Impactos del cambio global en el intercambio de gases suelo-atmósfera y propiedades microbianas en ecosistemas áridos a distintas escalas espaciales

Resumen

Antecedentes: En zonas áridas de todo el mundo, los primeros centímetros de la superficie del suelo que se encuentra entre las manchas dispersas de vegetación perennes están dominados por la costra biológica. Se trata de comunidades compuestas por cianobacterias, algas, hongos, bacterias, líquenes y musgos que juegan un papel fundamental regulando la humectación y secado del suelo tras la precipitación, los ciclos biogeoquímicos del carbono y el nitrógeno y la composición de las comunidades microbianas del suelo. Como consecuencia del cambio climático se prevé un aumento de la temperatura y cambios en el régimen de precipitaciones en zonas áridas de todo el planeta. Sin embargo, se desconoce el efecto que estos cambios puedan tener en la hidrología de los suelos cubiertos con costra biológica. Asimismo, se desconoce si la costra biológica puede modular los flujos de gases de efecto invernadero y en las principales comunidades microbianas asociadas con los flujos de N2O y CH4 en respuesta al cambio climático. Además de los cambios en temperatura y precipitación consecuencia del cambio climático, el aumento de la deposición de nitrógeno atmosférico ocasionado por las actividades antrópicas puede también desempeñar un papel clave en el intercambio de gases de efecto invernadero entre el suelo y la atmósfera en zonas áridas. Objetivos y Métodos: El objetivo de esta Tesis Doctoral es comprender cómo el cambio global y la costra biológica afectan a la dinámica de humectación y secado del suelo y al intercambio suelo-atmósfera de gases traza (N2O, CH4 y CO2) así como a las comunidades microbianas asociadas a dicho intercambio. En el primer capítulo se analizó ocho años de registros continuos de datos meteorológicos y de humedad del suelo en un experimento de simulación del cambio climático (control, aumento de 2.5 °C de temperatura, reducción del 33% de la precipitación y combinación de ambos), con el objetivo de evaluar si el cambio climático afecta al comportamiento hidrológico de suelos cubiertos con costra biológica. En el segundo capítulo se estudió cómo, tras ocho años de simulación del cambio climático en el mismo experimento utilizado en el capítulo 1, áreas con un alto y bajo desarrollo de costra biológica afectan a los flujos de N2O y CH4, así como a la abundancia de genes funcionales relacionados con bacterias desnitrificantes y metanotrofas. En el tercer capítulo se evaluó como la simulación de cuatro niveles de deposición de N atmosférico afectan a los flujos de N2O, CH4 y CO2 en un experimento a largo plazo situado en el centro de la Península Ibérica. En el cuarto capítulo se utilizaron datos de un muestreo global estandarizado y modelos de ecuaciones estructurales para evaluar los efectos directos e indirectos de variables climáticas (aridez, estacionalidad de las precipitaciones y temperatura media anual) y del suelo (carbono orgánico, pH y textura) sobre la abundancia total, la riqueza y la estructura de comunidades de microorganismos relacionados con los flujos de N2O y CH4 (portadores de los genes nosZ y pmoA, respectivamente). Resultados: La costra biológica moduló la humectación y secado del suelo tras los eventos de precipitación. Tanto la cantidad de lluvia como un buen desarrollo de la costra biológica aumentaron las ganancias de agua del suelo después de dichos eventos, mientras que la humedad inicial del suelo, la intensidad de la lluvia durante el evento y el calentamiento experimental redujeron las ganancias de agua del suelo. La humedad inicial, la temperatura máxima y la cobertura de costra biológica, mediante su efecto en la evapotranspiración potencial y en el oscurecimiento del suelo aumentaron la tasa de secado del suelo. Sin embargo, observamos diferencias importantes entre los dos primeros años del experimento y cinco años después de su montaje. Estos efectos se debieron principalmente a las importantes reducciones en la cobertura y la diversidad de la costra biológica observadas en el tratamiento de calentamiento. La costra biológica moduló también el efecto del cambio climático en los flujos de gases traza, reduciendo las emisiones de N2O y aumentando la fijación de CH4. En suelos donde el grado de desarrollo de la costra biológica es bajo, la exclusión de las precipitaciones y su combinación con el calentamiento aumentaron las emisiones de N2O. Por el contrario, un buen desarrollo de la cobertura de costra biológica provocó una fuerte reducción de los flujos de N2O bajo estos tratamientos (~ 96% y ~ 197%, respectivamente). En suelos con bajo desarrollo de costra biológica, el calentamiento solo y en combinación con la exclusión de la lluvia redujeron el consumo de CH4. Sin embargo, en suelos con un buen desarrollo de costra biológica, la exclusión de lluvia sola y en conjunto con el calentamiento, aumentaron la captación de CH4. Además, la abundancia general de genes funcionales relacionados con bacterias desnitrificantes y metanotrofas fue mayor en zonas con alto que en las de bajo desarrollo de la costra biológica. El aumento de la deposición de N condujo a un aumento constante de las emisiones de N2O, probablemente debido a los aumentos en los procesos de nitrificación microbiana y / o desnitrificación del suelo. Sin embargo, solo los niveles intermedios de deposición de N redujeron la captación de CH4 y tendieron a reducir las emisiones de CO2, lo que sugiere la existencia de puntos de inflexión entre las condiciones saturadas y no saturadas de N. A escala global, la abundancia y la riqueza de los microorganismos metanotrofos no se asociaron con el clima o las propiedades del suelo. Sin embargo, variables como la temperatura media anual, la estacionalidad de las lluvias, el C orgánico, el pH y el contenido de arena estuvieron altamente correlacionados con la composición de su comunidad. La aridez, el contenido en arena y el pH del suelo se correlacionaron con la abundancia, la riqueza y la composición de la comunidad microbiana portadora del gen nosZ. Conclusiones: El trabajo desarrollado en esta tesis pone de manifiesto la importancia de los estudios a largo plazo para comprender los efectos del cambio climático en la humectación y secado del suelo en ecosistemas semiáridos. El grado de desarrollo de la costra biológica afecta a la capacidad de los suelos de estos ambientes para intercambiar gases de efecto invernadero con la atmósfera. Los resultados obtenidos sugieren que comunidades de costra biológica bien desarrolladas podrían contrarrestar el impacto del calentamiento y la alteración en los patrones de lluvia en los flujos de gases de efecto invernadero del suelo, destacando su importancia y la necesidad de preservarlas para minimizar los impactos del cambio climático en los ecosistemas semiáridos. El aumento en la deposición de nitrógeno atmosférico a largo plazo aumenta las emisiones de N2O y reduce las tasas de fijación de CH4 (al menos niveles intermedios de deposición de N), contribuyendo al actual cambio climático. El aumento en la aridez consecuencia del cambio climático alterará las comunidades de microorganismos metanotrofos y portadores del gen nosZ. La esperada reducción de la cubierta vegetal como consecuencia del cambio climático y el aumento de la aridez global alterará directa e indirectamente las comunidades microbianas oxidadoras del metano, lo que podría afectar al intercambio neto de CH4 con la atmósfera. Estos cambios en la aridez y el carbono orgánico del suelo también afectarán a las bacterias desnitrificantes portadoras del gen nosZ reduciendo la capacidad de los suelos áridos y semiáridos de llevar a cabo el paso final de la desnitrificación (la reducción de N2O a N2), favoreciendo la emisión de N2O a la atmósfera. En conjunto, nuestros resultados nos ayudan a comprender mejor los factores ambientales que causan cambios en la abundancia, riqueza y estructura de los genes nosZ y pmoA en suelos áridos y semiáridos. Esta información puede utilizarse para refinar los modelos utilizados para pronosticar cambios en los flujos de gases de efecto invernadero en el futuro.