Bio-geochemical markers surrogated to fire induced hydrophobicity. Model system: Doñana National Park sandy soils

Los incendios forestales son un factor de perturbación importante en muchos ecosistemas terrestres, especialmente en las zonas europeas de clima Mediterráneo. Esto se debe a la confluencia de condiciones climáticas, ecológicas y socio-económicas específicas. El fuego produce cambios importantes en la materia orgánica del suelo (MOS) tanto a nivel cualitativo como cuantitativo, que afectan, a su vez, a propiedades físicas, químicas y biológicas relevantes del suelo. Estos cambios afectan también a un gran número de factores y procesos bióticos y abióticos relacionados entre sí. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral es el de profundizar en el conocimiento del impacto de los incendios forestales sobre la MOS en relación con los cambios en la repelencia al agua del suelo, empleando para ello técnicas avanzadas de análisis molecular. Debido al elevado número de variables que pueden influir en la repelencia al agua del suelo y la alteración química de la materia orgánica tras el fuego, para este estudio se eligieron los suelos arenosos del Parque Nacional de Doñana, suelos bien conocidos y poco complejos. En todo caso, para conocer el efecto del fuego, se ha seguido el esquema clásico de comparación de suelos quemados con suelos no afectados (control), de idénticas características geomorfológicas y climáticas. La repelencia al agua es una de las principales propiedades edáficas afectadas por los incendios forestales. Esta propiedad física reduce la afinidad del suelo por el agua, lo que conlleva importantes consecuencias hidrológicas, geomorfológicas y ecológicas en los ecosistemas terrestres. Los cambios inducidos por el fuego sobre esta propiedad pueden deberse a numerosos factores, aunque se admite que la principal variable implicada es la alteración que produce en la MOS, y en particular en su fracción más lábil (fracción lipídica) que tiene un marcado carácter hidrofóbico. Debido a sus implicaciones medioambientales, actualmente existen innumerables trabajos sobre los efectos del fuego en la MOS y la repelencia al agua, que se revisan en el capítulo 1. Sin embargo, el estado actual del conocimiento muestra algunas lagunas y aspectos insuficientemente estudiados, bien debido a la complejidad inherente al sistema suelo o bien por la falta de técnicas analíticas adecuadas. Numerosos trabajos científicos indican que tanto el tipo de vegetación, como la composición química de la MOS influyen marcadamente sobre la repelencia al agua en el suelo. Estos trabajos se han centrado principalmente en el estudio de suelos completos tanto en superficie como a diferentes profundidades. Sin embargo, la información existente sobre la influencia de la materia orgánica y la vegetación en el grado de hidrofobicidad de diferentes fracciones físicas del suelo es limitado. Este aspecto se estudia en detalle en el capítulo 3. En concreto se estudia la relación entre suelos bajo diferentes cubiertas vegetales, dominadas por alcornoques (Quercus suber), helecho águila (Pteridium aquilinum), pino piñonero (Pinus pinea) y jaguarzo (Halimium halimifolium), la cantidad y calidad de la materia orgánica, y la repelencia al agua en cuatro fracciones de tamaño de partículas (1-2, 0.25-1, 0.05-0.25 y <0.05 mm). Observamos que el grado de hidrofobicidad era significativamente diferente, tanto entre los suelos bajo diferente cubierta vegetal como entre las distintas fracciones granulométricas, siendo las pertenecientes a los suelos bajo alcornoque las que presentaron mayor severidad de repelencia al agua. Además se demuestra una relación entre la cantidad de MOS y el grado de repelencia al agua. Por otro lado, el análisis molecular de la materia orgánica de las fracciones mediante técnicas de pirólisis analítica mostró que existe una relación entre la calidad de MOS y la hidrofobicidad, la presencia de ácidos grasos de cadena larga y el grado de humificación (evolución) de la MOS en las diferentes fracciones. El impacto del fuego sobre la repelencia al agua y la MOS se estudió especialmente bajo alcornocal, debido al mayor aporte orgánico de este tipo de vegetación al suelo, a la severa repelencia al agua que se presenta y a su carácter de especie pirófila. Para la realización de este estudio más detallado se amplió a 6 el número de fracciones de suelo (1-2, 0.5-1, 0.25-0.5, 0.1-0.25, 0.05-0.1 y <0.05 mm), incluyendo también la muestra completa. Se sabe que los incendios forestales causan impactos ambientales en los suelos y que estos tienen relación con modificaciones en la MOS. El fuego favorece la modificación o la formación de nuevas estructuras químicas, además de contribuir a pérdidas o ganancias de masa, tales como el aporte de biomasa fresca o más o menos carbonizada. Esta idea ha predominado en el enfoque de un gran número de trabajos de investigación, que se han centrado principalmente en el estudio de suelos completos o de algunos de sus horizontes. Sin embargo los conocimientos sobre el efecto del fuego en sus fracciones granulométricas son poco conocidos y es por ello que consideramos relevante dar respuesta a preguntas tales como i) ¿Tiene la misma composición química la materia orgánica presente en las diferentes fracciones de suelo? ii) ¿Ejerce el fuego el mismo impacto en cada una de las fracciones? o iii) ¿Qué tipo de reacciones químicas induce el fuego en las diferentes fracciones de suelo? En los capítulos 4, 5 y 6 se plantea dar respuestas a estas preguntas, mediante estudios detallados de la composición molecular de la materia orgánica presente en las diferentes fracciones. Para ello utilizamos técnicas analíticas avanzadas como la espectrometría de masas de relaciones isotópicas de carbono e hidrógeno (13C y 2H, respectivamente) (capítulo 4), pirólisis analítica (capítulo 5) y la espectrometría de masas de resolución ultra-alta (capítulo 6). El estudio de la composición isotópica de 13C confirma la existencia de dos compartimentos de materia orgánica con diferentes grados de evolución. Las fracciones más gruesas contienen materia orgánica poco evolucionada, empobrecida en 13C y con valores de δ13C similares a la biomasa foliar, mientras que las fracciones finas mostraron una materia orgánica más evolucionada, enriquecida en 13C. El fuego no produjo cambios en dicha tendencia, aunque sí se observó un aumento del contenido de 13C en todas las fracciones afectadas. Esto puede atribuirse a una eliminación selectiva de compuestos ligeros (menor contenido de 13C) o a la incorporación de material parcialmente quemado. El estudio de la composición isotópica de 2H mostró la existencia de dos compartimentos diferenciados de agua en los primeros centímetros del suelo y dependientes del tamaño de partículas. No se observó un comportamiento homogéneo de la composición de 2H tras el fuego. Los resultados obtenidos incentivaron la realización de un estudio más detallado (capítulos 5 y 6) de composición molecular de la materia orgánica y sobre los diferentes mecanismos de reacción inducidos por el fuego, centrando ahora la atención en las fracciones de tamaño más grueso (1-2 mm) y más fino (<0.05 mm). Para ello, se usaron herramientas de interpretación gráfica como los diagramas de van Krevelen y masa de Kendrick, así como el uso de diferentes índices o proporciones geoquímicas (tales como: el índice de carbono preferente de alcanos de cadena larga, C>24, y el ratio alcanos de cadena corta/larga, C<24/C≥24). El análisis de la composición de la materia orgánica confirmó, de nuevo, la existencia de dos compartimentos bien diferenciados de carbono orgánico en los primeros centímetros del suelo y demostró que el fuego influye de manera diferente sobre cada compartimento. En la fracción más gruesa (1-2 mm), influenciada por material lignocelulósico, el fuego produjo una eliminación de compuestos lipídicos y un aumento de aromáticos, con relativa alta contribución de material derivado de lignina. Esto puede deberse a una aportación a posteriori a esta fracción de material parcialmente quemado. Por su parte, la materia orgánica más humificada presente en la fracción fina y constituida principalmente por compuestos lipídicos y proteicos, no mostró una variación significativa tras el fuego. Sin embargo, sí se detectó un incremento de compuestos piromórficos de origen exógeno, como hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPA), junto con un aumento relativo de derivados de lignina. La diferencia en la composición molecular entre las fracciones estudiadas indicó que el fuego induce reacciones diferentes dependiendo de la calidad de la MOS presente. Las variaciones en el índice de carbono preferente y en la proporción de alcanos de cadena larga apuntan hacia la existencia de procesos de rotura térmica (craqueo). A su vez, el fuego indujo reacciones de condensación, aumentando el grado de aromaticidad de la MOS. Sin embargo, en la fracción más gruesa, el fuego favoreció reacciones de reducción, observándose una disminución de la proporción atómica O/C sin alteración de la proporción H/C. Por lo tanto, es posible que el fuego alterase las zonas más externas y accesibles de las macromoléculas orgánicas, eliminando grupos funcionales que contienen oxígeno pero sin alterar las estructuras moleculares principales. En otros trabajos científicos se ha relacionado la repelencia al agua en el suelo con la calidad, y en especial con la proporción y composición de determinados compuestos lipídicos. El capítulo 7 aborda el estudio del efecto del fuego sobre la composición lipídica, mediante técnicas cromatográficas cuantitativas, de la materia orgánica presente en las diferentes fracciones de un suelo arenoso bajo alcornoque y su relación con los cambios en el grado de la repelencia al agua en el suelo. Los principales resultados mostraron que, después de un incendio, el grado de repelencia al agua en cada una de las fracciones de suelo estudiadas varió significativamente (p<0.05). Al igual que se observó en el capítulo 3, se obtuvo una relación entre la cantidad y calidad de la MOS y la repelencia al agua en el suelo sin quemar. El análisis de la composición lipídica, dividida en compuestos ácidos y neutros, confirmó la existencia de dos compartimentos de carbono orgánico en el suelo y que el fuego provoca alteraciones diferentes en cada una de ellas. Después del fuego, en todas las fracciones quemadas a excepción de la más gruesa (1-2 mm), los ácidos grasos de cadena larga aumentaron. Este hecho sugiere la existencia de un aporte de material parcialmente quemado con una contribución relativamente alta de compuestos derivados de ácidos grasos de pequeño tamaño, lo que confirma la aportación exógena de material parcialmente calcinado derivado de la suberina del corcho. La disminución tanto de la cantidad como de la longitud de las cadenas ácidas en la fracción más gruesa quemada vuelve a confirmar la existencia de una reacción de rotura térmica producida por el fuego. Este craqueo se ha observado también en las series de n-alcanos. Finalmente, el análisis comparativo de la repelencia al agua en el suelo con respecto a las diferentes variables estudiadas, señala que la repelencia al agua depende tanto de la cantidad como de la calidad de la materia orgánica, y que está particularmente relacionada con la presencia de ácidos grasos de cadena larga, pudiéndose considerar como biomarcadores subrogados de la hidrofobicida en suelos arenosos.

Author dc:creator

• Jiménez Morillo, Nicasio T.

Advisors dc:contributor.advisor

• Jordán López, Antonio
• González Pérez, José Antonio
• Martínez Zavala, Lorena María

Statement dc:rights

• Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional

Licence dc:rights.uri

• http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/

Language dc:language.iso

eng

Handle dc:identifier.uri

http://hdl.handle.net/11441/63965

OAI identifier oai:identifier

oai:idus.us.es:11441/63965