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, they provide essential ecosystem services by recycling nutrients and storing carbon. As the planet’s largest terrestrial carbon sink, soils play a crucial role in regulating the global carbon cycle. However, human activities such as land-use change, intensive agriculture, and soil degradation threaten both the longevity and carbon-sequestering capacity of this vital resource. Soil carbon not only mitigates climate change by converting atmospheric carbon but also improves soil health. Higher carbon content improves soil structure, enhances water infiltration, reduces erosion, and increases nutrient retention, all of which are fey factors in maintaining resilient agriculture systems. Yet, converting soils from native ecosystems for agriculture remains a major contributor to global greenhouse gas emissions, a contribution that is projected to grow as arable land degrades. The growing impacts of climate change, such as water scarcity and intensifying droughts, further disrupt soil health, posing serious risks to global food security, which disproportionately affects regions already facing malnutrition and limited water access. While water conservation practices are expanding in response, questions remain about how these methods alter the biogeochemical cycling of soil carbon and influence carbon fluxes between soil and atmosphere. The XDSLab aims to investigate soil health under the pressures of a changing and uncertain future. The lab focuses on understanding how drought, extreme weather, and water conservation strategies influence soil biogeochemical processes, nutrient cycling, and carbon fluxes. Additionally, we explore how arable soils can be buffered to maintain productivity and resilience as global food systems face intensifying climatic and resource pressures. Through this work, we seek to advance sustainable soil management practices that strengthen both environmental and community resilience in the face of climate change. 

2. Metals

The XDSLab investigates the complex role of metals in soils, focusing on how environmental change influences their transformations and ecological impacts. Metals— derived from the natural weathering of rocks and minerals— are ubiquitous components of soils, and many are redox-active, meaning their behavior shifts when oxidized and/or reduced. Environmental conditions such as drying and rewetting can cause these metals to precipitate or solubilize depending on their oxidation state. Both geogenic (rock/soil derived) or anthropogenic (human made; deposited) metals can become toxic under certain conditions, making it critical to understand the mechanisms driving their fate and transport. One such environmental disturbance that this lab explores is the effect of wildfires on metal dynamics and ecosystem processes. Fire can catalyze both beneficial and detrimental soil transformations, influencing metal speciation, mobility, and bioavailability. Current research in the XDSLab investigates the role of overlying vegetation on the uptake of metals and resulting ash produced during wildfires and how fire conditions (temperature, duration) and soil conditions (moisture, geology, organic matter content) generate various inorganic contaminants. These contaminants, which are often wind-dispersible, can impact ecosystem and human health, and is especially harmful to communities that have little protection from increasing frequency and intensity of wildfires. By identifying how, when, and where fires are “bad”, we can better manage landscapes to protect the most vulnerable communities. 

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.