Efectos ecológicos de la erosión en laderas derivadas de la minería del carbón a cielo abierto

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

Efectos ecológicos de la erosión en laderas derivadas de la minería del carbón a cielo abierto

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

Ecogeomorphic coevolution of semiarid hillslopes: Emergence of banded and striped vegetation patterns through interaction of biotic and abiotic processes

[1] Nonlinear interactions between physical and biological factors give rise to the emergence of remarkable landform‐vegetation patterns. Patterns of vegetation and resource redistribution are linked to productivity and carrying capacity of the land. As a consequence, growing concern over ecosystem resilience to perturbations that could lead to irreversible land degradation imposes a pressing need for understanding the processes, nonlinear interactions, and feedbacks, leading to the coevolution of these patterns. For arid and semiarid regions, causes for concern have increased at a rapid pace during the last few decades due to growing anthropic and climatic pressures that have resulted in the degradation of numerous areas worldwide. This paper aims at improving our understanding of the ecogeomorphic evolution of landscape patterns in semiarid areas with a sparse biomass cover through a modeling approach. A coupled vegetation‐pattern formation and landform evolution model is used to study the coevolution of vegetation and topography over centennial timescales. Results show that self‐organized vegetation patterns strongly depend on feedbacks with coevolving landforms. The resulting patterns depend on the erosion rate and mechanism (dominance of either fluvial or diffusive processes), which are affected by biotic factors. Moreover, results show that ecohydrologic processes leading to banded pattern formation, when coupled with landform processes, can also lead to completely different patterns (stripes of vegetation along drainage lines) that are equally common in semiarid areas. These findings reinforce the importance of analyzing the coevolution of landforms and vegetation to improve our understanding of the patterns and structures found in nature

Plot-scale effects on runoff and erosion along a slope degradation gradient

[1] In Earth and ecological sciences, an important, crosscutting issue is the relationship between scale and the processes of runoff and erosion. In drylands, understanding this relationship is critical for understanding ecosystem functionality and degradation processes. Recent work has suggested that the effects of scale may differ depending on the extent of degradation. To test this hypothesis, runoff and sediment yield were monitored during a hydrological year on 20 plots of various lengths (1–15 m). These plots were located on a series of five reclaimed mining slopes in a Mediterranean‐dry environment. The five slopes exhibited various degrees of vegetative cover and surface erosion. A general decrease of unit area runoff was observed with increasing plot scale for all slopes. Nevertheless, the amount of reinfiltrated runoff along each slope varied with the extent of degradation, being highest at the least degraded slope and vice versa. In other words, unit area runoff decreased the least on the most disturbed site as plot length increased. Unit area sediment yield declined with increasing plot length for the undisturbed and moderately disturbed sites, but it actually increased for the highly disturbed sites. The different scaling behavior of the most degraded slopes was especially clear under high‐intensity rainfall conditions, when flow concentration favored rill erosion. Our results confirm that in drylands, the effects of scale on runoff and erosion change with the extent of degradation, resulting in a substantial loss of soil and water from disturbed systems, which could reinforce the degradation process through feedback mechanisms with vegetation

Accuracy Assessment of Digital Terrain Model Dataset Sources for Hydrogeomorphological Modelling in Small Mediterranean Catchments

Digital terrain models (DTMs) are a fundamental source of information in Earth sciences. DTM-based studies, however, can contain remarkable biases if limitations and inaccuracies in these models are disregarded. In this work, four freely available datasets, including Shuttle Radar Topography Mission C-Band Synthetic Aperture Radar (SRTM C-SAR V3 DEM), Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Map (ASTER GDEM V2), and two nationwide airborne light detection and ranging (LiDAR)-derived DTMs (at 5-m and 1-m spatial resolution, respectively) were analysed in three geomorphologically contrasting, small (3-5 km(2)) catchments located in Mediterranean landscapes under intensive human influence (Mallorca Island, Spain). Vertical accuracy as well as the influence of each dataset's characteristics on hydrological and geomorphological modelling applicability were assessed by using ground-truth data, classic geometric and morphometric parameters, and a recently proposed index of sediment connectivity. Overall vertical accuracyexpressed as the root mean squared error (RMSE) and normalised median deviation (NMAD)revealed the highest accuracy for the 1-m (RMSE = 1.55 m;NMAD = 0.44 m) and 5-m LiDAR DTMs (RMSE = 1.73 m;NMAD = 0.84 m). Vertical accuracy of the SRTM data was lower (RMSE = 6.98 m;NMAD = 5.27 m), but considerably higher than for the ASTER data (RMSE = 16.10 m;NMAD = 11.23 m). All datasets were affected by systematic distortions. Propagation of these errors and coarse horizontal resolution caused negative impacts on flow routing, stream network, and catchment delineation, and to a lower extent, on the distribution of slope values. These limitations should be carefully considered when applying DTMs for catchment hydrogeomorphological modelling

Variations in hydrological connectivity of Australian semiarid landscapes indicate abrupt changes in rainfall-use efficiency of vegetation

[1] Dryland vegetation frequently shows self‐organized spatial patterns as mosaic‐like structures of sources (bare areas) and sinks (vegetation patches) of water runoff and sediments with variable interconnection. Good examples are banded landscapes displayed by Mulga in semiarid Australia, where the spatial organization of vegetation optimizes the redistribution and use of water (and other scarce resources) at the landscape scale. Disturbances can disrupt the spatial distribution of vegetation causing a substantial loss of water by increasing landscape hydrological connectivity and consequently, affecting ecosystem function (e.g., decreasing the rainfall‐use efficiency of the landscape). We analyze (i) connectivity trends obtained from coupled analysis of remotely sensed vegetation patterns and terrain elevations in several Mulga landscapes subjected to different levels of disturbance, and (ii) the rainfall‐use efficiency of these landscapes, exploring the relationship between rainfall and remotely sensed Normalized Difference Vegetation Index. Our analyses indicate that small reductions in the fractional cover of vegetation near a particular threshold can cause abrupt changes in ecosystem function, driven by large nonlinear increases in the length of the connected flowpaths. In addition, simulations with simple vegetation‐thinning algorithms show that these nonlinear changes are especially sensitive to the type of disturbance, suggesting that the amount of alterations that an ecosystem can absorb and still remain functional largely depends on disturbance type. In fact, selective thinning of the vegetation patches from their edges can cause a higher impact on the landscape hydrological connectivity than spatially random disturbances. These results highlight surface connectivity patterns as practical indicators for monitoring landscape health

ScenaLand: a simple methodology for developing land use and management scenarios

Scenarios serve science by testing the sensitivity of a system and/or society to adapt to the future. In this study, we present a new land use scenario methodology called ScenaLand. This methodology aims to develop plausible and contrasting land use and management (LUM) scenarios, useful to explore how LUM (e.g. soil and water conservation techniques) may afect ecosystem services under global change in a wide range of environments. ScenaLand is a method for constructing narrative and spatially explicit land use scenarios that are useful for end-users and impact modellers. This method is innovative because it merges literature and expert knowledge, and its low data requirement makes it easy to be implemented in the context of inter-site comparison, including global change projections. ScenaLand was developed and tested on six diferent Mediterranean agroecological and socioeconomic contexts during the MASCC research project (Mediterranean agricultural soil conservation under global change). The method frst highlights the socioeconomic trends of each study site including emerging trends such as new government laws, LUM techniques through a qualitative survey addressed to local experts. Then, the method includes a ranking of driving factors, a matrix about land use evolution, and soil and water conservation techniques. ScenaLand also includes a framework to develop narratives along with two priority axes (contextualized to environmental protection vs. land productivity in this study). In the context of this research project, four contrasting scenarios are proposed: S1 (business-as-usual), S2 (market-oriented), S3 (environmental protection), and S4 (sustainable). Land use maps are then built with the creation of LUM allocation rules based on agroecological zoning. ScenaLand resulted in a robust and easy method to apply with the creation of 24 contrasted scenarios. These scenarios come not only with narratives but also with spatially explicit maps that are potentially used by impact modellers and other endusers. The last part of our study discusses the way the method can be implemented including a comparison between sites and the possibilities to implement ScenaLand in other contexts.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Relationship of Weather Types on the Seasonal and Spatial Variability of Rainfall, Runoff, and Sediment Yield in the Western Mediterranean Basin

Rainfall is the key factor to understand soil erosion processes, mechanisms, and rates. Most research was conducted to determine rainfall characteristics and their relationship with soil erosion (erosivity) but there is little information about how atmospheric patterns control soil losses, and this is important to enable sustainable environmental planning and risk prevention. We investigated the temporal and spatial variability of the relationships of rainfall, runoff, and sediment yield with atmospheric patterns (weather types, WTs) in the western Mediterranean basin. For this purpose, we analyzed a large database of rainfall events collected between 1985 and 2015 in 46 experimental plots and catchments with the aim to: (i) evaluate seasonal differences in the contribution of rainfall, runoff, and sediment yield produced by the WTs; and (ii) to analyze the seasonal efficiency of the different WTs (relation frequency and magnitude) related to rainfall, runoff, and sediment yield. The results indicate two different temporal patterns: the first weather type exhibits (during the cold period: autumn and winter) westerly flows that produce the highest rainfall, runoff, and sediment yield values throughout the territory; the second weather type exhibits easterly flows that predominate during the warm period (spring and summer) and it is located on the Mediterranean coast of the Iberian Peninsula. However, the cyclonic situations present high frequency throughout the whole year with a large influence extended around the western Mediterranean basin. Contrary, the anticyclonic situations, despite of its high frequency, do not contribute significantly to the total rainfall, runoff, and sediment (showing the lowest efficiency) because of atmospheric stability that currently characterize this atmospheric pattern. Our approach helps to better understand the relationship of WTs on the seasonal and spatial variability of rainfall, runoff and sediment yield with a regional scale based on the large dataset and number of soil erosion experimental stations