Resumen de Efectos de diferentes tipos de vegetación mediterránea sobre la hidrología y la pérdida de suelo
- español
El abandono de la actividad agraria afecta a extensas superficies de la cuenca Mediterránea. Es un cambio de uso del suelo que de forma inmediata incrementa el riesgo de erosión durante el establecimiento de una nueva cubierta vegetal, y a medio y largo plazo repercute sobre la hidrología. Entender la mecánica es clave para evaluar y controlar los efectos de un proceso, en el que las características de la vegetación y la dinámica de la recolonización tienen una importancia capital. La vegetación herbácea (pastizal) es la primera que coloniza el suelo y después va apareciendo vegetación arbustiva, que en la región Mediterránea son especialmente importantes por la cantidad de terreno que ocupan y por su diversidad. Siendo el agua un recurso escaso, el suelo sensible a la erosión y la proliferación de matorrales tan abundante parece necesario evaluar de manera integrada los efectos del cambio del tipo de vegetación, especialmente este tipo de cubiertas vegetales que están poco caracterizadas.
El objetivo de esta tesis doctoral es determinar los efectos del abandono de la actividad agraria sobre los fenómenos hidrológicos y erosivos en una zona de clima mediterráneo-frío del centro de la Península Ibérica, y abordar la caracterización de la vegetación arbustiva mediterránea desde el punto de vista de sus efectos sobre la escorrentía, la infiltración, los flujos de interceptación y la pérdida de suelo.
Para caracterizar los efectos del pastizal y de cuatro especies de arbustos (Dorycnium pentaphyllum, Colutea arborescens, Medicago strasseri y Retama sphaerocarpa) sobre la generación de escorrentía y la pérdida de suelo se realizaron 2 ensayos de diferente escala.
En parcelas de 1 m de diámetro y con lluvia simulada de alta intensidad, se ha puesto de manifiesto la efectividad del pastizal para reducir al mínimo la erosión laminar tan solo seis meses después del abandono. En cambio su capacidad para regular la escorrentía es menor y tarda mucho más en desarrollarse. Un año y medio después del abandono, la tasa de escorrentía en el pastizal continua siendo moderadamente alta (20.8 mm h-1). Los arbustos son muy efectivos tanto en la protección del suelo como en la regulación de la escorrentía, excepto R. sphaerocarpa con valores moderados. Este trabajo en pequeña parcela ha permitido separar los efectos directos, asociados a la presencia de la cubierta aérea de la vegetación, y los indirectos, asociados a los cambios que la vegetación ha provocado en el suelo Los efectos protectores del pastizal desaparecen casi en su totalidad cuando se pierde la cubierta aérea, mientras que los de los arbustos permanecen durante algún tiempo por los profundos y complejos cambios que provocan en el suelo.
En parcelas USLE de 20 metros de longitud por 4 metros de ancho y con lluvia natural se han analizado los efectos de una revegetación con tres especies de arbustos (D. pentaphyllum, C. arborescens y M. strasseri) y su relación con las características de la precipitación. Los arbustos tardan casi tres años en reducir la pérdida de suelos a niveles mínimos y en regular la generación de escorrentía, siendo muy efectivos a partir de este período, en especial para los eventos erosivos de alta intensidad. La escala del experimento tiene poca influencia sobre los resultados si estos se expresan en términos relativos, como proporción de lo que sucede en el suelo desnudo, en especial para eventos de elevada intensidad.
Se ha desarrollado una segunda línea de trabajo para caracterizar los efectos de los arbustos sobre los procesos de interceptación y redistribución de la precipitaciónLa capacidad de almacenamiento, parámetro clave en los modelos de interceptación, y el flujo de escorrentía cortical se han determinado en nueve especies arbustivas empleando dos técnicas de laboratorio, la simulación de lluvia (13 mm h-1) y la inmersión de la vegetación en agua. Los resultados ponen de manifiesto que los arbustos pueden almacenar grandes volúmenes de precipitación y que la variabilidad interespecífica es elevada para la capacidad de almacenamiento (de 0.35 mm a 3.24 mm) y para la escorrentía cortical (de 3.8% a 26.4%). Existe una gran influencia de los detalles anatómicos (pubescencia, rigidez de las ramas, ángulo de inserción de las hojas y ramas) en la capacidad de almacenamiento y en la escorrentía cortical. El método de inmersión subestima la capacidad de almacenamiento, y lo hace de forma diferente para cada especie.
Se ha realizado un segundo experimento para medir las pérdidas por interceptación, la escorrentía cortical y la trascolación en condiciones reales de precipitación en D. pentaphyllum, C. arborescens, M. strasseri y R. sphaerocarpa. Para ello se ha empleado una adaptación de la caja de interceptación de Belmonte Serrato y Romero Díaz con registro automático de los flujos de interceptación en campo. Las pérdidas por interceptación oscilaron entre el 10% de R. sphaerocarpa y el 43% de M. strasseri. Los porcentajes de escorrentía cortical oscilaron entre el 7% de M. strasseri y el 20% de R. sphaerocarpa. Las pérdidas y la escorrentía cortical fueron muy variadas y en algunos casos superiores a los de la vegetación arbórea. A nivel hidrológico el factor biótico más determinante de variabilidad es la especie, y resulta difícil de modelizar. El volumen de precipitación es el factor abiótico más importante. Afecta al volumen y a la proporción de pérdidas por interceptación y escorrentía cortical. Ambos flujos se incrementan en valor absoluto con el volumen de precipitación, pero cuando se expresan en porcentaje de la precipitación la escorrentía cortical crece y las pérdidas decrecen, ambas de forma logarítmica hasta alcanzar un umbral estabilizado, a partir de los 10 mm de precipitación, que es diferente para cada especie. En una zona climática donde la mayoría de los eventos de lluvia aportan entre 0 y 10 mm, las pérdidas y la escorrentía cortical varían para cada evento y especie vegetal y resultan más difíciles de predecir. Los eventos de precipitación superior a 10 mm, aunque poco frecuentes, son determinantes para la disponibilidad de agua de las especies que adoptan la escorrentía cortical como mecanismo de adaptación a la aridez. Los resultados de esta tesis doctoral ponen de manifiesto que tras el abandono del cultivo el riesgo de erosión laminar se limita a los seis primeros meses. Después los riesgos de erosión están asociados a que el pastizal es poco efectivo regulando la generación de escorrentía, y a que sus efectos son efímeros por estar asociados a la cubierta aérea. Los arbustos tardan casi 3 años en proteger el suelo, pero una vez que lo hacen inducen cambios profundos que afectan a la generación de escorrentía incluso cuando la cubierta aérea desaparece. Los arbustos pueden tener una elevada capacidad de almacenamiento y generar pérdidas por interceptación tan elevadas si son capaces de formar comunidades densas. Por tanto pueden afectar a la disponibilidad de agua en una región donde es un recurso escaso. La variabilidad asociada al tipo de arbusto tiene entidad suficiente como para ser considerada a nivel de gestión. R. sphaerocarpa, el arbusto más característico de los pastizales que colonizan el suelo tras el abandono de la agricultura en el centro de España, tiene una capacidad de protección del suelo moderada, pero complementa los efectos del pastizal y apenas genera pérdidas por interceptación. En una región amenazada por la erosión hídrica y con escasez de agua, es fundamental caracterizar especies arbustivas que formen comunidades lo suficientemente densas como para proteger el suelo, pero sin poner en peligro los recursos hídricos.
- English
Large areas of the Mediterranean basin are affected by land abandonment. Erosion risk is immediately increased and remains until a new vegetation cover develops. Hydrology is affected by this land use change process in the mid- and long-term. Vegetal characteristic and re-colonization dynamics are of paramount importance for a correct understanding of this process in order to assess and control their effects on soil and hydrology. Herbaceous vegetation is the first step towards colonizing soil, forming grasslands, appearing over time shrub specimens, being of great importance in the Mediterranean region due to their diversity and the vast areas they occupy. The effects of these abundant vegetation types should be analyzed from an integrated perspective as water is a scarce resource and soil erosion risk is high, yet these types of vegetation are poorly characterized.
The objective of this Doctoral Thesis is to assess the effects of land agricultural abandonment over hydrologic and erosive processes in a cool-Mediterranean climate region in the center of the Iberian Peninsula, and to characterize the effects of different Mediterranean shrub vegetation over runoff, infiltration, interception fluxes and soil loss.
Two experiments at different scales were carried out in order to characterize the effects of grasslands and those of four shrub species (Dorycnium pentaphyllum, Colutea arborescens, Medicago strasseri and Retama sphaerocarpa) over runoff generation and soil loss.
A high intensity simulated rainfall experiment applied over a one-meter diameter plot has shown the effectiveness of grasslands being able to minimize sheet erosion just six months after land abandonment. Nevertheless, their effects on runoff regulation were less marked. At 18 months after land abandonment, the runoff rate continued to be moderately high (20.8 mm h-1). The shrub vegetation is very effective in controlling the runoff and soil loss rates, except R. sphaerocarpa with a moderate influence. This small-scale experiment has allowed to separate direct and indirect effects, the first ones associated to aerial cover presence, and the latter ones to the changes induced in soil properties. The grassland protection effects practically disappear when the aerial cover is lost, whereas the effects of shrubs persist for a long time due to the complex and deep changes induced on soil properties.
A shrub revegetation experiment has been realized in USLE plots (20 meter length and 4 meters width) in order to assess the influence of three shrub species (D. pentaphyllum, C. arborescens and M. strasseri) on soil loss and runoff generation. These variables have been measured under natural rainfall in order to assess the relationships between these variables and the rainfall properties. The shrub vegetation takes nearly three years to minimize soil loss and regulate the runoff generation, being very effective after this period. Results point out that effectiveness is greater under high intensity erosive events. The scale of the experiment has little influence on results when these are expressed in relative terms as a proportion of what happens on bare soil, especially under high intensity rainfall.
A second line of work has been developed in order to characterize the influence of the shrub vegetation on the rainfall interception processes. An experiment has been carried out to determine the water storage capacity, a key parameter for the rainfall interception models, and stemflow for nine shrub species using two different laboratory techniques, rainfall simulation (13 mm h-1) and immersion of plants on water. Results have revealed that shrubs store high rainfall volumes and that interspecific variability is high for water storage capacity (from 0.35 mm to 3.24 mm) and for stemflow percentages (from 3.8% to 26.4%). Some anatomic characteristics (the leaf pubescense, the branch rigidity and the insertion angles of leaves and branches) have a great influence on water storage capacity and stemflow. The immersion method underestimates water storage capacity in a different way for each species.
A second experiment has been realized for measuring rainfall interception losses, stemflow and throughfall for D. pentaphyllum, C. arborescens, M. strasseri and R. sphaerocarpa under natural rainfall. An adaptation of the “interception flow collection box” designed by Belmonte Serrato and Romero Díaz has been used in field experiments to automatically measure rainfall interception fluxes. Results indicate that interception losses change from 10% for R. sphaerocarpa to 43% for M. strasseri and stemflow varies between 7% for M. strasseri and 20% for R. sphaerocarpa, showing a great variability in both fluxes with some higher values than those commonly observed for tree vegetation.
The species and the rainfall volume have been identified respectively as the more significant biotic and abiotic factors that are more influential to rainfall interception fluxes. Interception losses and stemflow varies with rainfall volume.
Both of which increase their absolute values as rainfall volume increases. However, when they are expressed in relative terms, a logarithmic increase has been identified for stemflow, and a logarithmic decrease has been observed for interception losses, reaching a threshold value for rainfall volumes greater than 10 mm. Threshold values depend on the shrub species. Interception losses and stemflow vary greatly in this region, being difficult to predict because the rainfall events smaller than 10 mm are the more frequent ones and there is a great variety of shrub species. Rainfall events greater than 10 mm are less frequent but they are key events for species having an adaptation mechanism to aridity based on stemflow promotion, as these species store high water volumes in deep soil layers during these events.
The results of this Doctoral Thesis highlight that risk of sheet erosion is limited to the six first months after land abandonment. After this critical period, the erosion risk is due to the low efficiency of grasslands in runoff regulation and to the fact that the effects of this vegetation type are ephemeral and disappear when the canopy cover is lost.
Shrubs take almost three years to minimize soil erosion, but once they do, important changes in soil properties are induced, increasing infiltration capacity that remains although canopy cover is lost. Nevertheless, shrub species can store high water volumes generating important interception losses when they are able to form dense communities, affecting the water availability in a region where water is a scarce resource. The variability associated to “kind of shrub” is so important that species could be considered at the management level. R. sphaerocarpa, the most characteristic shrub which is proliferating in Mediterranean grasslands in central Iberian Peninsula, shows low interception losses and a moderate soil protection capacity, being an optimal shrub species for complementing the protection effects of grassland without affecting the rainfall volume reaching the soil. The high erosion risk and the scarcity of water make necessary an integral characterization of shrub species. This kind of vegetation protects the soil when form dense communities, but it is necessary to know the effects over the rainfall interception fluxes in order to not endanger available water resources.
