Ecohydrology of mediterranean headwater catchments the role of forest in the redistribution and isotopic modification of water fluxes

Abstract

Aquesta tesi té com a objectiu analitzar el paper de la coberta forestal en la redistribució dels fluxos d’aigua, amb la finalitat de millorar el coneixement sobre el funcionament hidrològic de les conques Mediterrànies de capçalera. L’estudi s’ha realitzat a les conques d’investigació de Vallcebre, representatives dels ambients mediterranis de muntanya. Els processos hidrològics s’han estudiat a diferents escales espai-temporals a partir de mesures continues de pluja, trascol, escolament cortical, escorrentia, variables meteorològiques i mostreig dels isòtops estables de l’aigua. Els resultats obtinguts a escala de parcel·la, en un bosc de Pi roig (Pinus sylvestris L.) i un de roure martinenc (Quercus pubescens Willd.) han demostrat que l’escolament cortical, malgrat representar un percentatge petit de la pluja incident, representa una concentració important d’aigua i partícules directament a la base dels arbres. L’escolament cortical és el resultat d’una combinació complexa de factors biòtics i abiòtics, augmenta a major volum de pluja, però la duració de la pluja, la intensitat o la demanda evaporativa determinen la seva dinàmica temporal. D’altra banda, la mida dels arbres determina la diferent resposta d’individus de la mateixa espècie. En canvi, entre espècies, les diferències estan determinades per la capacitat d’emmagatzemar aigua a l’escorça o les diferents taxes d’evaporació. L’anàlisi de les partícules transportades pel trascol i l’escolament cortical, indica que la interacció entre la matèria particulada i les superfícies vegetals afecta a la mida i a la retenció de partícules. En general, la presència de fulles als roures incrementa la mida de les partícules, i les acícules dels pins augmenten la retenció de partícules. Finalment, cal destacar la pols del Sàhara com una font important de partícules a la zona d’estudi. Hem observat diferències isotòpiques entre l’aigua de pluja, el trascol i l’escolament cortical. Els processos de fraccionament isotòpic són més evidents per als episodis de baixa magnitud, en els que les capçades no s’arriben a saturar del tot. Aquests processos són deguts a una mescla de factors, per exemple l’evaporació pot ser el factor determinant a l’inici de la pluja, tot i que en condicions d’alta humitat ambiental, l’intercanvi isotòpic (entre aigua i vapor d’aigua) pot adquirir rellevància. En episodis on el senyal isotòpic varia al llarg de la pluja, la retenció de part de la pluja a les fulles i troncs pot produir tan enriquiment com empobriment. A escala de conca, hem observat que el senyal isotòpic de la pluja, a més de canviar per l’efecte de la coberta, canvia al variar el gradient d’elevació. Amb aquesta informació, hem analitzat l’efecte de la variabilitat espai-temporal del senyal isotòpic d’entrada a la conca de Can Vila sobre els resultats de la separació d’hidrogrames. Els resultats mostren que tot i que els hidrogrames estan dominats per aigua pre-existent a la conca, per algunes crescudes, la contribució d’aigua pre-existent pot variar significativament en funció de la localització del senyal isotòpic d’entrada utilitzat. La comparació dels resultats obtinguts en la separació d’hidrogrames utilitzant diferents senyals isotòpics d’entrada amb els resultats obtinguts utilitzant un senyal mitjà, ha permès definir una estratègia de mostreig “intel·ligent” que millora les separacions d’hidrogrames basades en isòtops estables a escala de petita conca. En conjunt, els resultats d’aquesta tesi destaquen el rol de l’escolament cortical com a flux preferencial d’aigua i nutrients, que pot afavorir els processos biogeoquímics a la base dels arbres. A més, els resultats recalquen que la variabilitat del senyal isotòpic de la pluja, degut als processos d’intercepció i gradients d’elevació, s’ha de tenir en compte per millorar la comprensió dels processos hidrològics en conques Mediterrànies de capçalera.

The present dissertation aims to analyse the role of forest cover on the redistribution of water fluxes and improve the current knowledge on hydrological functioning of Mediterranean headwater catchments. This study has been carried out in the Vallcebre research catchments, an area representative of these Mediterranean mountain environments. Continuous measurements of rainfall, throughfall, stemflow, runoff, meteorological data and stable isotopes of water have been used to investigate hydrological processes at different spatio-temporal scales. At the plot scale, the findings obtained from a Scots pine (Pinus sylvestris L.) and downy oak (Quercus pubescens Willd.) forest plots have shown that stemflow, despite being only a small portion of the incident precipitation, is a substantial source of water and particulate matter at the base of trees. Stemflow is the result of a complex combination of biotic and abiotic factors, it increases with the event size but the duration of rainfall, intensity or the evaporative demand highly influence its temporal dynamics. In addition, we have found the size of trees to be the main factor producing differences among individuals of each species. However, between species, main stemflow differences have been attributed to different bark storage capacities and different evaporation rates. Besides, through the analysis of the particles contained in throughfall and stemflow, we have observed that the interaction between particulate matter and vegetative surfaces affects the size and the retention of particles. In general, the presence of leaves in oaks increases the size of particles, and needles of pines enhance its retention. We have also found that Saharan dust events are a substantial source of particulate matter in the study area. Isotopic differences among rainfall, throughfall and stemflow have been observed. Fractionation processes are more evident for events of low rainfall amount, when canopies are not completely saturated. They can be caused by a mixture of factors, for example, evaporation is more likely to have a higher impact at the beginning of rainfall, however, under low evaporation conditions, isotopic exchange (between water and vapour) may acquire more relevance. In addition, for rainfall events with temporal variations of the isotopic composition, the retention of part of the final portion of rainfall on leaves and stems can also produce isotopic differences in both directions, enrichment or depletion. At the catchment scale we have found that, in addition to the isotopic changes produced by canopy interception processes, the isotopic composition of rainfall also varies along an elevation gradient. Throughout the Can Vila catchment and for several runoff events, the effect of the spatio-temporal variability of the input isotopic signal on hydrograph separation results has been tested. Results have shown that although the Isotopic Hydrograph Separations are dominated by pre-event water, for some floods, the pre-event water contribution can differ significantly depending on the single location of the input isotopic signal used. Comparing hydrograph separation results obtained using different single input signals, with results obtained using a catchment scale input isotopic signal, we could determine the most representative sampling location and define a “smart” sampling strategy for improving Isotopic Hydrograph Separations at the small catchment scale. Overall, findings gathered in the present dissertation highlight the role of stemflow as a preferential flow path of water and nutrients that can enhance biogeochemical processes at the base of trees during rainfall events. Results also emphasize that the isotopic variability of rainfall, due to canopy interception processes and elevation gradients, has to be taken into account for a better understanding of the hydrological processes in Mediterranean headwater catchments.