The importance of edaphic niches and spontaneous vegetation for the phytomanagement of mine tailings under semiarid climate

Abstract

[SPA] Las balsas de lodos de flotación o balsas mineras son consideradas las causantes de los principales problemas ambientales asociados a la actividad minera, debido a la dispersión de partículas con alto contenido en metales y metaloides que se produce desde sus superficies desnudas a causa de la erosión hídrica y eólica. Este hecho es especialmente importante cuando las balsas mineras están situadas en las proximidades de zonas naturales protegidas o áreas urbanas, agrícolas o recreativas. El fitomanejo en términos de fitoestabilización (uso de plantas para inmovilizar metal(oid)es en la rizosfera) puede ser una opción apropiada y de bajo coste para la restauración de las balsas mineras. Sin embargo, el éxito de su aplicación aún necesita una mejor comprensión de los factores edáficos, ecológicos y fisiológicos relacionados con el establecimiento de la vegetación sobre estas balsas. La presente Tesis Doctoral se centró en el estudio de los factores edáficos y ecofisiológicos relacionados con la colonización espontánea de las balsas mineras, con el fin de proponer recomendaciones para el fitomanejo, en el contexto de clima semiárido del Distrito Minero de Cartagena‐La Unión (sureste de España). Los objetivos específicos fueron: 1. Describir los gradientes edáficos y la vegetación espontánea asociados a ellos, e identificar los nichos edáficos potencialmente favorables, en balsas mineras abandonadas del Distrito Minero de Cartagena‐La Unión. 2. Evaluar la idoneidad de las especies vegetales espontáneas para la restauración/estabilización de balsas mineras, de acuerdo al papel de la rizosfera en la mejora de las condiciones edáficas, al estudio de diferentes formas de vida y a las respuestas ecofisiológicas de las plantas a las condiciones de las balsas mineras. 3. Evaluar el comportamiento de especies arbóreas en las balsas mineras, para estimar sus posibilidades como candidatas para la fitoestabilización y su papel potencial en la restauración de tales ambientes. 4. Evaluar la respuesta de una especie herbácea comúnmente encontrada en las balsas (Piptatherum miliaceum) a la adición de una enmienda orgánica a los residuos mineros, empleando medidas de isótopos estables en planta y considerando las interacciones intraespecíficas. Para alcanzar estos objetivos, se diseñaron dos fases: una fase de trabajo de campo y una fase experimental. El primer estudio de campo estuvo centrado en la descripción de los gradientes edáficos y ecológicos a lo largo de un transecto desde una zona no contaminada o “control” hasta las balsas mineras. La distribución en parches edáficos pareció ser determinante en el establecimiento selectivo de la vegetación espontánea que crecía en las balsas. La salinidad del suelo fue el principal factor relacionado con los cambios en el inventario de especies y con la disminución de la diversidad y riqueza ecológica desde la zona no contaminada hasta la meseta de las balsas, mientras que los metal(oid)es jugaron un papel secundario. La colonización de las balsas mineras por especies autóctonas típicas de la zona control estuvo relacionada con un gradiente de fertilidad, generado por la mejora de las condiciones edáficas debido al desarrollo previo de la vegetación pionera. Este proceso natural ha dado lugar a la creación de parches de vegetación densa, aquí llamados “islas de fertilidad”, que contienen especies clímax de la zona. La utilidad de las especies espontáneas para el fitomanejo de balsas mineras fue evaluado en primer lugar mediante un trabajo de campo enfocado en la caracterización de las rizosferas y la ecofisiología de distintas especies vegetales (herbáceas, arbustos y árboles). La rizosfera de herbáceas y arbustos espontáneos (P. miliaceum, Helichrysum decumbens) mostró una mejora significativa de la microbiología del suelo, comparada con el suelo desnudo. Además, la similitud entre la rizosfera de árboles individuales (Tetraclinis articulata, y sobre todo, Pinus halepensis) y la de las “islas de fertilidad” llevaron a sugerir que los árboles son la clave para el desarrollo de estas áreas de vegetación densa. En relación a herbáceas y arbustos, se realizó un trabajo de campo para evaluar el diferente comportamiento de halófitas y no halófitas espontáneas, y evaluar si las halófitas podrían ser más adecuadas para sitios salinos específicos en las balsas mineras. En el caso de especies arbóreas, se llevaron a cabo tres estudios específicos sobre P. halepensis con el fin de conocer mejor la habilidad de los pinos para soportar las condiciones edáficas de las balsas mineras. El primero de ellos estuvo centrado en la acumulación de metal(oid)es en pinos a lo largo de un gradiente de contaminación. El segundo y el tercer trabajo trataron sobre el estado ecofisiológico, la composición foliar elemental e isotópica, y la retranslocación interna de nutrientes y metal(oid)es en poblaciones espontáneas de P. halepensis en balsas mineras. Los pinos mostraron una buena tolerancia a las pobres condiciones edáficas de las balsas. A pesar de una deficiencia foliar de fósforo severa, los pinos mostraron una sustancial retranslocación de macronutrientes desde las hojas senescentes, lo que puede ayudarles a tolerar algunas deficiencias nutricionales, especialmente en relación a potasio, magnesio y fósforo. El análisis de la composición isotópica foliar reveló que los pinos que crecían sobre las balsas mineras estaban menos estresados hídricamente que aquellos de la zona control, y que la asociación micorrícica podría ser crítica para el desarrollo de estos pinos sobre las balsas mineras. Además, los pinos mostraron una relativamente baja absorción de metal(oid)es y algunos mecanismos para tolerarlos, como la inmovilización en tejidos menos activos biológicamente (como Cd, Cu, Pb y Sb en las ramas) o la acumulación en órganos desechables (como As, Cd, Sb, Pb y Zn en la hojarasca). Finalmente, se realizó un experimento en macetas usando una gramínea comúnmente encontrada en balsas mineras (P. miliaceum) y un residuo minero enmendado con un residuo sólido municipal obtenido del reciclado de envases metálicos. P. miliaceum fue capaz de crecer en el residuo minero tanto con la enmienda como sin ella. La adición del residuo sólido municipal mejoró algunos indicadores de fertilidad del suelo, aunque el principal efecto se observó sobre el crecimiento y desarrollo de la planta. Las concentraciones de metal(oid)es en las hojas estuvieron por debajo de los límites tóxicos para forraje en todos los tratamientos. El crecimiento de la planta también se vio influenciado por la competencia intraespecífica, la cual provocó un descenso de la biomasa de la planta en los tratamientos con y sin enmienda. Por lo tanto, las conclusiones de la Tesis fueron: 1) La identificación de los nichos más favorables o apropiados para el crecimiento de la vegetación deben ser tenidos en cuenta cuando se lleven a cabo trabajos de fitoestabilización en balsas mineras. El laboreo superficial o la adición de determinadas enmiendas que podrían elevar la salinidad del suelo deben ser detenidamente evaluados para no destruir aquellos nichos favorables. 2) El uso de combinaciones de especies vegetales con diferentes formas de vida y estrategias de uso de agua y nutrientes complementarias puede resultar en un empleo más eficiente de los recursos edáficos. Esto puede favorecer la creación de una comunidad vegetal estable a largo plazo y puede proporcionar mayor resistencia a cambios ambientales como los largos períodos de sequía propios del clima semiárido. 3) El empleo de especies halófitas (Limonium cossonianum, Atriplex halimus, Zygophyllum fabago) puede ser una opción adecuada para revegetar y mejorar los nichos edáficos más salinos de las balsas mineras, debido a su mejor adaptación a la salinidad y a la mejora de las propiedades del suelo. 4) La especie arbórea P. halepensis puede ser una candidata adecuada para la fitoestabilización de balsas mineras debido a su adaptación a las condiciones de clima semiárido y a su papel potencial en la formación de las “islas de fertilidad”. Sin embargo, sería recomendable la adición de fertilizantes fosfóricos para aliviar la fuerte deficiencia en este elemento. 5) La gramínea P. miliaceum puede ser considerada para la fitoestabilización de las balsas mineras, aunque para obtener un rápido y crecimiento y desarrollo, se deben aportar enmiendas orgánicas.

[ENG] Mine tailings are considered the main responsible of the environmental problems associated to metal mining activities due to the spread of contaminants by water and wind erosion from their bare surfaces. These issues are especially critical when the tailings ponds are located in the proximities of sensible areas such as protected natural sites, urban, agricultural or recreational areas. Phytomanagement in terms of phytostabilisation (the use of plants to inmobilise metal(loid)s within the rhizosphere) might be a suitable cost-effective option for the restoration of mine tailings. However, the success of its application still needs a better understanding of the edaphic, ecological and physiological factors involved in the establishment of vegetation. The present PhD Thesis was focused on the study of the edaphic and ecophysiological factors involved in the spontaneous plant colonisation of mine tailings with the aim to obtain recommendations for the successful phytomanagement of these environments, in a semiarid climate context in the Cartagena-La Union Mining District (Southeast Spain). The specific objectives were: 1. To describe the edaphic gradients and their associated spontaneous vegetation and to identify potentially plant-favourable edaphic niches in abandoned neutral-pH mine tailings located in the Cartagena-La Union Mining District. 2. To assess the suitability of using spontaneous plant species in restoration/stabilisation of mine tailings, focusing on the role of rhizosphere in the improvement of soil conditions, the study of different life forms and the ecophysiological responses to mine tailings environment. 3. To assess the behaviour of tree species on mine tailings to estimate its possibilities as candidates for phytostabilisation and their potential role in the restoration of such environments. 4. To evaluate the response of a spontaneous grass plant species commonly found on mine wastes (Piptatherum miliaceum) growing under controlled conditions in an organic amended mine tailings by employing stable isotopes and considering intra-specific interactions. To achieve these objectives, a field work stage and a pot experiment were performed. The first field survey was focused on the description of the edaphic and ecological gradients along a transect from a non-polluted control site to a mine tailings area. The edaphic patch distribution was found to be determinant for the selective establishment of spontaneous vegetation growing at the tailings. Soil salinity was the main factor involved in the shifts of the plant species inventory and the decrease of plant diversity and richness from the non-polluted area to the tailings plateau, while metal(loid)s soil concentrations played a minor role. The colonisation of the mine tailings by native late successional plant species was related with the fertility gradient generated by the enhancement of soil conditions as a result of the early development of pioneer vegetation. This natural process has provided the occurrence of high dense vegetated patches in the tailings, here called ¿fertility islands¿, which contain climax vegetation of the local area. The usefulness of the spontaneous vegetation for the phytomanagement of mine tailings was firstly assessed through a field study focused on the characterisation of the rhizospheres and the ecophysiology of different plant species (grasses, shrubs and trees). The rhizosphere of spontaneous grasses and shrubs (P. miliaceum, Helichrysum decumbens) showed a significant enhancement of the soil microbiology compared with the bare soil. Moreover, the similarity between the rhizosphere of individual trees (Tetraclinis articulata, and especially Pinus halepensis) and that of the ¿fertility islands¿ may lead to suggest that trees are the key for the development of these dense vegetation areas. In relation to grasses and shrubs, a field survey was conducted in order to evaluate the different performance of spontaneous halophyte and non-halophyte species and to assess if halophytes could be more suitable for specific salty sites on the tailings. In the case of tree species, three specific studies focused on P. halepensis were done in order to gain insight into the ability of pine trees to cope with the soil conditions at the tailings. The first study was focused on the accumulation of metal(loid)s in P. halepensis along a polluted gradient. The second and the third studies dealt with the ecophysiological status, elemental and isotopic foliar composition and internal nutrients and metal(loid)s retranslocation in spontaneous populations of P. halepensis growing on mine tailings. Pine trees showed a good tolerance to the poor soil conditions of the tailings. In spite of a severe foliar P deficiency, pine trees showed substantial macronutrient retranslocation from senescent leaves, which may help them to cope with some nutritional de¿ciencies, especially in relation to K, Mg and P. The analysis of the foliar isotope composition showed that pines growing at mine tailings are less water stressed that those ones from a natural forest in the area (control), and that mycorrhizal association might be critical for the development of these trees on the mine tailings. Moreover, pine trees showed a relatively low metal(loid) uptake and some mechanisms to cope with them such as the immobilisation in less biologically active tissues (Cd, Cu, Pb and Sb in woody stems) or the accumulation in deciduous parts (As, Cd, Sb, Pb and Zn in litter). Finally, a pot experiment was performed using a grass species commonly found on tailings (P. miliaceum) and a mine tailings soil amended with a municipal solid waste obtained from the recycling of metallic containers. P. miliaceum was able to growth on tailings with and without amendment. The addition of the municipal solid waste improved some soil fertility indicators, although the principal effect was the enhancement of the growth and development of the plants. Metal(loid) concentrations in leaves were below the toxic thresholds for fodder in all treatments. Plant growth was also influenced by intra-specific competition, which provoked a decrease of plant biomass in both with and without amendment treatments. Therefore, the conclusions of the Thesis were: 1) The identification of the most favourable/suitable niches for plant growth should be taken into account when phytostabilisation works are carried out on mine tailings. Ploughing or the addition of certain amendments that could raise soil salinity should be carefully evaluated in order to not destroy those favourable niches. 2) The use of combinations of plant species with different life forms and complementary water and nutrient acquisition strategies may result in a more efficient employment of edaphic resources. This may favour the achievement of a long-term stable plant community and may provide a higher resilience to environmental disturbances such as long drought periods typical from semiarid environments. 3) The employment of halophyte species (e.g. Limonium cossonianum, Atriplex halimus, Zygophyllum fabago) may result a suitable option to revegetate and ameliorate the most saline edaphic niches at the tailings due to their suitable adaptation to salinity and higher enhancement of soil properties. 4) The tree species P. halepensis may result a suitable candidate for the phytostabilisation of mine tailings due to its adaptation to semiarid climate conditions and the potential role for facilitating the occurrence of fertility islands. However, it is recommendable the addition of P fertilizers in order to alleviate the strong deficiency on this element at the tailings. 5) The grass species P. miliaceum may be considered in phytostabilisation of mine tailings, but to obtain a faster growth and development, organic amendments should be added.