Biogenic and environmental fluctuations of temperature and pH in a novel mesocosm concept ("Kiel Outdoor Benthocosms") April 2013 to September 2014

The Kiel Outdoor Benthocosm infrastructure (Kiel, Germany,N 54°19.8'; E 010°09.0') allows combining natural in-situ fluctuations on all environmental variables with the controlled manipulation of treatment factors. The environmental fluctuations are admitted by a continuous flow-through of fjord water. The treatment is applied by delta-treatments which shift the mean of target variables (temperature and pH in this case) while maintaining the frequency and amplitude of natural fluctuations. The data presented here show the treatment levels and the continuously logged temperature and pH conditions in the experimental tanks. The dynamics of temperature and pH are driven by (i) in situ variability, (ii) the treatments imposed and (iii) the biology of the biota in the tanks. These contained macroalgal communities with associated mesograzers, mussels, and sea stars. The data set comprised 5 experimental runs: spring experiment (4.4.-19.6.2013), summer experiment 1 (4.7.-17.9.2013), autumn experiment (10.10-17.12.2013), winter experiment (16.1. - 1.4.2014), summer experiment 2 (10.7. - 26.9.2014).

Results of the sensitivity experiments LOVECLIM as NetCDF files

Several abrupt climatic events during the present interglacial have been associated with catastrophic freshwater forcing, such as the events at 9.2and 8.2 ka BP (Alley et al., 1997; Barber et al., 1999; Marshall et al. 2007; Fleitmann et al. 2008). Proxy evidence suggests that similar events may have occurred during the last interglacial (e.g., Beets & Beets 2003; Beets et al., 2006), suggesting that freshwater-induced perturbations are an important mechanism for abrupt climate change in interglacial climates. In addition solar variability (Neff et al., 2001; Wang et al., 2005) and explosive volcanic eruptions (Crowley, 2000; Shindell et al., 2003; Jansen et al., 2007) can trigger centennial-scale climate events during interglacials and may thus have been responsible for a part of interglacial climate variability. We investigate the sensitivity of the present and last interglacial climates to realistic perturbations resulting from freshwater, solar or volcanic forcings. We will compare the differences between the two interglacial periods, between different climate models and evaluate the resulting using proxy archives.

Estudio del empleo de cubiertas vegetales temporales para la regulación del régimen hídrico, crecimiento y manejo sostenible del viñedo

RESUMEN El ensayo se llevo a acabo en un viñedo de Syrah durante 8 años y en un viñedo de Merlot durante 3 años. Ambos viñedos regados y situados en Colmenar de Oreja (Madrid) (40º 8’N, 3º 23’W) con clima típicamente Mediterráneo. Siete tratamientos con cubiertas vegetales se han comparado con dos tratamientos con suelo desnudo usados como control. Las cubiertas vegetales fueron seis tratamientos de cereales (Centeno) y un tratamiento de enyerbado autosembrado (Bromus spp) y los tratamientos de suelo desnudo fueron uno manejado con laboreo y otro manejado con herbicida. Los seis tratamientos de centeno se han manejado de seis formas distintas. La primera sembrada todos los años y eliminada en brotación mediante herbicida de post-emergencia. La segunda sembrada todos los años y eliminada un mes después de la brotación mediante siega. La tercera sembrada todos los años y eliminada en floración mediante siega. La cuarta sembrada todos los años y eliminada en brotación mediante herbicida de post-emergencia. La quinta sembrada todos los años y eliminada un mes después de la brotación mediante siega. La sexta sembrada todos los años y eliminada en floración mediante siega. La utilización de cubiertas vegetales ha tenido efectos beneficiosos sobre el contenido en materia orgánica, la compactación y la infiltración del suelo, mejorando las condiciones para el desarrollo de las raíces. Estas mejoras y la escasa competencia de la competencia durante el crecimiento del sistema radical de la vid han producido un incremento del sistema radical en las plantas mantenidos con cubierta vegetal. La competencia de las cubiertas vegetales ha reducido la disponibilidad hídrica de la vid, incrementándose la absorción en zonas con mayor disponibilidad hídrica (como la línea) antes de floración. El mayor desarrollo radical de las vides con cubierta autosembrada ha permitido agotar más intensamente las reservas de agua en el suelo. La competencia de las cubiertas ha reducido en mayor medida el desarrollo vegetativo que el productivo. Lo que ha disminuido, en algunas cubiertas vegetales, el consumo hídrico de la vid, aumentando el potencial hídrico foliar y la fotosíntesis durante la maduración. Sin embargo, el incremento en la fotosíntesis no ha compensado el mayor desarrollo foliar de los tratamientos con suelo desnudo, lo que ha provocado que estos tratamientos presenten la producción de materia seca más elevada. El empleo de cubiertas vegetales ha reducido la producción principalmente limitando el número de bayas por racimo, ya que el aporte de riego ha minimizado los efectos del manejo del suelo sobre el tamaño de baya. La utilización de cubiertas vegetales temporales ha mejorado la iluminación de los racimos, lo que ha producido un aumento de la síntesis de antocianos durante las primeras fases de la maduración, pero un incremento de la degradación de los mismos al final de la maduración. Esto ha provocado que durante la vendimia los tratamientos de suelo desnudo presenten un mayor contenido de antocianos por baya que los tratamientos mantenidos con cubierta temporal. Estos resultados muestran que el efecto del manejo del suelo depende en gran medida de las condiciones del medio, y que sus efectos en climas calidos y secos son muy distintos a los observados en climas frescos y húmedos. ABSTRACT The trial was conducted over a period of 8 years in a Syrah vineyard and over a period of 3 years in a Merlot vineyard. Both vineyards were irrigated and situated near Colmenar de Oreja (Madrid) (40º 8’N, 3º 23’W) a typical Mediterranean climate. Seven Annual cover crops treatments were compared to two bare soil treatments, used as control. Cover crops were six cereals treatments (Rye) and one auto-sowing treatment (Bromus spp) and the treatments of bare soil were one tilled management treatment and another with herbicide treatment. The six Cereal treatments were managed in different manners. First sowing every year and were eliminated in bud breaking with post-emergency herbicide. The second sowing annually and were eliminated one month after bud breaking through harvesting. The third sowing annually and were eliminated in flowering by mowing. The fourth sowing annually and were eliminated with post-emergency herbicide in bud breaking. The fifth sowing annually and were eliminated by mowing one month after bud breaking. . The third sowing annually was eliminated by mowing in flowering. The use of annual cover crop have improved soil organic matter, soil infiltration rate and soil solidity, resulting in a more favourable environment for roots growth. These improvements and low competitive ability during root growing have increases grapevine root density in plant management with cover crop. The Cover crop ability reduced plant available water, increasing root water uptake in the soil with more available water (such us line) before flowering. More growth of grapevine root density with auto-sowed cover crops has allowed using the water under soil more rapidly. The cover crop ability has reduced vegetative growth more than yield. What has been reduced in some vegetative cover crop has been the consumption of water, and increasing the leaf water potential and foliar and photosynthesis during growth activity. Moreover, the increased in photosynthesis activity could not “Compensate” higher leaf growth of treatment of bare soil, where these treatments had resulted in the greatest amount of dry material. The use of cover crops has reduced the crop mainly reducing the fruit set, because the irrigation had reduced the cover crop effect in the berry growth. The use of temporary cover crop increased berry sunlight exposure and skin anthocyanin synthesis during early rippenig, but excessively high temperature increased anthocyanin degradation during last part of ripenning. So, at the vineyard harvest period the treatments with bare soil plant had a more anthocyanin content per grape than the temporary cover crop plant treatments. These results suggest that the effects of soil handling mainly depends on the environmental condition, and their effects in hot and dry climate are so different from the effects in cold and moist climates.

Propuesta metodológica para la identificación de medidas de adaptación al cambio climático en sistemas de recursos hídricos

Esta tesis realiza una contribución metodológica en el estudio de medidas de adaptación potencialmente adecuadas a largo plazo, donde los sistemas de recursos hídricos experimentan fuertes presiones debido a los efectos del cambio climático. Esta metodología integra el análisis físico del sistema, basándose en el uso de indicadores que valoran el comportamiento de éste, y el análisis económico mediante el uso del valor del agua. El procedimiento metodológico inicia con la construcción de un conjunto de escenarios futuros, que capturan por un lado las características de variabilidad de las aportaciones de diversos modelos climáticos y, por otro, las características hidrológicas de la zona de estudio. Las zonas de estudio seleccionadas fueron las cuencas del Guadalquivir, Duero y Ebro y se utilizaron como datos observados las series de escorrentía en régimen natural estimadas por el modelo SIMPA que está calibrado en la totalidad del territorio español. Estas series observadas corresponden al periodo 1961-1990. Los escenarios futuros construidos representan el periodo 2071-2100. La identificación de medidas de adaptación se apoyó en el uso de indicadores que sean capaces de caracterizar el comportamiento de un sistema de recursos hídricos frente a los efectos del cambio climático. Para ello se seleccionaron los indicadores de calidad de servicio (I1) y de confiabilidad de la demanda (I2) propuestos por Martin-Carrasco et al. (2012). Estos indicadores valoran el comportamiento de un sistema mediante la identificación de los problemas de escasez de agua que presente, y requieren para su cuantificación el uso de un modelo de optimización. Para este estudio se ha trabajado con el modelo de optimización OPTIGES. La determinación de estos indicadores fue realizada para análisis a corto plazo donde los efectos del cambio climático no son de relevancia, por lo que fue necesario analizar su capacidad para ser usados en sistemas afectados por dichos efectos. Para este análisis se seleccionaron tres cuencas españolas: Guadalquivir, Duero y Ebro, determinándose que I2 no es adecuado para este tipo de escenarios. Por ello se propuso un nuevo indicador “Indicador de calidad de servicio bajo cambio climático” (I2p) que mantiene los mismos criterios de valoración que I2 pero que responde mejor bajo fuertes reducciones de aportaciones producto del cambio climático. La metodología propuesta para la identificación de medidas de adaptación se basa en un proceso iterativo en el cual se van afectando diversos elementos que conforman el esquema del sistema bajo acciones de gestión previamente identificadas, hasta llegar a un comportamiento óptimo dado por el gestor. Las mejoras de estas afectaciones son cuantificadas mediante los indicadores I1 e I2p, y de este conjunto de valores se selecciona la que se acerca más al comportamiento óptimo. Debido a la extensa cantidad de información manejada en este análisis, se desarrolló una herramienta de cálculo automatizada en Matlab. El proceso seguido por esta herramienta es: (i) Ejecución del modelo OPTIGES para las diferentes modificaciones por acciones de gestión; (ii) Cálculo de los valores de I1 e I2p para cada una de estas afectaciones; y (iii) Selección de la mejor opción. Este proceso se repite hasta llegar al comportamiento óptimo buscado, permitiendo la identificación de las medidas de adaptación mas adecuadas. La aplicación de la metodología para la identificación de medidas de adaptación se realizó en la cuenca del Guadalquivir, por ser de las tres cuencas analizadas bajo los indicadores I1 e I2p la que presenta los problemas más serios de escasez de agua. Para la identificación de medidas de adaptación se analizaron dos acciones de gestión: 1) incremento de los volúmenes de regulación y 2) reducción de las demandas de riego, primero bajo la valoración del comportamiento físico del sistema (análisis de sensibilidad) permitiendo identificar que la primera acción de gestión no genera cambios importantes en el comportamiento del sistema, que si se presentan bajo la segunda acción. Posteriormente, con la acción que genera cambios importantes en el comportamiento del sistema (segunda acción) se identificaron las medidas de adaptación más adecuadas, mediante el análisis físico y económico del sistema. Se concluyó que en la cuenca del Guadalquivir, la acción de reducción de las demandas de riego permite minimizar e incluso eliminar los problemas de escasez de agua que se presentarían a futuro bajo diferentes proyecciones hidrológicas, aunque estas mejoras implicarían fuertes reducciones en dichas demandas. Siendo las demandas más afectadas aquellas ubicadas en cabecera de cuenca. Los criterios para la reducción de las demandas se encuentran en función de las productividades y garantías con las que son atendidas dichas demandas. This thesis makes a methodological contribution to the study of potentially suitable adaptation measures in the long term, where water resource systems undergo strong pressure due to the effects of climate change. This methodology integrates the physical analysis of the system, by the use of indicators which assess its behavior, and the economic analysis by the use of the value of water. The methodological procedure begins with the building of a set of future scenarios that capture, by one hand, the characteristics and variability of the streamflow of various climate models and, on the other hand, the hydrological characteristics of the study area. The study areas chosen were the Guadalquivir, Ebro and Duero basins, and as observed data where used runoff series in natural regimen estimated by the SIMPA model, which is calibrated in the whole Spanish territory. The observed series are for the 1961-1990 period. The future scenarios built represent the 2071-2100 periods. The identification of adaptation measures relied on the use of indicators that were able of characterize the behavior of one water resource system facing the effects of climate change. Because of that, the Demand Satisfaction Index (I1) and the Demand Reliability Index (I2) proposed by Martin-Carrasco et al. (2012) were selected. These indicators assess the behavior of a system by identifying the water scarcity problems that it presents, and require in order to be quantified the use of one optimization model. For this study the OPTIGES optimization model has been used. The determination of the indicators was made for the short-term analysis where the climates change effect are not relevant, so it was necessary to analyze their capability to be used in systems affected by those these. For this analysis three Spanish basins were selected: Guadalquivir, Duero and Ebro. It was determined that the indicator I2 is not suitable for this type of scenario. It was proposed a new indicator called “Demand Reliability Index under climate change” (I2p), which keeps the same assessment criteria than I2, but responsive under heavy reductions of streamflow due to climate change. The proposed methodology for identifying adaptation measures is based on an iterative process, in which the different elements of the system´s schema are affected by previously defined management actions, until reach an optimal behavior given by the manager. The improvements of affectations are measured by indicators I1 e I2p, and from this set of values it is selected the affectation that is closer to the optimal behavior. Due to the large amount of information managed in this analysis, it was developed an automatic calculation tool in Matlab. The process followed by this tool is: Firstly, it executes the OPTIGES model for the different modifications by management actions; secondly, it calculates the values of I1 e I2p for each of these affectations; and finally it chooses the best option. This process is performed for the different iterations that are required until reach the optimal behavior, allowing to identify the most appropriate adaptation measured. The application of the methodology for the identification of adaptation measures was conducted in the Guadalquivir basin, due to this was from the three basins analyzed under the indicators I1 e I2p, which presents the most serious problems of water scarcity. For the identification of adaptation measures there were analyzed two management actions: 1) To increase the regulation volumes, and 2) to reduce the irrigation demands, first under the assessment of the physical behavior of the system (sensibility analysis), allowing to identify that the first management action does not generate significant changes in the system´s behavior, which there are present under the second management action. Afterwards, with the management action that generates significant changes in the system´s behavior (second management action), there were identified the most adequate adaptation measures, through the physical and economic analysis of the system. It was concluded that in the Guadalquivir basin, the action of reduction of irrigation demands allows to minimize or even eliminate the water scarcity problems that could exist in the future under different hydrologic projections, although this improvements should involve strong reductions of the irrigation demands. Being the most affected demands those located in basins head. The criteria for reducing the demands are based on the productivities and reliabilities with which such demands are meet.