Ecología de laderas restauradas de la minería de carbón a cielo abierto: interacciones ecohidrológicas
- Autores: Luis Merino Martín
- Directores de la Tesis: Tíscar Espigares Pinilla (dir. tes.), José Manuel Nicolau Ibarra (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2010
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Ecology of restored slopes from opencast coal mining: ecohydrologycal interactions
- Tribunal Calificador de la Tesis: Adolfo Calvo Cases (presid.), Miguel Ángel de Zavala Gironés (secret.), Roberto Lázaro Suau (voc.), José Francisco Martín Duque (voc.), Carolina Martínez Ruiz (voc.)
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- Resumen
- español
La restauración de espacios afectados por la minería de carbón a cielo abierto es una labor muy compleja. La creación de nuevos ecosistemas implica la activación de numerosos procesos naturales en el marco de la sucesión ecológica. Los procesos ecohidrológicos resultan claves en el funcionamiento de estos nuevos sistemas. Son ya conocidas las claves de la dinámica ecohidrológica de laderas mineras restauradas con régimen de escorrentía en regueros, caracterizadas por un avance limitado de la sucesión. Sin embargo, es muy escaso el conocimiento de laderas con régimen de escorrentía laminar y un mayor potencial de sucesión ecológica. La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo estudiar las interacciones entre vegetación e hidrología superficial y su relación con los patrones de sucesión ecológica, haciendo especial énfasis en el efecto que tiene en ello el volumen de escorrentía circulante por la ladera. La hipótesis de partida es que la interacción entre la escorrentía superficial y la vegetación es un fenómeno clave para explicar la estructura espacial y el funcionamiento de estos sistemas y, en particular, que la escorrentía es una fuerza directriz de la sucesión ecológica (agradación). En un primer estudio a escala regional, se describe la estrecha interacción entre escorrentía y vegetación en laderas restauradas no reguerizadas, identificándose unidades ecohidrológicas, que se diferencian por su composición florística y comportamiento hidrológico. La reguerización intensa aparece como un fenómeno degradativo en el que el control de la hidrología superficial es llevado a cabo por elementos abióticos. Por otro lado, se observa que la intensidad de las interrelaciones ecohidrológicas es menor en las laderas cubiertas de vegetación, por lo limitado de los procesos de escorrentía superficial. Posteriormente se lleva a cabo una investigación experimental en tres laderas restauradas de manera similar, diferenciadas únicamente en el volumen de escorrentía circulante a causa de sus diferencias en la topografía de su cabecera. Estas laderas abarcan un gradiente de escorrentía desde la reguerización discontinua hasta el dominio de la escorrentía laminar débil. En este contexto se analiza la influencia de la vegetación en la heterogeneidad espacial de los procesos hidrológicos superficiales identificando manchas de vegetación sumideros y fuentes de escorrentía. Además, se estudia la influencia del volumen de escorrentía superficial circulante por la ladera en la heterogeneidad hidrológica, concluyendo que éste controla la diversidad hidrológica: cuando el volumen de escorrentía aumenta, la diversidad hidrológica disminuye, desarrollando comportamientos hidrológicos muy contrastados (fuentes extremas y sumideros). Se explora también el efecto de la distribución espacial de la humedad edáfica condicionada por las unidades ecohidrológicas- sobre la composición, estructura y dinámica de la vegetación, así como sobre los factores limitantes para la colonización vegetal, en función del volumen de escorrentía superficial circulante. Se analizan las relaciones funcionales entre UEH importadoras y exportadoras de escorrentía estudiando los efectos ecológicos de la interrupción de los flujos de escorrentía entre fuentes y sumideros en laderas con diferente volumen de escorrentía superficial. Con ello, se comprueba que el marco conceptual Trigger Transfer Reserve Pulse (TTRP) -que explica las relaciones ecohidrológicas de ambientes semiáridos- se puede emplear en estas zonas restauradas. Este marco conceptual no había sido descrito en ambientes restaurados, donde puede tener una aplicación práctica para el desarrollo de estrategias de restauración adecuadas. Los resultados obtenidos por esta Tesis Doctoral reflejan que cuando se dan volúmenes altos de escorrentía las manchas de vegetación son dependientes de la escorrentía circulante y el control del agua se ejerce de forma abiótica. Por otro lado, a volúmenes bajos de escorrentía, el control del agua se produce por fenómenos bióticos, apareciendo un matorral (Genista scorpius) capaz de modificar el patrón de redistribución de la escorrentía y de realizar interacciones bióticas (facilitación) que pueden propiciar un total cubrimiento de la ladera por parte de la vegetación. En conclusión, el volumen de escorrentía influye en el dominio del recurso hídrico, dirigiendo de esta forma el proceso sucesional de laderas restauradas. La identificación de la escorrentía como una fuerza directriz de la sucesión en estos ambientes restaurados hace necesaria su incorporación en los proyectos de restauración. Surge de esta forma el concepto del manejo experto de la escorrentía que debe ser desarrollado y aplicado en los proyectos de minería para una correcta evolución de los ambientes restaurados.
- English
Coal mining restoration is a complex activity. The construction of these new environments includes the natural processes framed within ecological succession. Ecohydrological processes are key for the functioning of these new ecosystems. The key factors of the ecohydrological dynamics in rilled restored slopes, characterized by "arrested succession" are well known. However, there is a scarcity of studies on slopes under sheet flow processes where ecological succession could have a greater potential to achieve revegetation. The main objective of this PhD thesis was to study the interaction between vegetation and overland flow and its relationships with ecological succession patterns, focusing on the effects of overland flow routing along the slope on these interrelationships. The main hypothesis is that the interaction between overland flow and vegetation is a key phenomenon that directs the spatial structure and the functioning of these systems, and in particular, that overland flow is a driving force for ecological succession (agradation). In a first study at the regional scale, strong interactions between overland flow and vegetation in non-rilled restored slopes were described, identifying "ecohydrological units" that are characterized by a specific floristic composition and hydrological behaviour. Rilling processes were identified as degradation processes in which the control of hydrology is directed by abiotic elements of the ecosystem. Moreover, we identified that the strength of ecohydrological interactions is lower in vegetated slopes, due to the absence of overland flow processes. Afterwards, an experiment was carried out in three restored slopes subjected to different volumes of overland flow routing along the slope caused by differences in up-slope structures. These slopes span a gradient of overland flow from discontinuous rilling to mild sheet flow. In this context, the influence of vegetation on the spatial heterogeneity of hydrological processes was analyzed, identifying runoff sinks and sources. Additionally, we investigated the influence of overland flow routing along the slope on hydrological heterogeneity, concluding that overland flow controls "hydrological diversity": as the overland flow volume increases, hydrological diversity decreases, developing opposite hydrological behaviours (extreme sources and sinks). We also explored the effect of the spatial distribution of soil moisture -conditioned by ecohydrological units- on vegetation composition, structure and dynamics, together with the limiting factors for vegetation colonization, related to the overland flow volume routing along the slope. The functional relationships between runoff sources and sinks were analyzed, considering the ecological effects of runoff exclusion along an overland flow gradient at the slope scale. In summary, we proved that the TTRP (Trigger Transfer Reserve Pulse) framework -which explains ecohydrological interactions in semiarid environments-, can be used in these restored environments. This conceptual framework has never been applied in restored environments, where it can have practical implications for the development of appropriate restoration strategies. The results obtained in this PhD thesis highlight that when overland flow volumes are reached, vegetation patches are highly dependent on overland flow and the control of water resources is abiotic. However, under low overland flow volumes routing along the slopes, water control is biotic, and a shrub species appears (Genista scorpius) which is able to modify runoff redistribution patterns and whose biotic interactions (facilitation) can direct the system towards a vegetated slope. In conclusion, overland flow volume influences the control of water resources, hence, it directs successional processes in these restored slopes. The identification of overland flow as a driving force in these restored environments calls for its incorporation in restoration projects. As a result, the concept of "runoff expert management" emerges, which should be delved into and applied to mining restoration projects in order to achieve a correct evolution of these restored environments.
- español
