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Research paper on soil organic carbon and nitrogen storage andstabilization mechanisms under different crop diversification practices in semiarid rainfed and irrigated woody crops

The drainage basin of the Turrilla river (SE of Spain) went through important land cover changes since 1950s; from mainly an agrarian scenario in 1956 to other depopulated and forested in 2015. This study analyzes the effects of land use changes on fluvial dynamics and their relationship with the organic carbon (OC) stock in fluvial sedimentary deposits as well as in the soil of the basin. Methods included a fluvial geomorphological analysis and a land use change analysis in combination with OC databases of soil and sediment. Results showed that the fluvial channel experienced important morphological changes related to different erosion processes and stabilization of fluvial deposits, induced by land use changes in the drainage area. The active channel decreased 63 % in the study period, while bank erosion and gully erosion increased (34 % and 21 %, respectively). Alluvial fans and alluvial plain were also extended (21 % and 7 %, respectively) and alluvial bars were colonized by vegetation. Sediment was impoverished in OC compared to catchment soils (0.24 enrichment ratio sediment/soil). However the increase of OC stock (Mg ha-1) was very similar between soil (25 %) and sediment (23 %). The total reservoir of OC (Mg) increased 27 % in sediments and 25 % in the catchment soils. Results show the large influence of geomorphological dynamics on the OC reservoir at the catchment scale. A very high potential of fluvial sediments to increase OC sinks was observed, particularly in scenarios where the active channel is narrowed and the fluvial channel is encroached with vegetation, facilitating the input of OC in sediment. The potential of sediment to sequester organic carbon could be very useful in planning and management of fluvial sedimentary zones in climate change mitigation policies., Este estudio analizó los efectos de los cambios de uso del suelo en la dinámica fluvial y su relación con el reservorio de carbono orgánico (CO) en los depósitos de sedimentos fluviales, así como en los suelos de la cuenca. Para ello se utilizó una combinación de cartografía geomorfológica fluvial y de los usos del suelo, con bases de datos de diferentes muestreos de CO en suelos y sedimentos. La superficie del cauce se redujo (-63 %) en el período de estudio, al tiempo que se ampliaron la erosión lateral (34 %) y en cárcavas (21 %), los abanicos aluviales (13 %) y la llanura aluvial (7 %). Las barras fluviales fueron colonizadas en un porcentaje muy elevado por la vegetación. Los sedimentos se encontraron empobrecidos en CO con respecto a los suelos de la cuenca (0,24 razón de enriquecimiento de CO sedimento/suelo). Sin embargo, el aumento de las existencias (stock) de CO (Mg ha-1) fue muy similar en el período de estudio en suelos (25 %) y en sedimentos (23 %). Así como el reservorio total de CO (Mg) que aumentó un 27 % en los sedimentos del cauce y un 25 % en los suelos de la cuenca. Los resultados mostraron la gran influencia de la dinámica geomorfológica en los reservorios de CO a escala de cuenca. Los sedimentos fluviales poseen gran potencial para generar sumideros de CO, en escenarios de estrechamiento del cauce activo y reverdecimiento del lecho, facilitando la entrada de CO.

A continuación se describen los temas principales que serán abordados en la tesis doctoral futura: - Relevancia del proceso de erosión hídrica en zonas semiáridas mediterráneas. - Influencia de la erosión en la dinámica del carbono. - Relaciones estructura-Erosión hídrica-Carbono. - Pools de carbono asociados con la erosión hídrica - Contribución de la erosión hídrica a la pérdida de carbono. - Cambio en las propiedades básicas del suelo debido al cambio de uso. - Cambios en la dinámica del carbono asociados a los cambios de uso del suelo - Cuantificación de los diferentes stocks de carbono orgánico en los diferentes usos de suelo. - Efecto de los usos del suelo en el carbono transportado por erosión hídrica. OBJETIUS: Objetivo General. El objetivo general de esta tesis doctoral es cuantificar y caracterizar los diferentes tipos de carbono que son movilizados y/o expuestos a la mineralización en los procesos de erosión en diferentes usos de suelo, y generar datos empíricos de erosión hídrica en diferentes usos de suelo en ambiente semiárido. Además se pretende establecer una relación entre las características de las precipitaciones de una zona semiárida mediterránea y la respuesta hidrológica (escorrentía) en tres diferentes usos (manejo) de suelo. Objetivos concretos. Los objetivos concretos que se persiguen son: 1. Determinar cómo afectan los cambios de uso y/o cobertura vegetal, en las regiones semiáridas, a la dinámica de carbono orgánico en el suelo. 1.1. Evaluar el impacto del cambio de uso en las propiedades básicas de los suelos. 1.2. Cuantificar los cambios en el stock de carbono en el suelo afectados por cambios de uso. 1.3. Evaluar el impacto de los usos del suelo en la erosión y en la dinámica del carbono. 1.4. Estimar la contribución de la erosión a la pérdida de carbono orgánico e identificar las formas de carbono más afectadas por la erosión en los distintos usos de suelo. 2. Profundizar en el conocimiento de los factores que afectan a las pérdidas de carbono orgánico asociadas a la erosión hídrica del suelo. 2.1. Establecer relaciones entre el contenido, tipo y labilidad del carbono orgánico con la estructura del suelo. 2.2. Identificar los tamaños de partículas transportadas por erosión y los tipos de carbono asociados en los distintos usos del suelo. 2.3. Relacionar la pérdida de suelo con las características estructurales del mismo. 2.4. Evaluar el efecto de las características de la lluvia sobre las pérdidas de CO y sobre el tipo de partículas movilizadas por erosión en diferentes usos del suelo. Todos estos objetivos contribuirán sustancialmente al entendimiento de la dinámica del carbono transportado en los procesos erosivos en ambiente semiárido mediterráneo. METODOLOGÍA: La metodología utilizada para la realización de esta tesis doctoral será la que se describe a continuación: 1. Selección de los diferentes usos del suelo. a. Uso forestal. b. Uso agrícola c. Uso abandonado. 2. Búsqueda de una zona de estudio donde coexistan los tres usos de suelo seleccionados en el apartado anterior y que cumpla unos requisitos mínimos detallados en el grueso del texto. 3. Caracterización de los diferentes usos del suelo seleccionados. a. Realización de perfiles de suelo en profundidad. b. Muestreo superficial, a profundidades 0-5 y 5-10cm. Se tomarán muestras tanto de suelo alterado como de suelo no alterado para la determinación de las principales propiedades físicas relacionadas con los procesos de erosión hídrica, y los principales análisis de carbono (COT, POC, MAC, COS,). 4. Cuantificación de los procesos erosivos. a. Instalación de parcelas de erosión en los diferentes usos con el fin de obtener datos de erosión asociados a todos los eventos de precipitación que superen el umbral mínimo en cada uso generador de sedimentos. b. Tras cada evento de precipitación, tras una campaña de campo, será cuantificada el agua de escorrentía generada en cada uno de los usos, así como la cantidad de sedimento transportada en los mismos. 5. Monitorización de la zona de estudio. a. Instalación de pluviómetros y pluviógrafos en los diferentes usos del suelo que nos permiten asociar cada evento de precipitación con su escorrentía generada. b. Instalación de sondas de temperatura del suelo a diferentes profundidades. 6. Análisis de datos en el laboratorio. a. Determinación de las propiedades físico químicas básicas del suelo. b. Fraccionamiento de suelo. c. Análisis de los diferentes tipos de carbono en las diferentes fracciones de suelo y usos. 7. Análisis estadístico y tratamiento de la información. a. Utilización del programa estadístico SPSS V15. b. Calculo del stock de carbono en cada una de las fracciones y usos del suelo. c. Cálculo de los diferentes tipos de carbono en las diferentes fracciones de usos del suelo en cada uno de los usos. d. Análisis de las características de todos los eventos de precipitación durante el periodo de duración de la fase experimental. e. Respuesta hidrológica y erosión en los diferentes usos.

Se estudia el ciclo del carbono en diferentes usos del suelo (uso forestal, campo agrícola abandonado y olivar de secano) de un ecosistema mediterráneo ante la perspectiva del cambio climático. La hipótesis general de esta tesis es que los cambios en los patrones (estructura y distribución espacial) y tipo de vegetación resultantes de la intensificación de los usos del suelo causarán alteraciones en las condiciones microclimáticas (temperatura y humedad del suelo) y en las características del micrositio (comunidades microbianas del suelo, calidad de los detritos procedentes de la vegetación, patrones de escorrentía y erosión del suelo), que afectarán a los flujos de carbono (entradas y salidas), a los factores que controlan dichos flujos y a la capacidad de secuestro de carbono del ecosistema. Para validar dicha hipótesis se plantean los siguientes objetivos generales: i) caracterizar los reservorios y los flujos de carbono; ii) evaluar la importancia relativa de los diferentes componentes del balance de carbono; e iii) identificar los factores que controlan los flujos de carbono más importantes que regulan la capacidad subterránea de secuestro del mismo en un gradiente de intensificación de usos del suelo., This thesis provides a useful database of carbon (C) pools and fluxes under different land uses (open forest, old-field, olive grove) in a dry Mediterranean ecosystem of Southeast Spain. To understand how global climate change and alterations in land use are affecting Mediterranean soil biogeochemical processes, I completed four studies that investigated the different C components within the C balance of each land use type, the interactions between them, and their controlling factors. The main objectives were: 1) to quantify C pools and fluxes (outputs and inputs) under different land uses over a three-year period (2006-2009); 2) to compare two C balance approaches based on steady-state or non-steady-state conditions in order to assess the relative importance of the different C fluxes within the C balance of each land use type; and 3) to identify the factors controlling the main C fluxes within each land use type.