Soil quality assessment through a multi-approach analysis in soils of abandoned terraced land in NE Spain

The abandonment of agricultural land in mountainous areas has been an outstanding problem along the last century and has captured the attention of scientists, technicians and administrations, for the dramatic consequences sometimes occurred due to soil instability, steep slopes, rainfall regimes and wildfires. Hidromorfological and pedological alterations causing exceptional floods and accelerated erosion processes has therefore been studied, identifying the cause in the loss of landscape heterogeneity. Through the disappearance of agricultural works and drainage maintenance, slope stability has resulted severely affected. The mechanization of agriculture has caused the displacement of vines, olives and corks trees cultivation in terraced areas along the Mediterranean catchment towards more economically suitable areas. On the one hand, land use and management changes have implicated sociological changes as well, transforming areas inhabited by agricultural communities into deserted areas where the colonization of disorganized spontaneous vegetation has buried a valuable rural patrimony. On the other hand, lacking of planning and management of the abandoned areas has produced badlands and infertile soils due to wildfire and high erosion rates strongly degrading the whole ecosystems. In other cases, after land abandonment a process of soil regeneration has been recorded. Investigations have been conducted in a part of NE Spain where extended areas of terraced soils previously cultivated have been abandoned in the last century. The selected environments were semi-abandoned vineyards, semi-abandoned olive groves, abandoned stands of cork trees, abandoned stands of pine trees, scrubland of Cistaceaea, scrubland of Ericaceaea, and pasture. The research work was focused on the study of most relevant physical, chemical and biological soil properties, as well as runoff and erosion under soils with different plant cover to establish the abandonment effect on soil quality, due to the peculiarity and vulnerability of these soils with a much reduced depth. The period of observation was carried out from autumn 2009 to autumn 2010. The sediment concentration of soil erosion under vines was recorded as 34.52 g/l while under pasture it was 4.66 g/l. In addition, the soil under vines showed the least amount of organic matter, which was 12 times lower than all other soil environments. The carbon dioxide (CO2) and total glomalin (TG) ratio to soil organic carbon (SOC) in this soil was 0.11 and 0.31 respectively. However, the soil under pasture contained a higher amount of organic matter and showed that the CO2 and TG ratio to SOC was 0.02 and 0.11 respectively indicating that the soil under pasture better preserves the soil carbon pool. A similar trend was found in the intermediate soils in the sequence of land use change and abandonment. Soil structural stability increased in the two soil fractions investigated (0.25-2.00 mm, 2.0-5.6 mm) especially in those soils that did not undergo periodical perturbations like wildfires. Soil quality indexes were obtained by using relevant physical and chemical soil parameters. Factor analysis carried out to study the relationship between all soil parameters allowed to related variables and environments and identify those areas that better contribute to soil quality towards others that may need more attention to avoid further degradation processes

Avaluació de la capacitat de segrest de carboni d'un sòl restaurat amb fangs de depuradora: paper de les propietats físiques del sòl

S’ha estudiat el grau de protecció física del carboni dins d’agregats de diferents mides en un sòl d’una pedrera restaurada fa 17 anys amb terres adobades amb fangs de depuradora, i s’ha interpretat el seu paper en el context del segrest de carboni en el sòl. La metodologia aplicada es basa en la d’humitejament ràpid dels agregats del sòl per immersió en aigua (Le Bissonnais, 1996), que simula l’estabilitat d'un sòl sec que es veu sotmès a processos tals com la inundació local o saturació ràpida. També s’ha determinat la quantitat de carboni oxidable present en els agregats del sòl amb el mètode de Nelson i Sommers (1982). Els resultats han mostrat que l’adobat amb fangs de depuradora contribueix a augmentar el contingut de carboni orgànic en els agregats del sòl i n’estimula el segrest a mitjà termini (unes 10 tones ha-1 en 17 anys), aportant estabilitat al sòl i protegint físicament el carboni orgànic dins dels agregats de mida major (5-2 mm). A més s’ha constatat que per determinar l’estabilitat del carboni segrestat en el sòl cal conèixer com es distribueix entre les diferents mides d’agregats. Finalment, l’augment del segrest de carboni en el sòl propiciat per l’aplicació dels fangs de depuradora li dóna més capacitat per fixar CO2 atmosfèric.

Climate Change and the Cost of Carbon Sequestration: The Case of Forest Management

The Kyoto protocol allows Annex I countries to deduct carbon sequestered by land use, land-use change and forestry from their national carbon emissions. Thornley and Cannell (2000) demonstrated that the objectives of maximizing timber and carbon sequestration are not complementary. Based on this finding, this paper determines the optimal selective management regime taking into account the underlying biophysical and economic processes. The results show that the net benefits of carbon storage only compensate the decrease in net benefits of timber production once the carbon price has exceeded a certain threshold value. The sequestration costs are significantly lower than previous estimates

Effects of atmospheric carbon dioxide fertilization on biomass and secondary metabolites of some plant species with pharmacological interes under greenhouse conditions

RESUMEN El aumento del CO2 atmosférico debido al cambio global y/o a las prácticas hortícolas promueve efectos directos sobre crecimiento vegetal y el desarrollo. Estas respuestas pueden ocurrir en ecosistemas naturales, pero también se pueden utilizar para aumentar la producción de algunas plantas y de algunos compuestos secundarios. El actual trabajo intenta estudiar los efectos del enriquecimiento atmosférico del CO2 bajo condiciones de invernadero en el crecimiento y la concentración y la composición de metabolitos secundarios de Taxus bacatta, Hypericum perforatum y Echinacea purpurea en condiciones ambientales mediterráneas. La fertilización del CO2 muestra perspectivas interesantes para la mejorara y aplicabilidad de técnicas hortícolas para aumentar productividad de plantas medicinales, a pesar de diferencias claras entre la especie. En general esta técnica promueve aumentos importantes y significativos en producción primaria y, en algunos casos, también en compuestos secundarios. Esto tiene una gran importancia hortícola porque la productividad a nivel de cosecha total aumenta, directamente porque se aumenta la concentración e indirectamente porque se aumenta la biomasa. SUMMARY The increase of atmospheric CO2 due to global change and/or horticultural practices promotes direct effects on plant growth and development. These responses may occur in natural ecosystems, but also can be used to increase the production of some plants and some secondary compounds. Present work tries to study the effects of atmospheric CO2 enrichment under greenhouse conditions on growth and in the concentration and composition of secondary metabolites of Taxus bacatta, Hypericum perforatum and Echinacea purpurea under Mediterranean environmental conditions. CO2 fertilization shows interesting perspectives to increase and improve horticultural techniques in order to increase plant medicinal productivity, in spite of clear differences among the species. In general this technique promotes important and significant increases in primary productivity and, in some cases, also in secondary compounds. This has a great horticultural relevance because the total productivity of this kind of products increase at crop level, directly because concentration is increased and /or indirectly because biomass is increased. RESUM L'augment del CO2 atmosfèric a causa del canvi global i/o a les pràctiques hortícoles promou efectes directes sobre creixement vegetal i el desenvolupament. Aquestes respostes poden ocórrer en ecosistemes naturals, però també es poden utilitzar per a augmentar la producció d'algunes plantes i d'alguns compostos secundaris. L'actual treball intenta estudiar els efectes de l'enriquiment atmosfèric del CO2 sota condicions d'hivernacle en el creixement i la concentració i la composició de metabòlits secundaris de Taxus bacatta, Hypericum perforatum i Echinacea purpurea en condicions ambientals mediterrànies. La fertilització del CO2 mostra perspectives interessants per a la millora i aplicabilitat de tècniques hortícoles per a augmentar productivitat de plantes medicinals, a pesar de diferències clares entre l'espècie. En general aquesta tècnica promou augments importants i significatius en producció primària i, en alguns casos, també en compostos secundaris. Això té una gran importància hortícola perquè la productivitat a nivell de collita total augmenta, directament perquè s'augmenta la concentració i indirectament perquè s'augmenta la biomassa.

C-H···O H-bonded complexes: how does basis set superposition error change their potential-energy surfaces?

Geometries, vibrational frequencies, and interaction energies of the CNH⋯O3 and HCCH⋯O3 complexes are calculated in a counterpoise-corrected (CP-corrected) potential-energy surface (PES) that corrects for the basis set superposition error (BSSE). Ab initio calculations are performed at the Hartree-Fock (HF) and second-order Møller-Plesset (MP2) levels, using the 6-31G(d,p) and D95++(d,p) basis sets. Interaction energies are presented including corrections for zero-point vibrational energy (ZPVE) and thermal correction to enthalpy at 298 K. The CP-corrected and conventional PES are compared; the unconnected PES obtained using the larger basis set including diffuse functions exhibits a double well shape, whereas use of the 6-31G(d,p) basis set leads to a flat single-well profile. The CP-corrected PES has always a multiple-well shape. In particular, it is shown that the CP-corrected PES using the smaller basis set is qualitatively analogous to that obtained with the larger basis sets, so the CP method becomes useful to correctly describe large systems, where the use of small basis sets may be necessary

Efecto de los usos del suelo en la emisión de dióxido de carbono del suelo a la atmósfera en un agroecosistema semiárido del Valle del Ebro

Los cambios en los usos del suelo han contribuido de manera importante al incremento de gases de efecto invernadero en la atmósfera, especialmente de dióxido de carbono, aumentando sus emisiones desde 1970 en un 80%. Estos cambios causan la alteración de los suelos provocando un impacto sobre el ciclo del carbono, aumentando las tasas de descomposición de la fracción orgánica creando así un flujo de CO2 a la atmosfera. Entre las recomendaciones del Panel Intergubernamental de expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, en inglés), y contemplado en el Protocolo de Kyoto, se encuentra el proceso de secuestro de carbono en suelos, que implica la eliminación del CO2 atmosférico por parte de las plantas y su almacenamiento como materia orgánica del suelo. Para poder favorecer dicho proceso, en un determinado tipo de ecosistema, es fundamental conocer cuáles son los factores que gobiernan la respiración del suelo y el impacto que tienen los diferentes usos en la emisión de CO2. En el presente trabajo se han estudiado 4 usos del suelo representativos del secano aragonés: un monocultivo de cebada en siembra directa (NT), un suelo abandonado labrado (AC), un suelo abandonado no alterado (AU) y un suelo forestal (FR) con el objetivo de conocer sus tasas de respiración, la influencia de diferentes parámetros edáficos en ellas, y proponer cambios en el uso del suelo que ayuden a mitigar estas emisiones. Además, se ha dedicado un apartado para conocer cómo influyen diferentes técnicas de fertilización nitrogenada (mineral y orgánica) en la respiración de un monocultivo de cebada en siembra directa. En cuanto a los usos, los resultados obtenidos tanto in situ como en laboratorio muestran una mayor respiración en AC, siendo los valores más bajos los de NT y FR. Una de las principales conclusiones es que la supresión del laboreo y del periodo de barbecho largo, así como la conversión de tierras abandonadas y marginales a cultivos y zonas forestales se presentan en este tipo de ecosistemas como prácticas de secuestro de carbono. En el estudio de aplicación de fertilizantes, no se observó ningún cambio en la respiración del suelo después de la aplicación de nitrógeno mineral. En cambio, el suelo fertilizado con purín sí que mostró picos de emisión durante las siguientes horas a la incorporación de éste, debido fundamentalmente a su alto contenido de carbono lábil.

Fossil resource depletion and climate change emissions: the role of physical constrictions

[spa] En lo que concierne al cambio climático, los pronósticos de cercanos picos de combustible fósiles parecen buenas noticias pues la mayoría de las emisiones proceden de la quema de combustibles fósiles. Sin embargo, esto podría resultar engañoso de confirmarse las enormes estimaciones de reservas de carbón pues puede divisarse un intercambio de combustible fósiles con baja concentración de carbono (petróleo y gas) por otros de mayor (carbón). Ciñéndonos a esta hipótesis desarrollamos escenarios donde tan pronto el petróleo y el gas natural alcanzan su cénit la extracción de carbón crece lo necesario para compensar el descenso de los primeros. Estimamos las emisiones que se deriva de tales supuestos y las comparamos con el peor escenario del IPCC. Si bien dicho escenario parece improbable concluimos que los picos de petróleo y gas no son suficientes para evitar peligrosas sendas de gases de efecto invernadero. Las concentraciones de CO2 halladas superan con creces las 450 ppm sin signos de remisión.

Fossil resource depletion and climate change emissions: the role of physical constrictions

[spa] En lo que concierne al cambio climático, los pronósticos de cercanos picos de combustible fósiles parecen buenas noticias pues la mayoría de las emisiones proceden de la quema de combustibles fósiles. Sin embargo, esto podría resultar engañoso de confirmarse las enormes estimaciones de reservas de carbón pues puede divisarse un intercambio de combustible fósiles con baja concentración de carbono (petróleo y gas) por otros de mayor (carbón). Ciñéndonos a esta hipótesis desarrollamos escenarios donde tan pronto el petróleo y el gas natural alcanzan su cénit la extracción de carbón crece lo necesario para compensar el descenso de los primeros. Estimamos las emisiones que se deriva de tales supuestos y las comparamos con el peor escenario del IPCC. Si bien dicho escenario parece improbable concluimos que los picos de petróleo y gas no son suficientes para evitar peligrosas sendas de gases de efecto invernadero. Las concentraciones de CO2 halladas superan con creces las 450 ppm sin signos de remisión.

Inclusion of soil erosion impacts in life cycle assessment on a global scale: application to energy crops in Spain

Purpose: Despite the fundamental role of ecosystem goods and services in sustaining human activities, there is no harmonized and internationally agreed method for including them in life cycle assessment (LCA). The main goal of this study was to develop a globally applicable and spatially resolved method for assessing land-use impacts on the erosion regulation ecosystem service.Methods: Soil erosion depends much on location. Thus, unlike conventional LCA, the endpoint method was regionalized at the grid-cell level (5 arc-minutes, approximately 10×10 km2) to reflect the spatial conditions of the site. Spatially explicit characterization factors were not further aggregated at broader spatial scales. Results and discussion: Life cycle inventory data of topsoil and topsoil organic carbon (SOC) losses were interpreted at the endpoint level in terms of the ultimate damage to soil resources and ecosystem quality. Human health damages were excluded from the assessment. The method was tested on a case study of five three-year agricultural rotations, two of them with energy crops, grown in several locations in Spain. A large variation in soil and SOC losses was recorded in the inventory step, depending on climatic and edaphic conditions. The importance of using a spatially explicit model and characterization factors is shown in the case study.Conclusions and outlook: The regionalized assessment takes into account the differences in soil erosion-related environmental impacts caused by the great variability of soils. Taking this regionalized framework as the starting point, further research should focus on testing the applicability of the method trough the complete life cycle of a product and on determining an appropriate spatial scale at which to aggregate characterization factors, in order to deal with data gaps on location of processes, especially in the background system. Additional research should also focus on improving reliability of the method by quantifying and, insofar as it is possible, reducing uncertainty.

The global carbon budget:a conflicting claims problem

Despite global environmental governance has traditionally couched global warming in terms of annual CO2 emissions (a flow), global mean temperature is actually determined by cumulative CO2 emissions in the atmosphere (a stock). Thanks to advances of scientific community, nowadays it is possible to quantify the \global carbon budget", that is, the amount of available cumulative CO2 emissions before crossing the 2oC threshold (Meinshausen et al., 2009). The current approach proposes to analyze the allocation of such global carbon budget among countries as a classical conflicting claims problem (O'Neill, 1982). Based on some appealing principles, it is proposed an efficient and sustainable allocation of the available carbon budget from 2000 to 2050 taking into account different environmental risk scenarios. Keywords: Carbon budget, Conflicting claims problem, Distribution, Climate change. JEL classification: C79, D71, D74, H41, H87, Q50, Q54, Q58.

Does soil moisture overrule temperature dependence of soil respiration in Mediterranean riparian forests?

Soil respiration (SR) is a major component of ecosystems' carbon cycles and represents the second largest CO2 flux in the terrestrial biosphere. Soil temperature is considered to be the primary abiotic control on SR, whereas soil moisture is the secondary control factor. However, soil moisture can become the dominant control on SR in very wet or dry conditions. Determining the trigger that makes soil moisture as the primary control factor of SR will provide a deeper understanding on how SR changes under the projected future increase in droughts. Specific objectives of this study were (1) to investigate the seasonal variations and the relationship between SR and both soil temperature and moisture in a Mediterranean riparian forest along a groundwater level gradient; (2) to determine soil moisture thresholds at which SR is controlled by soil moisture rather than by temperature; (3) to compare SR responses under different tree species present in a Mediterranean riparian forest (Alnus glutinosa, Populus nigra and Fraxinus excelsior). Results showed that the heterotrophic soil respiration rate, groundwater level and 30 cm integral soil moisture (SM30) decreased significantly from the riverside moving uphill and showed a pronounced seasonality. SR rates showed significant differences between tree species, with higher SR for P. nigra and lower SR for A. glutinosa. The lower threshold of soil moisture was 20 and 17% for heterotrophic and total SR, respectively. Daily mean SR rate was positively correlated with soil temperature when soil moisture exceeded the threshold, with Q10 values ranging from 1.19 to 2.14; nevertheless, SR became decoupled from soil temperature when soil moisture dropped below these thresholds.

Efecto de los usos del suelo en la emisión de dióxido de carbono del suelo a la atmósfera en un agroecosistema semiárido del Valle del Ebro

Los cambios en los usos del suelo han contribuido de manera importante al incremento de gases de efecto invernadero en la atmósfera, especialmente de dióxido de carbono, aumentando sus emisiones desde 1970 en un 80%. Estos cambios causan la alteración de los suelos provocando un impacto sobre el ciclo del carbono, aumentando las tasas de descomposición de la fracción orgánica creando así un flujo de CO2 a la atmosfera. Entre las recomendaciones del Panel Intergubernamental de expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, en inglés), y contemplado en el Protocolo de Kyoto, se encuentra el proceso de secuestro de carbono en suelos, que implica la eliminación del CO2 atmosférico por parte de las plantas y su almacenamiento como materia orgánica del suelo. Para poder favorecer dicho proceso, en un determinado tipo de ecosistema, es fundamental conocer cuáles son los factores que gobiernan la respiración del suelo y el impacto que tienen los diferentes usos en la emisión de CO2. En el presente trabajo se han estudiado 4 usos del suelo representativos del secano aragonés: un monocultivo de cebada en siembra directa (NT), un suelo abandonado labrado (AC), un suelo abandonado no alterado (AU) y un suelo forestal (FR) con el objetivo de conocer sus tasas de respiración, la influencia de diferentes parámetros edáficos en ellas, y proponer cambios en el uso del suelo que ayuden a mitigar estas emisiones. Además, se ha dedicado un apartado para conocer cómo influyen diferentes técnicas de fertilización nitrogenada (mineral y orgánica) en la respiración de un monocultivo de cebada en siembra directa. En cuanto a los usos, los resultados obtenidos tanto in situ como en laboratorio muestran una mayor respiración en AC, siendo los valores más bajos los de NT y FR. Una de las principales conclusiones es que la supresión del laboreo y del periodo de barbecho largo, así como la conversión de tierras abandonadas y marginales a cultivos y zonas forestales se presentan en este tipo de ecosistemas como prácticas de secuestro de carbono. En el estudio de aplicación de fertilizantes, no se observó ningún cambio en la respiración del suelo después de la aplicación de nitrógeno mineral. En cambio, el suelo fertilizado con purín sí que mostró picos de emisión durante las siguientes horas a la incorporación de éste, debido fundamentalmente a su alto contenido de carbono lábil.

Rhizodeposition of organic carbon by plants with contrasting traits for resource acquisition: responses to different fertility regimes

Background and aims Rhizodeposition plays an important role in mediating soil nutrient availability in ecosystems. However, owing to methodological difficulties (i.e., narrow zone of soil around roots, rapid assimilation by soil microbes) fertility-induced changes in rhizodeposition remain mostly unknown. Methods We developed a novel long-term continuous 13C labelling method to address the effects of two levels of nitrogen (N) fertilization on rhizodeposited carbon (C) by species with different nutrient acquisition strategies. Results Fertility-induced changes in rhizodeposition were modulated by root responses to N availability rather than by changes in soil microbial biomass. Differences among species were mostly related to plant biomass: species with higher total leaf and root biomass also had higher total rhizodeposited C, whereas species with lower root biomass had higher specific rhizodeposited C (per gram root mass). Experimental controls demonstrated that most of the biases commonly associated with this type of experiment (i.e., long-term steady-state labelling) were avoided using our methodological approach. Conclusions These results suggest that the amount of rhizodeposited C from plants grown under different levels of N were driven mainly by plant biomass and root morphology rather than microbial biomass. They also underline the importance of plant characteristics (i.e., biomass allocation) as opposed to traits associated with plant resource acquisition strategies in predicting total C rhizodeposition.