Secció de Ciències Biològiques

Participació de l’Institut d’Estudis Catalans en el projecte FORHOT d’estudi dels efectes del canvi climàtic sobre la pèrdua d’estocs de carboni àrtic, subàrtic i boreal / [Convocatòria IEC 2023]

Direcció

Josep Peñuelas i Reixach
Institut d'Estudis Catalans - CREAF

Col·laboradors: 

Iolanda Filella (CREAF-CSIC)
Joan Llusià (CREAF)
Jordi Sardans (CREAF)
Marc Estiarte (CREAF-CSIC)
Romà Ogaya (CREAF)
Jofre Carnicer (UB-CREAF)
Albert Gargallo-Garriga (CREAF)
Sara Marañón (CREAF)
Bangxiao Zehn (CREAF)
Marcos Fernández-Martínez (UAntwerp) 
Mireia Bartrons (UVIC)
 
Síntesi

El projecte FORHOT (www.forhot.is) estudia com la temperatura influeix sobre la dinàmica del carboni (C) en el sistema planta-sòl als sistemes boreals, subàrtics i àrtics, els més sensibles al canvi climàtic. Les parcel·les experimentals es troben distribuïdes al llarg de gradients geotèrmics de temperatura en praderies d’Islàndia. La hipòtesi general del projecte és que l’augment de temperatura alliberarà grans quantitats de CO2 dels sòls nòrdics. 

El projecte pretén escatir les conseqüències de l’escalfament sobre els processos funcionals de l’ecosistema i molt en particular com afecta als fluxos i continguts de C en la planta i el sòl. Els resultats preliminars han mostrat una pèrdua espectacular de C del sòl amb l’escalfament, la qual cosa és d’extraordinària importància ja que aquests sòls son els reservoris edàfics més grans de C i la seva pèrdua pot afectar de manera clau el cicle del carboni i el clima.
 
 
Abstract 
 
The FORHOT project (www.forhot.is) studies how temperature influences the carbon (C) dynamics in the soil-plant system in boreal, subarctic and arctic ecosystems, the most sensitive ones to climate change. The experimental plots are distributed along geothermal temperature gradients in the meadows of Iceland. The general hypothesis is that incrising temperature will cause Nordic soils to release large amounts of CO2.
 
The project aims to elucidate the consequences of warming on the ecosystem functional processes and, in particular, on how does warmin affect the flows and contents of C in plant and soil. Preliminary results have shown a soil C great loss with warming. This is very important because these soils are the largest edaphic reservoirs of C and its loss can significantly affect the carbon cycle and also the weather.

 

 

Paraules clau

Ecologia global, canvi climàtic.

 

Inici del projecte

2018 - 2023

 

Antecedents

 

Resultats

Als camps experimentals d’Islàndia s’han estudiat les respostes de 124 variables d’una praderia subàrtica després d’un període d’escalfament d’entre 5-8 anys, comparades amb les mateixes 124 variables en una altra praderia molt similar però escalfada molt més temps, com a mínim més de 50 anys. Malgrat la infinitat d’interaccions que es produeixen entre els organismes i l’ambient, se sap molt poc de com l’escalfament climàtic afecta els ecosistemes holísticament, és a dir, de forma global. L’escalfament de més de 50 anys ha conduït l’ecosistema a un nou equilibri, amb una composició biòtica diferent, i una reducció de la riquesa, la biomassa i la matèria orgànica del sòl. 
 
De totes maneres, l’equilibri arriba a través d’una sobrereacció inicial a l’escalfament, que està causada per la primera resposta fisiològica de molts organismes i que encara és evident uns 5-8 anys després. Ignorant aquesta sobrereacció es produeixen errors en les prediccions de ≥100% per a 67 de les 124 variables per a un període d’escalfament de més de 50 anys, però algunes variables, incloent-hi el carboni del sòl, segueixen sent estables després de 5 -8 anys. 
 
Aquest estudi qüestiona la precisió de les prediccions dels ecosistemes a llarg termini generades a partir d’observacions a curt termini, i proporciona un marc per a resoldre les principals incerteses relatives als ecosistemes sotmesos a segles de canvi climàtic. Amb aquests resultats estem preparant un article per sotmetre la revista Nature Ecology and Evolution conjuntament amb tots els membres dels diferents països implicats, junt amb Catalunya, en aquesta recerca.
 
Als camps experimentals del nord de Suècia hem dut a terme les campanyes de mostreig i esperem poder: 
  1. Determinar si el canvi climàtic mobilitzarà P vell/antic i estable, amb especial atenció al cicle de llarga durada de P, comptant com a principals objectes d’estudi els magatzems de P amb una taxa de renovació de segles o mil·lennis.
  2. Comprendre les possibles conseqüències profundes dels balanços estequiomètrics en el funcionament dels ecosistemes naturals i proporcionar una visió integrada de les dades biològiques, climàtiques i químiques.
S’han obtingut cores de molleres a Suècia i a Alaska mitjançant un core rus i un core de permagel. Al camp s’ han dut a terme diferents tasques de descripció de les molleres, estratigrafia i mostreig. Les mostres s’han enviat al CREAF, on seran datades amb C14, es mesurarà TC, TN, TP, microb. C i l’activitat microbiana a les molleres vs. la fondària. Es determinaran les fraccions del P i el total d’Al, Fe i d’altres metalls. Es mesurarà el TDP, TDN a la superfície de l’aigua. Els resultats d’acrotelm i del catotelm es compararan per tal de dilucidar el rol de (1) conservació de la matèria orgànica, (2) activitat microbiana i (3) adsorció abiòtica en la retenció del P.
 
Pèrdues de C i N als sols subàrtics
L’augment de les temperatures pot alterar les demandes estequiomètriques dels microorganismes del sòl i perjudicar la seva capacitat d’estabilitzar el carboni (C) i retenir el nitrogen (N), amb conseqüències crítiques per a l’emmagatzematge de C i N en sòls de latituds elevades. Les zones geotèrmicament actives d’Islàndia proporcionen gradients de temperatures amplis, continus i estables del sòl que permeten testar aquesta hipòtesi. Per tal de caracteritzar les demandes estequiomètriques dels microorgnaismes d’aquests sòls subàrtics, vam incubar els sòls a partir de temperatures ambientals després de l’addició factorial de substrats amb C, N i P tant per separat com en combinació. En un segon experiment, els sòls que havien estat exposats a diferents intensitats d’escalfament in situ (+0, +0,5, +1,8, +3,4, +8,7, +15,9 ° C per sobre de l’ambient) durant set anys, es van incubar després de l’addició combinada de C , N i P per tal d’avaluar la capacitat dels microorganismes del sòl. Els set anys d’escalfament crònic del sòl van provocar pèrdues grans i proporcionals de C i N als 10 cm superiors del sòl (4,1 ± 0,5% ° C-1 de les existències en sòls no escalfats), amb un esgotament predominant dels substrats orgànics físicament accessibles feblement absorbits en minerals del sòl. En condicions de baixa accessibilitat al C, els microorganismes del sòl van satisfer les demandes respiratòries creixents a compte d’una reducció de la biomassa existent en sòls més càlids. Aquest fet, juntament amb les estrictes demandes estequiomètriques microbianes de C: N, va limitar també la seva capacitat de retenció de N, i va augmentar la vulnerabilitat del sòl a les pèrdues de N. Les nostres troballes suggereixen l’existència d’un fort control de la fisiologia microbiana i les necessitats estequiomètriques de C: N sobre la retenció del N al sòl i sobre la resiliència a l’escalfament de les reserves de C del sòl de latituds elevades, particularment durant els períodes de latència de la vegetació i amb baixes entrades de C
 
Referència: Sara Marañón-Jiménez, et al. (2019). Coupled carbon and nitrogen losses in response to seven years of chronic warming in subarctic soils. Soil Biology and Biochemistry 134: 152-161.
 
 
Metatranscriptòmica de l’escalfament dels sòls subàrtics 
En un futur més càlid, que els sòls es converteixin en fonts de gasos d’efecte hivernacle o s’enfonsin depèn en gran mesura dels microorganismes. Malgrat la seva importància, poc sabem dels mecanismes a escala microbiana que controlen les respostes a l’escalfament global a escala ecosistèmica. En aquest estudi mostrem canvis quantitatius i qualitatius de les comunitats microbianes del sòl de les praderies subàrtiques exposades a escalfament de + 6 ° C durant vuit i més de 50 anys. Els sòls escalfats contenien menys carboni, nitrogen, fòsfor, biomassa microbiana i ARN, i una diversitat funcional menor. Els metabolismes centrals van aparèixer sobreexpressats en diversos tàxons, però es van reduir les transcripcions de fosforilació oxidativa, ARN polimerasa, proteïnes ribosomals i processament de proteïnes. En sòls escalfats durant vuit anys, va augmentar l’abundància de les transcripcions d’unes poques famílies bacterianes. En sòls escalfats durant més de 50 anys, es van reduir les transcripcions de fongs i d’Actinobacteria, mentre que es va observar un augment de Deltaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Planctomycetes, Verrucomicrobia i de l’abundància de la transcripció viral. Concloem que els ajustos del metabolisme energètic i de la biosíntesi de proteïnes representen una aclimatació fisiològica substancial dels microorganismes del sòl a un estat alterat de l’ecosistema impulsat per l’escalfament a llarg termini
 
Referència: Söllinger, A., Borg Dahl, M., Prommer, J., Herbold, C.W., Séneca, J., Pjevac, P., Verbruggen, E., Sigurdsson, B.D., Janssens, I., Peñuelas, J., Wagner, M., Urich, T., Richter, A. Metatranscriptomics revealed multi-layered microbial responses to long-term soil warming. En preparació.
 
 
Metabolòmica de l’escalfament dels sòls subartics
Els canals de roca mare geotèrmica al sud d’Islàndia indueixen gradients estables de temperatura del sòl que ofereixen l’oportunitat d’estudiar l’impacte de l’escalfament en els sistemes del sòl. En aquest estudi vam estudiar els metabolomes del sòl al llarg de dos gradients d’escalfament del sòl (de 0 a +15 ° C). Un dels gradients de temperatura ha estat present durant com a mínim 50 anys i possiblement fins i tot durant segles (tractament a llarg termini), mentre que el segon gradient es va crear el 2008 després d’un terratrèmol d’escorça poc profund (tractament a curt termini). Els metabolomes del sòl van respondre de manera diferent a l’escalfament a les dues localitats. Al lloc escalfat a curt termini, l’escalfament de ≤ + 3 ° C ja va suposar canvis en els perfils metabolòmics del sòl en relació amb els de les localitats controls mentre que al lloc escalfat a llarg termini el metaboloma del sòl només va canviar a partir d’escalfaments de ≥ + 5 ° C. A les temperatures més altes del lloc escalfat a llarg termini, els sacàrids i els aminoàcids, ambdós implicats en les vies metabòliques de xoc tèrmic, van ser els principals compostos regulats a l'alça. Alguns metabòlits secundaris associats a una àmplia gamma d'estrès, com els àcids fenòlics i els terpens, també van incrementar-se. En tot l’escenari que dibuixa l’IPCC, la majoria de models climàtics prediuen a finals del segle XXI un augment de la temperatura mitjana anual de 2-8 ° C per a les masses terrestres de l’Àrtic. Els nostres resultats suggereixen que els augments de temperatura ≥ + 5 ° C alterarien permanentment la funció del sòl, donant lloc a un nou equilibri, mentre que per a increments de temperatura menors de ≤ + 3 ° C, els canvis del metaboloma del sòl serien transitoris.
 
Referència: Gargallo-Garriga, A., Sardans, J., Ayala-Roque, M., Sigurdsson, B.D., Leblans, N.I.W., Oravec, M., Klem, K., Urban, O., Janssens, I.A., Peñuelas, J. Effects of warming on the soil metabolome of Icelandic grasslands. En preparació.
 

Articles científics
 
Gargallo-Garriga, A., Sardans, J., Ayala-Roque, M., Sigurdsson, B.D., Leblans, N.L.W., Oravec, M., Klem, K., Janssens, I.A., Urban. O., Peñuelas, J. 2021. «Warming affects soil metabolome: The case study of Icelandic grasslands». European Journal of Soil Biology 105 (2021) 103317. doi: 10.1016/j.ejsobi.2021.103317.
 
Walker, T.W.N., Janssens, I.A., Weedon, J.T., Sigurdsson, B.D., Richter, A., Peñuelas, J., Leblans, N.I.W., Bahn, M., Bartrons, M., De Jonge, C., Fuchslueger, L., Gargallo-Garriga, A., Gunnarsdóttir, G.E., Marañón-Jiménez, S., Oddsdóttir, E.S., Ostonen, I., Poeplau, C., Prommer, J., Radujković, D., Sardans, J., Sigurðsson, P., Soong, J.L., Vicca, S., Wallander, H., Ilieva-Makulec, K., Verbruggen, E. 2020. «A systemic overreaction to years versus decades of warming in a subarctic grassland ecosystem». A: Nature Ecology & Evolution, 4, 101-108. Doi: 10.1038/s41559-019-1055-3.
 
Marañón, S., Penuelas, J., et al. 2021. Results from the seasonal 15N labeling experiment. Emerging ideas for the soil N losses. ForHot Seasonal Meeting 28 May 2021, on line (oral)
 
Ferrin, M., Peguero, G., Penuelas, J. 2021. Soil Fauna eDNA. ForHot Seasonal Meeting 28 May 2021, on line (oral)
 
Pesqueda, A., Gargallo, Sardans, J., Penuelas, J., 2021. Seasonal changes in the soil metabolome in response to warming and N fertilization. ForHot Seasonal Meeting 28 May 2021, on line (oral)
 
Penuelas, J. 2021. Steering committee of the The FutureArctic/ForHot 2021 on-line Workshop “Joint Ecosystem Assessment on the Effects of Natural Soil Warming and N-input Manipulation on Subarctic Grasslands and Forests”. 1-3 March, 2021
 
Walker, TWN.; Janssens, IA; Sugrudsson, BD; Richter, A.; Peñuelas, J.; Leblans, NIW.; Bahn, M.; Bartrons, M.; De Jonge, C.; Fuchlueger, L.; Gargallo-Garriga, A. Gunnarsdóttir, GE.; Marañón-Jiménez, S.; Oddsdóttir, ES.; Ostonen, I.; Poeplau, C.; Prommer, J. Radjujlovi, D.; Sardans, J.; Sigurdsson, P.; Soong, JL.; Vicca, S.; Wallander, H.; Weedon, JT.; Ilieva-Makulek, K.; Verbruggen, E. «Subarctic grassland ecosystem response to dècades of soil warming» A: Nature Ecology and Evolution, 2019 Dec. 19. Doi: 10.1038/s41559-019-1055-3 

 

Més informació

 

 

Àrea geogràfica


Pàgines Web


 


Amb el suport de

 

Departament d’Empresa i Coneixement de la Generalitat de Catalunya

Departament de Cultura de la Generalitat de Catalunya

i la col·laboració de

Departament de Justícia

Ministerio de Ciencia e Innovación

Ministerio de Educación, Cultura y Deporte