Resumen de Efectos ecológicos de la erosión en laderas derivadas de la minería del carbón a cielo abierto
- español
La minería a cielo abierto del carbón representa una actividad con una elevada capacidad de transformación del territorio. La restauración de las áreas afectadas por esta actividad es una tarea compleja, dado el nivel de alteración de los ecosistemas afectados y los múltiples factores involucrados en el desarrollo de los nuevos ecosistemas restaurados. Un fenómeno característico que puede limitar el desarrollo de estos ecosistemas artificiales es el desarrollo temprano de procesos intensos de erosión hídrica superficial con formación de redes de regueros. Al mismo tiempo, en ambientes con restricciones hídricas uno de los principales mecanismos por los que la erosión puede interferir en el desarrollo de la vegetación es la reducción de la disponibilidad de agua para las plantas. El objetivo de esta tesis doctoral es determinar los efectos de la erosión sobre la disponibilidad y distribución del agua en el suelo y sus consecuencias sobre la dinámica de las comunidades vegetales y el desarrollo de los procesos biológicos del suelo en ecosistemas restaurados de ladera derivados de la minería a cielo abierto del carbón de ambiente mediterráneo-continental.Para abordar este objetivo se ha llevado a cabo un primer trabajo a escala regional ("la cuenca lignitífera de Teruel") en el que se han identificado los grandes patrones de sucesión ecológica en laderas restauradas del territorio. Éste ha puesto de manifiesto un panorama complejo de evolución temporal, caracterizado por el desarrollo de múltiples trayectorias sucesionales. Los procesos de erosión en regueros (desencadenados en general por aportes de escorrentía superficial desde la cabecera de las laderas restauradas y estructuras mineras superiores a éstas) constituyen a escala regional una fuerza directriz de las trayectorias de degradación en las comunidades vegetales restauradas, conduciendo a la formación de comunidades muy ralas y poco diversas básicamente constituidas por unos pocos individuos de una especie perenne introducida mediante siembra: Medicago sativa.La identificación de este problema dio lugar a su estudio detallado a partir de un conjunto de trabajos llevados a cabo en cinco laderas restauradas del "Área experimental de Utrillas". Estas laderas fueron construidas con características topográficas, edáficas y de revegetación muy similares, sin embargo han desarrollado procesos de erosión en regueros de diferente intensidad (de 0 a 70 t ha-1 año-1) a causa de la presencia de áreas de contribución de escorrentía de diferente tamaño en sus cabeceras. Estos trabajos centran el análisis sobre: (a) la dinámica estacional de generación y (b) la dinámica espacial de circulación de los flujos de escorrentía y sedimentos, (c) la disponibilidad y distribución espacial de la humedad en el suelo, (d) la estructura y dinámica de la vegetación, y (e) el desarrollo de las condiciones físicas y funcionalidad biológica del suelo.Los resultados obtenidos reflejan la importancia clave que los procesos intensos de erosión con formación de redes de regueros tienen sobre la organización de los ecosistemas restaurados a través de la reducción de los recursos hídricos disponibles para el desarrollo de la vegetación. Así, el desarrollo de las redes de regueros condiciona el patrón de circulación de los flujos superficiales, maximizando las pérdidas de agua de las laderas en forma de escorrentía superficial. Simultáneamente, estas redes condicionan la distribución espacial de la humedad en el suelo, concentrando los recursos hídricos en los regueros, áreas donde el desarrollo de la vegetación se ve imposibilitado por el impacto mecánico de los flujos concentrados que circulan por éstos. Como resultado directo se produce una drástica reducción de carácter no lineal en la cantidad de agua disponible para las plantas asociada a las tasas de erosión y, en consecuencia, un aumento significativo de los niveles de estrés hídrico soportados por la vegetación y el bloqueo de los procesos de colonización vegetal. La suma de estos efectos produce a escala de ladera reducciones paralelas de carácter exponencial en la diversidad y biomasa de la vegetación, produciendo una simplificación drástica de las comunidades restauradas. El extremo de mayor simplificación está constituido por las comunidades vegetales ralas dominadas por individuos de M. sativa, cuya organización espacial se encuentra condicionada por los patrones de distribución de la humedad del suelo y perturbación mecánica que generan las redes de regueros. Las caídas de carácter exponencial observadas en los atributos estructurales de la vegetación (biomasa y riqueza) son mantenidas en los niveles asociados de desarrollo de la estructura física (estabilidad de los agregados del suelo) y la funcionalidad biológica del suelo (actividad microbiana y actividad de diferentes hidrolasas que regulan el reciclado de los elementos del suelo).La naturaleza no lineal de las relaciones determinadas entre los procesos de erosión y la vegetación ha permitido identificar unos umbrales críticos precisos que determinan trayectorias de evolución distintas en los ecosistemas artificiales de ladera estudiados: (a) con niveles de desarrollo de la cubierta vegetal inferiores al 30% y tasas de erosión en regueros superiores a 20 t ha-1 año-1 se produce la transición hacia la formación de las comunidades vegetales simples, ralas y poco productivas dominadas por M. sativa; (b) con niveles de desarrollo de la cubierta superiores al 50% y tasas de erosión en regueros inferiores a 5 t ha-1 año-1 la dinámica de la vegetación no se encuentra condicionada por los procesos de erosión y su evolución responde a otros factores y procesos, fundamentalmente de tipo biótico.
- English
Opencast coal-mining is considered one of the most dramatic human disturbances in terrestrial ecosystems. Mining reclamation represents a complex task on account of the drastic alterations caused by this activity and of the multiple factors involved in the recovery of the disturbed ecosystems. Reclaimed lands from opencast mining are particularly vulnerable to the effects of accelerated soil erosion processes, especially when these processes lead to the formation of rill networks. One of the effects caused by soil erosion is the reduction of water availability for plants, which can noticeably constrain the development of vegetation and hence reclamation success in water-limited environments. The objective of this dissertation is to analyse the effects of soil erosion in the availability and distribution of soil moisture, as well as the consequences of these effects in vegetation dynamics, and the development of soil biological processes in reclaimed slopes derived from opencast coal-mining in a Mediterranean-Continental environment. Firstly, a regional scale study was carried out to identify the pattern and factors controlling vegetation succession in reclaimed slopes of "the Teruel coalfield" (central-eastern Spain). This work revealed a complex pattern characterised by the development of multiple successional trajectories. Rill erosion processes (triggered in general by run-on fluxes coming from the top of reclaimed slopes and up-slope mining structures) represent at this regional scale a significant driving force for restored vegetation dynamics, leading to a very sparse and simple community essentially constituted by a few individuals of Medicago sativa (a sown perennial legume). This erosion-related trend was analysed deeply in a series of specific studies carried out in five reclaimed slopes located in the "Utrillas field site". In spite of having very similar reclamation treatments and initial features, these slopes have developed rill erosion processes of different intensity (from 0 to 70 t ha-1 year-1) owing to the presence of overland flow contributing areas of different size up-slope. The objectives of these works are the analysis of: (a) the temporal dynamics of generation and (b) the spatial dynamics of circulation of runoff and sediment fluxes, (c) the availability and spatial distribution of soil moisture, (d) the dynamics and structure of vegetation, and (e) the development of the physical structure and biological functionality of the soil. The results obtained highlight the role of rill erosion processes in the development of reclaimed ecosystems by diminishing the availability of water for vegetation. In this way, the circulation of surface flows is conditioned by the development of rill networks, thus maximizing the loss of water resources at the slope scale by surface runoff. Additionally, these channelling networks organise the spatial distribution of soil moisture, since they concentrate water resources around rill beds (areas where vegetation development is prevented by the mechanical disturbance associated to the concentrated runoff flows). As a result, the availability of water resources for plants is drastically reduced through a non-linear erosion-related function. Consequently, vegetation performance and dynamics are affected by the increase of drought stress and the inhibition of natural plant colonisation. All these effects together are reflected in ecosystem structure at the slope scale by an exponential decline of species richness and vegetation biomass, showing a drastic simplification of plant communities related to soil erosion rates. The most simplified state is represented by the sparse and poor communities dominated by M. sativa plants, in which case their spatial organisation is ruled by the distribution of soil moisture and mechanical disturbance derived from rill networks. In addition to the identified effects on vegetation, other variables concerning the development of both soil physical structure (soil aggregates stability) and soil biological functionality (the activity of soil microorganisms and a set of soil hydrolases basic for the nutrient cycling) also showed exponential decreases associated to soil erosion rates. A critical threshold operating in the studied reclaimed ecosystems has been determined on the basis of the non-linear nature of the erosion-vegetation relationships identified: (a) vegetation in reclaimed slopes with under 30% vegetation cover and rill erosion rates over 20 t ha-1 year-1 regress to the low diversity and sparse plant communities dominated by M. sativa; (b) when vegetation cover is over 50% and rill erosion rates remain below 5 t ha-1 year-1, vegetation dynamics of these constructed slopes is not conditioned by soil erosion processes and ecosystem dynamics rely on other factors and processes.
