EL BOSC DE RIBERA, ENTRE LA CONCA I EL RIU
Francesc Sabater Departament d’Ecologia Universitat de Barcelona
Perspectives en ús de l’aigua als ecosistemes terrestres 25 Novembre 2008
V Jornada CREAF-SCB-ICHN
Defining Riparian zones:
Zone of influence Stream Corridor
(1) Riparian areas are transitional between terrestrial and aquatic ecosystems are distinguished by gradients in biophysical conditions, ecological processes, and biota. They include those portions of terrestrial ecosystems that significantly influence exchanges of energy and matter with aquatic ecosystems (i.e., a zone of influence)... They are areas through which surface and subsurface hydrology connect water bodies with their adjacent uplands. (1) source: National Research Council; USA
Surface and Subsurface hydrology connections
Fluxes d’aigua del freàtic (groundwater sources) Fluxes d’escolament a través del subsol de la conca (subsurface flow) Fluxes d’escorrentia superficial (overland flow) Fluxes de recàrrega fluvial: hiporreica i superficial (channel sources)
Riparian Upland
Mesic Regions
Riparian
Xeric Regions
Connexions hĂdriques: (channel sources)
Active channel
Gaining reach
Riparian
Upland
Active channel
Losing reach
Objectives: A Does the riparian groundwater compartment regulate the stream discharge? 1. Analysing the relationship between Rain inputs and Runnoff fluxes and the source of its variability 2. Description of hydrologic interactions between stream water and the riparian groundwater compartment
B
Have Mediterranian riparian zones enough buffer capacity to retain nitrogen from diffuse sources?
3. Role description of riparian zones to retain diffusing nitrogen loads 4. Annual mass-balance of nitrogen to estimate the buffer capacity of the riparian zone in “Riera de Fuirosos�
Conca de la Riera de Fuirosos (Montnegre)
Clima Mediterrani (estius secs, hiverns suaus). Temperatura mitjana: 3º (Gener) – 24º (Agost) Precipitació mitjana anual (30 anys): 750 mm < 70 dies any -1 Conca Àrea: 16.5 km2 Granítica: (leucogranit + granodiorita) Forestada (Quercus ilex; Q. suber i Pinus pinea)
Riera Fuirosos (3è ordre): règim intermitent
Fuirosos Stream Watershed Recerca des del 1998 sobre: El paper del bosc de ribera Respostes hidrogeoquímiques Inferir les càrregues de nutrients Mesures de retenció de nutrients
N E
W S
Deciduous (14 %) Oak (45.4 %) Coniferous (38.7 %) Agriculture (1.2 %) Grassland (0.6 %) Urban (0.1 %)
Transition
Wet
Vegetative
Drought
(October)
(February)
(April)
(June)
1998-1999
1999-2000
2000-2001
2001-2002
Q (L/s)
104
537 mm
473 mm
682 mm
838 mm
103 102 101 10 12 2 4
6
8 10 12 2
4
6
8 10 12 2
4
6
8 10 12 2 4
TRANSITION AUTUMN WET SPRING VEGETATIVE SUMMER DROUGHT Summer drought: Runoff / rainfall:
6
8
Time (months)
81 days 10%
73 days
75 days
0 days
8%
14%
26%
200
15 0
Discharge (L/s)
10 0
50 0 o n d e f ma m
a s o n d e f ma m
a s o n d e f ma m
a s o n d e
70 60 pluja (m m )
50 40 30 20 10 0
70
120
60
100
50
80
40
60
30
40
20
20
10 0
0
D è ficit h íd ric d el s ò l (m m )
p lu ja efec tiv a (m m )
o n d e f m a m j j a s o n d e f m a m j j a s o n d e f m a m j j a s o n d e
σ ∼ f(?) 1:1
HERx = (Px-Ix) - SMDx-1 – AETx
if (Px-Ix) > SMDx-1 +AETx
HERx = 0 if (Px-Ix) < SMDx-1 +AETx HER : Hydrologically Effective Rainfall SMD: Soil Moisture Deficit AET : Actual Evapotranspiration P : Precipitation I : Rainfall Interception
Runoff flux
o n d e f mam j j a s o n d e f mam j j a s o n d e f mam j j a s o n d e
Storage+ET σ Rain flux
Hydrological responses: during Wet Period: 1:1
106
(m3 event-1)
104
Runoff Flux
105
102
r2 = 0.84 ; d.f.=31; p<0.001
103
Ď&#x192;
10
November - May
1 10-1 104
105
Rain Flux
106 (m3 event-1)
5 106
Hydrological responses:
Summer and early autumn period 1:1
106
Runoff Flux
(m3 event-1)
105
r2 = 0.26 ; d.f.=46; p<0.05
104 103
Ď&#x192;
102 10
June - October
1
?
10-1 104
105
Rain Flux
106 (m3 event-1)
5 106
1:1
105
105 (m3 event-1)
106
104 103 102 10 1 10-1 104
10 L 105
Rain Flux
m-2
106 (m3 event-1)
5 106
Runoff Flux
Runoff Flux
(m3 event-1)
1:1
106
104 103 102 10
30 L m-2
1 10-1 104
105
Rain Flux
106
5 106
(m3 event-1)
Elevada variabilitat en les repostes de “Runnoff fluxes” per una mateixa precipitació
Wet Period Summerâ&#x20AC;&#x201C;Autumn Period
event-1)
(m3
Runoff Flux
1:1
106 105 104 103 102 10 1 10-1 4 10
105
Rain Flux
106 5 106 -1 event )
(m3
Riparian Groundwater level Stream water level Summer- early autumn period
-10 -30 -50 -70
Wet period
Wet period -90 -110
4/4
30/1
26/11
22/9
19/7
15/5
11/3
5/1
-130
Relació causa-efecte entre el volum d’aigua freàtica a la zona de ribera i l’evapotranspiració.
Transpiració (L/ m2dia)
LAI (m2/m2)
6 LAI Caiguda de
4
Nivell freàtic
- 20 - 40
fulles a l’estiu
- 60 3 - 80
Transpiració
2
-100 1
-120
PRIMAVERA
Summer (dry period)
Autumn (Transition Period)
La disponibilitat de l’aigua freàtica condiciona la productivitat dels arbres de ribera i el cabal fluvial
Nivell freàtic (cm)
Rª Fuirosos (Montnegre)
Connexions hídriques: (channel sources) ET
ET
Nivell freàtic
Overland flow
Primavera
Estiu
Tardor
(flux reversible)
En períodes d’eixutesa estival, el volum d’aigua transpirat és d’una magnitud molt similar a la disminució diària del nivell del freàtic. Durant l’ESTIU l’aigua circulant pel riu recarrega l’aqüífer de la ribera; i en conseqüència, el cabal disminueix notablement, fins el punt que el sistema fluvial esdevé temporal. En una parcel.la de 1000 m2 de bosc de ribera a la Riera de Fuirosos (de 1380 peus/ha), la taxa promig de transpiració estimada és de 3800 litres /dia (En òptimes condicions de llum i de disponibilitat d’aigua, la franja de vegetació de ribera d’uns 100 m lineals de la Rª de Fuirosos transpira uns 5000 litres diaris)
100
8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8
10
80
20
Air temperature (ยบC)
30
Air temperature
Q (m3/s)
40
r2 = 0.54, p <0.0001
3-year period
1 0.1 0.01
20 10 12 2
10
0.15
0
0
Soil moisture deficit
20
4
6
8 10 12 2
4
6
8 10 12 2
4
6
8
r2 = 0.67, p <0.01
DRY
0.10
0.05
40
0.00
60
10
80
50
10
Q (m3/s)
30 20
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
r2 = 0.62, p <0.01
WET
Hydrologically effective rainfall
40
HER (mm)
INCA simulation
60
0
SMD (mm)
Measured
Rainfall
Q (m3/s)
Rainfall (mm)
120
1 0.1 0.01
10 0 8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8 10 12 2 4 6 8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
Rain
ET
Soil
Diffuse Runoff
Soil Runoff
Storage
Stream
Groundwater Grw. Runoff
Export
Does the riparian compartment should be included in a watershed-hydrology modelling?
STUDY SITE
Riparian section view:
Hillslope Line 4
Riparian zone
5 Line 3
3
0.38<ks<0.85
Line 2
Soil+ Gravel
meters
1
Line1
Stream
0.002< ks <0.007
-1
0.5< ks <0.8 0.0004< ks <0.001
-3
Gravel
0.12< ks <0.45
-5
0.05< ks <0.12
Meteorized bed rock -7
Granite bed rock -9 20
16
12
8
4
0
Distance from the stream channel (m)
-4
-8
STUDY SITE
down-stream
up-stream
stream 0
Distance from stream (m)
15
stream edge zone
16
14 13 12
5
25
11
23
26
mid zone
24
22 21
10
36
35 33
34
32
31
hillslope zone
15 42 41
43
44
45 46
20
Agricultural field Agricultural field Stream water Ground water well Stream water pressure sensor Stream flow direction
0
1
2
3
Ground surface elevation above datum (m)
4
Conceptual model Rain
ET
Winter-spring scenario (wet period)
Soil
Diffuse Runoff
Soil Runoff
Percolation
Riparian groundwater
Groundwater
Stream
Grw. Runoff
Riparian groundwater:
Runoff Flux (m3 event-1)
Export
Export
1:1
Rain Flux (m3 event-1)
The wet period:
30
(The Groundwater recharge period)
-10 -30 -50 -70 -90 -110
98
00
29/4
23/2
20/12
16/10
12/8
8/6
4/4
30/1
22/9
19/7
15/5
11/3
5/1
99
26/11
Groundwater near-stream level Stream level
1/11
28/8
-130 24/6
Water level (cm)
10
01
time 13/12/99 24
Near-Stream zone
m
18
12
6
Hillslope zone
0
Groundwater mixing front 0
8
16
24
32
m
40
48
56
Conceptual model Rain
ET
Summer scenario
Soil
Diffuse Runoff
Soil Runoff
Percolation
Groundwater
Stream
Riparian Grw. Runoff
Riparian groundwater:
Runoff Flux (m3 event-1)
Export 1:1
Rain Flux (m3 event-1)
30 10 -10 -30 -50 -70 -90 -110
00
29/4
23/2
20/12
16/10
12/8
8/6
4/4
30/1
22/9
19/7
15/5
11/3
5/1
1/11
99
26/11
98
28/8
-130 24/6
Water level (cm)
The dry period:
01
time
Groundwater near-stream level Stream level
Stream flow
August:
24
m
18
12
6
Groundwater mixing front
0 0
8
16
24
32
m
40
48
56
Conceptual model Rain
ET
transition period scenario
Soil
Diffuse Runoff
Soil Runoff
Percolation
Groundwater
Stream
Riparian Grw. Runoff
Export
Runoff Flux (m3 event-1)
Riparian groundwater:
Export
1:1
Rain Flux (m3 event-1)
The transition period: (The stream recharge period)
30 10
Water level (cm)
-10 -30 -50 -70 -90 -110
Groundwater near-stream level Stream level
99
00
29/4
23/2
20/12
16/10
12/8
8/6
4/4
30/1
22/9
19/7
15/5
11/3
26/11
98
5/1
1/11
24/6
28/8
-130
01
time October
24
Near-Stream zone
m
18
12
6
Hillslope zone
0
Groundwater mixing front 0
8
16
24
32
m
40
48
56
Modelling the non-linear hydrological behaviour of a small Mediterranean forested catchment Medici,C. et al. 2008
A semidistributed model of a series of five connected water tanks, with spatial variability according to the local lithology An additional tank representing the riparian zone was included, which gave the best fit Nashâ&#x20AC;&#x201C;Sutcliffe efficiency index.
Without riparian compartment
Including riparian compartment
Medici,C. et al. 2008
Fuirosos
Alluvial zone (2.1 %) Biotitic granodiorite (21.1 %) Leucogranite (50.9 %) Sericitic schists (23.5 %) Slates, lidites and limestones (2.1 %) Slope alluvium (0.3 %)
N E
W S
70-150 m
2900 m
Alluvial zone
Fuirosos
Grimola 1
0
1 km
Fuirosos : 10.5 km2 Grimola: 3.5 km2
Grimola
Fuirosos storm events Fuirosos September storm events 1000
Grimola storm events Grimola September storm events
r2 = 0.7, p < 0.0001
Runoff (mm)
100 10
1:1
1 0.1 0.01 0.001
r2 = 0.78, p < 0.0001
0.0001 10
100
Rainfall (mm)
Grimola
(A) Conclusions: • Existeix una relació causa-efecte entre el volum d’aigua del freàtic riparià i la evapotranspiració de la zona de ribera • Les variacions de nivell d’aigua en el compartiment riparià responen a les variacions de cabal fluvial i viceversa • La disponibilitat d’aigua en el compartiment riparià explica el grau de dispersió que hi ha en la relació entre els fluxes d’escolament fluvial i la magnitud de les precipitacions • La inclusió d’un nou compartiment riparià dins dels models hidrològics de conca fa millorar el resultat de les simulacions del cabal fluvial.
B
Have Mediterranian riparian zones enough buffer capacity to retain nitrogen from diffuse sources?
3. Role description of riparian zones to retain diffusing nitrogen loads 4. Annual mass-balance of nitrogen to estimate the buffer capacity of the riparian zone in â&#x20AC;&#x153;Riera de Fuirososâ&#x20AC;?
La zona de ribera com a “filtre” de nutrients Flux de nitrat sub-superficial Flux de nitrat superficial (1)
2-10 mg N2O-N /m2 /day
nitrat Zona aeròbica
assimilació
desnitrificació
Nivell de la taula d’aigua Zona anaeròbica
(1) Haycock et al. 1993
Nitrate
Annual export
S. Bernal, Butturini, A. and F. Sabater. 2002. Variability of DOC and nitrate responses to storms in a small Mediterranean forested catchment. HESS 6 (6), 1031-1041.
RÂŞ de Fuirosos (Montnegre)
NICOLAS (EU project)
Efici猫ncia en la retenci贸 de nitrats:
Balanç de Nitrogen a la zona ripariana de la Riera de Fuirosos (Montnegre) 20 m m gN 0.7 n Rai
2
Riparian forest (NPP ~ 300 g C m-2 yr-1)
y-
(~ 16 years old)
1
nitrate WATERTABLE
3.5 g
N m -2
Bed ro
ck
in
gf g N low m -2 y1
y -1
Tree uptake
Groundwater
Dades obtingudes entre 1998 i 2000 dâ&#x20AC;&#x2122;una comunitat mixta de Alnus glutinosa + Platanus hybrida en una parcela de 1000 m2
<0.01 g N m-2 y-1
7.6
Natural N2O Emission
11 g N m-2 y-1
Lea ch
Leaf fall
S o il
5 g N m-2 y-1
Field crop
Stream 5.8 mg N m-2 y-1
Inferring Nitrate sources through EMMA:
C
[NO3-N] Predicted =
ÎŁ ( P [NO -N] ) i
3
i
i =A Pi : proportion of water from the end-member i [NO3-N]i : median NO3-N concentration at the end-member
Streamwater NO3-N (mg/l) Observed- Predicted
94 % of the time 49 % NO3-N export
Hydrological year 2000-2001
6 % of the time 51 % NO3-N export NITRATE DEPLETION
4
76 L /s
3 2
release
1
Obs = Pred
0
retention
-1 -2 101
102
103
104
Q (L /s)
(B) Conclusions 1. La major proporció de la càrrega de NITRATS en aigües fluvials procedeix de l’escolament superficial i sub-superficial durant les crescudes (~ 80%). 2. La desnitrificació a les zones de ribera de la regió mediterrània és insignificant (a la Rª de Fuirosos és <0.01 g N m-2 any-1) comparat amb els fluxes d’emissió que es donen a les zones riparianes humides del Centre-Europa (>0.1 g N m-2 any-1). 3. El balanç de nitrogen de la zona de ribera de la Rª de Fuirosos explica que només un 35% de les entrades difoses de nitrats són assimilades per la vegetació ripariana 4. Per tant, la capacitat neta de retenció de nitrats dels boscos de ribera de la zona mediterrània és força reduïda i només és dóna quan hi ha acumulació de biomassa ripariana 5. La retenció efectiva de nitrats a nivell de tota la conca de Fuirosos només es dóna a cabals per sota dels ~100 L/s
Gràcies per la vostra atenció
Francesc Sabater Departament d’Ecologia Universitat de Barcelona
Perspectives en ús de l’aigua als ecosistemes terrestres
Descomposici贸 de la fulleraca i el retorn dels nutrients al s貌l de ribera Nitrogen Carboni Taxa de descoposici贸 de la fulleraca del Platanus: 0.36 any-1 Fulles de Platanus Nitrogen
Carboni
Fulles de Vern
Taxa de descoposici贸 de la fulleraca del Vern: 1.13 any-1
Varibilitat en la caiguda de fulles (a la Rª de Fuirosos)
(Platanus x hispanica)
Producció de fulles: ~ 580 g /m2 yr (60% de Plàtan i 40% de Vern)
(Alnus glutinosa)
MODEL INPUT DATA
Hydrological model input
HERx = (Px-Ix) - SMDx-1 - AETx
if (Px-Ix) > SMDx-1 +AETx
HERx = 0
if (Px-Ix) < SMDx-1 +AETx
Transition period (summer and early autumn) Rain
ET
Diffuse Runoff
HER : Hydrologically Effective Rainfall SMD: Soil Moisture Deficit AET : Actual Evapotranspiration P : Precipitation I : Rainfall Interception
Soil Runoff
Soil Percolation
Near-Stream Grw.
Grw. Runoff
Export
Stream
Direct interception by the stream and near-stream zone (Area = 8 %)