Evaluating soil formation processes in Mediterranean granitic soils

Abstract

Soil is one of the most important natural systems that support the development of life and is part of fundamental processes that make our planetary ecosystem work. It is well known that the factors that intervene in the formation of the soil are climate, bedrock, relief, biota and time. However, despite the numerous studies related to soil formation, little is known about these processes due to the immense complexity in which they are integrated. This study identifies and investigates in detail the different soil-forming processes in the study area located in a rocky Mediterranean landscape. Specifically, the processes that have been studied have been biological such as bioturbation, physical such as erosiondeposit and physical weathering. These processes are related to the spatial distribution of carbon stored in the soil, which has also been part of this study. The spatial distribution of carbon stocks in the soil is highly variable in the study area, as well as bulk density and stoniness. The variable that controls the spatial distribution of the stoniness is the slope, demonstrating the influence of the erosion. The spatial distribution of the carbon content and carbon stocks in the soil depend on vegetation cover and insolation. Bioturbation has been studied in soil profiles at different depths along a steeply inclined slope using the IRSL (Infrared Stimulated Luminescence) luminescence technique used on sand sized feldspar grains for the first time for this purpose. This technique has made it possible to identify the age of the sample at different depths and an effective soil mixing rate that takes into account only those grains that have ever been exposed to the soil surface. This has allowed, for the first time, to identify the border between the mobile regolith and the saprolite because the grains close to the border have never visited the surface.The soil age at different depths previously calculated has been used to determine the bioturbation, erosion and deposition rates along the slope through a new analytical solution of the advection-diffusion equation. Physical weathering has been assessed in the horizons of ten soil profiles by comparing rock fragmentation field data with different models. In this way, the patterns governing rock fragmentation were established in six profiles. The rest of the profiles did not fit any of these models because they are characterized by armouring effect on the surface, i.e. the surface horizon contains larger size of rocks than the lower one due to the removal of fine particles produced by erosion. The study presented here is a great advance in the knowledge of these soil-forming processes and can be implemented in other studies of the same type. In the future, this study could be compared with the results that would be obtained from erosion rates using other methods (10Be or 137Cs), completed with an estimation of the chemical processes in the study area and, finally, useful for the calibration and validation of both the new soil formation model that will be developed linked to the work developed in this thesis, as explained in chapter six, and other soil formation and landscape evolution models to better understand the connection between pedology and geomorphological processes.

El suelo es uno de los sistemas naturales más importantes que sustentan el desarrollo de la vida y forma parte de procesos fundamentales que hacen funcionar nuestro ecosistema planetario. Es bien sabido que los factores que intervienen en la formación del suelo son el clima, la roca madre, relieve, biota y el tiempo. Sin embargo, a pesar de los numerosos estudios relacionados con la formación del suelo, poco es conocido sobre estos procesos debido a la inmensa complejidad en la que se integran. Este estudio identifica y profundiza en el conocimiento de varios procesos formadores del suelo en la zona de estudio situada en un ambiente Mediterráneo. Específicamente, los procesos que se han estudiado han sido biológicos como la bioturbación, físicos como la erosión-depósito y la meteorización física. Estos procesos están relacionados con la distribución espacial de carbono almacenado en el suelo, la cual también ha formado parte de este estudio. La distribución espacial del carbono almacenado en el suelo ha resultado ser muy variable en la zona de estudio, caracterizada por ser rocosa, al igual que la densidad aparente y la pedregosidad. Las variables que controlan la distribución espacial de la pedregosidad es la pendiente, demostrándose la influencia de la misma en la erosión. La distribución espacial del contenido de carbono y carbono almacenado en el suelo dependen de la cobertura vegetativa y de la insolación. La bioturbación se ha estudiado en perfiles de suelo a distintas profundidades a lo largo de una ladera con pronunciada pendiente, a través de la técnica de luminiscencia IRSL (Infrared Stimulated Luminescence) usada en granos de feldespato tamaño arena por primera vez para dicho fin. Esta técnica ha permitido identificar la edad de la muestra a diferentes profundidades y una tasa efectiva de mezcla del suelo que tiene en cuenta sólo los granos que alguna vez vieron la luz en la superficie del suelo. Esto ha hecho posible que, por primera vez, se haya identificado el borde entre el regolito móvil y el saprolito debido a que los granos cercanos a esta franja nunca han visitado la superficie. La edad del suelo a diferentes profundidades anteriormente calculada ha sido usada para determinar las tasas de bioturbación, erosión y depósito a lo largo de la ladera a través de una nueva solución analítica de la ecuación advección-difusión. La meteorización física ha sido evaluada en los horizontes de diez perfiles de suelo comparando los datos de campo de fragmentación de rocas con diferentes modelos. De esta forma, se establecieron los patrones que rigen la fragmentación de partículas en seis perfiles. El resto de los perfiles no se ajustaron a ninguno de estos modelos por estar caracterizados por el efecto armouring en la superficie, es decir, el horizonte superficial contiene un tamaño de rocas mayor que el inferior debido a la eliminación de las partículas finas producida por la erosión. El estudio presentado aquí es un gran avance para el conocimiento de estos procesos formadores del suelo y puede ser implementado en otros estudios de la misma índole. En el futuro, este estudio podrá ser comparado con los resultados que se obtendrían de tasas de erosión usando otros métodos (10Be or 137Cs), ser completado con una estimación de los procesos químicos en el área de estudio y, por último, podría ayudar a la calibración y validación tanto del nuevo modelo de formación de suelo que se pretende desarrollar vinculado al trabajo desarrollado en esta tesis, tal y como se explica en el capítulo seis, como de otros modelos de formación de suelo y evolución de paisaje para entender mejor la conexión entre la pedología y los procesos geomorfológicos.