MCG 20112012 Universitat de les Illes Balears Palma

MCG 2011/2012, Universitat de les Illes Balears, Palma de Mallorca Modulo I Métodos y registros de reconstrucción paleoclimática y paleohidrológica SUELOS E INDICADORES PALEOAMBIENTALES Maria J. Machado Museo Nacional de Ciencias Naturales – CSIC

Índice general • Suelos y paleosuelos – Definición – Procesos de formación de suelos – Características específicas de los paleosuelos • Registros Biominerales en suelos – Biominerales de sílice y oxalato cálcico – Producción y valor como indicador paleoambiental 2

¿Cómo reconstruimos el Cambio Global? Dendro Modelos y proyecciones Local y Regional Global 3

Suelos y Paleosuelos Suelo • Material que cubre la superficie del planeta, resultante de la alteración y/o meteorización del sustrato rocoso. (G. J. Retallack, 2001) 4

Suelos y Paleosuelos • El suelo es un sistema abierto, dinámico, constituido por elementos en tres fases : sólida (elementos minerales y orgánicos) líquida (agua, coloides) gaseosa (O 2, CO 2, N, . . ) • No lineal, • Y que se modifica en el tiempo 5

Suelos y Paleosuelos. • En sistema contiene: Adición de materia orgánica, agua, energía Pérdida agua y partículas en solución por infiltración, evaporación Transformación minerales Translocación de minerales, arcillas, y coloides hacía los niveles inferiores 6

Suelos y Paleosuelos • El estado de desarrollo de un suelo puede ser sintetizado en la siguiente ecuación; – S = f (C + L + B + R + T) – – – C Clima L Sustrato B Organismos vivos R Relieve T Tiempo 7

Suelos y Paleosuelos • Sustrato – – Puede variar de un sustrato rocoso a uno poco consolidado como un depósito fluvial de ladera, eólico, costero, , , Del tipo de sustrato van a depender: o o Textura Estructura (migajosa, granular, bloques, coumnar, o o Composición mineralógica Color prismática) Blanco; carbonatos, yeso, sales, o en situaciones hiperhúmedas, lavado intenso Negro: M. O. , o manganeso (Z tropicales) Pardo; Oxalatos de hierro hidratados y oxalatos unidos a arcillas o a M. O. Rojo: Óxidos férricos, hematites (climas cálidos con prolongadas sequías) o Permeabilidad 8

Suelos y Paleosuelos • Clima o o o El factor mas importante, que controla: tipo y densidad de la vegetación alteración mineral y orgánica Altera el Ph de un suelo con igual sustrato Infiltración, evapotranspiración Fenómenos de translocación (formación de horizontes de iluviación) desarrollo de un suelo 9

Suelos y Paleosuelos • Relieve – La profundidad del suelo depende de su ubicación en la ladera: >pendiente > erosión < profundad del suelo La textura La infiltración, percolación y escorrentía Diversidad relacionada con microclimas 10

Suelos y Paleosuelos • Organismos vivos – Acción de descomposición de la hojarasca y humus – Transporte de la materia orgánica a horizontes inferiores – Ventilación del suelo – Transporte y almacenaje de CO 2 y N 11

Suelos y Paleosuelos • Tiempo o los suelos se desarrollaran mas fácilmente sobre materiales no consolidados, que a partir de rocas duras. o Formación mas rápida en los climas húmedos y cálidos que en climas secos y fríos. (1 mm/año hasta 0, 001 mm/año) o Es de resaltar como la velocidad de formación del suelo decrece drásticamente con la edad, ya que en un principio el material edáfico evoluciona hacia la formación de un horizonte A (de alteración de materia orgánica), que es de rápida formación, y una vez formado este horizonte el suelo se desarrolla originando horizontes B (de alteración mineral), de mucha más lenta formación. 12

Suelos y Paleosuelos • • Horizonte O: horizonte formado por materia orgánica. Algunos horizontes O están saturados durante largos períodos o lo estuvieron; otros no han estado nunca saturados. Horizontes A: horizontes minerales formados en la superficie (o por debajo de un horizonte O), que carecen total o casi totalmente de la estructura original de la roca parental y que poseen uno o más de los siguientes atributos: (1) una acumulación de materia orgánica humificada, íntimamente mezclada con la fracción mineral (2) propiedades que resultan del laboreo, el pastoreo u otras perturbaciones similares. Horizonte eluvial Horizontes E: horizontes minerales en los que el rasgo principal es la pérdida de arcilla, hierro, aluminio o alguna combinación de esos componentes, con la consiguiente concentración de partículas de arena y limo. Color mas claro que el HB. Horizontes B: horizontes total o casi totalmente desprovisto de estructura de roca y que posee uno o más de los siguientes atributos; • • • H iluvial concentración de arcilla, hierro, aluminio, humus, carbonatos, yeso, o sílice, solos o en combinación evidencia de eliminación de carbonatos; concentración residual de sesquióxidos (hematita, goethita); alteración que forma arcillas silicatadas, libera óxidos o ambos y que forma estructura de suelo (prismas, bloques, columnar) Horizontes C: horizontes o capas, excluyendo roca consolidada, que han sido poco afectados por los procesos edafogénicos Capas R: sustrato rocoso 13

Suelos y Paleosuelos • Existen diversas clasificaciones de suelos en función de su génesis, características físico-químicas, y su zonación climática. • La clasificación de la USDA es bastante usada en paleosuelospaleoclima por su sencillez. Aridisoles = suelos de zonas áridas (horizontes cálcicos) Mollisoles = templados-semiáridos en praderas (potente A) Alfisoles, Ultisoles, y Spodosoles = forestales (potente B) Oxisoles = suelos tropicales s (maxima oxidación) Histosoles = suelos en humedales (Horizontes O/C) Gelisoles = suelos apea boreales, con permafrost Andosoles= suelos sobre materiales volcánicos Vertisoles = suelos en arcillas expansivas Entisoles = Pobre desarrollo de A sobre horizonte C Inceptisoles = B poco desarrollado 14

Suelos y Paleosuelos • Suelos representativos de distintas zonas climáticas I: Suelo poco desarrollado, sobre roca (A/C); D: suelo joven, con un horizonte A discontinuo, y un horizonte C que presenta claros vestigios de la estructura sedimentaria de los depósitos fluviales originales. entisoles 15

Suelos y Paleosuelos Suelo de clima templados humedos y vegetación forestal (hoja caduca) con horizontes eluviales e iluviales bien diferenciados en su morfología Suelo de clima frío y vegetación forestal de coníferas, con horizonte B (Bhs) de acumulación de compuestos orgánicos , Fe y Al 16

Suelos y Paleosuelos • Suelo de clima tropical húmedo, muy desarrollado desde el punto de vista químico por su meteorización muy intensa, pero poco diferenciado en su morfología. Horizonte A poco evidente y Bo de concentración residual de sesquióxidos de hierro y aluminio 17

Suelos y Paleosuelos • Paleosuelos o Aquellos preservados en el registro geológico o Pueden asumir distintas posiciones estratigráficas (enterrados o a la superficie) o Conservan registros que permiten estimar distintas variables climáticas (precipitación, estacionalidad, temperatura) y de la vegetación (natural o introducida por el hombre) o Poseen características de color, composición y de estructura especificas. . 18

Suelos y Paleosuelos Posición estratigráfica: A: Paleosuelo poligénico aflorando en superficie. B: Paleosuelo consolidado (welded paleosol). C: Paleosuelo cerca de la superficie (actúa como h C suelo actual); D: Paleosuelo enterrado, separado del suelo superior por una unidad estratigráfica no edafizada; E: Paleosuelo enterrado, fosilizado; F: Paleosuelo exhumado 19

Suelos y Paleosuelos Características específicas de los paleosuelos: 1. Composición mineralógica y estructural Materia orgánica Alteración química Cementación Compactación 2. Visibles en campo Color Bioturbación Horizontes diagnóstico 20

Suelos y Paleosuelos • Materia Orgánica Menor contenido de materia orgánica en paleosuelos enterrados (descomposición por microorganismos, y cesa aporte exterior) • Alteración química Oxidación de los óxidos y hidróxidos de Fe (formación de hematita) Hidrólisis de minerales silicatados (ejº silicatos sódicos, albita -> caolinita) Deshidratación de minerales: (goetita -> hematita; yeso -> anidrita) Recristalización (calcita) 21

Suelos y Paleosuelos • Cementación pérdida de la permeabilidad del suelo debido a la precipitación de calcita, gipsita, sílice en los espacios antes ocupados por gases o solutos • Compactación Acción del peso de los sedimentos u horizontes superiores, y eliminación de los espacios lacios entre las partículas y aglomerados 22

Suelos y Paleosuelos Color • indicador climático: Árido, largos períodos de sequía: colores rojizos (óxidos férricos). Negro rojizo, presencia de nódulos y películas de compuestos de hierro y manganeso. Árido y semiárido, en sustratos calizos u salinos: blancos. Semiárido-subhúmedo: colores pardos /amarillentos (óxidos de hierro hidratados unidos a arcillas y/o materia orgánica) Templado húmedo: oscuro y/o Gley. Oscuro-Presencia de m. o. Gley (gris verdoso) : agua permanece (freáticas). La reducción del hierro ferroso es dominante sobre la oxidación del hierro, El hierro precipita en la capa donde fluctúa el nivel de las aguas freáticas 23

Suelos y Paleosuelos • Bioturbaciones Rizoconcreciones, pedotubulos, raíces fosilizadas, termiteros, … • Horizontes de diagnóstico existencia de horizontes iluviales, indica un suelo mas desarrollado y un periodo de estabilidad ambiental largo: Bc un horizonte B cálcico desarrollado indica además condiciones específicas de temperatura y precipitación (Rm <200 mm y Tmed >15ºC) Bt: Horizonte argílico (Rm >400 m, desarrollo lento; Rmm 1000 -1200 mm, desarrollo rápido) 24

Suelos y Paleosuelos Los suelos guardan además huellas de una variable fundamental…. 25

Registros Biominerales de sílice y oxalato cálcico • Presentan, dependiendo de las condiciones fitoclimáticas que han estado presentes durante su etapas de formación, hasta un volumen de 10% de biominerales en relación al volumen total de la fracción mineralogica total. • Estos son de naturaleza silícia o carbonatada. 26

Registros Biominerales • • Estos biominerales son los fitolitos Su valor en las reconstrucciones Paleoclimáticas y de Cambio Global reside en: Ø Buena respuesta a cambios ambientales (precipitación, temperatura, respuestacionalidad) y a los resultantes de la actividad agrícola y de cambio de usos del suelo del hombre; Buena preservación en suelos y sedimentos (se han encontrado en materiales Cenozoicos, tanto continentales como en sondeos fondos marinos). Se encuentran no solo en suelos y ambientes de baja energía (lacustres), como en sedimentos de alta energía (fluviales, loess, de ladera) Son minerales que resultan de decay-in-place, y no sufren transporte desde otras áreas, en el área o desde otras regiones (como es el caso del polen) 27 Muchos contienen charcoal en su interior (datación 14 C, valores 13 C) Ø Ø

Registros Biominerales • Los fitolitos son biominerales que se forman tanto en el interior de las células vegetales como en los espacios extracelulares. • La sílice que los constituye se produce a partir de la disolución del sílice que se encuentra en el suelo y de su absorción por la planta (sistema radicular) • El ácido monosilícico es transportado a las distintas partes de la planta donde se polimeriza (cuarzo amorfo). Tamaño 2 -400µm (major 5 -150) Indices de refraccion 1. 41 – 1. 47 28

Registros Biominerales Función de los fitolitos en las plantas • Aún se desconoce mucho sobre su formación, y razones de la absorción y uso del sílice por las plantas. Los trabajos publicados hasta la fecha barajan las siguientes razones: . • Mantener la turgencia e evitar el colapso de las paredes de las células ( fisíologistas vegetales Currie & Perry 2007) • Protección con elementos tóxicos como el aluminio (Carnelli et al 2002) • Protección contra herbívoros y fungi (Hunt et al 2008; Piperno 1988) , a semejanza con lo que pasa con las funciones de los biominerales de oxalato calcico 29

Registros Biominerales Identificación (microscopio petrográfico) • Índice de refracción (ca 1. 42 ) • Cuando observados bajo luz polarizada: los fitolitos, constituidos por silica amorfa (opal) se ven completamente oscuros, mientras el cuarzo (silica cristalizada), se puede individualizar. • Morfología- los fitolitos son, muchas veces, una copia exacta de la célula en la cual la silica fue depositada y por lo tanto “heredan” su forma • Tamaño (2 -500 µm). • Forma 3 D- los fitolitos son cuerpos tridimensionales. Las muestras deben de ser siempre montadas en un medio liquido. • Los fitolitos de menores dimensiones de la familia de las Poaceae (de gran significado en los estudios paleoambientales) suelen presentar una pequeña burbuja de citoplasma dentro del biomineral, lo que hace su identificación inmediata. 30

Registros Biominerales Producción y deposición • El número, tamaño y grado de mineralización depende de varios factores: o Suelo (cantidad de sílice soluble en el suelo) o Agua en el suelo, y drenaje o Edad de la planta (nº y morfologías) o La familia o genera de la planta • La acumulación de fitolitos en los suelos tiene una carácter local, asociado al sitio donde la planta o fruto se decompone. • Estudios locales y regionales. 31

Registros Biominerales Sistemas de clasificación 1. Taxonómico • No existe todavía un sistema de clasificación taxonómico para todas las especies. • Esto se debe a dos importantes propiedades de los fitolitos: la multiplicidad y la redundancia: la capacidad de cada planta de un determinado taxon de producir una gran cantidad de morfologías, y además, de la existencia de una mima morfología en distintos taxones (redundancia). • Sin embargo al producir una gran cantidad de morfologías se pueden identificar para varias morfologías únicas. • En el caso de los cereales y de algunas especies arbóreas europeas y norte america, ya es posible la utilización de un sistema taxonómico. 32

Registros Biominerales 2. Morfológico-taxonómico • Sistemas de clasificación mas utilizados en estudios de paleoambientes. • Sistema desarrollado por Twiss (1969), y complementado por Sese &Kondo (1974), Mulholland &Rapp (1992) y Madella (2008). • Criterio descripción y identificación: 1 – Morfología (forma 2 D y 3 D) 2 – Textura superficie 3 - Anatómica • Permite una distinción entre especies, según comunidades vegetales, arbóreas, arbustivas, herbáceas, y individualizar su ruta fotosintética (C 3/ C 4) 33

Registros Biominerales International Code for Phytolith Nomenclature M. Madella 1, A. Alexandre, T. Ball 34

Registros Biominerales Las herbáceas como indicador privilegiado de cambio ambiental Ciclo vegetativo corto, sensibles a los cambios ambientales (temp, precipitación, proporción de CO 2/O 2 en atmósfera Se altera el balance competitivo entre la proporción de plantas C 3/C 4 Sensibles a cambios ambientales menos abruptos ejºpequeños cambios en la duración o estacionalidad la precipitación Divididas en dos grandes grupos, según la forma metabólica en que fijan el carbono Son grandes productoras de fitolitos 35

Registros Biominerales • Las plantas de tipo C 3 son las más abundantes (cerca del 95% de las especies) y en ellas se incluyen la casi totalidad de las especies arbóreas, arbustivas y algunas herbáceas (Pooideae y algunas Panicoideae), y algas • La fijación de carbono en estas plantas se realiza a través del llamado Ciclo de Calvin, que tiene lugar en las células del mesófilo. Según este ciclo el CO 2 que entra a través de los estomas se pone en contacto con la enzima Ru. Bis. CO fijándose como una forma orgánica de 2 moléculas (3 Fosfoglicerato), cada una de las cuales contiene 3 átomos de carbono- • Las plantas de tipo C 3 están mejor adaptadas a regiones con elevadas concentraciones de CO 2 (≥ 200 ppm, Wingler et al. , 2000), temperatura e insolación moderadas (son por lo tanto dominantes en las regiones de clima templado) y con disponibilidad de agua en el suelo 36

Registros Biominerales • Las plantas de tipo C 4 representan poco mas del 4% de todas las especies de plantas terrestres (en su mayoría herbáceas, además de algunos arbustos y juncos), aunque son las responsables del 5% del total de la biomasa y del 30% del total de CO 2 fijado • Estas plantas están adaptadas a regiones con ambientes cálidos y relativamente húmedos, y sobre todo con una menor concentración de CO 2 • El surgimiento de las plantas de tipo C 4 está relacionado con la adaptación de las plantas a cambios en la cantidad de CO 2 atmosférico y de temperatura – las primeras plantas de tipo C 4 han aparecido hace 100 millones de años (cuando los valores medios de CO 2 bajaron de 1000 ppm hasta valores inferiores a los 600 -400 ppm, pero su presencia no ha sido significativa en los ecosistemas terrestres hasta cerca de los 12 millones de años BP expandiéndose a todos los continentes entre los 7 5 millones de años BP 37

Registros Biominerales Desde el punto de vista de la interpretación paleoambiental, la proporción de fitolitos característicos de Poaceae con distinta ruta fotosintética se puede sintetizar del siguiente modo: · Predominio de plantas de la sub-familia Pooidea (C 3) = fresco y húmedo • · Predominio de plantas de la sub-familia Panicoideae (C 3 y C 4) = cálido y húmedo • · Predominio de plantas de la sub-familia Chloridoideae (C 4) = cálido y seco 38