Risk of nitrate pollution in agricultural systems

Se propone una metodología que nos permita evaluar un óptimo manejo de la fertirrigación integrando aspectos agronómicos y medioambientales.

Meta-analysis of strategies to control nitrate leaching in irrigated agricultural systems and their effects on crop yield.

Nitrate leaching (NL) is an important N loss process in irrigated agriculture that imposes a cost on the farmer and the environment. A meta-analysis of published experimental results from agricultural irrigated systems was conducted to identify those strategies that have proven effective at reducing NL and to quantify the scale of reduction that can be achieved. Forty-four scientific articles were identified which investigated four main strategies (water and fertilizer management, use of cover crops and fertilizer technology) creating a database with 279 observations on NL and 166 on crop yield. Management practices that adjust water application to crop needs reduced NL by a mean of 80% without a reduction in crop yield. Improved fertilizer management reduced NL by 40%, and the best relationship between yield and NL was obtained when applying the recommended fertilizer rate. Replacing a fallow with a non-legume cover crop reduced NL by 50% while using a legume did not have any effect on NL. Improved fertilizer technology also decreased NL but was the least effective of the selected strategies. The risk of nitrate leaching from irrigated systems is high, but optimum management practices may mitigate this risk and maintain crop yields while enhancing environmental sustainability.

Methodology to assess economic and environmental impacts of nitrogen in fertirrigation systems.

To determine the risk of nitrate pollution in agricultural systems have identified several indexes and efficiencies that may lead an effective N fertilizer management for obtain the maximum yield with minimum environmental impact and health

Implications of agricultural production, policy and land use changes on water resource assessment

Una gestión más eficiente y equitativa del agua a escala de cuenca no se puede centrar exclusivamente en el recurso hídrico en sí, sino también en otras políticas y disciplinas científicas. Existe un consenso creciente de que, además de la consideración de las cambiantes condiciones climáticas, es necesaria una integración de ámbitos de investigación tales como la agronomía, planificación del territorio y ciencias políticas y económicas a fin de satisfacer de manera sostenible las demandas de agua por parte de la sociedad y del medio natural. La Política Agrícola Común (PAC) es el principal motor de cambio en las tendencias de paisajes rurales y sistemas agrícolas, pero el deterioro del medio ambiente es ahora una de las principales preocupaciones. Uno de los cambios más relevantes se ha producido con la expansión e intensificación del olivar en España, principalmente con nuevas zonas de regadío o la conversión de olivares de secano a sistemas en regadío. Por otra parte, el cambio de las condiciones climáticas podría ejercer un papel importante en las tendencias negativas de las aportaciones a los ríos, pero no queda claro el papel que podrían estar jugando los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas de caudal observadas. Esta tesis tiene como objetivo mejorar el conocimiento de los efectos de la producción agrícola, política agraria y cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las condiciones de calidad del agua, respuesta hidrológica y apropiación del agua por parte de la sociedad. En primer lugar, el estudio determina las tendencias existentes de nitratos y sólidos en suspensión en las aguas superficiales de la cuenca del río Guadalquivir durante el periodo de 1998 a 2009. Desde una perspectiva de política agraria, la investigación trata de evaluar mediante un análisis de datos de panel las principales variables, incluyendo la reforma de la PAC de 2003, que están teniendo una influencia en ambos indicadores de calidad. En segundo lugar, la apropiación del agua y el nivel de contaminación por nitratos debido a la producción del aceite de oliva en España se determinan con una evaluación de la huella hídrica (HH), teniendo en cuenta una variabilidad espacial y temporal a largo de las provincias españolas y entre 1997 y 2008. Por último, la tesis analiza los efectos de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal sobre las tendencias negativas observadas en la zona alta del Turia, cabecera de la cuenca del río Júcar, durante el periodo 1973-2008 mediante una modelización ecohidrológica. En la cuenca del Guadalquivir cerca del 20% de las estaciones de monitoreo muestran tendencias significativas, lineales o cuadráticas, para cada indicador de calidad de agua. La mayoría de las tendencias significativas en nitratos están aumentando, y la mayoría de tendencias cuadráticas muestran un patrón en forma de U. Los modelos de regresión de datos de panel muestran que las variables más importantes que empeoran ambos indicadores de calidad del agua son la intensificación de biomasa y las exportaciones de ambos indicadores de calidad procedentes de aguas arriba. En regiones en las que el abandono agrícola y/o desintensificación han tenido lugar han mejorado las condiciones de calidad del agua. Para los nitratos, el desacoplamiento de las subvenciones a la agricultura y la reducción de la cuantía de las subvenciones a tierras de regadío subyacen en la reducción observada de la concentración de nitratos. Las medidas de modernización de regadíos y el establecimiento de zonas vulnerables a nitratos reducen la concentración en subcuencas que muestran una tendencia creciente de nitratos. Sin embargo, el efecto de las exportaciones de nitratos procedente de aguas arriba, la intensificación de la biomasa y los precios de los cultivos presentan un mayor peso, explicando la tendencia creciente observada de nitratos. Para los sólidos en suspensión, no queda de forma evidente si el proceso de desacoplamiento ha influido negativa o positivamente. Sin embargo, los mayores valores de las ayudas agrarias aún ligadas a la producción, en particular en zonas de regadío, conllevan un aumento de las tasas de erosión. Aunque la cuenca del Guadalquivir ha aumentado la producción agrícola y la eficiencia del uso del agua, el problema de las altas tasas de erosión aún no ha sido mitigado adecuadamente. El estudio de la huella hídrica (HH) revela que en 1 L de aceite de oliva español más del 99,5% de la HH está relacionado con la producción de la aceituna, mientras que menos del 0,5% se debe a otros componentes, es decir, a la botella, tapón y etiqueta. Durante el período estudiado, la HH verde en secano y en regadío representa alrededor del 72% y 12%, respectivamente, del total de la HH. Las HHs azul y gris representan 6% y 10%, respectivamente. La producción de aceitunas se concentra en regiones con una HH menor por unidad de producto. La producción de aceite de oliva ha aumentado su productividad del agua durante 1997-2008, incentivado por los crecientes precios del aceite, como también lo ha hecho la cantidad de exportaciones de agua virtual. De hecho, las mayores zonas productoras presentan una eficiencia alta del uso y de productividad del agua, así como un menor potencial de contaminación por nitratos. Pero en estas zonas se ve a la vez reflejado un aumento de presión sobre los recursos hídricos locales. El aumento de extracciones de agua subterránea relacionadas con las exportaciones de aceite de oliva podría añadir una mayor presión a la ya estresada cuenca del Guadalquivir, mostrando la necesidad de equilibrar las fuerzas del mercado con los recursos locales disponibles. Los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal juegan un papel importante en el balance del agua de la cuenca alta del Turia, pero no son el principal motor que sustenta la reducción observada de caudal. El aumento de la temperatura es el principal factor que explica las mayores tasas de evapotranspiración y la reducción de caudales. Sin embargo, los cambios de uso de suelo y el cambio climático han tenido un efecto compensatorio en la respuesta hidrológica. Por un lado, el caudal se ha visto afectado negativamente por el aumento de la temperatura, mientras que los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal han compensado positivamente con una reducción de las tasas de evapotranspiración, gracias a los procesos de disminución de la densidad de matorral y de degradación forestal. El estudio proporciona una visión que fortalece la interdisciplinariedad entre la planificación hidrológica y territorial, destacando la necesidad de incluir las implicaciones de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en futuros planes hidrológicos. Estos hallazgos son valiosos para la gestión de la cuenca del río Turia, y el enfoque empleado es útil para la determinación del peso de los cambios de uso de suelo y cobertura vegetal en la respuesta hidrológica en otras regiones. ABSTRACT Achieving a more efficient and equitable water management at catchment scale does not only rely on the water resource itself, but also on other policies and scientific knowledge. There is a growing consensus that, in addition to consideration of changing climate conditions, integration with research areas such as agronomy, land use planning and economics and political science is required to meet sustainably the societal and environmental water demands. The Common Agricultural Policy (CAP) is a main driver for trends in rural landscapes and agricultural systems, but environmental deterioration is now a principal concern. One of the most relevant changes has occurred with the expansion and intensification of olive orchards in Spain, taking place mainly with new irrigated areas or with the conversion from rainfed to irrigated systems. Moreover, changing climate conditions might exert a major role on water yield trends, but it remains unclear the role that ongoing land use and land cover changes (LULCC) might have on observed river flow trends. This thesis aims to improve the understanding of the effects of agricultural production, policies and LULCC on water quality conditions, hydrological response and human water appropriation. Firstly, the study determines the existing trends for nitrates and suspended solids in the Guadalquivir river basin’s surface waters (south Spain) during the period from 1998 to 2009. From a policy perspective, the research tries to assess with panel data analysis the main drivers, including the 2003 CAP reform, which are having an influence on both water quality indicators. Secondly, water appropriation and nitrate pollution level originating from the production of olive oil in Spain is determined with a water footprint (WF) assessment, considering a spatial temporal variability across the Spanish provinces and from 1997 to 2008 years. Finally, the thesis analyzes the effects of the LULCC on the observed negative trends over the period 1973-2008 in the Upper Turia basin, headwaters of the Júcar river demarcation (east Spain), with ecohydrological modeling. In the Guadalquivir river basin about 20% of monitoring stations show significant trends, linear or quadratic, for each water quality indicator. Most significant trends of nitrates are augmenting than decreasing, and most significant quadratic terms of both indicators exhibit U-shaped patterns. The panel data models show that the most important drivers that are worsening nitrates and suspended solids in the basin are biomass intensification and exports of both water quality indicators from upland regions. In regions that agricultural abandonment and/or de-intensification have taken place the water quality conditions have improved. For nitrates, the decoupling of agricultural subsidies and the reduction of the amount of subsidies to irrigated land underlie the observed reduction of nitrates concentration. Measures of irrigation modernization and establishment of vulnerable zones to nitrates ameliorate the concentration of nitrates in subbasins showing an increasing trend. However, the effect of nitrates load from upland areas, intensification of biomass and crop prices present a greater weight leading to the final increasing trend in this subbasins group, where annual crops dominate. For suspended solids, there is no clear evidence that decoupling process have influenced negatively or positively. Nevertheless, greater values of subsidies still linked to production, particularly in irrigated regions, lead to increasing erosion rates. Although agricultural production has augmented in the basin and water efficiency in the agricultural sector has improved, the issue of high erosion rates has not yet been properly faced. The water footprint (WF) assessment reveals that for 1 L Spanish olive oil more than 99.5% of the WF is related to the olive fruit production, whereas less than 0.5% is due to other components i.e. bottle, cap and label. Over the studied period, the green WF in rainfed and irrigated systems represents about 72% and 12%, respectively, of the total WF. Blue and grey WFs represent 6% and 10%, respectively. The olive production is concentrated in regions with the smallest WF per unit of product. The olive oil production has increased its apparent water productivity from 1997 to 2008 incentivized by growing trade prices, but also did the amount of virtual water exports. In fact, the largest producing areas present high water use efficiency per product and apparent water productivity as well as less nitrates pollution potential, but this enhances the pressure on the available water resources. Increasing groundwater abstractions related to olive oil exports may add further pressure to the already stressed Guadalquivir basin. This shows the need to balance the market forces with the available local resources. Concerning the effects of LULCC on the Upper Turia basin’s streamflow, LULCC play a significant role on the water balance, but it is not the main driver underpinning the observed reduction on Turia's streamflow. Increasing mean temperature is the main factor supporting larger evapotranspiration rates and streamflow reduction. In fact, LULCC and climate change have had an offsetting effect on the streamflow generation during the study period. While streamflow has been negatively affected by increasing temperature, ongoing LULCC have positively compensated with reduced evapotranspiration rates, thanks to mainly shrubland clearing and forest degradation processes. The research provides insight for strengthening the interdisciplinarity between hydrological and spatial planning, highlighting the need to include the implications of LULCC in future hydrological plans. These findings are valuable for the management of the Turia river basin, as well as a useful approach for the determination of the weight of LULCC on the hydrological response in other regions.

Agricultural use of organic wastes as source of nitrogen and phosphorus: risks and opportunities

El nitrógeno (N) y el fósforo (P) son nutrientes esenciales en la producción de cultivos. El desarrollo de los fertilizantes de síntesis durante el siglo XX permitió una intensificación de la agricultura y un aumento de las producciones pero a su vez el gran input de nutrientes ha resultado en algunos casos en sistemas poco eficientes incrementando las pérdidas de estos nutrientes al medio ambiente. En el caso del P, este problema se agrava debido a la escasez de reservas de roca fosfórica necesaria para la fabricación de fertilizantes fosfatados. La utilización de residuos orgánicos en agricultura como fuente de N y P es una buena opción de manejo que permite valorizar la gran cantidad de residuos que se generan. Sin embargo, es importante conocer los procesos que se producen en el suelo tras la aplicación de los mismos, ya que influyen en la disponibilidad de nutrientes que pueden ser utilizados por el cultivo así como en las pérdidas de nutrientes de los agrosistemas que pueden ocasionar problemas de contaminación. Aunque la dinámica del N en el suelo ha sido más estudiada que la del P, los problemas importantes de contaminación por nitratos en zonas vulnerables hacen necesaria la evaluación de aquellas prácticas de manejo que pudieran agravar esta situación, y en el caso de los residuos orgánicos, la evaluación de la respuesta agronómica y medioambiental de la aplicación de materiales con un alto contenido en N (como los residuos procedentes de la industria vinícola y alcoholera). En cuanto al P, debido a la mayor complejidad de su ciclo y de las reacciones que ocurren en el suelo, hay un mayor desconocimiento de los factores que influyen en su dinámica en los sistemas suelo-planta, lo que supone nuevas oportunidades de estudio en la evaluación del uso agrícola de los residuos orgánicos. Teniendo en cuenta los conocimientos previos sobre cada nutriente así como las necesidades específicas en el estudio de los mismos, en esta Tesis se han evaluado: (1) el efecto de la aplicación de residuos procedentes de la industria vinícola y alcoholera en la dinámica del N desde el punto de vista agronómico y medioambiental en una zona vulnerable a la contaminación por nitratos; y (2) los factores que influyen en la disponibilidad de P en el suelo tras la aplicación de residuos orgánicos. Para ello se han llevado a cabo incubaciones de laboratorio así como ensayos de campo que permitieran evaluar la dinámica de estos nutrientes en condiciones reales. Las incubaciones de suelo en condiciones controladas de humedad y temperatura para determinar el N mineralizado se utilizan habitualmente para estimar la disponibilidad de N para el cultivo así como el riesgo medioambiental. Por ello se llevó a cabo una incubación en laboratorio para conocer la velocidad de mineralización de N de un compost obtenido a partir de residuos de la industria vinícola y alcoholera, ampliamente distribuida en Castilla-La Mancha, región con problemas importantes de contaminación de acuíferos por nitratos. Se probaron tres dosis crecientes de compost correspondientes a 230, 460 y 690 kg de N total por hectárea que se mezclaron con un suelo franco arcillo arenoso de la zona. La evolución del N mineral en el suelo a lo largo del tiempo se ajustó a un modelo de regresión no lineal, obteniendo valores bajos de N potencialmente mineralizable y bajas contantes de mineralización, lo que indica que se trata de un material resistente a la mineralización y con una lenta liberación de N en el suelo, mineralizándose tan solo 1.61, 1.33 y 1.21% del N total aplicado con cada dosis creciente de compost (para un periodo de seis meses). Por otra parte, la mineralización de N tras la aplicación de este material también se evaluó en condiciones de campo, mediante la elaboración de un balance de N durante dos ciclos de cultivo (2011 y 2012) de melón bajo riego por goteo, cultivo y manejo agrícola muy característicos de la zona de estudio. Las constantes de mineralización obtenidas en el laboratorio se ajustaron a las temperaturas reales en campo para predecir el N mineralizado en campo durante el ciclo de cultivo del melón, sin embargo este modelo generalmente sobreestimaba el N mineralizado observado en campo, por la influencia de otros factores no tenidos en cuenta para obtener esta predicción, como el N acumulado en el suelo, el efecto de la planta o las fluctuaciones de temperatura y humedad. Tanto el ajuste de los datos del laboratorio al modelo de mineralización como las predicciones del mismo fueron mejores cuando se consideraba el efecto de la mezcla suelo-compost que cuando se aislaba el N mineralizado del compost, mostrando la importancia del efecto del suelo en la mineralización del N procedente de residuos orgánicos. Dado que esta zona de estudio ha sido declarada vulnerable a la contaminación por nitratos y cuenta con diferentes unidades hidrológicas protegidas, en el mismo ensayo de campo con melón bajo riego por goteo se evaluó el riesgo de contaminación por nitratos tras la aplicación de diferentes dosis de compost bajo dos regímenes de riego, riego ajustado a las necesidades del cultivo (90 ó 100% de la evapotranspiración del cultivo (ETc)) o riego excedentario (120% ETc). A lo largo del ciclo de cultivo se estimó semanalmente el drenaje mediante la realización de un balance hídrico, así como se tomaron muestras de la solución de suelo y se determinó su concentración de nitratos. Para evaluar el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas asociado con estas prácticas, se utilizaron algunos índices medioambientales para determinar la variación en la calidad del agua potable (Índice de Impacto (II)) y en la concentración de nitratos del acuífero (Índice de Impacto Ambiental (EII)). Para combinar parámetros medioambientales con parámetros de producción, se calculó la eficiencia de manejo. Se observó que la aplicación de compost bajo un régimen de riego ajustado no aumentaba el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas incluso con la aplicación de la dosis más alta. Sin embargo, la aplicación de grandes cantidades de compost combinada con un riego excedentario supuso un incremento en el N lixiviado a lo largo del ciclo de cultivo, mientras que no se obtuvieron mayores producciones con respecto al riego ajustado. La aplicación de residuos de la industria vinícola y alcoholera como fuente de P fue evaluada en suelos calizos caracterizados por una alta capacidad de retención de P, lo cual en algunos casos limita la disponibilidad de este nutriente. Para ello se llevó a cabo otro ensayo de incubación con dos suelos de diferente textura, con diferente contenido de carbonato cálcico, hierro y con dos niveles de P disponible; a los que se aplicaron diferentes materiales procedentes de estas industrias (con y sin compostaje previo) aportando diferentes cantidades de P. A lo largo del tiempo se analizó el P disponible del suelo (P Olsen) así como el pH y el carbono orgánico disuelto. Al final de la incubación, con el fin de estudiar los cambios producidos por los diferentes residuos en el estado del P del suelo se llevó a cabo un fraccionamiento del P inorgánico del suelo, el cual se separó en P soluble y débilmente enlazado (NaOH-NaCl-P), P soluble en reductores u ocluido en los óxidos de Fe (CBD-P) y P poco soluble precipitado como Ca-P (HCl-P); y se determinó la capacidad de retención de P así como el grado de saturación de este elemento en el suelo. En este ensayo se observó que, dada la naturaleza caliza de los suelos, la influencia de la cantidad de P aplicado con los residuos en el P disponible sólo se producía al comienzo del periodo de incubación, mientras que al final del ensayo el incremento en el P disponible del suelo se igualaba independientemente del P aplicado con cada residuo, aumentando el P retenido en la fracción menos soluble con el aumento del P aplicado. Por el contrario, la aplicación de materiales orgánicos menos estabilizados y con un menor contenido en P, produjo un aumento en las formas de P más lábiles debido a una disolución del P retenido en la fracción menos lábil, lo cual demostró la influencia de la materia orgánica en los procesos que controlan el P disponible en el suelo. La aplicación de residuos aumentó el grado de saturación de P de los suelos, sin embargo los valores obtenidos no superaron los límites establecidos que indican un riesgo de contaminación de las aguas. La influencia de la aplicación de residuos orgánicos en las formas de P inorgánico y orgánico del suelo se estudió además en un suelo ácido de textura areno francosa tras la aplicación en campo a largo plazo de estiércol vacuno y de compost obtenido a partir de biorresiduos, así como la aplicación combinada de compost y un fertilizante mineral (superfosfato tripe), en una rotación de cultivos. En muestras de suelo recogidas 14 años después del establecimiento del experimento en campo, se determinó el P soluble y disponible, la capacidad de adsorción de P, el grado de saturación de P así como diferentes actividades enzimáticas (actividad deshidrogenasa, fosfatasa ácida y fosfatasa alcalina). Las diferentes formas de P orgánico en el suelo se estudiaron mediante una técnica de adición de enzimas con diferentes substratos específicos a extractos de suelo de NaOH-EDTA, midiendo el P hidrolizado durante un periodo de incubación por colorimetría. Las enzimas utilizadas fueron la fosfatasa ácida, la nucleasa y la fitasa las cuales permitieron identificar monoésteres hidrolizables (monoester-like P), diésteres (DNA-like P) e inositol hexaquifosfato (Ins6P-like P). La aplicación a largo plazo de residuos orgánicos aumentó el P disponible del suelo proporcionalmente al P aplicado con cada tipo de fertilización, suponiendo un mayor riesgo de pérdidas de P dado el alto grado de saturación de este suelo. La aplicación de residuos orgánicos aumentó el P orgánico del suelo resistente a la hidrólisis enzimática, sin embargo no influyó en las diferentes formas de P hidrolizable por las enzimas en comparación con las observadas en el suelo sin enmendar. Además, las diferentes formas de P orgánico aplicadas con los residuos orgánicos no se correspondieron con las analizadas en el suelo lo cual demostró que éstas son el resultado de diferentes procesos en el suelo mediados por las plantas, los microorganismos u otros procesos abióticos. En este estudio se encontró una correlación entre el Ins6P-like P y la actividad microbiana (actividad deshidrogenasa) del suelo, lo cual refuerza esta afirmación. Por último, la aplicación de residuos orgánicos como fuente de N y P en la agricultura se evaluó agronómicamente en un escenario real. Se estableció un experimento de campo para evaluar el compost procedente de residuos de bodegas y alcoholeras en el mismo cultivo de melón utilizado en el estudio de la mineralización y lixiviación de N. En este experimento se estudió la aplicación de tres dosis de compost: 1, 2 y 3 kg de compost por metro lineal de plantación correspondientes a 7, 13 y 20 t de compost por hectárea respectivamente; y se estudió el efecto sobre el crecimiento de las plantas, la acumulación de N y P en la planta, así como la producción y calidad del cultivo. La aplicación del compost produjo un ligero incremento en la biomasa vegetal acompañado por una mejora significativa de la producción con respecto a las parcelas no enmendadas, obteniéndose la máxima producción con la aplicación de 2 kg de compost por metro lineal. Aunque los efectos potenciales del N y P fueron parcialmente enmascarados por otras entradas de estos nutrientes en el sistema (alta concentración de nitratos en el agua de riego y ácido fosfórico suministrado por fertirrigación), se observó una mayor acumulación de P uno de los años de estudio que resultó en un aumento en el número de frutos en las parcelas enmendadas. Además, la mayor acumulación de N y P disponible en el suelo al final del ciclo de cultivo indicó el potencial uso de estos materiales como fuente de estos nutrientes. ABSTRACT Nitrogen (N) and phosphorus (P) are essential nutrients in crop production. The development of synthetic fertilizers during the 20th century allowed an intensification of the agriculture increasing crop yields but in turn the great input of nutrients has resulted in some cases in inefficient systems with higher losses to the environment. Regarding P, the scarcity of phosphate rock reserves necessary for the production of phosphate fertilizers aggravates this problem. The use of organic wastes in agriculture as a source of N and P is a good option of management that allows to value the large amount of wastes generated. However, it is important to understand the processes occurring in the soil after application of these materials, as they affect the availability of nutrients that can be used by the crop and the nutrient losses from agricultural systems that can cause problems of contamination. Although soil N dynamic has been more studied than P, the important concern of nitrate pollution in Nitrate Vulnerable Zones requires the evaluation of those management practices that could aggravate this situation, and in the case of organic wastes, the evaluation of the agronomic and environmental response after application of materials with a high N content (such as wastes from winery and distillery industries). On the other hand, due to the complexity of soil P cycle and the reactions that occur in soil, there is less knowledge about the factors that can influence its dynamics in the soil-plant system, which means new opportunities of study regarding the evaluation of the agricultural use of organic wastes. Taking into account the previous knowledge of each nutrient and the specific needs of study, in this Thesis we have evaluated: (1) the effect of the application of wastes from the winery and distillery industries on N dynamics from the agronomic and environmental viewpoint in a vulnerable zone; and (2) the factors that influence P availability in soils after the application of organic wastes. With this purposes, incubations were carried out in laboratory conditions as well as field trials that allow to assess the dynamic of these nutrients in real conditions. Soil incubations under controlled moisture and temperature conditions to determine N mineralization are commonly used to estimate N availability for crops together with the environmental risk. Therefore, a laboratory incubation was conducted in order to determine the N mineralization rate of a compost made from wastes generated in the winery and distillery industries, widely distributed in Castilla-La Mancha, a region with significant problems of aquifers contamination by nitrates. Three increasing doses of compost corresponding to 230, 460 and 690 kg of total N per hectare were mixed with a sandy clay loam soil collected in this area. The evolution of mineral N in soil over time was adjusted to a nonlinear regression model, obtaining low values of potentially mineralizable N and low constants of mineralization, indicating that it is a material resistant to mineralization with a slow release of N, with only 1.61, 1.33 and 1.21% of total N applied being mineralized with each increasing dose of compost (for a period of six months). Furthermore, N mineralization after the application of this material was also evaluated in field conditions by carrying out a N balance during two growing seasons (2011 and 2012) of a melon crop under drip irrigation, a crop and management very characteristic of the area of study. The mineralization constants obtained in the laboratory were adjusted to the actual temperatures observed in the field to predict N mineralized during each growing season, however, this model generally overestimated the N mineralization observed in the field, because of the influence of other factors not taken into account for this prediction, as N accumulated in soil, the plant effect or the fluctuations of temperature and moisture. The fitting of the laboratory data to the model as well as the predictions of N mineralized in the field were better when considering N mineralized from the soil-compost mixture rather than when N mineralized from compost was isolated, underlining the important role of the soil on N mineralization from organic wastes. Since the area of study was declared vulnerable to nitrate pollution and is situated between different protected hydrological units, the risk of nitrate pollution after application of different doses compost was evaluated in the same field trial with melon under two irrigation regimes, irrigation adjusted to the crop needs (90 or 100% of the crop evapotranspiration (ETc)) or excedentary irrigation (120% ETc). Drainage was estimated weekly throughout the growing season by conducting a water balance, samples of the soil solution were taken and the concentration of nitrates was determined. To assess the risk of groundwater contamination associated with these practices, some environmental indices were used to determine the variation in the quality of drinking water (Impact Index (II)) and the nitrates concentration in the groundwater (Environmental Impact Index (EII)). To combine environmental parameters together with yield parameters, the Management Efficiency was calculated. It was observed that the application of compost under irrigation adjusted to the plant needs did not represent a higher risk of groundwater contamination even with the application of the highest doses. However, the application of large amounts of compost combined with an irrigation surplus represented an increase of N leaching during the growing season compared with the unamended plots, while no additional yield with respect to the adjusted irrigation strategy is obtained. The application of wastes derived from the winery and distillery industry as source of P was evaluated in calcareous soils characterized by a high P retention capacity, which in some cases limits the availability of this nutrient. Another incubation experiment was carried out using two soils with different texture, different calcium carbonate and iron contents and two levels of available P; to which different materials from these industries (with and without composting) were applied providing different amounts of P. Soil available P (Olsen P), pH and dissolved organic carbon were analyzed along time. At the end of the incubation, in order to study the changes in soil P status caused by the different residues, a fractionation of soil inorganic P was carried out, which was separated into soluble and weakly bound P (NaOH-NaCl- P), reductant soluble P or occluded in Fe oxides (CBD-P) and P precipitated as poorly soluble Ca-P (HCl-P); and the P retention capacity and degree of P saturation were determined as well. Given the calcareous nature of the soils, the influence of the amount of P applied with the organic wastes in soil available P only occurred at the beginning of the incubation period, while at the end of the trial the increase in soil available P equalled independently of the amount of P applied with each residue, increasing the P retained in the least soluble fraction when increasing P applied. Conversely, the application of less stabilized materials with a lower content of P resulted in an increase in the most labile P forms due to dissolution of P retained in the less labile fraction, demonstrating the influence of organic matter addition on soil P processes that control P availability in soil. As expected, the application of organic wastes increased the degree of P saturation in the soils, however the values obtained did not exceed the limits considered to pose a risk of water pollution. The influence of the application of organic wastes on inorganic and organic soil P forms was also studied in an acid loamy sand soil after long-term field application of cattle manure and biowaste compost and the combined application of compost and mineral fertilizer (triple superphosphate) in a crop rotation. Soil samples were collected 14 years after the establishment of the field experiment, and analyzed for soluble and available P, P sorption capacity, degree of P saturation and enzymatic activities (dehydrogenase, acid phosphatase and alkaline phosphatase). The different forms of organic P in soil were determined by using an enzyme addition technique, based on adding enzymes with different substrate specificities to NaOH-EDTA soil extracts, measuring the hydrolyzed P colorimetrically after an incubation period. The enzymes used were acid phosphatase, nuclease and phytase which allowed to identify hydrolyzable monoesters (monoester-like P) diesters (DNA-like P) and inositol hexakisphosphate (Ins6P-like P). The long-term application of organic wastes increased soil available P proportionally to the P applied with each type of fertilizer, assuming a higher risk of P losses given the high degree of P saturation of this soil. The application of organic wastes increased soil organic P resistant to enzymatic hydrolysis, but no influence was observed regarding the different forms of enzyme hydrolyzable organic P compared to those observed in the non-amended soil. Furthermore, the different forms of organic P applied with the organic wastes did not correspond to those analyzed in the soil which showed that these forms in soil are a result of multifaceted P turnover processes in soil affected by plants, microorganisms and abiotic factors. In this study, a correlation between Ins6P-like P and the microbial activity (dehydrogenase activity) of soil was found, which reinforces this claim. Finally, the application of organic wastes as a source of N and P in agriculture was evaluated agronomically in a real field scenario. A field experiment was established to evaluate the application of compost made from wine-distillery wastes in the same melon crop used in the experiments of N mineralization and leaching. In this experiment the application of three doses of compost were studied: 1 , 2 and 3 kg of compost per linear meter of plantation corresponding to 7, 13 and 20 tonnes of compost per hectare respectively; and the effect on plant growth, N and P accumulation in the plant as well as crop yield and quality was studied. The application of compost produced a slight increase in plant biomass accompanied by a significant improvement in crop yield with respect to the unamended plots, obtaining the maximum yield with the application of 2 kg of compost per linear meter. Although the potential effects of N and P were partially masked by other inputs of these nutrients in the system (high concentration of nitrates in the irrigation water and phosphoric acid supplied by fertigation), an effect of P was observed the first year of study resulting in a greater plant P accumulation and in an increase in the number of fruits in the amended plots. In addition, the higher accumulation of available N and P in the topsoil at the end of the growing season indicated the potential use of this material as source of these nutrients.

Valoración de Indicadores de calidad para el diseño e implementación de tecnologías de manejo en Luvisoles de la zona norte de la provincia de Las Tunas, Cuba

La calidad del suelo es una herramienta de evaluación que puede facilitar la adaptación de prácticas de manejo que promuevan sistemas agropecuarios sostenibles. La investigación de este trabajo se inició con un diagnóstico participativo en 12 comunidades rurales de la provincia de Las Tunas en el año 2009 en el cual los productores identificaron los puntos críticos de calidad de los suelos de la región y sirvieron de punta de partida para seleccionar las variables físicas, químicas y biológicas a determinar en cinco sistemas de uso agropecuario (arboleda, pasto natural, pasto cultivado y dos sistemas silvopastoriles) en la zona La Veguita, municipio Las Tunas. El sistema arboleda se utilizó como referencia de las propiedades naturales del suelo. El pasto natural se distingue por el desarrollo de especies de baja productividad, sin embargo el pasto cultivado está representado por Pennisetum purpureum vc CUBA CT-115, y constituye una contribución a la tecnología de bancos de biomasa, para utilizarse en el pastoreo durante la seca. Los sistemas silvopastoriles están representados por Leucaena leucocephala Lam. en franjas y Panicum maximun vc. Likoni, los que se diferencian en su diseño, manejo y propiedades mineralógicas. El objetivo fundamental fue valorar indicadores de calidad de los suelos Luvisoles háplicos sobre granitoides, para diseñar e implementar tecnologías de manejo que permitan incrementar la capacidad agroproductiva de los suelos. Mediante el análisis de componentes principales se obtuvo un conjunto mínimo de indicadores físicos, químicos y biológicos que proporcionaron información útil referente a los procesos edáficos y se integraron para determinar un índice de calidad. En el sistema de uso, caracterizado por el pasto cultivado (Pennisetum purpureum) se estableció, en parcelas experimentales, un ensayo de corta duración, en el que se comparó el laboreo tradicional y el laboreo sin inversión del prisma, con y sin aplicación de compost. En ambos sistemas de labranza se evaluó el desarrollo del cultivo e indicadores de calidad del suelo. Los resultados mostraron que del conjunto de indicadores edáficos estudiados se seleccionaron 6 en los que la capacidad de intercambio catiónico, materia orgánica, potasio intercambiable, contenido de arena, densidad aparente y biomasa de lombrices explicaron la mayor variabilidad y sirvieron de base para evaluar la calidad de estos suelos. Se establecieron valores umbrales de referencia de indicadores de calidad, que permitirán evaluar y monitorear los sistemas de uso y manejo de la región. El sistema Silvopastoril 2 resultó el de mayor índice de calidad de los suelos tomando como referencia la arboleda por su condición natural. El manejo silvopastoril influyó predominantemente en mejores resultados productivos pero las características edáficas principalmente físicas, deben definir su diseño y manejo. El sistema de pastos cultivados con Pennisetum purpureum vc CUBA CT 115, alcanzó la mayor acumulación de carbono orgánico, sin embargo, el manejo limitó su calidad física y el funcionamiento productivo del sistema. De manera general los sistemas de uso no garantizan un índice de la calidad del suelo, puesto que se ve afectado por las propiedades edáficas y las prácticas de manejo. En el ámbito biológico, las lombrices constituyeron los organismos más numerosos con predominio en los sistemas silvopastoriles y arboleda. Los valores superiores de densidad y biomasa de oligoquetos y mayor diversidad de otros individuos de la macrofauna, indican que la presencia de árboles en los pastizales de gramínea potencia y diversifican las comunidades de macroinvertebrados del suelo. El sistema de labranza sin inversión del prisma propicia una mejor calidad física del suelo, manteniendo el carbono e incrementando los rendimientos del Penisetum purpureum cv CUBA CT 115. La labranza tradicional, a base de aradura y grada, afecta a los contenidos de materia orgánica en el corto plazo y mantiene capas compactas en el horizonte subyacente, además influye desfavorablemente al flujo del aire, agua y al desarrollo radical de los pastos. La aplicación de compost favoreció mejores resultados productivos en ambas tecnologías de manejo. Los resultados alcanzados recomiendan la implantación de tecnologías de manejo conservacionistas y la aplicación de materiales orgánicos que restituyan los elementos nutricionales requeridos por los pastos, por lo que no se justifica la continuidad del uso de prácticas tradicionales de laboreo con inversión del prisma que se realizan actualmente. ABSTRACT The soil quality is an assessment tool, which could facilitate the adaptation of management practices that promote sustainable agricultural systems. The present investigation was carried out with a participatory diagnostic in twelve rural communities from Las Tunas province in 2009, in which producers identified the critical soil quality points of region and served as a starting point to select the physical, chemical and biological variables, in order to determine on five agricultural used systems (grove, natural grass, cultivated grass and two silvopastoral systems) in La Veguita zone from municipality Las Tunas. The system grove was used as reference of natural soil properties. The natural grass is distinguished by the development of low-productivity species, however the cultivated grass is represented by Pennisetum purpureum vc CUBA CT-115, and is a contribution to the biomass banks technology, in order to use in grazing during the dry season. The silvopastoral systems are represented by Leucaena leucocephala Lam. in stripes and Panicum maximum cv. Likoni, which differ in their design, handling and mineralogical properties. The main aim of this study was to assess the quality indicators for haplic Luvisols on granitoids for designing and implementing management technologies in order to increase the agroproductive capacity of soils. A minimal set of physical, chemical and biological indicators by Principal Component Analysis was obtained, which provided some useful information regarding soil processes and their integration for determining an index of quality. In the use system, characterized for the cultivated grass (Pennisetum purpureum) a short term assay in experimental plots was established, where the traditional and prism without inversion tillage were compared with and without compost application. In both tillage systems were evaluated the crop development and soil quality indicators. The results showed that the studied soil indicators set, six were selected, specifically the ones with exchangeable cationic capacity, organic matter, interchangeable potassium, sand content, bulk density and earthworm biomass, which explained the higher variability and served as the basis for evaluating the soil quality. The Reference threshold values of quality indicators for evaluating and monitoring the use and management systems from the region were established. The silvopastoral system 2 had the highest quality soil index, taking of reference the grove system for its natural condition. The silvopastoral management influenced on better productive results, but the soil characteristics, particularly the physical properties to be defined its design and management. However, the cultivated grass system with Pennisetum purpureum vc CUBA CT 115, reached the greatest accumulation of organic carbon. However, the management limited its physical quality and productive performance of the system. In addition, the use systems do not guarantee an index of soil quality, since it is affected by soil properties and management practices. From the biological aspect, the earthworms are the most numerous organisms on the silvopastoral systems and grove. The higher values of oligochaetes biomass and density and the greater diversity of other organisms from macrofauna indicate that the tree presence on the pasture grasses allows enhancing and diversifying soil macro invertebrate communities. The non-inversion prism tillage system provides a better physical quality of soil, maintaining the carbon content and increasing the yields of Penisetum purpureum vc CUBA CT 115. The traditional tillage, using the plowing and harrowing affects the organic matter content in a short term and keeps on compact layers of underlying horizon, and adversely affects the air and water flow, and pasture radical development. The compost application favored the best production results in both management technologies. The results obtained recommend the implementation of conservation management technologies and the application of organic materials that restore the nutritional elements required by the pasture, so it does not justify the continued use of traditional tillage practices with prism investment that are currently being made.

Cover crops effect on farm benefits and nitrate leaching: Linking economic and environmental analysis.

Introducing cover crops (CC) interspersed with intensively fertilized crops in rotation has the potential to reduce nitrate leaching. This paper evaluates various strategies involving CC between maize and compares the economic and environmental results with respect to a typical maize?fallow rotation. The comparison is performed through stochastic (Monte-Carlo) simulation models of farms? profits using probability distribution functions (pdfs) of yield and N fertilizer saving fitted with data collected from various field trials and pdfs of crop prices and the cost of fertilizer fitted from statistical sources. Stochastic dominance relationships are obtained to rank the most profitable strategies from a farm financial perspective. A two-criterion comparison scheme is proposed to rank alternative strategies based on farm profit and nitrate leaching levels, taking the baseline scenario as the maize?fallow rotation. The results show that when CC biomass is sold as forage instead of keeping it in the soil, greater profit and less leaching of nitrates are achieved than in the baseline scenario. While the fertilizer saving will be lower if CC is sold than if it is kept in the soil, the revenue obtained from the sale of the CC compensates for the reduced fertilizer savings. The results show that CC would perhaps provide a double dividend of greater profit and reduced nitrate leaching in intensive irrigated cropping systems in Mediterranean regions.

Farmers behaviour on mitigation and adaptation to climate change: A case study in Kenya.

Farmers in Africa are facing climate change and challenging rural livelihoods while maintaining agricultural systems that are not resilient. By 2050 the mean estimates of production of key staple crops in Africa such as maize, sorghum, millet, groundnut, and cassava are expected to decrease by between 8 and 22 percent (Schlenker and Lobell 2010). In Kenya, although projections of rainfall do not show dramatic decreases, the distribution of impacts is clearly negative for most crops. As increases in temperature will lead to increases in evapotranspiration, a potential increase in rainfall in Kenya may not offset the expected increases in agricultural water needs (Herrero et al. 2010). In order to respond to these present and future challenges, potential mitigation and adaptation options have been developed. However, implementation is not evident. In addition to their benefits in either mitigating or reducing the vulnerability of climate change effects, many of these options do not have economic costs and even provide economic benefits (e.g. savings in the consumption of energy or natural resources). Nevertheless, it is demonstrated that even when there are no biophysical, technological or economic constraints and despite their potential benefits from either the economic or environmental climate change point of view, not all farmers are willing to adopt these measures. This reflects the key role that behavioural barriers can play in the uptake of mitigation and adaptation measures.

Simulating potential growth and yield of oil palm (Elaeis guineensis) with PALMSIM: Model description, evaluation and application.

Reducing the gap between water-limited potential yield and actual yield in oil palm production systems through intensification is seen as an important option for sustainably increasing palm oil production. Simulation models can play an important role in quantifying water-limited potential yield, and therefore the scope for intensification, but no oil palm model exists that is both simple enough and at the same time incorporates sufficient plant physiological knowledge to be generally applicable across sites with different growing conditions. The objectives of this study therefore were to develop a model (PALMSIM) that simulates, on a monthly time step, the potential growth of oil palm as determined by solar radiation and to evaluate model performance against measured oil palm yields under optimal water and nutrient management for a range of sites across Indonesia and Malaysia. The maximum observed yield in the field matches the corresponding simulated yield for dry bunch weight with a RMSE of 1.7 Mg ha?1 year?1 against an observed yield of 18.8 Mg ha?1. Sensitivity analysis showed that PALMSIM is robust: simulated changes in yield caused by modifying the parameters by 10% are comparable to other tree crop model evaluations. While we acknowledge that, depending on the soils and climatic environment, yields may be often water limited, we suggest a relatively simple physiological approach to simulate potential yield, which can be usefully applied to high rainfall environments and is considered as a first step in developing an oil palm model that also simulates water-limited potential yield. To illustrate the application possibil- ities of the model, PALMSIM was used to create a potential yield map for Indonesia and Malaysia by sim- ulating the growth and yield at a resolution of 0.1?. This map of potential yield is considered as a first step towards a decision support tool that can identify potentially productive, but at the moment degraded sites in Indonesia and Malaysia. ?

Exploring strategic farming choices to respond to mitigation and adaptation to climate change

Las alteraciones del sistema climático debido al aumento de concentraciones de gases de efecto invernadero (GEI) en la atmósfera, tendrán implicaciones importantes para la agricultura, el medio ambiente y la sociedad. La agricultura es una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero (globalmente contribuye al 12% del total de GEI), y al mismo tiempo puede ser parte de la solución para mitigar las emisiones y adaptarse al cambio climático. Las acciones frente al desafío del cambio climático deben priorizar estrategias de adaptación y mitigación en la agricultura dentro de la agenda para el desarrollo de políticas. La agricultura es por tanto crucial para la conservación y el uso sostenible de los recursos naturales, que ya están sometidos a impactos del cambio climático, al mismo tiempo que debe suministrar alimentos para una población creciente. Por tanto, es necesaria una coordinación entre las actuales estrategias de política climática y agrícola. El concepto de agricultura climáticamente inteligente ha surgido para integrar todos estos servicios de la producción agraria. Al evaluar opciones para reducir las amenazas del cambio climático para la agricultura y el medio ambiente, surgen dos preguntas de investigación: • ¿Qué información es necesaria para definir prácticas agrarias inteligentes? • ¿Qué factores influyen en la implementación de las prácticas agrarias inteligentes? Esta Tesis trata de proporcionar información relevante sobre estas cuestiones generales con el fin de apoyar el desarrollo de la política climática. Se centra en sistemas agrícolas Mediterráneos. Esta Tesis integra diferentes métodos y herramientas para evaluar las alternativas de gestión agrícola y políticas con potencial para responder a las necesidades de mitigación y adaptación al cambio climático. La investigación incluye enfoques cuantitativos y cualitativos e integra variables agronómicas, de clima y socioeconómicas a escala local y regional. La investigación aporta una recopilación de datos sobre evidencia experimental existente, y un estudio integrado sobre el comportamiento de los agricultores y las posibles alternativas de cambio (por ejemplo, la tecnología, la gestión agrícola y la política climática). Los casos de estudio de esta Tesis - el humedal de Doñana (S España) y la región de Aragón (NE España) - permiten ilustrar dos sistemas Mediterráneos representativos, donde el uso intensivo de la agricultura y las condiciones semiáridas son ya una preocupación. Por este motivo, la adopción de estrategias de mitigación y adaptación puede desempeñar un papel muy importante a la hora de encontrar un equilibrio entre la equidad, la seguridad económica y el medio ambiente en los escenarios de cambio climático. La metodología multidisciplinar de esta tesis incluye una amplia gama de enfoques y métodos para la recopilación y el análisis de datos. La toma de datos se apoya en la revisión bibliográfica de evidencia experimental, bases de datos públicas nacionales e internacionales y datos primarios recopilados mediante entrevistas semi-estructuradas con los grupos de interés (administraciones públicas, responsables políticos, asesores agrícolas, científicos y agricultores) y encuestas con agricultores. Los métodos de análisis incluyen: meta-análisis, modelos de gestión de recursos hídricos (modelo WAAPA), análisis multicriterio para la toma de decisiones, métodos estadísticos (modelos de regresión logística y de Poisson) y herramientas para el desarrollo de políticas basadas en la ciencia. El meta-análisis identifica los umbrales críticos de temperatura que repercuten en el crecimiento y el desarrollo de los tres cultivos principales para la seguridad alimentaria (arroz, maíz y trigo). El modelo WAAPA evalúa el efecto del cambio climático en la gestión del agua para la agricultura de acuerdo a diferentes alternativas políticas y escenarios climáticos. El análisis multicriterio evalúa la viabilidad de las prácticas agrícolas de mitigación en dos escenarios climáticos de acuerdo a la percepción de diferentes expertos. Los métodos estadísticos analizan los determinantes y las barreras para la adopción de prácticas agrícolas de mitigación. Las herramientas para el desarrollo de políticas basadas en la ciencia muestran el potencial y el coste para reducir GEI mediante las prácticas agrícolas. En general, los resultados de esta Tesis proporcionan información sobre la adaptación y la mitigación del cambio climático a nivel de explotación para desarrollar una política climática más integrada y ayudar a los agricultores en la toma de decisiones. Los resultados muestran las temperaturas umbral y la respuesta del arroz, el maíz y el trigo a temperaturas extremas, siendo estos valores de gran utilidad para futuros estudios de impacto y adaptación. Los resultados obtenidos también aportan una serie de estrategias flexibles para la adaptación y la mitigación a escala local, proporcionando a su vez una mejor comprensión sobre las barreras y los incentivos para su adopción. La capacidad de mejorar la disponibilidad de agua y el potencial y el coste de reducción de GEI se han estimado para estas estrategias en los casos de estudio. Estos resultados podrían ayudar en el desarrollo de planes locales de adaptación y políticas regionales de mitigación, especialmente en las regiones Mediterráneas. ABSTRACT Alterations in the climatic system due to increased atmospheric concentrations of greenhouse gas emissions (GHG) are expected to have important implications for agriculture, the environment and society. Agriculture is an important source of GHG emissions (12 % of global anthropogenic GHG), but it is also part of the solution to mitigate emissions and to adapt to climate change. Responses to face the challenge of climate change should place agricultural adaptation and mitigation strategies at the heart of the climate change agenda. Agriculture is crucial for the conservation and sustainable use of natural resources, which already stand under pressure due to climate change impacts, increased population, pollution and fragmented and uncoordinated climate policy strategies. The concept of climate smart agriculture has emerged to encompass all these issues as a whole. When assessing choices aimed at reducing threats to agriculture and the environment under climate change, two research questions arise: • What information defines smart farming choices? • What drives the implementation of smart farming choices? This Thesis aims to provide information on these broad questions in order to support climate policy development focusing in some Mediterranean agricultural systems. This Thesis integrates methods and tools to evaluate potential farming and policy choices to respond to mitigation and adaptation to climate change. The assessment involves both quantitative and qualitative approaches and integrates agronomic, climate and socioeconomic variables at local and regional scale. The assessment includes the collection of data on previous experimental evidence, and the integration of farmer behaviour and policy choices (e.g., technology, agricultural management and climate policy). The case study areas -- the Doñana coastal wetland (S Spain) and the Aragón region (NE Spain) – illustrate two representative Mediterranean regions where the intensive use of agriculture and the semi-arid conditions are already a concern. Thus the adoption of mitigation and adaptation measures can play a significant role for reaching a balance among equity, economic security and the environment under climate change scenarios. The multidisciplinary methodology of this Thesis includes a wide range of approaches for collecting and analysing data. The data collection process include revision of existing experimental evidence, public databases and the contribution of primary data gathering by semi-structured interviews with relevant stakeholders (i.e., public administrations, policy makers, agricultural advisors, scientist and farmers among others) and surveys given to farmers. The analytical methods include meta-analysis, water availability models (WAAPA model), decision making analysis (MCA, multi-criteria analysis), statistical approaches (Logistic and Poisson regression models) and science-base policy tools (MACC, marginal abatement cost curves and SOC abatement wedges). The meta-analysis identifies the critical temperature thresholds which impact on the growth and development of three major crops (i.e., rice, maize and wheat). The WAAPA model assesses the effect of climate change for agricultural water management under different policy choices and climate scenarios. The multi-criteria analysis evaluates the feasibility of mitigation farming practices under two climate scenarios according to the expert views. The statistical approaches analyses the drivers and the barriers for the adoption of mitigation farming practices. The science-base policy tools illustrate the mitigation potential and cost effectiveness of the farming practices. Overall, the results of this Thesis provide information to adapt to, and mitigate of, climate change at farm level to support the development of a comprehensive climate policy and to assist farmers. The findings show the key temperature thresholds and response to extreme temperature effects for rice, maize and wheat, so such responses can be included into crop impact and adaptation models. A portfolio of flexible adaptation and mitigation choices at local scale are identified. The results also provide a better understanding of the stakeholders oppose or support to adopt the choices which could be used to incorporate in local adaptation plans and mitigation regional policy. The findings include estimations for the farming and policy choices on the capacity to improve water supply reliability, abatement potential and cost-effective in Mediterranean regions.

Viability of the biochar production from different manure wastes in the Amblés Valley (Ávila, Spain)

In the last years, intensive animal husbandry production has led to a large concentration of animals in small areas. This has resulted in the production of excessive amounts of manures with insufficient nearby land for application. One of this areas is the Amblés Valley located in the centre of Spain, near to Ávila city, with an extension of 167472 ha of which 88.9% is agricultural land. This valley has an important livestock focused on pig, cattle, chicken production which is associated with the generation of more than 200,000 t/year of manure. There are a number of environmental problems associated with these intensive agricultural systems, including N and P pollution of water bodies, methane emissions and odour pollution. These serious environmental threats are called for innovative environmental management approaches. A feasible technology for the management of manures, offering a potential to valorise these wastes, is pyrolysis, which results in the production of biochar. The objective of this work is evaluated the technical and economic feasibility of the production of biochar in Amblés Valley (Spain).

Generalización de variables medioambientales mediante interpolación GIS

La investigación de esta tesis se centra en el estudio de técnicas geoestadísticas y su contribución a una mayor caracterización del binomio factores climáticos-rendimiento de un cultivo agrícola. El inexorable vínculo entre la variabilidad climática y la producción agrícola cobra especial relevancia en estudios sobre el cambio climático o en la modelización de cultivos para dar respuesta a escenarios futuros de producción mundial. Es información especialmente valiosa en sistemas operacionales de monitoreo y predicción de rendimientos de cultivos Los cuales son actualmente uno de los pilares operacionales en los que se sustenta la agricultura y seguridad alimentaria mundial; ya que su objetivo final es el de proporcionar información imparcial y fiable para la regularización de mercados. Es en este contexto, donde se quiso dar un enfoque alternativo a estudios, que con distintos planteamientos, analizan la relación inter-anual clima vs producción. Así, se sustituyó la dimensión tiempo por la espacio, re-orientando el análisis estadístico de correlación interanual entre rendimiento y factores climáticos, por el estudio de la correlación inter-regional entre ambas variables. Se utilizó para ello una técnica estadística relativamente nueva y no muy aplicada en investigaciones similares, llamada regresión ponderada geográficamente (GWR, siglas en inglés de “Geographically weighted regression”). Se obtuvieron superficies continuas de las variables climáticas acumuladas en determinados periodos fenológicos, que fueron seleccionados por ser factores clave en el desarrollo vegetativo de un cultivo. Por ello, la primera parte de la tesis, consistió en un análisis exploratorio sobre comparación de Métodos de Interpolación Espacial (MIE). Partiendo de la hipótesis de que existe la variabilidad espacial de la relación entre factores climáticos y rendimiento, el objetivo principal de esta tesis, fue el de establecer en qué medida los MIE y otros métodos geoestadísticos de regresión local, pueden ayudar por un lado, a alcanzar un mayor entendimiento del binomio clima-rendimiento del trigo blando (Triticum aestivum L.) al incorporar en dicha relación el componente espacial; y por otro, a caracterizar la variación de los principales factores climáticos limitantes en el crecimiento del trigo blando, acumulados éstos en cuatro periodos fenológicos. Para lleva a cabo esto, una gran carga operacional en la investigación de la tesis consistió en homogeneizar y hacer los datos fenológicos, climáticos y estadísticas agrícolas comparables tanto a escala espacial como a escala temporal. Para España y los Bálticos se recolectaron y calcularon datos diarios de precipitación, temperatura máxima y mínima, evapotranspiración y radiación solar en las estaciones meteorológicas disponibles. Se dispuso de una serie temporal que coincidía con los mismos años recolectados en las estadísticas agrícolas, es decir, 14 años contados desde 2000 a 2013 (hasta 2011 en los Bálticos). Se superpuso la malla de información fenológica de cuadrícula 25 km con la ubicación de las estaciones meteorológicas con el fin de conocer los valores fenológicos en cada una de las estaciones disponibles. Hecho esto, para cada año de la serie temporal disponible se calcularon los valores climáticos diarios acumulados en cada uno de los cuatro periodos fenológicos seleccionados P1 (ciclo completo), P2 (emergencia-madurez), P3 (floración) y P4 (floraciónmadurez). Se calculó la superficie interpolada por el conjunto de métodos seleccionados en la comparación: técnicas deterministas convencionales, kriging ordinario y cokriging ordinario ponderado por la altitud. Seleccionados los métodos más eficaces, se calculó a nivel de provincias las variables climatológicas interpoladas. Y se realizaron las regresiones locales GWR para cuantificar, explorar y modelar las relaciones espaciales entre el rendimiento del trigo y las variables climáticas acumuladas en los cuatro periodos fenológicos. Al comparar la eficiencia de los MIE no destaca una técnica por encima del resto como la que proporcione el menor error en su predicción. Ahora bien, considerando los tres indicadores de calidad de los MIE estudiados se han identificado los métodos más efectivos. En el caso de la precipitación, es la técnica geoestadística cokriging la más idónea en la mayoría de los casos. De manera unánime, la interpolación determinista en función radial (spline regularizado) fue la técnica que mejor describía la superficie de precipitación acumulada en los cuatro periodos fenológicos. Los resultados son más heterogéneos para la evapotranspiración y radiación. Los métodos idóneos para estas se reparten entre el Inverse Distance Weighting (IDW), IDW ponderado por la altitud y el Ordinary Kriging (OK). También, se identificó que para la mayoría de los casos en que el error del Ordinary CoKriging (COK) era mayor que el del OK su eficacia es comparable a la del OK en términos de error y el requerimiento computacional de este último es mucho menor. Se pudo confirmar que existe la variabilidad espacial inter-regional entre factores climáticos y el rendimiento del trigo blando tanto en España como en los Bálticos. La herramienta estadística GWR fue capaz de reproducir esta variabilidad con un rendimiento lo suficientemente significativo como para considerarla una herramienta válida en futuros estudios. No obstante, se identificaron ciertas limitaciones en la misma respecto a la información que devuelve el programa a nivel local y que no permite desgranar todo el detalle sobre la ejecución del mismo. Los indicadores y periodos fenológicos que mejor pudieron reproducir la variabilidad espacial del rendimiento en España y Bálticos, arrojaron aún, una mayor credibilidad a los resultados obtenidos y a la eficacia del GWR, ya que estaban en línea con el conocimiento agronómico sobre el cultivo del trigo blando en sistemas agrícolas mediterráneos y norteuropeos. Así, en España, el indicador más robusto fue el balance climático hídrico Climatic Water Balance) acumulado éste, durante el periodo de crecimiento (entre la emergencia y madurez). Aunque se identificó la etapa clave de la floración como el periodo en el que las variables climáticas acumuladas proporcionaban un mayor poder explicativo del modelo GWR. Sin embargo, en los Bálticos, países donde el principal factor limitante en su agricultura es el bajo número de días de crecimiento efectivo, el indicador más efectivo fue la radiación acumulada a lo largo de todo el ciclo de crecimiento (entre la emergencia y madurez). Para el trigo en regadío no existe ninguna combinación que pueda explicar más allá del 30% de la variación del rendimiento en España. Poder demostrar que existe un comportamiento heterogéneo en la relación inter-regional entre el rendimiento y principales variables climáticas, podría contribuir a uno de los mayores desafíos a los que se enfrentan, a día de hoy, los sistemas operacionales de monitoreo y predicción de rendimientos de cultivos, y éste es el de poder reducir la escala espacial de predicción, de un nivel nacional a otro regional. ABSTRACT This thesis explores geostatistical techniques and their contribution to a better characterization of the relationship between climate factors and agricultural crop yields. The crucial link between climate variability and crop production plays a key role in climate change research as well as in crops modelling towards the future global production scenarios. This information is particularly important for monitoring and forecasting operational crop systems. These geostatistical techniques are currently one of the most fundamental operational systems on which global agriculture and food security rely on; with the final aim of providing neutral and reliable information for food market controls, thus avoiding financial speculation of nourishments of primary necessity. Within this context the present thesis aims to provide an alternative approach to the existing body of research examining the relationship between inter-annual climate and production. Therefore, the temporal dimension was replaced for the spatial dimension, re-orienting the statistical analysis of the inter-annual relationship between crops yields and climate factors to an inter-regional correlation between these two variables. Geographically weighted regression, which is a relatively new statistical technique and which has rarely been used in previous research on this topic was used in the current study. Continuous surface values of the climate accumulated variables in specific phenological periods were obtained. These specific periods were selected because they are key factors in the development of vegetative crop. Therefore, the first part of this thesis presents an exploratory analysis regarding the comparability of spatial interpolation methods (SIM) among diverse SIMs and alternative geostatistical methodologies. Given the premise that spatial variability of the relationship between climate factors and crop production exists, the primary aim of this thesis was to examine the extent to which the SIM and other geostatistical methods of local regression (which are integrated tools of the GIS software) are useful in relating crop production and climate variables. The usefulness of these methods was examined in two ways; on one hand the way this information could help to achieve higher production of the white wheat binomial (Triticum aestivum L.) by incorporating the spatial component in the examination of the above-mentioned relationship. On the other hand, the way it helps with the characterization of the key limiting climate factors of soft wheat growth which were analysed in four phenological periods. To achieve this aim, an important operational workload of this thesis consisted in the homogenization and obtention of comparable phenological and climate data, as well as agricultural statistics, which made heavy operational demands. For Spain and the Baltic countries, data on precipitation, maximum and minimum temperature, evapotranspiration and solar radiation from the available meteorological stations were gathered and calculated. A temporal serial approach was taken. These temporal series aligned with the years that agriculture statistics had previously gathered, these being 14 years from 2000 to 2013 (until 2011 for the Baltic countries). This temporal series was mapped with a phenological 25 km grid that had the location of the meteorological stations with the objective of obtaining the phenological values in each of the available stations. Following this procedure, the daily accumulated climate values for each of the four selected phenological periods were calculated; namely P1 (complete cycle), P2 (emergency-maturity), P3 (flowering) and P4 (flowering- maturity). The interpolated surface was then calculated using the set of selected methodologies for the comparison: deterministic conventional techniques, ordinary kriging and ordinary cokriging weighted by height. Once the most effective methods had been selected, the level of the interpolated climate variables was calculated. Local GWR regressions were calculated to quantify, examine and model the spatial relationships between soft wheat production and the accumulated variables in each of the four selected phenological periods. Results from the comparison among the SIMs revealed that no particular technique seems more favourable in terms of accuracy of prediction. However, when the three quality indicators of the compared SIMs are considered, some methodologies appeared to be more efficient than others. Regarding precipitation results, cokriging was the most accurate geostatistical technique for the majority of the cases. Deterministic interpolation in its radial function (controlled spline) was the most accurate technique for describing the accumulated precipitation surface in all phenological periods. However, results are more heterogeneous for the evapotranspiration and radiation methodologies. The most appropriate technique for these forecasts are the Inverse Distance Weighting (IDW), weighted IDW by height and the Ordinary Kriging (OK). Furthermore, it was found that for the majority of the cases where the Ordinary CoKriging (COK) error was larger than that of the OK, its efficacy was comparable to that of the OK in terms of error while the computational demands of the latter was much lower. The existing spatial inter-regional variability between climate factors and soft wheat production was confirmed for both Spain and the Baltic countries. The GWR statistic tool reproduced this variability with an outcome significative enough as to be considered a valid tool for future studies. Nevertheless, this tool also had some limitations with regards to the information delivered by the programme because it did not allow for a detailed break-down of its procedure. The indicators and phenological periods that best reproduced the spatial variability of yields in Spain and the Baltic countries made the results and the efficiency of the GWR statistical tool even more reliable, despite the fact that these were already aligned with the agricultural knowledge about soft wheat crop under mediterranean and northeuropean agricultural systems. Thus, for Spain, the most robust indicator was the Climatic Water Balance outcome accumulated throughout the growing period (between emergency and maturity). Although the flowering period was the phase that best explained the accumulated climate variables in the GWR model. For the Baltic countries where the main limiting agricultural factor is the number of days of effective growth, the most effective indicator was the accumulated radiation throughout the entire growing cycle (between emergency and maturity). For the irrigated soft wheat there was no combination capable of explaining above the 30% of variation of the production in Spain. The fact that the pattern of the inter-regional relationship between the crop production and key climate variables is heterogeneous within a country could contribute to one is one of the greatest challenges that the monitoring and forecasting operational systems for crop production face nowadays. The present findings suggest that the solution may lay in downscaling the spatial target scale from a national to a regional level.

Participatory modeling for sustainable development in water and agrarian systems: potential and limits of stakeholder involvement

Public participation is increasingly advocated as a necessary feature of natural resources management. The EU Water Framework Directive (WFD) is such an example, as it prescribes participatory processes as necessary features in basin management plans (EC 2000). The rationale behind this mandate is that involving interest groups ideally yields higher-quality decisions, which are arguably more likely to meet public acceptance (Pahl-Wostl, 2006). Furthermore, failing to involve stakeholders in policy-making might hamper the implementation of management initiatives, as controversial decisions can lead pressure lobbies to generate public opposition (Giordano et al. 2005, Mouratiadou and Moran 2007).

Soil fragmentation study applying different tillage systems

Runoff generation depends on rainfall, infiltration, interception, and surface depressional storage. Surface depressional storage depends on surface microtopography, usually quantified trough soil surface roughness (SSR). SSR is subject to spatial and temporal changes that create a high variability. In an agricultural environment, tillage operations produce abrupt changes in roughness. Subsequent rainfall gradually decreases roughness. Beside it, local variation in soil properties and hydrology cause its SSR to vary spatially at different scales. The methods commonly used to measure it involve collecting point elevations in regular grids using laser profilers or scanners, digital close range stereo-photogrammetry and terrestrial laser scanning or LIDAR systems. In this case, a laser-scanning instrument was used to obtain representative digital elevation models (DEMs) at a grid resolution of 7.2x7.2mm that cover an area of 0.9x0.9m. The DEMs were obtained from two study sites with different soils. The first study site was an experimental field on which five conventional tillage methods were applied. The second study site was a large olive orchard with trees planted at 7.5x5.0m and bare soils between rows. Here, three tillage treatments were applied. In this work we have evaluated the spatial variability of SSR at several scales studying differences in height calculated from points separated by incremental distances h were raised to power values q (from 0 to 4 in steps of 0.1). The q = 2 data were studied as a semivariogram model. The logarithm of average differences plotted vs. log h were characterized by their slope, ?(q). Structure functions [?(q) vs. q] were fitted showing that data had nonlinear structure functions typical of multiscale phenomena. Comparisson of the two types of soil in their respective structure functions are shown.

Sustainability of irrigated farming systems in a Tunisian region: A recursive stochastic programming analysis

The aim of this study was to evaluate the sustainability of farm irrigation systems in the Cébalat district in northern Tunisia. It addressed the challenging topic of sustainable agriculture through a bio-economic approach linking a biophysical model to an economic optimisation model. A crop growth simulation model (CropSyst) was used to build a database to determine the relationships between agricultural practices, crop yields and environmental effects (salt accumulation in soil and leaching of nitrates) in a context of high climatic variability. The database was then fed into a recursive stochastic model set for a 10-year plan that allowed analysing the effects of cropping patterns on farm income, salt accumulation and nitrate leaching. We assumed that the long-term sustainability of soil productivity might be in conflict with farm profitability in the short-term. Assuming a discount rate of 10% (for the base scenario), the model closely reproduced the current system and allowed to predict the degradation of soil quality due to long-term salt accumulation. The results showed that there was more accumulation of salt in the soil for the base scenario than for the alternative scenario (discount rate of 0%). This result was induced by applying a higher quantity of water per hectare for the alternative as compared to a base scenario. The results also showed that nitrogen leaching is very low for the two discount rates and all climate scenarios. In conclusion, the results show that the difference in farm income between the alternative and base scenarios increases over time to attain 45% after 10 years.