Influence of the evolution of the moisture profile on the soil forming processes

Abstract

The five soil-forming factors described by Jenny in 1941: climate, relief, biological activity, lithology, and time, depend on the water. Soil degradation, especially due to erosion, is one of the most serious problems facing humanity for its subsistence on this planet. Therefore, we should not only conserve the soil but also enhance their forming processes, where the relevance of the water comes from.This dissertation analyzes the evolution of soil moisture for a four years period in an area where an intense weathering of granite rocks has been detected. The research area is a watershed forming on granitic terrane located near the village of Cardeña (Córdoba province in southern Spain), which flows into the Martín Gonzalo Creek, a tributary of the Guadalquivir River, on its right margin. A soil moisture and temperature sensors network coupled to a GPRS data transfer system was installed on two opposite hillslope that converge in the course of the creek, one north-facing, and the other south-facing, in order to assess the effect of the different insolation on them. The water table depth on the north-facing slope was also measured on several piezometers. Soil formation processes were simulated with a one-dimensional model combining physical and chemical weathering processes. Soil moisture followed similar trends in the two hillslopes, although both soil moisture and vegetation, as estimated by the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), showed notable differences between them. Vegetation uptook water from different water pools, soil as well as the rest of the vadose zone, what is also known as rock moisture. Temperature can trace field soil moisture changes. The piezometric level of the shallow aquifer responds fast to the recharge induced by the rain pulses. Finally, the simulation of soil formation through the Chemical Depletion Fraction (CDF), using the SoilGen model, shows a good correspondence between simulated and measured values, R2=0.47. The variability of the index is better explained by hydrological variables than by the position along the catena. The model sensitivity evaluated with a precipitation gradient (200-1,200 mm yr-1) showed a maximum CDF for intermediate precipitation values of 800 mm yr-1.

Los cinco factores formadores del suelo descritos por Jenny en 1941: clima, relieve, actividad biológica, litología y tiempo, dependen del agua. Su degradación, especialmente debida a la pérdida por erosión, es uno de los graves problemas a los que se enfrenta la humanidad para su subsistencia en el planeta. Por ello, no solo hay que conservar el suelo, sino que es necesario conocerlo más bien para mejorarlo, y, en particular, para estimular los procesos formadores, y de ahí el papel relevante del agua. En esta tesis se analiza la evolución de la humedad del suelo durante un cierto periodo de tiempo en una zona en la que se ha detectado una meteorización intensa de rocas de granito en la Sierra Morena. Se han estudiado los procesos hidrológicos de una cuenca formada sobre material granítico situada en el término municipal de Cardeña (Córdoba, España), que vierte al arroyo Martín Gonzalo afluente del Río Guadalquivir en su margen derecha. Se instaló una red sensores en campo, con sistema de transferencia de datos GPRS para la determinación de la dinámica de humedad y la temperatura del suelo, en unas laderas que convergen en el cauce del arroyo mencionado, una orientada hacia el norte y otra hacia al sur, para discernir el efecto de la distinta insolación sobre ellas. Se ha medido, también, la variación de la profundidad de la capa freática que hay en la ladera orientada hacia el norte. Finalmente, se ha explorado la formación de suelo con un modelo unidimensional en él se combinan procesos físicos y químicos de meteorización. La humedad del suelo sigue trayectorias muy similares entre ambas laderas tanto ella como la vegetación estimada por el índice de vegetación diferencial normalizado (NDVI) muestran diferencias notables. La vegetación absorbe agua de distintas zonas tanto del suelo como del resto de la franja de la zona vadosa, lo que algunos llaman la ‘humedad de la roca’. La temperatura puede indicar la variación de la humedad del suelo. El nivel piezométrico del acuífero somero responde de forma rápida a la recarga generada por los diversos chubascos. Por último, la simulación de la formación del suelo a través del índice CDF, usando el modelo SoilGen, muestra una buena correspondencia entre valores medidos y simulados, R2=0.47. La variabilidad del índice depende en mayor medida de la hidrología que de la topografía.