Estudio Energético y de Explotación de diferentes conjuntos de Labranza para el Cultivo de la Yuca (Manihot esculenta, Crantz) en un Fluvisol

El trabajo se desarrolló en tres etapas de investigación, las dos primeras fueron realizadas en la Unidad Básica de Producción Cooperativa “El Palmar” perteneciente a la Empresa de Cultivos Varios "Paquito Rosales Benítez" del municipio de Yara, provincia de Granma, Cuba, el cual se llevó a cabo en el período de abril de 2005 a enero de 2008; y de noviembre de 2012 a febrero de 2013 respectivamente; la tercera se ejecutó de mayo a junio de 2013 en un canal de suelo ubicado en la nave de maquinaria del Departamento de Ingeniería Rural de la Universidad Politécnica de Madrid. En la primera etapa se evaluaron los conjuntos tractor-apero que intervienen en la realización de cuatro sistemas de labranza para el cultivo de la yuca, variedad Enana Rosada. Los sistemas de laboreo fueron: T1, labor de aradura (alzado) con un arado de discos seguidas de un pase de grada de discos un pase cruzado de un escarificador y un pase con una grada de discos (5 labores); T2, laboreo mínimo que comprende una labor profunda con un escarificador con saetas seguido por una labor de grada de discos (2 labores); T3, laboreo mínimo en el que se realizaron dos pases cruzados con escarificador y una labor de fresado con una fresadora de eje horizontal (3 labores) y; T4, dos labores cruzadas con la grada de discos seguidas por otras dos pases cruzados con el escarificador y una última labor con la grada de discos (5 labores). Se realizaron cinco observaciones de la jornada laboral para cada uno de los conjuntos tractorapero de cada sistema de laboreo en tres campañas, evaluando el consumo de combustible, las diferentes productividades, los índices y coeficientes tecnológicos y de explotación, el rendimiento del cultivo el balance energético del mismo, y la emisión de CO2 equivalente. En la segunda etapa se determinó la fuerza de tiro requerida por un órgano de trabajo de un escarificador con saetas en condiciones de campo, en tres profundidades (15, 25 y 35 cm) y a cuatro velocidades de trabajo (1,30; 1,49; 1,65 y 2,32 m s-1). En la tercera etapa se determinaron las fuerzas horizontales y verticales en una maqueta experimental de un órgano de trabajo de un escarificador con saetas (1:5 del tamaño real del apero) en cuatro contenidos de humedad (60, 90, 120 y 150 g kg-1), tres densidades del suelo (1,1; 1,2 y 1,3 Mg m-3) y una velocidad de 40 mm s-1. Se comparan los resultados del apero a tamaño real y la maqueta experimental. Los mejores resultados relacionados con los indicadores evaluados a la maquinaria correspondieron al sistema de laboreo mínimo T2, el cual presenta la mejor productividad por hora de tiempo limpio (1,34 ha h-1) y de tiempo operativo (1,27 ha h-1), con diferencias significativas respecto al resto de los sistemas de labranza evaluados; así como el menor consumo de combustible (32,4 L ha-1) y el mejor comportamiento energético, con diferencias significativas respecto a las demás, resultando inferior en un 63, 30 y 58 % con relación a T1, T3 y T4. La fuerza de tiro del órgano de trabajo del escarificador con saetas se incrementa con la densidad del suelo y con la profundidad, y velocidad de trabajo. Las fuerzas horizontales y verticales de la maqueta se incrementan linealmente con la densidad y humedad del suelo. Existe una relación lineal entre las fuerzas de tiro y horizontales medidas en el apero real y en el apero a escala con el contenido de humedad del suelo. ABSTRACT The work was developed in three stages of research, the first two were conducted in the Basic Unit of Cooperative Production "El Palmar" belonging to the agricultural farm "Paquito Rosales Benitez" in the municipality of Yara, Granma Province, Cuba, the which was conducted in the period from April 2005 to January 2008 and November 2012 and February 2013 respectively, the third from May to June 2013 on a soilbin located in the ship's machinery of Rural Engineering Department of the Technical University of Madrid. In the first stage were evaluated tractor-implement sets involved in the completion of four tillage systems for cassava, Pink Dwarf variety. Tillage systems were: T1, plowing (elevation) with a disk plow followed by a pass of disc harrow, a cross of scarifier and a pass with a disc harrow (5 labours), T2, minimum tillage comprising a deep work with a scarifier with a bolt followed by a disc harrow work (two labours); T3, minimum tillage which two crossed passes performed with scarifier and milling labour with a horizontal axis milling machine (three labours) and, T4, two crossed labours with disc harrow followed by two crossed passes with the scarifier and a final labour with disc harrow (5 labours). Five observations of the working day for each tractor-implement sets of each tillage system in three seasons were performed, evaluating fuel consumption, different productivities, indexes and technological and operational factors, the crop yield energy balance and the emission of CO2 equivalent. In the second stage we determined the draft force required by a working body of a scarifier with bolt under field conditions at three depths (15, 25 and 35 cm) and four operating speeds (1.30, 1.49 , 1.65 and 2.32 m s-1). In the third stage were determined horizontal and vertical forces on an experimental model of a working body of a scarifier with bolt (1:5 real scale of the implement) in four moisture contents (60, 90, 120 and 150 g kg -1), three soil densities (1.1, 1.2, and 1.3 Mg m-3) and a speed of 40 mm s-1.The results of real scale implement the experimental model were compared. The best results related to evaluated machinery indicators corresponded to T2 minimum tillage system, which presents the best productivity per hour clean time (1.34 ha h-1) and operating time (1.27 ha h-1), with significant differences compared to other tillage systems evaluated; as well as lower fuel consumption (32.4 L ha-1) and the best energy performance, with significant differences from the other, resulting lower by 63, 30 and 58% compared to T1, T3 and T4. The draft force of the working body of the scarifier with bolt increases with soil density and depth, and speed of work. The horizontal and vertical forces of the model increase linearly with density and soil moisture. A linear relationship exists between the shot and horizontal forces measured at the real implement and scale implement with the soil moisture content.

Diseño de herramientas de labranza combinando criterios biomiméticos y métodos numéricos.

El laboreo de conservación requiere el diseño de herramientas de labranza que cumplan criterios de calidad de la labor, resistencia al desgaste y reducción del consumo energético (debido fundamentalmente a la adherencia suelo/herramienta). La biomimética es la ciencia que refiere al estudio de la estructura y la función de los sistemas biológicos como modelos para el diseño y fabricación de materiales y máquinas, en un proceso de ingeniería inversa en que el ser humano saca provecho de los procesos evolutivos de la naturaleza. En este trabajo de revisión, 1998-2013, se describen las respuestas adaptativas de diversos seres vivos al problema de la adherencia, y se analiza el caso concreto de optimización de una vertedera, un brazo de subsolador y un disco de corte empleando modelos numéricos y criterios biomiméticos. En todos los casos las etapas llevadas a cabo por distintos investigadores son: formulación del modelo de elementos finitos del apero, para posteriormente (en función de las condiciones de contorno) y de propiedades del suelo, obtener los resultados de la simulación. Por último se verifica experimentalmente con datos reales (sólo en dos de los tres ejemplos). Como resultado, comprobamos que en el caso del disco de corte la tensión total que soporta el material se reduce en un 34% con un diseño optimizado, mientras que en el caso del subsolador biomimético la resistencia horizontal y vertical se reducen en un 7% y 24% respectivamente.

Efecto de sistemas de labranza en luvisoles dedicados a la producción de pastos

Se realizó un experimento con el objetivo de determinar la influencia de los sistemas de labranza en las propiedades de los suelos luvisoles, en el municipio de Las Tunas. Los indicadores evaluados fueron: la densidad aparente (rb), la porosidad total (Pt), la porosidad de aireación (Pa), la materia orgánica (MO) y la densidad y biomasa de oligoquetos. Se muestrearon unidades experimentales, en un diseño de parcelas divididas y tres repeticiones, a las profundidades de 0-5, 5-20 y 20-30 cm. Los contenidos de MO y de densidad y biomasa de oligoquetos se evaluaron hasta los 20 cm. Se consideraron dos sistemas: labranza tradicional (LT) y labranza sin inversión del prisma (LSP) en comparación con un control sin labranza (NL). La LSP produjo la menor densidad y la mayor cantidad de espacios porosos en la matriz del suelo, con valores que difirieron significativamente de la LT y la NL, y favoreció el desarrollo de los oligoquetos hasta la profundidad de 20 cm. El mantenimiento de las capas densas en la profundidad de 20-30 cm en la LT disminuyó la porosidad total y restringió el desarrollo de las raíces, con valores de porosidad de aireación muy por debajo del 10 %. Se concluye que la labranza tradicional afectó el contenido de MO a corto plazo, y mantuvo las capas compactas en el horizonte subyacente, por lo que la continuidad de esta práctica en las áreas ganaderas de la región no se justifica ni a corto ni a largo plazo.

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.

Flujos de gases de efecto invernadero en suelos forestales y agroforestales del centro de la Península Ibérica=Greenhouse gas flows in forest and agroforestry soils in the center of the Iberian Peninsula

Debido a la complejidad de los procesos que controlan el intercambio de gases de carbono (C) y nitrógeno (N) entre el suelo y la atmósfera, en los sistemas forestales y agroforestales, son comprensibles las incógnitas existentes respecto a la estimación de los flujos de los gases de efecto invernadero (GEI) y la capacidad como reservorios de carbono de los suelos, bajo diferentes formas de uso y regímenes de alteración a escala regional y global. Esta escasez de información justifica la necesidad de caracterizar la dinámica de intercambio de GEI en los ecosistemas Mediterráneos, en especial en el contexto actual de cambio climático, y el incremento asociado de temperatura y periodos de sequía, alteración de los patrones de precipitación, y el riesgo de incendios forestales; cuyas consecuencias afectarán tanto a los compartimentos de C y de N del suelo como a la capacidad de secuestro de C de estos ecosistemas. Dentro de este contexto se enmarca la presente tesis doctoral cuyo objetivo ha sido cuantificar y caracterizar los flujos de dióxido de carbono (CO2), de oxido nitroso (N2O) y de metano (CH4), junto con los stocks de C y N, en suelos forestales de Quercus ilex, Quercus pyrenaica y Pinus sylvestris afectados por incendios forestales; así como el estudiar el efecto de la gestión y la cubierta arbórea en la respiración del suelo y los stocks de C y N en una dehesa situada en el centro de la Península Ibérica. De manera que los flujos de CO2, N2O y CH4; y los parámetros físico-químicos y biológicos del suelo fueron estudiados en los diferentes tratamientos y ecosistemas a lo largo del trabajo que se presenta. Los resultados obtenidos muestran la existencia de variaciones temporales y espaciales de la respiración del suelo dentro de una escala geográfica pequeña, controladas principalmente por la temperatura y la humedad del suelo; y por los contenidos de C y N del suelo en un bosque de Pinus sylvestris en la vertiente norte de la Sierra de Guadarrama , en España. El análisis de los efectos de los incendios forestales a largo plazo (6-8 años) revela que las pérdidas anuales de C a través de la respiración del suelo en las zonas quemadas de Quercus ilex, Quercus pyrenaica y Pinus sylvestris fueron 450 gCm-2yr-1, 790 gCm-2yr-1 y 1220 gCm-2yr-1, respectivamente; lo que representa una reducción del 43%, 22% y 11% en comparación con las zonas no quemadas de dichas especies, debido a la destrucción de la masa arbórea. El efecto del fuego también alteró los flujos N2O y CH4 del suelo, de una forma diferente en los distintos ecosistemas y estacionalidades estudiadas. De tal modo, que los suelos quemados mostraron una mayor oxidación del CH4 en las masas de Q. ilex, y una menor oxidación en las de P. sylvestris; además de una disminución de los flujos de N2O en Q. pyrenaica. Los incendios también afectaron los parámetros microclimáticos de los suelos forestales, observándose un incremento de la temperatura del suelo y una disminución de la humedad en los emplazamientos quemados que en los no quemados. Los cationes intercambiables, el pH, el cociente C/N, el contenido en raicillas y la biomasa microbiana también disminuyeron en las zonas quemadas. Aunque el C orgánico del suelo no se alteró de manera significativa, si lo hizo la calidad de la materia orgánica, disminuyendo el carbono lábil y aumentando las formas recalcitrantes lo que se tradujo en menor sensibilidad de la respiración del suelo a la temperatura (valores de Q10) en las zonas quemadas. Los resultados del estudio realizado en la Dehesa muestran que las actividades silvopastorales estudiadas afectaron levemente y de forma no constante a la respiración del suelo y las condiciones microclimáticas del suelo. Se observó una reducción 12% de la respiración del suelo por efecto del pastoreo no intensivo. Sin embargo, se observaron incrementos de 3Mg/ha en los stocks de C y de 0.3 Mg/ha en los stocks de N en los suelos pastoreados en comparación con los no pastoreados. Aunque, no se observó un claro efecto de la labranza sobre la respiración del suelo en nuestro experimento, sin embargo si se observó una disminución de 3.5 Mg/ha en las reservas de C y de 0.3 Mg/ ha en las de N en los suelos labrados comparados con los no labrados. La copa del arbolado influyó de forma positiva tanto en la respiración del suelo, como en los stocks de C y N de los suelos. La humedad del suelo jugó un papel relevante en la sensibilidad de la respiración a la temperatura del suelo. Nuestros resultados ponen de manifiesto la sensibilidad de la respiración del suelo a cambios en la humedad y los parámetros edáficos, y sugieren que la aplicación de modelos estándar para estimar la respiración del suelo en áreas geográficas pequeñas puede no ser adecuada a menos que otros factores sean considerados en combinación con la temperatura del suelo. Además, las diferentes respuestas de los flujos de gases de efecto invernadero a los cambios, años después de la ocurrencia de incendios forestales, destaca la necesidad de incluir estos cambios en las futuras investigaciones de la dinámica del carbono en los ecosistemas mediterráneos. Por otra parte, las respuestas divergentes en los valores de respiración del suelo y en los contenidos de C y N del suelo observados en la dehesa, además de la contribución de la copa de los árboles en los nutrientes del suelo ilustran la importancia de mantener la gestión tradicional aplicada en beneficio de la capacidad de almacenar C en la dehesa estudiada. La información obtenida en este trabajo pretende contribuir a la mejora del conocimiento de la dinámica y el balance de C en los sistemas mediterráneos, además de ayudar a predecir el impacto del cambio climático en el intercambio de C entre los ecosistemas forestales y agroforestales y la atmósfera. ABSTRACT Due to the complexity of the processes that control the exchange of carbon (C) and nitrogen (N) gasses between soils and the atmosphere in forest and agroforestry ecosystems, understandable uncertainties exist as regards the estimation of greenhouse gas (GHG) fluxes and the soil sink capacity at regional and global scale under different forms of land use and disturbance regimes. These uncertainties justify the need to characterize the exchange dynamics of GHG between the atmosphere and soils in Mediterranean terrestrial ecosystems, particularly in the current context of climate change and the associated increase in temperature, drought periods, heavy rainfall events, and increased risk of wildfires, which affect not only the C and N pools but also the soil C sink capacity of these ecosystems. Within this context, the aims of the present thesis were, firstly, to quantify and characterize the fluxes of carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) as well as the C and N stocks in Quercus ilex, Quercus pyrenaica and Pinus sylvestris stands affected by wildfires, and secondly, to study the effects of Quercus ilex canopy and management on both soil respiration and C and N pools in dehesa systems in the center of Iberian Peninsula. Soil CO2, N2O and CH4 fluxes, and soil physical-chemical and biological parameters were studied under the different treatments and ecosystems considered in this study. The results showed seasonal and spatial variations in soil respiration within small geographic areas, mainly controlled by soil temperature and moisture in addition to soil carbon and nitrogen stocks in mixed pine–oak forest ecosystems on the north facing slopes of the Sierra de Guadarrama in Spain. The analysis of long term effects of wildfires (6–8 years) revealed that annual carbon losses through soil respiration from burned sites in Quercus ilex, Quercus pyrenaica and Pinus sylvestris stands were 450 gCm-2yr-1, 790 gCm-2yr-1 and 1220 gCm-2yr-1, respectively; with burned sites emitting 43%, 22% and 11% less in burned as opposed to non-burned sites due the loss of trees. Fire may alter both N2O and CH4 fluxes although the magnitude of such variation depends on the site, soil characteristics and seasonal climatic conditions. The burned sites showed higher CH4 oxidation in Q.ilex stands, and lower oxidation rates in P. sylvestris stands. A reduction in N2O fluxes in Q. pyrenaica stands was detected at burned sites along with changes in soil microclimate; higher soil temperature and lower soil moisture content. Exchangeable cations, the C/N ratio, pH, fine root and microbial biomass were also found to decrease at burned sites. Although the soil organic carbon was not significantly altered, the quality of the organic matter changed, displaying a decrease in labile carbon and a relative increase in refractory forms, leading to lower sensitivity of soil respiration to temperature (Q10 values) at burned sites. The results from the dehesa study show that light grazing and superficial tilling practices used in the studied dehesa system in Spain had a slight but non-consistent impact on soil respiration and soil microclimate over the study period. The reduction in soil respiration in the dehesa system due to the effects of grazing was around 12 %. However, increments of 3Mg/ha in C stocks and 0.3 Mg/ha in N stocks in grazed soils were observed. Although no clear effect of tilling on soil respiration was found, a decrease of 3.5 Mg/ha in C stocks and 0.3 Mg/ha in N stocks was detected for tilled soils. The presence of a tree canopy induced increases in soil respiration, soil C and N stocks, while soil moisture was found to play an important role in soil respiration temperature response. Our results suggest that the use of standard models to estimate soil respiration in small geographical areas may not be adequate unless other factors are considered in addition to soil temperature. Furthermore, the different responses of GHG flux to climatic shifts, many years after the occurrence of wildfire, highlight the need to include these shifts in C dynamics in future research undertaken in Mediterranean ecosystems. Furthermore, divergent responses in soil respiration and soil C and N stocks to grazing or tilling practices in Dehesa systems, and the influence of tree canopy on soil respiration and soil nutrient content, illustrate the importance of maintaining beneficial management practices. Moreover, the carbon sequestration capacity of the Dehesa system studied may be enhanced through improvements in the management applied. It is hoped that the information obtained through this research will contribute towards improving our understanding of the dynamics and balance of C in Mediterranean systems, and help predict the impact of climate change on the exchange of C between forest and agroforestry ecosystems and the atmosphere.

Effect of conservation tillage on soil physical properties, in-situ rainwater harvesting, and erosion control in arid and semi-arid regions

La escasez del agua en las regiones áridas y semiáridas se debe a la escasez de precipitaciones y la distribución desigual en toda la temporada, lo que hace de la agricultura de secano una empresa precaria. Un enfoque para mejorar y estabilizar el agua disponible para la producción de cultivos en estas regiones es el uso de tecnologías de captación de agua de lluvia in situ y su conservación. La adopción de los sistemas de conservación de la humedad del suelo in situ, tales como la labranza de conservación, es una de las estrategias para mejorar la gestión de la agricultura en zonas áridas y semiáridas. El objetivo general de esta tesis ha sido desarrollar una metodología de aplicación de labranza de depósito e investigar los efectos a corto plazo sobre las propiedades físicas del suelo de las diferentes prácticas de cultivo que incluyen labranza de depósito: (reservoir tillage, RT), la laboreo mínimo: (minimum tillage, MT), la no laboreo: (zero tillage, ZT) y laboreo convencional: (conventional tillage, CT) Así como, la retención de agua del suelo y el control de la erosión del suelo en las zonas áridas y semiáridas. Como una primera aproximación, se ha realizado una revisión profunda del estado de la técnica, después de la cual, se encontró que la labranza de depósito es un sistema eficaz de cosecha del agua de lluvia y conservación del suelo, pero que no ha sido evaluada científicamente tanto como otros sistemas de labranza. Los trabajos experimentales cubrieron tres condiciones diferentes: experimentos en laboratorio, experimentos de campo en una región árida, y experimentos de campo en una región semiárida. Para investigar y cuantificar el almacenamiento de agua a temperatura ambiente y la forma en que podría adaptarse para mejorar la infiltración del agua de lluvia recolectada y reducir la erosión del suelo, se ha desarrollado un simulador de lluvia a escala de laboratorio. Las características de las lluvias, entre ellas la intensidad de las precipitaciones, la uniformidad espacial y tamaño de la gota de lluvia, confirmaron que las condiciones naturales de precipitación son simuladas con suficiente precisión. El simulador fue controlado automáticamente mediante una válvula de solenoide y tres boquillas de presión que se usaron para rociar agua correspondiente a diferentes intensidades de lluvia. Con el fin de evaluar el método de RT bajo diferentes pendientes de superficie, se utilizaron diferentes dispositivos de pala de suelo para sacar un volumen idéntico para hacer depresiones. Estas depresiones se compararon con una superficie de suelo control sin depresión, y los resultados mostraron que la RT fue capaz de reducir la erosión del suelo y la escorrentía superficial y aumentar significativamente la infiltración. Luego, basándonos en estos resultados, y después de identificar la forma adecuada de las depresiones, se ha diseñado una herramienta combinada (sistema integrado de labranza de depósito (RT)) compuesto por un arado de una sola línea de chisel, una sola línea de grada en diente de pico, sembradora modificada, y rodillo de púas. El equipo fue construido y se utiliza para comparación con MT y CT en un ambiente árido en Egipto. El estudio se realizó para evaluar el impacto de diferentes prácticas de labranza y sus parámetros de funcionamiento a diferentes profundidades de labranza y con distintas velocidades de avance sobre las propiedades físicas del suelo, así como, la pérdida de suelo, régimen de humedad, la eficiencia de recolección de agua, y la productividad de trigo de invierno. Los resultados indicaron que la RT aumentó drásticamente la infiltración, produciendo una tasa que era 47.51% más alta que MT y 64.56% mayor que la CT. Además, los resultados mostraron que los valores más bajos de la escorrentía y pérdidas de suelos 4.91 mm y 0.65 t ha-1, respectivamente, se registraron en la RT, mientras que los valores más altos, 11.36 mm y 1.66 t ha-1, respectivamente, se produjeron en el marco del CT. Además, otros dos experimentos de campo se llevaron a cabo en ambiente semiárido en Madrid con la cebada y el maíz como los principales cultivos. También ha sido estudiado el potencial de la tecnología inalámbrica de sensores para monitorizar el potencial de agua del suelo. Para el experimento en el que se cultivaba la cebada en secano, se realizaron dos prácticas de labranza (RT y MT). Los resultados mostraron que el potencial del agua del suelo aumentó de forma constante y fue consistentemente mayor en MT. Además, con independencia de todo el período de observación, RT redujo el potencial hídrico del suelo en un 43.6, 5.7 y 82.3% respectivamente en comparación con el MT a profundidades de suelo (10, 20 y 30 cm, respectivamente). También se observaron diferencias claras en los componentes del rendimiento de los cultivos y de rendimiento entre los dos sistemas de labranza, el rendimiento de grano (hasta 14%) y la producción de biomasa (hasta 8.8%) se incrementaron en RT. En el experimento donde se cultivó el maíz en regadío, se realizaron cuatro prácticas de labranza (RT, MT, ZT y CT). Los resultados revelaron que ZT y RT tenían el potencial de agua y temperatura del suelo más bajas. En comparación con el tratamiento con CT, ZT y RT disminuyó el potencial hídrico del suelo en un 72 y 23%, respectivamente, a la profundidad del suelo de 40 cm, y provocó la disminución de la temperatura del suelo en 1.1 y un 0.8 0C respectivamente, en la profundidad del suelo de 5 cm y, por otro lado, el ZT tenía la densidad aparente del suelo y resistencia a la penetración más altas, la cual retrasó el crecimiento del maíz y disminuyó el rendimiento de grano que fue del 15.4% menor que el tratamiento con CT. RT aumenta el rendimiento de grano de maíz cerca de 12.8% en comparación con la ZT. Por otra parte, no hubo diferencias significativas entre (RT, MT y CT) sobre el rendimiento del maíz. En resumen, según los resultados de estos experimentos, se puede decir que mediante el uso de la labranza de depósito, consistente en realizar depresiones después de la siembra, las superficies internas de estas depresiones se consolidan de tal manera que el agua se mantiene para filtrarse en el suelo y por lo tanto dan tiempo para aportar humedad a la zona de enraizamiento de las plantas durante un período prolongado de tiempo. La labranza del depósito podría ser utilizada como un método alternativo en regiones áridas y semiáridas dado que retiene la humedad in situ, a través de estructuras que reducen la escorrentía y por lo tanto puede resultar en la mejora de rendimiento de los cultivos. ABSTRACT Water shortage in arid and semi-arid regions stems from low rainfall and uneven distribution throughout the season, which makes rainfed agriculture a precarious enterprise. One approach to enhance and stabilize the water available for crop production in these regions is to use in-situ rainwater harvesting and conservation technologies. Adoption of in-situ soil moisture conservation systems, such as conservation tillage, is one of the strategies for upgrading agriculture management in arid and semi-arid environments. The general aim of this thesis is to develop a methodology to apply reservoir tillage to investigate the short-term effects of different tillage practices including reservoir tillage (RT), minimum tillage (MT), zero tillage (ZT), and conventional tillage (CT) on soil physical properties, as well as, soil water retention, and soil erosion control in arid and semi-arid areas. As a first approach, a review of the state of the art has been done. We found that reservoir tillage is an effective system of harvesting rainwater and conserving soil, but it has not been scientifically evaluated like other tillage systems. Experimental works covered three different conditions: laboratory experiments, field experiments in an arid region, and field experiments in a semi-arid region. To investigate and quantify water storage from RT and how it could be adapted to improve infiltration of harvested rainwater and reduce soil erosion, a laboratory-scale rainfall simulator was developed. Rainfall characteristics, including rainfall intensity, spatial uniformity and raindrop size, confirm that natural rainfall conditions are simulated with sufficient accuracy. The simulator was auto-controlled by a solenoid valve and three pressure nozzles were used to spray water corresponding to different rainfall intensities. In order to assess the RT method under different surface slopes, different soil scooping devices with identical volume were used to create depressions. The performance of the soil with these depressions was compared to a control soil surface (with no depression). Results show that RT was able to reduce soil erosion and surface runoff and significantly increase infiltration. Then, based on these results and after selecting the proper shape of depressions, a combination implement integrated reservoir tillage system (integrated RT) comprised of a single-row chisel plow, single-row spike tooth harrow, modified seeder, and spiked roller was developed and used to compared to MT and CT in an arid environment in Egypt. The field experiments were conducted to evaluate the impact of different tillage practices and their operating parameters at different tillage depths and different forward speeds on the soil physical properties, as well as on runoff, soil losses, moisture regime, water harvesting efficiency, and winter wheat productivity. Results indicated that the integrated RT drastically increased infiltration, producing a rate that was 47.51% higher than MT and 64.56% higher than CT. In addition, results showed that the lowest values of runoff and soil losses, 4.91 mm and 0.65 t ha-1 respectively, were recorded under the integrated RT, while the highest values, 11.36 mm and 1.66 t ha -1 respectively, occurred under the CT. In addition, two field experiments were carried out in semi-arid environment in Madrid with barley and maize as the main crops. For the rainfed barley experiment, two tillage practices (RT, and MT) were performed. Results showed that soil water potential increased quite steadily and were consistently greater in MT and, irrespective of the entire observation period, RT decreased soil water potential by 43.6, 5.7, and 82.3% compared to MT at soil depths (10, 20, and 30 cm, respectively). In addition, clear differences in crop yield and yield components were observed between the two tillage systems, grain yield (up to 14%) and biomass yield (up to 8.8%) were increased by RT. For the irrigated maize experiment, four tillage practices (RT, MT, ZT, and CT) were performed. Results showed that ZT and RT had the lowest soil water potential and soil temperature. Compared to CT treatment, ZT and RT decreased soil water potential by 72 and 23% respectively, at soil depth of 40 cm, and decreased soil temperature by 1.1 and 0.8 0C respectively, at soil depth of 5 cm. Also, ZT had the highest soil bulk density and penetration resistance, which delayed the maize growth and decreased the grain yield that was 15.4% lower than CT treatment. RT increased maize grain yield about 12.8% compared to ZT. On the other hand, no significant differences among (RT, MT, and CT) on maize yield were found. In summary, according to the results from these experiments using reservoir tillage to make depressions after seeding, these depression’s internal surfaces are consolidated in such a way that the water is held to percolate into the soil and thus allowing time to offer moisture to the plant rooting zone over an extended period of time. Reservoir tillage could be used as an alternative method in arid and semi-arid regions and it retains moisture in-situ, through structures that reduce runoff and thus can result in improved crop yields.