Soil water availability regulates soil respiration temperature dependence in Mediterranean forests

Abstract

The variations of ecosystem and soil respiration are mainly driven by temperature and precipitation, but the importance of temperature and precipitation could vary across temporal and spatial. At diurnal to annual temporal scales, ecosystem and soil respiration generally increase with average annual temperature, but very low or very high soil moisture has been shown to diminish the temperature response of respiration. Therefore, in water-limited ecosystem, such as the Mediterranean region where the seasonal pattern is characterized with significant summer drought, precipitation patterns are likely to play a particularly important role in regulating ecosystem and soil respiration inter annual whereas temperature may be much less factor. In this dissertation, I try to reduce the uncertainties of terrestrial net ecosystem exchange in Mediterranean region by measuring the interaction between environmental factors and soil respiration at short (i.e., diurnal) and medium (i.e., seasonal-years) temporal scales. Three in situ experiments were employed to investigate how soil respiration responds to environmental variations and management. Together, these three studies gave a consistent picture on how soil moisture strongly affects the dynamic and magnitude of soil respiration in Mediterranean forests. Results elucidated a clear soil moisture threshold; when soil moisture is above this threshold, soil temperature is the main driver of soil respiration, meanwhile, when soil moisture is below this threshold, soil respiration decoupled from soil temperature and is controlled by soil moisture. This suggests that soil moisture modified, at least in Mediterranean ecosystems, the temperature sensitivity of respiration through threshold-like response.

Las variaciones de la respiración del ecosistema y del suelo son principalmente impulsadas por la temperatura y la precipitación, pero la importancia de la temperatura y la precipitación puede variar a lo largo del tiempo y el espacio. En las escalas temporales diurnas a anuales, la respiración del ecosistema y del suelo generalmente aumenta con la temperatura media anual, pero se ha demostrado que la humedad del suelo muy baja o muy alta disminuye la respuesta a la temperatura de la respiración. Por lo tanto, en ecosistemas con escasez de agua, como la región mediterránea, donde el patrón estacional se caracteriza por sequías significativas en verano, es probable que los patrones de precipitación jueguen un papel particularmente importante en la regulación de la respiración del ecosistema y del suelo. En esta tesis, intento reducir las incertidumbres del intercambio de ecosistemas netos terrestres en la región mediterránea midiendo la interacción entre los factores ambientales y la respiración del suelo a escalas temporales cortas (diurnas) y medias (estacionales). Se utilizaron tres experimentos in situ para investigar cómo la respiración del suelo responde a las variaciones y manejo del ambiente. En conjunto, estos tres estudios dieron una imagen consistente de cómo la humedad del suelo afecta fuertemente la dinámica y la magnitud de la respiración del suelo en los bosques mediterráneos. Los resultados dilucidaron un umbral claro de humedad del suelo; Cuando la humedad del suelo está por encima de este umbral, la temperatura del suelo es el principal impulsor de la respiración del suelo, mientras que la humedad del suelo está por debajo de este umbral, la respiración del suelo está desacoplada de la temperatura del suelo y controlada por la humedad del suelo. Esto sugiere que la humedad del suelo modificó, al menos en los ecosistemas mediterráneos, la sensibilidad a la temperatura de la respiración a través de la respuesta tipo umbral.