Resumen de Study of the effect of organic amendments on soil functionality, and CO2 emission and fixation patterns in restored technosols in a limestone quarry in a semi-arid climate
- español
El suelo es el mayor reservorio terrestre de carbono, pero su formación es un proceso lento y limitado, lo que hace que sea vulnerable a la degradación por la actividad humana. La degradación del suelo altera los ciclos biogeoquímicos y la biodiversidad, y puede hacer que los ecosistemas sean más vulnerables al cambio global.
Los suelos degradados pierden su calidad y funcionalidad, mermando su capacidad para producir bienes y servicios ambientales, entre los que destaca el secuestro de carbono, que puede ser revertido, convirtiendo los suelos en emisores de CO2 y otros gases de efecto invernadero. La conservación de los suelos es especialmente importante en las zonas áridas y semiáridas de la región mediterránea, donde procesos de degradación del suelo debido a actividades humanas, como por ejemplo la minería a cielo abierto para la extracción de áridos, puede causar la pérdida de la calidad del suelo, mermando la capacidad para realizar sus funciones. No obstante, la recuperación de estos suelos podría acelerarse mediante la aplicación de técnicas adecuadas de restauración, que consigan devolver al ecosistema su capacidad funcional. Una estrategia utilizada para restaurar los suelos degradados por la minería a cielo abierto en regiones semiáridas es la aplicación de enmiendas orgánicas. Sin embargo, es esencial seleccionar enmiendas orgánicas adecuadas que mejoren la calidad y funcionalidad de los suelos a corto plazo sin contribuir a incrementar las emisiones de CO¿ a la atmósfera.
En estas premisas se centra el objetivo de la presente tesis, que pretende proveer de una mayor comprensión los procesos biogeoquímicos de estabilización de la materia orgánica exógena aplicada, mediante la aplicación de enmiendas orgánicas de diferente origen, su evolución en el desarrollo de tecnosuelos y cómo pueden afectar a la funcionalidad y calidad del suelo, en el actual contexto del cambio climático. Esta investigación se enmarca en un proyecto dedicado a la restauración de suelos degradados por el impacto de la minería a cielo abierto, concretamente la restauración de una cantera caliza de extracción de áridos en la Sierra de Gádor (Almería), donde se aplicaron varios tratamientos de restauración consistentes en la aplicación de lodos de depuradora estabilizados, compost vegetal de residuos de jardinería, compost vegetal de residuos de cultivos de invernadero y dos mezclas de lodos con los diferentes compost vegetales, junto con la plantación de especies vegetales autóctonas. Además, parcelas sin enmiendas fueron establecidas como control, y suelos naturales del entorno se establecieron como niveles de referencia. Para llevar a cabo la investigación, se llevaron a cabo experimentos en campo y laboratorio, que permitieran abordar el objetivo general de esta tesis desde una perspectiva integrada y funcional, dando respuesta a los objetivos parciales planteados para su desarrollo. Los objetivos parciales en los que desemboca el objetivo principal han sido precursores de los artículos científicos que conforman los capítulos de la presente tesis. El Capítulo 1 se analizan los efectos a corto plazo de las enmiendas orgánicas en distintos indicadores físicos, químicos y biológicos de calidad y funcionalidad de los suelos, con especial énfasis en la mineralización de la materia orgánica y la liberación de CO2 debido al efecto de cebado (priming effect). Para ello, se analizaron un conjunto de indicadores físicos y químicos tradicionales de calidad del suelo, se midieron diferentes actividades enzimáticas implicadas en los ciclos del C, N y P, y se estudió la respiración basal del suelo y el contenido en ácidos grasos de bacterias y hongos. También, se empleó un analizador IRMS para la determinación de la señal isotópica ¿13C, que permitió determinar el efecto de cebado (priming effect) y la mineralización del C a corto plazo. El Capítulo 2 dio respuesta al objetivo parcial que pretendía mejorar la compresión sobre la evolución a corto y medio plazo de la materia orgánica exógena aplicada en los tecnosuelos, a través del estudio de su estructura y composición molecular, así como su implicación en las emisiones de CO2. Para este fin, se analizó el contenido en ácidos húmicos y fúlvicos, y se realizaron análisis de termogravimetría (TG), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y pirolisis analítica (Py-GC/MS). Los Capítulos 3 y 4 se centraron en evaluar el impacto de diferentes tipos de enmiendas orgánicas en la emisión y fijación de CO¿, así como mejorar nuestra comprensión acerca de los procesos que determinan los intercambios de CO2 en el suelo y en las plantas (respiración, fotosíntesis). Para ello, se llevaron a cabo numerosas campañas de medición de CO¿ directamente en campo, con dos equipos IRGA (PP-Systems EGM4 con cámara oscura y Licor LI-840a con cámara transparente), cubriendo una amplia gama de condiciones ambientales.
Los resultados globales obtenidos han mostrado que, entre las enmiendas testadas en nuestra zona de estudio, los compost vegetales procedente de invernadero seguidos de los compost vegetales de jardinería fueron más apropiados que los lodos de depuradora estabilizados y sus mezclas en cuanto a las propiedades de los suelos, la emisión y fijación de CO2, el efecto de cebado, la calidad de la materia orgánica y el efecto sobre el desarrollo de la cubierta vegetal. Así, los dos primeros tratamientos mencionados fueron los más favorables en términos de recuperación de la funcionalidad de los suelos a corto-medio plazo. Además, los resultados de esta tesis destacan la importancia de expandir nuestro conocimiento sobre como las medidas de restauración puedes ser usadas como estrategias de mitigación del cambio climático en áreas semiáridas degradadas, donde las condiciones ambientales extremas pueden provocar que los suelos puedan perder su capacidad de retener carbono. Estos resultados pueden ser útiles para desarrollar tratamientos de restauración más efectivos y sostenibles que promuevan la recuperación del suelo, establezcan una cobertura vegetal estable, aumenten la capacidad de secuestro de CO2 y mejoren la resiliencia del ecosistema en un escenario de cambio climático.
- English
The soil is the largest terrestrial carbon reservoir, but its formation is a slow and limited process, which makes it susceptible to degradation by human activity. Soil degradation alters biochemical cycles and biodiversity, and can make ecosystems more vulnerable to global change pressure. Degraded soils lose their quality and functionality, reducing their ability to produce environmental goods and ecosystem services (e.g., carbon sequestration and water cycling). These threatens can be reversed and soil can become a source of CO2 and other greenhouse gases. Soil restoration and conservation is especially important in the arid and semi-arid areas of the Mediterranean region, where processes leading to soil degradation due to human activities, such as open-pit mining for aggregate extraction, can cause a loss of soil quality, reducing its ability to perform its functions. Recovery of soil functions can be accelerated through the application of appropriate techniques. One key strategy for restoring degraded soils due to open-pit mining in semi-arid regions is the application of organic amendments. However, the selection of appropriate organic amendments is essential, in order to improve, in the short term, soil quality and functionality, without contributing to increase CO₂ emissions into the atmosphere.
The objective of this thesis is a better understanding of (i) the biogeochemical processes in the stabilization of exogenous organic matter applied through different types of organic amendments, (ii) their evolution in the development of technosols, and (iii) the impacts on soil functionality and quality in a current context of climate change. This research is part of a project devoted to the restoration of degraded soils by open-pit mining activities, namely the restoration of a quarry for aggregates extraction in the Sierra de Gádor (Almería), where several restoration treatments based on different organic amendments were applied. These treatments consisted of stabilized sewage sludge, vegetable compost from garden waste, vegetable compost from greenhouse crop residues, and two mixtures of sewage sludge with the different vegetable composts. Native plants were also used in the restored plots. In addition, control plots without organic amendments were established, and natural soils from the closer areas were selected as reference level.
To carry out the research, field and laboratory experiments were conducted by an integrated and functional perspective, in order to effectively provide answers to the proposed specific research questions. The accomplisment of the partial objectives also lead to the development of scientific articles, which have been included as chapters of this thesis. In Chapter 1, the short-term effects of organic amendments on different physical, chemical, and biological indicators of soil quality and functionality were examined, with a particular emphasis on organic matter mineralization and CO2 release due to the priming effect. For this purpose, a set of traditional physical and chemical indicators of soil quality were determined, different enzymatic activity involved in the C, N and P cycles were quantified, together with the study of soil basal respiration and fatty acid content of bacteria and fungi. Additionally, an IRMS analyzer was used to determine the δ13C isotopic signal, which allowed for the determination of the priming effect and short-term C mineralization. Chapter 2 addressed the partial objective of improving the understanding of the short- and medium-term evolution of exogenous soil organic matter applied in technosols, through the study of their structure and molecular composition, as well as their implications for CO2 emissions. To this goal, the content of humic and fulvic acids was analyzed, and thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC) and analytical pyrolysis (Py-GC/MS) analyses were carried out. Chapters 3 and 4 aimed to evaluate the impact of different types of organic amendments on CO2 emissions as well as to improve our understanding of processes associated to CO2 exchange in soil and plants (e.g., respiration, photosynthesis). To this goal, field measurement campaigns were carried out to monitor CO₂ fluxes, using two IRGA teams (PP-Systems EGM4 with dark chamber and Licor LI-840a with transparent chamber), covering a wide range of environmental conditions.
The overall results of the study have shown that, among the tested organic amendments, vegetable compost from greenhouses and, by a lower extent, vegetable compost from gardening were more appropiate than stabilized sewage sludge and its mixtures for the restoration of a limestone quarry in a semi-arid climate, in terms of soil properties, CO2 emission and fixation, priming effect, organic matter quality, and plant growth. Then, the first two treatments were the most favorable in terms of functional recovery in the short to medium term. In addition, the results of this thesis highlighted the importance of broading our understanding on how the restoration measures can be used as a climate change mitigation strategy in degraded semiarid areas, where extreme environmental conditions can lead soils to lose their carbon retention capacity. These findings can be useful in developing more effective and sustainable restoration treatments to promote soil recovery, establish a stable vegetation cover, increase CO2 sequestration capacity, and improve ecosystem resilience in a changing climate scenario.
