Multi-approach investigation of the dynamics of rainfall partitioning fluxes and their implications in a mediterranean environment

Abstract

La intercepció de la precipitació per la capçada dels arbres impedeix que la pluja arribi immediatament a terra, redistribuint-la en forma de trascol i d’escolament cortical. L’objectiu del present treball és investigar el paper de la coberta forestal en la distribució espacial i temporal dels fluxos de trascol i escolament cortical en un bosc Mediterrani. La tesi pretén omplir buits de coneixement utilitzant nous enfocaments ecohidrològics en un bosc de pi roig a les conques de recerca de Vallcebre, una àrea representativa dels ambients Mediterranis de muntanya mitjana. Amb la finalitat de millorar la comprensió de les interaccions bosc-aigua, durant el període 2018-2020 es va monitoritzat, amb alta resolució temporal, la precipitació, el trascol, l’escolament cortical, les variables meteorològiques i la humitat del sòl, i es va mostrejar l’aigua dels diferents fluxos per a la determinació del seu senyal isotòpic. Amb aquesta informació, i determinant les distribucions de mida de gotes de pluja i de trascol, hem investigat la partició del trascol en: trascol per esquitxada, trascol lliure i degoteig de la capçada, i les seves relacions amb els canvis observats en composició isotòpica de cadascun del fluxos. Els resultats indiquen que el trascol per esquitxada és més gran al principi dels esdeveniments, així com ho és el dèficit de pressió de vapor. Aquesta etapa inicial coincideix amb un enriquiment isotòpic del trascol respecte el senyal isotòpic de la pluja. Un trascol més gran per esquitxada i un dèficit de pressió de vapor també més elevat indiquen que l’enriquiment isotòpic es produeix per l’evaporació de les gotes de mida petita que formen les esquitxades. Paral·lelament, es van analitzar les diferències isotòpiques entre la pluja, el trascol i l’escolament cortical. Els resultats indiquen que el trascol és més enriquit que la pluja, i que l’escolament cortical ho és que el trascol. D’altra banda, es van també observar diferències estacionals, el trascol estava més empobrit durant el període vegetatiu, mentre que l’escolament cortical estava més enriquit. No es va observar relació entre les variables meteorològiques i les diferències isotòpiques entre el trascol o escolament cortical i la pluja. El fraccionament isotòpic va ser causat per una combinació de diferents factors al llarg de l’esdeveniment, essent l’evaporació el més rellevant durant l’etapa inicial dels esdeveniments, mentre que els processos de selecció van dominar al final dels esdeveniments. No obstant, una barreja d’aigües pot produir-se al llarg d’un mateix esdeveniment. L’escolament cortical és un flux d’entrada d’aigua, concentrat i químicament enriquit, que en infiltrar-se altera la humitat i la química del sòl a les zones properes als troncs dels arbres. Mentre que molts estudis han examinat la producció d’escolament cortical de diferents espècies d’arbres, no coneixem cap treball que hagi avaluat la distribució de l’escolament cortical al voltant del tronc dels arbres abans d’arribar a terra. D’altra banda, només alguns estudis han explorat la dinàmica d’infiltració de l’escolament cortical (l’efecte de doble embut). Els resultats del nostre estudi mostren una distribució no uniforme de l’escolament cortical pel tronc, és a dir que mostra camins preferencials. Aquests camins preferencials es poden relacionar amb factors biòtics i, en menor mesura, amb factors abiòtics. Mitjançant la realització d’un experiment de simulació de l’escolament cortical al camp, amb aigua marcada amb dos traçadors, vam poder determinar la influència de l’escolament cortical en la dinàmica de la humitat del sòl a la base d’un arbre. Vàrem observar que l’escolament cortical es va infiltrar principalment al llarg de les arrels gruixudes i a través dels macropors, i vam demostrar, amb un conjunt de mètriques, el predomini del flux preferencial.

La interceptación de la precipitación por el dosel arbóreo impide que la lluvia llegue inmediatamente al suelo, redistribuyéndola en forma de trascolación y escorrentía cortical. El objetivo de la presente investigación es investigar el papel de la cubierta forestal en la distribución espacial y temporal de los flujos de trascolación y escorrentía cortical en un bosque Mediterráneo. La tesis pretende llenar vacíos de conocimiento utilizando enfoques ecohidrológicos en un bosque de pino silvestre en las cuencas de investigación de Vallcebre. Con la finalidad de mejorar la comprensión de las interacciones bosque-agua, durante el período 2018-2020 se ha monitorizado la precipitación, la trascolación, la escorrentía cortical, las variables meteorológicas y la humedad del suelo, y se ha muestreado el agua de los diferentes flujos para la determinación de su señal isotópica. Con esta información, y determinando las distribuciones de tamaño de gotas de lluvia y de trascolación, hemos investigado la partición de la trascolación en: trascolación por salpicadura, trascolación libre y goteo del dosel, y sus relaciones con los cambios observados en composición isotópica. Los resultados indican que, durante los eventos, la trascolación por salpicadura es mayor al principio de los eventos, así como lo es el déficit de presión de vapor. Esta etapa inicial coincide con un enriquecimiento isotópico de la trascolación respecto a la señal isotópica de la lluvia. Una mayor trascolación por salpicadura y un mayor déficit de presión de vapor indican que el enriquecimiento isotópico fue causado por la evaporación de las gotas de pequeño tamaño que forman las salpicaduras. Paralelamente, se analizaron las diferencias isotópicas entre la lluvia, la trascolación y la escorrentía cortical. Los resultados indican que la trascolación es más enriquecida que la lluvia, y que la escorrentía cortical es más enriquecida que la trascolación. También se observaron diferencias estacionales, la trascolación estaba más empobrecida durante el periodo vegetativo, mientras que la escorrentía cortical estaba más enriquecida. Las variables meteorológicas no mostraron una relación con las diferencias isotópicas entre la trascolación o escorrentía cortical y la lluvia. El fraccionamiento isotópico fue causado por una combinación de factores a lo largo del evento, siendo la evaporación más relevante durante la etapa inicial de los eventos, mientras que los procesos de selección dominaron hacia el final de los eventos. No obstante, durante un mismo evento podía también ocurrir la mezcla de aguas. La escorrentía cortical es un flujo de entrada de agua espacialmente concentrada y químicamente enriquecida, que al infiltrarse altera la humedad y la química del suelo en las zonas cercanas a los troncos de los árboles. Mientras que muchos estudios han examinado la producción de la escorrentía cortical en diferentes especies de árboles, ningún trabajo ha explorado la distribución de la escorrentía cortical alrededor del tronco de los árboles antes de llegar al suelo. Además, sólo pocos estudios han explorado la dinámica de infiltración de la escorrentía cortical. Los resultados de nuestro estudio muestran una distribución no uniforme de la escorrentía cortical por el tronco, lo que significa que la distribución de la escorrentía cortical muestra vías de flujo preferenciales. Estas vías de flujo pueden relacionarse con factores bióticos y, en menor medida, con factores abióticos. Mediante la realización de un experimento en campo de simulación de la escorrentía cortical, con agua marcada con dos trazadores, pudimos determinar la influencia de la escorrentía cortical en la dinámica de la humedad del suelo en la base de un árbol. Observamos que la escorrentía cortical se infiltraba principalmente a lo largo de la superficie de las raíces gruesas y a través de los macroporos, y demostramos, con un conjunto de métricas, la prevalencia del flujo preferencial.

Rainfall interception by forest canopies prevents rainfall from immediately reaching the soil, redistributing it in the form of throughfall and stemflow. The aim of the present research was to investigate the role of forest cover on the spatial and temporal distribution of both flows in a Mediterranean forest. The dissertation aimed to fill some knowledge gaps by using novel ecohydrological approaches in a Scots pine forest in the Vallcebre research catchments, a representative area of Mediterranean middle mountain environments. High temporal resolution monitoring of rainfall, throughfall, stemflow, meteorological variables, and soil water content, as well as water sampling of the different fluxes for the determination of the stable water isotopes signatures in the period 2018-2020, were used to improve the mechanistic understanding of forest-water interactions. With this information, we investigated the throughfall partitioning into splash throughfall, free throughfall, and canopy drip by means of rainfall and throughfall drop size distributions, and their relationships with the observed shift in their isotopic composition. Throughfall types were characterized according to different rainfall classes based on duration and intensity. We found that during rainfall events, splash throughfall was greater at the beginning of the events, as well as the vapour pressure deficit. This initial stage coincided also with the greater throughfall isotopic enrichment with respect to rainfall isotopic signal. Higher splash throughfall and vapour pressure deficit indicated that the isotopic enrichment was caused by splash droplet evaporation. Moreover, isotopic differences among rainfall, throughfall, and stemflow were analysed. Throughfall was more enriched than rainfall and stemflow more than throughfall. Seasonal differences in isotopic shift were also observed, with throughfall being more depleted during the growing season whereas stemflow was more enriched. Meteorological variables did not show a relationship with either throughfall or stemflow isotopic shifts. Isotopic fractionation was caused by a combination of factors occurring throughout the event, with evaporation being more relevant during the initial stage of the events, whereas canopy selection processes (i.e., the possibility of intercepted rainfall to be retained and transmitted asynchronously) dominated towards the end of the events. Nevertheless, intra-event mixing of waters could occur during the same event. Stemflow is a spatially-concentrated and chemically-enriched water flux input, altering soil moisture and chemistry in near-stem areas when infiltrating in the vicinity of tree trunks. While many studies have examined stemflow production among tree species, no known research examined the stemflow distribution around the trunk before reaching the ground. Moreover, only a few studies explored its infiltration dynamics (the double funnelling effect). The results of our study clearly show a non-uniform distribution of stemflow down in the trunk surface, meaning that stemflow distribution shows preferential flow paths. These flow paths are related to biotic factors (trunk lean, bark morphology, and tree neighbourhood), and to a lesser extent to abiotic factors (rainfall intensity peaks). By conducting a field experiment simulating stemflow, labelled with a dual-tracer approach, we were able to determine the influence of stemflow in the soil moisture response at the base of the tree. We observed that stemflow primarily infiltrated along the surface of coarse roots and through macropores, and demonstrate, by a set of metrics, the prevalence of preferential flow. Knowledge of above- and below-ground stemflow distribution and its implications is therefore emphasized. The insights and findings presented in this dissertation will enable forest hydrologists to better characterize the hydrological processes in Mediterranean forest landscapes. In addition, future research lines that could extend and complement our results are also discussed.