Biogeoquímica de les aigües de pluja i de drenatge en alguns ecosistemes forestals del Montseny

Abstract

La circulació de nutrients és un aspecte clau del funcionament dels ecosistemes. Una part substancial del cicle de nutrients en boscos té lloc en solució en l'aigua que flueix a través de l'ecosistema. Quan es començà aquesta tesi, es coneixien molt poc com contribuïen la precipitació, el trascol i l'aigua de les rieres a les entrades, circulació i sortides de nutrients en boscos mediterranis.<br/>Aquest treball pretenia conèixer: (1) els fluxos de nutrients en la deposició global en boscos del Parc Natural del Montseny; (2) com canvien aquests fluxos sota les capçades dels arbres; i (3) quines diferències hi ha entre les concentracions iòniques en l'aigua de les rieres respecte les de la precipitació i el trascol, que puguin indicar retenció o alliberament de nutrients a escala de l'ecosistema.<br/>Es va establir una parcel·la experimental en cadascun de tres rodals de vol tancat: un alzinar (Quercus ilex) a La Castanya; i una fageda (Fagus sylvatica) i una avetosa (Abies alba) a Santa Fe. La deposició global i el trascol es van mostrejar quinzenalment o mensualment, des de finals de 1978 o mitjans de 1979 fins principis de 1981. Es varen mostrejar cinc rieres permanents que drenaven conques bàsicament forestades sobre roques silicatades. La precipitació anual mitjana és d'uns 870 mm a La Castanya i uns 1200 mm a Santa Fe.<br/>La composició química de la deposició global va ser bastant semblant als tres llocs. En promig, la precipitació va ser només moderadament àcida, amb concentracions anuals mitjanes d'hidrogenions, ponderades per volum, equivalents a pHs de 4,6-4,8. Per tant, aquests boscos probablement no estaven gaire afectats per precipitació àcida. El calci va ser l'ió dominant en la deposició global (però no es varen analitzar l'amoni ni el sulfat). Els fluxos mitjans en la deposició global sobre l'alzinar varen ser (en kg/ha/any): Na 4,6; K1,2; Ca 10,5; Mg 1,3; NO3-N 2,3; Cl 8,4 i PO4-P 0,05.<br/>El trascol va ser en promig menys àcid que la deposició global a tots tres llocs, amb concentracions anuals mitjanes de H+, ponderades por volum, equivalents a un pH de 5,1 sota alzina, 4,9 sota faig i 4,7 sota avet. Excepte H+, tots els ions analitzats varen resultar enriquits en el trascol respecte la deposició global; la taxa d'enriquiment va ser màxima per al potassi i mínima per al sodi.<br/>El pH mig de l'aigua de les rieres mostrejades va ser molt més alt que el de la deposició global i el trascol, i va variar entre 6,6 y 7,8. Per tant, la capacitat de neutralització d'aquests ecosistemes va ser bastant gran, fins i tot en les conques d'altitud relativament elevada com les de la fageda i l'avetosa. Les concentracions de Ca, Na i Mg varen ser molt superiors a les rieres que en la precipitació, revelant que les taxes de meteorització dels silicats eren elevades. La meteorització constitueix probablement el principal procés tamponador en les conques estudiades. Les concentracions de nitrat varen ser molt menors en l'aigua de les rieres que drenaven l'alzinar i la fageda que en el trascol i la deposició global, indicant una retenció efectiva de nitrat en aquests ecosistemes.

La circulación de nutrientes es un aspecto clave del funcionamiento de los ecosistemas. Una parte substancial del ciclo de nutrientes en bosques tiene lugar en solución en el agua que fluye a través del ecosistema. Cuando se empezó esta tesis, se sabía muy poco sobre las contribuciones de la precipitación, la trascolación y el agua de los arroyos a las entradas, circulación y salidas de nutrientes en bosques mediterráneos.<br/>Este trabajo pretendía averiguar: (1) los flujos de nutrientes en la deposición global en bosques del Parque Natural del Montseny, cerca de Barcelona (España); (2) cómo cambian estos flujos bajo las copas de los árboles; y (3) qué diferencias había entre las concentraciones iónicas en el agua de los arroyos respecto a las de la precipitación y la trascolación, que pudieran indicar retención o liberación de nutrientes a escala del ecosistema.<br/>Se estableció una parcela experimental en cada uno de tres rodales de dosel cerrado: un encinar (Quercus ilex) en La Castanya; y un hayedo (Fagus sylvatica) y un abetal (Abies alba) en Santa Fe. La deposición global y la trascolación se muestrearon quincenalmente o mensualmente, desde finales de 1978 o mediados de 1979 hasta principios de 1981. Se muestrearon cinco arroyos permanentes que drenaban cuencas básicamente forestadas sobre rocas silicatadas. La precipitación anual media es de unos 870 mm en La Castanya y unos 1200 mm en Santa Fe.<br/>La composición química de la deposición global fue bastante parecida en los tres sitios. En promedio, la precipitación fue solo moderadamente ácida, con concentraciones anuales medias de hidrogeniones, ponderadas por volumen, equivalentes a pHs de 4,6-4,8. Por lo tanto, estos bosques probablemente no estaban muy afectados por precipitación ácida. El calcio fue el ión dominante en la deposición global (aunque no se analizaron el amonio ni el sulfato). Los flujos medios de deposición global sobre el encinar fueron (en kg/ha/año): Na 4,6; K1,2; Ca 10,5; Mg 1,3; NO3-N 2,3; Cl 8,4 y PO4-P 0,05.<br/>La trascolación fue en promedio menos ácida que la deposición global en los tres sitios, con concentraciones anuales medias de H+, ponderadas por volumen, equivalentes a un pH de 5,1 bajo encina, 4,9 bajo haya y 4,7 bajo abeto. Excepto H+, todos los iones analizados resultaron enriquecidos en la trascolación respecto a la deposición global; la tasa de enriquecimiento fue máxima para el potasio y mínima para el sodio.<br/>El pH medio del agua de los arroyos muestreados fue mucho mayor que el de la deposición global y la trascolación, y varió entre 6,6 y 7,8. Por lo tanto, la capacidad de neutralización de estos ecosistemas fue bastante grande, incluso en las cuencas de altitud relativamente elevada como las del hayedo y el abetal. Las concentraciones de Ca, Na y Mg fueron mucho mayores en los arroyos que en la precipitación, revelando que las tasas de meteorización de los silicatos eran elevadas. La meteorización constituye probablemente el principal proceso tamponador en las cuencas estudiadas. Las concentraciones de nitrato fueron mucho menores en el agua de los arroyos que drenaban el encinar y el hayedo que en la trascolación y la deposición global, indicando una retención efectiva de nitrato en estos ecosistemas.

Nutrient cycling is a key aspect of ecosystem functioning. A substantial part of the nutrient cycle in forests takes place in solution in water flowing through the ecosystem. When this thesis was started, little was known about the contributions of precipitation, throughfall and streamwater to nutrient inputs, cycling and outputs in Mediterranean forests.<br/>This work aimed to know: (1) the nutrient fluxes from bulk precipitation onto forests in the Montseny Natural Park, near Barcelona (Spain); (2) to what extent these fluxes changed after canopy interactions; and (3) differences between ion concentrations in streamwater and those in bulk precipitation and throughfall that could reveal whole-system effects on nutrient retention and release.<br/>One experimental plot was established in each of three closed-canopy forest stands: a holm oak (Quercus ilex, an evergreen oak) stand at La Castanya; and a beech (Fagus sylvatica) stand and a fir (Abies alba) stand at Santa Fe. Bulk precipitation and throughfall were sampled biweekly or monthly, from late 1978 or mid-1979 through early 1981. Five permanent streams draining mostly-forested catchments on silicate bedrocks were sampled. Mean annual precipitation is around 870 mm at La Castanya and around 1200 mm at Santa Fe.<br/>Bulk precipitation chemistry was rather similar at the 3 sites. Precipitation was, on average, only moderately acidic, with mean annual volume-weighted hydrogen ion concentrations equivalent to pHs of 4.6-4.8. Thus, these forests were not likely to be much affected by acidic precipitation. Calcium was the dominant ion in bulk precipitation (though ammonium and sulphate were not analysed). Mean bulk deposition fluxes onto the holm oak stand were (in kg/ha/yr): Na 4.6, K1.2, Ca 10.5, Mg 1.3, NO3-N 2.3, Cl 8.4 and PO4-P 0.05.<br/>Throughfall was on average less acidic than bulk precipitation at all sites, with mean annual volume-weighted H+ concentrations equivalent to a pH of 5.1 under holm oak, 4.9 under beech and 4.7 under fir. Except for H+, all analysed ions were enriched in throughfall compared to bulk precipitation, enrichment being highest for potassium and lowest for sodium.<br/>Streamwater pHs were much higher than those of bulk precipitation and throughfall at all sites: mean pH of streamwater ranged from 6.6 to 7.8 across catchments. Thus, the neutralising capacity of these ecosystems was quite high, even in the relatively high-altitude catchments in the beech and fir sites. Concentrations of Ca, Na and Mg were much higher in streamwater than in bulk precipitation, revealing high rates of chemical weathering of silicates, which probably constitutes the major buffering process in the studied catchments. Nitrate concentrations were much lower in streams draining the holm oak and beech sites than in throughfall and bulk precipitation, indicating effective nitrate retention in these ecosystems.