Fertilization Management: Assessing New Techniques and Key Interactions to Increase Crop Yields With Less N2O Emissions

El óxido nitroso (N2O) es un potente gas de efecto invernadero (GHG) proveniente mayoritariamente de la fertilización nitrogenada de los suelos agrícolas. Identificar estrategias de manejo de la fertilización que reduzcan estas emisiones sin suponer un descenso de los rendimientos es vital tanto a nivel económico como medioambiental. Con ese propósito, en esta Tesis se han evaluado: (i) estrategias de manejo directo de la fertilización (inhibidores de la nitrificación/ureasa); y (ii) interacciones de los fertilizantes con (1) el manejo del agua, (2) residuos de cosecha y (3) diferentes especies de plantas. Para conseguirlo se llevaron a cabo meta-análisis, incubaciones de laboratorio, ensayos en invernadero y experimentos de campo. Los inhibidores de la nitrificación y de la actividad ureasa se proponen habitualmente como medidas para reducir las pérdidas de nitrógeno (N), por lo que su aplicación estaría asociada al uso eficiente del N por parte de los cultivos (NUE). Sin embargo, su efecto sobre los rendimientos es variable. Con el objetivo de evaluar en una primera fase su efectividad para incrementar el NUE y la productividad de los cultivos, se llevó a cabo un meta-análisis. Los inhibidores de la nitrificación dicyandiamide (DCD) y 3,4-dimetilepyrazol phosphate (DMPP) y el inhibidor de la ureasa N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) fueron seleccionados para el análisis ya que generalmente son considerados las mejores opciones disponibles comercialmente. Nuestros resultados mostraron que su uso puede ser recomendado con el fin de incrementar tanto el rendimiento del cultivo como el NUE (incremento medio del 7.5% y 12.9%, respectivamente). Sin embargo, se observó que su efectividad depende en gran medida de los factores medioambientales y de manejo de los estudios evaluados. Una mayor respuesta fue encontrada en suelos de textura gruesa, sistemas irrigados y/o en cultivos que reciben altas tasas de fertilizante nitrogenado. En suelos alcalinos (pH ≥ 8), el inhibidor de la ureasa NBPT produjo el mayor efecto. Dado que su uso representa un coste adicional para los agricultores, entender las mejores prácticas que permitan maximizar su efectividad es necesario para posteriormente realizar comparaciones efectivas con otras prácticas que incrementen la productividad de los cultivos y el NUE. En base a los resultados del meta-análisis, se seleccionó el NBPT como un inhibidor con gran potencial. Inicialmente desarrollado para reducir la volatilización de amoniaco (NH3), en los últimos años algunos investigadores han demostrado en estudios de campo un efecto mitigador de este inhibidor sobre las pérdidas de N2O provenientes de suelos fertilizados bajo condiciones de baja humedad del suelo. Dada la alta variabilidad de los experimentos de campo, donde la humedad del suelo cambia rápidamente, ha sido imposible entender mecanísticamente el potencial de los inhibidores de la ureasa (UIs) para reducir emisiones de N2O y su dependencia con respecto al porcentaje de poros llenos de agua del suelo (WFPS). Por lo tanto se realizó una incubación en laboratorio con el propósito de evaluar cuál es el principal mecanismo biótico tras las emisiones de N2O cuando se aplican UIs bajo diferentes condiciones de humedad del suelo (40, 60 y 80% WFPS), y para analizar hasta qué punto el WFPS regula el efecto del inhibidor sobre las emisiones de N2O. Un segundo UI (i.e. PPDA) fue utilizado para comparar el efecto del NBPT con el de otro inhibidor de la ureasa disponible comercialmente; esto nos permitió comprobar si el efecto de NBPT es específico de ese inhibidor o no. Las emisiones de N2O al 40% WFPS fueron despreciables, siendo significativamente más bajas que las de todos los tratamientos fertilizantes al 60 y 80% WFPS. Comparado con la urea sin inhibidor, NBPT+U redujo las emisiones de N2O al 60% WFPS pero no tuvo efecto al 80% WFPS. La aplicación de PPDA incrementó significativamente las emisiones con respecto a la urea al 80% WFPS mientras que no se encontró un efecto significativo al 60% WFPS. Al 80% WFPS la desnitrificación fue la principal fuente de las emisiones de N2O en todos los tratamientos mientras que al 60% tanto la nitrificación como la desnitrificación tuvieron un papel relevante. Estos resultados muestran que un correcto manejo del NBPT puede suponer una estrategia efectiva para mitigar las emisiones de N2O. Con el objetivo de trasladar nuestros resultados de los estudios previos a condiciones de campo reales, se desarrolló un experimento en el que se evaluó la efectividad del NBPT para reducir pérdidas de N y aumentar la productividad durante un cultivo de cebada (Hordeum vulgare L.) en secano Mediterráneo. Se determinó el rendimiento del cultivo, las concentraciones de N mineral del suelo, el carbono orgánico disuelto (DOC), el potencial de desnitrificación, y los flujos de NH3, N2O y óxido nítrico (NO). La adición del inhibidor redujo las emisiones de NH3 durante los 30 días posteriores a la aplicación de urea en un 58% y las emisiones netas de N2O y NO durante los 95 días posteriores a la aplicación de urea en un 86 y 88%, respectivamente. El uso de NBPT también incrementó el rendimiento en grano en un 5% y el consumo de N en un 6%, aunque ninguno de estos incrementos fue estadísticamente significativo. Bajo las condiciones experimentales dadas, estos resultados demuestran el potencial del inhibidor de la ureasa NBPT para mitigar las emisiones de NH3, N2O y NO provenientes de suelos arables fertilizados con urea, mediante la ralentización de la hidrólisis de la urea y posterior liberación de menores concentraciones de NH4 + a la capa superior del suelo. El riego por goteo combinado con la aplicación dividida de fertilizante nitrogenado disuelto en el agua de riego (i.e. fertirriego por goteo) se considera normalmente una práctica eficiente para el uso del agua y de los nutrientes. Algunos de los principales factores (WFPS, NH4 + y NO3 -) que regulan las emisiones de GHGs (i.e. N2O, CO2 y CH4) y NO pueden ser fácilmente manipulados por medio del fertirriego por goteo sin que se generen disminuciones del rendimiento. Con ese propósito se evaluaron opciones de manejo para reducir estas emisiones en un experimento de campo durante un cultivo de melón (Cucumis melo L.). Los tratamientos incluyeron distintas frecuencias de riego (semanal/diario) y tipos de fertilizantes nitrogenados (urea/nitrato cálcico) aplicados por fertirriego. Fertirrigar con urea en lugar de nitrato cálcico aumentó las emisiones de N2O y NO por un factor de 2.4 y 2.9, respectivamente (P < 0.005). El riego diario redujo las emisiones de NO un 42% (P < 0.005) pero aumentó las emisiones de CO2 un 21% (P < 0.05) comparado con el riego semanal. Analizando el Poder de Calentamiento global en base al rendimiento así como los factores de emisión del NO, concluimos que el fertirriego semanal con un fertilizante de tipo nítrico es la mejor opción para combinar productividad agronómica con sostenibilidad medioambiental en este tipo de agroecosistemas. Los suelos agrícolas en las áreas semiáridas Mediterráneas se caracterizan por su bajo contenido en materia orgánica y bajos niveles de fertilidad. La aplicación de residuos de cosecha y/o abonos es una alternativa sostenible y eficiente desde el punto de vista económico para superar este problema. Sin embargo, estas prácticas podrían inducir cambios importantes en las emisiones de N2O de estos agroecosistemas, con impactos adicionales en las emisiones de CO2. En este contexto se llevó a cabo un experimento de campo durante un cultivo de cebada (Hordeum vulgare L.) bajo condiciones Mediterráneas para evaluar el efecto de combinar residuos de cosecha de maíz con distintos inputs de fertilizantes nitrogenados (purín de cerdo y/o urea) en estas emisiones. La incorporación de rastrojo de maíz incrementó las emisiones de N2O durante el periodo experimental un 105%. Sin embargo, las emisiones de NO se redujeron significativamente en las parcelas enmendadas con rastrojo. La sustitución parcial de urea por purín de cerdo redujo las emisiones netas de N2O un 46 y 39%, con y sin incorporación de residuo de cosecha respectivamente. Las emisiones netas de NO se redujeron un 38 y un 17% para estos mismos tratamientos. El ratio molar DOC:NO3 - demostró predecir consistentemente las emisiones de N2O y NO. El efecto principal de la interacción entre el fertilizante nitrogenado y el rastrojo de maíz se dio a los 4-6 meses de su aplicación, generando un aumento del N2O y una disminución del NO. La sustitución de urea por purín de cerdo puede considerarse una buena estrategia de manejo dado que el uso de este residuo orgánico redujo las emisiones de óxidos de N. Los pastos de todo el mundo proveen numerosos servicios ecosistémicos pero también suponen una importante fuente de emisión de N2O, especialmente en respuesta a la deposición de N proveniente del ganado mientras pasta. Para explorar el papel de las plantas como mediadoras de estas emisiones, se analizó si las emisiones de N2O dependen de la riqueza en especies herbáceas y/o de la composición específica de especies, en ausencia y presencia de una deposición de orina. Las hipótesis fueron: 1) las emisiones de N2O tienen una relación negativa con la productividad de las plantas; 2) mezclas de cuatro especies generan menores emisiones que monocultivos (dado que su productividad será mayor); 3) las emisiones son menores en combinaciones de especies con distinta morfología radicular y alta biomasa de raíz; y 4) la identidad de las especies clave para reducir el N2O depende de si hay orina o no. Se establecieron monocultivos y mezclas de dos y cuatro especies comunes en pastos con rasgos funcionales divergentes: Lolium perenne L. (Lp), Festuca arundinacea Schreb. (Fa), Phleum pratense L. (Php) y Poa trivialis L. (Pt), y se cuantificaron las emisiones de N2O durante 42 días. No se encontró relación entre la riqueza en especies y las emisiones de N2O. Sin embargo, estas emisiones fueron significativamente menores en ciertas combinaciones de especies. En ausencia de orina, las comunidades de plantas Fa+Php actuaron como un sumidero de N2O, mientras que los monocultivos de estas especies constituyeron una fuente de N2O. Con aplicación de orina la comunidad Lp+Pt redujo (P < 0.001) las emisiones de N2O un 44% comparado con los monocultivos de Lp. Las reducciones de N2O encontradas en ciertas combinaciones de especies pudieron explicarse por una productividad total mayor y por una complementariedad en la morfología radicular. Este estudio muestra que la composición de especies herbáceas es un componente clave que define las emisiones de N2O de los ecosistemas de pasto. La selección de combinaciones de plantas específicas en base a la deposición de N esperada puede, por lo tanto, ser clave para la mitigación de las emisiones de N2O. ABSTRACT Nitrous oxide (N2O) is a potent greenhouse gas (GHG) directly linked to applications of nitrogen (N) fertilizers to agricultural soils. Identifying mitigation strategies for these emissions based on fertilizer management without incurring in yield penalties is of economic and environmental concern. With that aim, this Thesis evaluated: (i) the use of nitrification and urease inhibitors; and (ii) interactions of N fertilizers with (1) water management, (2) crop residues and (3) plant species richness/identity. Meta-analysis, laboratory incubations, greenhouse mesocosm and field experiments were carried out in order to understand and develop effective mitigation strategies. Nitrification and urease inhibitors are proposed as means to reduce N losses, thereby increasing crop nitrogen use efficiency (NUE). However, their effect on crop yield is variable. A meta-analysis was initially conducted to evaluate their effectiveness at increasing NUE and crop productivity. Commonly used nitrification inhibitors (dicyandiamide (DCD) and 3,4-dimethylepyrazole phosphate (DMPP)) and the urease inhibitor N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) were selected for analysis as they are generally considered the best available options. Our results show that their use can be recommended in order to increase both crop yields and NUE (grand mean increase of 7.5% and 12.9%, respectively). However, their effectiveness was dependent on the environmental and management factors of the studies evaluated. Larger responses were found in coarse-textured soils, irrigated systems and/or crops receiving high nitrogen fertilizer rates. In alkaline soils (pH ≥ 8), the urease inhibitor NBPT produced the largest effect size. Given that their use represents an additional cost for farmers, understanding the best management practices to maximize their effectiveness is paramount to allow effective comparison with other practices that increase crop productivity and NUE. Based on the meta-analysis results, NBPT was identified as a mitigation option with large potential. Urease inhibitors (UIs) have shown to promote high N use efficiency by reducing ammonia (NH3) volatilization. In the last few years, however, some field researches have shown an effective mitigation of UIs over N2O losses from fertilized soils under conditions of low soil moisture. Given the inherent high variability of field experiments where soil moisture content changes rapidly, it has been impossible to mechanistically understand the potential of UIs to reduce N2O emissions and its dependency on the soil water-filled pore space (WFPS). An incubation experiment was carried out aiming to assess what is the main biotic mechanism behind N2O emission when UIs are applied under different soil moisture conditions (40, 60 and 80% WFPS), and to analyze to what extent the soil WFPS regulates the effect of the inhibitor over N2O emissions. A second UI (i.e. PPDA) was also used aiming to compare the effect of NBPT with that of another commercially available urease inhibitor; this allowed us to see if the effect of NBPT was inhibitor-specific or not. The N2O emissions at 40% WFPS were almost negligible, being significantly lower from all fertilized treatments than that produced at 60 and 80% WFPS. Compared to urea alone, NBPT+U reduced the N2O emissions at 60% WFPS but had no effect at 80% WFPS. The application of PPDA significantly increased the emissions with respect to U at 80% WFPS whereas no significant effect was found at 60% WFPS. At 80% WFPS denitrification was the main source of N2O emissions for all treatments. Both nitrification and denitrification had a determinant role on these emissions at 60% WFPS. These results suggest that adequate management of the UI NBPT can provide, under certain soil conditions, an opportunity for N2O mitigation. We translated our previous results to realistic field conditions by means of a field experiment with a barley crop (Hordeum vulgare L.) under rainfed Mediterranean conditions in which we evaluated the effectiveness of NBPT to reduce N losses and increase crop yields. Crop yield, soil mineral N concentrations, dissolved organic carbon (DOC), denitrification potential, NH3, N2O and nitric oxide (NO) fluxes were measured during the growing season. The inclusion of the inhibitor reduced NH3 emissions in the 30 d following urea application by 58% and net N2O and NO emissions in the 95 d following urea application by 86 and 88%, respectively. NBPT addition also increased grain yield by 5% and N uptake by 6%, although neither increase was statistically significant. Under the experimental conditions presented here, these results demonstrate the potential of the urease inhibitor NBPT in abating NH3, N2O and NO emissions from arable soils fertilized with urea, slowing urea hydrolysis and releasing lower concentrations of NH4 + to the upper soil layer. Drip irrigation combined with split application of N fertilizer dissolved in the irrigation water (i.e. drip fertigation) is commonly considered best management practice for water and nutrient efficiency. Some of the main factors (WFPS, NH4 + and NO3 -) regulating the emissions of GHGs (i.e. N2O, carbon dioxide (CO2) and methane (CH4)) and NO can easily be manipulated by drip fertigation without yield penalties. In this study, we tested management options to reduce these emissions in a field experiment with a melon (Cucumis melo L.) crop. Treatments included drip irrigation frequency (weekly/daily) and type of N fertilizer (urea/calcium nitrate) applied by fertigation. Crop yield, environmental parameters, soil mineral N concentrations, N2O, NO, CH4, and CO2 fluxes were measured during the growing season. Fertigation with urea instead of calcium nitrate increased N2O and NO emissions by a factor of 2.4 and 2.9, respectively (P < 0.005). Daily irrigation reduced NO emissions by 42% (P < 0.005) but increased CO2 emissions by 21% (P < 0.05) compared with weekly irrigation. Based on yield-scaled Global Warming Potential as well as NO emission factors, we conclude that weekly fertigation with a NO3 --based fertilizer is the best option to combine agronomic productivity with environmental sustainability. Agricultural soils in semiarid Mediterranean areas are characterized by low organic matter contents and low fertility levels. Application of crop residues and/or manures as amendments is a cost-effective and sustainable alternative to overcome this problem. However, these management practices may induce important changes in the nitrogen oxide emissions from these agroecosystems, with additional impacts on CO2 emissions. In this context, a field experiment was carried out with a barley (Hordeum vulgare L.) crop under Mediterranean conditions to evaluate the effect of combining maize (Zea mays L.) residues and N fertilizer inputs (organic and/or mineral) on these emissions. Crop yield and N uptake, soil mineral N concentrations, dissolved organic carbon (DOC), denitrification capacity, N2O, NO and CO2 fluxes were measured during the growing season. The incorporation of maize stover increased N2O emissions during the experimental period by c. 105 %. Conversely, NO emissions were significantly reduced in the plots amended with crop residues. The partial substitution of urea by pig slurry reduced net N2O emissions by 46 and 39 %, with and without the incorporation of crop residues respectively. Net emissions of NO were reduced 38 and 17 % for the same treatments. Molar DOC:NO3 - ratio was found to be a robust predictor of N2O and NO fluxes. The main effect of the interaction between crop residue and N fertilizer application occurred in the medium term (4-6 month after application), enhancing N2O emissions and decreasing NO emissions as consequence of residue incorporation. The substitution of urea by pig slurry can be considered a good management strategy since N2O and NO emissions were reduced by the use of the organic residue. Grassland ecosystems worldwide provide many important ecosystem services but they also function as a major source of N2O, especially in response to N deposition by grazing animals. In order to explore the role of plants as mediators of these emissions, we tested whether and how N2O emissions are dependent on grass species richness and/or specific grass species composition in the absence and presence of urine deposition. We hypothesized that: 1) N2O emissions relate negatively to plant productivity; 2) four-species mixtures have lower emissions than monocultures (as they are expected to be more productive); 3) emissions are lowest in combinations of species with diverging root morphology and high root biomass; and 4) the identity of the key species that reduce N2O emissions is dependent on urine deposition. We established monocultures and two- and four-species mixtures of common grass species with diverging functional traits: Lolium perenne L. (Lp), Festuca arundinacea Schreb. (Fa), Phleum pratense L. (Php) and Poa trivialis L. (Pt), and quantified N2O emissions for 42 days. We found no relation between plant species richness and N2O emissions. However, N2O emissions were significantly reduced in specific plant species combinations. In the absence of urine, plant communities of Fa+Php acted as a sink for N2O, whereas the monocultures of these species constituted a N2O source. With urine application Lp+Pt plant communities reduced (P < 0.001) N2O emissions by 44% compared to monocultures of Lp. Reductions in N2O emissions by species mixtures could be explained by total biomass productivity and by complementarity in root morphology. Our study shows that plant species composition is a key component underlying N2O emissions from grassland ecosystems. Selection of specific grass species combinations in the context of the expected nitrogen deposition regimes may therefore provide a key management practice for mitigation of N2O emissions.

Management of irrigation frequency and nitrogen fertilization to mitigate GHG and NO emissions from drip-fertigated crops

Drip irrigation combined with split application of fertilizer nitrogen (N) dissolved in the irrigation water (i.e. drip fertigation) is commonly considered best management practice for water and nutrient efficiency. As a consequence, its use is becoming widespread. Some of the main factors (water-filled pore space, NH4+ and NO3−) regulating the emissions of greenhouse gases (i.e. N2O, CO2 and CH4) and NO from agroecosystems can easily be manipulated by drip fertigation without yield penalties. In this study, we tested management options to reduce these emissions in a field experiment with a melon (Cucumis melo L.) crop. Treatments included drip irrigation frequency (weekly/daily) and type of N fertilizer (urea/calcium nitrate) applied by fertigation. Crop yield, environmental parameters, soil mineral N concentrations and fluxes of N2O, NO, CH4 and CO2 were measured during 85 days. Fertigation with urea instead of calcium nitrate increased N2O and NO emissions by a factor of 2.4 and 2.9, respectively (P < 0.005). Daily irrigation reduced NO emissions by 42% (P < 0.005) but increased CO2 emissions by 21% (P < 0.05) compared with weekly irrigation. We found no relation between irrigation frequency and N2O emissions. Based on yield-scaled Global Warming Potential as well as NO cumulative emissions, we conclude that weekly fertigation with a NO3−-based fertilizer is the best option to combine agronomic productivity with environmental sustainability. Our study shows that adequate management of drip fertigation, while contributing to the attainment of water and food security, may provide an opportunity for climate change mitigation.

Estimate of the total ice volume of Svalbard glaciers and their potential contribution to sea-level rise = Estimación del volumen de hielo de Svalbard y su contribución potencial a la subida del nivel del mar

El objetivo final de las investigaciones recogidas en esta tesis doctoral es la estimación del volumen de hielo total de los ms de 1600 glaciares de Svalbard, en el Ártico, y, con ello, su contribución potencial a la subida del nivel medio del mar en un escenario de calentamiento global. Los cálculos más exactos del volumen de un glaciar se efectúan a partir de medidas del espesor de hielo obtenidas con georradar. Sin embargo, estas medidas no son viables para conjuntos grandes de glaciares, debido al coste, dificultades logísticas y tiempo requerido por ellas, especialmente en las regiones polares o de montaña. Frente a ello, la determinación de áreas de glaciares a partir de imágenes de satélite sí es viable a escalas global y regional, por lo que las relaciones de escala volumen-área constituyen el mecanismo más adecuado para las estimaciones de volúmenes globales y regionales, como las realizadas para Svalbard en esta tesis. Como parte del trabajo de tesis, hemos elaborado un inventario de los glaciares de Svalbard en los que se han efectuado radioecosondeos, y hemos realizado los cálculos del volumen de hielo de más de 80 cuencas glaciares de Svalbard a partir de datos de georradar. Estos volúmenes han sido utilizados para calibrar las relaciones volumen-área desarrolladas en la tesis. Los datos de georradar han sido obtenidos en diversas campañas llevadas a cabo por grupos de investigación internacionales, gran parte de ellas lideradas por el Grupo de Simulación Numérica en Ciencias e Ingeniería de la Universidad Politécnica de Madrid, del que forman parte la doctoranda y los directores de tesis. Además, se ha desarrollado una metodología para la estimación del error en el cálculo de volumen, que aporta una novedosa técnica de cálculo del error de interpolación para conjuntos de datos del tipo de los obtenidos con perfiles de georradar, que presentan distribuciones espaciales con unos patrones muy característicos pero con una densidad de datos muy irregular. Hemos obtenido en este trabajo de tesis relaciones de escala específicas para los glaciares de Svalbard, explorando la sensibilidad de los parámetros a diferentes morfologías glaciares, e incorporando nuevas variables. En particular, hemos efectuado experimentos orientados a verificar si las relaciones de escala obtenidas caracterizando los glaciares individuales por su tamaño, pendiente o forma implican diferencias significativas en el volumen total estimado para los glaciares de Svalbard, y si esta partición implica algún patrón significativo en los parámetros de las relaciones de escala. Nuestros resultados indican que, para un valor constante del factor multiplicativo de la relacin de escala, el exponente que afecta al área en la relación volumen-área decrece según aumentan la pendiente y el factor de forma, mientras que las clasificaciones basadas en tamaño no muestran un patrón significativo. Esto significa que los glaciares con mayores pendientes y de tipo circo son menos sensibles a los cambios de área. Además, los volúmenes de la población total de los glaciares de Svalbard calculados con fraccionamiento en grupos por tamaño y pendiente son un 1-4% menores que los obtenidas usando la totalidad de glaciares sin fraccionamiento en grupos, mientras que los volúmenes calculados fraccionando por forma son un 3-5% mayores. También realizamos experimentos multivariable para obtener estimaciones óptimas del volumen total mediante una combinación de distintos predictores. Nuestros resultados muestran que un modelo potencial simple volumen-área explica el 98.6% de la varianza. Sólo el predictor longitud del glaciar proporciona significación estadística cuando se usa además del área del glaciar, aunque el coeficiente de determinación disminuye en comparación con el modelo más simple V-A. El predictor intervalo de altitud no proporciona información adicional cuando se usa además del área del glaciar. Nuestras estimaciones del volumen de la totalidad de glaciares de Svalbard usando las diferentes relaciones de escala obtenidas en esta tesis oscilan entre 6890 y 8106 km3, con errores relativos del orden de 6.6-8.1%. El valor medio de nuestras estimaciones, que puede ser considerado como nuestra mejor estimación del volumen, es de 7.504 km3. En términos de equivalente en nivel del mar (SLE), nuestras estimaciones corresponden a una subida potencial del nivel del mar de 17-20 mm SLE, promediando 19_2 mm SLE, donde el error corresponde al error en volumen antes indicado. En comparación, las estimaciones usando las relaciones V-A de otros autores son de 13-26 mm SLE, promediando 20 _ 2 mm SLE, donde el error representa la desviación estándar de las distintas estimaciones. ABSTRACT The final aim of the research involved in this doctoral thesis is the estimation of the total ice volume of the more than 1600 glaciers of Svalbard, in the Arctic region, and thus their potential contribution to sea-level rise under a global warming scenario. The most accurate calculations of glacier volumes are those based on ice-thicknesses measured by groundpenetrating radar (GPR). However, such measurements are not viable for very large sets of glaciers, due to their cost, logistic difficulties and time requirements, especially in polar or mountain regions. On the contrary, the calculation of glacier areas from satellite images is perfectly viable at global and regional scales, so the volume-area scaling relationships are the most useful tool to determine glacier volumes at global and regional scales, as done for Svalbard in this PhD thesis. As part of the PhD work, we have compiled an inventory of the radio-echo sounded glaciers in Svalbard, and we have performed the volume calculations for more than 80 glacier basins in Svalbard from GPR data. These volumes have been used to calibrate the volume-area relationships derived in this dissertation. Such GPR data have been obtained during fieldwork campaigns carried out by international teams, often lead by the Group of Numerical Simulation in Science and Engineering of the Technical University of Madrid, to which the PhD candidate and her supervisors belong. Furthermore, we have developed a methodology to estimate the error in the volume calculation, which includes a novel technique to calculate the interpolation error for data sets of the type produced by GPR profiling, which show very characteristic data distribution patterns but with very irregular data density. We have derived in this dissertation scaling relationships specific for Svalbard glaciers, exploring the sensitivity of the scaling parameters to different glacier morphologies and adding new variables. In particular, we did experiments aimed to verify whether scaling relationships obtained through characterization of individual glacier shape, slope and size imply significant differences in the estimated volume of the total population of Svalbard glaciers, and whether this partitioning implies any noticeable pattern in the scaling relationship parameters. Our results indicate that, for a fixed value of the factor in the scaling relationship, the exponent of the area in the volume-area relationship decreases as slope and shape increase, whereas size-based classifications do not reveal any clear trend. This means that steep slopes and cirque-type glaciers are less sensitive to changes in glacier area. Moreover, the volumes of the total population of Svalbard glaciers calculated according to partitioning in subgroups by size and slope are smaller (by 1-4%) than that obtained considering all glaciers without partitioning into subgroups, whereas the volumes calculated according to partitioning in subgroups by shape are 3-5% larger. We also did multivariate experiments attempting to optimally predict the volume of Svalbard glaciers from a combination of different predictors. Our results show that a simple power-type V-A model explains 98.6% of the variance. Only the predictor glacier length provides statistical significance when used in addition to the predictor glacier area, though the coefficient of determination decreases as compared with the simpler V-A model. The predictor elevation range did not provide any additional information when used in addition to glacier area. Our estimates of the volume of the entire population of Svalbard glaciers using the different scaling relationships that we have derived along this thesis range within 6890-8106 km3, with estimated relative errors in total volume of the order of 6.6-8.1% The average value of all of our estimates, which could be used as a best estimate for the volume, is 7,504 km3. In terms of sea-level equivalent (SLE), our volume estimates correspond to a potential contribution to sea-level rise within 17-20 mm SLE, averaging 19 _ 2 mm SLE, where the quoted error corresponds to our estimated relative error in volume. For comparison, the estimates using the V-A scaling relations found in the literature range within 13-26 mm SLE, averaging 20 _ 2 mm SLE, where the quoted error represents the standard deviation of the different estimates.

Chaperonas moleculares y tolerancia a estrés abiótico en especies arbóreas

Las temperaturas extremas, la sequía y otros estreses abióticos limitan la producción forestal de forma significativa, causando grandes pérdidas económicas en el sector. Los árboles, al ser organismos sésiles, han desarrollado una serie de estrategias para percibir dichos factores, activando respuestas defensivas apropiadas. Entre ellas ocupa un lugar preeminente la síntesis de proteínas con actividad chaperona molecular. Las chaperonas moleculares interaccionan con proteínas desnaturalizadas total o parcialmente, promoviendo su correcto plegamiento y ensamblaje. Las chaperonas moleculares que se sintetizan de forma predominante en plantas, pero no en otros eucariotas, pertenecen a la familia sHSP (small heat-shock proteins). Se trata de una familia inusualmente compleja y heterogénea, cuyos miembros son de pequeño tamaño (16-42 kD) y poseen un dominio “alfa-cristalina” muy conservado. Estas proteínas están implicadas en protección frente a estrés abiótico mediante la estabilización de proteínas y membranas, si bien su mecanismo de acción se conoce de forma incompleta. A pesar del evidente potencial aplicado de las proteínas sHSP, son muy escasos los estudios realizados hasta el momento con un enfoque netamente biotecnológico. Por otra parte, casi todos ellos se han llevado a cabo en especies herbáceas de interés agronómico o en especies modelo, como Arabidopsis thaliana. De ahí que las sHSP de arbóreas hayan sido mucho menos caracterizadas estructural y funcionalmente, y ello a pesar del interés económico y ecológico de los árboles y de su prolongada exposición vital a múltiples factores estresantes. La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de sHSP de varias especies arbóreas de interés económico. El escrutinio exhaustivo de genotecas de cDNA de órganos vegetativos nos ha permitido identificar y caracterizar los componentes mayoritarios de tallo en dos especies productoras de madera noble: nogal y cerezo. También hemos caracterizado la familia completa en chopo, a partir de su secuencia genómica completa. Mediante expresión heteróloga en bacterias, hemos analizado el efecto protector de estas proteínas in vivo frente a distintos tipos de estrés abiótico, relevantes para el sector productivo. Los resultados demuestran que las proteínas sHSP-CI: (i) aumentan la viabilidad celular de E.coli frente a casi todos estos factores, aplicados de forma individual o combinada; (ii) ejercen un rol estabilizador de las membranas celulares frente a condiciones adversas; (iii) sirven para mejorar la producción de otras proteínas recombinantes de interés comercial. El efecto protector de las proteínas sHSP-CI también ha sido analizado in planta, mediante la expresión ectópica de CsHSP17.5-CI en chopos. En condiciones normales de crecimiento no se han observado diferencias fenotípicas entre las líneas transgénicas y los controles, lo que demuestra que se pueden sobre-expresar estas proteínas sin efectos pleiotrópicos deletéreos. En condiciones de estrés térmico, por el contrario, los chopos transgénicos mostraron menos daños y un mejor crecimiento neto. En línea con lo anterior, las actividades biológicas de varias enzimas resultaron más protegidas frente a la inactivación por calor, corroborando la actividad chaperona propuesta para la familia sHSP y su conexión con la tolerancia al estrés abiótico. En lo que respecta a la multiplicación y propagación de chopo in vitro, una forma de cultivo que comporta estrés para las plantas, todas las líneas transgénicas se comportaron mejor que los controles en términos de producción de biomasa (callos) y regeneración de brotes, incluso en ausencia de estrés térmico. También se comportaron mejor durante su cultivo ex vitro. Estos resultados tienen gran potencial aplicado, dada la recalcitrancia de muchas especies vegetales de interés económico a la micropropagación y a la manipulación in vitro en general. Los resultados derivados de esta Tesis, aparte de aportar datos nuevos sobre el efecto protector de las proteínas sHSP citosólicas mayoritarias (clase CI), demuestran por vez primera que la termotolerancia de los árboles puede ser manipulada racionalmente, incrementando los niveles de sHSP mediante técnicas de ingeniería genética. Su interés aplicado es evidente, especialmente en un escenario de calentamiento global. ABSTRACT Abiotic stress produces considerable economic losses in the forest sector, with extreme temperature and drought being amongst the most relevant factors. As sessile organisms, plants have acquired molecular strategies to detect and recognize stressful factors and activate appropriate responses. A wealth of evidence has correlated such responses with the massive induction of proteins belonging to the molecular chaperone family. Molecular chaperones are proteins which interact with incorrectly folded proteins to help them refold to their native state. In contrast to other eukaryotes, the most prominent stress-induced molecular chaperones of plants belong to the sHSP (small Heat Shock Protein) family. sHSPs are a widespread and diverse class of molecular chaperones that range in size from 16 to 42k Da, and whose members have a highly conserved “alpha-crystallin” domain. sHSP proteins play an important role in abiotic stress tolerance, membrane stabilization and developmental processes. Yet, their mechanism of action remains largely unknown. Despite the applied potential of these proteins, only a few studies have addressed so far the biotechnological implications of this protein family. Most studies have focused on herbaceous species of agronomic interest or on model species such as Arabidopsis thaliana. Hence, sHSP are poorly characterized in long-lived woody species, despite their economic and ecological relevance. This Thesis studies sHSPs from several woody species of economic interest. The most prominent components, namely cytosolic class I sHSPs, have been identified and characterized, either by cDNA library screening (walnut, cherry) or by searching the complete genomic sequence (poplar). Through heterologous bacterial expression, we analyzed the in vivo protective effects of selected components against abiotic stress. Our results demonstrate that sHSP-CI proteins: (i) protect E. coli cells against different stressful conditions, alone or combined; (ii) stabilize cell membranes; (iii) improve the production of other recombinant proteins with commercial interest. The effects of CsHSP17.5-CI overexpression have also been studied in hybrid poplar. Interestingly, the accumulation of this protein does not have any appreciable phenotypic effects under normal growth conditions. However, the transgenic poplar lines showed enhanced net growth and reduced injury under heat-stress conditions compared to vector controls. Biochemical analysis of leaf extracts revealed that important enzyme activities were more protected in such lines against heat-induced inactivation than in control lines, lending further support to the chaperone mode of action proposed for the sHSP family. All transgenic lines showed improved in vitro and ex vitro performance (calli biomass, bud induction, shoot regeneration) compared to controls, even in the absence of thermal stress. Besides providing new insights on the protective role of HSP-CI proteins, our results bolster the notion that heat stress tolerance can be readily manipulated in trees through genetic engineering. The applied value of these results is evident, especially under a global warming scenario.

Arquitectura antidesertización. Fluidez, biodiversidad, hidrofilia y transpirabilidad

La escasez de recursos, la desertización creciente y el previsible calentamiento global forman un escenario físico sin precedentes que urge la revisión de las relaciones entre arquitectura y agua en la urbanización de los paisajes secos, donde la aridez es el factor limitante principal. Cuestionar la idea de escasez, la de residuo o la de confort es el punto de partida para analizar la hidrología urbana. La condición ubicua y dinámica del agua, sus continuos cambios de estado y las implicaciones energéticas y ambientales involucradas argumentan a favor de un entendimiento integral, holístico, que aborda el diseño en relación a lo paisajístico, lo infraestructural y lo ambiental como un único ámbito de investigación, planteado en términos no solo de materia o de escasez, sino de energía. Este trabajo se interesa por el rol de la arquitectura en este proyecto conjunto, integral, del espacio físico con el ciclo hidrológico donde lo orgánico, lo geológico y lo atmosférico están ligados, y donde las categorías de lo hidrológico y lo hidráulico se confunden. Las profundas implicaciones culturales en la construcción de la naturaleza urbana y en la relación con el cuerpo humano adquieren especial notoriedad en los modelos de paisaje y de espacio público adoptados, importados desde las geografías húmedas, y en la estigmatización del agua desde los presupuestos del higienismo decimonónico, que conduce al hidrofugado general de una ciudad aséptica y estéril, que se extiende hasta las envolventes de fachadas estancas y los interiores blancos y satinados. La búsqueda de referentes salta la modernidad hacia contextos de baja energía como el oasis tradicional de las tierras áridas, que concilia la formación de un ecosistema productivo con la climatización de un espacio público exterior, o los ambientes aislados de la investigación aeroespacial, con ciclos cerrados de materia. Las condiciones del ciclo del agua, como la vinculación con el suelo y el territorio, la capacidad de disolver, de mezclarse y de lavar, su volumen variable y su papel como termorregulador señalan el interés que características físicas como la fluidez, la biodiversidad, la hidrofilia y la transpirabilidad tienen para una arquitectura con competencias hidráulicas y un espacio urbano transparente a los procesos del agua. La morfología y localización, la elección de escalas, jerarquías y relaciones entre espacios y la reformulación de los sistemas constructivos aparecen como herramientas y categorías propias desde las que proponer mejores respuestas a problemas como la deshidratación, la erosión y la contaminación. Una urbanización permeable e hidrófila que absorba el agua como un recurso valioso, nuevos ensamblajes para la bioquímica urbana (que introduzcan una idea de limpieza más próxima a fertilidad que a la desinfección), y el diseño de las condiciones atmosféricas a través de una arquitectura transpirable, que se empapa y rezuma frescor, son las claves de este nuevo proyecto. La ciudad se piensa como una síntesis multiescalar de espacios hidráulicos que aporta mayor resiliencia frente a la desertificación y las condiciones climáticas extremas, y mayor visibilidad en la escena pública al agua y a las inevitables conexiones entre ecología y economía. Pero también es una oportunidad para revisar las categorías disciplinares, para renovar las consistencias materiales, las calidades ambientales y las relaciones entre el cuerpo y el espacio. ABSTRACT The shortage of resources, foreseeable global warming and increasing desertification create an unprecedented prospect that question the existing relationships between water and architecture, in the urbanization of the arid lands. The awareness of the huge volumes of water that pierce unnoticed through urban space, their impact on the landscape as well as on environmental qualities, promote a design field where cultural, social and political considerations intersect, related to the body and the physical experience of space within the built environment. Fluidity and ubiquity, solution ability, variability and cyclical processes are characteristic of water as material, directly related with the fields of potential, chemical and thermal energy and the reality of its mass, as it occupies a changing volume in space. These are also the imposing cross sections that water introduces into the project, that argue in favor of a comprehensive and holistic understanding, of addressing design in relationship to landscape, infrastructure and environmental issues as a one single area of research. This work attempts to investigate how architecture, with its specific tools, can partake in the design of water cycle in the space, linking the organic, geological, and atmospheric, blurring the lines between hydrology and hydraulic. It aims to identify issues, within the continuous query associated with water, that deal with the architectural project and may have here better results. The deep cultural implications in the construction of urban nature and the relationship with the body, acquire special notoriety in the models of landscape and public space adopted, imported from humid geographies. Also in the stigmatization of water from the premises of nineteenth- century hygienics, which lead to the entire waterproofing of an aseptic and sterile city, to the sealed facades and white and polished interiors. The search for alternative references goes beyond modernity towards a mindset of low energy, as the traditional oasis of arid lands, which aims to reconcile the formation of a productive ecosystem with the conditioning of an outdoor public space, or the controlled environments of aerospace research, with closed cycles of matter. Fluidity, biodiversity, hydrophilicity and breathability are characteristic of an architecture with hydraulic competences. The distributing phenomenon of water, its necessary connectivity to the ground and to small cycles in the ecosystems, shows strong affinities with an infrastructural architecture, as an alternative to large-scale centralized networks. Its volume has approximated to the dimensions of the built space, promoting a new found condition of coexistence. A permeable and hydrophilic urbanization absorbs water as a valuable resource; new assemblies for urban biochemistry introduce an idea of sanitation closer to fertility than to disinfection; a breathable architecture that soaks and exudes freshness design the atmospheric conditions: these are the essential components of this new project. The city is understood as a synthesis of multi-scale hydraulic spaces that provides greater resilience against desertification and increases the visibility of water and the linkages between ecology and economy in the public scene. It is also an opportunity to review the disciplinary categories of architecture, the material consistencies, the environmental qualities and the relationship between body and space.

Asphalt rubber mixtures with warm mix asphalt additives

En los últimos años, debido a la creciente preocupación por el calentamiento global y el cambio climático, uno de los retos más importantes a los que se enfrenta nuestra sociedad es el uso eficiente y económico de energía así como la necesidad correspondiente de reducir los gases de efecto invernadero (GEI). Las tecnologías de mezclas semicalientes se han convertido en un nuevo e importante tema de investigación en el campo de los materiales para pavimentos ya que ofrece una solución potencial para la reducción del consumo energético y las emisiones de GEI durante la producción y puesta en obra de las mezclas bituminosas. Por otro lado, los pavimentos que contienen polvo de caucho procedente de neumático fuera de uso, al hacer uso productos de desecho, ahorran energía y recursos naturales. Estos pavimentos ofrecen una resistencia mejorada a la formación de roderas, a la fatiga y a la fisuración térmica, reducen los costes de mantenimiento y el ruido del tráfico así como prolongan la vida útil del pavimento. Sin embargo, estas mezclas presentan un importante inconveniente: la temperatura de fabricación se debe aumentar en comparación con las mezclas asfálticas convencionales, ya que la incorporación de caucho aumenta la viscosidad del ligante y, por lo tanto, se producen mayores cantidades de emisiones de GEI. En la presente Tesis, la tecnología de mezclas semicalientes con aditivos orgánicos (Sasobit, Asphaltan A, Asphaltan B, Licomont) se incorporó a la de betunes de alta viscosidad modificados con caucho (15% y 20% de caucho) con la finalidad de dar una solución a los inconvenientes de mezclas con caucho gracias a la utilización de aditivos reductores de la viscosidad. Para este fin, se estudió si sería posible obtener una producción más sostenible de mezclas con betunes de alto contenido en caucho sin afectar significativamente su nivel de rendimiento mecánico. La metodología aplicada para evaluar y comparar las características de las mezclas consistió en la realización de una serie de ensayos de laboratorio para betunes y mezclas con caucho y con aditivos de mezclas semicalientes y de un análisis del ciclo de vida híbrido de la producción de mezclas semicalientes teniendo en cuenta la papel del aditivo en la cadena de suministro con el fin de cuantificar con precisión los beneficios de esta tecnología. Los resultados del estudio indicaron que la incorporación de los aditivos permite reducir la viscosidad de los ligantes y, en consecuencia, las temperaturas de producción y de compactación de las mezclas. Por otro lado, aunque la adición de caucho mejoró significativamente el comportamiento mecánico de los ligantes a baja temperatura reduciendo la susceptibilidad al fenómeno de fisuración térmica, la adición de las ceras aumentó ligeramente la rigidez. Los resultados del estudio reológico mostraron que la adición de porcentajes crecientes de caucho mejoraban la resistencia del pavimento con respecto a la resistencia a la deformación permanente a altas temperaturas y a la fisuración térmica a bajas temperaturas. Además, se observó que los aditivos mejoran la resistencia a roderas y la elasticidad del pavimento al aumentar el módulo complejo a altas temperaturas y al disminuir del ángulo de fase. Por otra parte, el estudio reológico confirmó que los aditivos estudiados aumentan ligeramente la rigidez a bajas temperaturas. Los ensayos de fluencia llevados a cabo con el reómetro demostraron una vez más la mejora en la elasticidad y en la resistencia a la deformación permanente dada por la adición de las ceras. El estudio de mezclas con caucho y aditivos de mezclas semicalientes llevado a cabo demostró que las temperaturas de producción/compactación se pueden disminuir, que las mezclas no experimentarían escurrimiento, que los aditivos no cambian significativamente la resistencia conservada y que cumplen la sensibilidad al agua exigida. Además, los aditivos aumentaron el módulo de rigidez en algunos casos y mejoraron significativamente la resistencia a la deformación permanente. Asimismo, a excepción de uno de los aditivos, las mezclas con ceras tenían la misma o mayor resistencia a la fatiga en comparación con la mezcla control. Los resultados del análisis de ciclo de vida híbrido mostraron que la tecnología de mezclas semicalientes es capaz de ahorrar significativamente energía y reducir las emisiones de GEI, hasta un 18% y 20% respectivamente, en comparación con las mezclas de control. Sin embargo, en algunos de los casos estudiados, debido a la presencia de la cera, la temperatura de fabricación debe reducirse en un promedio de 8 ºC antes de que los beneficios de la reducción de emisiones y el consumo de combustible puedan ser obtenidos. Los principales sectores contribuyentes a los impactos ambientales generados en la fabricación de mezclas semicalientes fueron el sector de los combustibles, el de la minería y el de la construcción. Due to growing concerns over global warming and climate change in recent years, one of the most important challenges facing our society is the efficient and economic use of energy, and with it, the corresponding need to reduce greenhouse gas (GHG) emissions. The Warm Mix Asphalt (WMA) technology has become an important new research topic in the field of pavement materials as it offers a potential solution for the reduction of energy consumption and GHG emissions during the production and placement of asphalt mixtures. On the other hand, pavements containing crumb-rubber modified (CRM) binders save energy and natural resources by making use of waste products. These pavements offer an improved resistance to rutting, fatigue and thermal cracking; reduce traffic noise and maintenance costs and prolong pavement life. These mixtures, however, present one major drawback: the manufacturing temperature is higher compared to conventional asphalt mixtures as the rubber lends greater viscosity to the binder and, therefore, larger amounts of GHG emissions are produced. In this dissertation the WMA technology with organic additives (Sasobit, Asphaltan A, Asphaltan B and Licomont) was applied to CRM binders (15% and 20% of rubber) in order to offer a solution to the drawbacks of asphalt rubber (AR) mixtures thanks to the use of fluidifying additives. For this purpose, this study sought to determine if a more sustainable production of AR mixtures could be obtained without significantly affecting their level of mechanical performance. The methodology applied in order to evaluate and compare the performance of the mixtures consisted of carrying out several laboratory tests for the CRM binders and AR mixtures with WMA additives (AR-WMA mixtures) and a hybrid input-output-based life cycle assessment (hLCA) of the production of WMA. The results of the study indicated that the incorporation of the organic additives were able to reduce the viscosity of the binders and, consequently, the production and compaction temperatures. On the other hand, although the addition of rubber significantly improved the mechanical behaviour of the binders at low temperatures reducing the susceptibility to thermal cracking phenomena, the addition of the waxes slightly increased the stiffness. Master curves showed that the addition of increasing percentages of rubber improved the resistance of the pavement regarding both resistance to permanent deformation at high temperatures and thermal cracking at low temperatures. In addition, the waxes improved the rutting resistance and the elasticity as they increased the complex modulus at high temperatures and decreased the phase angle. Moreover, master curves also attest that the WMA additives studied increase the stiffness at low temperatures. The creep tests carried out proved once again the improvement in the elasticity and in the resistance to permanent deformation given by the addition of the waxes. The AR-WMA mixtures studied have shown that the production/compaction temperatures can be decreased, that the mixtures would not experience binder drainage, that the additives did not significantly change the retained resistance and fulfilled the water sensitivity required. Furthermore, the additives increased the stiffness modulus in some cases and significantly improved the permanent deformation resistance. Except for one of the additives, the waxes had the same or higher fatigue resistance compared to the control mixture. The results of the hLCA demonstrated that the WMA technology is able to significantly save energy and reduce GHG emissions, up to 18% and 20%, respectively, compared to the control mixtures. However, in some of the case studies, due to the presence of wax, the manufacturing temperature at the asphalt plant must be reduced by an average of 8ºC before the benefits of reduced emissions and fuel usage can be obtained. The results regarding the overall impacts generated using a detailed production layer decomposition indicated that fuel, mining and construction sectors are the main contributors to the environmental impacts of manufacturing WMA mixtures.

Coastal Urban Flood Resislience versus Climate Change

Processes of founding and expanding cities in coastal areas have undergone great changes over time driven by environmental conditions. Coastal settlements looked for places above flood levels and away from swamps and other wetlands whenever possible. As populations grew, cities were extending trying to avoid low and wet lands. No city has been able to limit its growth. The risk of flooding can never be eliminated, but only reduced to the extent possible. Flooding of coastal areas is today dramatically attributed to eustasic sea level rise caused by global climate change. This can be inaccurate. Current climate change is generating an average sea level upward trend, but other regional and local factors result in this trend being accentuated in some places or attenuated, and even reversed, in others. Then, the intensity and frequency of coastal flooding around the planet, although not so much as a unique result of this general eustasic elevation, but rather of the superposition of marine and crustal dynamic elements, the former also climate-related, which give rise to a temporary raising in average sea level in the short term. Since the Little Ice Age the planet has been suffering a global warming change leading to sea level rise. The idea of being too obeying to anthropogenic factors may be attributed to Arrhenius (1896), though it is of much later highlight after the sixties of the last century. Never before, the human factor had been able of such an influence on climate. However, other types of changes in sea levels became apparent, resulting from vertical movements of the crust, modifications of sea basins due to continents fracturing, drifting and coming together, or to different types of climate patterns. Coastal zones are then doubly susceptible to floods. Precipitation immediately triggers pluvial flooding. If it continues upland or when snow and glaciers melt eventually fluvial flooding can occur. The urban development presence represents modifying factors. Additional interference is caused by river and waste water drainage systems. Climate also influences sea levels in coastal areas, where tides as well as the structure and dynamic of the geoid and its crust come into play. From the sea, waters can flood and break or push back berms and other coastline borders. The sea level, controlling the mouth of the main channel of the basin's drainage system, is ultimately what governs flood levels. A temporary rise in sea level acts as a dam at the mouth. Even in absence of that global change, so, floods are likely going to increase in many urban coastal areas. Some kind of innovative methodologies and practices should be needed to get more flood resilience cities

Introducing Nuclear Energy to High-School Students: The Spanish Young Generation in Nuclear (Jóvenes Nucleares) Lectures

One of the main goals of Spanish Young Generation (JJNN) is to spread knowledge about nuclear energy, not only pointing out its advantages and its role in our society, but also trying to correct some of the ideas that are due to the biased information and to the lack of knowledge. With this goal in mind, lectures were given in several high schools, aimed at students ranging from 14 to 18 years old. This paper explains the experience accumulated during those talks and the conclusions that can be drawn, so as to better focus the communication about nuclear energy, especially the one aimed at a young public. In order to evaluate the degree of knowledge and information on a specific topic of a given group of individuals, statistical methods must be used. At the beginning of each lecture (and sometimes at the end, in order to evaluate the impact of the talk) the students were submitted to a short survey conducted by Spanish Young Generation. It consisted in eight questions, dealing with the relation between the main environmental issues (global warming, acid rain, radioactive waste…) and nuclear energy. The answers can be surprising, especially for professionals of the nuclear field who, since they are so familiar with this topic, often forget that this is just the case of a minority of people. A better knowledge of the degree of information of a given group enables to focus and personalize the communication. Another communication tool is the direct contact with students: it starts with their questions, which can then lead to a small debate. If the surveys inform about the topics they are unaware of, the direct exchange with them enables to find the most effective way to provide them the information. Of course, it depends a lot on the public attending the talk (age, background…) and on the debate following the talk: a good communication, adapted to the public, is necessary. Therefore, the outcome of the performed exercise is that Spanish teenagers have still a lack of knowledge about nuclear energy. We can learn that items that are evident for nuclear young professionals are unknown for high school teenagers

Comparison of Chemical Absorbents Used for CO2 Capture in Coal-Fired Power Plants.

Climate change conference was hold in Copenhagen in 2009, global warming became the worldwide focus once again. China as a developing country has paid more attention for this environmental problem. In China, a large part of carbon dioxide is emitted to the atmosphere from combustion of fossil fuels in power plants. How to control emission of the greenhouse gas into atmosphere is becoming an urgent concern. Among numerous methods, CO2 capture is the hope to limit the amount of CO2 emitted into the air. The well-established method for CO2 capture is to remove CO2 by absorption into solutions in conventional equipment. Absorbents used for CO2 and H2S capture are important choice for CO2 capture technology. It is related to the cost and efficiency of plant directly and is essential to investigate the proposed CO2 and H2S absorbents.

Kinetics of CO2 absorption into aqueous solutions in CO2

This research has been performed to emphasize about the problem known as ?climate changes? occurring due to the greenhouse gases emissions (Carbon dioxide (CO2), Methane (CH4),Nitrogen oxides (NOx), Ozone (O3), Chlorofluorocarbons (artificial). Specially, the project will be focused on the CO2 emissions produced mainly from the fossil fuels burning in power plants and other kind of industrial processes. To understand how important the global is warming and therefore the climate change, both the increase of emissions and the evolution of those will be studied in this project drawing conclusions about its effect. The Kyoto Protocol, the most important agreement internationally, signed by a great majority of the industrialized and developed countries, which try to limit the CO2 emissions to the atmosphere, will be cited in this project. Taking into account the effects of global warming and applying the international legislation on emissions of greenhouse gases, a number of measures will be exposed, where the CO2 capture will be studied deeply. Three different kind of CO2 capture technologies will be studied, drawing the conclusion that the post-combustion capture, in particular by amine chemical absorption, is the most efficient one.

Análisis de las diferencias en el crecimiento vegetativo, en los componentes del rendimiento y en la composición de las uvas y vinos del cv. cabernet sauvignon (vitis vinifera L.), producidos por el déficit hídrico durante pre-envero y post-envero

La presente Tesis Doctoral se realizó con el fin de estimar conjuntamente la respuesta agronómica y fisiológica de la vid (Vitis vinifera L.), así como los efectos sobre la evolución de la maduración, composición y la calidad de la uva y del vino, bajo la aplicación de diferentes déficit hídricos en pre-envero y post-envero, dentro de un marco de referencia de cambio climático. La variación climática que prevén los estudios sobre el cambio climático, resulta un factor decisivo en la eficiencia del uso del agua en la vid. En zonas cálidas, las estrategias de cultivo del viñedo frente al cambio climático deben de ir dirigidas a atenuar sus efectos sobre el crecimiento y el desarrollo de la vid, haciéndose imprescindible el estudio pormenorizado del déficit hídrico como factor decisivo en la obtención de las uvas adecuadas, ya que son la clave indispensable para el éxito en la elaboración del vino, y de forma muy especial en los vinos enfocados a un sector de alta calidad. El ensayo se llevó a cabo en un viñedo comercial de Bodegas Licinia, en la Comunidad de Madrid, durante los años 2010 y 2011. La variedad estudiada fue Cabernet sauvignon / 41 B, plantada a un marco de plantación de 3 m x 1 m, con un guiado vertical de la vegetación. El dispositivo experimental fue totalmente al azar, y se establecieron 4 tratamientos experimentales con 4 grados de disponibilidad hídrica, déficit moderado continuo (T0,45-0,6), déficit severo continuo (T0-0,3), déficit severo después de envero (T0,45-0,3) y déficit severo antes de envero (T0-0,6). En cada tratamiento se distribuyeron 3 repeticiones. El año 2010 fue el más lluvioso de los años de ensayo, con 478 mm de precipitaciones anuales, lo que supuso 146 mm más que en el año 2011. Su distribución a lo largo del ciclo fue más homogénea en el año 2010, mientras que en 2011 las precipitaciones contabilizadas en el período de maduración de la uva fueron nulas. La temperatura media subió 0,9ºC en 2011, respecto a 2010 y en cuanto a la integral térmica eficaz, en 2011 se acumularon, desde el 1 de abril hasta el final de ciclo, 217 grados•día más que en 2010. El déficit hídrico en pre-envero, modificó notablemente el crecimiento vegetativo y la producción de cosecha de la parcela de ensayo, no así la fertilidad de las yemas. El tratamiento con mayor disponibilidad hídrica (T0,45-0,6) obtuvo el mayor peso de baya, y los tratamientos con menor déficit hídrico en pre-envero (T0,45-0,6 y T0,45-0,3) registraron los mayores rendimientos de cosecha, mientras que las menores tasas de cuajado correspondieron al tratamiento con un déficit severo continuo (T0-0,3). La parcela de ensayo se caracterizó por un exceso de vigor y un alto crecimiento vegetativo. El pH del mosto se vio afectado por el déficit hídrico, disminuyendo su valor en el tratamiento de déficit hídrico severo antes de envero (T0-0,6). Organolépticamente, no se percibieron diferencias significativas en los vinos elaborados en función del déficit hídrico, y respecto a su composición físico-química, solo existieron diferencias en la concentración de ácido L-Málico, con mayores concentraciones en los tratamientos sin déficit hídrico en pre-envero, T0,45-0,6 y T0,45-0,3. El déficit hídrico modificó notablemente el color del vino, aumentando los valores de las coordenadas CIELAB a* y b*, la luminosidad (L*), croma (C*) y tonalidad (H*), para los tratamientos con un déficit severo en pre-envero (T0-0,3 y T0-0,6) y disminuyendo estas en el tratamiento con mayor disponibilidad hídrica (T0,45-0,6). Del mismo modo, mediante el análisis de color por métodos tradicionales, IPT e IC de los vinos, aumentó en los tratamientos con mayor déficit hídrico en pre-envero (T0-0,3 y T0-0,6), respecto a los tratamientos de mayor disponibilidad (T0,45-0,6 y T0,45-0,3). La concentración de taninos de la baya en vendimia, no se vio afectada por el déficit hídrico, aunque sí estuvo relacionada positivamente con el tamaño de las bayas. Organolépticamente, los hollejos del año 2011 resultaron con menor frescura, acidez, afrutado, sensación herbácea e intensidad tánica, aunque con mayor astringencia respecto a 2010. Las pepitas fueron más astringentes y aromáticas pero menos crujientes, sin llegar a los niveles de madurez del año 2010. El catador relacionó los taninos con la calidad del vino, asociándolos con un mayor cuerpo, acidez, intensidad, equilibrio gustativo, amargor y menor astringencia en la fase gustativa. La concentración de taninos en los vinos se vio favorecida con el déficit hídrico en pre-envero y post-envero. Los tratamientos con mayor déficit hídrico en pre-envero, T0-0,6 y T0-0,3, obtuvieron las menores concentraciones de potasio en mostos y vinos. Las relaciones entre la concentración de potasio, ácido L-Málico y el porcentaje de color rojo puro (dA(%)) resultaron altamente significativas, de modo que las mayores tasas de potasio en el vino se asociaron a los valores más bajos de color rojo y a los mayores de ácido L-Málico. ABSTRACT The present Doctoral Thesis has been done in order to estimate the grapevine (Vitis vinifera L.) agronomic and physiologic performance or response as well as the impact in the grape and wine maturity, composition and quality evolution, with different water deficits. The variation in climate that the global warming studies for seen is a key factor for the grapevine water use efficiency. In warm areas the farming vineyards strategy to face the climatic change, should be focused on diminish the effects on the grapevine growth and development, so that the water deficit detailed analysis becomes decisive to obtain the appropriate grapes, that are the main subject for a successful wine production and especially for top quality wines. The trial was carried out in a commercial vineyard in Chinchón (Madrid), Licinia winery, during the 2010 and 2011 seasons. The grape variety studied was Cabernet Sauvignon grafted onto 41B with a vine spacing 3m x 1m trained as VSP. Experimental design consisted on 4 irrigation treatments with 3 replications totally randomized. Irrigation treatments were: moderate regulated deficit (T0,45-0,6), severe continuous deficit (T0-0,3), severe post-veraison deficit (T0,45-0,3) and severe pre veraison deficit (T0-0,6). The 2010 was rainier year than the 2011; Total annual rain in 2010 was 478 mm, which resulted in 146 mm more than in 2011. The distribution along the vine cycle was more homogeneous in the 2010, whereas precipitations in 2011 along the grape maturity period were nonexistent. The average temperature in 2011 was 0,9ºC higher than that of the 2010 and regarding to the thermal integral, in the 2011 from 1st April to the end of the growing cycle, was 217 degrees•day higher than that in 2010. Water deficit significantly modified the vegetative growth and yield but, it did not modified bud fertility. The treatment with the highest water availability (T0,45-0,6) got the highest berry size, the lowest berry set rates were found in the severe continuous deficit treatment (T0-0,3). The plot studied in this trial was characterized by both excessive vigour and vegetative growth. Water deficit modified the pH must by, reducing it in the severe water deficit during pre-veraison (T0-0,6). There were not differences in wine tasting between the water deficits treatments. Regarding to the physical-chemical composition, it only existed differences in the L-malic acid concentration, resulting higher concentrations in the water deficit pre-veraison treatments: T0,45-0,6 y T0,45-0,3. Water deficit significantly modified wine colour by, increasing the CIELAB coordinates a* and b*, the brightness (L*), croma (C*) and tonality (H*), in the lower water availability pre-veraison treatments (T0-0,3 y T0-0,6), and reducing them in the in the moderate continuous water deficit ones (T0,45-0,6). By means of traditional wine colour parameters analyses, red colour percentage, TPI, they became higher in the lower water availability pre-veraison treatments (T0-0,3 y T0-0,6), than in those with higher availability (T0,45-0,6 y T0,45-0,3). At harvest, berry tannins concentrations was not affected by the water deficit although it did in a positive way, in the berry size. Berry tasting in 2011, resulted in a lower freshness, acidity, fruity, herbaceous flavour and tannic intensity, but with higher astringency respect to the 2010 season. Seeds, in 2011, were more astringent and aromatic as in the 2010, but less crunchy, without getting to the point of maturity. The taster linked the tannins to wine quality, associating them with a higher bodiest wine, acidity, intensity, taste balance, bitterness and with a lower astringency in the tasting stage. Treatments with a higher water deficit up to veraison T0-0,6 y T0-0,3 got less musts and wines potassium concentration. The relation between L-malic acid and the full red color percentage (dA(%)), were highly related, resulting the higher potassium content the lower wine quality.

Desarrollo y validación de tecnologías de intensificación lumínica para fotobiorreactores (FBR) para el aprovechamiento de la radiación en el cultivo de microalgas

En la actualidad la humanidad se enfrenta a una serie de problemas de gran transcendencia que van a determinar en alto grado los niveles de calidad de vida en los próximos años. El calentamiento global, el incremento demográfico incontrolado, la contaminación ambiental y la escasez de recursos así como una mala distribución de los mismos, son sólo algunos ejemplos. En este contexto, las microalgas, microrganismos fotosintéticos de alta eficiencia y versatilidad, presentan una serie de características que las convierten a priori en la base de una tecnología con un enorme potencial para formar parte de la solución a estos graves problemas planteados. Uno de los principales factores que impiden una mayor implantación de la tecnología de microalgas es de tipo económico. La baja productividad por unidad de área de los sistemas de cultivo actuales y la alta inversión necesaria en equipos y mantenimiento, hace que solo se justifique el cultivo de productos de muy alto valor añadido. Las soluciones pasan por aumentar el rendimiento global de los cultivos y por disminuir los costes de equipos e instalaciones. La presente tesis investiga sobre la posibilidad de conseguir un mejor aprovechamiento de la luz solar incidente sobre un cultivo de microalgas mediante el uso de una serie de dispositivos ópticos que vienen a denominarse intensificadores lumínicos. De entre los factores que determinan la productividad de un campo de cultivo de microalgas, posiblemente el más determinante sea la cantidad de radiación que las microalgas pueden aprovechar. Los intensificadores aumentan la disponibilidad de luz en el interior de los tubos de cultivo, de forma que la fotosíntesis se vea favorecida y, de este modo, se incremente la tasa de crecimiento de las microalgas. En el desarrollo de la tesis se proponen tres tipologías diferentes de intensificador diseñadas en base a criterios óptico-geométricos. Para cada una de estas tipologías se evalúa el incremento de radiación que se lograría sobre un tubo de cultivo. Paralelamente se desarrolla un modelo que permite la evaluación de la productividad del cultivo. Esto permite añadir el factor biológico al puramente óptico-físico y valorar las distintas propuestas de intensificadores en función de las características propias del microalga utilizada en el cultivo. El modelo es verificado y contrastado frente a datos de producción obtenidos en la bibliografía. Finalmente, la exposición concluye con una presentación general de las futuras líneas de investigación. ABSTRACT Today, humanity is facing a series of problems of global significance that will determine the standard of living in the years ahead. Global warming, uncontrolled population growth, pollution, lack of resources and poor distribution of them are just an example of the challenges we are facing. In this context, microalgae, high efficient photosynthetic microorganisms, have a number of characteristics that turn them into a very promising technology that can contribute or be part of a sustainable solution. One of the main factors preventing the adoption of microalgae technology is economical. The low productivity per unit area of current farming systems and the high investment needed in equipment and maintenance, only justifies the cultivation of algae for high value applications. One solution could be increasing the overall yield of the crops and reduce the equipment and facilities costs. Among the factors that determine the productivity of a microalgae culture, possibly the most influential one is the amount of radiation that microalgae receive. This Thesis develops the possibility of making better use of the sunlight radiation incident on a crop field using a series of devices similar to solar collectors. The solar collectors proposed are intended to increase the availability of light inside the culture tubes and within it, the tax of photosynthesis and the overall growth rate of the microalgae. In this research, three different configurations of collectors are designed, based on optical and geometrical criteria. For each one of these collectors, the increase on radiation that would be expected is evaluated. Furthermore, a model for light distribution inside the culture is developed in terms to estimate the biomass productivity. This allows adding the biological factor to purely optical-physical considerations and to assess the different solar collectors proposed, in terms specific for the microalgae. The model is tested against production data obtained in different scientific literature. Finally, the exposition concludes with some guidelines for future research.

Study of the effect of four warm mix asphalt additives on bitumen modified with 15% crumb rubber

Due to a growing concern over global warming, the bituminous mixture industry is making a constant effort to diminish its emissions by reducing manufacturing and installation temperatures without compromising the mechanical properties of the bituminous mixtures. The use of mixtures with tyre rubber has demonstrated that these mixtures can be economical and ecological and that they improve the behaviour of the pavements. However, bituminous mixtures with a high rubber content present one major drawback: they require higher mixing and installation temperatures due to the elevated viscosity caused by the high rubber content and thus they produce larger amounts of greenhouse gas emissions than conventional bituminous mixtures. This article presents a study of the effect of four viscosity-reducing additives (Sasobit®, Asphaltan A®, Asphaltan B® and Licomont BS 100®) on a bitumen modified with 15% rubber. The results of this study indicate that these additives successfully reduce viscosity, increase the softening temperature and reduce penetration. However, they do not have a clear effect on the test for elastic recovery and ductility at 25 °C.

CO2 capture by absorption into aqueous tertiary amine solution

The aim of this research is to obtain the absorption rate of CO2 into aqueous solution of N,N- di methyl ethanolamine and into aqueous solution of Triethylene diamine and to demonstrate the importance of absorption of CO2 in nowadays by discussing global warming and greenhouse effect. It is also discussed the current situation of China focusing in the latest steps this country has recently made. In the experimental part of this work, the two tertiary amine solutions will absorb CO2 in a Lewis type cell, measuring the pressure change during the reactions take place. The temperature will be between 35 degree and 70 degree Celsius. The results of both solutions, concentrations of 0.5 and 1.0 mol per liter, are discussed and a single value of the rate constant is given for the first time along with some others parameters.

Mejora de los modelos térmicos de las presas bóveda en explotación : aplicación al análisis del efecto del cambio climático

Las cargas de origen térmico causadas por las acciones medioambientales generan esfuerzos apreciables en estructuras hiperestáticas masivas, como es el caso de las presas bóvedas. Ciertas investigaciones apuntan que la variación de la temperatura ambiental es la segunda causa de reparaciones en las presas del hormigón en servicio. Del mismo modo, es una causa de fisuración en un porcentaje apreciable de casos. Las presas son infraestructuras singulares por sus dimensiones, su vida útil, su impacto sobre el territorio y por el riesgo que implica su presencia. La evaluación de ese riesgo requiere, entre otras herramientas, de modelos matemáticos de predicción del comportamiento. Los modelos han de reproducir la realidad del modo más fidedigno posible. Además, en un escenario de posible cambio climático en el que se prevé un aumento de las temperaturas medias, la sociedad ha de conocer cuál será el comportamiento estructural de las infraestructuras sensibles en los futuros escenarios climáticos. No obstante, existen escasos estudios enfocados a determinar el campo de temperaturas de las presas de hormigón. Así, en esta investigación se han mejorado los modelos de cálculo térmico existentes con la incorporación de nuevos fenómenos físicos de transferencia de calor entre la estructura y el medio ambiente que la rodea. También se han propuesto nuevas metodologías más eficientes para cuantificar otros mecanismos de transferencia de calor. La nueva metodología se ha aplicado a un caso de estudio donde se disponía de un amplio registro de temperaturas de su hormigón. Se ha comprobado la calidad de las predicciones realizadas por los diversos modelos térmicos en el caso piloto. También se han comparado los resultados de los diversos modelos entre sí. Finalmente, se ha determinado las consecuencias de las predicciones de las temperaturas por algunos de los modelos térmicos sobre la respuesta estructural del caso de estudio. Los modelos térmicos se han empleado para caracterizar térmicamente las presas bóveda. Se ha estudiado el efecto de ciertas variables atmosféricas y determinados aspectos geométricos de las presas sobre su respuesta térmica. También se ha propuesto una metodología para evaluar la respuesta térmica y estructural de las infraestructuras frente a los posibles cambios meteorológicos inducidos por el cambio climático. La metodología se ha aplicado a un caso de estudio, una presa bóveda, y se ha obtenido su futura respuesta térmica y estructural frente a diversos escenarios climáticos. Frente a este posible cambio de las variables meteorológicas, se han detallado diversas medidas de adaptación y se ha propuesto una modificación de la normativa española de proyecto de presas en el punto acerca del cálculo de la distribución de temperaturas de diseño. Finalmente, se han extraído una serie de conclusiones y se han sugerido posibles futuras líneas de investigación para ampliar el conocimiento del fenómeno de la distribución de temperaturas en el interior de las presas y las consecuencias sobre su respuesta estructural. También se han propuesto futuras investigaciones para desarrollar nuevos procedimiento para definir las cargas térmicas de diseño, así como posibles medidas de adaptación frente al cambio climático. Thermal loads produced by external temperature variations may cause stresses in massive hyperstatic structures, such as arch dams. External temperature changes are pointed out as the second most major repairs in dams during operation. Moreover, cracking is caused by thermal loads in a quite number of cases. Dams are unique infrastructures given their dimensions, lifetime, spatial impacts and the risks involve by their presence. The risks are assessed by means of mathematical models which compute the behavior of the structure. The behavior has to be reproduced as reliable as possible. Moreover, since mean temperature on Earth is expected to increase, society has to know the structural behavior of sensitive structures to climate change. However, few studies have addressed the assessment of the thermal field in concrete dams. Thermal models are improved in this research. New heat transfer phenomena have been accounted for. Moreover, new and more efficient methodologies for computing other heat transfer phenomena have been proposed. The methodology has been applied to a case study where observations from thermometers embedded in the concrete were available. Recorded data were predicted by several thermal models and the quality of the predictions was assessed. Furthermore, predictions were compared between them. Finally, the consequences on the stress calculations were analyzed. Thermal models have been used to characterize arch dams from a thermal point of view. The effect of some meteorological and geometrical variables on the thermal response of the dam has been analyzed. Moreover, a methodology for assessing the impacts of global warming on the thermal and structural behavior of infrastructures has been proposed. The methodology was applied to a case study, an arch dam, and its thermal and structural response to several future climatic scenarios was computed. In addition, several adaptation strategies has been outlined and a new formulation for computing design thermal loads in concrete dams has been proposed. Finally, some conclusions have been reported and some future research works have been outlined. Future research works will increase the knowledge of the concrete thermal field and its consequences on the structural response of the infrastructures. Moreover, research works will develope a new procedure for computing the design thermal loads and will study some adaptation strategies against the climate change.