Soil respiration across a disturbance gradient in sclerophyllous ecosystems in Central Chile

Sclerophyllous shrubs and forests are predominant in semiarid Central Chile and have a long history of degradation by fire, cultivation, firewood extraction and grazing. The aim of this study was to compare the amount and environmental drivers of soil respiration across a disturbance gradient in sclerophyllous ecosystems in the National Reserve Robleria del Cobre de Loncha in Central Chile. In a north-facing toe slope, four disturbance conditions were identified: slightly (D1) and moderately disturbed (D2) sclerophyllous forest, (D3) strongly disturbed thorn scrub and (D4) completely disturbed A. caven savanna. Twelve 25×25-m plots (625 m 2 ) were distributed equally across D1, D2, D3 and D4. Soil respiration ( R s ), soil temperature ( T s ), volumetric water content ( q v ) and exchangeable nitrogen ( N s ) were measured at six dates in each plot between August 2009 and May 2010. Additionally, T s and q v were continuously recorded from July 2010 to August 2012 (30-minute intervals) in one plot per disturbance condition ( i.e ., 4 out of 12 plots). The values of R s increased linearly with q v with similar slopes but different intercepts, which increased as the disturbance receded. Once soil water content was taken into account, R s increased with T s with the same slope but with a disturbance-dependent intercept. Additionally, the response of R s to T s was more pronounced as q v increased. The values of N s were uncorrelated with R s . The annual values of R s were 4.4-fold greater in D1 (1,735 g C m -2 yr -1 ) compared with D4 (392 g C m -2 yr -1 ). Disturbance presumably decreased R s by reducing the litter layer, soil organic matter, root biomass and soil water content, particularly in the hot-dry season. Under a predicted climate change scenario of a 40% decrease in rainfall and 4°C increase in air temperature by the year 2100, we found that annual R s would be reduced on average by 28% compared with the current climate, with that reduction being more pronounced under more disturbed conditions, suggesting that less disturbed conditions would be more resistant to climate change, thus further justifying the restoration of these damaged ecosystems. Los matorrales y bosques esclerofilos son la formacion vegetacional dominante en Chile Central, existiendo una larga data de degradacion producto del fuego, cultivos, extraccion de lena y pastoreo. El objetivo del estudio fue comparar la respiracion de suelos y los factores que la controlan a lo largo de un gradiente de perturbaciones en ecosistemas esclerofilos en la Reserva Nacional Robleria del Cobre de Loncha en Chile Central. En bajos de ladera en una exposicion norte se identificaron cuatro grados de perturbacion: bosques esclerofilos que fueron levemente- (D1) y moderadamente perturbados (D2), matorral espinoso fuertemente perturbado (D3) y sabana de A. caven completamente perturbada (D4). Se establecieron doce parcelas de 25×25 m (625 m 2 ) distribuidas equitativamente en D1, D2, D3 and D4. La respiracion de suelos ( R s ), temperatura de suelos ( T s ), contenido volumetrico de agua en el suelo ( q v ) y nitrogeno intercambiable ( N s ) fueron medidos en todas las parcelas en seis fechas entre Agosto de 2009 y Mayo de 2010. Adicionalmente, T s y q v fueron registrados de forma continua, desde Julio de 2010 hasta Agosto de 2012 (cada 30 minutos), en una parcela por nivel de perturbacion ( i.e . 4 de 12 parcelas). Los valores de R s aumentaron linealmente con q v con similares pendientes pero diferentes interceptos que aumentaron en la medida que las perturbaciones disminuyeron. Una vez contabilizado el contenido de agua en el suelo, R s aumento con T s con la misma pendiente pero con un intercepto que depende del nivel de perturbacion. Adicionalmente la respuesta de R s a T s fue mas pronunciada en la medida que q v aumento. Los valores de N s no se correlacionaron con R s . Los valores acumulados de R s fueron 4.4 mayores en D1 (1735 g C m -2 yr -1 ) comparado con D4 (392 g C m -2 yr -1 ). Las perturbaciones presumiblemente disminuyeron R s mediado por reducciones en la capa de hojarasca, materia organica del suelo, biomasa de raices y contenido de agua particularmente en la temporada seca y calida. Bajo un escenario de cambio climatico que implica una disminucion de 40% de las precipitaciones y un aumento de 4°C en la temperatura del aire para el ano 2100, encontramos que el R s anual se reduciria en promedio en 28% comparado con el clima actual, con esta reduccion siendo mas pronunciada en las condiciones mas perturbadas sugiriendo que las condiciones menos perturbadas serian mas resistentes al cambio climatico justificando aun mas la restauracion de estos ecosistemas.