Quantifying patterns of complexity controlled by parent material at different spatial scales: from drainage network architecture at landscape scale to soil texture. A hydropedologic research conducted on wine regions of the Douro river basin

Cámara Gajate, Joaquín (2016). Quantifying patterns of complexity controlled by parent material at different spatial scales: from drainage network architecture at landscape scale to soil texture. A hydropedologic research conducted on wine regions of the Douro river basin. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.44552.

Descripción

Título: Quantifying patterns of complexity controlled by parent material at different spatial scales: from drainage network architecture at landscape scale to soil texture. A hydropedologic research conducted on wine regions of the Douro river basin
Autor/es:
  • Cámara Gajate, Joaquín
Director/es:
  • Gómez Miguel, Vicente
  • Martín Martín, Miguel Angel
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2016
Materias:
Escuela: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Departamento: Producción Agraria
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La hidroedafología es una ciencia interdisciplinar que aborda el estudio de la interacción entre las propiedades y los procesos edafológicos e hidrológicos, con el objeto de incrementar el conocimiento existente sobre la influencia del suelo en los procesos hidrológicos y sobre los efectos hidrológicos en la formación, variabilidad y funciones del suelo. Este enfoque multidisciplinar es imprescindible para resolver retos medioambientales actuales tales como el uso sostenible de la tierra, la gestión de los recursos hídricos, o el desarrollo de sistemas de agricultura integrada entre otros. Compartiendo la visión de otros autores, en este trabajo se define el paisaje como un sistema complejo donde las interacciones intermitentes a escala milimétrica entre sus múltiples componentes, que están controladas por una mezcla de fuerzas deterministas y componentes aleatorios, generan patrones de complejidad emergentes a escalas mayores, que aportan información novedosa sobre el funcionamiento interno del sistema. La teoría de los sistemas complejos sostiene que los sistemas con muchos grados de libertad, como el sistema del paisaje, evolucionan exportando desorden hasta que alcanzan el máximo nivel de organización que les permiten los factores condicionantes del sistema. Las características geológicas del paisaje son un elemento de gran importancia que puede catalogarse como uno de los factores condicionantes del sistema que dirigen su evolución y la emergencia de patrones de complejidad. Algunos de estos patrones emergentes han sido cuantificados con éxito en este trabajo mediante medidas de complejidad, como la dimensión fractal box-counting y el índice de entropía equilibrado (BEI, por su siglas en inglés), que han permitido identificar el control que ejerce el material parental en la zona de estudio sobre las estructuras internas del paisaje. El área de estudio está compuesta por dos regiones vitícolas situadas en la cuenca hidrográfica del Duero, que son: la región española incluida en la Denominación de Origen Arribes (DO Arribes), y la región portuguesa comprendida dentro de la Região Demarcada do Douro (RD Douro). Los materiales parentales presentes en estas regiones son principalmente rocas metamórficas (gneises, filitas, grauvacas, pizarras, esquistos, y cuarcitas), y rocas ígneas (mayoritariamente rocas graníticas). La influencia del material parental sobre la estructura del paisaje ha sido estudiada a escala de paisaje y a escala milimétrica, en la arquitectura compleja de las redes de drenaje y en las distribuciones de masa según los distintos tamaños de partículas en el suelo, respectivamente. El efecto de la litología sobre las redes de drenaje condiciona la aparición de diversos patrones de redes de drenaje que han sido tradicionalmente clasificados de modo cualitativo, según la apariencia de la configuración de sus canales, como dendríticos, paralelos, rectangulares, etc. Esta discriminación cualitativa entre distintos patrones de drenaje ha sido ampliamente utilizada por los geomorfólogos para identificar visualmente y delimitar zonas con materiales geológicos diferentes durante el proceso de elaboración de cartografía geológica. Frente a la tradicional caracterización cualitativa de las redes, en el Capítulo 1 se cuantifica a través de la dimensión fractal box-counting, la estructura jerárquica de las redes de drenaje y la distribución espacial de los subconjuntos representados dentro de esas redes por los canales de primer orden, lo que ha permitido aportar evidencias cuantitativas de la influencia del material parental sobre estos patrones de complejidad a escala de paisaje. Este control litológico sobre las redes de drenaje es la base conceptual del modelo de clasificación estadística, propuesto en el Capítulo 2, para la identificación del material geológico del paisaje a partir del análisis de redes de drenaje generadas automáticamente desde un modelo digital del terreno LiDAR de media resolución. En contraste con la estructura de las redes de drenaje, que ha sido analizada a escala de paisaje, el control litológico sobre las propiedades del suelo ha sido estudiado a escala milimétrica a través del índice de entropía equilibrado, que cuantifica la heterogeneidad de la distribución del tamaño de partículas del suelo. Considerando que tanto la estructura de la red de drenaje como la heterogeneidad en la distribución del tamaño de partículas son consecuencia a distinta escala de los mismos factores condicionantes del sistema, el Capítulo 3 explora la relación cuantitativa entre ambos patrones de complejidad, cuantificados a través de la dimensión fractal box-counting y el índice de entropía equilibrado, respectivamente. El estudio sobre la influencia del material parental en la heterogeneidad de la textura del suelo, mostrado en el Capítulo 4, propone un método de agregación de la información contenida en el mapa de suelos 1/25,000 de la zona de estudio, para la obtención y asignación de un valor representativo del índice de entropía equilibrado a cada unidad litológica del mapa. El método de agregación propuesto tiene en cuenta todos los niveles de información contenidos en un mapa de suelos (horizonte, perfil, unidad taxonómica, unidad cartográfica), y todas las interrelaciones y distribuciones de frecuencia entre dichos niveles de información. Los valores del índice de entropía equilibrado obtenidos para los suelos desarrollados sobre rocas graníticas y metamórficas permiten constatar cuantitativamente, en nuestra zona de estudio, cierto control litológico sobre la heterogeneidad de la textura del suelo. Los resultados obtenidos evidencian la influencia del material parental sobre distintos patrones de complejidad relacionados con el movimiento del agua a través del paisaje, lo que sugiere que las áreas con material parental homogéneo podrían ser usadas como unidades funcionales en la modelización de cuencas hidrológicas. Esta hipótesis deberá ser demostrada o rechazada a través de futuros trabajos que incluyan datos hidrológicos y meteorológicos en el análisis del sistema. ABSTRACT Hydropedology is an emerging interdisciplinary science that studies interactive pedologic and hydrologic processes and properties, and aims to better understand the pedologic controls on hydrologic processes, and the hydrologic impacts on soil formation, variability and functions. This multidisciplinary approach is strongly required to address environmental issues of societal importance such as sustainable land use, watershed management, or integrated agricultural systems, among others. Sharing the vision of other authors, this study observes landscapes as complex systems where multiple interactions at micro level, controlled by a mixture of deterministic forces and random components, create emergent patterns at macro level that provides novel information about the system. Complex systems theory suggests that systems with many degrees of freedom, such as landscape systems, evolve exporting disorder until they reach the maximum level of organization permitted by the system constraints. Geology is an essential landscape characteristic that can be viewed as a system constraint influencing the landscape evolution and the complex structure of the emergent patterns. The quantification of these emergent patterns using complexity measurements, such as the fractal box-counting dimension and the balanced entropy index, has enabled to confirm in the study area the main role of parent material in complex structures within the landscape system. The study area is conformed of two wine regions located within the Duero river basin; the Designation of Origin Arribes (DO Arribes), in Spain; and the Região Demarcada do Douro (RD Douro), in Portugal. The parent material in the study area encompasses metamorphic rocks (gneisses, phyllites, greywackes, shales, schists and quartzites) and igneous rocks (majorly granitic rocks). The influence of parent material within the landscape system has been studied in both the complex architecture of drainage networks at landscape scale and in the mass distribution of soil particle sizes at micro scale. The lithologic control on drainage networks determines the emergence of different drainage patterns that have been traditionally classified as dendritic, parallel, rectangular, etc. depending on the geometric structure of their streams. These qualitative classes have been widely used by geomorphologists for visual discrimination of different materials in geological mapping. In Chapter 1, the hierarchical structure of drainage networks, and the subset represented by first-order streams of the network are effectively quantified using the fractal box-counting dimension. This chapter shows quantitative evidences about the lithologic control on this pattern of complexity at landscape scale. The influences of parent material on drainage networks are used in Chapter 2 to propose a statistical classification model for the identification of the underlying type of rock, based on the analysis of drainage networks automatically extracted from medium-resolution LiDAR digital terrain models. In contrast with the drainage networks that were studied at landscape scale, the lithologic control on soil system has been explored at micro scale, using the balanced entropy index to quantify the heterogeneity of the soil particle size distributions. Considering that both patterns of complexity are the result of the same system constraints, Chapter 3 investigates the quantitative relationship between the hierarchical structure of the drainage networks and the soil texture heterogeneity, quantified by the fractal box-counting dimension and the balanced entropy index, respectively. A deeper analysis of the lithologic control on the heterogeneity of the soil particle size distributions within the landscape system is shown in Chapter 4, where all the levels of information contained in the soil map 1/25000 of the study area (horizon, profile, taxonomic unit, and map unit) along with their interrelations and frequency distributions, are taken into account in the aggregation method used for assigning a representative value of soil texture heterogeneity to each lithological unit with homogeneous parent material. Differences found in the values of the balanced entropy index obtained for soils developed on metamorphic and granitic rocks allow to confirm the lithologic control on soil texture heterogeneity in the study area. Results evidence the influence of parent material on complex structures related to the water movement across the landscape at different scales, suggesting that areas of homogeneous parent material could be used as functioning hydrologic units in watershed modeling. Further research including hydrological and meteorological data should explore this suggestion.

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ID de Registro: 44552
Identificador DC: http://oa.upm.es/44552/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:44552
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.44552
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 02 Feb 2017 08:11
Ultima Modificación: 01 Ago 2017 22:30
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