Canopy species composition drives seasonal soil characteristics in a Mediterranean riparian forest

Abstract

Mediterranean riparian ecosystems provide key ecosystem services, such as climate regulation, water quality, and flood protection. Forest degradation and exotic species are among the main human-mediated impacts in these ecosystems, yet little is known about their interacting effect on the dynamics of soil characteristics. Here, we studied the effect of species canopy on monthly soil characteristics during one year in a riparian ecosystem in Central Spain. Soil chemical and microbiological properties were monthly recorded in five vegetation types: (1) forests dominated by the N2-fixing Alnus glutinosa, (2) shrublands dominated by A. glutinosa, (3) poplar plantations of the exotic Populus × hybrida, (4) mixed forests dominated by Fraxinus angustifolia and Salix alba, and (5) grasslands. Canopy areas showed much higher soil organic C, total N, nitrate and ammonium contents than the grassland areas. A. glutinosa forests had the highest total N, organic C, ammonium, and most probable number (MPN) of aerobic and anaerobic microorganisms followed by A. glutinosa shrublands, while mixed forests and poplar plantations had the highest nitrate content. Poplar plantations showed the lowest soil N and C content likely due to the recalcitrant litter of Populus × hybrida. N2 fixation peaked in months that differed among vegetation types. Temporal changes in soil characteristics were mostly driven by soil moisture, although the magnitude of these changes varied between canopy species. Our study highlights the importance of protecting forested areas and planting native tree species in afforestation programmes to keep the ecological integrity of riparian ecosystems. A. glutinosa is suggested as an appropriate species to improve soil fertility and stability in restoration projects.

Los ecosistemas ribereños mediterráneos proporcionan servicios ecosistémicos clave, como la regulación del clima, la calidad del agua y la protección de los alimentos. La degradación de los bosques y las especies exóticas son algunos de los principales impactos de la actividad humana en estos ecosistemas, pero se conoce poco sobre su efecto interactivo en la dinámica de las características del suelo. Aquí estudiamos el efecto del dosel de especies arbóreas sobre las características del suelo en un ecosistema ribereño del centro de España. Las propiedades químicas y microbiológicas del suelo se registraron mensualmente en cinco tipos de vegetación: (1) bosques dominados por Alnus glutinosa, árbol fijador de N2, (2) matorrales dominados por A. glutinosa, (3) plantaciones de la exótica Populus × hybrida, (4) bosques mixtos dominados por Fraxinus angustifolia y Salix alba, y (5) pastizales. Las zonas con dosel arbóreo mostraron un contenido mucho mayor de C orgánico, N total, nitrato y amonio del suelo que las zonas de pastizales. Los bosques de A. glutinosa presentaron los mayores contenidos de N total, C orgánico, amonio y número más probable (NMP) de microorganismos aeróbicos y anaeróbicos, seguidos de los matorrales de A. glutinosa, mientras que los bosques mixtos y las plantaciones de chopo tenían un mayor contenido de C orgánico total, nitrato y amonio en el suelo que las zonas de pasto. Los bosques mixtos y las plantaciones de chopo tenían el mayor contenido de nitratos. Las plantaciones de chopo mostraron el menor contenido de N y C del suelo probablemente debido a la hojarasca recalcitrante de Populus × hybrida. La fijación de N2 alcanzó su punto máximo en meses diferentes entre los distintos tipos de vegetación. Los cambios temporales en las características del suelo se debieron principalmente a la humedad del suelo, aunque la magnitud de estos cambios varió entre las especies del dosel. Nuestro estudio pone de manifiesto la importancia de proteger las zonas boscosas y de plantar especies arbóreas autóctonas en para mantener la integridad ecológica de los ecosistemas ribereños. Se sugiere que A. glutinosa es una especie apropiada para mejorar la fertilidad y la estabilidad del suelo en los proyectos de restauración.