Soil functioning in the ecotone between Scots pine and Pyrenean oak forests: effects of tree species on the soil carbon and nitrogen cycling

Fernández Alonso, María José (2018). Soil functioning in the ecotone between Scots pine and Pyrenean oak forests: effects of tree species on the soil carbon and nitrogen cycling. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Montes, Forestal y del Medio Natural (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.53058.

Description

Title: Soil functioning in the ecotone between Scots pine and Pyrenean oak forests: effects of tree species on the soil carbon and nitrogen cycling
Author/s:
  • Fernández Alonso, María José
Contributor/s:
  • Rubio Sánchez, Agustín
  • Díaz Pinés López de los Mozos, Eugenio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Freetext Keywords: Bosque templado; Cuenca Mediterránea; cambio global; sucesión secundaria del bosque; respiración autótrofa; respiración heterotrófica; deposición atmosférica de nitrógeno; descomposición de hojarasca; estequiometria ecológica; grupos funcionales microbianos; ciclo del carbono; secuestro de carbono; ciclo del nitrógeno; gases de efecto invernadero = Temperate forests; Mediterranean basin; global change; forest secondary succession; autotrophic respiration; heterotrophic respiration; atmospheric nitrogen deposition; litter decomposition; ecological stoichiometry; functional microbial groups; carbon cycling; carbón sequestration; nitrogen cycling; greenhouse gases
Faculty: E.T.S.I. Montes, Forestal y del Medio Natural (UPM)
Department: Sistemas y Recursos Naturales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Antecedentes: La actual composición y estructura del bosque ecotonal entre el pino silvestre y el roble pirenaico en la Sierra de Guadarrama es el resultado de una larga e intensa gestión forestal. A pesar de que los pinares de silvestre han mostrado una estabilidad milenaria en estos montes, el cambio global puede desencadenar dinámicas en la vegetación que resulten en cambios en la especie vegetal dominante especialmente en su límite altitudinal más bajo. Objetivo: Para evaluar las futuras consecuencias de los cambios en la composición del bosque sobre la cantidad de carbono almacenado en el suelo, estamos interesados en entender cómo es el funcionamiento del suelo en el ecotono y en revelar los efectos de la especie, es decir si se trata de pino o roble, y de la deposición atmosférica de nitrógeno que determinan la tasa de renovación del carbono y nitrógeno del suelo. Metodología: Tres parcelas experimentales fueron establecidas en un robledal puro, en una masa mixta de pino y roble y un pinar puro, a lo largo de un transecto norte-sur a 1325 m s.n.m. en los Montes de Valsaín (Sierra de Guadarrama, Sistema Central). Se combinaron experimentos en campo con incubaciones de microcosmos y análisis de laboratorio para: (Chapter 4) desentrañar el efecto de la especie sobre la dependencia microclimática de las componentes de la respiración autotrófica y heterotrófica, (Chapter 5) identificar cómo incrementos en la deposición de nitrógeno pueden afectar a las relaciones causales entre las propiedades edáficas y la respiración del suelo, (Chapter 6) analizar cómo la especie influencia la descomposición de la hojarasca y (Chapter 7) entender cómo los ciclos subterráneos del carbono y nitrógeno pueden alterarse a lo largo de la sucesión secundaria de pinar a robledal. Resultados: Nuestros resultados revelaron respuestas específicas para cada especie de la respiración del suelo a las condiciones microclimáticas edáficas, siendo particularmente importantes la mayor sensibilidad de la respiración autotrófica del pinar a la sequía estival y la del rebollar a las bajas temperaturas invernales. Además, la fuerte e inversa estacionalidad hídrica y térmica del clima mediterráneo restringió fuertemente la actividad heterotrófica en el ecotono. Las tasas de renovación del carbono del suelo y de la hojarasca foliar del bosque de pino fueron más rápidas que los valores encontrados para el bosque de rebollo, lo cual puede haber contribuido al mayor contenido de carbono tanto en las capas superiores del suelo como en el horizonte forestal del pinar. En general, tres años de adiciones de nitrógeno simulando el aumento en la deposición atmosférica provocaron acidificación del suelo, lixiviación de cationes base como el potasio, cambios en el carbono extraíble y disminución substancial de la biomasa microbiana del suelo, aunque la respiración del suelo fue bastante resiliente. Parece que la estequiometria del suelo, las restricciones climáticas estacionales para la actividad biológica y las dosis de fertilización fueron factores que modularon la respuesta de la respiración del suelo a las adiciones de nitrógeno y que por tanto fueron responsables de la mayor sensibilidad mostrada por la respiración del suelo de pinar. Las especies forestales afectaron el proceso de descomposición de la hojarasca a través de la distinta composición química de hojas y acículas, pero también a través de la diferente colonización de grupos funcionales microbianos (K estrategas vs. r estrategas). En consecuencia, dependiendo de si el origen de la materia orgánica del suelo deriva del pino o del roble los efectos en la ecología y fisiología de las comunidades microbianas del suelo serán diferentes, provocando que los ciclos del carbono y el nitrógeno se desacoplen a través de la sucesión secundaria del bosque de pinar a robledal. En la primera etapa de la sucesión forestal, encontramos una aceleración en el reciclado del carbono del suelo en el bosque mixto con respecto al bosque puro de pinar, junto con un cambio hacia una menor relación entre hongos y bacterias. Sin embargo, los procesos del suelo que provocaron una aceleración del reciclado del nitrógeno ocurrieron más tarde en la sucesión, cuando solo hubo materia orgánica procedente del roble y estuvieron asociados con una mayor abundancia de bacterias gram negativas, una aun mayor aceleración del reciclado del carbono y una reducción en la absorción de metano del suelo. Conclusión: En vista de la diferente funcionalidad del sistema planta-suelomicroorganismo en pinar y robledal, la sucesión secundaria de la vegetación de pino silvestre a roble pirenaico tendría implicaciones notables en los ciclos subterráneos del carbono y nitrógeno que deberían incluirse como consideraciones prácticas en el manejo forestal. ----------ABSTRACT---------- Background: Current composition and structure of the Scots pine-Pyrenean oak ecotone forest in the Guadarrama Range are the result of an intense and lasting human management. Although Scots pine forests have shown millennial stability in these Mountains, the global change may involve vegetation dynamics mainly fostering shifts of the dominant tree species in their lowest altitudinal range. Aim: To assess future consequences driven by shifts in forest composition in the amount of carbon sequestered in the soil, we are interested in understanding the soil functioning in the ecotone to disclosure the effects of tree species, namely Scots pine or Pyrenean oak, and atmospheric nitrogen deposition that influence the belowground carbon and nitrogen cycling. Methods: Three experimental plots were stablished in a pure Pyrenean oak forest, mixed oak-pine forest and pure Scots pine forest along a north-to-south transect at 1325 m a.s.l in the Valsaín Mountains (Guadarrama Range, Central Spain). Experiments at stand scale were combined with microcosm incubations and laboratory analysis to: (Chapter 4) disentangle tree species effects on the microclimate dependence of autotrophic and heterotrophic respiration components, (Chapter 5) identify how increases in atmospheric nitrogen decomposition may affect the causal relationships between edaphic properties and soil respiration, (Chapter 6) analyse how tree species influence litter decomposition, and (Chapter 7) understand how belowground carbon and nitrogen cycles could shift along the transitional stages of the forest vegetation succession from pine to oak. Results: Our results revealed tree species-specific responses of soil respiration components to soil microclimate conditions being particularly important the higher sensitivity of the pine autotrophic respiration to summer drought and the oak autotrophic respiration to low winter temperatures. Moreover, the strong and inverse water and thermal seasonality of the Mediterranean climate strongly constrained the heterotrophic microbial activity in the ecotone. Carbon turnover of soil and foliar litter from the pine forest were faster than values found from the oak forest, which may have contributed to the higher carbon stocks in both topsoil and forest floor beneath the Scots pine. Overall, three-years of nitrogen additions simulating the increased in atmospheric deposition caused soil acidification, leaching of potassium base cation, changes in extractable organic carbon and substantial decrease in soil microbial biomass, although soil respiration was rather resilient. It seems that soil stoichiometry, seasonal climatic constraints for biological activity and doses of nitrogen fertilizer were factors thatmodulated the response of soil respiration to nitrogen additions and caused pine soil respiration to be more sensible to soil nitrogen enrichment. Tree species directly affected the decomposition constants and N dynamics of decaying litter through the different litter chemistry between oak leaves and pine needles but also indirectly by affecting the colonization of microbial functional groups (K-strategists vs. r-strategists). Consequently, depending on whether the soil organic matter origin derives from pine or from oak the effects on the ecology and physiology of soil microbial communities will be different, causing the carbon and nitrogen cycling to decouple throughout the forest secondary succession from pine to oak. In the first stage of forest succession, an acceleration of the soil carbon cycling was found in the mixed forest with regard to pure pine forest together with a shift toward lower fungal to bacterial ratios. However, soil processes leading to an acceleration of the nitrogen cycling occurred later in the succession when there were only soil organic matter from oak. Hence, when secondary succession was completely accomplished, we found an alleviation of the nitrogen limitation for microbial growth, greater abundance of gram-negative bacteria, an accelerated carbon turnover and suppressed methane consumption. Conclusions: In view of the different functionality of the plant-soil-microorganism system beneath pine and oak stands, the forest secondary succession from Scots pine to Pyrenean oak would have remarkable implications in the belowground carbon and nitrogen cycles that should be included as practical considerations in forest management.

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Item ID: 53058
DC Identifier: http://oa.upm.es/53058/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:53058
DOI: 10.20868/UPM.thesis.53058
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 21 Nov 2018 07:32
Last Modified: 21 May 2019 22:30
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