Assessing soil redistribution and sediment apportationment from different land uses: geospatial analysis and modelling in a mountain agroecosystem

Los agroecosistemas Mediterráneos de montaña han experimentado secularmente intervenciones de la actividad humana como la eliminación de bosques y la cubierta vegetal para el desarrollo y la expansión de la agricultura de secano destinada a la subsistencia de las comunidades locales. Su principal impacto ha sido el incremento de las superficies de terreno proclives a la erosión junto con el aumento de la exportación de sedimentos a los cauces acentuada en las últimas décadas con la mecanización agraria. Sin embargo, este proceso se invirtió a mediados del siglo XX debido a diversos cambios socioeconómicos y posteriormente a la política agraria común que provocaron un éxodo rural y el abandono de estos sistemas. Este abandono permitió la recuperación de la vegetación y la consiguiente variación en la cobertera vegetal. Estos factores junto con la intensificación agrícola y la repoblación forestal han afectado de manera significativa al comportamiento hidrológico, las propiedades del suelo y las tasas de exportación de sedimentos en los agroecosistemas de montaña mediterráneos. El objetivo principal de esta investigación es analizar el efecto de los cambios en los usos del suelo junto con el impacto de las diferentes prácticas agrícolas en la conectividad hidráulica, la redistribución del suelo, sus propiedades fisicoquímicas, así como en la procedencia de los sedimentos exportados a los cursos de agua. Para conseguir este objetivo, se seleccionó una cuenca de tamaño medio (23 km2) localizada en la parte central de la cuenca del Ebro (NE España), representativa de los agroecosistemas de las montañas mediterráneas. El área de estudio ha permanecido cultivada casi en su totalidad hasta principios del siglo pasado. Sin embargo, después del abandono acaecido en la década de los 60 sólo el 16.5% de la cuenca se ha mantenido cultivado mientras que las áreas forestales bien de repoblación o de revegetación han pasado a ocupar el 83.5% de la superficie de la cuenca.En esta investigación se han implementado diferentes técnicas y metodologías, las cuales se han agrupado en dos líneas principales. Por un lado aquellas que analizan la variación en la conectividad hidráulica, las propiedades del suelo, los cambios en la cubierta vegetal y las tasas de redistribución del suelo. Por otro, las englobadas en la técnica de fingerprinting para el rastreo de la procedencia de los sedimentos que llegan a los cursos de agua. En el primer grupo cabe destacar la creación de un índice de conectividad hidráulica y su análisis antes y después del abandono de tierras en la cuenca. Además, mediante el uso del radioisótopo 137Cs se han cuantificado las tasas de redistribución del suelo en los distintos usos y se han comparado con propiedades del suelo como el tamaño de partícula o la cantidad de materia orgánica. En tercer lugar, se llevó a cabo un análisis de la distribución espacial de las propiedades fisicoquímicas del suelo junto con algunos nutrientes como el carbono orgánico de suelo o el nitrógeno total. Finalmente, mediante el uso de imágenes de satélite se monitorizó el cambio que la cubierta vegetal ha experimentado en las últimas décadas, correlacionando a su vez estas imágenes con datos del contenido de carbono y nitrógeno.Por otro lado, para obtener la información acerca de cuáles son las áreas que exportan sedimentos a los cursos de agua se han aplicado métodos de vanguardia como la técnica de fingerprinting junto a modelos de desmezcla. Para ello se ha desarrollado un modelo de desmezcla como paquete de R denominado FingerPro. Además, ya que la técnica requiere de diferentes métodos estadísticos para la selección de los trazadores, aquellos más utilizados por la comunidad científica se han incluido en este paquete como funciones adicionales. Sin embargo, los métodos estadísticos clásicos presentan varias limitaciones, siendo la principal que el uso de un método u otro puede dar lugar a la selección de diferentes trazadores, resultando así diferentes resultados de los modelos. Para superar la limitación de los métodos estadísticos clásicos, se ha desarrollado un nuevo método de selección de trazadores que previene la inclusión de trazadores no conservativos y discordantes, mejorando las capacidades de los métodos previos. Finalmente, mediante el uso de estas técnicas con distintos tipos de trazadores tales como radionucleidos, geoquímica elemental, propiedades magnéticas e isótopos estables ha sido posible cuantificar el efecto de eventos extremos de tormenta, las prácticas agrícolas y la tala en los bosques de repoblación, así como su impacto en la variación de los aportes de sedimento y su procedencia.Las diferentes técnicas implementadas para cuantificar y modelar el efecto del abandono de tierras, la distribución espacial de usos del suelo y las prácticas asociadas a estos han dado lugar a conclusiones similares. Una de las principales conclusiones es que son las tierras de cultivo las que presentan menor contenido en nutrientes, experimentan mayores tasas de redistribución de suelo y las que producen una mayor exportación de sedimento a los cursos de agua. Además, se ha comprobado que las prácticas agrícolas son uno de los mayores desencadenantes del aumento en las exportaciones de sedimento y contaminantes a los cauces. También se observó que durante las tareas de clareo de los pinares de repoblación las áreas afectadas producen una mayor contribución de sedimentos a los cauces lo cual se pudo monitorizar gracias al uso pionero de los trazadores CSSI en ambientes Mediterráneos. Por otro lado, los resultados de esta investigación han evidenciado el gran impacto de eventos extremos de tormenta en términos de erosión en toda la cuenca, produciendo además una gran exportación de sedimentos constituyendo uno de los procesos de mayor afectación en los agroecosistemas mediterráneos de montaña.Los resultados obtenidos han permitido comprender el impacto de los cambios de l uso de la tierra en las propiedades del suelo y su redistribución, lo que es esencial para la gestión de la tierra en los frágiles agroecosistemas mediterráneos. La creación de un paquete de software libre junto con un método mejorado de selección de trazadores ha permitido rastrear con éxito la procedencia de los sedimentos exportados, lo cual no podría haberse logrado con los métodos convencionales. Además los resultados de la técnica de fingerprinting, resaltan los peligros de las tormentas excepcionales al incrementar en gran medida la exportación de partículas finas y modificar la contribución de las distintas fuentes de sedimento respaldando así la protección de las tierras de cultivo, especialmente en períodos de ausencia de cobertura vegetal y mayor ocurrencia de tormentas convectivas para evitar la pérdida de suelo fértil y la exportación de contaminantes a los cursos y cuerpos de agua aguas abajo.<br /

Los escarpes yesíferos del río Ebro en el entorno de Zaragoza. Riesgos geológicos, génesis y evolución

Los escarpes yesíferos de la margen izquierda del río Ebro se encuentran desarrollados sobre la formación yesos de Zaragoza. Estas morfologías siempre han suscitado el interés de los investigadores debido a su variedad de riesgos geológicos como movimientos de ladera y sus grandes abanicos aluviales..

Contextualización y caracterización geológico-geomorfológica de un domo salino mediante teledetección y SIG. El caso único del Ambal ridge, Irán

El uso de imágenes Landsat como herramienta para la detección geológica es de gran ayuda en la contextualización geológica del área de estudio regional y, con ésta, el entendimiento de la estructura de Ambal ridge. Esta estructura cubre 4 km2, es un domo salino producido en la Formación Gachsaran con una significativa exposición de sal en contacto directo con el Río Karum en las Montañas Zagros. Presenta una enorme red de cavidades y una elevada karstificación que actualmente se encuentra sumergida por el embalse de Gotvand, el se-gundo más grande de Irán. Las evidencias geomorfológicas, incluyendo el desvío del cauce del Río Karum y los barrancos obturados indican que la zona de Ambal es una estructura halocinética activa, probablemente provocada por una pérdida de carga debido a la erosión. El análisis GIS de esta estructura nos permite localizar, medir y entender las diferentes morfologías presentes en ella. El domo salino se encuentra afectado por grandes desliza-mientos de hasta 54256577m3 en volumen. El gran incremento de la pendiente relacionado con la erosión fluvial y el ascenso halocinético del domo parecen ser los factores principales. Un total de 693 dolinas han sido identificadas (170 dolinas/km2). Las depresiones ocurren preferentemente a lo largo de un cinturón con un elevado grado de agrupamiento (NNI=0.3). Esta distribución espacial es controlada por la proximidad del río, la pendiente y el contenido en halita del sustrato. Una gran depresión compuesta, cuyo fondo se encuentra por debajo del nivel máximo normal de embalse ya ha generado un lago. El recrecimiento del embalse ha inducido unas peculiares estructuras de colapso de 220-280m de longitud que se traduce en superficie en un complejo sistema de fisuras y escarpes. Es de esperar que la rápida disolución superficial salina genere y reactive un gran número de dolinas y pueda reactivar deslizamientos debido a la perdida de soporte basal por erosión

Assessing soil redistribution and sediment apportionment from different land uses: geospatial analysis and modelling in a mountain agroecosystem

---Los agroecosistemas Mediterráneos de montaña han experimentado secularmente intervenciones de la actividad humana como la eliminación de bosques y la cubierta vegetal para el desarrollo y la expansión de la agricultura de secano destinada a la subsistencia de las comunidades locales. Su principal impacto ha sido el incremento de las superficies de terreno proclives a la erosión junto con el aumento de la exportación de sedimentos a los cauces acentuada en las últimas décadas con la mecanización agraria. Sin embargo, este proceso se invirtió a mediados del siglo XX debido a diversos cambios socioeconómicos y posteriormente a la política agraria común que provocaron el éxodo rural. El abandono de estos sistemas favoreció la revegetación natural y produjo una variación significativa de la cobertera vegetal. En esta investigación se analiza el efecto de los cambios en los usos del suelo junto con el impacto de las diferentes prácticas agrícolas y la repoblación forestal en la conectividad hidráulica, las propiedades físico-químicas del suelo y su redistribución, así como evaluar la procedencia de los sedimentos exportados a los cursos de agua. El área en la que se centra este estudio es una cuenca de 23 km2 representativa de los agroecosistemas de las montañas mediterráneas situada en uno de los sectores más afectados por el abandono de tierras de la parte central de la cuenca del Ebro (NE España). La cuenca ha sido cultivada casi en su totalidad hasta principios del siglo pasado. Sin embargo, después del abandono acaecido en la década de los 60 sólo el 16.5% de su superficie sigue siendo cultivada mientras que las áreas forestales bien de repoblación o revegetación han pasado a ocupar el 83.5% de la superficie de la cuenca. Las diferentes técnicas implementadas para cuantificar y modelizar el efecto del abandono de tierras, la distribución espacial de usos del suelo y las prácticas asociadas a estos han arrojado resultados similares. Una de las principales conclusiones es que son las tierras de cultivo las que presentan menor contenido en nutrientes, experimentan mayores tasas de redistribución de suelo y producen un mayor suministro de sedimento a los cursos de agua. Además, se ha comprobado que las prácticas agrícolas son unos de los mayores desencadenantes del aumento en las exportaciones de sedimento y contaminantes a los cauces. También se observó que durante las tareas de clareo de los pinares de repoblación las áreas afectadas producen una mayor contribución de sedimentos a los cauces lo cual se pudo monitorizar gracias al uso pionero de los trazadores CSSI en ambientes Mediterráneos. Por otro lado, los resultados de esta investigación han evidenciado el gran impacto de eventos extremos de tormenta en términos de erosión en toda la cuenca, generando altas tasas de sedimentos y siendo uno de los procesos de mayor afectación en los agroecosistemas mediterráneos de montaña. Los resultados obtenidos han permitido comprender el impacto de los cambios del uso de la tierra en las propiedades del suelo y su movilización lo que es esencial para la gestión de la tierra en los frágiles agroecosistemas mediterráneos. La creación de un paquete de software libre junto con un método mejorado de selección de trazadores ha permitido rastrear con éxito la procedencia de los sedimentos exportados, lo cual no podría haberse logrado con métodos convencionales. Además los resultados de la técnica de fingerprinting, resaltan los peligros de las tormentas excepcionales al incrementar en gran medida la exportación de partículas finas y modificar la contribución de las distintas fuentes de sedimento respaldando así la protección de las tierras de cultivo, especialmente en períodos de ausencia de cobertura vegetal y mayor ocurrencia de tormentas convectivas para evitar la pérdida de suelo fértil y la exportación de contaminantes a los cursos y cuerpos de agua aguas abajo.Peer reviewe

Impacts of land use changes on soil properties

5 Pags.- 2 Figs. ©Los autores. Under Creative Commons License Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).After land abandonment, the soil physico-chemical properties vary significantly among different land uses in this mountain agroecosystem. The soil properties values indicate that agricultural land has less fertile soils. Due to afforestation and natural revegetation, soil organic carbon and total nitrogen have significantly increased, supporting the key role of management of agricultural lands in soil organic carbon and nitrogen dynamics. The results extracted from remote sensing analysis and soil nutrient quantification suggest that in the short term, afforestation produces a faster increase in soil organic carbon than natural cover, although an increase is not observed in nitrogen. The results of this research could help policymakers to develop plans to reduce the loss of nutrients and to make decisions about best practices after land abandonment and future afforestation programmes.Peer reviewe

Soil erosion modelling: A bibliometric analysis

16 Pags.- 12 Figs.- 8 Tabls.Soil erosion can present a major threat to agriculture due to loss of soil, nutrients, and organic carbon. Therefore, soil erosion modelling is one of the steps used to plan suitable soil protection measures and detect erosion hotspots. A bibliometric analysis of this topic can reveal research patterns and soil erosion modelling characteristics that can help identify steps needed to enhance the research conducted in this field. Therefore, a detailed bibliometric analysis, including investigation of collaboration networks and citation patterns, should be conducted. The updated version of the Global Applications of Soil Erosion Modelling Tracker (GASEMT) database contains information about citation characteristics and publication type. Here, we investigated the impact of the number of authors, the publication type and the selected journal on the number of citations. Generalized boosted regression tree (BRT) modelling was used to evaluate the most relevant variables related to soil erosion modelling. Additionally, bibliometric networks were analysed and visualized. This study revealed that the selection of the soil erosion model has the largest impact on the number of publication citations, followed by the modelling scale and the publication's CiteScore. Some of the other GASEMT database attributes such as model calibration and validation have negligible influence on the number of citations according to the BRT model. Although it is true that studies that conduct calibration, on average, received around 30% more citations, than studies where calibration was not performed. Moreover, the bibliographic coupling and citation networks show a clear continental pattern, although the co-authorship network does not show the same characteristics. Therefore, soil erosion modellers should conduct even more comprehensive review of past studies and focus not just on the research conducted in the same country or continent. Moreover, when evaluating soil erosion models, an additional focus should be given to field measurements, model calibration, performance assessment and uncertainty of modelling results. The results of this study indicate that these GASEMT database attributes had smaller impact on the number of citations, according to the BRT model, than anticipated, which could suggest that these attributes should be given additional attention by the soil erosion modelling community. This study provides a kind of bibliographic benchmark for soil erosion modelling research papers as modellers can estimate the influence of their paper.Nejc Bezak and Matjaž Mikoš would like to acknowledge the support of the Slovenian Research Agency through grant P2-0180. Diana Vieira is funded by national funds (OE), through FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia, I.P., in the scope of the framework contract foreseen - DL57/2016 (CDL-CTTRI-97-ARH/2018 - REF.191-97-ARH/2018), and acknowledges CESAM financial support of through (UIDP/50017/2020+UIDB/50017/2020). Jae E. Yang and Pasquale Borrelli are funded by the EcoSSSoil Project, Korea Environmental Industry & Technology Institute (KEITI), Korea (Grant No. 2019002820004). Walter Chen is funded by the Ministry of Science and Technology (Taiwan) Research Project (Grant Number MOST 109-2121-M-027-001).Peer reviewe

Elemental mobilisation by sheet erosion affected by soil organic carbon and water fluxes along a radiotraced soil catena with two contrasting parent materials

37 Pags.- 7 Figs.- 3 Tabls. The definitive version is available at: https://www.sciencedirect.com/science/journal/0169555XSediment export rates are sensitive to different parent materials, changes in land use, human impact and climate, but the landscape response to such changes is difficult to interpret, and more knowledge of soil erosion hot spots is still needed. Special focus should be directed to examine the role of the erosional impact of water movement in mobilising stable elements in soils that become then available to be transferred in agroecosystems. Our main objective was to investigate the mobilisation and redistribution of 15 major and trace elements in the soil along a karstic hillslope in north-eastern Spain. To this purpose, we selected a representative soil catena with two distinctive sections based on the parent material in which the main soil properties and soil erosion patterns are very well characterised. Element contents were determined by ICP-OES and soil redistribution rates were obtained using 137Cs for each of the 12 and 11 soil profiles sampled in the upper and lower sections, respectively. The elemental composition in soil profiles is related to their landscape features and the influence of soil properties and soil redistribution rates are explored. In each section of the soil catena, the distinctive physiographic characteristics of the slope, distribution of land uses, presence of linear landscape elements, and the intrinsic soil properties, namely SOC, HC and grain size, affect runoff and determine the connectivity of eroded sediment, thus affecting the geochemical dynamics. The results of this investigation showed that the different processes governed by infiltration in the upper section versus runoff in the lower section affect elemental mobilisation along the soil catena and contribute to understanding processes of elemental transference in Mediterranean agroecosystems.This research has been supported by CGL2014-52986-R, PID2019-104857RB-I00 and PID2019-103946RJ-I00 projects, funded by Ministry of Science and Innovation, Spain. The work represents a contribution to the IAEA Coordinated Research Project (CRP) D1.50.17: Nuclear Techniques for a Better Understanding of the Impact of Climate Change on Soil Erosion in Upland Agro-ecosystems.Peer reviewe

Spatial distribution of fallout and lithogenic radionuclides controlled by soil carbon and water erosion in an agroforestry South-Pyrenean catchment

39 Pags.- 6 Figs.- 4 Tabls.The mineral composition of soils and weathering processes are known to control the natural radioactivity of soils but research on the influence of water erosion and of main soil properties in the spatial variability of lithogenic and fallout radionuclides remains little investigated in heterogeneous agroecosystems with complex landscape. An extensive study was conducted to determine the mass activities of fallout (137Cs, 210Pbex) and lithogenic radionuclides (238U, 226Ra, 232Th, 40K) an assess the main controls affecting their spatial variations in a representative 2.5 km2 Pre-Pyrenean catchment of north-eastern Spain. The complex agroforestry catchment holds two distinctive parent materials, Muschelkalk limestones and Keuper argillaceous marls, in which the variability of the main soil properties and soil erosion patterns are well characterised. A total of 228 soil samples have been measured by using a high-purity germanium detector. Lithological influence on the variability of radionuclides was investigated and our results indicate that there are strong significant differences between the mass activities of 137Cs, 210Pbex, 226Ra and 40K based on the two different parent materials. Positive correlations were found among the radioactivity contents of 232Th and 40K and the clay content. Total organic carbon (SOC) was also positively correlated with 137Cs, 210Pbex and 226Ra activities, whereas carbonate content and SIC were negatively correlated with the radionuclides with higher significance in soils on limestones. To gain knowledge on the spatial variability of the radionuclides within the landscape, maps of the distribution of radionuclides were generated by GIS interpolation tools of the entire set of measured activities and soil properties within a 100 × 100 m grid. The spatial patterns obtained, besides the variations of radionuclides along four selected transects, confirm the key role of water erosion in the mobilisation of fallout radionuclides, especially 137Cs, while lithogenic radionuclides were sensitive to physical processes in areas where soil loss was intense. This study not only filled the gap of radioactivity data in agroforestry systems with contrasting parent materials, but also shed light on the potential of radionuclides for tracking soil redistribution processes in fingerprints studies.This research has been supported by projects PID2019-104857RB-I00 and PID2019-103946RJ-I00 funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation (State Research Agency).Peer reviewe

The difference of sediment sources between high flows and low flows in the Hailuogou Glacier stream

2 Pags. © Author(s) 2020. This work is distributed under the Creative Commons Attribution 4.0 License.During a 2 weeks field campaign in May 2016 in the frame of IAEA INT5153 project, source sediment samples and channel bed sediment mixtures were collected along the river valley of the Hailuogou Glacier. Three main sources were identified: surface glacier materials, old moraines and recent moraines. Composite surface samples (2 cm) were created of 10 subsamples in each representative site for surface glacier materials. Following the same scheme on old lateral moraines 10 sites were selected from the more mineral blocky deposits to the most vegetated parts at higher altitudes. On recent moraines 12 sites with different stages of vegetation cover were sampled. Starting from the glacier tongue a total of 7 fine sediment mixtures were collected along the river of which 3 composite samples corresponded to the dry season with low flow and 4 samples corresponded to high flow. A new consensus test method and an unmixing model were used to estimate the apportionments of the sediment sources to the sediment loads.Peer reviewe

Fallout and Environmental Radionuclides for Estimation of Recent Environmental Changes in Maly Azau Glacier Area (Central Caucasus)

1 .pdf copy (1 Pag.) of the abstract published by the Organization. © Author(s) 2019. CC Attribution 4.0 license.Over the last decades, glaciers of Central Caucasus are undergoing intensive retreat in response to recent climate change. Fallout radionuclides (FRN’s) and environmental radionuclides (ERN’s) both are useful instruments in studies of soils and sediments on glacial landforms that can help to define the direction of the sedimentation process and relative age of moraines as well as the lithological difference between different landforms. The study area is situated on the South-Western slope of the Elbrus mountain - between the tongues of Maly Azau and Bolshoy Azau glaciers near Maly Azau proglacial lake.Peer reviewe