procesos del ciclo bioquímico. En esta tesis he investigado la respuesta de estos ecosistemas (la meseta tibetana y el Mediterráneo) al cambio climático (calentamiento y sequía). En la meseta tibetana, he investigado respuestas de las propiedades del suelo y procesos biológicos (respiración, agregados, microorganismos, enzimas y biomasa radicular) a la retirada de la nieve simulando el efecto del calentamiento global. Esto provocó que la concentración de ácidos grasos fosfolipídicos y la actividad enzimática se redujeran, sin alterar su estequiometría. Los cambios microbianos fueron más pronunciados en los microagregados pequeños (capítulo 1). La reducción de la capa de nieve aumentó significativamente la intensidad y la frecuencia de las heladas, la disponibilidad de nitrógeno, reduciendo la biomasa radicular. Esto provocó una reducción del eflujo de CO2 del suelo en invierno (17 % en promedio). Sin embargo, no tuvo ningún efecto sobre la respiración del suelo y la actividad microbiana posterior a la estación de crecimiento (fuerte resistencia microbiana al cambio medioambiental) (capítulo 2). Los intercambios de compuestos orgánicos volátiles biogénicos (COVBs) del suelo también se ven afectados por el cambio climático. Las emisiones de COVBs del suelo (con hojarasca) se había menospreciado, subestimándose su capacidad de sumidero. Por ello, he revisado estudios recientes sobre las fuentes de COVBs del suelo y el efecto del cambio global sobre su intercambio entre el suelo y la atmósfera en diferentes ecosistemas. Los suelos forestales emiten principalmente isoprenoides. La tundra y las tierras de cultivo emiten principalmente no isoprenoides. Entre el 17 y el 36 % de los COVBs pueden ser absorbidos por el suelo. También demostré que el cambio climático afecta estos intercambios según el ecosistema, y que la respuesta al calentamiento de los COVBs del suelo puede no coincidir con los patrones mostrados por las emisiones de otras fuentes (Capítulo 3). Los bosques mediterráneos se enfrentan a graves problemas derivados de la sequía persistente y la deposición de nitrógeno (N). Llevé a cabo un experimento de manipulación de la sequía y la deposición de N en un encinar mediterráneo y medí los flujos estacionales de COVBs y CO2 del suelo durante dos años. La sequía prolongada provocó una reducción significativa del contenido de agua del suelo, lo que afectó al equilibrio de COVBs entre el suelo y la atmósfera. La deposición de N aumentó la liberación de monoterpenos por la hojarasca. Aunque la estacionalidad desempeñó un papel crucial en la regulación del intercambio de COVBs de los suelos, tanto como fuentes como sumideros, su influencia puede disminuir a medida que se incrementa la sequía (capítulo 4). En conclusión, mi tesis demuestra el significativo impacto que la disminución de la nieve y las sequías tienen en los procesos del ciclo bioquímico del suelo y su papel en el ciclo del carbono. También la importancia de los procesos del suelo y las diferencias entre ecosistemas en cuanto a las respuestas al cambio climático. Destaco la necesidad de mejorar la modelización del ciclo del C considerando los suelos.

Soil systems are vital for the global carbon cycle, but there is uncertainty about how they respond to environmental changes. Understanding soil responses to environmental changes is therefore crucial for comprehending the carbon cycle. Climate change is causing global modifications, affecting local climates, ecosystems, and soil environments differently. The Tibetan Plateau, a climate-sensitive region and a significant carbon reservoir, experiences higher warming rates than other regions, leading to changes in snow cover. The Mediterranean region is also sensitive to global changes, with reduced rainfall and increased drought stress altering below-ground biochemical cycling processes. In this thesis, I investigated how these two distinct ecosystems (the Tibetan Plateau and the Mediterranean) respond to climate change, namely warming and drought, respectively. In the Tibetan Plateau, the response of soil properties and biological processes (including soil respiration, aggregate structure, microorganisms, enzymes, and root biomass) to snow removal was investigated using a methodology designed to simulate warming-induced snow reduction. I found the reduction in snow cover decreased the concentration of phospholipid fatty acids and enzyme activity, but did not alter their stoichiometric ratios. Additionally, the microbial changes were most pronounced in small microaggregates, indicating that microbial responses to snow removal differed between soil aggregate classes (Chapter 1). The subsequent reduction in snow cover significantly increased freeze-thaw intensity and frequency, as well as nitrogen availability, but reduced root biomass, leading to a reduction of soil CO2 efflux by an average of 17% in winter. However, the effect of snow cover reduction had no carry-over effect on subsequent growth season soil respiration and microbial characteristics, suggesting strong microbial resilience to environmental change (Chapter 2). Another way that climate change can affect soils is through changes in emissions of biogenic volatile organic compounds (BVOCs). All living organisms release non-methane BVOCs, which are reactive gases that have both negative and positive climate forcing impacts. Soil BVOC emission has previously been considered insignificant and the soil sink capacity of BVOCs has been underestimated. Therefore, I reviewed and summarised recent studies about sources of BVOCs in soil and how global change is affecting the exchange of BVOCs between the soil and the atmosphere in different ecosystems across the globe. Forest soils mainly emit isoprenoids while tundra and cropland mainly emit non-isoprenoids, and 17-36 % of annual VOCs emissions may be taken up by the ground from the atmosphere. I also showed that climate change impacts on belowground VOCs vary depending on the ecosystem, and that the warming response of VOCs from soil may not be in accordance with patterns shown by aboveground sources (Chapter 3). Mediterranean forests face severe challenges from persistent drought and nitrogen (N) deposition. I carried out a drought and N deposition manipulation experiment in a Mediterranean holm oak forest and measured seasonal soil BVOC and CO2 fluxes over two years. Prolonged drought led to reduced soil water content, affecting the balance of volatile organic compounds between the soil and the atmosphere, meanwhile, N deposition increased the release of monoterpenes by litter. Although seasonal differences played a crucial role in regulating the VOC sources and sinks of soil, their influence may diminish as the soil dries out due to drought (Chapter 4). In conclusion, my results highlight snow reduction and drought have significant impacts on soil biochemical cycling processes, potentially altering the role of soil in carbon cycling. My findings demonstrate the importance of the soil processes and differences between ecosystems in terms of climate change responses, and emphasize the need for improved modelling of soil C cycling (particularly BVOCs) to improve our understanding of the impacts of soil characteristics on ecosystem functioning in a changing world.