Soil carbon dynamics in Scots pine forests at the Sistema Central of Spain (Sierra de Guadarrama)

Ortiz Oñate, Carlos (2017). Soil carbon dynamics in Scots pine forests at the Sistema Central of Spain (Sierra de Guadarrama). Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Montes, Forestal y del Medio Natural (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.48223.

Descripción

Título: Soil carbon dynamics in Scots pine forests at the Sistema Central of Spain (Sierra de Guadarrama)
Autor/es:
  • Ortiz Oñate, Carlos
Director/es:
  • Rubio Sánchez, Agustín
  • Benito Capa, Marta
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Montes, Forestal y del Medio Natural (UPM)
Departamento: Sistemas y Recursos Naturales
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Los suelos forestales son clave en el cambio global por el carbono (C) que acumulan y por su capacidad de sumidero de C. Además de factores abióticos como el clima y las propiedades del suelo, la capacidad de los suelos para almacenar C está influenciada por el uso del suelo, los cambios en el uso del suelo y la ordenación forestal, que en última instancia pueden modificar las condiciones microclicámitas, la calidad y cantidad de los residuos vegetales que se incorporan al suelo, así como la comunidad microbiana asociada. En este contexto, la tesis doctoral se centra en el estudio de la dinámica del C del suelo en bosques mediterráneos de pino silvestre y de la influencia que el manejo forestal tiene en él. Para alcanzar estos objetivos, se ha cuantificado el contenido de C del suelo, la protección que sufre la materia orgánica del suelo (MOS) y la respiración del suelo (RS), así como la comunidad microbiana asociada. Además, esta tesis pone de relevancia el comportamiento diferenciado de la dinámica del C en los sistemas mediterráneos comparado con los sistemas templados. Se han utilizado dos escalas de trabajo. Primero, un enfoque regional en dos zonas climáticas diferenciadas (Sistema Central de España y Alpes Occidentales de Austria) para estudiar los efectos de la forestación de pastizales de montaña con especies de coníferas (pino silvestre en la región mediterránea y picea de Noruega y pino cembro en la región templada) en la MOS y la abundancia de isotópica de C. En segundo lugar, se utilizaron dos enfoques locales para estudiar: (i) los efectos del manejo forestal en la RS a lo largo del turno de corta en dos bosques mediterráneos de pino silvestre y, (ii) los efectos de la forestación de áreas de pastizal-matorral en la agregación de la MOS del suelo y la comunidad microbiana en un ecotono mediterráneo de pino silvestre y matorral. La forestación aumentó la relación C:N del suelo en ambas regiones, lo que en España fue causado por una disminución significativa de la concentración de N. Las tasas de mineralización no fueron influenciadas por la aforestación. La forestación causó un enriquecimiento de 13C en el suelo. La altitud resultó ser un buen indicador de las condiciones climáticas indicando que el aumento de la altitud en las montañas mediterráneas alivia la limitación del agua, favoreciendo tanto el crecimiento de las plantas como la descomposición de la MOS. Por el contrario, la altitud en las montañas de la región templada se asociaron con severas limitaciones de temperatura, limitando los procesos de transformación de la MOS. A pesar del impacto de la forestación en los procesos biogeoquímicos del suelo, la concentración de C se vio marginalmente afectada, concluyendo que 40 años después de la forestación de pastizales con bosques de coníferas no se mejoró el secuestro de C en el suelo mineral. El estudio de larga duración realizado en dos bosques de pino silvestre mostró que la humedad del suelo es la variable abiótica más importante que regula la RS en los bosques mediterráneos. Se encontró un umbral de humedad del suelo (12%) por debajo del cual la RS fue dependiente de la humedad del suelo y por encima del mismo, la RS fue dependiente de la temperatura del suelo. Se encontró una clara interacción entre las variables microclimáticas en todas las edades y manejos. Por otra parte, la gestión forestal moderada dio lugar a una mayor RS en las edades maduras y jóvenes comparando con respecto a la gestión más intensa. Este hecho fue resultado de una mayor densidad de árboles y mayores stocks de C en el horizonte orgánico y los primeros 10 cm del suelo mineral bajo la gestión. La clase de edad tuvo un efecto moderado sobre la RS. Sin embargo, interactuó con el manejo forestal modulando la respuesta de RS a la temperatura y la humedad del suelo. Independientemente del uso del suelo, los macroagregados pequeños y los microagregados fueron los más abundantes y comprendieron aproximadamente el 50% y el 20% de la masa del suelo, respectivamente. Además, la concentración de C en los Mi fue mayor en todos los usos estudiados. La forestación resultó en un aumento del diámetro medio ponderado de los agregados. Los macroagregados pequeñpos presentaron mayor concentración de C y N asociados a la materia orgánica particulada que los macroagregados grandes. La concentración de C y N de la materia orgánica asociada a las partículas minerales disminuyó significativamente con el aumento del tamaño de agregado. La forestación resultó en una reducción de las bacterias gram + y de la actividad β-glucosidasa, pero en un aumento en la relación hongo:bacteria. En resumen, la tesis ha incrementado el conocimiento del ciclo de C de los suelos forestales de pino silvestre en la región mediterránea, con especial atención en los cambios de la comunidad microbiana del suelo, la distribución de agregados del suelo y la dinámica del C del suelo con la altitud tras la forestación, así como la influencia del manejo forestal en la RS y su dependencia a la humedad y temperatura del suelo. ---------- ABSTRACT---------- Forest soils are keystones in the actual framework of global change due to their large carbon (C) storage and their C sink capacity. In addition to abiotic factors such as climate and soil properties, capacity of soils to store C is strongly driven by land use, land use changes and forest management which ultimately may modified quality and quantity of vegetation inputs to the soil and soil microbial community structure. In this context, this PhD thesis has been focussed in the study of the soil C dynamics in Scots pine forests from Mediterranean areas and the influence that forest management has on it. To reach this objective, quantification of soil C content, soil organic matter (SOM) protection and soil respiration (RS), as well as characterization the soil microbial community structure has been carried out. Furthermore, this thesis looks for putting into relevance the different behaviour of C dynamics in Mediterranean systems compared to temperate ones. Two scales of work have been used. Firstly, a regional approach in two contrasting climate areas (Sistema Central of Spain and Western Austrian Alps) to study the effects of mountain grassland afforestation with conifer species (Scots pine in Mediterranean region and Norway spruce and Stone pine in temperate region) on SOM cycling and C isotope abundance. Secondly, two local approachs were used to study (i) the effects of forest management on RS by a long-term experiment in two Mediterranean Scot pine forest chronosequences and (ii) the effects of afforestation of former grassland-shrubland areas on SOM aggregation and microbial community structure in a Mediterranean Scots pine-shrubland ecotone. Afforestation consistently increased soil C:N ratio in both regions, which in Spain was caused by a significant decrease in N concentration. Mineralization rates, however, were not influenced by the vegetation change. Afforested areas in Mediterranean mountains showed a consistent soil 13C enrichment. The role of altitude as regulator in climatic conditions was clear and strongly suggests that in Mediterranean mountain grasslands increases in altitude alleviates water limitation, favoring both plant growth and SOM decomposition, and ultimately accelerating C cycling. In contrast, temperate grassland areas at high altitudes were associated with severe temperature limitations, which constrained SOM transformation processes. Despite afforestation impact on soil biogeochemical processes, C concentrations were marginally affected concluding that 40 years after afforestation of former grasslands with coniferous forests C sequestration in the mineral soil was not enhanced. The long-term study in Scots pine forests strongly suggests that soil moisture is the most important abiotic feature regulating RS in Mediterranean forests. A soil moisture threshold of 12% was found identifying two scenarios of RS response: below the threshold RS was dependent of soil moisture and above the threshold RS dependency on soil temperature was proved. Clear interaction between microclimatic features was found in all the stand ages and forests. Furthermore, moderate forest management resulted in greater RS in both mature and young stands comparing with the more intense management. This is the result of the higher tree density and greater soil C stocks in both forest floor and topsoil 10 cm in the moderate managed forest. Stand age had almost no effect on RS but interactued with forest management modulating the response of RS to soil temperature and soil moisture interaction. Regardless of the land use studied, small macroaggregates (SMa) and microaggregates (Mi) were the most abundant and comprised around 50% and 20% of the soil mass, respectively. Besides, C concentration in Mi was higher in all the uses studied. Afforestation resulted in an increase of Ma content that led to greater mean weight diameter (MWD) comparing to the shrubland soil use. Small macroaggregates hold greater C and N concentration in particulate organic matter (POM) than large macroaggregates (LMa). Regarding mineral associated organic matter C (MaOM-C) and N (MaOM-N) concentration, significant decrease with increasing aggregate-size class was found. Afforestation resulted in lower gram + bacteria, as well as β-glucosidase activity but in higher fungi:bacteria ratio. In summary, the thesis has increased the knowledge of soil C cycle in Scots pine forest of Mediterranean regions with regards to changes in soil microbial community structure, soil aggregates distribution and SOC dynamic with altitude by afforestation and the influence of forest management on Rs as well as its dependency on soil moisture and soil temperature.

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ID de Registro: 48223
Identificador DC: http://oa.upm.es/48223/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48223
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.48223
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 24 Oct 2017 08:01
Ultima Modificación: 24 Abr 2018 22:30
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