Biological Soil Crusts and Climate Effects on Soil Stabilization, Erosion, and Nutrient Dynamics across the Chilean Coastal Range

Abstract

Biologische Bodenkrusten (Biocrusts) und Klimaeffekte prägen maßgeblich die Bodenstabilisierung, Erosion und Nährstoffdynamik, insbesondere entlang vielfältiger Umweltgradienten wie der chilenischen Küstenkordillere (von arid bis humid). Diese Forschung untersuchte diese komplexen Wechselwirkungen mittels eines mehrstufigen Ansatzes, der Feldbeobachtungen, Regenszenariosimulationen, Labor-Wettrocknungszyklen, Wurzelmikrokosmen und fortschrittliche Analysetechniken kombinierte. Der Schwerpunkt lag auf dem Zusammenspiel von Biocrusts, mikrobiellen Gemeinschaften, Pflanzenwurzeln und grundlegenden Bodeneigenschaften.

Wesentliche Ergebnisse zeigen, dass Biocrusts die Stabilität von Bodenaggregaten signifikant verbessern und die Infiltration entlang des Gradienten nahezu verdoppeln, wodurch Oberflächenabfluss und Erosion verringert werden. Bemerkenswert ist, dass ihr stabilisierender Einfluss auf große Aggregate zwar bei dichter Vegetationsdecke nachlässt, ihre grundlegende Bedeutung aber auch in feuchten Klimaten erhalten bleibt und somit frühere Annahmen revidiert. Biocrusts veränderten zudem die hydrologischen Pfade grundlegend, indem sie den Transport von der Oberflächenerosion zur unterirdischen Versickerung verlagerten und die Kohlenstoff-(C)- und Stickstoff-(N)-Flüsse regulierten: Sedimentgebundene Verluste wurden verringert, während die Auswaschung gelöster Nährstoffe klimabhängig zunahm.

Sterilisationsversuche bestätigten die zentrale Rolle mikrobieller Gemeinschaften bei der Aggregatbildung und deckten unerwartete Resilienz sowie starke Klimalegat-Effekte auf. Dabei verschoben sich die mikrobiellen Reaktionen auf Wettrocknungszyklen: In ariden Böden trieben sie den Umsatz organischer Substanz an, während sie in semiariden und mediterranen Böden die Reorganisation von Aggregaten bewirkten. Wurzelmikrokosmen zeigten, dass lebende Wurzeln die Makroaggregation antreiben, während absterbende Wurzeln eine mikrobielle Sukzession von einer pilzlichen zu einer grampositiven bakteriellen Dominanz auslösen und die Bildung von geschützter, okkludierter partikulärer organischer Substanz fördern. Zusammengenommen stützen diese Ergebnisse einen neuen konzeptionellen Rahmen, in dem Biocrusts, Mikroben und Wurzeln als synergistisches, klimabhängiges Ensemble von Bodeningenieuren wirken. Insgesamt erweitert diese Arbeit das Verständnis von Bodenstruktur und -funktion über kontrastierende Klimazonen hinweg und betont die Originalität der Integration biologischer und hydrologischer Perspektiven.

Las costras biológicas del suelo (biocostras) y los efectos climáticos influyen de manera decisiva en la estabilización del suelo, la erosión y la dinámica de nutrientes, especialmente a lo largo de diversos gradientes ambientales como la Cordillera de la Costa chilena (de árido a húmedo). Esta investigación estudió estas complejas interacciones mediante un enfoque de múltiples etapas que combinó observaciones de campo, simulaciones de escenarios de lluvia, ciclos de humectación y secado en laboratorio, microcosmos de raíces y técnicas analíticas avanzadas. El enfoque principal se centró en la interacción de las biocostras, las comunidades microbianas, las raíces de las plantas y las propiedades fundamentales del suelo.

Los resultados principales muestran que las biocostras mejoran significativamente la estabilidad de los agregados del suelo y casi duplican la infiltración a lo largo del gradiente, reduciendo así la escorrentía superficial y la erosión. Cabe destacar que, aunque su influencia estabilizadora en los macroagregados disminuye bajo una cubierta vegetal densa, su importancia fundamental se mantiene incluso en climas húmedos, revisando así supuestos anteriores. Además, las biocostras alteraron drásticamente las vías hidrológicas al desplazar el transporte desde la erosión superficial hacia la infiltración subterránea, y regularon los flujos de carbono (C) y nitrógeno (N): las pérdidas unidas a los sedimentos disminuyeron, mientras que la lixiviación de nutrientes disueltos aumentó dependiendo del clima.

Los experimentos de esterilización confirmaron el papel central de las comunidades microbianas en la formación de agregados y revelaron una resiliencia inesperada, así como fuertes efectos de legado climático. En este contexto, las respuestas microbianas a los ciclos de humectación y secado cambiaron: en los suelos áridos impulsaron el recambio de materia orgánica, mientras que en los suelos semiáridos y mediterráneos provocaron la reorganización de los agregados. Los microcosmos de raíces mostraron que las raíces vivas impulsan la macroagregación, mientras que las raíces muertas desencadenan una sucesión microbiana de una dominancia fúngica a una bacteriana grampositiva, y promueven la formación de materia orgánica particulada ocluida y protegida. En conjunto, estos resultados respaldan un nuevo marco conceptual en el que las biocostras, los microbios y las raíces actúan como un conjunto sinérgico de ingenieros del suelo dependiente del clima. En general, este trabajo amplía la comprensión de la estructura y función del suelo a través de zonas climáticas contrastantes y destaca la originalidad de la integración de perspectivas biológicas e hidrológicas.

Biological soil crusts (biocrusts) and climate effects profoundly shape soil stabilization, erosion, and nutrient dynamics, especially across diverse environmental gradients like the Chilean Coastal Range (arid to humid). This research explored these intricate interactions through a multi-scale approach that combined field observations, rainfall simulations, laboratory wetting-drying cycles, root microcosms, and advanced analytical techniques. The focus was on the interplay between biocrusts, microbial communities, plant roots, and fundamental soil properties.

Key findings reveal that biocrusts significantly enhance soil aggregate stability and nearly double infiltration across the gradient, thereby reducing surface runoff and erosion. Notably, while their stabilizing influence on large aggregates diminishes where dense vegetation cover is present, their overall importance persists even in humid climates, refining previous assumptions. Biocrusts also fundamentally altered hydrological pathways, shifting transport from surface erosion to subsurface percolation and modulating carbon (C) and nitrogen (N) fluxes by decreasing sediment-bound losses while increasing dissolved nutrient leaching in a climate-dependent manner.

Sterilization assays confirmed the critical role of microbial communities in aggregate formation, uncovering unexpected resilience and strong climate-legacy effects where microbial responses to wetting-drying cycles shifted from driving organic matter turnover in arid soils to reorganizing aggregates in semi-arid and mediterranean soils. Root-lifespan microcosms showed that living roots drive macroaggregation, while decaying roots trigger a microbial succession from fungal to Gram-positive bacterial dominance and enhance the formation of protected, occluded particulate organic matter. Together, these results support a new conceptual framework in which biocrusts, microbes, and roots act as a synergistic, climate-dependent ensemble of soil engineers. Overall, this work advances understanding of soil structure and function across contrasting climates and highlights the originality of integrating biological and hydrological perspectives.