Comportamiento del nivel freático en el área bajo riego del tercio inferior del Río Atuel

En este trabajo se evalúa el comportamiento del nivel freático (NF) en un área de regadío de 75.774 ha ubicadas en el tercio inferior de la cuenca del río Atuel, departamentos de General Alvear y San Rafael en la provincia de Mendoza, y su vinculación con: las pérdidas que se producen en la red de canales, las prácticas de riego y los escurrimientos sub-superficiales de zonas más elevadas. En la zona existe una red de 193 freatímetros en la que se han registrado lecturas de niveles freáticos desde 1980 a 2008, en distintas estaciones del año. El área de estudio se dividió en cuatro sub-zonas, cada una de ellas abastecida por un canal matriz de riego. La serie existente de lecturas de NF permitió elaborar planos estacionales de isohipsas e isobatas medias. Se definieron indicadores de factor de reacción freática (FRF) y de eficiencia del sistema (IES); además, se elaboraron planos de isolíneas y tablas de salinidad (conductividad eléctrica) media del agua subterránea. El análisis de los registros recopilados muestra la dirección del flujo de agua subterránea "noroeste-sureste", isohipsas con un gradiente medio de 1,54 m.Km-1 y nivel freático (NF) con una profundidad mínima media de 1.31 m. La evidencia de zonas de recarga de agua subterránea posibilita, junto a los otros planos, una rápida identificación de zonas vulnerables al ascenso del NF. El FRF permitió establecer que se incorpora al área cultivada de Alvear-Bowen un volumen de 3,7 veces más agua que la requerida por los cultivos y que el IES es del 27%. En primavera, el riego representa el 66% del volumen incorporado a la zona mientras que las precipitaciones representan el 34 % y la superficie con NF de hasta 1,0 m de profundidad es 4,8 veces mayor al promedio del área afectada en las demás estaciones. Los resultados brindan una fuente de información actualizada para la planificación del uso del suelo en la zona, para la operación del sistema de riego y para la implementación y priorización de planes de mejora en la infraestructura.

Modelos determinístico y probabilístico para la estimación de la carga de nitratos en una cuenca rural

En este trabajo se desarrolló un modelo probabilístico que utiliza la teoría de la función de densidad de probabilidades derivada para estimar la carga media anual de nitratos transportada por el escurrimiento superficial, utilizando una relación funcional entre el escurrimiento y la carga de nitratos. El modelo determinístico hidrológico y de calidad de agua denominado Simulator for Water Resources in Rural Basins - Water Quality (SWRRB-WQ) fue utilizado para estimar la carga de nitratos en el escurrimiento superficial. Este modelo emplea como variable de entrada la precipitación diaria observada en la Estación del Aeropuerto de Olavarría durante el período 1988 a 2002. Para la calibración del modelo se aplicó una nueva metodología que estima la incertidumbre en los valores observados. Ambos modelos probabilístico y determinístico se aplican en una subcuenca rural del arroyo Tapalqué (provincia de Buenos Aires, Argentina) y finalmente se comparan los valores de la carga de nitratos estimados con los dos modelos con las observaciones realizadas en la sección del arroyo motivo de este estudio. Los resultados muestran que la carga media de nitratos obtenida con el modelo probabilístico es del mismo orden de magnitud que los valores medios observados y estimados con el modelo hidrológico y de calidad de agua SWRRB-WQ.

Definición de un Modelo Edafogeomorfológico para la Identificación de Necesidades de Manejo y Recuperación de Suelos a Nivel Local. Caso Cuenca Cañada La Gorda, Machiques Colón, Estado Zulia, Venezuela.

El objetivo de este trabajo es generar un modelo Edafogeomorfológico útil en la identificación de necesidades de manejo de suelos, se realizó un estudio en el área de la cuenca Cañada La Gorda Machiques-Colón, estado Zulia, Venezuela, caracterizada por un clima tropical de condición subhúmeda, con duración del periodo de crecimiento (DPC) de 230 días, régimen de humedad Ustic y de temperatura Isohipertémico. Se empleó el enfoque de la ecuación factorial de formación de suelos para el análisis y descripción biofísica de los factores a lo largo de una carena. El relieve caracterizado a partir de fotografías aéreas, imágenes de satélites y de chequeos sistemático mediante transectos en el sentido del flujo del escurrimiento; la vegetación a través del uso de la tierra, la cobertura vegetal, la identificación de las especies dominantes a partir de sus nombres vernáculos y la definición de indicadores de vegetales (Iv). Los suelos fueron descritos y clasificados según la Taxonomía de suelos y valorados mediante el modelo paramétricode Riquier et al. (1970) para determinar el índice de productividad (Ip). Se caracterizaron dos paisajes gemorfológicos: Colinar (C) y Valle (V), seis posiciones geomorfológicas entre ambos paisajes definidas por la sucesión de relieves en el sentido de la pendiente: Tope de colina-loma (TC), mesa conservada (MC), vertientes de mesa alta (VA), media (VM), baja (VB) y valle intracolinar (VI); e igual número de perfiles de suelos representativos, los cuales mostraron edafogénesis muy avanzada con Ip inferiores a 8% en todas las posiciones, exceptuando la VB, con una productividad de 13%. El uso de la tierra es a base de pastoreo semi-intensivo de plantas forrajeras introducidas. Las formaciones vegetales predominante fueron los matorrales y arbustales dispersos, acompañados con restos de una selva tropófila fuertemente afectada por la extracción forestal y la conversión en áreas de pastoreo. Se identificaron 8 Iv, asociados fuertemente con condiciones de físicas e hidrológicas del suelo. El alto impacto de las actividades humanas sobre el suelo y vegetación, expresado a través de los procesos de erosión activa, la ausencia de áreas boscosas y la baja productividad de los sistemas de ganadería reportada para la zona, señalan la necesidad de reorientación del uso actual de la tierra, para lo cual se plantean alternativas como la incorporación de bosques protectores y sistemas agrosilvopastoriles In order to generate an Edaphogeomorphological model to be used for the identification of management requirements of soils, a study was carried out in the area of the Cañada La Gorda watershed, Machiques Colon, Zulia State with a tropical climate, subsumid conditions with a growing period of 230 days, an Ustic soil moisture and Isohypertermic regimes. The soils factorial equation approach was used for the analisis and description of the factors of soil formation throughout a soil catena. Relief was characterized through aerial photographs, satellite images and systematic checks of transects drawn in the sense of surface runoff and also taking into account geomorphological features. Vegetation cover and land use were described and vegetation components were indified by its local names to defined vegetations indicators (VI) for the local conditions. Soils were described and classified according to soil taxonomy and valued by means of a parametric model proposed by Riquier et al, (1970) for determining the productivity index (PI). Two geomorphological landscapes were defined: Hilly and Valley with six positions within the landscapes: hilltop (round or elongated), preserved tableland summit, slopes of high, medium and low tableland and valleys between hills. Representative soils of each position were studied showing a highly advanced degree of edaphogenesis with PI values below 8% in all positions except the valleys with a PI of 13%. Land use type is based on semi intensive pasturing of introduced forage species, with a vegetation of brushwood and scattered shrubs, with some trees relicts of woods affected by timber extraction and turn to grassland Eight VI were identified, highly associated to local physical and hidrological soil conditions. The enormous impact of human activity on soils and vegetation as shown by active erosion processes and absence of wooded areas and the low productivity of livestock systems reported for the area, indicates the necessity of a reorientation of the present land use introducing alternatives like the incorporation of protective woods and agrosilvopastoral management systems.

Cuantificación de las erosión en un talud de Taganana mediante fotogrametría terrestre (Tenerife)

This paper provides an assessment of the potential of terrestrial photogrammetry to calculate erosion associated with surface runoff on hillsides near roads during recent periods. To do this we choose a road embankment located in a valley with hills which have developed abundant grooves erosion. The accuracy of the surveying tool is evident in the evaluation of small hillsides, but is impractical for the study of large hillsides with significant slopes, in which are unknown initial parameters of the topography.

Effect of reservoir tillage on rainwater harvesting and soil erosion control under a developed rainfall simulator.

Soil erosion is a serious environmental threat in the Mediterranean region due to torrential rainfalls, and it contributes to the degradation of agricultural land. Techniques such as rainwater harvesting may improve soil water storage and increase agricultural productivity, which could result in more effective land usage. Reservoir tillage is an effective system of harvesting rainwater, but it has not been scientifically evaluated like other tillage systems. Its suitability for the conditions in Spain has not been determined. To investigate and quantify water storage from reservoir tillage and how it could be adapted to improve infiltration of harvested rainwater, a laboratory-scale rainfall simulator was developed. Rainfall characteristics, including rainfall intensity, spatial uniformity and raindrop size, confirm that natural rainfall conditions are simulated with sufficient accuracy. The simulator was auto-controlled by a solenoid valve and three pressure nozzles were used to spray water corresponding to five rainfall intensities ranging from 36 to 112 mm h-1 for 3 to 101-year return period with uniformity coefficients between 83 and 94%. In order to assess the reservoir tillage method under surface slopes of 0, 5, and 10%, three soil scooping devices with identical volume were used to make depressions in the following forms: a) truncated square pyramid, b) triangular prism, and c) truncated cone. These depressions were compared to a control soil surface with no depression. For the loam soil used in this study, results show that reservoir tillage was able to reduce soil erosion and surface runoff and significantly increase infiltration. There was significant difference between the depressions and the control. Compared to the control, depression (a) reduced surface runoff by about 61% and the sediment yield concentration by about 79%.

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

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

Residuos orgánicos como fuentes de fósforo

En este trabajo, se han llevado a cabo distintos experimentos en laboratorio, con el objetivo de estudiar el efecto de la aplicación de residuos orgánicos como fuentes de P en las pérdidas de este elemento, que se producen en suelo, tanto por escorrentía superficial como por lixiviación. El interés por evaluar las pérdidas de P se debe a la necesidad de conocer mejor los factores que influyen en los procesos de pérdidas de este elemento y así, poder reducir los problemas de eutrofización de aguas, tanto superficiales como subterráneas, provocadas por un exceso de este nutriente, junto con otros como el nitrógeno. Los trabajos experimentales que se han llevado a cabo se detallan a continuación: Se ha realizado el estudio de las formas de P contenidas en una serie de 14 residuos orgánicos, de distinto origen y tratamiento (compost, lodos, purines y digestato), comparando la información aportada por tres protocolos de fraccionamientos de P diferentes, seleccionados entre los principales métodos utilizados: protocolo de fraccionamiento de Ruttemberg (1992), protocolo de Normas, medidas y ensayos (Ruban et al., 2001a) y protocolo de Huang et al. (2008). Todos los métodos de fraccionamiento empleados aportaron información útil para conocer las formas de P de los residuos, a pesar de que alguno de ellos fue descrito para sedimentos o suelos. Sin embargo, resulta difícil comparar los resultados entre unos y otros, ya que cada uno emplea extractantes y tiempos de ensayos diferentes. Las cantidades de P total determinadas por cada método mantienen una relación lineal, aunque el método SMT, por ser más directo, obtiene las cantidades más elevadas para todos los residuos. Los métodos secuenciales (métodos de Huang y Ruttemberg), a pesar de ser más largos y tediosos, aportan información más detallada de la disponibilidad de las formas de P, y con ello, permiten obtener una mejor estimación de las pérdidas potenciales de este elemento tras su aplicación en suelo. Se han encontrado relaciones positivas entre las fracciones determinadas por estos dos métodos. Así mismo, se encuentra una correlación entre las formas solubles de P y la concentración de los iones [Ca + Fe + Al] de los residuos, útiles como indicadores de la disponibilidad de este elemento. Sin embargo, el protocolo SMT, no obtiene información de la solubilidad o disponibilidad de las formas de P contenidas, ni las formas determinadas mantienen relaciones directas con las de los otros métodos, con excepción del P total. Para el estudio del comportamiento de los residuos aplicados en suelos, se pusieron a punto sistemas de lluvia simulada, con el objetivo de caracterizar las pérdidas de P en la escorrentía superficial generada. Por otra parte, se emplearon columnas de suelos enmendados con residuos orgánicos, para el estudio de las pérdidas de P por lixiviación. Los ensayos de simulación de lluvia se llevaron a cabo de acuerdo al “National Phosphorus Research proyect“ (2001), que consigue simular eventos sucesivos de lluvia en unas condiciones semejantes a la realidad, empleando cajas llenas de suelo del horizonte superficial, con residuos aplicados tanto superficialmente como mediante mezcla con el propio suelo. Los ensayos se realizaron con seis residuos de diferente naturaleza y sometidos a distintos tratamientos. Se encontraron diferencias significativas en las pérdidas de las formas de P analizadas, tanto disueltas como particuladas, en las aguas de escorrentía generadas. En general, las pérdidas en el primer evento de lluvia tras la aplicación de los residuos fueron mayores a las generadas en el segundo evento, predominando las formas de P particuladas respecto a las disueltas en ambos. Se encontró una relación positiva entre las pérdidas de P en las aguas de escorrentía generadas en cada ensayo, con los contenidos de P soluble en agua y fácilmente disponible de los residuos empleados, determinados por los protocolos de fraccionamientos secuenciales. Además, se emplearon los modelos matemáticos desarrollados por Vadas et al. (2005, 2007), de evaluación de las pérdidas de P por escorrentía para fertilizantes y estiércoles. La predicción de estos modelos no se cumple en el caso de todos los residuos. Las distintas propiedades físicas de los residuos pueden afectar a las diferencias entre las pérdidas experimentales y las esperadas. Los ensayos de simulación del proceso de lixiviación se llevaron a cabo en columnas de percolación, con suelos enmendados con residuos orgánicos, de acuerdo a la norma “CEN/TS 14405–2004: Caracterización de los residuos – Test de comportamiento de lixiviación – Test de flujo ascendente”. Las pérdidas de P por procesos de lixiviación de agua, han sido despreciadas durante mucho tiempo respecto a las pérdidas por escorrentía. Sin embargo, se ha demostrado que deben tenerse en consideración, principalmente en algunos tipos de suelos o zonas cercanas a acuíferos. Se utilizaron tres suelos de distinta procedencia para los ensayos, de manera que se pudo estudiar la influencia del tipo de suelo en las pérdidas de P para cada tipo de residuo (purín, compost, digestato y lodo de EDAR). Los índices de adsorción de P determinados para cada suelo permiten evaluar aquellos que presentarán más riesgo de producir pérdidas de este elemento al aplicarse fuentes externas de P, encontrando una relación positiva entre ambos. Las pérdidas de P en los lixiviados varían en función tanto del residuo como del suelo empleado. Para el compost, el purín y el lodo, se encontró una relación entre las pérdidas generadas en el agua lixiviada de las columnas y las formas de P soluble contenidas en los residuos. Sin embargo, en el caso del digestato, no existía esta correlación. Las pérdidas para este residuo fueron en todos los casos menores a las estimadas, considerando las formas de P contenido. El estudio de la mojabilidad, propiedad física del residuo que evalúa la capacidad de interacción residuo-agua, permitió explicar el comportamiento anómalo de este residuo, con una mayor resistencia a que el agua entrara en su estructura y por tanto, una mayor dificultad de solubilizar el P contenido en el propio residuo, que en el caso de otros residuos. En general, podemos considerar que el estudio de las formas de P más disponibles o solubles en agua, aporta información útil de las pérdidas potenciales de P. Sin embargo, es necesario estudiar las propiedades físicas de los residuos orgánicos aplicados y la capacidad de adsorción de P de los suelos, para estimar las pérdidas de P y con ello, colaborar a controlar los procesos de eutrofización en aguas. ABSTRACT This dissertation explores the effect of organic wastes application as sources of P in losses of this element that occur by both surface runoff and leaching in soil. To do so, diverse laboratory experiments are conducted and presented here. Evaluating P losses is necessary to better understand the factors that influence the processes behind the loss of this element. Reducing P losses reduces eutrophication problems of both surface water and groundwater caused by an excess of this nutrient, along with other as nitrogen. Details of the experiments are presented below: The first experiment studies the forms of P contained in a series of 14 organic wastes of different origin and treatment (compost, sludge, slurry and digestate), comparing the information provided by three methods of P fractionation. The methods selected were: Ruttemberg protocol (1992); Standards, Measurements and Testing protocol (Ruban et al., 2001a); and Huang protocol (Huang et al., 2008). All fractionation methods employed successfully contribute to our knowledge of P forms in wastes, even though one of them was originally described for sediments or soils information. However, it is difficult to compare results among each other, as each protocol employs different extractants and time in the trials. Total amounts of P obtained by each method show a linear relationship, although the SMT method, which is more direct, obtains the highest amounts for all residues. Sequential methods (Huang and Ruttemberg’s protocols), despite being longer and more tedious, provide more detailed information on the availability of the forms of P. Therefore, allow the estimation of the potential losses of P after application in soil. Furthermore, positive relationships have been found among fractions obtained by these methods. Positive relationship has been found also among soluble forms of P and the concentration of ions Fe + Ca + Al, which is useful as an indicator of the availability of this element. However, the SMT protocol does not collect information about solubility or availability of forms of P contained; neither do certain forms maintain direct relations with the forms from other methods, with the exception of total P methods. To study the behavior of wastes applied to soils two experiments were conducted. Simulated rain systems were prepared to characterize P losses in the surface runoff generated. In addition, columns of soils amended with organic waste were developed for the study of P leaching losses. Simulated rain systems were carried out according to the ’National Phosphorus Research Project’ (2001), which manages to simulate successive rainfall events in conditions resembling reality. The experiment uses boxes filled with soil from the surface horizon amended with residues, both superficially and by mixing with the soil. Tests were conducted with six residues of different type and subjected to diverse treatments. Findings show significant differences in losses of the P forms analyzed in the generated runoff water, in both solution and particulate forms. In general, losses in the first rainfall event after application of waste were higher than the losses generated in the second event, predominating particulate forms of P over dissolved forms in both events. In all trials, a positive relationship was found between various P forms determined by sequential fractionation protocols (water soluble P and readily available P forms) and P losses in runoff. Furthermore, results from Vadas´s mathematical models (Vadas et al., 2005; 2007) to assess P losses by runoff fertilizers and manures indicate that the prediction of this model is not fulfilled in the case of all residues. The diverse physical properties of wastes may affect the differences between experimental and expected losses. Finally, leaching simulation processes were carried out in percolation columns, filled with soils amended with organic wastes, following the ‘CEN/TS 14405-2004 standard: Characterization of waste - Leaching behavior test - Test Flow ascending ’. P losses by leaching have been neglected for a long time with respect to runoff losses. However, findings corroborate previous studies showing that these P losses have to be taken into account, especially in certain types of soils and in zones near aquifers. To study the influence of soil type on P losses, experiments were carried out with three different soils and for each type of waste (manure, compost, digestate and sludge WWTP). Each soil’s P adsorption rates allow assessing which soils imply a higher risk of P losses when external sources of P are applied. P losses in leachate vary according to the type of soil employed and according to the specific residue. In the case of compost, manure and sludge, there is a relationship between leaching losses and residues’ soluble forms of P. The exception being the digestate, where there was no such correlation. Digestate P losses by leaching were lower than expected in all cases considering the forms of P contained. Moreover, examining digestate wettability -- that is, the physical property of the residue that assesses the capacity of waste-water interaction -- allowed explaining the anomalous behavior of this residue. Digestate has a high resistance to water entering its structure and thus higher difficulty to solubilize the P contained. Overall, studying the more available or soluble P forms provides useful information about the potential loss of P. However, this dissertation shows that it is necessary to examine the physical properties of organic residues applied as well as the P adsorption capacity of soils to estimate P losses, and thus to control eutrophication in water.

Effect of reservoir tillage on rainwater havesting and soil erosion control under a developed rainfall simulator

Soil erosion is a serious environmental threat in the Mediterranean region due to torrential rainfalls, and it contributes to the degradation of agricultural land. Techniques such as rainwater harvesting may improve soil water storage and increase agricultural productivity, which could result in more effective land usage. Reservoir tillage is an effective system of harvesting rainwater, but it has not been scientifically evaluated like other tillage systems. Its suitability for the conditions in Spain has not been determined. To investigate and quantify water storage from reservoir tillage and how it could be adapted to improve infiltration of harvested rainwater, a laboratory-scale rainfall simulator was developed. Rainfall characteristics, including rainfall intensity, spatial uniformity and raindrop size, confirm that natural rainfall conditions are simulated with sufficient accuracy. The simulator was auto-controlled by a solenoid valve and three pressure nozzles were used to spray water corresponding to five rainfall intensities ranging from 36 to 112 mm h− 1 for 3 to 101-year return period with uniformity coefficients between 83 and 94%. In order to assess the reservoir tillage method under surface slopes of 0, 5, and 10%, three soil scooping devices with identical volume were used to make depressions in the following forms: a) truncated square pyramid, b) triangular prism, and c) truncated cone. These depressions were compared to a control soil surface with no depression. For the loam soil used in this study, results show that reservoir tillage was able to reduce soil erosion and surface runoff and significantly increase infiltration. There was significant difference between the depressions and the control. Compared to the control, depression (a) reduced surface runoff by about 61% and the sediment yield concentration by about 79%.

Indicadores de sostenibilidad de la gestión integral de las aguas de lluvia en los entornos urbanos : aplicación a la ciudad de Zaragoza

En un contexto de rápido crecimiento de la población urbana y de cambio climático global, la consecución de un modelo de desarrollo sostenible pasa inevitablemente por construir ciudades más sostenibles. Basado en una intensiva impermeabilización de los suelos, el modelo actual de desarrollo urbano modifica profundamente el ciclo natural del agua en las ciudades. La drástica reducción de la capacidad de infiltración del terreno hace que gran parte de la precipitación se transforme en escorrentía superficial, que se concentra rápidamente originando grandes caudales punta. Además, el lavado de las superficies urbanas aporta altas cargas de contaminación a la escorrentía que producen importantes impactos en los medios receptores. Esta realidad motiva la realización de la presente tesis doctoral cuyo objetivo general es contribuir a la consecución de ciudades sostenibles a través de la gestión integral de las aguas de lluvia en los entornos urbanos. Con el objetivo prioritario de minimizar los riesgos de inundación, el enfoque convencional del drenaje urbano desarrolló las primeras soluciones en relación a los caudales punta, centralizando su gestión en el sistema de saneamiento e incorporando la escorrentía al mismo tan rápido como fuera posible. Pero en episodios de lluvias intensas la sobrecarga tanto hidráulica como de contaminación del sistema provoca un incremento de la vulnerabilidad de la población a las inundaciones, una falta de garantía de salud pública y graves impactos sobre los medios receptores. La aprobación en 1987 del CleanWaterAct en Estados Unidos, en el que se reconoció por primera vez el problema de la contaminación aportada por la escorrentía urbana, fue el punto de partida de un nuevo enfoque que promueve un conjunto de técnicas de drenaje que integran aspectos como cantidad de agua, calidad de agua y servicio a la sociedad. Estas técnicas, conocidas como Sistemas de Drenaje Sostenible (SUDS), son consideradas como las técnicas más apropiadas para gestionar los riesgos resultantes de la escorrentía urbana así como para contribuir a la mejora medioambiental de la cuenca y de los ecosistemas receptores. La experiencia internacional apunta a que la efectiva incorporación de los SUDS como sistemas habituales en el desarrollo urbano debe basarse en tres elementos clave: El desarrollo de un marco normativo, la aplicación de instrumentos económicos y la participación ciudadana activa en el proceso. Además se identifica como una de las líneas estratégicas para avanzar en la resolución de la problemática el desarrollo y aplicación de metodologías que apoyen el proceso de toma de decisiones basadas en indicadores cuantificables. Convergiendo con esta línea estratégica la presente tesis doctoral define unos indicadores de sostenibilidad focalizados en una temática no desarrollada hasta el momento, la gestión integral de las aguas de lluvia. Para ello, se aplica el marco analítico Presión-Estado–Respuesta bajo un enfoque que rebasa el sistema de saneamiento, enmarcando la gestión de las aguas de lluvia en las múltiples y complejas interrelaciones del sistema urbano. Así se determinan indicadores de presión, de estado y de respuesta para cada elemento del sistema urbano (Medio Receptor – Cuenca Urbana – Sistema de Saneamiento), definiendo para cada indicador el objetivo específico, la unidad de medición, la tendencia deseada de evolución y la periodicidad de seguimiento recomendada. La validez de la metodología propuesta se comprueba en el estudio de caso de la ciudad de Zaragoza. La determinación de los indicadores permite realizar un diagnóstico y definir unas líneas estratégicas de actuación que contemplan mejoras no sólo en el sistema de saneamiento y drenaje urbano, sino también en el marco normativo, urbanístico, económico, social y ambiental. Finalmente, se concluye que la integración de la gestión de las aguas de lluvia en las políticas de ordenación del territorio, el desarrollo de mecanismos de coordinación institucional, la mejora del marco normativo y la aplicación de instrumentos económicos son elementos clave para la gestión integral de las aguas de lluvia y el consecuente desarrollo de ciudades más sostenibles en España. In a context of rapid urbanization and global climate change, coping with sustainable development challenges requires the development of sustainable cities. Based on an intensive soil permeability reduction, the current development model deeply modifies the natural water cycle in the urban environment. Reduction of soil infiltration capacity turns most of the rainwater into surface runoff, rapidly leading to heavy peak flows which are highly contaminated due to the flushing of the urban surface. This is the central motivation for this thesis, which aspires to contribute to the attainment of more sustainable cities through an integrated management of rainwater in urban environments. With the main objective of minimizing floods, the conventional approach of drainage systems focused on peak flows, centralizing their management on the sewage system and incorporating flows as fast as possible. But during heavy rains the hydraulic and contamination overcharge of the sewage system leads to an increase in the vulnerability of the population, in regards to floods and lack of public health, as well as to severe impacts in receiving waters. In 1987, the United States’Clean Water Act Declaration, which firstly recognized the problem of runoff contamination, was the starting point of a new approach that promotes a set of techniques known as Sustainable Drainage Systems (SUDS)that integrates issues such as quantity of water, quality of water and service to society. SUDS are considered the most suitable set of techniques to manage the risks resulting from urban runoff, as well as to contribute to the environmental enhancement of urban basins and of the aquatic ecosystems. International experience points out that the effective adoption of SUDS as usual systems in urban development must be based on three key elements: The enhancement of the legal frame, the application of economic tools and the active public participation throughout the process. Additionally, one of the strategic actions to advance in the resolution of the problem is the development and application of methodologies based in measurable indicators that support the decision making process. In that line, this thesis defines a set of sustainability indicators focused in integrated management of rainwater. To that end, the present document applies the analytical frame Pressure – State – Response under an approach that goes beyond the sewage system and considers the multiple and complex interrelations within urban systems. Thus, for the three basic elements that interact in the issue (Receiving Water Bodies – Urban Basin – Sewage System) a set of Pressure – State – Response indicators are proposed, and the specific aim, the measurement unit, the desired evolution trend and the regularity of monitoring are defined for each of the indicators. The application of the proposed indicators to the case study of the city of Zaragoza acknowledged their suitability for the definition of lines of action that encompass not only the enhancement of the performance of sewage and drainage systems during rain events, but also the legal, urban, economic, social and environmental framework. Finally, this thesis concludes that the inclusion of urban rainwater management issues in the definition of regional planning policies, the development of mechanisms to attain an effective institutional coordination, the enhancement of the legal framework and the application of economic tools are key elements in order to achieve an integrated rainwater management and the subsequent sustainability of urban development in Spain.

Miocene palaeoclimate reconstructions from the North Alpine Foreland Basin in Germany

Early- and Middle-Miocene sediments of the North Alpine Foreland Basin (NAFB) in Southern Germany contain one of the world richest regional records of silicified wood. Here we analyze over 1,000 identifiable samples, belonging to 80 wood anatomical taxa from 61 stratigraphically well-dated localities using principally the Coexistence Approach. The samples investigated originate from fluvial sediments representing periods of intensified surface runoff in the NAFB and therefore represent and provide information pertaining to the wet end-member of the fluctuating climate system. The dry end of the climate system is represented in the profiles either by hiatuses or palaeosoils. The dataset is split into four xylofloras: (I) the Ortenburg xyloflora (Late Ottnangian; ~17.5 to 17.3 Ma) originating from a paratropical evergreen Carapoxylon (Xylocarpus) forest; (II) the Southern Franconian Alb xyloflora (Late Karpatian; 17.0 to ~16.3 Ma) originating from a subtropical semideciduous limestone forest; (III) the upper Older Series xyloflora (Early Badenian; ~16.3 to ~15.3 Ma) originating from a subtropical oak-laurel forest; and (IV) the upper Middle Series xyloflora (Middle Badenian; 14.3 to ~13.8 Ma) originating from a subtropical dry deciduous forest.

Characteristics of soil profiles from the Ouémé Upper Catchment (HVO), Térou, Benin

Soil degradation threatens agricultural production and food security in Sub-Saharan Africa. In the coming decades, soil degradation, in particular soil erosion, will become worse through the expansion of agriculture into savannah and forest and changes in climate. This study aims to improve the understanding of how land use and climate change affect the hydrological cycle and soil erosion rates at the catchment scale. We used the semi-distributed, time-continuous erosion model SWAT (Soil Water Assessment Tool) to quantify runoff processes and sheet and rill erosion in the Upper Ouémé River catchment (14500 km**2, Central Benin) for the period 1998-2005. We could then evaluate a range of land use and climate change scenarios with the SWAT model for the period 2001-2050 using spatial data from the land use model CLUE-S and the regional climate model REMO. Field investigations were performed to parameterise a soil map, to measure suspended sediment concentrations for model calibration and validation and to characterise erosion forms, degraded agricultural fields and soil conservation practices. Modelling results reveal current "hotspots" of soil erosion in the north-western, eastern and north-eastern parts of the Upper Ouémé catchment. As a consequence of rapid expansion of agricultural areas triggered by high population growth (partially caused by migration) and resulting increases in surface runoff and topsoil erosion, the mean sediment yield in the Upper Ouémé River outlet is expected to increase by 42 to 95% by 2025, depending on the land use scenario. In contrast, changes in climate variables led to decreases in sediment yield of 5 to 14% in 2001-2025 and 17 to 24% in 2026-2050. Combined scenarios showed the dominance of land use change leading to changes in mean sediment yield of -2 to +31% in 2001-2025. Scenario results vary considerably within the catchment. Current "hotspots" of soil erosion will aggravate, and a new "hotspot" will appear in the southern part of the catchment. Although only small parts of the Upper Ouémé catchment belong to the most degraded zones in the country, sustainable soil and plant management practices should be promoted in the entire catchment. The results of this study can support planning of soil conservation activities in Benin.

Assessing the seasonal influence of sewage and agricultural nutrient inputs in a subtropical river estuary

A combination of physical and chemical measurements and biological indicators identified nutrient impacts throughout an Australian subtropical river estuary. This was a balance of sewage inputs in the lower river and agricultural inputs in the mid-upper river, the combined influence being greater in the wet season due to greater agricultural surface runoff. Field sampling in the region was conducted at 6 sites within the river, over 5 surveys to encapsulate both wet and dry seasonal effects. Parameters assessed were tissue nitrogen (N) contents and delta(15)N signatures of mangroves and macroalgae, phytoplankton nutrient addition bioassays, and standard physical and chemical variables. Strong spatial (within river) and temporal (seasonal) variability was observed in all parameters. Poorest water quality was detected in the middle (agricultural) region of the river in the wet season, attributable to large diffuse inputs in this region. Water quality towards the river mouth remained constant irrespective of season due to strong oceanic flushing. Mangrove and macroalgal tissue delta(15)N and %N proved a successful combination for discerning sewage and agricultural inputs. Elevated delta(15)N and %N represented sewage inputs, whereas low delta(15)N and elevated %N was indicative of agricultural inputs. Phytoplankton bioassays found the system to be primarily responsive to nutrient additions in the warmer wet season, with negligible responses observed in the cooler dry season. These results indicate that the Tweed River is sensitive to the different anthropogenic activities in its catchment and that each activity has a unique influence on receiving water quality.

Are metal ions accumulated by saxicolous lichens growing in a rural environment?

The levels of Mn, Cu, zn, Mg and Ca were measured in the lichens Xanthoparmelia conspersa (Ach.) Hale and Parmelia glabratula ssp. fuliginosa (Fr. ex Duby): Laund. growing on a steep slate rock surface in south Gwynedd, Wales, UK. The objective was to test the following hypotheses: 1) that foliose lichens growing in a rural environment concentrate metal ions relative to the substratum, 2) that the concentration of metal ions increases significantly with thallus size and 3) that individual ions accumulate preferentially either in the marginal lobes or thallus centre. Mg and Ca were present in rainfall whereas all ions were present in rock surface runoff and in the substratum. Levels of Mn, Mg and Ca were increased in runoff collected from the bottom compared with the top of the rock surface. In P. glabratula ssp. fuliginosa thalli, ions were present as follows, Mg > Ca=Mn=Zn>Cu, and there were no significant differences in thalli collected from the top and bottom of the rock surface. With the exception of Mg and Ca, ion levels in thalli were similar to or less than those in the substratum. The levels of Ca, Cu and Zn were similar in thalli from under 1 to over 4 cm in diameter. However, the level of Mg increased with thallus size in X. conspersa while the level of Mn decreased with thallus size in both species. Ion levels were similar in the marginal lobes and centres of large diameter (over 4 cm) and small diameter (under 2 cm) X. conspersa thalli. With the exception of Mg, there was no evidence for a significant accumulation of ions relative to the substratum or with thallus size. In addition, there was no evidence to suggest preferential accumulation of ions either in the thallus centre or marginal lobes.

Evaluating the Distribution of Terrestrial Dissolved Organic Matter in a Complex Coastal Ecosystem Using Fluorescence Spectroscopy

The coastal zone of the Florida Keys features the only living coral reef in the continental United States and as such represents a unique regional environmental resource. Anthropogenic pressures combined with climate disturbances such as hurricanes can affect the biogeochemistry of the region and threaten the health of this unique ecosystem. As such, water quality monitoring has historically been implemented in the Florida Keys, and six spatially distinct zones have been identified. In these studies however, dissolved organic matter (DOM) has only been studied as a quantitative parameter, and DOM composition can be a valuable biogeochemical parameter in assessing environmental change in coastal regions. Here we report the first data of its kind on the application of optical properties of DOM, in particular excitation emission matrix fluorescence with parallel factor analysis (EEM-PARAFAC), throughout these six Florida Keys regions in an attempt to assess spatial differences in DOM sources. Our data suggests that while DOM in the Florida Keys can be influenced by distant terrestrial environments such as the Everglades, spatial differences in DOM distribution were also controlled in part by local surface runoff/fringe mangroves, contributions from seasgrass communities, as well as the reefs and waters from the Florida Current. Application of principal component analysis (PCA) of the relative abundance of EEM-PARAFAC components allowed for a clear distinction between the sources of DOM (allochthonous vs. autochthonous), between different autochthonous sources and/or the diagenetic status of DOM, and further clarified contribution of terrestrial DOM in zones where levels of DOM were low in abundance. The combination between EEM-PARAFAC and PCA proved to be ideally suited to discern DOM composition and source differences in coastal zones with complex hydrology and multiple DOM sources.

Development of test-based wind-driven rain intrusion model for hurricane-induced building interior and contents damage

Major portion of hurricane-induced economic loss originates from damages to building structures. The damages on building structures are typically grouped into three main categories: exterior, interior, and contents damage. Although the latter two types of damages, in most cases, cause more than 50% of the total loss, little has been done to investigate the physical damage process and unveil the interdependence of interior damage parameters. Building interior and contents damages are mainly due to wind-driven rain (WDR) intrusion through building envelope defects, breaches, and other functional openings. The limitation of research works and subsequent knowledge gaps, are in most part due to the complexity of damage phenomena during hurricanes and lack of established measurement methodologies to quantify rainwater intrusion. This dissertation focuses on devising methodologies for large-scale experimental simulation of tropical cyclone WDR and measurements of rainwater intrusion to acquire benchmark test-based data for the development of hurricane-induced building interior and contents damage model. Target WDR parameters derived from tropical cyclone rainfall data were used to simulate the WDR characteristics at the Wall of Wind (WOW) facility. The proposed WDR simulation methodology presents detailed procedures for selection of type and number of nozzles formulated based on tropical cyclone WDR study. The simulated WDR was later used to experimentally investigate the mechanisms of rainwater deposition/intrusion in buildings. Test-based dataset of two rainwater intrusion parameters that quantify the distribution of direct impinging raindrops and surface runoff rainwater over building surface — rain admittance factor (RAF) and surface runoff coefficient (SRC), respectively —were developed using common shapes of low-rise buildings. The dataset was applied to a newly formulated WDR estimation model to predict the volume of rainwater ingress through envelope openings such as wall and roof deck breaches and window sill cracks. The validation of the new model using experimental data indicated reasonable estimation of rainwater ingress through envelope defects and breaches during tropical cyclones. The WDR estimation model and experimental dataset of WDR parameters developed in this dissertation work can be used to enhance the prediction capabilities of existing interior damage models such as the Florida Public Hurricane Loss Model (FPHLM).^