Sistema de gestión de las aguas del complejo minero de carbón de S.A.M.C.A. en la Val de Ariño (Teruel)

La finalidad de este proyecto consiste en realizar un estudio de la gestión del agua del complejo minero de carbón que SAMCA tiene en Ariño, así como recoger distintas iniciativas de mejora para su optimización en la actualidad. Por otro lado, también se pretende analizar la problemática de la posible clausura de la mina de interior “Sierra de Arcos”, una de las principales aportadoras de agua al sistema, y se presentan las posibles opciones para el aprovechamiento óptimo de las aguas superficiales y subterráneas de cara al futuro de la explotación para garantizar un balance hídrico en el que los aportes y los consumos de agua estén equilibrados. Después de este exhaustivo análisis, se deciden cuáles son las mejores opciones desde un punto de vista tanto técnico como económico. ABSTRACT The purpose of this Project is to carry out a study about the management of SAMCA´s coalmine complex in Ariño, as well as gathering a range of initiatives to help optimizing the present system. Additionally, the study sets out to analyze the possible problems arising from the closing of “Sierra de Arcos” underground mine, contributor of one of the main sources of water into the system. Based on the analysis, a series of possible options are presented to reach the ideal utilization of the superficial and underground water. These proposals aim to ensure an optimal water balance sheet between the water contributions and the water consumptions. The results obtained from this exhaustive analysis are used to reach a conclusion for the project by presenting what are considered the best options from both, a technical and an economic point of view.

Calibration of WAVE in irrigated maize: fallow vs. cover crops.

Nitrate leaching decreases crop available N and increases water contamination. Replacing fallow by cover crops (CC) is an alternative to reduce nitrate contamination, because it reduces overall drainage and soil mineral N accumulation. A study of the soil N and nitrate leaching was conducted during 5 years in a semi-arid irrigated agricultural area of Central Spain. Three treatments were studied during the intercropping period of maize (Zea mays L.): barley (Hordeum vulgare L.), vetch (Vicia villosa L.), and fallow. Cover crops, sown in October, were killed by glyphosate application in March, allowing direct seeding of maize in April. All treatments were irrigated and fertilised following the same procedure. Soil water content was measured using capacity probes. Soil Nmin accumulation was determined along the soil profile before sowing and after harvesting maize. Soil analysis was conducted at six depths every 0.20m in each plot in samples from 0 to 1.2-m depth. The mechanistic water balance model WAVE was applied in order to calculate drainage and plant growth of the different treatments, and apply them to the N balance. We evaluated the water balance of this model using the daily soil water content measurements of this field trial. A new Matlab version of the model was evaluated as well. In this new version improvements were made in the solute transport module and crop module. In addition, this new version is more compatible with external modules for data processing, inverse calibration and uncertainty analysis than the previous Fortran version. The model showed that drainage during the irrigated period was minimized in all treatments, because irrigation water was adjusted to crop needs, leading to nitrate accumulation on the upper layers after maize harvest. Then, during the intercrop period, most of the nitrate leaching occurred. Cover crops usually led to a shorter drainage period, lower drainage water amount and lower nitrate leaching than the treatment with fallow. These effects resulted in larger nitrate accumulation in the upper layers of the soil after CC treatments.

Interaction between karstic aquifers and allogenic rivers: the aquifer of the national park of the ephemeral river Lobos Canyon (Spain)

A methodology is described for understanding the interaction of karstic aquifers with allogenic rivers, where little information is available. This methodology includes conventional hydrogen- ology methods tracer tests and measurements of flow into, out of and circulating within the karstic system. The method is designed to un- derstand the hydrogeological behaviour of a river in sufficient detail, given a short study pe- riod. The methodology is applied to a karstic system in Spain, obtaining useful, quantitative results for a hydrological year, such as an esti- mate of the water balance, differentiation be- tween autogenic and allogenic natural recharge, relationship and connection between the river and the aquifer, and measurements of infiltration capacity in watercourses under different hydro- logical situations. The paper deals with a useful example that could be applied to other rivers and aquifers where few data are available. It can be applied to aquifers under a natural regime and Mediterranean climate.

Caracterización de los parámetros de resistencia al corte y erosionabilidad del suelo para su aplicación en los problemas de estabilidad de taludes en obras lineales

La tesis se organiza en un volumen de Memoria integrada por once capítulos que constituyen el cuerpo de la tesis y otro volumen de Apéndices titulado “Caracterización geotécnica de Base de los suelos de España” que reúne en forma de cuadros las características de textura, permeabilidad, humedad-succión, erosionabilidad y resistencia al corte de los cuarenta y dos perfiles de suelos representativos de los tipos del Mapa de suelos De España. Estos cuadros han sido elaborados originalmente por la doctorando durante sus estudios para la obtención del DEA de la Suficiencia Investigadora, excepto los de resistencia al corte que lo han sido también por la doctorando de forma original, pero ya en la etapa de redacción de la tesis. En el Capítulo 1 “Introducción” se describe la motivación, antecedentes, alcance y contenido de la tesis, ordenado según el índice que en él se incluye. Los Capítulos 2 “Meteorización, 3 “Balance Hídrico” y 4 “Humedades características” constituyen el “estado del arte” en el momento actual de los temas de geotecnia ambiental relacionados con la degradación de la superficie terrestre y la estabilidad de taludes. El Capítulo 2, tras matizar algunas generalidades, aporta elementos para la cuantificación de la alteración de rocas como el “índice climático de Weinert” y de la erosión de suelos como la “ecuación universal de pérdida de suelo (U.S.L.E.)” El Capítulo 3, partiendo de los fenómenos de precipitación y evapotranspiración, plantea el balance hídrico en vertientes con instrumentos para evaluar la infiltración y la escorrentía, conceptos imprescindibles para adentrarse en los de resistencia y erosionabilidad del conjunto suelo-agua. En los Apéndices A1 y A2, se recogen valores de coeficientes de infiltración en condiciones saturadas y no saturadas de los perfiles de suelos del Mapa de España. El Capítulo 4 se dedica al estudio de este conjunto suelo-agua con la definición de conceptos que lo caracterizan, basados en la relación entre los contenidos de ambos elementos o “humedad”, sus valores máximos y mínimos y la forma en la que es retenida el agua por el suelo. Este capítulo acaba con el concepto de “Curva característica Suelo-Agua/Soil Water Characteristic curve (SWCC)”, que liga el contenido de agua de un suelo con la tensión a la que está retenida (uauw) “succión” o con su expresión más usual “pF”. En el Apéndice A 3 se adjuntan las SWCC de los perfiles de suelos del Mapa de suelos de España. En el Capítulo 5 “Resistencia al corte de los suelos”, se detalla la influencia que tienen sobre la resistencia de los suelos factores como el paso del tiempo, el contenido de humedad y la presencia y tipo de vegetación en la superficie del suelo estudiado. El Capítulo 6 “Evaluación de la erosión”, analiza el factor de erosionabilidad del suelo “factor K” de la U.S.L.E., su evaluación en función de la textura, estructura y permeabilidad del suelo, con la estimación hecha para los cuarenta y dos perfiles de suelos del Mapa de España, contenida en el Apéndice 4. En el Capítulo 7 “Metodología de diseño” se hacen en su primera parte unas consideraciones geoambientales de diseño aplicables al estudio de los problemas de inestabilidades en taludes. La segunda parte constituye el núcleo de la tesis con la propuesta de “estimación de los parámetros de resistencia al corte del suelo”, consecuente con las teorías y metodología de análisis expuesta en los capítulos anteriores. En el Apéndice A 5 se presentan los valores de los parámetros coulombianos de resistencia al corte, ”c y Ф” estimados según la caracterización climática a partir del índice de Thornthwaite, en condicionesde diseño para humedades naturales máxima y mínima de los cuarenta y dos perfiles de suelos del Mapa de suelos de España. El Capítulo 8 “Aplicación a casos reales” se considera de gran interés al constituir una auténtica continuación de la segunda parte del capítulo anterior, desarrollando la metodología expuesta en él a cuatro problemáticas de infraestructuras de obras lineales, relacionadas con problemas de erosión y deslizamientos en taludes. El Capítulo 9 “Ensayos de referencia” se incluye como punto de apoyo (referencia) a las teorías expuestas, valorando la idoneidad de los tipos de ensayos y tipos de suelos seleccionados (Laboratorio de Geotecnia del CEDEX y Laboratorio Hong-Kong University of Science and Technology), utilizados para la obtención, por correlaciones deducidas, de las curvas SWCC de los perfiles de suelos del Mapa de España, incluídas en el Apéndice A 3, como se ha citado antes. En el Capítulo 10 “Conclusiones y Futuras Líneas de Investigación”se apuntan en primer lugar unas conclusiones que, a juicio de la doctorando, se pueden extraer con interés de esta tesis y a continuación se esbozan unas posibles líneas de investigación, fundamentalmente de tipo experimental, que complementarían los avances derivados de esta tesis o podrían esclarecer y abrir nuevas interpretaciones de los fenómenos naturales de erosión y estabilidad de taludes en los que ésta se ha centrado. Finalmente, en el Capítulo 11 “Bibliografía” se han reunido 328 referencias que reflejan una visión amplia y bastante completa del tema tratado, obtenida complementando las de tesis anteriores sobre esta singular materia (“Efecto estabilizador de la vegetación en taludes”, L Fort 1975 y “Determinación de las características de fricción en el contacto suelo-geotextil a diferentes succiones, mediante equipos de laboratorio singulares”, E Asanza 2009), con propias de la doctorando (9) y las consideradas de mayor interés de los últimos Congresos sobre Suelos no saturados,”Unsat 95”, “Unsat 2002” y “Unsat 2011” entre otros. ABSTRACT The thesis is organized in a volume of Memory composed of eleven chapters that make up the body of the thesis and other Appendices volume entitled "Geotechnical characterization of basis of the soils of Spain" that combines the characteristics of texture, permeability, moisture-suction, erosionability, and shear strength of forty-two profiles of soils representative of the types of the soil of Spain map in the form of pictures. These pictures have been produced originally by the student during their studies to obtain the DEA of the research, except those of the shear strength, also been done by the PhD student in an original way, but already at the stage of drafting of the thesis. Chapter 1 "Introducción" describes the motivation, background, scope and content of the thesis, ordered according to the index that is included. The Chapters: 2 "Weathering, 3 “Water Balance” and 4 “moisture characteristics" are the "State of the art" at the present time of geotechnical environmental issues related to the degradation of the Earth's surface and the slope stability. Chapter 2 after clarify some general information, provides elements for the quantification of the alteration of rocks as "Weinert climate index" and soil erosion as the "universal equation of loss of soil (U.S.L.E.)" Chapter 3, on the basis of the phenomena of precipitation and evapotranspiration, raises the water balance in sheds with instruments to evaluate infiltration and runoff, essential concepts into the resistance and erosionability water-soil joint. Values of soils coefficients of infiltration in saturated and unsaturated conditions from the Spain map of profiles are collected in the Appendices A1 and A2. Chapter 4 is dedicated to the study of this joint “soil-water”, with the definition of concepts that characterize it, based on the relationship between the contents of both elements or “moisture”, their maximum and minimum values and the way in which water is retained by the soil. This chapter ends with the concept of “Soil Water Characteristic curve (SWCC)", which linked the water content of a soil with the stress that it is retained (ua-uw) "suction" or its expression more usual "pF". The SWCC of the profiles of soils of the Spain soils Map are attached in the Appendix 3. In Chapter 5 “Soils shear strength”,is detailed the influence that they have on the resistance of soils factors such as the passage of time, the content of moisture and the presence and type of vegetation on the surface of the studied soil. Chapter 6 "Assessment of erosion", analyses the soil erodibility factor "Kfactor" of the U.S.L.E., its evaluation based on texture, structure and permeability of the soil, with the estimate for forty-two profiles of soils on the Spain Soils Map, contained in Appendix 4. Chapter 7 "Design methodology" some considerations are made in the first part geo-environmental design applicable to the study of the problems of instabilities in slopes. The second part constitutes the core of the thesis with the proposal of “estimation of parameters of shear strength”, of the soils consistent with theories and analytical methodology outlined in the previous chapters. Appendix A 5 presents the values of the coulombians parameters of shear strength, "c and Ф" according to the characterization of climate from the index of Thornthwaite, in design for natural moisture conditions maximum and minimum of forty-two profils of Spain Soils Map Chapter 8 "Application to real cases" is considered of great interest to constitute a true continuation of the second part of the previous chapter, developing the methodology exposed it to four problems of civil-works infrastructure, related to problems of erosion and landslides in slopes. Chapter 9 "Tests of reference" is included as point of support (reference) to the theories exposed, assessing the suitability of the types of tests and types of selected soils (Geotechnical laboratory of CEDEX and laboratory Hongkong University of Science and Technology), used to obtain, by deduced correlations, of curves SWCC of soils profiles on the Spain Soils Map, included in Appendix A. 3, as it was mentioned before. Chapter 10 "Conclusions and future research lines" are running first conclusions which, in the opinion of the candidate, can be extracted with interest of this thesis, and then, it outlines some possible lines of research, mainly experimental, which would complement the advances arising from this thesis or could clarify and open new interpretations of natural phenomena of erosion and slope stability in which it has focused. Finally, in Chapter 11 "Bibliography" 328 references have been included which reflect a broad and fairly comprehensive view of the subject matter, obtained complementing those of the previous theses on this singular issue ("Vegetation stabilizing effect on slopes", L Fort 1975, and "Determination of the characteristics of friction in the contact soil-geotextile to different-suctions, through special laboratory equipment", E Asanza 2009) with some of them from of the candidate (9) and the others from of the considered as the most interesting of recent conferences on unsaturated soils, "Unsat 95", "Unsat2002" and "Unsat 2011" among others.

Evaluación del uso y de productividad del agua de la Comunidad de Regantes “Río Adaja”

El agua de riego en España se ha reducido del 80 % al 70% tras la rehabilitación de los sistemas tradicionales de riego y el incremento de riegos a presión. La política española ha favorecido la creación de nuevos regadíos con fines sociales, para asentar a la población rural en zonas con disponibilidad de recursos hídricos. Este contexto es aplicable a la Comunidad de Regantes “Rio Adaja” (CCRR), que comenzó a funcionar en 2010 por lo que se la ha elegido para evaluar el uso y productividad del agua y manejo del riego en CCRR modernizadas de la cuenca del Duero. El estudio del manejo del riego se realizó con evaluaciones de campo, el primer año de funcionamiento, en una muestra de sistemas de riego (pivotes centrales, ramales de avance frontal, cobertura total) representativa de los sistemas predominantes en la CCRR. Además, se analizó la carta de riego propuesta por el fabricante de los pivotes centrales, considerando una distribución de caudal continua a lo largo del ramal, y se propuso una nueva carta con emisores de riego que mejoraban la uniformidad de aplicación del agua. El uso del agua en la CCRR se evaluó considerando tanto los indicadores de eficiencia del riego: suministro relativo de riego (anual relative irrigation supply, ARIS), suministro relativo del agua (anual relativewater supply, ARWS), suministro relativo de precipitación (rainfall relative supply, RRS) como los de productividad: productividad del agua (water productivity, WP) productividad del agua de riego (irrigation water productivity, IWP) y productividad de la evapotranspiración (evapotranspiration water productivity, ETWP). Primero, se determinaron: las necesidades hídricas de los cultivos para mantener un contenido de humedad óptimo en su zona radical, el coeficiente dual del cultivo, el agua disponible total (ADP) y agua fácilmente aprovechable (AFA). Después, se estimaron las necesidades hídricas de los cultivos considerando tres años tipo: húmedo, normal y seco correspondientes a la probabilidad de disponibilidad de la precipitación del 20, 50 y 80%, respectivamente. Así mismo, se realizó una encuesta a los regantes de la CCRR para conocer la dosis de riego y rendimiento anual de los cultivos principales durante sus tres años de funcionamiento: 2010-2011, 2011-2012 y 2012-2013.Finalmente, se simuló el efecto del riego y su manejo en la producción de los cultivos y en la productividad del agua. Además, el modelo de simulación AQUACROP (Geerts et al., 2010) se ha utilizado para estudiar la mejora del uso del agua de los cultivos de la CCRR. Dado que este modelo requiere de calibración específica para cada cultivo y cada zona y dado que, de todos los cultivos de la CCRR, sólo el girasol cumplía el requisito, este cultivo fue elegido para estudiar si la estrategia de riego deficitario mejoraría el uso del agua. Los resultados obtenidos indican que el 90% de los sistemas de riego evaluados distribuye el agua con una uniformidad adecuada (CUC≥75%). La simulación de la distribución del agua con las cartas de riego propuestas por el fabricante en pivotes centrales resultó en coeficientes CUC< 75% y sus valores mejoraban al eliminar el aspersor distal. La uniformidad del riego mejoraría si se trabajase con la carta de riego propuesta y que se compone por emisores de riego seleccionados en este estudio. En la mayoría de los cultivos, se aplicó riegos deficitarios (ARIS < 1 en los dos primeros años de funcionamiento de la CCRR y riegos excedentarios (ARIS > 1) el tercer año siendo significativas las diferencias observadas. El manejo del riego fue bueno (0,9 ≤ ARWS ≤1,2) en la mayoría de los cultivos. Así mismo, los indicadores de productividad del agua (WP e IWP (€.m-3)) varió entre cultivos y años estudiados y, destacan los valores observados en: cebolla, patata, zanahoria y cebada. En general, la productividad del agua en los riegos deficitarios fue mayor observándose además, que los índices de productividad mayores correspondieron al año con precipitación mayor aunque, las diferencias entre sus valores medios no fueron significativas en las tres campañas de riego estudiadas. Los resultados apuntan a que la metodología del balance hídrico y las herramientas presentadas en este trabajo (uniformidad de distribución de agua, indicadores de eficiencia del uso de agua y de su productividad) son adecuadas para estudiar el manejo del agua en CCRR. En concreto, la uniformidad en la aplicación del agua de la CCRR mejoraría seleccionando emisores de riego que proporcionen una mayor uniformidad de distribución del agua, lo que conllevaría a cambiar el diámetro de la boquilla de los emisores y/o eliminar el aspersor distal. Así mismo, puede ser de interés adoptar estrategias de riego deficitario para incrementar la productividad en el uso del agua, y las rentas de los regantes, para lo cual se propone utilizar un patrón de cultivos de referencia. Finalmente, el riego deficitario puede ser una estrategia para mejorar la eficiencia y productividad en el uso del agua de la CCRR siempre que lleve asociado un manejo del riego adecuado que resulta, relativamente, más fácil cuando se dispone de sistemas de riego con una uniformidad de aplicación alta. Sin embargo su aplicación no sería aconsejable en los cultivos de remolacha azucarera, regado con sistemas de riego con un coeficiente de uniformidad de Christiansen CUC < 75%, y maíz, regado con sistemas de riego con un coeficiente de uniformidad de Christiansen CUC < 65%. ABSTRACT The irrigation scheme modernization and the increase of sprinkler irrigation area have reduced the irrigation water use from 80 to 70%. The national irrigation policy favored the creation of new irrigation schemes with the purpose to settle the rural population in areas with availability in water resources. Within this context, the irrigation district “Río Adaja” (CCRR) started in 2010 so, it has been chosen as a case study to evaluate the water use and the irrigation management in a modernized CCRR. Several field evaluations were carried out during the first operation year, in a sample of irrigation systems (center pivot, moving lateral and solid set) selected among all the systems in the CCRR. Likewise, the manufacturer irrigation chart for the center pivot systems has been considered and the pressure and discharge distribution along the pivot have been estimated, assuming a continuous flow along the pipe. Then; the sprinkler nozzles were selected order to increase the uniformity on water application. The water use in the CCRR has been assessed by considering the water use efficiency indicators: annual relative irrigation supply (ARIS), annual relative water supply (ARWS), relative rainfall supply (RRS) and also the productivity indicators: water productivity (WP), irrigation water productivity (IWP) and evapotranspiration water productivity (ETWP). On the one hand, it has been determined the crop water requirement (to maintain the optimal soil water content in the rooting zone), the dual crop coefficient, the total available water and the readily available water. The crop water requirement was estimated by considering the typical wet, normal and dry years which correspond to the probability of effective precipitation exceedance of 20, 50 and 80%, respectively. On the other hand, the irrigation depth and crop yield by irrigation campaign have been considered for the main crops in the area. This information was obtained from a farmer’s survey in 2010-2011, 2011-2012 and 2012-2013. For sunflower, the irrigation effect and its management on the crop yield and water productivity have been simulated. Also a deficit irrigation strategy, which improves the water resources, has been determined by means of AQUACROP (FAO). The results showed that 90% of the evaluated irrigation systems have adequate irrigation water application uniformity (CUC ≥ 75%). The CUC values in center pivots, which were calculated using the manufacturer irrigation chart, are below < 75% . However, these values would increase with the change of emitter nozzle to the proposed nozzles selection. The results on water use showed a deficit irrigation management (ARIS < 1), in most of crops during the first two operation years, and an excess in irrigation for the third year (ARIS > 1) although non-significant difference was observed. In most cases, the management of irrigation is adequate (0,9≤ ARWS≤ 1,2) although there are differences among crops. Likewise, the productivity indicators (WP and IWP (€.m-3)) varied among crops and with irrigation events. The highest values corresponded to onion, potato, carrot and barley. The values for deficit irrigation were the highest and the productivity indicators increased the year with the highest effective precipitation. Nevertheless, the differences between the average values of these indicators by irrigation campaign were non-significant. This study highlights that the soil water balance methodology and other tools used in the methodology are adequate to study the use and productivity of water in the irrigation district. In fact, the water use in this CCRR can be improved if the irrigation systems were designed with higher water distribution uniformity what would require the change of sprinkler nozzles and/or eliminate the end gun. Likewise, it is advisable to set up deficit irrigation strategies to increase the water productivity taking into account certain limits on water application uniformities. In this respect, a reference cropping pattern has been proposed and the limits for water uniformity have been calculated for several crops.

Comportamiento hidrológico de cuencas de media montaña españolas: efectos de los procesos de acumulación / fusión de nieve en terrenos permeables sobre la infiltración y régimen de caudales Alto Tajo

La infiltración de agua en el suelo y la recarga profunda del agua subterránea contenida en los acuíferos es un proceso lento en relación con otros fenómenos hidrológicos. La redacción de esta tesis ha pretendido contribuir al estudio de la influencia que el almacenamiento de la precipitación sólida en forma de manto de nieve y su eventual fusión puedan tener sobre dicho proceso en áreas de media montaña (1.000 – 2.000 m.) en las que con gran frecuencia se sitúan las cabeceras de los ríos peninsulares. Para ello se ha partido del análisis de las diferentes variables intervinientes durante un determinado periodo temporal y sobre un espacio geográfico concreto, por lo que su metodología es de naturaleza empírica. La extensión del periodo (2002/03 a 2010/11) ha venido condicionada por la disponibilidad de los valores de algunas de sus principales variables, como han sido el equivalente en agua de la nieve acumulada y los caudales procedentes de su fusión. Éstos se han obtenido como resultado de la aplicación del modelo ASTER, desarrollado en el programa de Evaluación de los Recursos Hídricos procedentes de la Innivación (ERHIN), calibrado – entre otros- con datos de precipitaciones, temperatura y caudales provenientes a su vez del Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH). Ambos programas fueron implantados por la Administración en las diferentes Confederaciones Hidrográficas y en determinados Organismos de cuenca actuales, en cuyo desarrollo participó el autor de esta tesis. En cuanto a la zona de estudio se ha procedido a su elección considerando las posibles áreas de media montaña en las que la presencia de la nieve fuera hidrológicamente significativa y estuvieran constituidas litológicamente por afloramientos permeables que no impidieran la infiltración en el terreno y la formación de acuíferos de cierta relevancia. El interés se centró discrecionalmente en la cuenca del Tajo, tanto por el carácter estratégico de la misma -como suministradora en la actualidad de excedentes a otras cuencas deficitarias- como por el valor representativo de sus condiciones climáticas y orográficas en relación con otras cuencas hidrográficas peninsulares. Para ello se partió de las cabeceras de ríos identificadas por el programa ERHIN por su interés nivológico para la implantación del modelo ASTER y de las Masas de Agua Subterráneas MASb (antes Unidades Hidrogeológicas UUHH) definidas en los planes hidrológicos. La intersección en el territorio de ambos criterios condujo, finalmente, a la zona del Alto Tajo, en la que se cumplen ambos requisitos. El tramo quedó concretado en el comprendido entre las cabeceras de los ríos Tajo y Guadiela y la cola de los embalses de Entrepeñas y Buendía respectivamente, puntos de cierre para la calibración llevada a cabo en la modelización ASTER. Gran parte de éste discurre, en su parte alta, sobre rocas carbonatadas (calizas y dolomías del Jurásico y Cretácico), relacionados con las MASb de Tajuña-Montes Universales, Molina de Aragón y Sigüenza-Maranchón. Los valores diarios de las reservas de agua en forma de nieve, evapotranspiración y caudales procedentes de la fusión se han obtenido a partir de los resultados del mencionado modelo, procediéndose al cálculo de la infiltración por balance hídrico durante el periodo de estudio considerado, teniendo en cuenta los valores de precipitación, evapotranspiración y aportaciones de caudales. Esto ha requerido el estudio previo de las condiciones hidrogeológicas de la zona seleccionada con objeto de conocer las posibles interconexiones subterráneas que pudieran alterar los saldos entre las variables intervinientes anteriormente citadas. Para ello se ha llevado a cabo la recopilación y análisis de la información hidrogeológica correspondiente a la documentación de los planes hidrológicos del Tajo (Plan Hidrológico de la cuenca del Tajo RD 1664/1998 y el actual Plan Hidrológico de la parte española de la Demarcación Hidrográfica del Tajo RD 270/2014) y de los estudios previos realizados por el organismo de cuenca y el Instituto Geológico y Minero de España (lGME) fundamentalmente. En relación con la MASb Tajuña-Montes Universales -cuya extensión supera la zona seleccionada- dichos estudios consideran su estructura geológica y distribución litológica, con intercalaciones impermeables que actúan como barreras, dividiendo a éstas en Subunidades e identificando las zonas de drenaje de sus respectivos acuíferos. También se ha considerado la documentación y estudios previos del Plan Hidrológico Nacional sobre las Unidades Hidrogeológicas compartidas entre ámbitos geográficos de diferentes planes hidrológicos. Se concluye que las divisorias hidrográficas de las cabeceras son sensiblemente coincidentes o abarcan las Subunidades Montes Universales meridionales, Priego, Cifuentes, Zaorejas, u Montes Universales septentrionales, que drenan hacia el Tajo/Guadiela (bien directamente, bien a través de afluentes como el Gallo, Ablanquejo, Cabrillas, Cuervo…), MASb Molina de Aragón, que drena al Tajo a través del río Gallo y MASb Sigüenza—Maranchón, que drena su parte correspondiente hacia el Tajo a través del Ablanquejo. Se descartan – salvo la pequeña salvedad del manantial de Cifuentes- las conexiones hidrogeológicas con otras MASb o Subunidades por lo que las cabeceras del Tajo y del Guadiela pueden considerarse como un Sistema independiente donde las precipitaciones no evaporadas escurren superficialmente o se infiltran y descargan hacia los embalses de Entrepeñas y Buendía. La cuantificación diaria y acumulada de los balances hídricos ha permitido calcular la evolución aproximada de las reservas de agua subterránea desde la fecha inicial. Originalmente los balances se realizaron de forma separada en las cabeceras del Tajo y del Guadiela, cuyos valores acumulados manifestaron una tendencia creciente en la primera y decreciente en la segunda. Dicha situación se equilibra cuando el balance se practica conjuntamente en ambas, apreciándose en la variación del volumen de agua subterránea una evolución acorde hidrológicamente con los ciclos de verano/invierno y periodos de sequía, manteniéndose sus valores medios a largo/medio plazo, poniendo en evidencia la existencia de interconexiones subterráneas entre ambas cuencas. El balance conjunto, agregando la cabecera del Tajuña (que también comparte los materiales permeables de la MASb Tajuña-Montes Universales) no reveló la existencia de nuevas interrelaciones hidrogeológicas que influyeran en los balances hídricos realizados Tajo/Guadiela, confirmando las conclusiones de los estudios hidrogeológicos anteriormente analizados. Se ha procedido a confrontar y validar los resultados obtenidos de la evolución de las reservas de agua subterránea mediante los siguientes procedimientos alternativos: - Cálculo de los parámetros de desagüe de la curva de agotamiento correspondiente al volumen de agua subterránea drenante hacia el Tajo/Guadiela. Éste se ha realizado a partir de las aportaciones mensuales entrantes en los embalses de Entrepeñas y Buendía durante los meses de junio, julio, agosto y septiembre, cuyos valores responden al perfil típico de descargas de un acuífero. A partir de éstos se ha determinado el volumen drenante correspondiente al primero de junio de cada año de la serie histórica considerada. - Determinación del caudal base por el método Wallingford y deducción de los volúmenes drenantes. Estimación de las recarga anuales - Cuantificación de la recarga anual por el método Sanz, Menéndez Pidal de Navascués y Távara. Se obtuvieron valores de recarga muy aproximados entre los calculados por los dos últimos procedimientos citados. Respecto a las reservas de agua subterránea almacenadas siguen una evolución semejante en todos los casos, lo que ha permitido considerar válidos los resultados conseguidos mediante balance hídrico. Confirmada su solidez, se han buscado correlaciones simples entre el volumen de las reservas subterráneas (como indicador estimativo del efecto de la infiltración) y los volúmenes procedentes de la fusión. La conclusión es que estos últimos no tienen un efecto determinante a escala anual sobre la infiltración,recarga y variación de los volúmenes de agua subterránea, frente al peso de otras variables (precipitación y evapotranspiración). No obstante se ha encontrado una buena correlación múltiple entre la recarga estimada y la precipitación eficaz (precipitación menos evapotranspiración) y fusión, que ha permitido cuantificar la contribución de esta última. Posteriormente se ha recurrido a la selección de los episodios más intensos de acumulación /fusión en las cabeceras del Tajo y Guadiela. Y se procedió a la comparación entre los resultados obtenidos por aplicación del modelo de simulación en los mismos periodos (normalmente de varios días de duración) con datos reales y con datos ficticios de temperatura que anularan o disminuyeran la presencia de nieve, apreciándose una gran sensibilidad del efecto de la temperatura sobre la evapotranspiración y estableciéndose nuevamente correlaciones lineales entre los volúmenes de fusión y el incremento de reservas subterráneas. Las mismas confirman el efecto “favorecedor” de la acumulación de agua en forma de nieve y su posterior licuación, sobre sobre la infiltración de agua en el suelo y almacenamiento subterráneo. Finalmente se establecieron varios escenarios climáticos (+1ºC; +3ºC; +1ºC y – 10% precipitación; y 3ºC – 10% precipitación) compatibles con las previsiones del IPCC para mediados y finales del presente siglo, determinándose mediante simulación ASTER los correspondientes valores de fusión. La correlación establecida a escala anual ha permitido evaluar el efecto de la disminución del volumen de fusión - en los diferentes escenarios – sobre la recarga, pronosticando un descenso de los caudales de estiaje y la desaparición del “efecto nieve” sobre la infiltración y recarga con un aumento de 3ºC de temperatura. Teniendo en cuenta las condiciones de representatividad de la zona elegida, resulta verosímil la extensión de las anteriores conclusiones a otras cabeceras fluviales enclavadas en áreas de media montaña situadas entre 1000 a 2000m y sus efectos aguas abajo.Water infiltration into the soil and groundwater recharge deep water in aquifers is slow relative to other hydrological phenomena. The wording of this thesis aims to contribute to the study of the influence that the storage of solid precipitation as snow cover and its eventual melting may have on this process in mid-mountain areas (1000 - 2,000 m) where very often the headwaters of the peninsular rivers are located. For this party analysis of the different variables involved has over a given time period and a particular geographical area, so that their methodology is empirical in nature. The extension of the period (2002/03 to 2010/11) has been conditioned by the availability of the values of some of its key variables, as were the water equivalent of the snow and flows from melting. These have been obtained as a result of the application of ASTER model, developed in the program Evaluation of Water Resources from the Innivation (ERHIN), calibrated - among others data of rainfall, temperature and flow from turn System Automatic Hydrological Information (SAIH). Both programs were implemented by the Administration in the different Water Boards and to undertakings for current basin, in which the author participated development of this thesis. As for the study area has proceeded at its option considering the possible areas of midmountain in the presence of snow outside hydrological meaningful and they were lithology consisting of permeable outcrops that did not prevent infiltration into the ground and forming aquifers of some significance. We were interested discretion in the Tagus basin, therefore the strategic nature of it, as currently supplying surplus to other basins deficit- as the representative value of its climate and terrain conditions in relation to other peninsular river basins . To do this we started from the headwaters identified by the ERHIN program for its implementation snow interest to the ASTER model and Ground Water Bodies MASb (before UUHH Hydrogeological Units) defined in hydrological plans. The intersection in the territory of both criteria led eventually to the Alto Tajo, in which both requirements are met. The section was finalized in the period between the headwaters of the Tagus and Guadiela rivers and reservoirs end Entrepeñas and Buendia respectively checking points for calibration performed in ASTER modeling. Much of it runs on carbonate rocks (limestones and dolomites of Jurassic and Cretaceous) related MASb of Tajuña -Montes Universal, Molina de Aragón and Sigüenza-Maranchón. The daily values of water reserves in the form of snow, evapotranspiration and flow from melting were obtained from the results of this model, proceeding to the calculation of infiltration water balance during the study period considered, taking into account values of precipitation, evapotranspiration and input flow. This has required the prior examination of the hydrogeological conditions of your required in order to know the possible underground interconnections that could alter the balance between the intervening variables aforementioned area. For this we have carried out the collection and analysis of hydrogeological information relevant documentation Tagus river management plans (Hydrological Plan Tajo Basin RD 1664/1998 and the current Hydrological Plan of the Spanish part of the River Basin Tagus RD 270/2014) and previous studies by the basin organization and the Geological Survey of Spain (IGME) mainly. Regarding the MASb Tajuña- Montes Universal - whose length exceeds the area selected - these studies consider its geological structure and lithology distribution with waterproof collations that act as barriers, dividing it into subunits and identifying areas draining their respective aquifers. It has also considered the documentation and previous studies of the National Hydrological Plan on shared among different geographical areas management plans Hydrogeological Units. We conclude that river dividing the headers are substantially coincident or covering Subunits southern Universal Montes, Priego Cifuentes, Zaorejas and northern Universal Mounts, which drain into the Tagus / Guadiela (either directly or through tributaries such as Gallo, Ablanquejo , whitecaps , Raven ...), MASb Molina de Aragón which drains through the Tajo del Gallo and MASb Sigüenza- Maranchón river that drains into the Tagus using the Ablanquejo . Discarded - except the small exception of spring Cifuentes -hydrogeological connections with other MASb or Subunits so the headwaters of the Tagus and Guadiela be considered as a separate system, where rainfall not evaporated runs on surface or infiltrates and eventually discharged into reservoirs Entrepeñas and Buendia. The daily and cumulative quantification of water balances allowed us to compute the approximate evolution of groundwater reserves from its initial date. Initially balances were performed separately in the headwaters of the Tagus and Guadiela, whose cumulative values showed an increasing trend in the first and decreasing in the second. This situation is balanced when the balance is practiced together in both , appreciating the change in volume of groundwater hydrological evolution commensurate with the cycles of summer / winter and drought periods , keeping their average long / medium term values and putting in shows the existence of underground interconnections between the two basins. The overall balance, adding header Tajuña (which also shares the permeable materials MASb Tajuña -Montes Universal ) did not reveal the existence of new hydrogeological interrelationships that influenced water balances made Tajo / Guadiela, confirming the findings of the hydrogeological studies previously analyzed. We proceeded to confront and validate the results of the evolution of groundwater reserves by the following alternative procedures: - Calculate the parameters drain depletion curve corresponding to the volume of groundwater draining into the Tajo / Guadiela. This has been made from monthly inflows in the reservoirs of Entrepeñas and Buendia during the months of June, July, August and September, whose values match the typical profile of an aquifer discharges. From these has been determined for the first of June each year of the time series considered drainage volume - Determination of base flow by Wallingford method and deduction of drainage volumes. Estimate of annual recharge - Quantification of the annual recharge by the method Sanz Menéndez Pidal of Navascués and Távara. Very approximate values recharge between calculated for the last two mentioned methods were obtained. Concerning groundwater reserves stored follow a similar pattern in all cases, allowing consider valid the results achieved through water balance. Confirmed its robustness, simple correlations were sought between the volume of groundwater reserves (as estimated indicator of the effect of infiltration) and volumes from the melting. The conclusion is that the latter do not have a decisive effect on the annual scale infiltration, recharge and variation in volumes of groundwater, against the weight of other variables (precipitation and evapotranspiration). However found a good multiple correlation between the estimated recharge and effective precipitation (precipitation minus evapotranspiration) and fusion, which allowed quantify the contribution of the latter. Subsequently it has resorted to the selection of the most intense episodes of accumulation / melting in the headwaters of the Tagus and Guadiela. And we proceeded to the comparison between the results obtained by application of the simulation model in the same periods (usually several days) with real data and fictitious temperature data to annul or decrease the presence of snow, appreciating a great sensitivity of the effect of temperature on evapotranspiration and establishing linear correlations between the volumes of melting and increased groundwater reserves again. They confirm the “flattering " effect of water accumulation as snow and subsequent liquefaction of the infiltration of water into the soil and underground storage. Finally various climate scenarios (+1ºC; +3ºC; +1ºC y – 10% precipitation; y 3ºC – 10% precipitation) were established consistent with IPCC projections for mid - to late - century, determined through simulation ASTER corresponding values of melting. The correlation established on an annual scale has allowed to evaluate the effect of decreasing the volume of melt - in different scenarios - on recharge, predicting a decline in low flows and the disappearance of "snow effect" on infiltration and recharge with an increase of 3°C temperature. Given the conditions of representativeness of the chosen area, plausible extension of the above findings to other landlocked headwaters in mid-mountain areas located between 1000 to 2000m and its downstream effects.

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

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

Generalización de variables medioambientales mediante interpolación GIS

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

Lake-effect snow as the dominant control of mesic-forest distribution in Michigan, USA

1Recent studies demonstrated the sensitivity of northern forest ecosystems to changes in the amount and duration of snow cover at annual to decadal time scales. However, the consequences of snowfall variability remain uncertain for ecological variables operating at longer time scales, especially the distributions of forest communities. 2The Great Lakes region of North America offers a unique setting to examine the long-term effects of variable snowfall on forest communities. Lake-effect snow produces a three-fold gradient in annual snowfall over tens of kilometres, and dramatic edaphic variations occur among landform types resulting from Quaternary glaciations. We tested the hypothesis that these factors interact to control the distributions of mesic (dominated by Acer saccharum, Tsuga canadensis and Fagus grandifolia) and xeric forests (dominated by Pinus and Quercus spp.) in northern Lower Michigan. 3We compiled pre-European-settlement vegetation data and overlaid these data with records of climate, water balance and soil, onto Landtype Association polygons in a geographical information system. We then used multivariate adaptive regression splines to model the abundance of mesic vegetation in relation to environmental controls. 4Snowfall is the most predictive among five variables retained by our model, and it affects model performance 29% more than soil texture, the second most important variable. The abundance of mesic trees is high on fine-textured soils regardless of snowfall, but it increases with snowfall on coarse-textured substrates. Lake-effect snowfall also determines the species composition within mesic forests. The weighted importance of A. saccharum is significantly greater than of T. canadensis or F. grandifolia within the lake-effect snowbelt, whereas T. canadensis is more plentiful outside the snowbelt. These patterns are probably driven by the influence of snowfall on soil moisture, nutrient availability and fire return intervals. 5Our results imply that a key factor dictating the spatio-temporal patterns of forest communities in the vast region around the Great Lakes is how the lake-effect snowfall regime responds to global change. Snowfall reductions will probably cause a major decrease in the abundance of ecologically and economically important species, such as A. saccharum.

Plasma osmolyte concentrations and rectal gland mass of bull sharks Carcharhinus leucas, captured along a salinity gradient

Bull sharks (Carcharhinus leucas) were captured across a salinity gradient from freshwater (FW) to seawater (SW). Across all salinities, C leucas were hyperosmotic to the environment. Plasma osmolarity in FW-captured animals (642 +/- 7 mosM) was significantly reduced compared to SW-captured animals (1067 +/- 21 mosM). In FW animals, sodium, chloride and urea were 208 +/- 3, 203 +/- 3 and 192 +/- 2 mmol l(-1), respectively. Plasma sodium, chloride and urea in SW-captured C leucas were 289 +/- 3, 296 +/- 6 and 370 +/- 10 mmol l(-1), respectively. The increase in plasma osmolarity between FW and SW was not linear. Between FW (3 mosM) and 24%o SW (676 mosM), plasma osmolarity increased by 22% or 0.92% per 1parts per thousand rise in salinity. Between 24%o and 33parts per thousand, plasma osmolarity increased by 33% or 4.7% per 1 parts per thousand rise in salinity, largely due to a sharp increase in plasma urea between 28parts per thousand and 33parts per thousand. C. leucas moving between FW and SW appear to be faced with three major osmoregulatory challenges, these occur between 0-10parts per thousand, 11-20parts per thousand and 21-33parts per thousand. A comparison between C leucas captured in FW and estuarine environments (20-28%o) in the Brisbane River revealed no difference in the mass of rectal glands between these animals. However, a comparison of rectal gland mass between FW animals captured in the Brisbane River and Rio San Juan/Lake Nicaragua showed that animals in the latter system had a significantly smaller rectal gland mass at a given length than animals in the Brisbane River. The physiological challenges and mechanisms required for C leucas moving between FW and SW, as well as the ecological implications of these data are discussed. (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

A simple regional-scale model for forecasting sorghum yield across North-Eastern Australia

Sorghum is the main dryland summer crop in NE Australia and a number of agricultural businesses would benefit from an ability to forecast production likelihood at regional scale. In this study we sought to develop a simple agro-climatic modelling approach for predicting shire (statistical local area) sorghum yield. Actual shire yield data, available for the period 1983-1997 from the Australian Bureau of Statistics, were used to train the model. Shire yield was related to a water stress index (SI) that was derived from the agro-climatic model. The model involved a simple fallow and crop water balance that was driven by climate data available at recording stations within each shire. Parameters defining the soil water holding capacity, maximum number of sowings (MXNS) in any year, planting rainfall requirement, and critical period for stress during the crop cycle were optimised as part of the model fitting procedure. Cross-validated correlations (CVR) ranged from 0.5 to 0.9 at shire scale. When aggregated to regional and national scales, 78-84% of the annual variation in sorghum yield was explained. The model was used to examine trends in sorghum productivity and the approach to using it in an operational forecasting system was outlined. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.