Transition From Sagebrush Steppe to Annual Grass (Bromus tectorum): Influence on Belowground Carbon and Nitrogen

Abstract

Vegetation changes associated with climate shifts and anthropogenic disturbance have major impacts on biogeochemical cycling. Much of the interior western United States currently is dominated by sagebrush (Artemisia tridentata Nutt.) ecosystems. At low to intermediate elevations, sagebrush ecosystems increasingly are influenced by cheatgrass (Bromus tectorum L.) invasion. Little currently is known about the distribution of belowground organic carbon (OC) on these changing landscapes, how annual grass invasion affects OC pools, or the role that nitrogen (N) plays in carbon (C) retention. As part of a Joint Fire Sciences-funded project called the Sagebrush Treatment Evaluation Project (SageSTEP), we quantified the depth distribution of soil OC and N at seven sites experiencing cheatgrass invasion. We sampled plots that retained sagebrush, but represented a continuum of cheatgrass invasion into the understory. Eighty-four soil cores were taken using a mechanically driven diamond-tipped core drill to a depth of 90 cm, or until bedrock or a restrictive layer was encountered. Samples were taken in 15-cm increments, and soil, rocks, and roots were analyzed for OC and total N. We determined that cheatgrass influences the vertical distribution of OC and N within the soil profile and might result in decreased soil OC content below 60 cm. We also found that OC and total N associated with coarse fragments accounted for at least 10% of belowground pools. This emphasizes the need for researchers to quantify nutrients in deep soil horizons and coarse fragments. Los cambios en la vegetación asociados con cambios en el clima y disturbios antropogénicos tienen efectos superlativos sobre los ciclos biogeoquimicos. Gran parte del interior del oeste de los Estados Unidos está dominado por ecosistemas de Artemisia tridentata Nutt. En sitios de altitud baja e intermedia dichos ecosistemas están siendo influenciados de modo creciente por la invasión de Bromus tectorum L. Se sabe poco hoy en día sobre la distribución de carbono orgánico (CO) en el suelo en estos paisajes en estado de transición, sobre cómo la invasión de este pasto anual afecta los reservorios de CO, o el rol que juega el nitrógeno (N) en la retención de carbono (C). En el marco del Proyecto de Tratamiento y Evaluación de Artemisia (SageSTEP) financiado por el programa del Joint Fire Sciences, se cuantificó la profundidad y distribución de CO en el suelo en siete sitios que están siendo invadidos por B. tectorum. Se muestrearon parcelas que retuvieron Artemisia pero que representan un continuo de situaciones de invasión de B. tectorum del estrato herbáceo. Se tomaron 84 muestras de suelo hasta una profundidad de 90 cm o hasta encontrar la roca madre o alguna capa restrictiva utilizando un taladro barrenador con punta de diamante. Las muestras se tomaron en incrementos de 15 cm y se determinó el CO y N total del suelo, las rocas, y las raíces. Se determinó que B. tectorum afecta la distribución vertical de CO y N dentro del perfil edáfico pudiendo resultar en una disminución del CO del suelo a profundidades mayores a los 60 cm. También se encontró que el CO y el N total asociados a fragmentos de mayor tamaño constituyeron por lo menos un 10% de los reservorios totales del suelo. Estos resultados enfatizan la necesidad de que los investigadores cuantifiquen nutrientes en horizontes profundos y fragmentos de mayor tamaño.