Retención de nitrógeno y procesos biogeoquímicos en ríos mediterráneos semiáridos : factores medioambientales implicados en su variación espacial y temporal= Nitrogen retention and biogeochemical processes in mediterranean semiarid streams : environmental factors involved in their spatial and temporal variation

Abstract

En paisajes Mediterráneos semiáridos, las prácticas agrícolas, la escasez de agua y la salinidad natural de muchos suelos son, tanto directa como directamente, factores potenciales que pueden controlar la variación de la retención de nitrógeno (N) en ríos. De todos los procesos biogeoquímicos implicados en el ciclo del N, el proceso de desnitrificación es, en comparación, sumamente relevante ya que este proceso es el único capaz de eliminar N del ecosistema de forma permanente. Este proceso, mediado por microorganismos, convierte el nitrato (NO3-) en N gas. El objetivo general de esta tesis es examinar la retención de N en ríos Mediterráneos semiáridos e investigar los factores medioambientales que potencialmente pueden explicar su variación especial y temporal. Cuantificar tasas de desnitrificación y estudiar patrones en su variación, es esencial para entender el funcionamiento de los ríos como base para su manejo y gestión sostenible, especialmente en cuencas que están influenciadas por la agricultura, Por lo tanto, una parte importante de esta tesis de centra en entender como los factores citados arriba pueden impactar las tasas de desnitrificación en ríos. Adicionalmente, se evaluó la eficiencia y capacidad de retención de NO3- a escala de tramo de río, con el objetivo, además, de estimar la contribución del proceso de desnitrificación dentro de la retención total de un ecosistema fluvial. Se midieron la tasas de desnitrificación en sedimentos de varios ríos semiáridos de la provincial de la Cuenca Hidrográfica del Segura, incluyendo ríos afectados por agricultura, ríos temporales afectados por periodos naturales de sequía o estiaje y ríos naturalmente salinos. La desnitrificación se midió siguiendo el método de inhibición por Acetileno, una técnica ampliamente recocida en suelos y sedimentos. Paralelamente, se evaluó la retención de NO3- a escala de tramo de río en varios ecosistemas fluviales, usando técnicas de adición instantánea de nutrientes. Los resultados de esta tesis muestran que la desnitrificación en ríos semiáridos incrementa a lo largo de un gradiente de agricultura, principalmente en respuesta a las elevadas concentraciones de NO3- del agua asociadas a las actividades agrícolas. La recuperación de los procesos biogeoquímicos al re-humedecimiento tras la sequia y el tiempo en el cual las tasas alcanzan los niveles pre-estiaje, pueden depender de condiciones locales intrínsecas al ecosistema fluvial como i) la frecuencia natural de ciclos de intermitencia hídrica ii) del grado de desecación de los sedimentos durante el estiaje y iii) otros factores diferentes al hidrológico que puedan modular las funciones microbianas, como los niveles de nutrientes en el agua. A pesar de que las tasas de desnitrificación tendieron a ser elevadas, su contribución a escala de tramo en la retención global de NO3– en ríos semiáridos fue mínima (≤ 2.16%). Mecanismos alternativos a la desnitrificación, como la asimilación por parte de organismos heterótrofos y la reducción desasimilatoria del NO3– a NH4+ podrían tener un importante papel en la función que tienen los ríos semiáridos, de controlar los flujos de NO3–, especialmente los de agua salina. La salinidad del agua en un gradiente de 0.5 a 13 mS cm-1 no parece ejercer ningún papel en la variación de las tasas de desnitrificacion y de la retención de NO3– a escala de tramo. Sin embargo, bajo condiciones favorables para la desnitrificacion; buena disponibilidad de NO3– y carbono y bajos potenciales redox, valores de salinidad en torno a 40 mS cm-1 puede llegar a afectar negativamente a este proceso.

In Mediterranean semiarid landscapes, agricultural activities, natural water scarcity periods and high salinity of soils are, both directly and indirectly, potential drivers on stream nitrogen (N) processing variation. Among all biogeochemical processes involve in N cycling, denitrification is the only mechanism that removes N permanently from the ecosystem. This pathway is microbially mediated and converts nitrate (NO3-) into N gas under anaerobic conditions. The overarching goal of this dissertation is to examine in-stream N processing in Mediterranean semiarid streams and environmental drivers potentially involved in its spatial and temporal variation. Quantifying stream dentirification rates and studying patterns in their variation are essential to understand the fundamental functioning of temporary streams as a basis for sustainable management, especially in agriculturally affected catchments. Therefore, an important part of this thesis sought to deepen in the understanding of how the aforementioned factors impact on denitrification rates. Denitrification was measured in sediments from several semiarid streams located in the Segura Catchment, including agriculturally affected, temporary o naturally affected by dry periods, and naturally saline. Denitrification was measured using the Acetylene blockage method, a technique widely used in soils and sediments. In parallel, NO3- retention at whole-reach level was also examined in several streams using nutrient pulse additions to investigate the stream capacity to take up additional NO3- and to quantify the contribution of denitrification to the whole-stream retention As widely described in other climatic regions, the results of this thesis indicated that denitrifcation rates in semiarid streams increases following the gradient of increased agricultural influence, mostly in response to high water NO3– concentrations. The recovery of biogeochemical processes' capacity following rewetting of dry sediments, and time in which rates return to pre- drought levels likely depend on the local conditions associated to each stream ecosystem such as i) the dry-wet cycles history, ii) the grade of sediment desiccation during drought and iii) another streams factors driving microbial activities, such as nutrient status. Despite denitrification rates tended to high, in the upper part of the reported range in stream literature, the potential contribution of denitrification to whole-reach NO3 uptake was minimal (≤ 2.16%). Alternative pathways to denitrification, heterotrophic assimilation and dissimilatory NO3– reduction to NH4+ can have a substantial influence on modifying NO3– fluxes in semiarid saline streams. Water salinity in a range of 0.5 to 13 mS cm-1 appears not to be involved in the spatial variation of denitrification rates and whole-reach NO3– uptake. However, salinity values close to 40 mS cm-1 can constraint denitrification rates once no one factor, such as NO3– and redox, limits the mechanisms.