XingonaDirtSci Lab @ University of San Diego

Soils are living, dynamic bodies of inorganic and organic components that filter water, provide medium for crop and vegetative growth, are used as engineering medium, and are necessary for a functioning ecosystem and society. The components of soil (carbon + metals) are impacted by human activity. Here I have two main research themes that motivate my work in (1) carbon and (2) metals;

1. Carbon

   When soils are healthy, in terms of ecosystem services, they recycle nutrients and store carbon. Soils are the largest terrestrial carbon sink and are the medium that provide 475 million metric tons of grain per year in the US alone (USDA. 2019). But human activities, including land use change and agriculture itself, threaten the longevity and carbon sequestering capacity of this resource. Carbon, when stored in soil, enhances soil health where higher carbon content increases a soil’s ability to maintain soil structure resulting in greater infiltration, reduced soil erosion, nutrient retention, and a number of other factors that contribute to maintaining productive agricultural soils. The conversion of native soils for cultivation currently accounts for 10% of global greenhouse gas emissions but will likely intensify as more arable land is degraded (FAO, 2015). In addition, water scarcity resulting from climate change threatens food security which could lead to intensifying malnutrition in already vulnerable regions. Droughts are projected to be more frequent and intense (Marvel et al., 2019) and adaptation to this change through water conservation has become more and more common; however, what are the impacts of these conservation methods on biogeochemical cycling of soil carbon including flux of carbon back to the atmosphere? What effect do droughts have on communities that have less access to agricultural water? What are ways to mitigate the gap in water access? Though I explored answers to the first question thoroughly during my graduate career, my long-term goal is to understand and resolve the impacts of drought on agriculture through future research opportunities. Gearing agricultural soil carbon research to enhance soil health in part by enhancing access to information and technology in under-supported communities and nations is a task that I aim to accomplish throughout my career.

2. Metals

A ubiquitous component in soils are metals that are derived from the decomposition of rocks and minerals. Many of these metals are redox active, meaning that their behavior changes when they are oxidized and/or reduced. The environment, such as drying and rewetting cycles, can make metals precipitate or solubilize depending on their oxidation state. Both geogenic (rock/soil sourced) and anthropogenic (human made; deposited) metals can be toxic depending on the oxidation state and their fate and transport. As a source of metals, the mechanisms for metal transformations within soils are incredibly important to understand. Fire, among many concerning environmental impacts, can catalyze both beneficial and detrimental effects on an ecosystem. During my postdoc in the Fendorf group, I worked to understand the role of fire on soils and the environment and have asked how does overlying vegetation influence Cr and Ni speciation? How toxic is dust and ash generated from burned soils? How are increasing wildfires (both in severity and duration) mobilizing geogenic contaminants? And most importantly, who is MOST vulnerable to wildfire smoke inhalation?

Although I use soil biogeochemistry as a tool, my central research focus is environmental justice and aim to build community around identifying and resolving issues at the intersection of people and environment and to understand the role that soils play in society.

Podría afirmar que los suelos son uno de los recursos más importantes de la Tierra, aunque estén ignorados. Los suelos son cuerpos vivos y dinámicos de componentes inorgánicos y orgánicos que filtran el agua, son el medio para el crecimiento de cultivos y plantas, se utilizan como medio de ingeniería y son necesarios para el funcionamiento de los ecosistemas y la sociedad. Los componentes del suelo (carbono + metales) sufren el impacto de la actividad humana. Aquí tengo dos temas principales de investigación que motivan mi trabajo en (1) carbono y (2) metales;

(1) Cuando los suelos están sanos, en términos de servicios ecosistémicos, reciclan nutrientes y almacenan carbono. Los suelos son el mayor depósito terrestre de carbono y son el medio que proporciona 475 millones de toneladas métricas de grano al año solo en Estados Unidos (USDA. 2019). Pero las actividades humanas, incluidos el cambio en el uso del suelo y la agricultura por sí misma, amenazan la longevidad y la capacidad de secuestro de carbono de este recurso. El carbono, cuando se almacena en el suelo, mejora la salud del suelo, donde un mayor contenido de carbono aumenta la capacidad de un suelo para mantener la estructura del suelo, lo que resulta en una mayor infiltración, una reducción de la erosión del suelo, la retención de nutrientes y una serie de otros aspectos que contribuyen a mantener suelos agrícolas productivos. La conversión de suelos nativos para el cultivo representa actualmente el 10% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero, pero es probable que se intensifique a medida que se degraden más tierras cultivables (FAO, 2015). Además, la escasez de agua derivada del cambio climático amenaza la seguridad alimentaria, lo que podría intensificar la malnutrición en regiones ya de por sí vulnerables. Se prevé que las sequías sean más frecuentes e intensas (Marvel et al., 2019) y la adaptación a este cambio mediante la conservación del agua se ha vuelto cada vez más común; sin embargo, ¿cuáles son los impactos de estos métodos de conservación en el ciclo biogeoquímico del carbono del suelo, incluido el flujo de carbono de vuelta a la atmósfera? ¿Qué efecto tienen las sequías en las comunidades que tienen menos acceso al agua para la agricultura? ¿Cuáles son las formas de mitigar la brecha en el acceso al agua? Aunque he tenido la oportunidad de explorar a fondo las respuestas a la primera pregunta durante mi carrera de posgrado, mi objetivo a largo plazo es comprender y resolver los impactos de la sequía en la agricultura a través de futuras oportunidades de investigación. Orientar la investigación sobre el carbono del suelo agrícola a mejorar la salud del suelo, en parte mejorando el acceso a la información y la tecnología en comunidades y naciones que carecen de apoyo suficiente, es una tarea que me propongo llevar a cabo a lo largo de mi carrera.

(2) Un componente omnipresente en los suelos son los metales derivados de la descomposición de piedras y minerales. Muchos de estos metales son redox activos, lo que significa que su comportamiento cambia cuando se oxidan y/o reducen. El medio ambiente, como los ciclos de secado y rehumectación, puede hacer que los metales precipiten o se solubilicen en función de su estado de oxidación. Tanto los metales geogénicos (procedentes de la roca/suelo) como los antropogénicos (producidos por el hombre; depositados) pueden ser tóxicos dependiendo del estado de oxidación y de su destino y transporte. Como fuente de metales, es muy importante comprender los mecanismos de transformación de los metales en el suelo. El fuego, entre otros muchos impactos medioambientales preocupantes, puede catalizar efectos tanto beneficiosos como perjudiciales en un ecosistema. Como postdoctorando en el grupo de Fendorf, he trabajado para comprender el papel del fuego en los suelos y el medio ambiente, y me he preguntado cómo influye la vegetación suprayacente en la especiación del Cr y el Ni. ¿Hasta qué punto son tóxicos el polvo y la ceniza generados por los suelos quemados? ¿Cómo movilizan los contaminantes geogénicos los crecientes incendios forestales (tanto en gravedad como en duración)? Y lo que es más importante, ¿quién es MÁS vulnerable a la inhalación del humo de los incendios forestales?

Aunque utilizo la biogeoquímica del suelo como herramienta, mi investigación se centra en la justicia medioambiental y mi objetivo es crear comunidad en torno a la identificación y resolución de problemas en la intersección entre las personas y el medio ambiente y comprender la manera que desempeñan los suelos en la sociedad.