Study of the effect of organic amendments on soil functionality, and CO2 emission and fixation patterns in restored technosols in a limestone quarry in a semi-arid climate

Resumen

El suelo es el mayor reservorio terrestre de carbono, pero su formación es un proceso lento y limitado, lo que hace que sea vulnerable a la degradación por la actividad humana. La degradación del suelo altera los ciclos biogeoquímicos y la biodiversidad, y puede hacer que los ecosistemas sean más vulnerables al cambio global. Los suelos degradados pierden su calidad y funcionalidad, mermando su capacidad para producir bienes y servicios ambientales, entre los que destaca el secuestro de carbono, que puede ser revertido, convirtiendo los suelos en emisores de CO2 y otros gases de efecto invernadero. La conservación de los suelos es especialmente importante en las zonas áridas y semiáridas de la región mediterránea, donde procesos de degradación del suelo debido a actividades humanas, como por ejemplo la minería a cielo abierto para la extracción de áridos, puede causar la pérdida de la calidad del suelo, mermando la capacidad para realizar sus funciones. No obstante, la recuperación de estos suelos podría acelerarse mediante la aplicación de técnicas adecuadas de restauración, que consigan devolver al ecosistema su capacidad funcional. Una estrategia utilizada para restaurar los suelos degradados por la minería a cielo abierto en regiones semiáridas es la aplicación de enmiendas orgánicas. Sin embargo, es esencial seleccionar enmiendas orgánicas adecuadas que mejoren la calidad y funcionalidad de los suelos a corto plazo sin contribuir a incrementar las emisiones de CO¿ a la atmósfera. En estas premisas se centra el objetivo de la presente tesis, que pretende proveer de una mayor comprensión los procesos biogeoquímicos de estabilización de la materia orgánica exógena aplicada, mediante la aplicación de enmiendas orgánicas de diferente origen, su evolución en el desarrollo de tecnosuelos y cómo pueden afectar a la funcionalidad y calidad del suelo, en el actual contexto del cambio climático. Esta investigación se enmarca en un proyecto dedicado a la restauración de suelos degradados por el impacto de la minería a cielo abierto, concretamente la restauración de una cantera caliza de extracción de áridos en la Sierra de Gádor (Almería), donde se aplicaron varios tratamientos de restauración consistentes en la aplicación de lodos de depuradora estabilizados, compost vegetal de residuos de jardinería, compost vegetal de residuos de cultivos de invernadero y dos mezclas de lodos con los diferentes compost vegetales, junto con la plantación de especies vegetales autóctonas. Además, parcelas sin enmiendas fueron establecidas como control, y suelos naturales del entorno se establecieron como niveles de referencia. Para llevar a cabo la investigación, se llevaron a cabo experimentos en campo y laboratorio, que permitieran abordar el objetivo general de esta tesis desde una perspectiva integrada y funcional, dando respuesta a los objetivos parciales planteados para su desarrollo. Los objetivos parciales en los que desemboca el objetivo principal han sido precursores de los artículos científicos que conforman los capítulos de la presente tesis. El Capítulo 1 se analizan los efectos a corto plazo de las enmiendas orgánicas en distintos indicadores físicos, químicos y biológicos de calidad y funcionalidad de los suelos, con especial énfasis en la mineralización de la materia orgánica y la liberación de CO2 debido al efecto de cebado (priming effect). Para ello, se analizaron un conjunto de indicadores físicos y químicos tradicionales de calidad del suelo, se midieron diferentes actividades enzimáticas implicadas en los ciclos del C, N y P, y se estudió la respiración basal del suelo y el contenido en ácidos grasos de bacterias y hongos. También, se empleó un analizador IRMS para la determinación de la señal isotópica ¿13C, que permitió determinar el efecto de cebado (priming effect) y la mineralización del C a corto plazo. El Capítulo 2 dio respuesta al objetivo parcial que pretendía mejorar la compresión sobre la evolución a corto y medio plazo de la materia orgánica exógena aplicada en los tecnosuelos, a través del estudio de su estructura y composición molecular, así como su implicación en las emisiones de CO2. Para este fin, se analizó el contenido en ácidos húmicos y fúlvicos, y se realizaron análisis de termogravimetría (TG), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y pirolisis analítica (Py-GC/MS). Los Capítulos 3 y 4 se centraron en evaluar el impacto de diferentes tipos de enmiendas orgánicas en la emisión y fijación de CO¿, así como mejorar nuestra comprensión acerca de los procesos que determinan los intercambios de CO2 en el suelo y en las plantas (respiración, fotosíntesis). Para ello, se llevaron a cabo numerosas campañas de medición de CO¿ directamente en campo, con dos equipos IRGA (PP-Systems EGM4 con cámara oscura y Licor LI-840a con cámara transparente), cubriendo una amplia gama de condiciones ambientales. Los resultados globales obtenidos han mostrado que, entre las enmiendas testadas en nuestra zona de estudio, los compost vegetales procedente de invernadero seguidos de los compost vegetales de jardinería fueron más apropiados que los lodos de depuradora estabilizados y sus mezclas en cuanto a las propiedades de los suelos, la emisión y fijación de CO2, el efecto de cebado, la calidad de la materia orgánica y el efecto sobre el desarrollo de la cubierta vegetal. Así, los dos primeros tratamientos mencionados fueron los más favorables en términos de recuperación de la funcionalidad de los suelos a corto-medio plazo. Además, los resultados de esta tesis destacan la importancia de expandir nuestro conocimiento sobre como las medidas de restauración puedes ser usadas como estrategias de mitigación del cambio climático en áreas semiáridas degradadas, donde las condiciones ambientales extremas pueden provocar que los suelos puedan perder su capacidad de retener carbono. Estos resultados pueden ser útiles para desarrollar tratamientos de restauración más efectivos y sostenibles que promuevan la recuperación del suelo, establezcan una cobertura vegetal estable, aumenten la capacidad de secuestro de CO2 y mejoren la resiliencia del ecosistema en un escenario de cambio climático.