Banc de llavors i densitat de plàntules en sòls restaurats amb fangs de depuradora

Resum S’estudia el banc de llavors viables d’un abassegament de terres i de fangs de depuradora d’aigües residuals urbanes emprats en la restauració del sòl d’una pedrera. També es mesuren al camp les primeres fases de desenvolupament de les plàntules, la composició florística i la biomassa en dues zones restaurades de la pedrera, una exclusivament amb terra i l’altra amb terra adobada amb fangs de depuradora. Els resultats indiquen una relativa pobresa, i una composició específica molt diferenciada, dels bancs de llavors dels dos materials. D’altra banda, la densitat de plàntules observada al camp és superior a la que s’esperaria del banc de llavors del sòl i dels fangs. També es demostra la influència de l’adobat amb fangs sobre la composició florística i la biomassa de la vegetació desenvolupada. Paraules clau: banc de llavors, restauració de sòls, fangs de depuradora, composició florística, densitat de plàntules. Abstract. Seed bank and seedling density in restored soils amended with sewage sludge We studied the viable seed bank of a stock of soil and a sewage sludge from a municipal wastewater treatment plant which were employed in the rehabilitation of a quarry. We also estimated the seedling establishment (floristic composition, plant density and biomass) in two restored areas of the same quarry: one with soil and the other with a mixture of soil and sewage sludge. The seed bank from both materials are relatively poor and clearly different. Seedling emergence in the field is higher than expected if the soil was the only seed source. Sewage sludge increases plant biomass and strongly influences the floristic composition. Key words: floristic composition, seed bank, soil rehabilitation, sewage sludge, seedling density. Orsis 13, 1998 91-104 Banc de llavors i densitat de plàntules en sòls restaurats amb fangs de depuradora J.M. Alcañiz X. García Galindo F. Lloret Universitat Autònoma de Barcelona. Centre de Recerca Ecològica i Aplicacions Forestals 08193 Bellaterra (Barcelona). Spain Manuscrit rebut al maig de 1998 Introducció La restauració de terres malmeses per activitats extractives, construcció de noves vies de comunicació o urbanitzacions és una pràctica cada dia més implantada com a resposta a la demanda social de preservació del medi ambient i que representa una notable activitat econòmica dins del sector de la construcció (Bradshaw & Chadwick, 1988). Per assolir una correcta revegetació d’aquests terrenys degradats cal preparar un substrat suficientment fèrtil que permeti un bon creixement de les plantes i d’altres organismes edàfics. Això pot aconseguir-se reposant el sòl original de la zona si prèviament s’ha decapat i conservat, important terres de les rodalies, o aprofitant estèrils i residus terrígens ben fertilitzats amb esmenes orgàniques o d’altres adobs. Moltes vegades el sòl natural no s’ha conservat o és insuficient per restaurar tota la zona afectada, i l’oferta de terres per importar és molt irregular i de qualitat heterogènia. Per tant, la rehabilitació de les zones degradades s’ha de fer amb els materials més a l’abast com són els estèrils de les activitats extractives o els sediments del subsòl. En conseqüència, la demanda de biosòlids, com els composts i fangs de depuradora, per fertilitzar aquests materials estèrils ha augmentat considerablement els darrers anys (Glaub & Golueke, 1989; Clapp et al., 1994). A més de reposar un sòl suficientment fèrtil cal assegurar la ràpida revegetació de la zona restaurada per evitar que l’erosió malmeti els treballs realitzats, especialment en talussos pronunciats. Per això són corrents les pràctiques de la hidrosembra, la sembra a mà i la plantació d’espècies disponibles en viver. En vistes a la integració de la zona restaurada al paisatge natural això pot representar alguns problemes; d’una banda, la introducció amb la sembra o plantació d’espècies no presents a la vegetació natural que en alguns casos poden expandir-se i actuar de plantes invasores. En d’altres casos, la mala selecció de les espècies plantades fa que no prosperin perquè no estan adaptades a les condicions climàtiques o al tipus de sòl de la zona restaurada (Andrés et al., 1996). Els estudis de revegetació en zones restaurades tracten principalment sobre la cerca d’espècies de creixement ràpid, fàcils d’obtenir i d’implantar (Bradshaw & Chadwick, 1988). La majoria de plantes herbàcies utilitzades corresponen a gramínies i lleguminoses, i a pins com a espècies arbòries. En particular s’han estudiat els efectes de la fertilització amb fangs de depuradora sobre la revegetació d’àrees de mineria recuperades (Sopper, 1993). En la majoria de casos se citen efectes positius sobre el desenvolupament de la coberta vegetal (Sopper & Seaker, 1983; Korentajer, 1991) fins i tot en proves de creixement sobre mescles molt riques en fang (1:1 fang/sòl, equivalents a unes dosis de 656 Mg ha-1) en comparació a les que es fan servir en aplicacions agrícoles (Metcalfe & Lavin, 1991). També s’ha observat el predomini de les plantes farratgeres sobre les lleguminoses en les zones adobades amb fangs de depuradora (Fairbrother & Knapp, 1994). Menys coneguts són els efectes sobre la germinació i primers estadis del desenvolupament de les plantes. D’una altra banda, en zones restaurades amb fangs i no sembrades, la revegetació expontània és molt més ràpida que en zones amb terra sense fangs (Alcañiz et al., 1996). Aquest fet depèn de la capacitat fertilitzadora dels fangs, però també del banc de llavors present, tant al sòl com al fang utilitzat. En aquest treball s’ha estudiat el banc de llavors viables proporcionat per un fang de depuradora d’aigües residuals urbanes i per un sòl utilitzat en la restauració d’una pedrera de lloses de calcària situada entre els termes d’Alcover i Mont-Ral (Baix Camp). En particular s’ha estudiat el banc de llavors viables pro92 Orsis 13, 1998 J.M. Alcañiz; X. García Galindo; F. Lloret porcionat pels fangs i per la terra amb què es barregen, mitjançant un experiment de germinació en viver. També s’han estudiat les diferències de reclutament de plàntules a zones de la pedrera restaurades amb els dos tipus de substrat: terra sola i terra fertilitzada amb fangs de depuradora. Disseny experimental i mètodes Banc de llavors viables L’experiment consta de dues etapes: la presa de mostres de sòl i fangs, i la incubació en condicions controlades per facilitar la germinació i la identificació de les plàntules germinades. Mostreig de sòl i fangs Les terres que s’utilitzen per restaurar pedreres es disposen habitualment en abassegaments temporals més o menys regulars fins al moment de fer les mescles amb els fangs de depuradora. Seguidament aquestes mescles són repartides per la zona que s’ha de restaurar. En el cas real de la pedrera seleccionada, l’abassegament de terres consistia en piles allargades de secció triangular d’uns 225 m de longitud total per 2.3 d’alçària. En total es disposava d’unes 1350 tones de terra. La terra procedia d’una excavació de materials terrigens provinents de col·luvis d’antics sòls dins de la mateixa finca de la pedrera. Des de l’extracció de la terra fins al mostratge del sòl en l’abassegament varen transcòrrer uns quatre mesos. El 21 de desembre de 1996 es varen prendre 20 mostres d’uns 5 kg de sòl d’aquest abassegament per un procediment semialeatori a partir de diversos punts a l’atzar sobre les piles en diferents transectes. A la taula 1 es presenten les principals característiques analítiques d’aquest sòl. Les mostres es varen garbellar a 5 mm al camp per eliminar les pedres i es varen conservar amb la humitat original sotmetent-les a un procés de vernalització a 4ºC durant 45 dies. Just abans de la prova de germinació es varen garbellar a 2 mm per homogeneïtzar la mostra i eliminar la fracció inert. Els fangs estudiats procedeixen de l’Estació Depuradora d’Aigües Residuals (EDAR) de Lleida, obtinguts per un procés de digestió anaeròbia i parcialment deshidratats de manera que es comporten com a sòlids pastosos. Són de bona qualitat com a adobs orgànics i compleixen tots els requisits per a ús agrícola. L’ abassegament de fangs tenia unes dimensions aproximades de 12 ×23 m i una alçària de 0.4 m que equival a unes 110 tones. A la taula 2 es mostren els paràmetres analítics més representatius d’aquests fangs. De la mateixa manera que el sòl, es varen prendre 20 mostres fresques de fangs que es varen conservar a 4ºC durant 45 dies. Per disgregar la massa pastosa dels fangs, es varen passar per un sedaç de 10 mm just abans de la prova de germinació. Bancals de germinació Per avaluar el banc de llavors del sòl i el fang s’ha optat per comptar les llavors viables a partir de les plàntules que emergeixen periòdicament (Simpson et al., Banc de llavors en sòls restaurats Orsis 13, 1998 93 94 Orsis 13, 1998 J.M. Alcañiz; X. García Galindo; F. Lloret Taula 1. Principals característiques analítiques del sòl utilitzat (tots els valors estan referits a la fracció fina del sòl, llevat de la pedregositat i del contingut d’humitat, que ho estan respecte a la mostra original). Paràmetre Mitjana ± d.e. Unitats Humitat 8.9 ± 1.43 % Pedregositat 36.3 ± 15.1 % Sorra grossa 9.1 ± 1.4 % Sorra fina 32.3 ± 3.3 % Llim 27.5 ± 2.0 % Argila 26.7 ± 1.9 % Carbonats 13.2 ± 2.2 % Cond. elèctrica (25ºC ) p. sat. 0.138 ± 0.046 dS/m pH (H2O) 1:2,5 8.3 ± 0.17 pH (KCl) 1:2,5 7.5 ± 0.09 C.I.C. 27.9 ± 8.6 cmolckg–1 Na 0.18 ± 0.05 cmolckg–1 K 0.42 ± 0.09 cmolckg–1 Ca 11.40 ± 1.71 cmolckg–1 Mg 2.40 ± 0.28 cmolckg–1 C org. 1.31 ± 0.51 % N tot. 0.13 ± 0.01 % C/N 9.2 ± 0.8 P (Olsen) 8.4 ± 3.2 mg kg–1 Taula 2. Composició i principals paràmetres analítics dels fangs de l’EDAR de Lleida (dades facilitades per la Junta de Sanejament de la Generalitat de Catalunya). Valors referits a matèria seca, excepte aquest paràmetre que és sobre mostra original. Paràmetre Valor Unitats Matèria seca 19.6 % Matèria orgànica 43.0 % Nitrogen total 1.72 % Fòsfor total 2.39 % Fòsfor Olsen 370 mg kg–1 Potassi total 0.29 % Calci total 7.8 % Magnesi total 1.02 % pH (H2O) 1:5 6.10 Cond. elect. (25ºC ) 1.245 dS/m Ferro 5423 mg kg–1 Cadmi 3.1 mg kg–1 Crom 53.9 mg kg–1 Coure 145 mg kg–1 Plom 67.5 mg kg–1 Zinc 521 mg kg–1 Níquel 118 mg kg–1 Mercuri 9.7 mg kg–1 1989). El desembre de 1996 es va realitzar una prova preliminar de germinació extenent directament la terra i els fangs en uns contenidors de 25 ×25 cm formant una capa d’un 1 cm sobre un llit de substrat de Perlita de 5 cm de gruix que manté la humitat del sòl i permet un bon drenatge. Aquesta prova no va donar bon resultat ja que una capa contínua de terra argilosa i de fangs tendeix a formar una crosta que dificulta la germinació d’algunes llavors, de manera que es va optar per millorar les condicions físiques del bancal de germinació mesclant la terra i els fangs amb una sorra inert (1:2 v/v) i reduir el gruix de la capa de material (sòl i fang mesclats amb sorra) a 0.5 cm, dipositada sobre el llit de Perlita. Això equival a uns 500 g de terra o 400 g de fangs per cada contenidor. Es varen preparar 40 contenidors de 25 ×25 cm per cada un dels materials (sòl i fang). Els 80 contenidors amb les mostres de sòl i fangs, prèviament vernalitzades, s’han incubat en condicions de viver al campus de la UAB amb llum natural. S’hi ha mantingut una humitat elevada en el substrat, regant tres cops per setmana, durant un període de 6 mesos. L’experiment es va iniciar a primers de febrer de 1997. Per evitar l’arribada de llavors externes, cada contenidor estava recobert per una gassa de 0.2 mm de niló blanc. Un cop per setmana s’ha mesurat el nombre de plàntules germinades en cada contenidor. Cada una d’elles s’ha marcat amb una agulla i s’han deixat créixer fins que era possible identificar-les. En paral·lel, s’ha preparat un cultiu amb alguns exemplars de cada una de les plàntules per poder confirmar la seva identificació. Diverses plàntules han estat transplantades individualment a torretes amb sòl fèrtil per cultivar-les fins a un estadi de desenvolupament que permetés la seva classificació. Densitat de plàntules en condicions de camp Aquesta part de l’estudi es va dur a terme en la mateixa pedrera de calcàries d’Alcover d’on procedia el sòl estudiat. Es varen delimitar dues zones d’uns 2000 m2cadascuna: una restaurada únicament amb una capa de 20 cm de sòl disposada sobre el residu pedregós que queda en les zones explotades (zona terra), i l’altra restaurada de forma similar amb una mescla de sòl i fang en una proporció 4:1 (v/v), equivalent a unes 400 tones de fangs frescos per ha (zona fangs), segons el procediment habitual de mescla prèvia descrit al manual de restauració amb fangs de depuradora (Alcañiz et al., 1996). Les zones experimentals es varen restaurar entre els mesos de setembre i octubre de 1996. A les dues zones s’ha mesurat l’evolució de la densitat de plàntules cada dos mesos a partir de desembre de 1996 fins a un any (22-12-96, 28-2-97, 30-4-97 i 13-6-97). En cada mostreig s’han comptat el nombre de plàntules contingudes en un cercle de 52 cm de diàmetre, en 25 punts a l’atzar dins de cada zona. S’ha distingit entre mono i dicotiledònies. A partir del tercer mostreig, quan el desenvolupament vegetal era ja apreciable, s’ha mesurat també la biomassa aèria de les plantes recol·lectades dins de 25 cercles com els abans esmentats en cada zona, referida a pes sec per unitat de superfície. Al final del període d’estudi (juny de 1997), s’ha fet també un inventari florísBanc de llavors en sòls restaurats Orsis 13, 1998 95 tic de cada zona segons la nomenclatura de Bolós et al. (1990) per estimar també visualment l’abundància (molt abundant, freqüent i ocasional) de cada espècie. Anàlisi estadística Les dades obtingudes en l’experiment de germinació en contenidors s’han analitzat aplicant el test no paràmetric U de Mann-Whitney, atès que no complien els requisits de normalitat i d’igualtat de variança. Les comparacions del nombre de plàntules entre els diferents tractaments de fang i entre monocotiledònies i dicotiledònies s’ha fet amb ANOVA d’un factor, després d’aplicar una transformació log + 1 a les dades. La mateixa anàlisi s’ha realitzat per a les dades de biomassa, però ja que en aquest cas es compleixen els requisits estadístics no s’ha aplicat cap transformació. Resultats Germinació en viver A la taula 3 es mostren els resultats obtinguts en els bancals de germinació després de sis mesos. Malgrat que les condicions de germinació eren bones i que cada mostra de sòl i fang havia estat homogeneïtzada, no es va detectar cap llavor viable en 23 i 17, respectivament, dels 40 contenidors. Això indica una relativa pobresa de llavors en aquest sòl i fang utilitzats en la restauració de pedreres. La densitat mitjana de llavors viables és de 9.6 unitat·m–2 en el sòl i de 14.4 en el cas del fang. Si ho referim a volum de cada un dels materials correspon a unes 1920 i 2880 llavors viables·m–3. El test U de Mann-Whitney indica que no hi ha diferències significatives en el nombre total de plàntules emergents entre sòl i fangs (p = 0.187) malgrat ser dos materials molt diferents. S’ha observat que en el sòl les llavors han trigat menys temps a germinar (màxim als dos mesos) que en els fangs on han germinat de forma més progressiva, assolint un màxim als cinc mesos. D’altra banda, un experiment previ va demostrar que mostres de fang sense barrejar amb sorra estèril no permetien cap germinació a causa, molt probable96 Orsis 13, 1998 J.M. Alcañiz; X. García Galindo; F. Lloret Taula 3. Nombre de plàntules germinades en cada contenidor i densitat mitjana a les mostres de sòl i fangs de depuradora (nre. total de contenidors, 40 per tractament). Nombre de contenidors amb: Sòl Fang 0 plantes 23 17 1 planta 12 14 2 plantes 3 7 3 plantes 2 0 4 plantes 0 2 Densitat mitjana (pl/m2) 9.6 14.4 Desviació estàndard 13.5 16.5 Suma de rang 1483 1757 ment, de problemes d’estructura massa compacta i a l’aparició d’eflorescències superficials de sals formades per mineralització de la matèria orgànica dels fangs. A la taula 4 es mostra la relació de plantes identificades que han germinat en el sòl o en els fangs. La composició florística varia notablement i les espècies nitròfiles són més abundants als fangs. Un fet destacable és l’abundància de solanàcies en els fangs, en especial tomaqueres (Solanum lycopersicum), 9.2 plantes·m–2, que representen més de la meitat del banc de llavors d’aquest material. També es troben compostes, família millor representada en les mostres de sòl on també creixen papilionàcies i primulàcies. El nombre d’espècies ha estat major a les mostres de terra. Densitat de plàntules al camp A la taula 5 es presenten els valors de mitjana de densitat de plàntules en la zona de terra sola i en la de terra més fangs per als diferents mostreigs temporals realitzats. La densitat mitjana de plàntules és de l’ordre de 20 plàntules·m–2 a les dues zones experimentals. Banc de llavors en sòls restaurats Orsis 13, 1998 97 Taula 4. Inventari de plantes germinades en els bancals de germinació sobre cada un dels substrats i valors de densitat (plantes·m–2) per a cada espècie identificada. Espècie Sòl (x ± ds) Fangs (x ± ds) Anagallis arvensis L. 2.8 ± 1.13 Conyza canadensis L. 0.8 ± 0.56 Oxalis corniculata L. 0.4 ± 0.40 Santolina chamaecyparissus L. 0.4 ± 0.40 Solanum lycopersicum L. 9.2 ± 1.89 Sonchus tenerrimus L. 3.2 ± 1.74 Trifolium sp. 0.4 ± 0.40 Monocotiledònies 0.8 ± 0.56 No identificades 3.6 ± 1.07 0.4 ± 0.4 Taula 5. Nombre de plàntules·m–2 (mitjana i desviació estàndard de 25 punts de mostratge) a les zones restaurades amb o sense fangs a diferents temps des del moment de la reposició del sòl. (Monoc. = monocotiledònies, Dicot. = dicotiledònies, Total = nre. total de plàntules). Data Zona de terra Zona de terra + fangs mostreig Monoc. Dicot. Total Monoc. Dicot. Total 22/12/96 11.72±16.01 6.24± 5.14 17.96±16.16 22.02±20.77 6.21±6.51 28.12±21.52 28/2/97 9.32±10.12 11.16±11.60 20.48±11.43 6.52± 5.76 9.61±8.73 16.92±11.22 30/4/97 9.40±15.01 11.8 ±12.05 21.61±22.67 6.88± 7.14 7.82±4.95 14.68± 7.53 13/6/97 7.80±10.81 12.56± 9.95 20.36±17.96 4.28± 6.38 11.72±6.46 16.04± 7.92 98 Orsis 13, 1998 J.M. Alcañiz; X. García Galindo; F. Lloret Taula 6. Inventari florístic del conjunt de mostreigs realitzats a les zones restaurades amb fangs de depuradora o amb terra sola (+++ espècie molt abundant, ++ freqüent, + ocasional). Planta Zona de terra Zona de fangs Compostes Santolina chamaecyparissus L. + + Sonchus tenerrimus L. ++ Sonchus oleraceus L. ++ Fabàcies Vicia sativa L. ++ + Medicago lupulina L. ++ Coronilla scorpioides L. ++ Primulàcies Anagallis arvensis L. ++ ++ Brassicàcies Raphanus raphanistrum L. ++ +++ Biscutella auriculata L. + Poàcies Lolium perenne L. +++ +++ Bromus diandrus ROCH. ++ Bromus sp. ++ Desmazeria rigida L. ++ Brachypodium phoenicoides L. ++ ++ Avena barbata L. ++ Oryzopsis miliacea L. + Dactylis glomerata L. ++ Arrhenatherum elatius L. + Escrofulariàcies Veronica agrestis L. + Dipsacàcies Scabiosa atropurpurea maritima L. + Rubiàcies Galium aparine L. ++ Plantaginàcies Plantago lanceolata L. +++ ++ Plantago sempervirens CRANTZ + Papaveràcies Papaver rhoeas L. + Umbelíferes Foeniculum vulgare MILL. +++ Quenopodiàcies Chenopodium album L. +++ Poligonàcies Polygonum aviculare L. +++ No s’han trobat diferències significatives entre els tractaments de terra i terra més fang per a cap data ni grup de plantes, excepte per a les monocotiledònies el 22/12/96 (F1.48 = 4.39, p = 0.041). Les dicotiledònies van ser significativament més abundants el mostreig de finals de primavera, tant als tractaments de terra sola (F1.48 = 6.69, p = 0.013) com als de terra més fang (F1.48 = 10.32, p < 0.0001), mentre que les monocotiledònies van ser significativament més abundants al tractament de terra més fang al mostreig d’hivern (F1.48 = 10.32, p = 0.002). Diversitat florística en zones restaurades A la taula 6 es mostra la relació d’espècies presents a les zones restaurades amb o sense fangs. La identificació s’ha realitzat seguint la nomenclatura de Bolós et al. (1990). El criteri d’abundància s’ha basat en l’observació visual de les zones restaurades en el conjunt del període d’estudi. S’han identificat 27 espècies diferents de les quals només 7 són comunes a les dues zones restaurades. Les gramínies dominen més a les zones amb fangs, juntament amb Chenopodium album,Polygonum aviculare i Raphanus raphanistrum, plantes oportunistes que podem considerar nitròfiles. És de destacar l’absència de Solanum lycopersicum, una espècie amb un abundant banc de llavors als fangs com es va observar a l’experiment de viver. A la zona de terra les espècies més abundants han estat: Lolium perenne, Plantago lanceolata iFoeniculum vulgare, que encara que pròpies d’estadis inicials de la successió, no presenten un caràcter tan nitròfil com les anteriors. Biomassa vegetal S’ha mesurat la biomassa a les dues zones restaurades a partir del moment en què el recobriment vegetal superava el 30% (abril de 1997), en el màxim de desenvolupament del primer cicle vegetatiu (juny de 1997) i al cap d’un any de la restauració (desembre de 1997). En la taula 7 es presenta el resum dels resultats. La biomassa vegetal ha estat significativament més alta a la zona tractada amb fangs que a la zona restaurada només amb terra. Els valors de biomassa van assoBanc de llavors en sòls restaurats Orsis 13, 1998 99 Taula 7. Biomassa vegetal aèria (mitjana i desviació estàndard de 25 punts de mostratge) expressada com a pes sec (g·m–2) a les zones restaurades amb terra o terra més fangs a tres temps diferents des de la reposició del sòl. S’indiquen també els valors de F, p i graus de llibertat (g. ll.) resultants de l’ANOVA d’un factor (tractament). Data Zona de terra Terra més fangs mostreig m d.s. m d.s. F p g. ll. 30/4/97 23.87 44.02 83.23 97.70 7.8 0.0074 1. 48 13/6/97 61.59 74.83 204.70 227.09 8.1 0.0066 1. 46 24/12/97 34.10 18.37 99.09 86.18 13.6 0.0006 1. 48