Environmental Structural Decomposition Analysis of Italian Emissions, 1995-2005

[spa] El estudio analiza la evolución de los gases de efecto invernadero (GEI) y las emisiones de acidificación para Italia durante el periodo 1995-2005. Los datos muestran que mientras las emisiones que contribuyen a la acidificación han disminuido constantemente, las emisiones de GEI han aumentado debido al aumento de dióxido de carbono. El objetivo de este estudio es poner de relieve cómo diferentes factores económicos, en particular el crecimiento económico, el desarrollo de una tecnología menos contaminante y la estructura del consumo, han impulsado la evolución de las emisiones. La metodología propuesta es un análisis de descomposición estructural (ADE), método que permite descomponer los cambios de la variable de interés entre las diferentes fuerzas y revelar la importancia de cada factor. Por otra parte, este estudio considera la importancia del comercio internacional e intenta incluir el “problema de la responsabilidad”. Es decir, a través de las relaciones comerciales internacionales, un país podría estar exportando procesos de producción contaminantes sin una reducción real de la contaminación implícita en su patrón de consumo. Con este fin, siguiendo primero un enfoque basado en la “responsabilidad del productor”, el ADE se aplica a las emisiones causadas por la producción nacional. Sucesivamente, el análisis se mueve hacia un enfoque basado en la “responsabilidad del consumidor" y la descomposición se aplica a las emisiones relacionadas con la producción nacional o la producción extranjera que satisface la demanda interna. De esta manera, el ejercicio permite una primera comprobación de la importancia del comercio internacional y pone de relieve algunos resultados a nivel global y a nivel sectorial.

Environmental Structural Decomposition Analysis of Italian Emissions, 1995-2005

[spa] El estudio analiza la evolución de los gases de efecto invernadero (GEI) y las emisiones de acidificación para Italia durante el periodo 1995-2005. Los datos muestran que mientras las emisiones que contribuyen a la acidificación han disminuido constantemente, las emisiones de GEI han aumentado debido al aumento de dióxido de carbono. El objetivo de este estudio es poner de relieve cómo diferentes factores económicos, en particular el crecimiento económico, el desarrollo de una tecnología menos contaminante y la estructura del consumo, han impulsado la evolución de las emisiones. La metodología propuesta es un análisis de descomposición estructural (ADE), método que permite descomponer los cambios de la variable de interés entre las diferentes fuerzas y revelar la importancia de cada factor. Por otra parte, este estudio considera la importancia del comercio internacional e intenta incluir el “problema de la responsabilidad”. Es decir, a través de las relaciones comerciales internacionales, un país podría estar exportando procesos de producción contaminantes sin una reducción real de la contaminación implícita en su patrón de consumo. Con este fin, siguiendo primero un enfoque basado en la “responsabilidad del productor”, el ADE se aplica a las emisiones causadas por la producción nacional. Sucesivamente, el análisis se mueve hacia un enfoque basado en la “responsabilidad del consumidor" y la descomposición se aplica a las emisiones relacionadas con la producción nacional o la producción extranjera que satisface la demanda interna. De esta manera, el ejercicio permite una primera comprobación de la importancia del comercio internacional y pone de relieve algunos resultados a nivel global y a nivel sectorial.

Assessment of Energy Conservation in Indian Cement Industry and Forecasting of Co2 Emissions

Cement industry ranks 2nd in energy consumption among the industries in India. It is one of the major emitter of CO2, due to combustion of fossil fuel and calcination process. As the huge amount of CO2 emissions cause severe environment problems, the efficient and effective utilization of energy is a major concern in Indian cement industry. The main objective of the research work is to assess the energy cosumption and energy conservation of the Indian cement industry and to predict future trends in cement production and reduction of CO2 emissions. In order to achieve this objective, a detailed energy and exergy analysis of a typical cement plant in Kerala was carried out. The data on fuel usage, electricity consumption, amount of clinker and cement production were also collected from a few selected cement industries in India for the period 2001 - 2010 and the CO2 emissions were estimated. A complete decomposition method was used for the analysis of change in CO2 emissions during the period 2001 - 2010 by categorising the cement industries according to the specific thermal energy consumption. A basic forecasting model for the cement production trend was developed by using the system dynamic approach and the model was validated with the data collected from the selected cement industries. The cement production and CO2 emissions from the industries were also predicted with the base year as 2010. The sensitivity analysis of the forecasting model was conducted and found satisfactory. The model was then modified for the total cement production in India to predict the cement production and CO2 emissions for the next 21 years under three different scenarios. The parmeters that influence CO2 emissions like population and GDP growth rate, demand of cement and its production, clinker consumption and energy utilization are incorporated in these scenarios. The existing growth rate of the population and cement production in the year 2010 were used in the baseline scenario. In the scenario-1 (S1) the growth rate of population was assumed to be gradually decreasing and finally reach zero by the year 2030, while in scenario-2 (S2) a faster decline in the growth rate was assumed such that zero growth rate is achieved in the year 2020. The mitigation strategiesfor the reduction of CO2 emissions from the cement production were identified and analyzed in the energy management scenarioThe energy and exergy analysis of the raw mill of the cement plant revealed that the exergy utilization was worse than energy utilization. The energy analysis of the kiln system showed that around 38% of heat energy is wasted through exhaust gases of the preheater and cooler of the kiln sysetm. This could be recovered by the waste heat recovery system. A secondary insulation shell was also recommended for the kiln in the plant in order to prevent heat loss and enhance the efficiency of the plant. The decomposition analysis of the change in CO2 emissions during 2001- 2010 showed that the activity effect was the main factor for CO2 emissions for the cement industries since it is directly dependent on economic growth of the country. The forecasting model showed that 15.22% and 29.44% of CO2 emissions reduction can be achieved by the year 2030 in scenario- (S1) and scenario-2 (S2) respectively. In analysing the energy management scenario, it was assumed that 25% of electrical energy supply to the cement plants is replaced by renewable energy. The analysis revealed that the recovery of waste heat and the use of renewable energy could lead to decline in CO2 emissions 7.1% for baseline scenario, 10.9 % in scenario-1 (S1) and 11.16% in scenario-2 (S2) in 2030. The combined scenario considering population stabilization by the year 2020, 25% of contribution from renewable energy sources of the cement industry and 38% thermal energy from the waste heat streams shows that CO2 emissions from Indian cement industry could be reduced by nearly 37% in the year 2030. This would reduce a substantial level of greenhouse gas load to the environment. The cement industry will remain one of the critical sectors for India to meet its CO2 emissions reduction target. India’s cement production will continue to grow in the near future due to its GDP growth. The control of population, improvement in plant efficiency and use of renewable energy are the important options for the mitigation of CO2 emissions from Indian cement industries

Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Metrics for linking emissions of gases and aerosols to global precipitation changes

Recent advances in understanding have made it possible to relate global precipitation changes directly to emissions of particular gases and aerosols that influence climate. Using these advances, new indices are developed here called the Global Precipitation-change Potential for pulse (GPP_P) and sustained (GPP_S) emissions, which measure the precipitation change per unit mass of emissions. The GPP can be used as a metric to compare the effects of different emissions. This is akin to the global warming potential (GWP) and the global temperature-change potential (GTP) which are used to place emissions on a common scale. Hence the GPP provides an additional perspective of the relative or absolute effects of emissions. It is however recognised that precipitation changes are predicted to be highly variable in size and sign between different regions and this limits the usefulness of a purely global metric. The GPP_P and GPP_S formulation consists of two terms, one dependent on the surface temperature change and the other dependent on the atmospheric component of the radiative forcing. For some forcing agents, and notably for CO2, these two terms oppose each other – as the forcing and temperature perturbations have different timescales, even the sign of the absolute GPP_P and GPP_S varies with time, and the opposing terms can make values sensitive to uncertainties in input parameters. This makes the choice of CO2 as a reference gas problematic, especially for the GPP_S at time horizons less than about 60 years. In addition, few studies have presented results for the surface/atmosphere partitioning of different forcings, leading to more uncertainty in quantifying the GPP than the GWP or GTP. Values of the GPP_P and GPP_S for five long- and short-lived forcing agents (CO2, CH4, N2O, sulphate and black carbon – BC) are presented, using illustrative values of required parameters. The resulting precipitation changes are given as the change at a specific time horizon (and hence they are end-point metrics) but it is noted that the GPPS can also be interpreted as the time-integrated effect of a pulse emission. Using CO2 as a references gas, the GPP_P and GPP_S for the non-CO2 species are larger than the corresponding GTP values. For BC emissions, the atmospheric forcing is sufficiently strong that the GPP_S is opposite in sign to the GTP_S. The sensitivity of these values to a number of input parameters is explored. The GPP can also be used to evaluate the contribution of different emissions to precipitation change during or after a period of emissions. As an illustration, the precipitation changes resulting from emissions in 2008 (using the GPP_P) and emissions sustained at 2008 levels (using the GPP_S) are presented. These indicate that for periods of 20 years (after the 2008 emissions) and 50 years (for sustained emissions at 2008 levels) methane is the dominant driver of positive precipitation changes due to those emissions. For sustained emissions, the sum of the effect of the five species included here does not become positive until after 50 years, by which time the global surface temperature increase exceeds 1 K.

Greenhouse gas balance due to the conversion of sugarcane areas from burned to green harvest, considering other conservationist management practices

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Balanço de gases de efeito estufa em áreas de cana-de-açúcar sob diferentes cenários de manejo, considerando-se mitigações

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Greenhouse gas balance in the conversion from extensive pasture to other agricultural systems in Andean region of Colombia

Pós-graduação em Agronomia (Ciência do Solo) - FCAV

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

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

Nueva tecnología para la separación de gases atmosféricos y captura de dióxido de carbono por aplicación de campos electromagnéticos y fotoionización

Son numerosos los expertos que predicen que hasta pasado 2050 no se utilizarán masivamente las energías de origen renovable, y que por tanto se mantendrá la emisión de dióxido de carbono de forma incontrolada. Entre tanto, y previendo que este tipo de uso se mantenga hasta un horizonte temporal aún más lejano, la captura, concentración y secuestro o reutilización de dióxido de carbono es y será una de las principales soluciones a implantar para paliar el problema medioambiental causado. Sin embargo, las tecnologías existentes y en desarrollo de captura y concentración de este tipo de gas, presentan dos limitaciones: las grandes cantidades de energía que consumen y los grandes volúmenes de sustancias potencialmente dañinas para el medioambiente que producen durante su funcionamiento. Ambas razones hacen que no sean atractivas para su implantación y uso de forma extensiva. La solución planteada en la presente tesis doctoral se caracteriza por la ausencia de residuos producidos en la operación de captura y concentración del dióxido de carbono, por no utilizar substancias químicas y físicas habituales en las técnicas actuales, por disminuir los consumos energéticos al carecer de sistemas móviles y por evitar la regeneración química y física de los materiales utilizados en la actualidad. Así mismo, plantea grandes retos a futuras innovaciones sobre la idea propuesta que busquen fundamentalmente la disminución de la energía utilizada durante su funcionamiento y la optimización de sus componentes principales. Para conseguir el objetivo antes citado, la presente tesis doctoral, una vez establecido el planteamiento del problema al que se busca solución (capítulo 1), del estudio de las técnicas de separación de gases atmosféricos utilizadas en la actualidad, así como del de los sistemas fundamentales de las instalaciones de captura y concentración del dióxido de carbono (capítulo 2) y tras una definición del marco conceptual y teórico (capítulo 3), aborda el diseño de un prototipo de ionización fotónica de los gases atmosféricos para su posterior separación electrostática, a partir del estudio, adaptación y mejora del funcionamiento de los sistemas de espectrometría de masas. Se diseñarán y desarrollarán los sistemas básicos de fotoionización, mediante el uso de fuentes de fotones coherentes, y los de separación electrostática (capítulo 4), en que se basa el funcionamiento de este sistema de separación de gases atmosféricos y de captura y concentración de dióxido de carbono para construir un prototipo a nivel laboratorio. Posteriormente, en el capítulo 5, serán probados utilizando una matriz experimental que cubra los rangos de funcionamiento previstos y aporte suficientes datos experimentales para corregir y desarrollar el marco teórico real, y con los que se pueda establecer y corregir un modelo físico– matemático de simulación (capítulo 6) aplicable a la unidad en su conjunto. Finalmente, debido a la utilización de unidades de ionización fotónica, sistemas láseres intensos y sistemas eléctricos de gran potencia, es preciso analizar el riesgo biológico a las personas y al medioambiente debido al impacto de la radiación electromagnética producida (capítulo 7), minimizando su impacto y cumpliendo con la legislación vigente. En el capítulo 8 se planteará un diseño escalable a tamaño piloto de la nueva tecnología propuesta y sus principales modos de funcionamiento, así como un análisis de viabilidad económica. Como consecuencia de la tesis doctoral propuesta y del desarrollo de la unidad de separación atmosférica y de captura y concentración de dióxido de carbono, surgen diversas posibilidades de estudio que pueden ser objeto de nuevas tesis doctorales y de futuros desarrollos de ingeniería. El capítulo 9 tratará de incidir en estos aspectos indicando líneas de investigación para futuras tesis y desarrollos industriales. ABSTRACT A large number of experts predict that until at least 2050 renewable energy sources will not be massively used, and for that reason, current Primary Energy sources based on extensive use of fossil fuel will be used maintaining out of control emissions, Carbon Dioxide above all. Meanwhile, under this scenario and considering its extension until at least 2050, Carbon Capture, Concentration, Storage and/or Reuse is and will be one of the main solutions to minimise Greenhouse Gasses environmental effect. But, current Carbon Capture and Storage technology state of development has two main problems: it is a too large energy consuming technology and during normal use it produces a large volume of environmentally dangerous substances. Both reasons are limiting its development and its extensive use. This Ph Degree Thesis document proposes a solution to get the expected effect using a new atmospheric gasses separation system with the following characteristics: absence of wastes produced, it needs no chemical and/or physical substances during its operation, it reduces to minimum the internal energy consumptions due to absence of mobile equipment and it does not need any chemical and/or physical regeneration of substances. This system is beyond the State of the Art of current technology development. Additionally, the proposed solution raises huge challenges for future innovations of the proposed idea finding radical reduction of internal energy consumption during functioning, as well as regarding optimisation of main components, systems and modes of operation. To achieve this target, once established the main problem, main challenge and potential solving solutions (Chapter 1), it is established an initial starting point fixing the Atmospheric Gasses Separation and Carbon Capture and Storage developments (Chapter 2), as well as it will be defined the theoretical and basic model, including existing and potential new governing laws and mathematical formulas to control its system functioning (Chapter 3), this document will deal with the design of an installation of an operating system based on photonic ionization of atmospheric gasses to be separated in a later separation system based on the application of electrostatic fields. It will be developed a basic atmospheric gasses ionization prototype based on intense radioactive sources capable to ionize gasses by coherent photonic radiation, and a basic design of electrostatic separation system (Chapter 4). Both basic designs are the core of the proposed technology that separates Atmospheric Gasses and captures and concentrates Carbon Dioxide. Chapter 5 will includes experimental results obtained from an experimental testing matrix covering expected prototype functioning regimes. With the obtained experimental data, theoretical model will be corrected and improved to act as the real physical and mathematical model capable to simulate real system function (Chapter 6). Finally, it is necessary to assess potential biological risk to public and environment due to the proposed use of units of intense energy photonic ionization, by laser beams or by non–coherent sources and large electromagnetic systems with high energy consumption. It is necessary to know the impact in terms of and electromagnetic radiation taking into account National Legislation (Chapter 7). On Chapter 8, an up scaled pilot plant will be established covering main functioning modes and an economic feasibility assessment. As a consequence of this PhD Thesis, a new field of potential researches and new PhD Thesis are opened, as well as future engineering and industrial developments (Chapter 9).

Efecto de la fertilización orgánica y mineral en las propiedades del suelo, la emisión de los principales gases de efecto invernadero y en las diferentes fases fenológicas del cultivo de café (Coffea arabica L.)

El cultivo de café es de gran importancia a nivel mundial (ICO, 2011), y en el Ecuador ha sido uno de los cultivos más importantes en la generación de divisas (COFENAC, 2011). Sin embargo en los sistemas productivos de este país se puede apreciar el uso inapropiado de fertilizantes, lo que conlleva a una pérdida de nutrientes, por lo que es importante estudiar las dosis adecuadas para la fertilización tanto mineral como orgánica. El objetivo del trabajo fue evaluar el efecto de la fertilización mineral y orgánica en diferentes dosis en un monocultivo de café en la provincia de Loja, sobre las propiedades del suelo, la emisión de los principales gases que provocan el efecto invernadero y la fenología y productividad del cultivo. En la provincia de Loja (Ecuador) se seleccionó un área de 2.520 m2 en la que se establecieron 21 parcelas de café arábigo (Coffea arabica L.) var. caturra y se aplicó tres tratamientos con tres repeticiones de fertilización mineral y tres orgánicos con dosis: bajas minerales (MIN 1= 157 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 425 Kg NPK ha-1 año-1 para el segundo año), medias minerales (MIN 2= 325 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 650 Kg NPK ha-1 año-1 en el segundo año) y altas minerales (MIN 3= 487 y 875 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer y segundo año respectivamente), bajas orgánicas (ORG 1= 147 Kg NPK ha-1 año-1 en el primer año y 388 Kg NPK ha-1 año-1 en el año dos), medias orgánicas (ORG 2= 265 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 541 Kg NPK ha-1 año-1 en el segundo año), altas orgánicas (ORG 3= 368 Kg NPK ha-1 año-1 para el primer año y 727 Kg NPK ha-1 año-1 en el segundo año) y fertilización cero (TES = sin fertilización). Se usó urea, roca fosfórica y muriato de potasio en la fertilización mineral y humus (Bioabor) en la orgánica, más un tratamiento testigo, cada tratamiento tuvo tres repeticiones. El tiempo de evaluación de los fertilizantes aplicados fue de dos años consecutivos, la fertilización se la realizó dos veces por año y en base a análisis del suelo y demandas nutricionales del cultivo. para determinar las características del suelo se realizó muestreos de suelos en cada parcela a una profundidad de 20 cm de estas muestras los parámetro iniciales determinados fueron: color (Munsell), textura (método del hidrómetro), pH (relación 1:2,5 suelo-agua), Materia orgánica (Walkey y Black), Nitrógeno (Micro Kjendahl), Fósforo (Bray y Kurtz), Potasio (Olsen), estos procesos se repitieron cada seis meses para poder evaluar los cambios de que se producen debido a la fertilización mineral y orgánica en el cultivo. Las emisiones de gases efecto invernadero desde el suelo al ambiente se determinaron por el método de cámara cerrada (Rondón, 2000) y la concentración por cromatografía de gases. Las mediciones fisiológicas (altura de planta, ancho de copa, grosor de tallo y producción) se las evaluó cada dos meses, a excepción de la producción que fue anual al término de cada cosecha. Además se realizó el análisis económico de la productividad del cultivo. El análisis estadístico de datos se lo realizó con el programa SPSS v. 17.0. Las medias fueron comprobadas mediante ANOVAS de un factor con test de Tukey (P < 0,05). El beneficio económico se estimó en términos de ingresos y gastos totales que se presentaron en el ensayo. Los resultados obtenidos al término del ensayo indican que los tratamientos MIN 2 y MIN 3 produjeron cambios más significativos en comparación con los otros tratamientos establecidos en la mejora de fertilidad del suelo, el pH ha sido menos afectado en la acidificación en comparación con los tratamientos orgánicos que se han acidificado mayormente; la materia orgánica (MO) tuvo incrementos considerablemente bueno en estos dos tratamientos, sin embargo fueron superados por los tratamientos de fertilización orgánica; el nitrógeno total (Nt )y el potasio (K) también presentaron mejores valores al termino del ensayo y el fósforo (P) mostro incrementos buenos aunque un poco menores que los de los tratamientos ORG 2 y ORG 3. En lo que respecta a las emisiones de gases efecto invernadero, los flujos acumulados de óxido nitroso (N2O) en los dos años han aumentado en todos los tratamientos en comparación con el tratamiento Testigo, pero de manera considerable y con mayores flujos en el tratamiento MIN 3 y MIN 2 que se podrían considerarse los de mayor contaminación por N2O al ambiente lo que se le atribuye a las dosis de fertilización mineral aplicadas en el periodo de investigación, los tratamiento MIN 1 y todos los tratamientos orgánicos muestran menores emisiones al ambiente. Las emisiones de metano (CH4) no muestran mayores diferencias de emisiones entre tratamientos, siendo los mayores emisores los tratamientos ORG 3 y ORG 2 posiblemente debido al abono orgánico y añadido al suelo; para las emisiones de dióxido de carbono (CO2) de manera similar al CH4 el tratamiento ORG 3 fue el que presento mayores emisiones, los flujos de CO2 al ambiente de los otros tratamientos fueron menores y no presentaron diferencias significativas entre ellos. La variables fisiológicas en todos los casos apoyaron al desarrollo de las plantas de café, esto al ser comparadas con el tratamiento Testigo, sin embargo las que alcanzaron las mayores altitudes, anchos de copas y diámetro de tallo fueron las plantas del tratamiento MIN 3, seguido del MIN 3, no mostrando significancia entre ellos, y para los tratamientos orgánicos el que presento muy buenos resultados en estas variables ha sido el ORG 3, el cual no presento diferencias significativas con el MIN 2, lo cual comprueba que la fertilización mineral es más efectiva en este caso frente a la orgánica. Para el primer año de producción el tratamiento mineral con fertilización MIN 3 es el que obtuvo mayor producción no presentando diferencia estadística con el tratamiento con el MIN 2, no obstante fueron significativamente mayores que los otros tratamientos. Vale indicar que también el tratamiento MIN 1 y el tratamiento ORG 3 han presentado una producción considerable de café no mostrando diferencias estadísticas entre ellos. Para el segundo año la producción el cultivo mostró mayores rendimientos que el primer año de evaluación en todos los tratamientos, esto debido a la fisiología propia del cultivo y por otra parte se atribuye a la adición de fertilizantes que se ha realizado durante todo el ensayo; de manera similar al anterior los tratamientos MIN 3 y MIN 2 obtuvieron mejores rendimientos, no enseñando diferencias estadísticas significativas entre ellos, no obstante el tratamiento mineral dosis MEDIA no presentó significancia estadística con el ORG 3. El benéfico económico ha resultado mayor en el tratamiento MIN 3 y MIN 2, aunque el tratamiento MIN 2, es el que obtiene la mejor relación costo-beneficio; los tratamientos ORG 2 y ORG 3 y Testigo has producido beneficios negativos para el productor. En cuanto a la parte ambiental se considera que los mejores tratamientos en cuanto ha cuidado ambiental serían los tratamientos MIN 1 y ORG 1, sin embargo a nivel de producción y rentabilidad para el productor baja. ABSTRACT Coffee growing has great importance worldwide (ICO, 2011), and in Ecuador, it has been one of the most important crops to generate income (COFENAC, 2011). However, in the productive systems of this country, the inappropriate use of fertilizers has been observed which produces loss of nutrients, thus it is important to study suitable doses for mineral and organic fertilizing. The purpose of the study was to evaluate the effect of mineral and organic fertilizing at different doses in a coffee monoculture in the province of Loja on soil characteristics, emission of the main gasses that produce the greenhouse effect and the phenology and productivity of crops. In the province of Loja (Ecuador) an area of 2.520 m2 was chosen, where 21 plots of Arabica coffee (Coffea arabica L.), the caturra variety were cultivated and three treatments with three repetitions each one for mineral and organic fertilization were used with doses that ranged from: mineral low (MIN 1= 157 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year y 425 Kg NPK ha-1 año-1 for the second year), mineral medium (MIN 2= 325 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year y 650 Kg NPK ha-1 año-1 I the second year) y mineral high (MIN 3= 487 y 875 Kg NPK ha-1 año-1 for the first and second year respectively), organic low (ORG 1= 147 Kg NPK ha-1 año-1 in the first year y 388 Kg NPK ha-1 año-1 in the second year), organics medium (ORG 2= 265 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year y 541 Kg NPK ha-1 año-1 in the second year), organics high (ORG 3= 368 Kg NPK ha-1 año-1 for the first year and 727 Kg NPK ha-1 año-1 in the second year) y fertilization zero (TES = no fertilization).; urea, phosphoric rock and muriate of potash were used in the mineral fertilization and humus (Bioabor) in the organic, plus a blank treatment. Time to evaluate the applied fertilizers was for two consecutive years, fertilization was done twice per year based on soil analysis and nutritional requirements of the crops. In order to determine the characteristics of the soil, samples of soil in each plot with a depth of 20 cm were done; from these samples, the determined initial parameters were: color (Munsell), texture (hydrometer method), pH (soil-water 1:2,5 relation), organic matter (Walkey y Black), nitrogen (Micro Kjendahl), phosphorus (Bray y Kurtz), potassium (Olsen); these processes were repeated each six months in order to evaluate the changes that are produced due to mineral and organic fertilization in the crops. The emissions of greenhouse gasses from the soil to the atmosphere were determined by using enclosure method (Rondón, 2000) and the concentration, by using gas chromatography during the whole testing. The physiological measures (plant height, width of the top of the tree, thickness of the stem and production) were evaluated each two months, except for production which was annual at the end of each harvest. Moreover, the economic analysis of the productivity of the crops was done. The statistical analysis of the data was done using SPSS v. 17.0. The means were proved by ANOVAS with a factor of a Tukey test (P < 0,05). The economic benefit was estimated in terms of incomes and total expenses which were presented in the essay. The results obtained at the end of the essay show that the MIN 2 and MIN 3 treatments produced more meaningful changes in comparison with the other treatments used to improve soil fertility; pH was less affected in the acidification compared with the organic treatments which were greatly acidified; organic matter (MO) had increased considerably in these two treatments; however, they were surpassed by the organic treatments of fertilization; total nitrogen (Nt) and potassium (K) also presented better results at the end of the essay and phosphorus (P) showed good increasing figures although a little lower compared with ORG 2 and ORG 3 treatments. Regarding the emission of the greenhouse gasses, the fluxes accumulated from nitrous oxide (N2O) in two years increased in all the treatments in comparison with the blank treatment, but in a greater form and with higher fluxes in the MIN 3 and MIN 2 treatments which can be considered as the ones with greater contamination of N2O in the atmosphere, this can be due to the applied mineral doses to fertilize during the process; MIN 1 treatments and all the organic ones showed lower emission to the atmosphere. Methane emissions (CH4) did not show major differences in emissions in the treatments, being the greater emissions the ORG 3 and ORG 2 treatments; this is possibly due to the organic compost added to the soil; regarding carbon dioxide (CO2) emissions, in a similar way to CH4, the ORG 3 treatment was the one that presented greater emissions, the CO2 emissions to the atmosphere in the other treatments were lower and did not present meaningful differences among them. The physiological variables in all the cases helped coffee crops grow, this was observed when compared with the blank treatment; however, plants that reached the greatest height, width of top and diameter of stem were the plants of the MIN 3 treatment, followed by MIN 3, which did not show much significance among them, and for the organic treatments, the one that presented great results in these variables was ORG 3, which did not show meaningful differences compared with MIN 2, which proves that mineral fertilization is more effective in this case compared with the organic. In the first year of production, the mineral treatment with MIN 3 fertilization obtained greater production and thus did not show statistical difference with MIN 2 treatment, although the other treatments were greater. It is worth mentioning that MIN 1 treatment and ORG 3 treatment presented a meaningful production of coffee, not showing statistical differences among them. For the second year, the production of the crops showed greater profits than in the first year of evaluation in all the treatments, this was due to the physiological properties of the crops and on the other hand, it might be due to the addition of fertilizers during the whole essay; in a similar way, MIN 3 and MIN 2 performed better, not showing greater statistical differences among them, although the mineral treatment MEDIUM doses did not show statistical difference compared with ORG 3. The economic benefit was greater in the MIN 3 and MIN 2 treatments, although MIN 2 treatment is the one that shows the best cost-benefit ratios; ORG 2 and ORG 3 treatments and the blank produced negative benefits for the producer. Regarding the environment, the best treatments to care for the atmosphere are considered to be MIN 1 and ORG 1 treatments; however, regarding production volume and profitability they were low for the producer.

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