Relationships among plant litter, fine roots, and soil organic C and N across an aridity gradient in northern Patagonia, Argentina

Abstract

We analyzed the relationship between organic C and N in the upper soil and the quantity (mass) and quality (N, soluble phenolic, and lignin concentrations) of plant aboveground litter and upper fine roots at contrasting microsites (plant patch and bare soil) in 15 study sites across an aridity gradient in Patagonia. At each site, we estimated the total, grass, and shrub cover and randomly selected 10 plant patches of modal size (height and crown diameter) and species composition. We extracted an upper soil core (0–10 cm depth) and collected the aboveground litter underneath each plant patch canopy and at the contiguous bare soil. We separated the fine roots (< 2 mm in diameter) from the soil and assessed the biomass and the concentrations of organic C and N in soil and the lignin, soluble phenolic, and N in shrub and grass components of aboveground litter and in fine roots. Total plant and grass cover decreased with increasing aridity. Total litter mass did not vary across the aridity gradient, but the proportion of shrub components in litter increased and litter quality decreased with increasing aridity. The mass of fine roots was positively correlated to soil organic C and N and decreased with increasing aridity. All these trends were consistent at plant patch and bare soil microsites. We conclude that the decrease in soil organic C and N across the aridity gradient was the outcome of different above- and belowground controls resulting from the replacement of grasses by shrubs. Accordingly, the main controls of soil organic C and N could be the quality of aboveground litter and the quantity of the organic matter input to soil through fine-root turnover from belowground.

Nous avons analysé la relation entre le C organique et le N de la couche supérieure du sol et la quantité (masse) et qualité (N, composés phénoliques solubles et concentrations en lignine) de la litière végétale de surface et des racines fines de la couche supérieure du sol dans des microsites contrastés (parcelles de végétation et sol nu) dans 15 sites d'étude au sein d'un gradient d'aridité en Patagonie. Pour chaque site, nous avons évalué la couverture totale d'herbes et d'arbustes et avons sélectionné au hasard 10 parcelles de végétation de taille (hauteur et diamètre des cimes) et de composition en espèces modales. Nous avons extrait une carotte de la couche supérieure du sol (profondeur 0–10 cm) et avons récolté la litière de surface sous la canopée de chaque parcelle de végétation et dans les microsites contigus de sol nu. Nous avons séparé les racines fines (< 2 mm de diamètre) du sol et avons évalué la biomasse et les concentrations de C organique et de N dans le sol ainsi que la lignine, les composés phénoliques solubles et le N dans les composantes herbacées et arbustives de la litière de surface et dans les racines fines. La couverture végétale totale et la couverture herbacée diminuaient avec une augmentation de l'aridité. La masse totale de litière ne variait pas au sein du gradient d'aridité, mais la proportion de la composante arbustive dans la litière augmentait et la qualité de litière diminuait avec une augmentation de l'aridité. La masse de racines fines était corrélée de façon positive aux C organique et N du sol et diminuait avec une augmentation de l'aridité. Toutes ces tendances étaient cohérentes entre les microsites de parcelles de végétation et de sol nu. Nous avons conclu que la diminution de C organique et N du sol au sein du gradient d'aridité était le résultat de différents contrôles de surface et souterrains entraînant un remplacement des herbes par des arbustes. En conséquence, les contrôles principaux du C organique et de N du sol pourraient être la qualité de litière de surface et la quantité d'intrants de matière organique dans le sol par le renouvellement des racines fines sous la surface.