Development of sediment tracers to study soil redistribution and sediment dynamic due to water erosion

Abstract

La erosión hídrica es motivo de preocupación para la sostenibilidad de los sistemas agrícolas en el mundo y especialmente en la cuenca del Mediterráneo. Las limitaciones de los métodos tradicionales de medida de la erosión, han impulsado el uso de trazadores ambientales para proporcionar información adicional y así implementar estrategias de conservación a diferentes escalas. Hay diferentes enfoques para la selección del trazador con respecto a sus propiedades, métodos de aplicación y su detección. Debido a la dificultad para encontrar trazadores que reúnan todos los requisitos definidos por Zhang et al. (2001) y que proporcionen una evaluación fiable de la dinámica de la erosión y los sedimentos, nuevos trazadores aparecen cada año. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de un trazador simple y barato para su uso en ensayos de erosión hídrica a escala de laboratorio y campo. En una primera etapa, se consideraron dos tipos de trazadores, óxidos de tierras raras (La2O3, Pr6O11, Nd2O3 and Sm2O3) y óxidos de hierro (magnetita Fe3O4, hematites -Fe2O3 y goethita FeOOH). En una etapa posterior de los óxidos de tierras raras se descartaron debido a la complejidad e incertidumbres que intervienen en su determinación analítica, además del alto coste de su adquisición y análisis En el Capítulo 1 se examinan los métodos de trazado existentes, adoptados en experimentos de erosión, distinguiendo entre ellos los radionúclidos, tierras raras, ‘fingerprinting’, y los óxidos magnéticos. Además, se describen y comparan los diferentes métodos, discutiendo las ventajas y desventajas de cada uno de ellos. El Capítulo 2 describe los ensayos de laboratorio y las simulaciones de lluvia diseñados para comprender el comportamiento y el potencial de magnetita como un trazador de sedimento en cuatro suelos mediterráneos de distinta clase textural. Los dos capítulos siguientes están dedicados a la exploración de los óxidos de hierro como trazadores erosión bajo lluvia simulada y natural para entender el movimiento del suelo debido a la erosión hídrica. El Capítulo 3, analiza la dinámica de la erosión en un sistema de surcos-lomos cultivado con algodón, en simulaciones de lluvia a pequeña escala utilizando magnetita y a escala de ladera combinando magnetita, hematita y goethita durante una prueba de riego por aspersión. Se utilizó también un modelo de erosión para entender y extrapolar la dinámica de la erosión hídrica en los sistemas agrícolas bajo diferentes escenarios. En el Capítulo 4 el procedimiento del marcado del suelo con óxido de hierro magnético, fue puesto a punto en unas parcelas de olivar, combinando medidas de susceptibilidad magnética en laboratorio y campo. La variación del contenido de magnetita se utilizó para estimar la contribución, de cada zona dentro de las parcelas, a las pérdidas totales de suelo causadas por las precipitaciones naturales y la redistribución del suelo después del labrado. Finalmente, el Capítulo 5 es un debate general sobre el trabajo, incluyendo en él las conclusiones más relevantes. Aunque el uso de óxido de hierro magnético implica algunas limitaciones, tales como la dificultad de conseguir un marcado uniforme del perfil del suelo, es posible cuantificar la contribución de las diferentes fuentes o áreas de deposición de sedimentos bajo diferentes manejos de suelo y cultivos. Por lo tanto, los trazadores basados en óxidos de hierro constituyen una herramienta útil y complementaria a las medidas tradicionales de pérdidas de suelo en los procesos de erosión.

Water erosion is a matter of concern for the sustainability of agricultural systems in the world, and especially in the Mediterranean basin. The limitations of the traditional erosion measurement methods have prompted the use of environmental tracers to provide additional information for implementing conservation strategies at different scales. There are different approaches to the tracer selection with respect to their properties, methods of application and their detection. Given the difficulties found in the use of tracers to fulfil all the requirements for a reliable assessment of the erosion and sediment dynamics defined by Zhang et al. (2001), new tracers are appearing every year. The main objective of this dissertation is the development of a simple and cheap tracer for its use in field and laboratory water erosion experiments. In a preliminary stage, two sets of tracers were considered; rare earth oxides (La2O3, Pr6O11, Nd2O3 and Sm2O3) and iron oxides (magnetite Fe3O4, hematite -Fe2O3 and goethite FeOOH). In a subsequent stage, the rare earth oxides were discarded due to the complexity and uncertainties involved in their analytical determination, in addition to their high acquisition and analysis costs. Chapter 1 reviews the existing tracer methods adopted in erosion experiments, distinguishing between them radionuclides, rare earths, fingerprinting, and magnetic oxides. The methods are also described and compared and their advantages and disadvantages are discussed. Chapter 2 describes the laboratory tests designed and rainfall simulation experiments to understand the behaviour and potential of magnetite as a sediment tracer in four Mediterranean soils of a varied textural class. The next two Chapters are devoted to the exploration of iron oxides as erosion tracers. They were used at hillslope scale under simulated and natural rainfall to understand soil movement by water erosion. Chapter 3, analyses the erosion dynamics in a cotton crop plot planted in a furrowbed system under rainfall simulations at a small scale using magnetite, and at a hillslope scale by the combination of magnetite, hematite and goethite during a sprinkler irrigation test. An erosion model was also used to understand and extrapolate the dynamics of water erosion in agricultural systems under different scenarios. In Chapter 4 the sediment tracking procedure using magnetic iron oxide was set up in olive orchard plots combining laboratory and field magnetic susceptibility measurements. The variation in magnetite content was used to estimate the contribution of each area within the plots to total soil losses caused by natural rainfall events and the soil redistribution after tillage. Finally, Chapter 5 is a general discussion on the work including the most relevant conclusions in it. Although the use of magnetic iron oxides implies some limitations such as, the difficulty of obtaining a uniform tagging of soil profile, it is possible to quantify the contribution of the different sources or deposition areas of sediment under different soil managements and crops. Therefore, the tracers based on iron oxides constitute a useful tool, which is complementary to traditional soil loss measurements of erosion processes.