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

Abstract

This thesis arose in response to several gaps in the current understanding and modelling of the carbon cycle: (1) in spite of its importance on ecosystem and global CO2 emissions, the soil-atmosphere CO2 flux (Fc) was still not well constrained, and its feedback with climate change and Fc was still uncertain; (2) biological soil crusts (biocrusts) were believed to play a considerable role in the global carbon budget due to their photosynthetic activity but little was known about the spatio-temporal variability of Fc under those communities of microorganisms that cover drylands soils worldwide; (3) a nocturnal soil CO2 uptake has been increasingly reported in those areas but the involved biogeochemical mechanisms remained unclear; (4) recent evidence suggested that liquid water input via water vapor adsorption (WVA) by soil had been overlooked in water-limited ecosystems, though it might represent an important process to take into account in climate-carbon cycle feedback models. This thesis aimed to contribute to improve the available knowledge required to address those issues. To this end, a semi-permanent experiment was designed in the Tabernas Desert (Southeastern Spain). A network of environmental sensors was installed to monitor continuously the microclimate over an ecological succession of biocrusts, including CO2 and water vapor measurements in the topsoil and atmosphere. Those measurements were coupled to a geochemical characterization of the soil and soil water. To assess the role of geochemistry and in particular soil carbonates in Fc dynamics, it was necessary to obtain accurate measurements of parameters used as inputs in geochemical models. Therefore, Chapter 1 presents a methodological advance to determine accurately the carbonate chemistry in the soil solid and aqueous phase: a new low-cost device was developed to quantify the calcium carbonate content and reactive surface area in solid samples as well as the dissolved inorganic carbon content in water samples. Chapter 2 presents two years of continuous measurements of the topsoil CO2 molar fraction (χc) and pedoclimatic variables, including soil water content (ϑw) and soil temperature (Ts). Those data were used to develop statistical spatio-temporal models of the χc dynamics over the biocrusts succession. We found that soil CO2 emissions were more sensitive to ϑw and Ts in late successional stages, and that a future enhancement of soil CO2 emissions is a likely outcome of global warming at this site. Nevertheless, we also found that calcite played a role in mitigating CO2 emissions through the uptake of CO2 by soil at night. Our measurements suggested that CO2 consumption processes were progressively masked by the increase in biological CO2 production during succession. That is probably why those processes could mainly be detected in early successional stages and more generally in drylands, as they sustain a low biological activity. In Chapter 3, water vapor measurements were added to the dataset of Chapter 2 and analyzed in association with CO2 measurements. Our main findings were (1) the occurrence of WVA fluxes during hot and dry periods, and new insights on their underlying mechanisms; (2) a coupling between water vapor and CO2 fluxes, well predicted by our models; and (3) cumulative soil CO2 uptake increasing with specific surface area in early succession stages, thus mitigating CO2 emissions. During summer drought, as WVA was the main water source, it probably maintained ecosystem processes such as microbial activity and mineral reactions. Therefore, at this stage of the thesis, we suggested that WVA could drive the detected nocturnal CO2 uptake. In Chapter 4, we further explored the underlying mechanisms involved in this uptake. To this end, measurements of CO2 and water vapor were combined to analyses of the composition of the soil solution after simulated rain events and subsequent geochemical and statistical modelling. We found strong evidence for the occurrence of a geochemical mechanism of coupled gypsum dissolution-carbonate precipitation due to a common-ion effect, and proposed a pathway for its implication in the nocturnal soil CO2 uptake. The main factor limiting the process in this dryland was water availability, but our observations supported that nocturnal water vapor adsorption by soil might lift this limitation under drought conditions. We also discussed the role of soil dissolved organic carbon on calcite precipitation, and a possible connection with the nitrogen cycle and biomineralizing microorganisms among biocrusts. We suggest that this natural geochemical process has the potential to constitute an active long-term carbon sink because the Ca involved in CaCO3 precipitation came from an exogenic source. In summary, this thesis contributed to improve the understanding and modelling of the soil-atmosphere CO2 exchange in semiarid biocrusted soils, by identifying the environmental variables and potential biogeochemical processes controlling those fluxes. It especially emphasizes the role of overlooked natural processes able to mitigate CO2 emissions. A general discussion is provided at the end of this thesis, which connects the contents of the different chapters together with the current state of knowledge.

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.