Sediment fingerprinting and hydro-sedimentary monitoring as tools for catchment management in Mediterranean environments

Abstract

[eng] Soil erosion is a natural process that encompasses weathering, transport and deposition of soil particles. These processes are essential in terrestrial geochemical cycles. However, the on- and off-site erosion effects are considered to be one of the most important causes of terrestrial and aquatic ecosystems degradation. The characteristics of the Mediterranean region are marked by complex relationships between natural, human, biotic and abiotic variables. In addition, an irregular rainfall distribution, strong seasonality and the physiographic landscape characteristics promote divergent responses in erosion rates and sediment yields. In this context, the Mediterranean basin has the highest sediment yields in all of Europe. In addition, it is emerging as a hot spot point in Global Change dynamics, especially with reference to climate and land use change, which could generate an increase in erosive and sediment transport processes. At the catchment scale, sediment transfer occurs in hill slopes, between hill slopes and channels or within channels. Information on the nature and relative contribution of sediment sources is a key aspect with regard to designing and implementing erosion control strategies in catchments. The main objective of this thesis is to identify erosion and sediment transport processes in two Mediterranean catchments affected by different global change processes at different spatio-temporal scales, improving current techniques for sediment origin determination (i.e., reducing uncertainties, time and cost) so it can better implemented in catchment management plans. For this purpose, the hydro-sedimentary dynamics and the origin of the sediments has been investigated on the island of Mallorca (Spain), in two small catchments; the Sa Font de la Vila catchment -4.8 km2, affected by wildfires - and the Es Fangar catchment (3.4 km2), affected by land use changes. The combination of sediment fingerprinting and hydro-sedimentary monitoring made it possible to assess its hydro-sedimentary dynamics during the study period. In Sa Font de la Vila, results showed a gradual decrease in contribution from burned sources over time, while in Es Fangar the contributions from crops dominated throughout the study period, without substantial changes. Sediment yields were 6.3 t km2 yr-1 and 4.5 t km2 yr-1 for Sa Font de la Vila and Es Fangar respectively, low results in comparison with other Mediterranean catchments. This was mainly attributed to the calcareous lithology, land uses (in Es Fangar catchment), vegetation recovery (in Sa Font de la Vila catchment) and agricultural terraces. The use of soil colour parameters as tracers was successfully evaluated in the two catchments, confirming its suitability as a fast and inexpensive tracer, even in fire-affected catchments. Furthermore, the strong correlations between the measurements made with a spectro-radiometer and a scanner make colour even more accessible for its implementation in catchment management plans. The experiment on tracer conservatism confirmed that in-channel changes suffered by all the analysed tracers (coefficient of variation x̄ 8.1 ± 8.8%) were generally lower than their spatial variability within the catchment (coefficient of variation x̄ 16.3 ± 18.5%). Furthermore, the colour parameters were the least variable tracers (i.e. the most conservative). with a coefficient of variation of 2.6 ± 2.2%. Finally, it was not possible to identify the activation patterns of different sediment sources combining hydro-sedimentary monitoring and sediment fingerprinting. This was probably caused by Es Fangar's catchment stability in terms of the origin of the suspended sediment. Es Fangar catchment sediment source stability is attributed to lithological characteristics, land uses and the presence of agricultural terraces in the study area. However, events of higher magnitude could exceed the sedimentary (dis)connectivity thresholds of the rest of the sources, promoting a sediment cascade effect. The results presented in this thesis are relevant and represent an advance in the optimization of the sediment fingerprinting technique. Despite some limitations that need to be further investigated, hydro-sedimentary monitoring and sediment fingerprinting used in combination was shown to be very useful for integrated catchment management plans in Mediterranean environments.

[spa] La erosión es un proceso natural que comprende la meteorización, transporte y depósito de partículas del suelo. Estos procesos son esenciales dentro de los ciclos geoquímicos terrestres. Sin embargo, los efectos in situ y ex situ de la erosión se consideran una de las causas más importantes de la degradación de la calidad en ecosistemas terrestres y acuáticos. Las características de la región mediterránea están marcadas por relaciones complejas entre variables naturales, humanas, bióticas y abióticas. Además, una distribución irregular de las lluvias, una marcada estacionalidad y las características fisiográficas del paisaje promueven respuestas divergentes en las tasas de erosión y producción de sedimentos. En este contexto, la cuenca Mediterránea presenta los rendimientos de sedimento más altos de toda Europa. Además, se perfila como un punto crítico de la dinámica del Cambio Global, especialmente en lo que respecta al Cambio Climático y de uso del suelo, lo que podría generar un aumento de los procesos erosivos y de transporte de sedimento. A escala de cuenca de drenaje, la transferencia de sedimentos ocurre en laderas, entre laderas y canales o dentro de canales. La información sobre la naturaleza y contribución relativa de las fuentes de sedimento es un aspecto clave para diseñar e implementar estrategias de control de la erosión en cuencas de drenaje. El objetivo principal de esta tesis es identificar procesos de erosión y transporte de sedimentos en dos cuencas mediterráneas afectadas por diferentes procesos de cambio global a diferentes escalas espacio-temporales, mejorando las técnicas actuales para la determinación del origen de los sedimentos (es decir, reducir incertidumbres, tiempo y costo) para su mejor implementación en planes de gestión de cuencas de drenaje. Para ello, se investigó la dinámica hidro-sedimentaria y el origen de los sedimentos en dos pequeñas cuencas de drenaje de la isla de Mallorca (España); Sa Font de la Vila -4,8 km2, afectada por incendios forestales - y Es Fangar (3,4 km2), afectada por cambios de usos del suelo. La combinación de la técnica sediment fingerprinting y monitoreo hidro-sedimentario continuo permitió evaluar su dinámica hidro-sedimentaria durante el período de estudio. En Sa Font de la Vila, los resultados mostraron una disminución paulatina de las aportaciones de fuentes quemadas a lo largo del tiempo, mientras que en Es Fangar las aportaciones de las zonas de cultivos dominaron durante todo el período de estudio sin cambios sustanciales. Los rendimientos de sedimentos fueron 6,3 t km2 a-1 y 4,5 t km2 a-1 para Sa Font de la Vila y Es Fangar respectivamente, bajos en comparación con otras cuencas mediterráneas. Esto se atribuyó principalmente a la litología calcárea de las cuencas, los usos del suelo (en Es Fangar), la recuperación de la vegetación (en Sa Font de la Vila) y la presencia de terrazas agrícolas. El uso de parámetros de color como trazadores se evaluó con éxito en las dos cuencas, lo que confirma su idoneidad para su uso como un trazador rápido y económico, incluso en cuencas afectadas por incendios. Además, las fuertes correlaciones entre las medidas tomadas con un espectro-radiómetro y un escáner, hacen del color un trazador muy accesible para su implementación en planes gestión. El experimento sobre conservación de las propiedades de los trazadores mostró variaciones bajas en la mayoría de los trazadores analizados (coeficiente de variación x̄ 8,1 ± 8,8%). Estas fueron generalmente menores que su propia variabilidad espacial dentro de la cuenca (coeficiente de variación x̄ 16,3 ± 18,5%). Además, los parámetros de color fueron los trazadores menos variables (i.e. más conservadores) con un coeficiente de variación de 2,6 ± 2,2%. Finalmente, no fue posible identificar los patrones de activación de diferentes fuentes de sedimentos combinando el monitoreo hidro-sedimentario y sediment fingerprinting. Esto fue causado principalmente por la estabilidad de la cuenca de Es Fangar en términos de origen de sedimentos en suspensión. La estabilidad de las fuentes de sedimentos se atribuyó a las características litológicas, usos del suelo y la presencia de terrazas agrícolas en el área de estudio. Sin embargo, eventos de mayor magnitud podrían superar los umbrales de (des)conectividad sedimentaria del resto de fuentes consideradas y activarlas. Los resultados que presenta esta tesis son relevantes y suponen un avance en la optimización de la técnica sediment fingerprinting. Pese a algunas limitaciones que se han de seguir investigando, se demostró que la combinación de monitoreo hidro-sedimentario y sediment fingerprinting es de gran utilidad para los planes de gestión integrada de cuencas de drenaje Mediterráneas.

[cat] L'erosió és un procés natural que comprèn la meteorització, transport i dipòsit de partícules sòl. Aquests processos són essencials dins dels cicles geoquímics terrestres. No obstant això, els efectes in situ i ex situ de l'erosió es consideren una de les causes més importants de la degradació de la qualitat en ecosistemes terrestres i aquàtics. Les característiques de la regió mediterrània estan marcades per relacions complexes entre variables naturals, humanes, biòtiques i abiòtiques. A més, una distribució irregular de les pluges, una marcada estacionalitat i les característiques fisiogràfiques del paisatge promouen respostes divergents en les taxes d'erosió i la producció de sediments. En aquest context, la conca Mediterrània presenta els rendiments de sediment més alts de tot Europa. A més, es perfila com un punt crític de la dinàmica del Canvi Global, especialment pel que fa a el Canvi Climàtic i usos del sòl, la qual cosa podria generar un augment dels processos erosius i de transport de sediment. A escala de conca de drenatge, la transferència de sediments es dona en vessants, entre vessants i canals o dins els canals. La informació sobre la naturalesa i contribució relativa de les fonts de sediment és un aspecte clau per dissenyar i implementar estratègies de control de l'erosió en conques de drenatge. L'objectiu principal d'aquesta tesi és identificar processos d'erosió i transport de sediments en dues conques mediterrànies afectades per diferents processos de Canvi Global a diferents escales espai-temporals, millorant les tècniques actuals per a la determinació de l'origen dels sediments (és a dir, reduir incerteses, temps i cost) per a la seva millor implementació en plans de gestió de conques de drenatge. Per a això, es va investigar la dinàmica hidro-sedimentària i l'origen dels sediments en dos petites conques de drenatge de l’illa de Mallorca (Espanya); Sa Font de la Vila -4,8 km2, afectada per incendis forestals - i Es Fangar (3,4 km2), afectada per canvis d'usos del sòl. La combinació de la tècnica sediment fingerprinting i monitoratge hidro-sedimentari va permetre avaluar la seva dinàmica hidro-sedimentària durant el període d'estudi. A Sa Font de la Vila, els resultats van mostrar una disminució gradual de les aportacions de fonts cremades al llarg del temps, mentre que a Es Fangar les aportacions de fonts de cultius van dominar durant tot el període d'estudi sense canvis substancials. Els rendiments de sediments van ser 6,3 t km2 a-1 i 4,5 t km2 a-1 per a Sa Font de la Vila i Es Fangar respectivament, baixos en comparació amb altres conques mediterrànies. Això es va atribuir principalment a la litologia calcària de les conques hidrogràfiques, els usos de terra (a Es Fangar), la recuperació de la vegetació (a Sa Font de la Vila) i la presència de terrasses agrícoles. L'ús de paràmetres de color com a traçadors es va avaluar amb èxit en les dues conques, la qual cosa confirma la seva idoneïtat per al seu ús com un traçador ràpid i econòmic, fins i tot en conques afectades per incendis. A més, les fortes correlacions entre les mesures preses amb un espectre-radiòmetre i un escàner, fan del color un traçador molt accessible per a la seva implementació en plans gestió. L'experiment sobre conservació de les propietats dels traçadors, va mostrar variacions baixes en la majoria dels traçadors analitzats (coeficient de variació x̄ 8,1 ± 8,8%). Aquestes van ser generalment menors que la seva pròpia variabilitat espacial dins de la conca (coeficient de variació x̄ 16,3 ± 18,5%). A més, els paràmetres de color van ser els traçadors menys variables (i.e. més conservadors) amb un coeficient de variació de 2,6 ± 2,2%. Finalment, no va ser possible identificar els patrons d'activació de diferents fonts de sediments combinant el monitoratge hidro-sedimentari i sediment fingerprinting. Això va ser causa principalment a l'estabilitat de la conca d'Es Fangar en termes d'origen de sediments en suspensió. L'estabilitat de les fonts de sediments s'atribueix a les característiques litològiques, usos de sòl i la presència de terrasses agrícoles en l'àrea d'estudi. No obstant això, esdeveniments de major magnitud podrien superar els llindars de (des)connectivitat sedimentària de la resta de fonts considerades i activar-les. Els resultats que presenta aquesta tesi són rellevants i suposen un avanç en l'optimització de la tècnica sediment fingerprinting. Malgrat algunes limitacions que s'han de seguir investigant, es va demostrar que la combinació de monitorització hidro-sedimentari i sediment fingerprinting és de gran utilitat per als plans de gestió integrada de conques de drenatge Mediterrànies.