Net ecosystem exchange of carbon and water vapor among contrasting land-uses types in the semiarid short-grass steppe in Central México.

Abstract

"Ecosistemas áridos como los pastizales cubren el 47% de la superficie terrestre y almacenan el 15% del carbono (C) global del suelo. El cambio de uso de suelo (LUC) es la principal actividad humana que controla el intercambio de C, agua y energía entre el continuo suelo-atmósfera. Se requiere incrementar nuestro conocimiento sobre el impacto del LUC sobre el intercambio y almacenamiento de C por los ecosistemas para desarrollar herramientas de predicción y estrategias de mitigación del cambio ambiental global. En este estudio se determinó el intercambio neto de CO2 (NEE) y vapor de agua (ET) a escala diurna y estacional en cinco sitios de pastizal mediano abierto en los Llanos de Ojuelos, Jalisco: 1) una exclusión de ganado de 28 años (Exclusión), 2) un sitio con dominancia de especies de gramíneas generalmente subordinadas (Cambio de especies), 3) un sitio sobrepastoreado (sobrepastoreo), 4) un sitio sobrepastoreado invadido por arbustivas perennes y herbáceas exóticas (Invasión de arbustos), y 5) un sitio con agricultura de temporal (Agricultura). Se midió el índice de área foliar (LAI), la temperatura del aire (T), la densidad de flujo fotónico fotosintético (PPFD) y contenido volumétrico de agua en el suelo (SWC) como controles bióticos y abióticos de NEE y ET. Se midió el NEE y ET durante ocho fechas de octubre de 2008 a julio de 2009 usando el método del domo geodésico. Se establecieron 6 parcelas por sitio, sobre las que se hicieron 4 mediciones al día (08:00, 12:00, 16:00 y 20:00 h). Se usó un análisis de medidas repetidas (ANOVA, α=0.05) para comparar los flujos entre sitios. Se realizaron análisis de regresión lineares y no lineares entre los flujos y sus controles. No fue observado un patrón claro del NEE a través del gradiente de disturbio: el sitio Cambio de especies mostró mayores tasas de NEE diurnas y nocturnas con un balance positivo de captura de CO2 de 0.781 μmol m-2 s-1; el sitio sobrepastoreo mostró bajas tasas de intercambio, pero aún con captura de CO2 (0.236 μmol m-2 s-1); en contraste, la Exclusión mostró pérdida de CO2 (0.719 μmol m-2 s-1). Los sitios Cambio de especies y Exclusión mostraron las más altas tasas de ET (1.353 y 1.221 mmol m-2 s-1, respectivamente)."

"Dryland ecosystems such as grasslands cover up to 47% of terrestrial land and store around 15% of the global soil carbon. Land-use change (LUC) is the main human activity that controls the carbon, water and energy fluxes in the soilatmosphere continuum. International research agendas request to increase our understanding on the impact of LUC on the capacity of ecosystems to capture and store carbon to improve forecasting tools and mitigation strategies. In the region “Llanos de Ojuelos”, Jalisco, this study measured at diurnal and seasonal scales, net ecosystem exchange (NEE) and evapotranspiration (ET) of the short-grass steppe. Five different sites were included; 1) a 28 year exclosure (Exclosure), 2) a site dominated by commonly subordinated grasses (Species-shift), 3) an overgrazed site (Overgrazed), 4) an overgrazed site with shrub encroachment and exotic species invasion (Shrub encroachment) and 5) a site converted to rainfed oat crop (Oat crop). Biotic (leaf area index, LAI) and abiotic drivers (air temperature T, photosynthetic photon flux density PPFD, and volumetric soil water content SWC) were measured. NEE and ET were recorded on eight dates from October 2008 to July 2009 using the geodesic dome method. Six plots per site were established and gas exchange was measured on four times during the day (08:00, 12:00, 16:00 and 20:00 h). A repeated measures ANOVA (α=0.05) was performed to compare NEE and ET among sites. Linear and non-linear regression analyses between fluxes and drivers were performed. Results showed not clear trends for NEE following the gradient of disturbance; still, species-shift exhibited the highest diurnal and nocturnal NEE rates with a positive CO2 balance of 0.781 μmol m-2 s-2. The overgrazed site showed significantly lower rates but still a positive CO2 balance (0.236 μmol m-2 s-1). In contrast, the Exclosure site showed in this period a net CO2 efflux of 0.719 μmol m-2 s-1. Regarding ET rates, the Species shift and the Exclosure sites observed the largest rates (1.353 and 1.221 mmol m-2 s-1, respectively) that was attributable to a significant larger leaf area index (LAI). Diel time patterns of NEE and ET were driven by PPFD (R2=0.95 y 0.93, respectively) during the wet months (October, June and July); while in the dry and warm months (March-May) the main driver was air temperature."