Erosión del suelo y movilización de carbono orgánico a escala de cuenca: factores, procesos e impacto sobre el balance de carbono
- Autores: Elisabet Nadeu Puig Pey
- Directores de la Tesis: Joris de Vente (dir. tes.), Carolina Boix Fayos (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Murcia ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Joaquín A. Hernández Bastida (presid.), Santiago Beguería Portugués (secret.), Ana Navas Izquierdo (voc.), María Martínez-Mena García (voc.), Veerle VANACKER (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: DIGITUM
- Resumen
Summary This thesis investigates the role of soil erosion processes in the redistribution of soil organic carbon (C) over the landscape and its impact on the C balance of a Mediterranean catchment. From previous research and a literature review, it is hypothesized that the impact of soil erosion on catchment scale C dynamics depends strongly on the existing land use and land cover (LULC) patterns and on the main type of soil erosion processes taking place therein. Research objectives focused on: (1) evaluating the environmental factors that determine the erosion and deposition of soil and C at different spatial scales; (2) assessing if different soil erosion processes result in selective removal and transport of C; (3) identifying sources and assessing stock, type and stability of C as affected by soil erosion processes and LULC changes; (4) quantifying erosion-induced lateral and vertical C fluxes under different LULC patterns and (5) evaluating their significance for the C balance of the studied catchment.
The research was conducted in a 50 km2 catchment located in the province of Murcia, Spain, under a dry-subhumid Mediterranean climate. Lithology consists mainly of limestone, marls and sandstone from the Mezosoic and Cenozoic and LULC in the catchment can be grouped in four main classes: rainfed agriculture, pastures and rangeland, shrublands and forests. LULC patterns have changed significantly over the last 50 years and rills and gullies are common erosion features. The construction of check-dams to reduce the effects of soil erosion divided the Rogativa catchment in several hydrologically connected units (subcatchments) creating large depositional sites. To study the effect of soil erosion processes on C redistribution and dynamics, geomorphological tools were used in combination with geographical information systems, land use change analyses, laboratory determinations of the sediment and soil samples collected in the hillslopes and depositional sites, and a soil erosion and C dynamics model.
An initial literature review pointed out that factors controlling C export from a specific slope and for a certain soil type do not necessarily control the total C flux of the catchment to which they belong. In this regard, statistical analysis of data from the study site showed that topography and lithology controlled the amount of mobilized C whereas various relationships could be established between C concentration in sediments and LULC classes. By analyzing the C content in recently deposited sediments derived from different erosion processes it was observed how the C concentration varied between the deposits originating from different erosion processes and that the analyzed deposits were impoverished in C compared to the subcatchment soils. As a consequence, tracing sediment sources and dominant erosion processes when studying the redistribution and fate of soil C by water erosion becomes an important task, as differences in the sources of sediment may lead to very different sediment C characteristics in depositional sites. In the study catchment, changes in LULC that cause a reduction of soil erosion on hillslopes favored the development of channel erosion and resulted in the transport and deposition of sediment with low C concentration and slower turnover rates, with important implications for C preservation. The results of the model application showed that the impact of lateral fluxes on C stocks was larger for agricultural soils than for the rest of LULC classes, although the ratio of C erosion over soil erosion was 3.5 times higher in forests than agriculture indicating that a potential C export from forest soils. Overall, more than 70% of the eroded soil and C were redeposited on the hillslopes, behind the check-dams or in the stream channels; and only a small percentage (<10%) effectively passed the catchment's boundaries. These results indicate that, in time, the impact of erosion-induced C fluxes on the C balance will largely depend on the fate of the C deposited at these depositional sites.
Resumen Esta tesis investiga el papel de los procesos de erosión en la redistribución del carbono (C) orgánico del suelo en el paisaje y su impacto en el balance de C de una cuenca mediterránea. A partir de investigaciones previas y una revisión de la literatura, se plantea la hipótesis de que el impacto de la erosión del suelo en la dinámica de C a escala de cuenca depende en gran medida de los patrones de uso del suelo y cubierta vegetal (LULC) y del tipo principal de procesos de erosión que tienen lugar en ella. Los objetivos de investigación se centraron en: (1) evaluar los factores ambientales que determinan el arranque y deposición de suelo y C a diferentes escalas espaciales, (2) evaluar si diferentes procesos de erosión resultan en un transporte y deposición selectiva de C, (3) identificar fuentes de sedimento y evaluar el impacto de la erosión y los cambios de LULC sobre el stock, el tipo y la estabilidad de C, (4) cuantificar los flujos de C inducidos por procesos de erosión bajo diferentes patrones de LULC y (5) evaluar su importancia para el balance de C de la cuenca de estudio.
La investigación se realizó en una cuenca de 50 km2 situada en la provincia de Murcia, España, bajo un clima mediterráneo seco-subhúmedo. La litología se compone principalmente de piedra caliza, margas y areniscas y los tipos de LULC en la cuenca pueden agruparse en cuatro categorías principales: la agricultura de secano, pastos y pastizales, matorrales y bosques. Los patrones de LULC han cambiado significativamente en los últimos 50 años y los surcos y cárcavas procesos comunes de erosión en la cuenca. La construcción de diques de retención de sedimentos para reducir los efectos de la erosión del suelo dividió la cuenca Rogativa en varias unidades hidrológicamente conectadas (subcuencas), creando nuevas zonas de deposición de sedimento. Para estudiar el efecto de los procesos de erosión del suelo sobre la redistribución y dinámica de C se utilizaron herramientas geomorfológicas en combinación con sistemas de información geográfica, análisis del cambio de uso del suelo, determinaciones de laboratorio de las muestras de sedimentos y suelo recolectadas en las laderas y los zonas de deposición, y un modelo de erosión del suelo y dinámica de C.
Una revisión bibliográfica inicial mostró que los factores que controlan la exportación C de una ladera específica y para un determinado tipo de suelo no controlan necesariamente el flujo total C de la cuenca a la que pertenecen. En este sentido, el análisis estadístico de los datos de este estudio mostró que la topografía y la litología controlan la cantidad de C movilizado mientras que diversas relaciones se pueden establecer entre la concentración de C en los sedimentos y clases LULC. Al analizar el contenido de C en los sedimentos depositados recientemente derivados de diferentes procesos de erosión se observó cómo la concentración de C varía entre los depósitos procedentes de diferentes procesos de erosión y que, además, los depósitos analizados estaban empobrecidos en C en comparación con los suelos de las subcuencas. En consecuencia, se subrayó la importancia del estudio de las fuentes de sedimentos y los procesos de erosión dominantes sobre la redistribución y el destino de C, pues pueden dar lugar a grandes diferencias en las características del C en los sedimentos depositados. En la cuenca de estudio, los cambios en LULC que causan una reducción de la erosión del suelo en las laderas favorecieron el desarrollo de la erosión del cauce y resultaron en el transporte y deposición de sedimentos con baja concentración de C y tiempos de permanencia más largos, con implicaciones importantes para la preservación del C. A través de la aplicación del modelo se observó que el impacto de los flujos laterales sobre el C del suelo fue mayor para los suelos agrícolas que para el resto de clases, aunque la relación proporción de C en sedimentos fue 3,5 veces mayor en los bosques que en zonas agrícolas, lo que indica el elevado potencial de exportación de C de suelos forestales. En general, más del 70% del C arrancado se vuelvió a depositar dentro de la cuenca; detrás del de los diques, en las laderas o en los cauces, y sólo un pequeño porcentaje (<10%) se exportó fuera de la cuenca. Estos resultados indican que el impacto de los procesos de erosión sobre el balance de C a largo plazo dependerá en gran medida del destino del C depositado en dichas zonas.
