Climate and taxonomy underlie different elemental concentrations and stoichiometries of forest species: the optimum "biogeochemical niche"

We previously hypothesised the existence of a "biogeochemical niche" occupied by each plant species. Different species should have a specific elemental composition, stoichiometry and allocation as a consequence of their particular metabolism, physiology and structure (morphology) linked to their optimal functioning under the environmental (abiotic and biotic) conditions where they have evolved. We tested this hypothesis using data from the Catalan Forestry Inventory that covers different forest groups growing under a large climatic gradient. Mediterranean species that occupy hotter-drier environments have lower leaf N, P and K concentrations than non-Mediterranean forest species. Within a determined climatic biome, different species competing in the same space have different elemental compositions and allocations linked to their taxonomical differences and their phenotypic plasticity. Gymnosperms have a proportionally higher elemental allocation to leaves than to wood, higher C concentrations, and lower N, P and K concentrations mainly in the stem and branches than angiosperms. The differences among species are linked to asymmetrical use of different elements, suggesting that the biogeochemical niche is a final expression and consequence of long-term species adaptation to particular abiotic factors, ecological role (stress tolerant, ruderal, competitor), different soil occupations and use of resources to avoid interspecific competition, and finally of a certain degree of flexibility to adapt to current environmental shifts

Factors elementals i ecologia

Interpretar el funcionament de les comunitats naturals del planeta, en funció de unes lleis generals basades en la composició química del medi i dels propis organismes, és un objectiu cada cop més viu en ecologia. Per això, els investigadors es fixen en la proporció entre els principals elements (carboni, nitrogen i fòsfor) que formen les biomolècules en cada organisme per explicar molts fenòmens ecològics, com ara la distribució d'espècies i les estructures més bàsiques dels ecosistemes com son les xarxes alimentàries. Treballs recents estan aportant proves que representen un avanç considerable en aquesta línia.Interpretar el funcionamiento de las comunidades naturales del planeta en función de unas leyes generales basadas en la composición química del medio y de los propios organismos es un objetivo cada vez más vivo en ecología. Por eso los investigadores se están fijando en la proporción entre los principales elementos (carbono, nitrógeno y fósforo) que forman las biomoléculas en cada organismo para explicar muchos fenómenos ecológicos, como la distribución de especies y las estructuras más básicas de los ecosistemas, como son las redes alimentarias. Trabajos recientes están aportando pruebas que representan un avance considerable en esta línea.The identification of general connections between the chemical composition of organisms and the laws of ecosystem function and structure is an increasingly present objective in the current agenda of ecology. For this reason we consider the ratio among the main elements (carbon, nitrogen and phosphorus) that form organisms' biomolecules to explain basic ecological aspects such as body size, ecosystem species composition and trophic web structures

Potassium control of plant functions : ecological and agricultural implications

Potassium, mostly as a cation (K+), together with calcium (Ca2+) are the most abundant inorganic chemicals in plant cellular media, but they are rarely discussed. K+ is not a component of molecular or macromolecular plant structures, thus it is more difficult to link it to concrete metabolic pathways than nitrogen or phosphorus. Over the last two decades, many studies have reported on the role of K+ in several physiological functions, including controlling cellular growth and wood formation, xylem-phloem water content and movement, nutrient and metabolite transport, and stress responses. In this paper, we present an overview of contemporary findings associating K+ with various plant functions, emphasizing plant-mediated responses to environmental abiotic and biotic shifts and stresses by controlling transmembrane potentials and water, nutrient, and metabolite transport. These essential roles of K+ account for its high concentrations in the most active plant organs, such as leaves, and are consistent with the increasing number of ecological and agricultural studies that report K+ as a key element in the function and structure of terrestrial ecosystems, crop production, and global food security. We synthesized these roles from an integrated perspective, considering the metabolic and physiological functions of individual plants and their complex roles in terrestrial ecosystem functions and food security within the current context of ongoing global change. Thus, we provide a bridge between studies of K+ at the plant and ecological levels to ultimately claim that K+ should be considered at least at a level similar to N and P in terrestrial ecological studies

Metabolòmica : una nova eina per a l'ecologia

Tot i estant l'ecologia encara al principi del desenvolupament de tècniques basades en la genòmica i en la transcriptòmica, se li presenta un nou repte: adaptar els recents avenços en les tècniques metabolòmiques als seus estudis. Nous aparells analítics i de tractament de dades han permès augmentar la sensibilitat analítica i quantificar alhora centenars de diferents compostos en concentracions dins el rang de les que presenten la major part de metabòlits en el medi cel·lular. S'obre així la possibilitat que els ecòlegs puguin estudiar la resposta fenotípica global d'un organisme o, fins i tot, d'un ecosistema davant dels canvis ambientals o de les interaccions entre diferents organismes i espècies en el medi natural.A pesar de estar la ecología aún al principio del desarrollo de técnicas basadas en la genómica y en la transcriptómica, se le presenta un nuevo reto: adaptar los recientes avances en las técnicas metabolómicas a sus estudios. Nuevos aparatos analíticos y de tratamiento de datos han permitido aumentar la sensibilidad analítica y cuantificar, a la vez, cientos de compuestos diferentes en concentraciones dentro del rango de las que presentan la mayor parte de metabolitos en el medio celular. Así, se abre la posibilidad de que los ecólogos puedan estudiar la respuesta fenotípica global de un organismo o, incluso, de un ecosistema ante los cambios ambientales o de las interacciones entre diferentes organismos y especies en el medio natural

Soil enzymes associated with carbon and nitrogen cycling in invaded and native secondary forests of northwestern Argentina

Background and aims: Alien success has frequently been associated with changes in the concentrations of soil nutrients. We aim to investigate the effects of plant invasion on soil nutrients, potential enzyme activity and litter elemental composition and stoichiometry - Methods: We compared stands of secondary forest invaded by Ligustrum lucidum and those dominated by natives, and performed litter chemical analyses on 3 native and 2 exotic tree species - Results: Soils of invaded sites had 20 and 30 % increase in β-glucosidase and alkaline phosphatase activity, higher Olsen-phosphorus (P) and potassium (K) concentrations and lower nitrogen (N) concentration and N:P, N:K and ammonium:Olsen-P ratios. Invaded and non-invaded sites differed in their overall nutrient composition and enzyme activity. Natives and exotics differed in nine of the 16 litter elemental composition and stoichiometry variables analyzed - Conclusions: The low N:P ratio in litter, the decrease in soil N in invaded stands and the low N concentration of exotics suggest that N is the limiting nutrient and that exotic success is related to higher N uptake and use efficiency. The higher investment in the acquisition of soil resources, higher nutrient uptake and use efficiency of limiting nutrients contribute to the success of exotics in this subtropical forest

Traces de metalls contaminants en biomasses

La contaminació dels ecosistemes terrestres per elements traça ha anat augmentant progressivament durant les últimes dècades a moltes regions del món, incloent la Mediterrània europea. El CREAF investiga des de fa anys l'afectació que representa aquest fenomen per als ecosistemes terrestres de Catalunya. Aquests estudis de control ambiental de grans territoris presenten certes dificultats, en part degudes a la baixa concentració dels elements i al gran nombre de mostres a analitzar. Els recents avenços en el camp de l'espectroscòpia d'absorció atòmica amb atomització electrotèrmica (ETAAS) poden suposar un avenç en la instrumentació usada en aquests tipus d'anàlisi. Científics del CREAF han efectuat un estudi metodològic per escatir els millors i més moderns mètodes analítics per determinar arsènic (As), cadmi (Cd), coure (Cu), mercuri (Hg) i plom (Pb) en biomasses mitjançant ETAAS.La contaminación de los ecosistemas terrestres por elementos traza haido aumentando progresivamente durante las últimas décadas enmuchas regiones del mundo, incluyendo el Mediterráneo europeo. ElCREAF investiga desde hace años la afectación que representa estefenómeno para los ecosistemas terrestres de Cataluña. Estos estudiosde control ambiental de grandes territorios presentan ciertas dificultades,en parte debidas a la baja concentración de los elementos y al grannúmero de muestras a analizar. Los recientes avances en el campo dela espectroscopia de absorción atómica con atomización electrotérmica(ETAAS) pueden suponer un avance en la instrumentación usada eneste tipo de análisis. Científicos del CREAF han efectuado un estudiometodológico para dilucidar los mejores y más modernos métodos analíticos para determinar arsénico (As), cadmio (Cd), cobre (Cu),mercurio (Hg) y plomo (Pb) en biomasas mediante ETAAS

Seguint la traça als elements traça

Trace elements are elements with a concentration of less than one hundred parts per million in a sample, but which are of great interest due to their harmful effects. Trace element emission from human activities has risen in the past decades, causing accumulation in soil and sediments and constituting a risk for many ecosystems, including crops. However, the low concentrations in which they are usually found and the large number of samples to be analysed make difficult a risk assessment control of trace elements in soils and sediments. Analytical tools with high sensitivity, easy management and reasonable cost are required. Scientists at CREAF have optimised these protocols.Els elements traça són elements que presenten una concentració de menys de cent parts per milió a la mostra, però que són de gran interès pels seus efectes nocius. L'increment de l'emissió d'elements traça en les últimes dècades degut a les activitats humanes n'ha implicat un augment de l'acumulació en sòls i sediments, augmentant el risc de contaminació per molts ecosistemes incloent els agrícoles. Tanmateix, la baixa concentració en què es solen trobar lligat amb el gran número de mostres que s'han d'analitzar fan difícils els estudis de control i monotorització de la contaminació dels elements traça en grans àrees. Això fa desitjable poder disposar de protocols analítics d'alta sensibilitat, de ràpida implementació i execució i a un cost raonable. Científics del CREAF han optimitzat aquests protocols.Los elementos traza son elementos que presentan una concentración de menos de cien partes por millón en la muestra, pero que son de gran interés por sus efectos nocivos. El incremento de la emisión de elementos traza en las últimas décadas debido a las actividades humanas ha implicado un aumento de la acumulación en suelos y sedimentos, aumentando el riesgo de contaminación de muchos ecosistemas incluyendo los agrícolas. Sin embargo, la baja concentración en que se suelen encontrar y el gran número de muestras a analizar dificultan los estudios de control y monitorización de la contaminación de los elementos traza en grandes áreas. Por ello, es deseable poder disponer de protocolos analíticos de alta sensibilidad, de rápida implementación y ejecución y a un coste razonable. Científicos del CREAF han optimizado estos protocolos

El canvi climàtic altera l'activitat enzimàtica als sòls mediterranis

Mitjançant un experiment d'escalfament i d'eixut que es realitza als matollars de les muntanyes del Garraf des de 1999, la Unitat d'Ecofisiologia i Canvi Global CSIC-CREAF ha investigat els efectes del canvi climàtic sobre els enzims del sòl involucrats en la mineralització del Carboni i del Nitrogen. Mentre que l'increment de temperatura augmenta la mineralització del nitrogen i la seva captura per les plantes, l'eixut les disminueix.Un experimento de manipulación de la temperatura y de la aridez, que se realiza en los matorrales de las montañas del Garraf desde 1999, ha permitido investigar los efectos del cambio climático sobre las enzimas del suelo involucradas en la mineralización del carbono y del nitrógeno. Mientras una mayor temperatura hace aumentar la mineralización del nitrógeno y su captura por las plantas, la aridez la hace disminuir

Plant-soil interactions in Mediterranean forest and shrublands: impacts of climatic change

Background: In the Mediterranean climate, plants have evolved under conditions of low soil-water and nutrient availabilities and have acquired a series of adaptive traits that, in turn exert strong feedback on soil fertility, structure, and protection. As a result, plant-soil systems constitute complex interactive webs where these adaptive traits allow plants to maximize the use of scarce resources.- Scope: It is necessary to review the current bibliography to highlight the most know characteristic mechanisms underlying Mediterranean plant-soil feed-backs and identify the processes that merit further research in order to reach an understanding of the plant-soil feed-backs and its capacity to cope with future global change scenarios. In this review, we characterize the functional and structural plant-soil relationships and feedbacks in Mediterranean regions. We thereafter discuss the effects of global change drivers on these complex interactions between plants and soil.- Conclusions: The large plant diversity that characterizes Mediterranean ecosystems is associated to the success of coexisting species in avoiding competition for soil resources by differential exploitation in space (soil layers) and time (year and daily). Among plant and soil traits, high foliar nutrient re-translocation and large contents of recalcitrant compounds reduce nutrient cycling. Meanwhile increased allocation of resources to roots and soil enzymes help to protect against soil erosion and to improve soil fertility and capacity to retain water. The long-term evolutionary adaptation to drought of Mediterranean plants allows them to cope with moderate increases of drought without significant losses of production and survival in some species. However, other species have proved to be more sensitive decreasing their growth and increasing their mortality under moderate rising of drought. All these increases contribute to species composition shifts. Moreover, in more xeric sites, the desertification resulting from synergic interactions among some related process such as drought increases, torrential rainfall increases and human driven disturbances is an increasing concern. A research priority now is to discern the effects of long-term increases in atmospheric CO2 concentrations, warming, and drought on soil fertility and water availability and on the structure of soil communities (e.g., shifts from bacteria to fungi) and on patching vegetation and root-water uplift (from soil to plant and from soil deep layers to soil superficial layers) roles in desertification

Creixement de rebrots d'alzina en una brolla postincendi en el període entre tres y sis anys després de fertilitzar-los

La disponibilitat de nutrients pot limitar la velocitat de recreixement de la vegetació després del foc, sobretot en llocs reiteradament cremats. Fruit d'un experiment de fertilització i reg, en aquest treball es valora el creixement en diimetre basal, secció basal i alçada de rebrots d'alzina (Quercus ilex ssp. ballota) en una brolla calcícola postincendi al Bages, durant el període entre tres i sis anys després de fertilitzar-10s. El 1990, cinc anys després del darrer incendi, es van tractar 78 individus en un disseny factorial amb 3 factors a 2 nivells cadascun: fertilització amb nitrogen (O i 500 kg N/ha en aplicació única), fertilització amb fbsfor (O i 250 kg P/ha en aplicació Única) i reg (O i 24 mm setmanals entre els mesos d'abril i agost dels anys 1991, 1992 i 1993). Entre els tres i els sis anys després de la fertilització, el creixement s'ha vist beneficiat significativament pel fbsfor en solitari (14% 13 anys d'increment relatiu mitjl de diimetre basal en les alzines fertilitzades amb només fòsfor respecte a un 6% 13 anys en les alzines control) i per l'acció sinkrgica de nitrogen i fòsfor (33% 13 anys d'increment relatiu de dilmetre basal en les alzines fertilitzades amb tots dos nutrients). El reg previ i el nitrogen en solitari no van tenir efectes significatius sobre el creixement. Aquests resultats demostren que els efectes positius de la fertilització amb P perduren no només els tres primers anys després de fertilitzar, com ja va trobar Sardans (1997), sinó que persisteixen com a m'nim sis anys.Regrowth of vegetation after a fire can be limited by nutrient availability, particularly after repeated bums. Using a previous field experiment of fertilization and irrigation in a bumt calcareous shrubland, we report growth rates in basal diarneter, basal cross sectional area, and height for holm oak (Quercus ilex ssp. ballota) resprouts during the period between 3 and 6 years after fertilization. In 1990, five years after the last burn, 78 holm oak genets were used in a factorial design involving three factors, each at two levels: nitrogen fertilization (O and 500 kg N/ha in a single application), phosphorus fertilization (O and 250 kg Plha in a single application), and irrigation (O and 24 mrn per week from April to August in 1991, 1992 and 1993). Between 3 and 6 years after fertilizing, growth was significantly enhanced by P (mean relative growth rate in basal diarneter of 14% I 3 years in holm oaks fertilized with only P, compared to 6% 13 years in control individuals). There was a positive interaction between N and P, the mean relative growth rate in basal diameter reaching 33% 1 3 years in holm oaks which had received N+P. Previous irrigation and N-only fertilization had no significant effects on growth. These results demonstrate that the positive effects of P fertilization on holm oak regrowth extend not only for the first 3 years after fertilizing as shown by Sardans (1997) but persist at least for 6 years