Formation of soil organic matter via biochemical and physical pathways of litter mass loss

Cotrufo, M. Francesca; Soong, Jennifer L.; Horton, Andrew J.; Campbell, Eleanor E. B.; Haddix, Michelle L.; Wall, Diana H.; Parton, William J.

doi:10.1038/ngeo2520

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“…Our results cannot be extended to litter decomposition (Cotrufo et al, 2015) or organic soils, which will be much more dependent on substrate quality and less affected by carbon diffusion (Manzoni et al, 2012). Also, oxygen supply, which is critical in peatlands and other soils (Clymo, 30 1984;Frolking et al, 2001), was not taken into account.…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 86%

Diffusion based modelling of temperature and moisture interactive effects on carbon fluxes of mineral soils

Moyano

Vasilyeva

Menichetti

2018

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Abstract. While CO2 production in soils strongly responds to changes in temperature and moisture, the magnitude of such responses at different time scales remains difficult to predict. In particular, little is known of the mechanisms leading to interactions in the effects of these drivers on soil CO2 emissions, even though such observations are common. Here we compare a number of modelling approaches to test which underlying mechanisms best simulate the interactive responses measured in soils incubated under combined levels of temperature and moisture. We found that two model components were critical for reproducing the observed interactive patterns: 1. Michaelis-Menten reaction kinetics, which strongly improved the model fit when applied to decomposition reactions, and 2. diffusion of dissolved C and enzymes. The latter replaces conventional empirical functions as a mechanism relating moisture content with C fluxes. Indeed, empirical functions failed to capture the main observed interactions. After model calibration we were able to explain 84&#8201;% of the variation in the data. Model simulations resulted in a decoupling of decomposition and respiration C fluxes in the short and mid-term, with interaction effects and general sensitivities to temperature and moisture being more pronounced for respiration. Sensitivity to different model parameters was highest for those affecting diffusion limitations, followed by activation energies, the Michaelis-Menten constant, and carbon use efficiency. Model validation resulted in a high fit against independent data (R2&#8201;=&#8201;0.99). The same underlying model parameters resulted here in different apparent temperature sensitivities compared to the calibration step, demonstrating a strong effects of initial soil conditions. With these results we could demonstrate the importance of model structure and the central role of diffusion and reaction kinetics for simulating complex soil C dynamics related to temperature and moisture interactions. Future studies should further validate this mechanistic approach and extend its use to a larger range of soils.

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Section: Discussionmentioning

confidence: 86%

Diffusion based modelling of temperature and moisture interactive effects on carbon fluxes of mineral soils

Moyano

Vasilyeva

Menichetti

2018

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“…Por otro lado, la descomposición más lenta de hojarasca sobre las cenizas sugiere que la formación de nuevo sustrato orgánico y la provisión de nutrientes podrían ser limitantes para el reclutamiento de plántulas. La inmovilización y la estabilización de nutrientes en la matriz física del suelo puede ser mayor en un sustrato inerte e insaturado, como el aportado por las cenizas, respecto al suelo maduro con una comunidad microbiana abundante (Hopkins et al 2007;Castellano et al 2015;Cotrufo et al 2015). Una lenta liberación de nutrientes en el sustrato volcánico podría favorecer a especies de plántulas tolerantes al déficit nutricional, como se ha observado para Nothofagus spp.…”

Section: Discussionunclassified

“…No obstante, el proceso de descomposición no se vería interrumpido, reafirmando la existencia de cierta resiliencia en ecosistemas con disturbios relativamente frecuentes durante su historia evolutiva (del Moral and Grishin 1999; Dahlgren et al 2004). El efecto de enterrado de la hojarasca por las cenizas, sumado a los diferentes contextos ambientales y a cambios inducidos por grandes herbívoros en calidad de la hojarasca que ingresa al suelo, podrían tener efectos complejos para el reciclado de C y nutrientes en horizontes profundos (Hopkins et al 2007;Hatton et al 2014;Cotrufo et al 2015). Aunque las cenizas y el pastoreo puedan desacelerar la descomposición de materia orgánica, la naturaleza transitoria de ésos efectos sugiere que el funcionamiento del bosque tendría una recuperación relativamente rápida luego de eventos masivos de cenizas volcánicas.…”

Section: Discussionunclassified

La deposición de cenizas volcánicas modula la descomposición de hojarasca en bosques de Nothofagus dombeyi del norte de Patagonia

2018

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RESUMEN.Los disturbios generados por erupciones volcánicas son parte de la dinámica natural de los ecosistemas. La formación de suelo y el reciclado de nutrientes dependen de la descomposición tanto de la materia orgánica enterrada bajo las cenizas como de la broza vegetal aportada luego del disturbio. Este trabajo examinó la descomposición de hojarasca en bosques de coihue (Nothofagus dombeyi) afectados por la deposición de cenizas emitidas en 2011 por el complejo Volcán Puyehue-Cordón Caulle en la Patagonia. El estudio incluyó dos sitios a diferentes distancias del volcán, con distinta cantidad de cenizas y precipitación anual (1600-1900 mm/año). En cada sitio se marcaron dos parcelas, una con presencia y otra con ausencia de pastoreo de vacunos (>50 años). En cada parcela se determinó la pérdida de masa de hojarasca de coihue luego de un año de incubación, en tres posiciones (n=8 bloques/parcela): sobre suelo bajo cenizas, sobre suelo sin cenizas y sobre las cenizas. La hojarasca bajo cenizas se descompuso un 74% más rápido en el sitio más húmedo que en el más seco. La descomposición fue más lenta sobre la capa de cenizas que sobre el suelo orgánico, y ese efecto fue más evidente en el sitio más cercano al volcán que en el más alejado (19% vs. 9%). La descomposición sobre el suelo fue equivalente en los tratamientos con y sin la capa superficial de cenizas. La descomposición fue menor en parcelas con vs. sin pastoreo, pero la influencia de pastoreo no modificó las diferencias de descomposición entre posiciones sobre cenizas vs. sobre el suelo. Los resultados muestran que la comunidad de descomponedores se mantiene activa en suelos de bosques con deposición de cenizas, lo que contribuiría a mantener el suministro de nutrientes para la vegetación luego de la erupción volcánica.[Palabras clave: disturbios naturales, erupciones volcánicas, funcionamiento del ecosistema, gradiente ambiental, pastoreo histórico] A��. Volcanic ash deposition modulates leaf-li�er decomposition in Nothofagus dombeyi forests of NW Patagonia. Disturbances produced by volcanic eruptions are part of natural ecosystem dynamics. Soil formation and nutrient cycling depend on the decomposition both of organic ma�er buried under the ashes and on the li�er produced after the disturbance. Here we evaluated leaf li�er decomposition in Nothofagus dombeyi (coihue) forests affected by massive ash deposition from the 2011 eruption of the Volcán Puyehue-Cordón Caulle complex in NW Patagonia, Argentina. The study comprised two sites at different distances from the volcano, with different amounts of ash and annual precipitation (1600-1900 mm/year). In each site, two plots were delimited, with and without long-term livestock grazing (>50 years). N. dombeyi li�er mass loss after one year was estimated in three positions (n=8 blocks/plot): on organic soil and under the ash layer, on organic soil after removal of ashes, and on top of the ash layer. Leaf li�er beneath the ash layer was decomposed 74% faster in the we�er site than in the drier site. Deco...

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“…The importance of microbial processing in SOC stabilization is well documented, with impacts of microbial C use efficiency in SOC stabilization recently recognized (Cotrufo et al, 2013(Cotrufo et al, , 2015Grandy and Neff, 2008). Stable SOC is largely microbially-derived (Knicker, 2011;Schmidt et al, 2011) and may be influenced by soil microbial composition.…”

Section: Impacts On C Cyclingmentioning

confidence: 99%

“…Although C sequestration is directly related to the quantity of C inputs to soils, recent work has shown that as more lignified plant residues decompose, they lose proportionally more C as CO 2 and thus, are converted to SOC at a lower rate (Stewart et al, 2015). More 'labile' products (i.e., dissolved organic C, root exudates) promote microbial biomass and are more efficiently converted to SOC due to lower respiration losses and physico-chemical protection through mineral association (Cotrufo et al, 2015). Microbiallyprocessed C comprises the majority of C deep in the soil profile, and plant root morphology and interactions with the microbial community may impact C inputs in deep soils.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Seasonal switchgrass ecotype contributions to soil organic carbon, deep soil microbial community composition and rhizodeposit uptake during an extreme drought

Stewart

Roosendaal

Denef

et al. 2017

Soil Biology and Biochemistry

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Formation of soil organic matter via biochemical and physical pathways of litter mass loss

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Diffusion based modelling of temperature and moisture interactive effects on carbon fluxes of mineral soils

Diffusion based modelling of temperature and moisture interactive effects on carbon fluxes of mineral soils

La deposición de cenizas volcánicas modula la descomposición de hojarasca en bosques de Nothofagus dombeyi del norte de Patagonia

Seasonal switchgrass ecotype contributions to soil organic carbon, deep soil microbial community composition and rhizodeposit uptake during an extreme drought

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