Dryland soil-atmosphere CO2 exchange associated to microclimate and Geochemistry over a biocrusts succession

Résumé

Esta tesis tomó forma como respuesta a ciertas lagunas que el ciclo del Carbono presenta actualmente en cuanto a la comprensión y la modelización de los procesos: (1) a pesar de su importancia en el ecosistema y en las emisiones globales de CO2, el flujo de CO2 suelo-atmósfera (Fc) aún no estaba bien acotado, y la retroalimentación entre el cambio climático y Fc era aún incierta; (2) se creía que las costras biológicas del suelo (biocostras) desempeñaban un papel considerable en el balance global de carbono debido a su actividad fotosintética, pero se sabía poco sobre la variabilidad espaciotemporal de Fc en esas comunidades de microorganismos que cubren el suelo en una amplia parte de las tierras secas en todo el mundo; (3) aunque han ido apareciendo evidencias de absorción nocturna de CO2 en el suelo en esas áreas, los mecanismos biogeoquímicos involucrados seguían sin estar claros; (4) la entrada de agua líquida en el sistema por la adsorción de vapor de agua (WVA) por el suelo no se había tenido suficientemente en cuenta en estos ecosistemas limitados por el agua, aunque podría ser un proceso importante a considerar en los modelos de retroalimentación del ciclo del carbono y el clima. Esta tesis tuvo como objetivo contribuir a mejorar el conocimiento actual sobre estos problemas. Para ello se diseñó un experimento semipermanente en el Desierto de Tabernas (sureste de España). Se instaló una red de sensores ambientales para registro en continuo del microclima y medición de CO2 y vapor de agua en la capa superior del suelo y la atmósfera, en una serie de puntos representativos de la sucesión ecológica en las biocostras. Esas mediciones se acoplaron a una caracterización geoquímica del suelo y del agua del suelo. Para evaluar el papel de la geoquímica y, en particular, de los carbonatos del suelo en la dinámica de Fc, fue necesario obtener mediciones precisas de los parámetros utilizados como entradas en los modelos geoquímicos. Es por ello que el Capítulo 1 presenta un avance metodológico para determinar con precisión la química del carbonato en las fases sólida y acuosa del suelo: Se desarrolló un nuevo dispositivo, de bajo coste, para cuantificar el contenido de carbonato de calcio y el área superficial reactiva en muestras sólidas, así como el carbono inorgánico disuelto contenido en muestras de agua. El Capítulo 2 presenta dos años de mediciones continuas de la fracción molar de CO2 de la capa superior del suelo (χc), junto con variables pedoclimáticas, incluido el contenido de agua del suelo (ϑw) y la temperatura del suelo (Ts). Esos datos se usaron para desarrollar modelos estadísticos espacio-temporales de la dinámica de χc a lo largo de la sucesión en las biocostras. Descubrimos que las emisiones de CO2 del suelo eran más sensibles a ϑw y Ts en las últimas etapas de la sucesión, y que un aumento futuro de las emisiones de CO2 del suelo es un resultado probable del calentamiento global en este sitio. Sin embargo, también encontramos que la calcita desempeñó un papel en la mitigación de las emisiones de CO2, a través de la absorción de CO2 por parte del suelo durante la noche. Nuestras mediciones sugirieron que los procesos de consumo de CO2 fueron progresivamente más enmascarados por el aumento en la producción biológica de CO2 a lo largo de la sucesión. Probablemente por eso estos procesos se detectarían principalmente en etapas sucesionales tempranas, y particularmente en tierras secas, ya que mantienen una baja actividad biológica. En el Capítulo 3, mediciones de flujos de vapor de agua se agregaron al conjunto de datos del Capítulo 2 y se analizaron en asociación con las mediciones de CO2. Nuestros principales hallazgos fueron (1) la aparición de flujos WVA durante períodos cálidos y secos, y nuevos conocimientos sobre sus mecanismos subyacentes; (2) la existencia de un acoplamiento entre los flujos de vapor de agua y CO2, acertadamente predicho por nuestros modelos; y (3) que la absorción acumulativa de CO2 del suelo aumenta con el área de superficie específica en las primeras etapas de sucesión, mitigando así las emisiones de CO2. Durante la sequía del verano, dado que WVA era la principal fuente de agua, probablemente mantuvo procesos del ecosistema, como la actividad microbiana y las reacciones minerales. Es por esto que, en esta etapa de la tesis, sugerimos que WVA podría impulsar la captación nocturna de CO2 detectada. En el Capítulo 4, exploramos más a fondo los mecanismos subyacentes implicados en esta captación. Con este fin, las mediciones de CO2 y vapor de agua se combinaron con análisis de la composición de la solución del suelo después de eventos de lluvia simulados y la posterior modelización geoquímica y estadística. Encontramos fuerte evidencia de la existencia de un mecanismo geoquímico de precipitación de carbonatos acoplada con disolución de yeso debido a un efecto de ion común, y hemos propuesto una vía para su implicación en la absorción nocturna de CO2 por el suelo. El factor principal que limitó el proceso en esta tierra seca fue la disponibilidad de agua, pero nuestras observaciones respaldaron la hipótesis de que la adsorción nocturna de vapor de agua por parte del suelo podría eliminar esta limitación en condiciones de sequía. También discutimos el papel del carbono orgánico disuelto en el suelo en la precipitación de calcita y una posible conexión con el ciclo del nitrógeno y los microorganismos bio-mineralizadores de las biocostras. Sugerimos que este proceso geoquímico natural tiene el potencial de constituir un sumidero de carbono activo a largo plazo porque el Ca involucrado en la precipitación de CaCO3 proviene de una fuente exógena. En resumen, esta tesis ha contribuido a mejorar la comprensión y el modelado del intercambio de CO2 suelo-atmósfera en suelos semiáridos con biocostra, al identificar las variables ambientales y los posibles procesos biogeoquímicos que controlan esos flujos. Enfatiza especialmente el papel de los procesos naturales pasados por alto capaces de mitigar las emisiones de CO2. Se incluye una discusión general al final de esta tesis, que conecta los contenidos de los diferentes capítulos junto con el estado actual del conocimiento.