Repositorio
Institucional

Bernhard, Nadine

Moskwa, Lisa-Marie

Schmidt, Karsten

Oeser, Ralf A.

Aburto, Felipe

Bader, Maaike Y.

Baumann, Karen

von Blanckenburg, Friedhelm

Boy, Jens

van den Brink, Liesbeth

Brucker, Emanuel

Buedel, Burkhard

Canessa, Rafaella

Dippold, Michaela A.

Ehlers, Todd A.

Fuentes, Juan P.

Godoy, Roberto

Jung, Patrick

Karsten, Ulf

Koester, Moritz

Kuzyakov, Yakov

Leinweber, Peter

Neidhardt, Harald

Matus, Francisco

Mueller, Carsten W.

Oelmann, Yvonne

Oses, Romulo

Osses, Pablo

Paulino, Leandro

Samolov, Elena

Schaller, Mirjam

Schmid, Manuel

Spielvogel, Sandra

Spohn, Marie

Stock, Svenja

Stroncik, Nicole

Tielboerger, Katja

Uebernickel, Kirstin

Scholten, Thomas

Seguel, Oscar

Wagner, Dirk

Kuehn, Peter

Pedogenic and microbial interrelations to regional climate and local topography: New insights from a climate gradient (arid to humid) along the Coastal Cordillera of Chile

ELSEVIER

CATENA

en

The effects of climate and topography on soil physico-chemical and microbial parameters were studied along an extensive latitudinal climate gradient in the Coastal Cordillera of Chile (26 degrees-38 degrees S). The study sites encompass arid (Pan de Azucar), semiarid (Santa Gracia), mediterranean (La Campana) and humid (Nahuelbuta) climates and vegetation, ranging from arid desert, dominated by biological soil crusts (biocrusts), semiarid shrubland and mediterranean sclerophyllous forest, where biocrusts are present but do have a seasonal pattern to temperate-mixed forest, where biocrusts only occur as an early pioneering development stage after disturbance. All soils originate from granitic parent materials and show very strong differences in pedogenesis intensity and soil depth. Most of the investigated physical, chemical and microbiological soil properties showed distinct trends along the climate gradient. Further, abrupt changes between the arid northernmost study site and the other semi-arid to humid sites can be shown, which indicate non-linearity and thresholds along the climate gradient. Clay and total organic carbon contents (TOC) as well as Ah horizons and solum depths increased from arid to humid climates, whereas bulk density (BD), pH values and base saturation (BS) decreased. These properties demonstrate the accumulation of organic matter, clay formation and element leaching as key-pedogenic processes with increasing humidity. However, the soils in the northern arid climate do not follow this overall latitudinal trend, because texture and BD are largely controlled by aeolian input of dust and sea salts spray followed by the formation of secondary evaporate minerals. Total soil DNA concentrations and TOC increased from arid to humid sites, while areal coverage by biocrusts exhibited an opposite trend. Relative bacterial and archaeal abundances were lower in the arid site, but for the other sites the local variability exceeds the variability along the climate gradient. Differences in soil properties between topographic positions were most pronounced at the study sites with the mediterranean and humid climate, whereas microbial abundances were independent on topography across all study sites. In general, the regional climate is the strongest controlling factor for pedogenesis and microbial parameters in soils developed from the same parent material. Topographic position along individual slopes of limited length augmented this effect only under humid conditions, where water erosion likely relocated particles and elements downward. The change from alkaline to neutral soil pH between the arid and the semi-arid site coincided with qualitative differences in soil formation as well as microbial habitats. This also reflects non-linear relationships of pedogenic and microbial processes in soils depending on climate with a sharp threshold between arid and semi-arid conditions. Therefore, the soils on the transition between arid and semi-arid conditions are especially sensitive and may be well used as indicators of long and medium-term climate changes. Concluding, the unique latitudinal precipitation gradient in the Coastal Cordillera of Chile is predestined to investigate the effects of the main soil forming factor - climate - on pedogenic processes.

Los efectos del clima y la topografía sobre los parámetros fisicoquímicos y microbianos del suelo se estudiaron a lo largo de un extenso gradiente climático latitudinal en la Cordillera de la Costa de Chile (26 grados-38 grados S). Los sitios de estudio abarcan climas y vegetación áridos (Pan de Azúcar), semiáridos (Santa Gracia), mediterráneos (La Campana) y húmedos (Nahuelbuta), que van desde el desierto árido, dominado por costras biológicas del suelo (biocostras), matorrales semiáridos y bosques esclerófilos mediterráneos, donde las biocostras están presentes pero tienen un patrón estacional, hasta bosques templados-mixtos, donde las biocostras solo ocurren como una etapa temprana de desarrollo pionero después de la perturbación. Todos los suelos se originan de materiales parentales graníticos y muestran diferencias muy marcadas en la intensidad de la pedogénesis y la profundidad del suelo. La mayoría de las propiedades físicas, químicas y microbiológicas del suelo investigadas mostraron tendencias distintas a lo largo del gradiente climático. Además, se pueden mostrar cambios abruptos entre el sitio de estudio árido más septentrional y los otros sitios semiáridos a húmedos, lo que indica no linealidad y umbrales a lo largo del gradiente climático. Los contenidos de arcilla y carbono orgánico total (COT), así como los horizontes Ah y las profundidades del solum, aumentaron de climas áridos a húmedos, mientras que la densidad aparente (BD), los valores de pH y la saturación de bases (BS) disminuyeron. Estas propiedades demuestran la acumulación de materia orgánica, la formación de arcilla y la lixiviación de elementos como procesos pedagógicos clave con el aumento de la humedad. Sin embargo, los suelos en el clima árido del norte no siguen esta tendencia latitudinal general, porque la textura y la BD están controladas en gran medida por el aporte eólico de polvo y la pulverización de sales marinas, seguido de la formación de minerales evaporados secundarios. Las concentraciones totales de ADN del suelo y el COT aumentaron de sitios áridos a húmedos, mientras que la cobertura superficial por biocostras exhibió una tendencia opuesta. Las abundancias relativas de bacterias y arqueas fueron menores en el sitio árido, pero para los otros sitios la variabilidad local supera la variabilidad a lo largo del gradiente climático. Las diferencias en las propiedades del suelo entre las posiciones topográficas fueron más pronunciadas en los sitios de estudio con el clima mediterráneo y húmedo, mientras que las abundancias microbianas fueron independientes de la topografía en todos los sitios de estudio. En general, el clima regional es el factor de control más fuerte para la pedogénesis y los parámetros microbianos en suelos desarrollados a partir del mismo material parental. La posición topográfica a lo largo de pendientes individuales de longitud limitada aumentó este efecto solo en condiciones húmedas, donde la erosión hídrica probablemente reubicó partículas y elementos hacia abajo. El cambio de pH del suelo de alcalino a neutro entre el sitio árido y semiárido coincidió con diferencias cualitativas en la formación del suelo, así como en los hábitats microbianos. Esto también refleja relaciones no lineales de los procesos pedogénicos y microbianos en los suelos que dependen del clima con un umbral agudo entre las condiciones áridas y semiáridas. Por lo tanto, los suelos en la transición entre condiciones áridas y semiáridas son especialmente sensibles y pueden usarse bien como indicadores de cambios climáticos a largo y mediano plazo. En conclusión, el gradiente latitudinal único de precipitación en la Cordillera de la Costa de Chile está predestinado a investigar los efectos del principal factor formador del suelo - el clima - sobre los procesos pedogénicos.

Artículo original

Agradecemos el apoyo del programa prioritario SPP-1803 "EarthShape: Modelado de la Superficie Terrestre por la Biota" de la Fundación Alemana para la Ciencia (DFG). Agradecemos al Servicio de Parques Nacionales de Chile (CONAF) por el acceso a las ubicaciones de muestreo (Pan de Azúcar, La Campana y Nahuelbuta) y el apoyo in situ para nuestra investigación. También agradecemos a CEAZA y a Sucesión Gálvez Muñoz por el acceso a la Reserva Natural Santa Gracia. Asimismo, expresamos nuestra profunda gratitud a todos los estudiantes y colegas que colaboraron en el terreno y con la logística durante varios meses de trabajo de campo, y a todos los estudiantes y asistentes técnicos de todos los laboratorios que colaboraron con los análisis.

We acknowledge support from the German Science Foundation (DFG) priority program SPP-1803 "EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota". We are grateful to the Chilean National Park Service (CONAF) for providing access to the sample locations (Pan de Azucar, La Campana and Nahuelbuta) and on-site support of our research. We also thank CEAZA and "Sucesion Galvez Munoz", for providing access to the Reserva Natural Santa Gracia. We also express our deep gratitude to all students and other colleagues, who helped in the field and with logistics during several months of field work and all students and technical assistants in all laboratories, who helped with the analyses.

10.1016/j.catena.2018.06.018

pdf

Climate

Topography

Soil texture

Total organic carbon

Carbon isotope ratio (delta C-13(TOC))

Microbial abundance

Clima

Topografía

Textura del suelo

Carbono orgánico total

Relación de isótopos de carbono (delta C-13(TOC))

Abundancia microbiana

Geosciences, Multidisciplinary# Soil Science# Water Resources

Climate

Topography

Soil texture

Total organic carbon

Carbon isotope ratio (delta C-13(TOC))

Microbial abundance

Clima

Topografía

Textura del suelo

Carbono orgánico total

Relación de isótopos de carbono (delta C-13(TOC))

Abundancia microbiana

Ciencias del suelo

Climatología

Microbiología

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WOS:000441681500029

Pedogenic and microbial interrelations to regional climate and local topography: New insights from a climate gradient (arid to humid) along the Coastal Cordillera of Chile

Artículo original

ELSEVIER

CATENA

Geociencias, Multidisciplinaria

ciencia del suelo

Recursos hídricos

0341-8162

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DFG SPP-1803

CONAF

"We acknowledge support from the German Science Foundation (DFG) priority program SPP-1803 ""EarthShape: Earth Surface Shaping by Biota"". We are grateful to the Chilean National Park Service (CONAF) for providing access to the sample locations (Pan de Azucar, La Campana and Nahuelbuta) and on-site support of our research. We also thank CEAZA and ""Sucesion Galvez Munoz"", for providing access to the Reserva Natural Santa Gracia. We also express our deep gratitude to all students and other colleagues, who helped in the field and with logistics during several months of field work and all students and technical assistants in all laboratories, who helped with the analyses."

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DFG SPP-1803#CONAF