Climate variability effects on summer cropping systems on the Iberian Peninsula

Climate variability and changes in the frequency of extremes events have a direct impact on crop yield and damages. Climate anomalies projections at monthly and yearly timescale allows us for adapting a cropping system (crops, varieties and management) to take advantage of favorable conditions or reduce the effect of adverse conditions. The objective of this work is to develop indices to evaluate the effect of climatic variability in summer cropping systems of Iberian Peninsula, in an attempt of relating yield variability to climate variability, extending the work of Rodríguez-Puebla (2004).

Biodiversidad de frijol (Phaseolus vulgaris L.) en Honduras. Caracterización agromorfológica, molecular y ecogeográfica

En el presente trabajo se ha llevado a cabo un estudio de la biodiversidad del frijol común (Phaseolus vulgaris L.) en Honduras, que es el segundo de los cultivos de granos básicos en importancia. Dicho estudio se ha realizado mediante una caracterización agromorfológica, molecular y ecogeográfica en una selección de 300 accesiones conservadas en el banco de germoplasma ubicado en la Escuela Agrícola Panamericana (EAP) El Zamorano, y que se colectaron en 13 departamentos del país durante el periodo de 1990 a 1994. Estas accesiones fueron colectadas cuatro años antes del acontecimiento del huracán Mitch, el cual a su paso afectó al 96% del área total cultivable en su momento, lo cual nos hace considerar que la biodiversidad de razas locales (landraces) de frijol común existentes in situ fueron severamente afectadas. Los trabajos dirigidos a analizar la biodiversidad de razas locales de frijol común en Honduras son escasos, y este trabajo se constituye como el primero que incluye una amplia muestra a ser estudiada a través de una caracterización en tres aspectos complementarios (agromorfológico, molecular y ecogeográfico). Se evaluaron 32 caracteres agromorfológicos, 12 cuantitativos y 20 cualitativos, en distintas partes de la planta. Se establecieron las correlaciones entre los caracteres agromorfológicos y se elaboró un dendrograma con los mismos, en el que se formaron ocho grupos, en parte relacionados principalmente con los colores y tamaños de la semilla. Mediante el análisis de componentes principales se estudiaron los caracteres de más peso en cada uno de los tres primeros componentes. Asimismo, se estudiaron las correlaciones entre caracteres, siendo las más altas la longitud y anchura de la hoja, días a madurez y a cosecha y longitud y peso de semilla. Por otra parte, el mapa de diversidad agromorfológica mostró la existencia de tres zonas con mayor diversidad: en el oeste (en los departamentos de Santa Bárbara, Lempira y Copán), en el centro-norte (en los departamentos de Francisco Morazán, Yoro y Atlántida) y en el sur (en el departamento de El Paraíso y al sur de Francisco Morazán). Para la caracterización molecular partimos de 12 marcadores de tipo microsatélite, evaluados en 54 accesiones, que fueron elegidas por constituir grupos que compartían un mismo nombre local. Finalmente, se seleccionaron los cuatro microsatélites (BM53, GATS91, BM211 y PV-AT007) que resultaron ser más polimórficos e informativos para el análisis de las 300 accesiones, con los que se detectaron un total de 119 alelos (21 de ellos únicos o privados de accesión) y 256 patrones alélicos diferentes. Para estudiar la estructura y relaciones genéticas en las 300 accesiones se incluyeron en el análisis tres controles o accesiones de referencia, pertenecientes dos de ellas al acervo genético Andino y una al Mesoamericano. En el dendrograma se obtuvieron 25 grupos de accesiones con idénticas combinaciones de alelos. Al comparar este dendrograma con el de caracteres agromorfológicos se observaron diversos grupos con marcada similitud en ambos. Un total de 118 accesiones resultaron ser homogéneas y homocigóticas, a la vez que representativas del grupo de 300 accesiones, por lo que se analizaron con más detalle. El análisis de la estructura genética definió la formación de dos grupos, supuestamente relacionados con los acervos genéticos Andino (48) y Mesoamericano (61), y un reducido número de accesiones (9) que podrían tener un origen híbrido, debido a la existencia de un cierto grado de introgresión entre ambos acervos. La diferenciación genética entre ambos grupos fue del 13,3%. Asimismo, 66 de los 82 alelos detectados fueron privados de grupo, 30 del supuesto grupo Andino y 36 del Mesoamericano. Con relación al mapa de diversidad molecular, presentó una distribución bastante similar al de la diversidad agromorfológica, detectándose también las zonas de mayor diversidad genética en el oeste (en los departamentos de Lempira y Santa Bárbara), en el centro-norte (en los departamentos de Yoro y Atlántida) y en el sur (en el departamento de El Paraíso y al sur de Francisco Morazán). Para la caracterización ecogeográfica se seleccionaron variables de tipo bioclimático (2), geofísico (2) y edáfico (8), y mediante el método de agrupamiento de partición alrededor de los medoides, la combinación de los grupos con cada uno de los tres tipos de variables definió un total de 32 categorías ecogeográficas en el país, detectándose accesiones en 16 de ellas. La distribución de las accesiones previsiblemente esté relacionada con la existencia de condiciones más favorables al cultivo de frijol. En el mapa de diversidad ecogeográfica, nuevamente, se observaron varias zonas con alta diversidad tanto en el oeste, como en el centro-norte y en el sur del país. Como consecuencia del estudio realizado, se concluyó la existencia de una marcada biodiversidad en el material analizado, desde el punto de vista tanto agromorfológico como molecular. Por lo que resulta de gran importancia plantear la conservación de este patrimonio genético tanto ex situ, en bancos de germoplasma, como on farm, en las propias explotaciones de los agricultores del país, siempre que sea posible. ABSTRACT In the present work we have carried out a study of the biodiversity of the common bean (Phaseolus vulgaris L) in Honduras, which is the second of the basic grain crops in importance. This study was conducted through agro-morphological, molecular and ecogeographical characterization of a selection of 300 accessions conserved in the genebank located in the ‘Escuela Agrícola Panamericana (EAP) El Zamorano’ that were collected in 13 departments of the country during the 1990 to 1994 period. These accessions were collected four years before the occurrence of Mitch hurricane, which affected 96% of the total cultivable area at the time, which makes us to consider that the biodiversity of local landraces of common bean existing in situ were severely affected. The work aimed to analyze the biodiversity of local races of common bean in Honduras are scarce, and this work constitutes the first to include a large sample to be studied through a characterization on three complementary aspects (agromorphological, molecular and ecogeographical). Thirty two agromorphological characters, 12 quantitative and 20 qualitative, in various parts of the plant were evaluated. Correlations between agromorphological characters were established and a dendrogram with them was constructed, in which eight groups were formed, in part mainly related to the colors and sizes of the seeds. By principal component analysis the characters with more weight in each of the first three components were studied. Also, correlations between characters were studied, the highest of them being length and leaf width, days to maturity and harvest, and seed length and weight. Moreover, the map of agromorphological diversity showed the existence of three areas with more diversity: the west (departments of Santa Barbara, Copan and Lempira), the center-north (departments of Francisco Morazán, Yoro and Atlántida) and the south (department of El Paraiso and south of Francisco Morazán). For molecular characterization we started with 12 microsatellite markers, evaluated in 54 accessions, which were chosen because they formed groups that shared the same local name. Finally, four microsatellites (BM53, GATS91, BM211 and PV-AT007) were selected for the analysis of 300 accessions, since they were the most polymorphic and informative. They gave a total of 119 alleles (21 of them unique or private for the accession) and 256 different allelic patterns. To study the structure and genetic relationships in the 300 accessions, three controls or accessions of reference were included in the analysis: two of them belonging to the Andean gene pool and one to the Mesoamerican. In the dendrogram, 25 accession groups with identical allele combinations were obtained. Comparing this dendrogram to the obtained with agromorphological characters, several groups with marked similarity in both were observed. A total of 118 accessions were homozygous and homogeneous, while representing the group of 300 accessions, therefore they were analyzed in more detail. The analysis of the genetic structure defined the formation of two groups, supposedly related to the Andean (48) and the Mesoamerican (61) gene pools, and a small number of accessions (9) which may have a hybrid origin, due to the existence of some degree of introgression between both gene pools. Genetic differentiation between both groups was 13.3%. Also, 66 of the 82 detected alleles were private or unique for the group, 30 of the supposed Andean group and 36 of the Mesoamerican. With relation to the map of molecular diversity, it showed a quite similar distribution to the agromorphological, also detecting the areas of greatest genetic diversity in the west (departments of Lempira and Santa Bárbara), in the center-north (departments Atlántida and Yoro) and in the south (departments of El Paraíso and south of Francisco Morazán). For the ecogeographical characterization, bioclimatic (2), geophysical (2) and edaphic (8) variables were selected, and by the method of clustering partition around the medoids, the combination of the groups to each of the three types of variables defined a total of 32 ecogeographical categories in the country, having accessions in 16 of them. The distribution of accessions is likely related to the existence of more favorable conditions for the cultivation of beans. The map of ecogeographical diversity, again, several areas with high diversity both in the west and in the center-north and in the south of the country were observed. As a result of study, the existence of marked biodiversity in the analyzed material was concluded, both from the agromorphological and from the molecular point of view. Consequently it is very important to propose the conservation of this genetic heritage both ex situ, in genebanks, as on farm, in the holdings of the farmers of the country, whenever possible.

Climate variability effects on field crops in Iberian Peninsula. Predictability

La presente Tesis constituye un avance en el conocimiento de los efectos de la variabilidad climática en los cultivos en la Península Ibérica (PI). Es bien conocido que la temperatura del océano, particularmente de la región tropical, es una de las variables más convenientes para ser utilizado como predictor climático. Los océanos son considerados como la principal fuente de almacenamiento de calor del planeta debido a la alta capacidad calorífica del agua. Cuando se libera esta energía, altera los regímenes globales de circulación atmosférica por mecanismos de teleconexión. Estos cambios en la circulación general de la atmósfera afectan a la temperatura, precipitación, humedad, viento, etc., a escala regional, los cuales afectan al crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos. Para el caso de Europa, esto implica que la variabilidad atmosférica en una región específica se asocia con la variabilidad de otras regiones adyacentes y/o remotas, como consecuencia Europa está siendo afectada por los patrones de circulaciones globales, que a su vez, se ven afectados por patrones oceánicos. El objetivo general de esta tesis es analizar la variabilidad del rendimiento de los cultivos y su relación con la variabilidad climática y teleconexiones, así como evaluar su predictibilidad. Además, esta Tesis tiene como objetivo establecer una metodología para estudiar la predictibilidad de las anomalías del rendimiento de los cultivos. El análisis se centra en trigo y maíz como referencia para otros cultivos de la PI, cultivos de invierno en secano y cultivos de verano en regadío respectivamente. Experimentos de simulación de cultivos utilizando una metodología en cadena de modelos (clima + cultivos) son diseñados para evaluar los impactos de los patrones de variabilidad climática en el rendimiento y su predictibilidad. La presente Tesis se estructura en dos partes: La primera se centra en el análisis de la variabilidad del clima y la segunda es una aplicación de predicción cuantitativa de cosechas. La primera parte está dividida en 3 capítulos y la segundo en un capitulo cubriendo los objetivos específicos del presente trabajo de investigación. Parte I. Análisis de variabilidad climática El primer capítulo muestra un análisis de la variabilidad del rendimiento potencial en una localidad como indicador bioclimático de las teleconexiones de El Niño con Europa, mostrando su importancia en la mejora de predictibilidad tanto en clima como en agricultura. Además, se presenta la metodología elegida para relacionar el rendimiento con las variables atmosféricas y oceánicas. El rendimiento de los cultivos es parcialmente determinado por la variabilidad climática atmosférica, que a su vez depende de los cambios en la temperatura de la superficie del mar (TSM). El Niño es el principal modo de variabilidad interanual de la TSM, y sus efectos se extienden en todo el mundo. Sin embargo, la predictibilidad de estos impactos es controversial, especialmente aquellos asociados con la variabilidad climática Europea, que se ha encontrado que es no estacionaria y no lineal. Este estudio mostró cómo el rendimiento potencial de los cultivos obtenidos a partir de datos de reanálisis y modelos de cultivos sirve como un índice alternativo y más eficaz de las teleconexiones de El Niño, ya que integra las no linealidades entre las variables climáticas en una única serie temporal. Las relaciones entre El Niño y las anomalías de rendimiento de los cultivos son más significativas que las contribuciones individuales de cada una de las variables atmosféricas utilizadas como entrada en el modelo de cultivo. Además, la no estacionariedad entre El Niño y la variabilidad climática europea se detectan con mayor claridad cuando se analiza la variabilidad de los rendimiento de los cultivos. La comprensión de esta relación permite una cierta predictibilidad hasta un año antes de la cosecha del cultivo. Esta predictibilidad no es constante, sino que depende tanto la modulación de la alta y baja frecuencia. En el segundo capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de verano en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de maíz en la PI para todo el siglo veinte, usando un modelo de cultivo calibrado en 5 localidades españolas y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento potencial. Este estudio evalúa el uso de datos de reanálisis para obtener series de rendimiento de cultivos que dependen solo del clima, y utilizar estos rendimientos para analizar la influencia de los patrones oceánicos y atmosféricos. Los resultados muestran una gran fiabilidad de los datos de reanálisis. La distribución espacial asociada a la primera componente principal de la variabilidad del rendimiento muestra un comportamiento similar en todos los lugares estudiados de la PI. Se observa una alta correlación lineal entre el índice de El Niño y el rendimiento, pero no es estacionaria en el tiempo. Sin embargo, la relación entre la temperatura del aire y el rendimiento se mantiene constante a lo largo del tiempo, siendo los meses de mayor influencia durante el período de llenado del grano. En cuanto a los patrones atmosféricos, el patrón Escandinavia presentó una influencia significativa en el rendimiento en PI. En el tercer capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de invierno en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de trigo en secano del Noreste (NE) de la PI. La variabilidad climática es el principal motor de los cambios en el crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos, especialmente en los sistemas de producción en secano. En la PI, los rendimientos de trigo son fuertemente dependientes de la cantidad de precipitación estacional y la distribución temporal de las mismas durante el periodo de crecimiento del cultivo. La principal fuente de variabilidad interanual de la precipitación en la PI es la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), que se ha relacionado, en parte, con los cambios en la temperatura de la superficie del mar en el Pacífico Tropical (El Niño) y el Atlántico Tropical (TNA). La existencia de cierta predictibilidad nos ha animado a analizar la posible predicción de los rendimientos de trigo en la PI utilizando anomalías de TSM como predictor. Para ello, se ha utilizado un modelo de cultivo (calibrado en dos localidades del NE de la PI) y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento de trigo alcanzable y relacionar su variabilidad con anomalías de la TSM. Los resultados muestran que El Niño y la TNA influyen en el desarrollo y rendimiento del trigo en el NE de la PI, y estos impactos depende del estado concurrente de la NAO. Aunque la relación cultivo-TSM no es igual durante todo el periodo analizado, se puede explicar por un mecanismo eco-fisiológico estacionario. Durante la segunda mitad del siglo veinte, el calentamiento (enfriamiento) en la superficie del Atlántico tropical se asocia a una fase negativa (positiva) de la NAO, que ejerce una influencia positiva (negativa) en la temperatura mínima y precipitación durante el invierno y, por lo tanto, aumenta (disminuye) el rendimiento de trigo en la PI. En relación con El Niño, la correlación más alta se observó en el período 1981 -2001. En estas décadas, los altos (bajos) rendimientos se asocian con una transición El Niño - La Niña (La Niña - El Niño) o con eventos de El Niño (La Niña) que están finalizando. Para estos eventos, el patrón atmosférica asociada se asemeja a la NAO, que también influye directamente en la temperatura máxima y precipitación experimentadas por el cultivo durante la floración y llenado de grano. Los co- efectos de los dos patrones de teleconexión oceánicos ayudan a aumentar (disminuir) la precipitación y a disminuir (aumentar) la temperatura máxima en PI, por lo tanto el rendimiento de trigo aumenta (disminuye). Parte II. Predicción de cultivos. En el último capítulo se analiza los beneficios potenciales del uso de predicciones climáticas estacionales (por ejemplo de precipitación) en las predicciones de rendimientos de trigo y maíz, y explora métodos para aplicar dichos pronósticos climáticos en modelos de cultivo. Las predicciones climáticas estacionales tienen un gran potencial en las predicciones de cultivos, contribuyendo de esta manera a una mayor eficiencia de la gestión agrícola, seguridad alimentaria y de subsistencia. Los pronósticos climáticos se expresan en diferentes formas, sin embargo todos ellos son probabilísticos. Para ello, se evalúan y aplican dos métodos para desagregar las predicciones climáticas estacionales en datos diarios: 1) un generador climático estocástico condicionado (predictWTD) y 2) un simple re-muestreador basado en las probabilidades del pronóstico (FResampler1). Los dos métodos se evaluaron en un caso de estudio en el que se analizaron los impactos de tres escenarios de predicciones de precipitación estacional (predicción seco, medio y lluvioso) en el rendimiento de trigo en secano, sobre las necesidades de riego y rendimiento de maíz en la PI. Además, se estimó el margen bruto y los riesgos de la producción asociada con las predicciones de precipitación estacional extremas (seca y lluviosa). Los métodos predWTD y FResampler1 usados para desagregar los pronósticos de precipitación estacional en datos diarios, que serán usados como inputs en los modelos de cultivos, proporcionan una predicción comparable. Por lo tanto, ambos métodos parecen opciones factibles/viables para la vinculación de los pronósticos estacionales con modelos de simulación de cultivos para establecer predicciones de rendimiento o las necesidades de riego en el caso de maíz. El análisis del impacto en el margen bruto de los precios del grano de los dos cultivos (trigo y maíz) y el coste de riego (maíz) sugieren que la combinación de los precios de mercado previstos y la predicción climática estacional pueden ser una buena herramienta en la toma de decisiones de los agricultores, especialmente en predicciones secas y/o localidades con baja precipitación anual. Estos métodos permiten cuantificar los beneficios y riesgos de los agricultores ante una predicción climática estacional en la PI. Por lo tanto, seríamos capaces de establecer sistemas de alerta temprana y diseñar estrategias de adaptación del manejo del cultivo para aprovechar las condiciones favorables o reducir los efectos de condiciones adversas. La utilidad potencial de esta Tesis es la aplicación de las relaciones encontradas para predicción de cosechas de la próxima campaña agrícola. Una correcta predicción de los rendimientos podría ayudar a los agricultores a planear con antelación sus prácticas agronómicas y todos los demás aspectos relacionados con el manejo de los cultivos. Esta metodología se puede utilizar también para la predicción de las tendencias futuras de la variabilidad del rendimiento en la PI. Tanto los sectores públicos (mejora de la planificación agrícola) como privados (agricultores, compañías de seguros agrarios) pueden beneficiarse de esta mejora en la predicción de cosechas. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing of knowledge of the effects of climate variability on crops in the Iberian Peninsula (IP). It is well known that ocean temperature, particularly the tropical ocean, is one of the most convenient variables to be used as climate predictor. Oceans are considered as the principal heat storage of the planet due to the high heat capacity of water. When this energy is released, it alters the global atmospheric circulation regimes by teleconnection1 mechanisms. These changes in the general circulation of the atmosphere affect the regional temperature, precipitation, moisture, wind, etc., and those influence crop growth, development and yield. For the case of Europe, this implies that the atmospheric variability in a specific region is associated with the variability of others adjacent and/or remote regions as a consequence of Europe being affected by global circulations patterns which, in turn, are affected by oceanic patterns. The general objective of this Thesis is to analyze the variability of crop yields at climate time scales and its relation to the climate variability and teleconnections, as well as to evaluate their predictability. Moreover, this Thesis aims to establish a methodology to study the predictability of crop yield anomalies. The analysis focuses on wheat and maize as a reference crops for other field crops in the IP, for winter rainfed crops and summer irrigated crops respectively. Crop simulation experiments using a model chain methodology (climate + crop) are designed to evaluate the impacts of climate variability patterns on yield and its predictability. The present Thesis is structured in two parts. The first part is focused on the climate variability analyses, and the second part is an application of the quantitative crop forecasting for years that fulfill specific conditions identified in the first part. This Thesis is divided into 4 chapters, covering the specific objectives of the present research work. Part I. Climate variability analyses The first chapter shows an analysis of potential yield variability in one location, as a bioclimatic indicator of the El Niño teleconnections with Europe, putting forward its importance for improving predictability in both climate and agriculture. It also presents the chosen methodology to relate yield with atmospheric and oceanic variables. Crop yield is partially determined by atmospheric climate variability, which in turn depends on changes in the sea surface temperature (SST). El Niño is the leading mode of SST interannual variability, and its impacts extend worldwide. Nevertheless, the predictability of these impacts is controversial, especially those associated with European climate variability, which have been found to be non-stationary and non-linear. The study showed how potential2 crop yield obtained from reanalysis data and crop models serves as an alternative and more effective index of El Niño teleconnections because it integrates the nonlinearities between the climate variables in a unique time series. The relationships between El Niño and crop yield anomalies are more significant than the individual contributions of each of the atmospheric variables used as input in the crop model. Additionally, the non-stationarities between El Niño and European climate variability are more clearly detected when analyzing crop-yield variability. The understanding of this relationship allows for some predictability up to one year before the crop is harvested. This predictability is not constant, but depends on both high and low frequency modulation. The second chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting summer cropping systems in the IP. Moreover, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of maize yield variability in IP for the whole twenty century, using a calibrated crop model at five contrasting Spanish locations and reanalyses climate datasets to obtain long time series of potential yield. The study tests the use of reanalysis data for obtaining only climate dependent time series of simulated crop yield for the whole region, and to use these yield to analyze the influences of oceanic and atmospheric patterns. The results show a good reliability of reanalysis data. The spatial distribution of the leading principal component of yield variability shows a similar behaviour over all the studied locations in the IP. The strong linear correlation between El Niño index and yield is remarkable, being this relation non-stationary on time, although the air temperature-yield relationship remains on time, being the highest influences during grain filling period. Regarding atmospheric patterns, the summer Scandinavian pattern has significant influence on yield in IP. The third chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting winter cropping systems in the IP. Also, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of rainfed wheat yield variability in IP. Climate variability is the main driver of changes in crop growth, development and yield, especially for rainfed production systems. In IP, wheat yields are strongly dependent on seasonal rainfall amount and temporal distribution of rainfall during the growing season. The major source of precipitation interannual variability in IP is the North Atlantic Oscillation (NAO) which has been related in part with changes in the Tropical Pacific (El Niño) and Atlantic (TNA) sea surface temperature (SST). The existence of some predictability has encouraged us to analyze the possible predictability of the wheat yield in the IP using SSTs anomalies as predictor. For this purpose, a crop model with a site specific calibration for the Northeast of IP and reanalysis climate datasets have been used to obtain long time series of attainable wheat yield and relate their variability with SST anomalies. The results show that El Niño and TNA influence rainfed wheat development and yield in IP and these impacts depend on the concurrent state of the NAO. Although crop-SST relationships do not equally hold on during the whole analyzed period, they can be explained by an understood and stationary ecophysiological mechanism. During the second half of the twenty century, the positive (negative) TNA index is associated to a negative (positive) phase of NAO, which exerts a positive (negative) influence on minimum temperatures (Tmin) and precipitation (Prec) during winter and, thus, yield increases (decreases) in IP. In relation to El Niño, the highest correlation takes place in the period 1981-2001. For these decades, high (low) yields are associated with an El Niño to La Niña (La Niña to El Niño) transitions or to El Niño events finishing. For these events, the regional associated atmospheric pattern resembles the NAO, which also influences directly on the maximum temperatures (Tmax) and precipitation experienced by the crop during flowering and grain filling. The co-effects of the two teleconnection patterns help to increase (decrease) the rainfall and decrease (increase) Tmax in IP, thus on increase (decrease) wheat yield. Part II. Crop forecasting The last chapter analyses the potential benefits for wheat and maize yields prediction from using seasonal climate forecasts (precipitation), and explores methods to apply such a climate forecast to crop models. Seasonal climate prediction has significant potential to contribute to the efficiency of agricultural management, and to food and livelihood security. Climate forecasts come in different forms, but probabilistic. For this purpose, two methods were evaluated and applied for disaggregating seasonal climate forecast into daily weather realizations: 1) a conditioned stochastic weather generator (predictWTD) and 2) a simple forecast probability resampler (FResampler1). The two methods were evaluated in a case study where the impacts of three scenarios of seasonal rainfall forecasts on rainfed wheat yield, on irrigation requirements and yields of maize in IP were analyzed. In addition, we estimated the economic margins and production risks associated with extreme scenarios of seasonal rainfall forecasts (dry and wet). The predWTD and FResampler1 methods used for disaggregating seasonal rainfall forecast into daily data needed by the crop simulation models provided comparable predictability. Therefore both methods seem feasible options for linking seasonal forecasts with crop simulation models for establishing yield forecasts or irrigation water requirements. The analysis of the impact on gross margin of grain prices for both crops and maize irrigation costs suggests the combination of market prices expected and the seasonal climate forecast can be a good tool in farmer’s decision-making, especially on dry forecast and/or in locations with low annual precipitation. These methodologies would allow quantifying the benefits and risks of a seasonal weather forecast to farmers in IP. Therefore, we would be able to establish early warning systems and to design crop management adaptation strategies that take advantage of favorable conditions or reduce the effect of adverse conditions. The potential usefulness of this Thesis is to apply the relationships found to crop forecasting on the next cropping season, suggesting opportunity time windows for the prediction. The methodology can be used as well for the prediction of future trends of IP yield variability. Both public (improvement of agricultural planning) and private (decision support to farmers, insurance companies) sectors may benefit from such an improvement of crop forecasting.

Taxonomía y caracterización del arbusto forrajero Atriplex halimus L.

El objetivo de esta Tesis Doctoral ha sido la revisión de la taxonomía infraespecífica de la especie Atriplex halimus L., la delimitación del área geográfica que ocupan sus taxones y su caracterización morfológica. En base a las citas bibliográficas y material de herbario consultado se ha trazado un mapa de distribución de la especie, que delimita su distribución como planta espontánea a la Cuenca Mediterránea, desierto de Siria, Macizo de Hoggar y Sahara Occidental. El resto debe considerarse poblaciones naturalizadas o cultivadas. La taxonomía actual, basada en relaciones filogenéticas, nos indica que lo adecuado es separar las poblaciones de A. halimus en dos clados que se caracterizan por tener diferente nivel de ploidía. Para definir el área de distribución de los clados diploide y tetraploide se ha determinado la ploidía de 19 poblaciones en el espacio comprendido entre las dos áreas de distribución conocidas. Y como resultado el área de distribución de ambos clados puede definirse trazando una recta que une el estrecho de Gibraltar con Estambul, las poblaciones al sur de esta línea son tetraploides a las que habría que añadir las poblaciones del este y sur de la isla de Cerdeña que son también tetraploides. Se han determinado cuales son los parámetros morfológicos que permiten caracterizar ambos clados, para lo cual se han estudiado 52 poblaciones que comprenden toda el área de distribución de la especie. Se han evaluado caracteres cualitativos y cuantitativos de valvas fructíferas, plántulas cultivadas en cámara y arbustos de 2 a 4 años situados en la misma parcela. El único elemento fiable para determinar la pertenencia al clado diploide o tetraploide es la medición del nivel de ploidía. Ninguno de los caracteres morfológicos estudiados es plenamente fiable para determinar si los individuos de una población pertenecen al clado diploide o tetraploide a pesar de realizarse las mediciones sobre poblaciones cultivadas en igualdad de condiciones de suelo y clima, y en condiciones muy favorables para la expresión de caracteres cualitativos y cuantitativos. Los caracteres cualitativos observados que guardan una mayor correlación con el nivel de ploidía son: la base de las hojas de las plántulas, el porte del arbusto, la ramificación, el ángulo de inserción de las ramas y la longitud de la inflorescencia. Respecto a los datos cuantitativos los más relevantes han sido, la longitud de los cotiledones y la longitud del limbo de la 1ª, 3ª o 5ª hoja de la plántula o la razón entre este valor y la anchura del limbo. ABSTRACT The aim of this Thesis has been in the revision of the infraspecies taxa of Atriplex halimus L., the delimitation of their natural growing area and their morphological characterization. Using references to relevant literature and consultation of herbariums, it has been possible to map the distribution of the species as spontaneous plant in the Mediterranean Basin, Desert of Syria, Massif of Hoggar and Western Sahara. The remaining populations must be considered as naturalized or cultivated. The current taxonomy, based on phylogenetic relationships, indicates that A.halimus should be divided in two clades. These clades are characterized by their different ploidy level. Samples of nineteen populations collected from localizations between the defined distribution area of both clades have been characterized for their ploidy level. As a result, it can be seen that the line of clade separation can be trazed from Istambul tothe Strait of Gibraltar, where the populations north to this line are classified as diploid and those south of the line are clsassified as tetraploid. The only exception of this rule is in Sardinia, hwre populations to the West and South of the Island are also classified as tetraploid. The morphological parameters, which include the characterization of both clades, have been defined, and the study of fifty-two populations from the entire distribution area according to these parameters have been analysed. The qualitative and quantitative characteristics of the fruit valves have been evaluated, with seedlings grown in a culture chamber, and 2-4 years old shrubs grown in the same orchard. None of the morphological characters under study are fully reliable to determine whether individuals in a population belong to clade diploid or tetraploid. This is despite measurements being made on populations grown under the same conditions of soil and climate, and in very favorable conditions for the expression of qualitative and quantitative traits. The qualitative characteristics that show a higher correlation with the ploidy level are: the base of the leaves of the seedlings, the bearing bush, the branch arrangement, the angle of insertion of the branches and the inflorescence length. With regards to the quantitative data the most relevant were the length of the cotyledons and the length of the blade of the 1st, 3rd or 5th leaves of the seedling, and the ratio of any of this values and the leaf blade width. The only reliable way to determine the diploid or tetraploid clade membership is the measurement of ploidy level.

Amelioration of a degraded acid soil from SW Spain by no-tillage and Ca-amendment

En los suelos, el exceso de acidez lleva asociado deficiencias en ciertos nutrientes y una alta disponibilidad de aluminio, tóxico para los cultivos propios del ambiente mediterráneo. Su laboreo, provoca la pérdida de materia orgánica (MO), deteriora su estructura y reduce la actividad biológica, provocando en última instancia una menor calidad del suelo. Es de esperar pues que cuando se labran suelos ácidos, sus problemáticas particulares tiendan a agravarse. En nuestra zona de estudio, la “raña” de Cañamero (Extremadura, España), predominan los suelos muy ácidos y degradados por un laboreo inadecuado. Las rañas constituyen amplias plataformas casi horizontales, con unos suelos muy viejos (Palexerults), que se caracterizan por tener el complejo de cambio dominado por el aluminio, y un pH ácido que decrece en profundidad. Poseen un potente horizonte Bt rico en arcillas caoliníticas, que propicia que en periodos con exceso de lluvia, se generen capas colgadas de agua cercanas a la superficie. En torno a los años 1940’s estos suelos, que previamente sostenían un alcornocal, o su matorral de sustitución, se pusieron en cultivo. El laboreo aceleró la mineralización de la materia orgánica, agravó los problemas derivados del exceso de acidez y condujo al abandono de los campos cultivados por falta de productividad. Para recuperar la calidad de estos suelos degradados y obtener unos rendimientos compatibles con su uso agrícola es necesario, por un lado, aplicar enmiendas que eleven el pH y reduzcan la toxicidad del aluminio y, por otro, favorecer el incremento en el contenido en MO. En 2005 se implantó en esta raña un ensayo de campo para estudiar la influencia del no laboreo y de la utilización de una enmienda cálcica en parámetros relacionados con la calidad del suelo en un cultivo forrajero. El diseño experimental fue en parcelas divididas con cuatro repeticiones donde el factor principal fue el tipo de laboreo, no laboreo (NL) frente a laboreo convencional (LC), y el factor secundario el uso o no de una enmienda cálcica. La enmienda consistió básicamente en una mezcla de espuma de azucarería y yeso rojo y se incorporó al comienzo del ensayo hasta los 7 cm de profundidad. Desde el comienzo del ensayo el NL influyó positivamente en el contenido de carbono orgánico total (COT) y particulado (COP), mientras que la enmienda tuvo una ligera influencia al principio del ensayo en ambos pero su efecto positivo se desvaneció con el paso del tiempo. Los mayores contenidos en COT y POC se observaron cuando se combinó el NL con la enmienda. La enmienda incrementó con rapidez el pH, y el Ca, y disminuyó el contenido en aluminio hasta una profundidad de 50 cm, incluso en NL, y mejoró ligeramente la agregación del suelo. El NL por sí solo, gracias al aumento en POC, TOC y las proteínas del suelo relacionadas con la glomalina (PSRG), que son capaces de formar compuestos estables no tóxicos con el aluminio, también contribuyó a la reducción de la toxicidad de aluminio en la capa más superficial. Cuando en las campañas con exceso de precipitaciones se generaron capas colgadas de agua próximas a la superficie, el NL generó unas condiciones más favorables para la germinación y desarrollo del cultivo, resultando en una producción más alta que el LC. A ello contribuyó la mayor capacidad de almacenamiento de agua y la mayor transmisividad de esta hacia abajo, en la capa más superficial (0-5 cm) que propició una menor saturación por agua que el LC. Respecto a los parámetros relacionados con la agregación, el NL aumentó los macroagregados hasta los 10 cm de profundidad y favoreció la acumulación de CO y N en todas las fracciones de tamaño de agregados. Sin embargo, la recuperación del grado de macroagregación tras el cese del laboreo resulta lenta en comparación con otros suelos, posiblemente debido al bajo contenido en arcilla en el horizonte Ap. En comparación con el NL, la enmienda mostró también un efecto positivo, aunque muy ligero, en la agregación del suelo. En contradicción con otros estudios en suelos ácidos, nuestros resultados indican la existencia de una jerarquía de agregados, y destacan el papel importante de la MO en la mejora de la agregación. Tanto el NL como la enmienda favorecieron por separado varias propiedades químicas, físicas y biológicas del suelo, pero, en general, encontramos los mayores beneficios con su uso combinado. Además, a largo plazo el efecto positivo de NL en las propiedades del suelo fue en aumento, mientras que el efecto beneficioso de la enmienda se limitó básicamente a las propiedades químicas y se desvaneció en pocos años. Destacamos que las condiciones meteorológicas a lo largo del ensayo beneficiaron la producción de biomasa en NL, y en consecuencia las propiedades relacionadas con la materia orgánica, por lo que son un factor a tener en cuenta a la hora de evaluar los efectos de la enmienda y el laboreo sobre las propiedades del suelo, especialmente en zonas donde esas condiciones son muy variables entre una campaña y otra. Los resultados de este estudio han puesto de manifiesto que el NL no ha mermado la eficacia de la enmienda caliza, posiblemente gracias a la alta solubilidad de la enmienda aplicada, es más, el manejo con NL y enmienda es el que ha favorecido en mayor medida ciertos parámetros de calidad del suelo. Por el contrario el LC sí parece anular los beneficios de la enmienda en relación con las propiedades relacionadas con la MO. Por tanto, cabe concluir que la combinación de NL y la enmienda es una práctica adecuada para mejorar las propiedades químicas y físicas de suelos ácidos degradados por el laboreo. ABSTRACT Excessive acidity in soils is associated with deficiencies in certain nutrients and high concentrations of available aluminum, which is toxic for most Mediterranean crops. Tilling these soils results in the loss of soil organic matter (SOM), damages soil structure and reduces biological activity, ultimately degrading soil quality. It is expected, therefore, that when acid soils are tilled, their particular problems will tend to get worse. In our study area, the "Cañamero’s Raña” (Extremadura, Spain), acid soils degraded by an inappropriate tillage prevail. Rañas are large and flat platforms with very old soils (Palexerults), which are characterized by an exchange complex dominated by aluminum and an acid pH which decreases with depth. These soils have a strong Bt horizon rich in kaolinite clays, which encourages the formation of perched water-tables near the soil surface during periods of excessive rain. During the first third of the 20th century, these soils, that previously supported cork oak or its scrub replacement, were cultivated. Tillage accelerated the mineralization of the SOM, aggravating the problems of excessive acidity, which finally led to the abandonment of the land due to low productivity. To recover the quality of these degraded soils and to obtain consistent yields it is necessary, first, to apply amendments to raise the pH and reduce aluminum toxicity, and second to encourage the accumulation of SOM. In 2005 a field trial was established in the Raña to study the influence of no-tillage and the use of a Ca-amendment on soil quality related parameters in a forage crop agrosystem. The experimental design was a split-plot with four replicates where the main factor was tillage type, no-tillage (NT) versus traditional tillage (TT) and the secondary factor was the use or not of a Ca-amendment. The Ca-amendment was a mixture of sugar foam and red gypsum that was incorporated into the top 7 cm of the soil. Since the beginning of the experiment, NT had a positive influence on total and particulate organic carbon (TOC and POC, respectively), while the Ca-amendment had a small positive influence at the beginning of the study but its effect diminished with time. The highest TOC and POC contents were observed when NT and the Ca-amendment were combined. The Ca-amendment, even under NT, rapidly increased pH and Ca, and decreased the aluminum content to a depth of 50 cm, as well as improving soil aggregation slightly. NT, due to the increased POC, TOC and Glomalin-related soil proteins (GRSP), which can form stable non-toxic compounds with aluminum, also contributed to the reduction of aluminum toxicity in the upper layer. When perched water-tables near the soil surface were formed in campaigns with excessive rainfall, NT provided more favorable conditions for germination and crop development, resulting in higher yields compared with TT. This was directly related to the higher water storage capacity and the greater transmissivity of the water downwards from the upper layers, which led to lower water saturation under NT compared with TT. With regards to the aggregation-related parameters, NT increased macroaggregation to a depth of 10 cm and favored the accumulation of OC and N in all aggregate size fractions. However, the degree of recovery of macroaggregation after tillage ceased was slow compared with other soils, possibly due to the low clay content in the Ap horizon. Compared with NT, the Ca-amendment had a slight positive effect on soil aggregation. In contrast to other studies in acid soils, our results indicate the existence of an aggregate hierarchy, and highlight the important role of SOM in improving aggregation. Both NT and the Ca-amendment separately favored various chemical, physical and biological soil properties, but in general we found the greatest benefits when the two treatments were combined. In addition, the positive effect of NT on soil properties increased with time, while the beneficial effect of the Ca-amendment, which was limited to the chemical properties, vanished after a few years. It is important to note that the meteorological conditions throughout the experiment benefited biomass production under NT and, as a consequence, organic matter related properties. This suggests that meteorological conditions are a factor to consider when evaluating the effects of Ca-amendments and tillage on soil properties, especially in areas where such conditions vary significantly from one campaign to another. The results of this study show that NT did not diminish the effectiveness of the Ca-amendment, possibly due to the high solubility of the selected amendment. Moreover, the combination of NT and the Ca-amendment was actually the management that favored certain soil quality parameters the most. By contrast, TT seemed to nullify the benefits of the Ca-amendment with regards to the OM related properties. In conclusion, the combination of NT and the application of a Ca-amendment is an advisable practice for improving the chemical and physical properties of acid soils degraded by tillage.