Vegetation drives greenhouse gas exchange, and carbon and nitrogen cycling in grassland ecosystems

Resumen

Les pastures són l’hàbitat més extens del món, essent fonamentals per a la mitigació del canvi climàtic. Tot i així, les prediccions respecte a les emissions de gasos d’efecte hivernacle (GEH) i cicle del carboni (C) i el nitrogen (N), estan encara marcades per una gran incertesa, la qual recau en bona part en les interaccions entre el sòl i la vegetació. Aquesta tesi investiga com la vegetació, en termes de fenologia, estructura, composició i diversitat, influeix sobre el intercanvi de GEH i la dinàmica del C i el N. Per a aquesta finalitat, es van seleccionar pastures al llarg d’un gradient climàtic (des de prats alpins del Pirineu fins a deveses al sud-oest de la Península Ibèrica). El intercanvi de GEH es va determinar mitjançant mesures continues (eddy covariance) i discretes (cambres de sòl). La dinàmica del C i el N, es va aproximar mitjançant el contingut de C i N, i el rati isotòpic de 13C i 15N. Els resultats mostraren que la vegetació va influir sobre el intercanvi de GEH i la dinàmica del C i N al llarg del gradient climàtic i de gestió. En ambients de muntanya la fenologia va condicionar les interacciones entre el intercanvi de CO2 i la vegetació, en funció del estrat altitudinal. A les deveses l’estructura composta per arbres i pastures, va condicionar les emissions de CO2 i N2O, essent important l’espècie d’arbre. El contingut de C i N, i la discriminació contra 13C i 15N va incrementar sota copa en comparació amb la pastura oberta. Aquesta estructura va determinar la composició de grups funcionals, els quals presentaren particularitats en l’adquisició i us de C i N. Així mateix, la composició de la vegetació influí sobre el intercanvi de GEH. Les lleguminoses incrementaren l’assimilació neta de CO2 i las emissions de N2O; la composició d’espècies va influir sobre la respiració i el intercanvi de N2O. La interacció entre cereals i lleguminoses incrementà l’assimilació neta de CO2 en comparació amb monocultius de cereal, com a resultat d’una major assimilació bruta però no major respiració. En general, la inclusió de la vegetació va millorar la comprensió sobre els mecanismes que afecten al intercanvi de GEI i la dinàmica del C i el N. Los pastos son en hábitat más extenso del mundo, siendo fundamentales para la mitigación del cambio climático. Sin embrago, las predicciones sobre emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), ciclo del carbono (C) y del nitrógeno (N), todavía están marcadas por una alta incertidumbre, la cual subyace en gran medida en la interacción entre suelo y vegetación. La presente tesis investiga cómo la vegetación, en términos de fenología, estructura, composición y diversidad, influye sobre el intercambio de GEI y la dinámica del C y el N. Para este fin, se han seleccionado pastos a lo largo de un gradiente climático (desde pastos alpinos del Pirineo hasta dehesas en el suroeste de la Península Ibérica). El intercambio de GEI se determinó combinado medidas continuas (eddy covariance) y discretas (cámaras de suelo). La dinámica del C y el N, se aproximó mediante el contenido de C y N, y el ratio isotópico de 13C y 15N. Los resultados mostraron que la vegetación influyó sobre el intercambio de GEI y la dinámica del C y N a lo largo del gradiente climático y de gestión. En ambientes de montaña la fenología condicionó las interacciones entre intercambio de CO2 y vegetación, en función del estrato altitudinal. En dehesas la estructura compuesta por árboles y pasto, condicionó las emisiones de CO2 y N2O, siendo importante la especie de árbol. El contenido de C y N, y la discriminación contra 13C y 15N incrementó bajo copa en comparación con el pasto abierto. Dicha estructura determinó la composición de grupos funcionales, los cuales presentaron particularidades en la adquisición y uso de C y N. Así mismo, la composición de la vegetación influyó sobre el intercambio de GEI. Las legumbres incrementaron la asimilación neta de CO2 y las emisiones de N2O; la composición de especies influyo sobre la respiración y el intercambio de N2O. La interacción entre cereales y legumbres incrementó la asimilación neta de CO2 en comparación con monocultivos de cereal, como resultado de una mayor asimilación bruta pero no mayor respiración. La inclusión de la vegetación mejoró la comprensión sobre los mecanismos que afectan al intercambio de GEI y la dinámica del C y el N. Grasslands are the most widespread habitat in the world, and can play a crucial role in climate change mitigation. However, predictions about greenhouse gas (GHG) fluxes, and carbon (C) and nitrogen (N) cycling, are still marked by great uncertainty, which in good part lies on soil – vegetation interactions. Accordingly, this thesis investigates the role of vegetation, in terms of phenology, structure, composition and diversity, as a driver of GHG exchange, C and N cycling. We selected grasslands along a climatic gradient (from alpine semi-natural grasslands in the Pyrenees to dehesa ecosystems in the southwest of the Iberian Peninsula), which in addition provided information about climate - vegetation interactions. GHG recording was done combining continuous (eddy covariance) and discrete chamber based measurements. C and N cycling was assessed using C and N content, and 13C and 15N isotope ratios as a proxy. Our results showed that vegetation influenced GHG fluxes and C and N cycling along the climatic gradient and management regimes. In mountain environments, phenology determined interactions between CO2 exchange, vegetation and environmental variables, depending on the elevation belt. In dehesa ecosystems, the tree – open grassland structure drove CO2 and N2O fluxes, with some differences among tree species. Under the canopy, C and N content, and discrimination against 13C and 15N increased compared to the open grassland. The tree – open grassland structure influenced plant functional type composition, which presented marked differences in their C and N acquisition and use strategies. Moreover, vegetation composition influenced GHG exchange. Legume identity effects enhanced net CO2 uptake and N2O emissions; species composition drove ecosystem respiration and N2O exchange. Cereal - legume interactions enhanced net CO2 uptake compared to cereal monocultures, resulting from higher gross CO2 uptake, while respiratory fluxes did not increase. Overall, the inclusion of vegetation structure, composition and diversity terms improved the understanding of mechanisms affecting GHG exchange, as well as C and N cycling.