Microbial community composition shapes enzyme patterns in topsoil and subsoil horizons along a latitudinal transect in Western Siberia

Soil horizons below 30 cm depth contain about 60% of the organic carbon stored in soils. Although insight into the physical and chemical stabilization of soil organic matter (SUM) and into microbial community composition in these horizons is being gained, information on microbial functions of subsoil microbial communities and on associated microbially-mediated processes remains sparse. To identify possible controls on enzyme patterns, we correlated enzyme patterns with biotic and abiotic soil parameters, as well as with microbial community composition, estimated using phospholipid fatty acid profiles. Enzyme patterns (i.e. distance-matrixes calculated from these enzyme activities) were calculated from the activities of six extracellular enzymes (cellobiohydrolase, leucine-amino-peptidase, N-acetylglucosaminidase, chitotriosidase, phosphatase and phenoloxidase), which had been measured in soil samples from organic topsoil horizons, mineral topsoil horizons, and mineral subsoil horizons from seven ecosystems along a 1500 km latitudinal transect in Western Siberia. We found that hydrolytic enzyme activities decreased rapidly with depth, whereas oxidative enzyme activities in mineral horizons were as high as, or higher than in organic topsoil horizons. Enzyme patterns varied more strongly between ecosystems in mineral subsoil horizons than in organic topsoils. The enzyme patterns in topsoil horizons were correlated with SUM content (i.e., C and N content) and microbial community composition. In contrast, the enzyme patterns in mineral subsoil horizons were related to water content, soil pH and microbial community composition. The lack of correlation between enzyme patterns and SUM quantity in the mineral subsoils suggests that SOM chemistry, spatial separation or physical stabilization of SUM rather than SUM content might determine substrate availability for enzymatic breakdown. The correlation of microbial community composition and enzyme patterns in all horizons, suggests that microbial community composition shapes enzyme patterns and might act as a modifier for the usual dependency of decomposition rates on SUM content or C/N ratios. (C) 2015 The Authors. Published by Elsevier Ltd.

El cambio del clima y la barrera biogeográfica del estrecho de Gibraltar para las aves africanas

El reciente cambio del clima está afectando a la distribución de las especies, siendo habitual que se provoquen desplazamientos latitudinales. En el estrecho de Gibraltar, frontera biogeográica que separa la biota africana de la europea y, a su vez, puente de migración para muchas especies, estos cambios son de especial importancia. En esta investigación se han recopilado los registros homologados en España de varias especies de rapaces típicamente africanas que comienzan a observarse en Europa, con la intención de estudiar el posible proceso de colonización del continente Europeo. Algunos de los patrones detectados son su entrada a Europa a través del estrecho de Gibraltar, y la mayor frecuencia de ejemplares durante los periodos pre y post-reproductores. Se ha utilizado una de estas especies, el busardo moro, para obtener modelos de favorabilidad ambiental que demuestren la utilidad de dichos modelos en el estudio de las colonizaciones. Los resultados ponen de maniiesto que el clima es el principal factor que explica la distribución de esta especie, y también que la península ibérica cuenta con más áreas favorables para la especie que las que actualmente ocupa. De continuar el aumento de la temperaturas, cabe esperar que el busardo moro amplíe su actual área de distribución en el sur de la península ibérica, y también que un mayor número de especies africanas colonice el continente europeo.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

Cold Season Physiology of Arctic Plants

The cold season in the Arctic extends over eight to nine months during which ecosystem gas exchange and water balance of arctic plants have been largely unexplored. The overall objective of this thesis was to examine two critical gaps in our knowledge about tundra cold season processes – ecosystem respiration at very low temperatures and water uptake during the winter-spring transition. I determined the temperature response of ecosystem respiration of tundra monoliths down to temperatures as low as can be expected under snow-covered conditions (-15 °C). Temperature responses fit the Arrhenius function well with Q10 values over the range of -15 to 15 °C varying from 6.1 to 4.8. I used deuterium-enriched water (2H2O) as a tracer to evaluate water uptake of evergreen plants at snowmelt when soils are largely frozen. The results revealed that evergreen plants take up water under snow cover, possibly via roots but undoubtedly by foliar uptake.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

IMPACTS OF ENHANCED TEMPERATURE AND SNOW DEPOSITION ON SENESCENCE DATE, VEGETATION COVER, AND CO2 EXCHANGE IN A CANADIAN HIGH ARCTIC MESIC ECOSYSTEM

Arctic regions are expected to experience an increase in both temperature and precipitation over the coming decades, which is likely to impact vegetation dynamics and greenhouse gas exchange. To test this response, an experiment was installed at the Cape Bounty Arctic Watershed Observatory, on Melville Island, NU, in 2008 as part of the International Tundra Experiment (ITEX). Snow fences and open top chambers (OTCs) were used to manipulate snow depth and air temperature, respectively. Unlike most ITEX sites to date, enhanced temperature and snowfall were combined here in a factorial design with eight replicates. As an added control, four plots were established well outside the enhanced snow area. Senescence date was recorded at the end of the season, and at the peak of the growing season a vegetation survey was conducted within each plot in order to determine the total percent cover of each plot, as well as the percent cover of individual species. Carbon dioxide (CO2) exchange was also measured within each plot throughout the growing season. The date of senescence occurred significantly earlier in plots which had not been manipulated in any way, compared to all other treatments for all species. Salix arctica showed the greatest increase in cover over time at the species level. Lichen cover increased significantly in the deepened snow plots, and in general there were significant increases in percent cover in some functional groups over time. During June and into July the net CO2 flux was to the atmosphere. It was not until July 27 that these ecosystems became net carbon sinks. However, warming alone resulted in the ecosystem acting as a significant net carbon sink for the entire growing season. Plots exposed to warming alone were estimated to have removed approximately 19.94 g C m-2 from the atmosphere, whereas all other treatments were very similar to one another and estimated to have added approximately 3.12 g C m-2 to the atmosphere. Active layer depth and soil temperatures suggest that plots within the ambient snow zone may be receiving some additional snow due to their proximity to the fences. CO2 fluxes measured within the outer control plots suggest that the effect of warming alone could lead to this ecosystem being an even stronger net C sink under truly ambient snow conditions.