Soil organic matter origin, dynamics and fate: a state-of-the-art research addressing Mediterranean agroecosystems main threats | Origen, dinámica y destino de la materia orgánica del suelo. Una investigación de vanguardia que aborda las principales amenazas de los agroecosistemas mediterráneos

Soils represent an essential natural, practically non-renewable resource that provides many critical ecosystem services necessary for life. Furthermore, soils play a critical role in maintaining the balance of the carbon cycle, acting as the largest terrestrial carbon pool which made them crucial in mitigating climate change. Understanding the complexity and dynamics of soils is, therefore, apart from preserving and managing this valuable natural resource, critical for the benefit of current and future generations. However, the changing climate and increasing intensity of agricultural production pose significant threats to the sustainability and role of soils, mainly by contributing to a depletion in soil organic matter (SOM) and altering its dynamics. Indeed, Mediterranean soils face these threats in a more severe way due to their geographic location, particular climate and inherent low content of SOM. It is critical to shedding light on this respect by combining different analytical procedures and providing complementary and valuable information on processes that regulate the accumulation, decomposition, and transformation of SOM. The main objective of this thesis was to investigate and deepen our knowledge about the two main threads affecting carbon dynamics in Mediterranean soils i.e., climate change and intensive agricultural practices. For this, advanced analytical techniques appropriate for the study of complex matrices such are soils were tested and combined to study SOM in two distinct and representative Mediterranean soils, in terms of extension and ecosystem relevance: Mediterranean savannahs, commonly known as “dehesas” (Section I) and agricultural soils (Section II). Chapter 1 presents an introduction to the role of soils in climate change, different strategies that have been addressed and why Mediterranean soils should receive special consideration given their distinct carbon dynamics. Hence, a cluster of diverse analytical approaches is prefaced for the characterization of soil organic matter and carbon dynamics. The entire thesis is based on updated literature and justifies all the research whose general objectives are formulated in Chapter 2. In Chapter 3, the two chosen experimental sites are described as well as a brief description of the methodology used, which is diverse and complex and included analytical pyrolysis, stable isotope analysis, or thermogravimetric analysis. Chapter 4 investigates the link between molecular and isotope composition of bark and lignin extracted from three Eucalyptus species (E. grandis, E. dunnii and a hybrid E. grandis x E. dunnii) using pyrolysis compound-specific isotope analysis (δ13C Py-CSIA). The application of this technique is of relevance within this thesis given the importance of lignin as a biomarker and its role in C dynamics. Retrieved results allowed us to prove that isotopic patterns from pure lignin extract and its analogue in bark for the same sample, did not cause any isotopic fractionation caused by the analytical pyrolysis, neither in lignin moieties nor hemicellulosic compounds. Hence, a direct analytical approach could be designed to apply this technique to the study of soil samples, where similar molecular patterns are found. Chapter 5 is the first chapter of Section I focused on the study of the effect of global climatic change on SOM evolution in a Mediterranean dehesa. Analytical pyrolysis (Py-GC/MS) combined with chemometric statistical approaches was used for the molecular characterization of SOM in a five-years field manipulative experiment of single and combined rainfall exclusion (drought) and increased temperature (warming). The results indicate that SOM molecular composition in dehesas is mainly determined by the effect of the tree canopy. After only five years of the climatic experiment, the differences caused by the warming, drought and the combination of warming+drought forced climate scenarios became statistically significant with respect to the untreated controls, notably in the open pasture habitat. The climatic treatments mimicking foreseen climate changes affected mainly the lignocellulose dynamics, but also other SOM compounds (n-alkanes, fatty acids, isoprenoids and nitrogen compounds) pointing to accelerated humification processes and SOM degradation when soils are under warmer and dryer conditions. Therefore, it is expected that, in the short term, the foreseen climate change scenarios will exert changes in the Mediterranean savannah SOM molecular structure and in its dynamics. In Chapter 6 as previously noticed, the effect of climate change was expected to affect SOM lignocellulose compounds and we decided to tackle this issue with more detail. In this chapter, our research focused on the effect of climate change on soil lignin by the direct measurement of lignin-derived phenols and their cleavage status using Py-GC/MS. A total of 27 lignin-derived methoxyphenols were identified including hydroxyphenyl (LH), guaiacyl (LG), syringyl (LS) units and derivatives. The analysis of lignin-derived proxies allowed the discrimination of lignin structure and evolution status in the two main habitats of a dehesa i.e., under the tree canopy and in the open prairie. Significant variations in most of the calculated proxies were found, showing distinct degradation patterns: in open grassland, less oxidation of vanillyl units (part of the LG moieties) is observed pointing to lesser decomposition processes. Conversely, an accelerated degradation is observed under the tree canopy when induced warming and drought treatments were combined. This study demonstrates that variations in environmental factors such as temperature and soil moisture, as an effect induced by future climate change, will have an impact on lignin decomposition in the soil. This was measurable with a time span of only five years from the application of the treatments. Specifically, an increase in soil temperature and water loss favors lignin degradation, accelerating its mineralization and contributing to the loss of SOM. Therefore, the in-depth study of SOM biomarkers such as lignin and its evolution serves as a diagnostic in a productive Mediterranean agroecosystem such as the dehesa, also affecting the mechanism of carbon storage in the soil. In Chapter 7 the technique of Py-CSIA, developed and described in Chapter 4, is now applied to the study of individual-specific SOM compounds and to forecast the possible trends of SOM as exerted by the induced environmental conditions. Our findings indicate that the dehesas, tree canopy and biomass inputs drive the main changes in SOM dynamics. The δ13C and δ2H Py-CSIA results show that only 2.5 years of field-induced climate scenarios produced significant isotopic enrichment due to a combination of soil warming and drought. More precisely, changes observed in δ13C of short- and mid-chain n-alkanes points to an increased microbial SOM reworking caused by soil warming. On the other hand, a 2H enrichment of up to 40 ‰ of lignin methoxyphenols was found when combining warming and drought treatment under the tree canopy, probably related to a higher H fractionation due to increased soil water evapotranspiration. Therefore, it is expected that, in the short term, foreseen climate change scenarios will exert changes in the SOM dynamics of Mediterranean savannahs comprising both biogeochemical C and H cycles. Following these chapters, Section II is devoted to the study of the effect of intensive agricultural practices on a Mediterranean C-depleted agricultural soil. Due to the low amount of organic C in these soils, it was not possible to directly retrieve any organic compounds or fractions with the techniques previously used. Therefore, different analytical techniques were applied to shed light on such organic matter-depleted Mediterranean agricultural soils. Chapter 8 describes a detailed approach on the extraction of lipid biomarkers and its subsequent quantification, in order to identify the main microbial processes taken place in agricultural soils. This experiment was based on a field trial classical C3 (wheat)-C4 (maize) vegetation change experiment, where two treatments were set for nearly 2 years: A) adding maize biomass and leaving the roots after harvesting and B) only leaving the roots. After two C4 crop cycles (21 months), changes in SOM dynamics were apparent. Both treatments contributed to an increase of the bacterial activity pointing to the occurrence of enhanced mineralization processes in such organic-matter depleted soils. Additionally, the study of δ13C showed a general significant 13C enrichment in the whole SOM as well as in most families of soil lipid compounds, especially in those more recalcitrant biomass-related (i.e., nalkanes), which implies a rapid incorporation of plant material into the SOM. The addition of both, biomass and roots, to the soil was found to confer heavier carbon isotope signatures and more C resilient at mid soil depth (20 cm) promoting C sequestration. This analytical approach, combining soil lipid quantification and δ13C, allowed to gather new valuable information in relation to C evolution in these agroecosystems, mainly in relation with the main C sources to SOM and the C turnover times in different soil compartments. Finally, in Chapter 9 it was considered of interest to better understand the mechanisms for improving SOM content in those agricultural Mediterranean soil with very low SOM contents. Compost amendments are known to improve fertility and the general characteristics of agricultural soils, however, the real potential of these organic inputs for C sequestration is still under discussion. In this study, a field trial and a lab incubation experiment were designed to study the C sequestration mechanism. Soil with a history of C3 photosystem crop was amended with maize (C4 photosystem) composts and the evolution of SOM was monitored for 6 months using complementary analytical techniques: analysis of stable C isotopes (IRMS), thermogravimetry (TG) and C stock and priming-effect modelling. Based on the natural C isotope labelling, the proportion of new C and its residence time in the soil was calculated. The application of maize compost had a positive effect on soil physical and chemical properties of agronomic interest and enhanced soil C sequestration capacity. The addition of aged compost (AC) caused a priming effect enhancing SOM decay and reducing fast (labile) SOM mean residence time (MRT), whereas higher MRT occurred in soils with immature compost (NC), probably due to deleterious effects in the NC limiting heterotrophic activity. Regarding the slow (recalcitrant) SOM, the AC treatment showed low MRT, leading to an increase in this more stable C pool. The obtained results may be of help to better understand SOM dynamics and for designing management strategies to improve OM quantity and quality in C-depleted Mediterranean soils.

Los suelos representan un recurso natural prácticamente no renovable y esencial que proporciona muchos servicios ecosistémicos críticos necesarios para la vida. Además, los suelos desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento del ciclo del carbono, actuando como la mayor reserva de carbono orgánico de la superficie terrestre, lo que los convierte en cruciales para mitigar el cambio climático. Comprender la complejidad y la dinámica de los suelos es, por tanto, además de preservar y gestionar este valioso recurso natural, fundamental para el beneficio de las generaciones actuales y futuras. Sin embargo, el cambio climático y la creciente intensidad de la producción agrícola plantean amenazas significativas para la sostenibilidad y el papel de los suelos, principalmente al contribuir a un agotamiento de la materia orgánica del suelo y alterar la dinámica de la materia orgánica del suelo (MOS). De hecho, los suelos mediterráneos se enfrentan a estas amenazas de forma más severa debido a su situación geográfica, clima particular y bajo contenido inherente de materia orgánica. Es fundamental arrojar luz a este respecto combinando diferentes procedimientos analíticos y proporcionando información complementaria y valiosa sobre los procesos que regulan la acumulación, descomposición y transformación de la MOS. El objetivo principal de esta tesis ha sido investigar y profundizar en el conocimiento de los dos hilos conductores que afectan a la dinámica del carbono en los suelos mediterráneos: el cambio climático y las prácticas agrícolas intensivas. Para ello, se probaron y combinaron técnicas analíticas avanzadas apropiadas para el estudio de matrices complejas como son los suelos para estudiar la MOS en dos suelos mediterráneos distintos y representativos, en términos de extensión y relevancia ecosistémica: Las sabanas mediterráneas, comúnmente conocidas como "dehesas" (Sección I) y los suelos agrícolas (Sección II). El Capítulo 1 presenta una introducción al papel de los suelos en el cambio climático, las diferentes estrategias que se han abordado y por qué los suelos mediterráneos deben recibir una consideración especial dada su dinámica distinta del carbono. A continuación, se presenta un conjunto de diversos enfoques analíticos para la caracterización de la materia orgánica del suelo y la dinámica del carbono. Toda la tesis se basa en bibliografía actualizada y justifica todas las investigaciones cuyos objetivos generales se formulan en el Capítulo 2. En el Capítulo 3, se describen los dos lugares experimentales elegidos, así como una breve descripción de la metodología utilizada, que es diversa y compleja e incluye la pirólisis analítica, el análisis de isótopos estables o el análisis termogravimétrico. El Capítulo 4 investiga la relación entre la composición molecular e isotópica de la corteza y la lignina extraída de tres especies de Eucalyptus (E. grandis, E. dunnii y un híbrido E. grandis × E. dunnii) mediante el análisis isotópico de compuestos específicos por pirólisis (δ 13C Py-CSIA). La aplicación de esta técnica es de relevancia dentro de esta tesis dada la importancia de la lignina como biomarcador y su papel en la dinámica del C. Los resultados obtenidos nos permitieron comprobar que los patrones isotópicos del extracto puro de lignina y su análogo en corteza para la misma muestra, no presentaron ningún fraccionamiento isotópico causado por la pirólisis analítica, ni en las fracciones de lignina ni en las hemicelulósicas. Por lo tanto, se podría diseñar un enfoque analítico directo para aplicar esta técnica al estudio de muestras de suelo, donde se encuentran patrones moleculares similares. El Capítulo 5 es el primero de la Sección I y se centra en el estudio del efecto del cambio climático global sobre la evolución de la MOS en una dehesa mediterránea. Se utilizó pirólisis analítica (Py-GC/MS) combinada con enfoques estadísticos quimiométricos para la caracterización molecular de la MOS en un experimento manipulativo de campo de cinco años de exclusión simple y combinada de precipitaciones (sequía) y aumento de la temperatura (calentamiento). Los resultados indican que la composición molecular de la MOS en dehesas está determinada principalmente por el efecto del dosel arbóreo. Tras sólo cinco años de experimento climático, las diferencias causadas por los escenarios climáticos forzados de calentamiento, sequía y la combinación de calentamiento+sequía llegaron a ser estadísticamente significativas con respecto a los controles no tratados, especialmente en el hábitat de pastizal abierto. Los tratamientos climáticos que imitan los cambios climáticos previstos afectaron principalmente a la dinámica de la lignocelulosa, pero también a otros compuestos de la MOS (alcanos, ácidos grasos, otros alifáticos como isoprenoides, y compuestos nitrogenados), lo que apunta a una aceleración de los procesos de humificación y degradación de la MOS cuando los suelos se encuentran en condiciones más cálidas y secas. Por lo tanto, se espera que, a corto plazo, los escenarios de cambio climático previstos ejerzan cambios en la estructura molecular de la MOS de la sabana mediterránea y en su dinámica. En el Capítulo 6, como ya se ha señalado, se esperaba que el efecto del cambio climático afectara a las fracciones lignocelulósicas de la MOS, por lo que decidimos abordar esta cuestión con más detalle. En este capítulo, nuestra investigación se centró en el efecto del cambio climático sobre la lignina del suelo mediante la medición directa de los fenoles derivados de la lignina y su estado de escisión utilizando Py-GC/MS. Se identificaron un total de 27 metoxifenoles derivados de la lignina, incluyendo unidades de p-hidroxifenilo (LH), guaiacilo (LG), siringilo (LS) y derivados. El análisis de los proxies derivados de la lignina permitió discriminar la estructura de la lignina y el estado de evolución en los dos hábitats principales de una dehesa, es decir, bajo el dosel arbóreo y en la pradera abierta. Se encontraron variaciones significativas en la mayoría de los proxies calculados, mostrando distintos patrones de degradación: en la pradera abierta, se observa una menor oxidación de las unidades de vanilillo, lo que apunta a menores efectos de descomposición. Por el contrario, se observa una degradación acelerada bajo el dosel arbóreo cuando se combinaron tratamientos de calentamiento inducido y sequía. Este estudio demuestra que variaciones en factores ambientales como la temperatura y humedad del suelo, como efecto inducido por un futuro cambio climático, tendrán un impacto en la descomposición de la lignina en el suelo. Esto fue medible con un lapso de tiempo de sólo cinco años desde la aplicación de los tratamientos. En concreto, un aumento en la temperatura y pérdida de agua en el suelo favorece la degradación de la lignina, acelerando su mineralización y contribuyendo a la pérdida de MOS. Por lo tanto, el estudio en profundidad de marcadores de la MOS como la lignina y su evolución sirve de diagnóstico en un agroecosistema mediterráneo productivo como es la dehesa, afectando también al mecanismo de almacenamiento de carbono en el suelo. En el Capítulo 7, la técnica de Py-CSIA, desarrollada y descrita en el Capítulo 4, se aplica ahora al estudio de los compuestos específicos de la MOS y a la predicción de las posibles tendencias de la MOS ejercidas por las condiciones ambientales inducidas. Nuestros resultados indican que las dehesas, el dosel arbóreo y los aportes de biomasa impulsan los principales cambios en la dinámica de la MOS. Los resultados de δ 13C y δ 2H Py-CSIA muestran que sólo 2,5 años de escenarios climáticos inducidos en campo produjeron un enriquecimiento isotópico significativo debido a una combinación de calentamiento del suelo y sequía. Más concretamente, los cambios observados en δ 13C de los n-alcanos de cadena corta y media apuntan a un aumento de la reelaboración microbiana de la MOS causada por el calentamiento del suelo. Por otro lado, se encontró un enriquecimiento en 2H de hasta 40 ‰ de los metoxifenoles de la lignina cuando se combinó el tratamiento de calentamiento y sequía bajo el dosel de los árboles, probablemente relacionado con un mayor fraccionamiento de H debido al aumento de la evapotranspiración del agua del suelo. Por lo tanto, se espera que, a corto plazo, los escenarios de cambio climático previstos ejerzan cambios en la dinámica de la MOS de las sabanas mediterráneas que comprenden tanto los ciclos biogeoquímicos del C como del H. Tras estos tres últimos capítulos, la Sección II se dedica al estudio del efecto de las prácticas agrícolas intensivas sobre un suelo agrícola mediterráneo pobre en C. Debido a la baja cantidad de C orgánico en estos suelos, no fue posible recuperar directamente ningún compuesto o fracción orgánica con las técnicas utilizadas anteriormente. Por lo tanto, se aplicaron diferentes técnicas analíticas para aportar luz sobre estos suelos agrícolas mediterráneos empobrecidos en materia orgánica. El Capítulo 8 describe un enfoque detallado sobre la extracción de biomarcadores lipídicos y su posterior cuantificación, con el fin de identificar los principales procesos microbianos que tienen lugar en los suelos agrícolas. Este experimento se basó en un ensayo de campo clásico de cambio de vegetación C3 (trigo)-C4 (maíz), en el que se establecieron dos tratamientos durante casi 2 años: A) añadir biomasa de maíz y dejar las raíces tras la cosecha y B) dejar sólo las raíces. Tras dos ciclos de cultivo C4 (21 meses), se observaron cambios en la dinámica de la MOS. Ambos tratamientos contribuyeron a un aumento de la actividad bacteriana, apuntando a la ocurrencia de procesos de mineralización mejorados en suelos tan pobres en materia orgánica. Además, el estudio de δ 13C mostró un enriquecimiento general significativo de 1 3C en toda la MOS, así como en la mayoría de las familias de compuestos lipídicos del suelo, especialmente en aquellos más recalcitrantes en relación con la biomasa (es decir, n-alcanos), lo que implica una rápida incorporación de material vegetal a la MOS. La adición de ambos, biomasa triturada tras la cosecha y dejando las raíces, al suelo confirió firmas isotópicas de carbono más pesadas y resistentes al C a media profundidad del suelo (20 cm) promoviendo el secuestro de C. Este enfoque analítico, que combina la cuantificación de lípidos del suelo y δ 13C, permitió reunir nueva información valiosa en relación con la evolución del C en estos agroecosistemas, principalmente en relación con las principales fuentes de C a MOS y los tiempos de cambio de C en diferentes partes del suelo. Por último, en el Capítulo 9 se consideró de interés comprender mejor los mecanismos de mejora del contenido de MOS en aquellos suelos agrícolas mediterráneos con contenidos muy bajos de MOS. Se sabe que las enmiendas de compost mejoran la fertilidad y las características generales de los suelos agrícolas, sin embargo, el potencial real de estos aportes orgánicos para el secuestro de C está aún en discusión. En este estudio, se diseñó un ensayo de campo y un experimento de incubación en laboratorio para estudiar el mecanismo de secuestro de C. El suelo con un historial de cultivo de fotosistema C3 fue enmendado con compost de maíz (fotosistema C4) y la evolución de la MOS fue monitorizada durante 6 meses utilizando técnicas analíticas complementarias: análisis de isótopos estables de C (IRMS), termogravimetría (TG) y modelización de stock de C y efecto de cebado. A partir del etiquetado isotópico natural del C, se calculó la proporción de C nuevo y su tiempo de residencia en el suelo. La aplicación de compost de maíz tuvo un efecto positivo sobre las propiedades físicas y químicas del suelo de interés agronómico y mejoró la capacidad de secuestro de C del suelo. La adición de compost envejecido (AC) causó un efecto de cebado mejorando la descomposición del MOS y reduciendo el tiempo de residencia medio (MRT) de la MOS lábil, mientras que el MRT más alto se produjo en suelos con compost inmaduro (NC), probablemente debido a efectos deletéreos en el NC limitando la actividad heterotrófica. En cuanto a la MOS lenta (recalcitrante), el tratamiento con AC mostró un MRT bajo, dando lugar a un aumento de este pool de C más estable. Los resultados obtenidos pueden ser de ayuda para entender mejor la dinámica de la MOS y para diseñar estrategias de gestión que mejoren la cantidad y calidad de la MOS en suelos mediterráneos pobres en C.