Dissertations / Theses on the topic 'Ciclo del carbono (Biogeoquímica)'

La materia orgánica del suelo es un constituyente esencial del sistema edáfico (sistema suelo), ya que por su constitución y propiedades es responsable directa de la mayoría de los procesos fisicoquímicos y biológicos del suelo. El suelo es uno de los recursos más valiosos de la humanidad que debe ser conservado y protegido; constituye un cuerpo natural, esencial, tanto desde la perspectiva de la dinámica natural como del sistema de producción de alimentos. El suelo es un frágil recurso que puede ser degradado hasta la eventual pérdida de su fertilidad. Generalmente, el decrecimiento de la productividad de un suelo ha sido tratado incrementando el uso de fertilizantes químicos, sin realizar un estudio previo sobre la modificación que experimenta el suelo por efecto de su uso y manejo. En la última década se produjo a nivel mundial un aumento en la demanda de productos agropecuarios obtenidos en forma orgánica o ecológica, lo cual ha creado un mercado que actualmente está en franca expansión. Los productos orgánicos se comercializan generalmente a precios superiores a los estándares y presentan ventajas en lo referente a la conservación del medio ambiente y de los recursos naturales. Dentro de las normativas del cultivo orgánico se prohíbe el uso de fertilizantes originados por síntesis química y de la mayoría de los insecticidas, fungicidas y herbicidas. La producción orgánica se basa, entonces, en asegurar la fortaleza y sanidad del suelo, considerado éste como un complejo ecológico donde conviven una fracción mineral con otra orgánica en descomposición y otra integrada por microorganismos animales y vegetales. El presente trabajo muestra, de forma comparativa, el ciclo del carbono y el nitrógeno en suelos bajo distintas rotaciones de cultivo y adición de compost, el completo estudio de la materia orgánica, tanto sus fracciones estables como lábiles y de las formas de nitrógeno asociado a la materia orgánica así como las formas inorgánicas: nitratos y amonio, además de parámetros biológicos como respiración y biomasa. Los suelos estudiados corresponden a muestras del orden Ultisol de la lX región del país, todos ellos bajo régimen orgánico, los cuales durante tres años fueron sometidos a rotación de cultivo(Poroto, Pradera, Trigo) y cantidades crecientes de compost ( 0, 8, 20 y 30 Mg ha-1). Luego de caracterizar las muestras se encontró que los contenidos de Carbono y Nitrógeno total, se favorecen por efecto del compost en forma no proporcional a la dosis, aumentando para ambos el reservorio en el suelo. Al estudiar las fracciones orgánicas poliméricas, se encontró que aplicación de compost incrementa en cantidad la Humina. Los contenidos de C encontrados para el ácido húmico”HA” (40-50%) y ácido fúlvico”FA” (10-30%) son los habituales para estos compuestos y coinciden con datos de trabajos previos. Al establecer relaciones entre las rotaciones de cultivo y las características de la materia orgánica; se encontró una mayor actividad de deshidrogenasas en el cultivo Poroto indicando que este vegetal tiene un efecto positivo sobre la microflora del suelo estimulando su actividad. Luego de determinar el cuociente metabólico (Qco2= mg CO2/mg biomasa C) de los suelos, se encontró como era esperable, que el compost estimula la actividad Biológica de ellos. El compostaje es un método alternativo de recuperación de recursos, cuya ventaja principal radica en sus bajos costos operacionales, aspecto que estimula el reciclado y reutilización de los desechos prediales, lo que lleva a que este producto sea de fácil acceso a pequeños y medianos agricultores. La aplicación de compost en los agroecosistemas beneficia la producción de los cultivos y ayuda a mantener la calidad del suelo, mejorando su fertilidad, su agregación y su capacidad de retención de agua.

Inland waters are relevant components of the global carbon cycle acting as hot spots for biogeochemical processes by which carbon is stored, transformed, and outgassed to the atmosphere. Therefore, less than half of the carbon that is exported from terrestrial ecosystems to inland waters finally reaches the oceans. Lakes and reservoirs have the ability to store and emit carbon in large quantities, comparable in magnitude to other major global carbon fluxes such as fossil fuel combustion, the oceanic carbon dioxide (CO2) sink and the continental carbon sink. Substantial scientific studies in the last two decades have attempted to quantify these fluxes and identify their drivers so that inland waters are accounted for in carbon budgets and Earth System models. Much of these studies have given prevalence to organic processes in determining carbon fluxes in lakes. Organic carbon burial has been described as the main form of the sedimentary carbon sink of lakes. Similarly, mineralization of organic carbon resulting from aquatic net heterotrophy has been identified as the main driver controlling CO2 emissions to the atmosphere. Hence, global carbon budgets and lake models have mostly accounted for the organic components of the carbon cycle in lakes, assuming that inorganic processes such as dissolved inorganic carbon (DIC) reactions or calcium carbonate precipitation play a negligible role. However, geological evidence from sedimentary cores shows that sedimentary carbonates act as a long-term carbon sink in lakes. Furthermore, recent studies suggest that calcite precipitation may be a relevant source of the CO2 emissions from lakes and that calcite precipitation can have important effects on the DIC equilibria. Yet, calcification, its resulting storage in the sediments, and its associated CO2 emissions have never been quantified at a global scale. Therefore, the relative contributions of organic to inorganic processes in the carbon budget of lakes is unclear. This stresses the need for a global estimation of this process. Calcite precipitation is acknowledged to be promoted by primary production through several mechanisms. However, the relationship between primary production and calcification has not been clearly described in freshwaters. Hence, the drivers of calcite precipitation are still unclear. Understanding the drivers of calcite precipitation is needed to be able to parameterize this process for a proper inclusion of inland waters’ carbon cycle in Earth System Models. This is particularly relevant in lake models because calcification can cause discrepancies between empirical data and theoretical models that rely solely on metabolic processes for assessing lake carbon fluxes. The main objective of this thesis is to understand the relevance of calcite precipitation, its drivers, and implications from a global to a local scale on lakes. The main findings are divided into three chapters, each corresponding to a published journal article. The first journal article aims at assessing the global relevance of pelagic calcification and its associated CO2 emissions in lakes by providing a first estimate of these fluxes at a global scale. This estimate is based on the relationship between calcification rates, reported in the literature, and water alkalinity. The main findings suggest that pelagic calcification in lakes is a globally relevant process, similar in magnitude to organic carbon burial in lake sediments. Its associated CO2 emissions, however, are minor due to the buffering effect of the carbonate equilibria. Furthermore, pelagic calcification can potentially occur in lakes of alkalinity above 1 meq L-1, representing more than half of the surface area covered by lakes and reservoirs globally. The importance of lake pelagic calcification stresses the need to understand its drivers so that this process can be parameterized and accounted for in lake models and carbon budgets of inland waters. This is addressed in the second journal article that combines in situ incubation experiments with high frequency data, obtained from automatic monitoring stations in several European lakes, to understand the drivers of pelagic calcification. A strong relationship between calcification, Net Ecosystem Production (NEP) and calcite saturation was identified, whereby the calcification to NEP ratio is strongly determined by calcite saturation in water. The effect of NEP on calcification acts at a short temporal scale, whereby an increase in NEP induces calcification. Yet, the efficiency of NEP to induce calcification at a short temporal scale depends on calcite saturation which follows variations at a longer temporal scale, usually reaching its highest values during the summer season. The relationship between the calcification to NEP ratio and calcite saturation can be used as a parameterization for calcite precipitation in lakes and reservoirs. Furthermore, this relationship can also explain the imbalances between inorganic carbon dynamics and lake metabolism often observed in lakes. The third journal article identifies such imbalances in eight Estonian lakes, where large deviations from the metabolic 1:1 stoichiometry between dissolved oxygen (DO) and DIC can occur in lakes of higher alkalinity. The main findings in this article suggest that these deviations are caused by calcification and can be modelled using the calcification to NEP ratio. This thesis provides a first global estimate of pelagic calcite precipitation and its associated CO2 release and offers a first parameterization of calcification that can be used to account for calcification in lake carbon budgets. These results should be considered as a stepping stone to be further built upon. Furthermore, this work stresses the need to adjust our current understanding of lake carbon cycling by accounting for organic processes along with inorganic processes such as calcite precipitation in the carbon budgets and models of lacustrine ecosystems.
Siseveekogud on ülemaailmse süsinikuringe olulised komponendid. Neis toimuvate biogeokeemiliste protsesside tulemusena süsinik kas salvestub, muundub või vabaneb atmosfääri, mistõttu alla poole maismaaökosüsteemidest siseveekogudesse sattuvast süsinikust jõuab lõpuks maailmamerre. Järvedel ja veehoidlatel on võime akumuleerida ja/või emiteerida süsinikku suures koguses, mis on võrreldav teiste suuremate ülemaailmsete süsinikuvoogudega nagu näiteks fossiilkütuste põletamine ja süsihappegaasi (CO2) neeldumine maailmameres või maismaal. Viimase kahe aastakümne jooksul tehtud olulistes teadusuuringutes on püütud nende voogude suurust hinnata ja tuvastada neid mõjutavaid tegureid, mille tulemusena arvestatakse tänastes globaalsetes mudelites juba ka siseveekogude süsinikuvooge. Suurem osa neist uuringutest leiab, et peamiselt mõjutavad järvede süsinikuvooge just orgaanilise ainega seotud protsessid. Nii peetakse orgaanilise süsiniku väljasettimist järvede peamiseks süsiniku setteneeluks. Samamoodi nagu järvede CO2 emissiooni peamiseks põhjustajaks on osutunud orgaanilise süsiniku heterotroofne lagundamine. Nõnda on ülemaailmsetes süsinikubilansi- ja järvemudelites peamiselt arvestatud orgaanilise süsinikuringe komponente, eeldades et anorgaanilistel protsessidel nagu näiteks lahustunud mineraalse süsiniku (DIC) muundumine või kaltsiumkarbonaadi sadenemine, on tähtsusetu roll. Samas geoloogilised setteuuringud näitavad, et sette karbonaatides seotud süsinik jääb ringest välja väga pikaks ajaks. Hiljutised uuringud viitavad ka, et veesambast välja sadenenud katsiidil on veekogus oluline mõju DIC tasakaalule. Siiski ei ole veekogude lupjumist, kaltsiidi ladestumist setetes ja sellega seotud CO2 emissioonide suurust kunagi ülemaailmselt hinnatud, mistõttu on järvede süsinikubilansi orgaaniliste ja anorgaaniliste protsesside suhteline osakaal ebaselge. Sellest tuleneb tungiv vajadus mineraalse süsinikuga seotud protsesse globaalselt hinnata. On teada, et kaltsiidi sadenemist veekogudes soodustab primaarproduktisoon erinevate mehhanismide kaudu. Samas pole lubjastumise ja primaarproduktsiooni vahelisi seoseid mageveekogudes seni selgelt kirjeldatud, mistõttu on ka kaltsiidi sadestumise põhjused endiselt ebaselged. Kaltsiidi sadestumist põhjustavate tegurite mõistmine ja väljaselgitamine on aga vajalik selle protsessi parameetrimiseks, et siseveekogude süsinikuringet nõuetekohaselt kaasata globaalsetesse mudelitesse. Seda on väga oluline arvestada ka järvemudelites, kuna lupjumine võib põhjustada lahknevusi empiiriliste andmete ja teoreetiliste mudelite vahel, mis tuginevad järve süsinikuvoogude hindamisel ainult metaboolsetele protsessidele. Selle töö põhieesmärk on mõista kaltsiidi väljasademise olulisust, seda põhjustavaid tegureid ja tagajärgi järvedele nii globaalses kuni kohalikus mõõtmes. Töö peamised tulemused on jagatud kolme peatükki, millest igaüks vastab teadusajakirjas avaldatud artiklile. Esimese artikli peamiseks eesmärgiks oli hinnata pelaagilise lupjumise olulisust ja sellega seotud süsihappegaasi lendumist järvedes ning anda esialgne hinnang nendele protsesside globaalsele tähtsusele. Antud hinnang põhineb seni kirjanduses avaldatud lubjastumise määradest ja veekogude aluselisusest. Töö tulemused viitavad, et pelaagiline lupjumine järvedes on globaalses mastaabis oluline protsess ja on samas suurusjärgus orgaanilise süsiniku väljasettimisega järvedes. Lupjumisest tulenevad süsihappegaasi heitkogused on tänu järvede karbonaatsel tasakaalul põhinevale puhverdusvõimele siiski väike. Pelaagiline lupjumine saab tekkida vaid üle 1 mekv/l aluselisusega mageveekogudes, kuhu kuuluvad enam kui pooled maailma järved ja veehoidlad. Järvede pelaagilise lupjumise tähtsus rõhutab vajadust mõista selle protsessi liikumapanevaid tegureid, mis omakorda võimaldaks seda protsessi ka parameetrida ning arvestada järvemudelites ja süsinikuringe uuringutes. Nende tegurite olulisust käsitletakse antud töö teises artiklis, kus pelaagilise lupjumise põhjusi uuritakse mitmetes Euroopa järvedes tehtud in situ inkubeerimiskatseid ja automaatsetest seirejaamade mõõtmisandmeid analüüsides. Töö tulemusena tuvastati oluline seos lubjastumise, ökosüsteemi puhastoodangu (NEP) ja kaltsiidi küllastustaseme vahel. Leiti, et lubjastumise ja NEP-i omavaheline suhe määrab kaltsiidi küllastustaseme vees. NEP mõjub lupjumisele lühiajalises skaalas ja võimendab seda. NEP-i efektiivsus lubjastumise indutseerimisel sõltub aga kaltsiidi küllastustasemest, mis saavutab oma tipu tavaliselt suvel. Seost lubjastumise ja NEP omavahelise suhte ning kaltsiidi küllastustaseme vahel saab kasutada kaltsiidi väljasadenemise hindamiseks järvedes ja veehoidlates. Lisaks aitab see seos seletada sageli täheldatud tasakaalu puudumist mineraalse süsiniku dünaamika ja järvede ainevahetuse vahel. Kolmas teadusartikkel tuvastab sellise tasakaalu puudumise kaheksas Eesti järves, kus kõrgema aluselisusega järvedes võivad esineda suured kõrvalekalded metaboolsest 1:1 stöhhiomeetriast, lahustunud hapniku ja DIC vahel. Selle artikli peamised järeldused viitavad sellele, et need kõrvalekalded on tingitud peamiselt lubjastumisest ja et neid on võimalik modelleerida kasutades lubjastumise ja NEP omvahelist suhet. See väitekiri annab esmase üldhinnangu kaltsiidi pelaagilisele väljasadenemisele ja sellega seotud süsihappegaasi eraldumisele ning toob välja tegurid, mida saab kasutada lubjastumise arvestamiseks järve süsinikubilansi hindamisel. Neid tulemusi saab pidada hüppelauaks edasistesse teadusuuringutesse. Käesolevas töös rõhutatakse ka vajadust kohandada meie praegust arusaama järve süsinikuringest, et arvestada orgaanilisi süsinikuga seotud protsesside kõrval ka mineraalse süsinikuga toimuvat, näiteks kaltsiidi väljasadestumist, mis on oluline nii mageveeökosüsteemi süsinikubilansi hindamisel kui ka erinevates järve ainevahetuse mudelites.
Les aigües continentals són un component rellevant del cicle global del carboni pel seu paper com a punts calents de processos biogeoquímics mitjançant els quals el carboni s’emmagatzema, es transforma i s’emet cap a l’atmosfera. Com a resultat, menys de la meitat del carboni que s’exporta des dels ecosistemes terrestres a les aigües continentals arriba finalment als oceans. Els llacs i embassaments tenen la capacitat d’emmagatzemar i emetre carboni en grans quantitats, comparables en magnitud a d'altres fluxos globals de carboni com la crema de combustibles fòssils, l’embornal de diòxid de carboni (CO2) oceànic o l’embornal continental de carboni. La intensa recerca duta a terme en les darreres dues dècades ha quantificat aquests fluxos i identificat els principals factors determinants per tal d’incorporar les aigües continentals als balanços globals de carboni i facilitar la seva inclusió als models del sistema Terra. Gran part d’aquests treballs han donat prevalença als processos orgànics com a determinants dels fluxos de carboni en llacs. L'enterrament de carboni orgànic s'ha descrit com la forma principal de l’embornal sedimentari de carboni en aquests sistemes. Alhora, la mineralització de carboni orgànic resultant de l’heterotròfia aquàtica neta s’ha identificat com el principal factor determinant de les emissions de CO2 a l'atmosfera des de llacs i embassaments. En definitiva, els balanços globals de carboni i els models lacustres s’han basat principalment en els components orgànics del cicle del carboni, assumint que els processos inorgànics tals com les reaccions del carboni inorgànic dissolt (DIC) o la precipitació de carbonat de calci tenen un paper negligible. No obstant això, l’evidència geològica en testimonis de sediment mostra que en llacs els carbonats actuen com un embornal de carboni a llarg termini. A més, estudis recents suggereixen que la precipitació de calcita pot ser una font rellevant del CO2 emès des de la superfície de llacs i embassaments, alhora que la precipitació de calcita pot tenir un efecte important sobre els equilibris del DIC. No obstant això, la calcificació, l’emmagatzemament resultant de carboni als sediments, i les emissions associades de CO2, no han estat mai quantificades a escala global. Per tant, es desconeix la contribució relativa dels processos orgànics i inorgànics en el balanç de carboni dels llacs. Això posa de manifest la necessitat d’una estima global d’aquest procés. La producció primària promou la precipitació de calcita a través de diversos mecanismes, si bé la relació entre producció primària i calcificació no ha estat clarament descrita en aigües dolces. Comprendre els determinants de la precipitació de calcita en llacs és un pas necessari per poder parametritzar aquest procés i incloure adequadament els fluxos de carboni en aigües continentals en els models de sistema Terra. Això és particularment rellevant en la modelització de llacs perquè la calcificació pot causar discrepàncies entre les dades empíriques i els models teòrics que només contemplen processos metabòlics per avaluar els fluxos de carboni en aquests sistemes. L’objectiu principal d' aquesta tesi és comprendre la rellevància de la precipitació de calcita en llacs, els seus determinants i les implicacions, tant a escala global com local. Les principals conclusions es divideixen en tres capítols, cadascun corresponent a un article publicat en una revista. El primer article té com a objectiu avaluar la rellevància global de la calcificació pelàgica en llacs i les emissions de CO2 associades, proporcionant una primera estima d’aquests fluxos a escala global. Aquesta estima es basa en la relació entre taxes de calcificació reportades a la literatura i alcalinitat de l’aigua. Els resultats suggereixen que la calcificació pelàgica lacustre és un procés rellevant a escala global, similar en magnitud a l'enterrament de carboni orgànic als sediments dels llacs. Les emissions de CO2 associades a la calcificació, però, són de menor importància a causa de l’efecte tamponador dels equilibris del DIC. La calcificació pelàgica té lloc potencialment en llacs d'alcalinitat superior a 1 meq L-1, que representen més de la meitat de la superfície global de llacs i embassaments. La importància del la calcificació pelàgica en llacs posa de manifest la necessitat d'entendre’n els factors que la determinen per tal de poder parametritzar aquest procés i incloure’l en els balanços de carboni de les aigües continentals. Aquest tema s’aborda al segon article, que combina experiments basats en incubacions in situ amb dades d’alta freqüència obtingudes per estacions automàtiques de monitoreig en diversos llacs europeus, per tal d’entendre els factors que determinen la calcificació pelàgica. Es va identificar una forta relació entre calcificació, producció neta ecosistèmica (NEP) i saturació de calcita, estant el quocient entre calcificació i NEP determinat en gran mesura per la saturació de calcita a l’aigua. L'efecte de la NEP sobre la calcificació es dóna a una escala temporal curta, de manera que un augment de la NEP indueix la calcificació. Tot i així, l'eficiència amb què la NEP indueix la calcificació depèn de la saturació de calcita, que en canvi segueix variacions a una escala temporal més llarga, generalment assolint els valors màxims durant l’estiu. La relació entre el quocient calcificació/NEP i la saturació de calcita pot servir de base per a una parametrització de la precipitació de calcita en llacs i embassaments. A més, aquesta relació també pot explicar els desequilibris sovint observats entre la dinàmica del carboni inorgànic i el metabolisme lacustre. El tercer article analitza aquests desequilibris en vuit llacs d’Estònia, on s’observen grans desviacions de la estequiometria metabòlica 1:1 entre oxigen dissolt (DO) i DIC en els llacs de major alcalinitat. Les principals conclusions d’aquest article suggereixen que aquestes desviacions són causades per la calcificació i que es poden modelitzar mitjançant el quocient calcificació/NEP. Aquesta tesi proporciona una primera estima global de la precipitació pelàgica de calcita i la conseqüent emissió de CO2 i ofereix una primera parametrització de la calcificació, que es pot utilitzar per incloure aquest flux en els balanços de carboni en llacs. Els resultats constitueixen un punt de partida sobre el qual aprofundir en aquest tema. Aquest treball ressalta la necessitat de millorar la comprensió actual del cicle del carboni tenint en compte tant processos orgànics com processos inorgànics com la precipitació de calcita, en els models i balanços de carboni dels sistemes lacustres.

La captura i emmagatzematge geològic de CO2 es considera una opció viable per a la reducció de les emissions netes d’aquest gas a l’atmosfera terrestre. El procés consisteix a separar el CO2 de la resta de gasos generats durant l’ús de combustibles fòssils, transportar-lo fins a les plantes d’emmagatzematge i injectar-lo en una formació porosa i permeable que el retindrà, en principi, indefinidament. En aquesta tesi es consideren els aqüífers salins profunds com a reservori de CO2 de referència. La fase d’emmagatzematge requereix que es monitoritzi el subsòl mitjançant tècniques indirectes no destructives, amb l’objectiu de caracteritzar la distribució del CO2 dins el reservori per poder assegurar que la contenció és efectiva i permanent. Entre els mètodes de monitoreig existents, els mètodes elèctrics i electromagnètics són molt convenients, degut a la seva sensibilitat a la conductivitat elèctrica, una propietat física intrínsecament relacionada amb la fracció de volum de fluids conductors presents a la porositat de la roca. Quan s’injecta CO2 al subsòl, la substitució de salmorra (conductora) per gas (resistent) genera un contrast de resistivitat detectable amb mètodes elèctrics i electromagnètics. En funció de la magnitud del canvi, es pot quantificar la saturació de CO2 del reservori. Aquesta tesi centra la seva investigació en els efectes elèctrics d’alguns dels fenòmens que tenen lloc a micro-escala durant el procés d’injecció i emmagatzematge geològic de CO2. L’objectiu principal consisteix a caracteritzar la distribució de resistivitat elèctrica d’una mostra centimètrica de gres de Fontainebleau en dos experiments principals, mitjançant la tècnica de la tomografia elèctrica aplicada a escala de laboratori. Els dos experiments principals d’aquesta investigació inclouen, per un cantó, la quantificació de la saturació de CO2 per a diferents graus de saturació i, per l’altre, el monitoreig del sistema en un experiment de dissolució de CO2 a alta pressió (40 bar). A l’experiment I, la mostra representa una petita fracció d’un aqüífer salí profund (saturat d’una salmorra molt salina) en diferents estadis de l’avanç del plomall de CO2. A l’experiment II, la mostra representa una fracció d’un aqüífer somer (amb una salmorra poc salina) en la qual hi ha hagut una invasió de CO2 des d’un aqüífer proper. Per tal de poder realitzar els experiments plantejats, s’ha dissenyat i muntat un sistema experimental que permet realitzar mesures de tomografia elèctrica a les condicions de pressió requerides, sense haver d’aturar l’experiment. Els dos experiments principals són una de les contribucions més importants d’aquesta tesi, perquè per primer cop s’ha aplicat tomografia elèctrica a escala centimètrica en experiments que involucren CO2. Els resultats han demostrat que el sistema experimental permet obtenir dades significatives i de bona qualitat. Els models resultants de l’experiment I han permès quantificar la saturació de CO2 a l’interior de la porositat de la roca, mentre que l’experiment II ha permès determinar l’augment de la conductivitat de la salmorra degut a la dissolució i dissociació de CO2 al llarg de vuit dies. Així, aquesta tesi suposa una contribució rellevant al camp de l’emmagatzematge geològic de CO2 i al de l’aplicació de la tomografia elèctrica a escala de laboratori, presentant una investigació dels fenòmens elèctrics fruit de la interacció entre els components del sistema roca–salmorra–CO2 a escala centimètrica. Les dades experimentals adquirides, a més, constitueixen una base de coneixement per a la calibració dels models obtinguts amb tècniques elèctriques i/o electromagnètiques de gran escala, o per a la realització de processos d’upscaling.
Carbon capture and storage (CCS) is considered a feasible alternative to reduce the net emissions of CO2 to the atmosphere. This thesis is related to the monitoring phase of the process, after CO2 has been injected into the porosity of a reservoir and the evolution of the system and its properties has to be controlled. The main goal of monitoring is to obtain an accurate characterization of the subsurface CO2 accumulation, in order to verify the quantity of injected gas and to detect any possible leakage. Geophysical monitoring of the reservoir is performed from the surface or along boreholes, and thus it becomes necessary to perform laboratory experiments to investigate the behavior of the reservoir rock in relation to CO2, and to calibrate the results of the field scale methods. Electric and electromagnetic methods are especially well-suited for CCS monitoring due to the sensibility of electric resistivity to CO2 saturation. This thesis focuses on two main objectives. Firstly, to design and construct an experimental setup which is able to perform electrical tomography measurements on a centimeter-scale rock sample at various P-T conditions. Secondly, to perform two new experiments related to CO2 monitoring. In the first experiment, we have quantified the CO2 saturation inside a cylindrical (4x8 cm) Fontainebleau rock sample at various CO2 volume fractions, emulating a small fraction of a saline aquifer at different injection stages (the sample was saturated with a highly saline brine). In the second experiment, we have detected and quantified the effects of the dissolution of the CO2 in the brine on the same sample at a pressure of 40 bar during eight days, emulating the invasion of CO2 into a shallow aquifer (the brine used was of low salinity). Both experiments of this thesis represent a contribution to the CCS field, as they highlight some important aspects which are typically neglected, such as the effect of the surface conductivity and the variation of brine conductivity during the experiment. If both factors are ignored, the CO2 saturation will be underestimated by using only the resistivity index method. We have modified the equation to account for these two influences, thus contributing to a more accurate monitoring.

In river networks, dissolved organic matter (DOM) constitutes the major pool of organic carbon, and plays a key role as energy source and modulator of toxic substances availability. In this thesis, Joan P. Casas-Ruiz and collaborators provide new insights into the controls on DOM processing, and into how in-stream reactions and changing DOM sources modulate DOM dynamics in river networks. To attain this, the quantity and composition of DOM were evaluated across a river network throughout a full hydrological year. The results compiled in this thesis pose water residence time as the main regulator of DOM processing, while DOM properties as well as nutrient availability determine the net balance of in-stream degradation and production of DOM. A network-scale analysis identifies a pattern of DOM concentration and chemical diversity with maxima in medium-sized rivers, and the same pattern emerges upon analysis of a global data set. On the basis of these results, this thesis proposes a conceptual framework to comprehend and predict the spatiotemporal dynamics of riverine DOM
La matèria orgànica dissolta (DOM) constitueix la major reserva de carboni orgànic en els sistemes fluvials, on també hi juga un paper clau com a font d'energia i modulador de la disponibilitat de substàncies tòxiques. En aquesta tesi, Joan P. Cases-Ruiz i col•laboradors pretenen identificar els controls de processament DOM, i entendre com la combinació de reaccions in situ i canvis en les fonts de DOM modulen les dinàmiques de la DOM fluvial. Per tal d'assolir-ho, es van evaluar la quantitat i composició de la DOM en una xarxa fluvial al llarg d'un any hidrològic complet. Els resultats recopilats en aquesta tesi assenyalen el temps de residència de l'aigua com el principal regulador de processament de la DOM, mentre que les propietats intrínsiques de la DOM, així com la disponibilitat de nutrients determinen el balanç net de degradació i producció de la DOM. Una anàlisi a escala de xarxa fluvial identifica un patró de concentració i diversitat química de la DOM amb màxims en els rius de mida mitjana. En base a aquests resultats, aquesta tesi proposa un marc conceptual per comprendre i predir les dinàmiques espacials i temporals de la DOM fluvial

Nowadays, it is recognized that freshwater ecosystems can process a substantial part of the terrestrial organic matter they transport, thereby contributing significantly to global C fluxes. However, the mechanisms behind this processing are still poorly defined. The scant consideration of the environmental heterogeneity commonly found in river networks in ecological studies could be limiting our comprehension of the real capacity of freshwater ecosystems to process organic matter and the range of existing pathways to do so. Mediterranean river networks are ideal settings to explore this knowledge gap because their large variability in flow conditions, both climate- or human-induced, lead to high spatial and temporal environmental heterogeneity. This flow variability results in complex river networks that commonly include temporary streams that cease to flow at some point in space and time, and a notable presence of lentic waterbodies generated by flow regulation. These are features that are also expected to expand to freshwater ecosystems worldwide due to the ongoing global change. Despite their current and predicted widespread occurrence, the processing of organic matter under these conditions is far from fully understood. This thesis contributes to filling this shortage of knowledge by exploring different mechanisms involved in the processing of terrestrial organic matter along a Mediterranean river network. Specifically, it aims to increase current knowledge on POM decomposition across the mosaic of habitats generated by flow variability and the DOM uptake by bacteria in a forested stream. The findings of this thesis showed that flow variability induced by both natural and human disturbances generates a complex mosaic of habitats with distinct capacity to transport, retain and process POM. On the one hand, our results indicated that flow regulation by small dams and weirs triggers changes in the ecosystem functioning along the river network, as revealed by differences in wood decomposition rates between lotic and lentic reaches. However, these changes occurred only in high-order streams, where decomposition rates were faster in lotic than in lentic reaches, probably due to more physical abrasion and differences in microbial decomposer assemblages. On the other hand, our results pointed out that the recurrent flow cessation in temporary streams generates discontinuities in leaf litter decomposition along it. Dry and emerged conditions slowed down the decomposition in intermittent reaches compared to perennial ones. However, the specific moment of flow fragmentation entails a mosaic of aquatic and terrestrial habitats that encompasses a highly heterogeneous decomposition process. In isolated pools, decomposition rates were as faster as in a perennial reach, with an intense leaching and an important contribution of microbial decomposers. In emerged streambed sediments, leaf litter decomposed slower than in aquatic habitats and the decomposition was driven by abiotic factors. In addition, results from this thesis also indicated that the labile forms of DOC are as highly immobilized from the water column as DIN even when large amounts of detritus are available in a forested stream. Indeed, bacteria established on leaf litter had the highest contribution to this immobilization, indicating the influence of autumnal inputs on the cycling of C and N in forested streams. Overall, this doctoral thesis contributes to a better understanding of how Mediterranean river networks process organic matter and highlights the need to study it taking into account the mosaic of habitats generated by flow variability.

Os dois ciclos mais importantes nas reações de oxi-redução, no ambiente de superfície, são o do carbono e o do enxofre que fazem parte de um sistema maior que compreende a atmosfera, biosfera e litosfera sedimentar. Levando isso em conta, partimos de um modelo de simulação numérica do ciclo biogeoquímico global, para investigar o papel do sistema carbono-oxigênio-enxofre. A modelagem se baseia em estudos nos quais o ciclo do carbono é conjugado com o ciclo do enxofre, elaborada a partir dos principais mecanismos de oxi-redução envolvidos nos ciclos biogeoquímicos das rochas sedimentares e no registro isotópico do sulfato e carbonato marinho, durante o Fanerozóico. A descrição numérica que compõe a estrutura do modelo se apresenta sob a forma de um sistema de Equações Diferenciadas Ordinárias, empregando uma técnica de modelagem em Fortran que descreve as influências mútuas entre os diversos parâmetros geoquímicos envolvidos. Para o intervalo de tempo considerado, os resultados se apresentam qualitativamente válidos, embora contraditórios quando se observam os teores de oxigênio atmosférico estimados. Hipóteses mais elaboradas associadas a metodologias mais adequadas permitirão estender este estudo, possibilitando previsões mais precisas e abrangentes que conciliem de forma mais satisfatória os aspectos ambientais, tanto a nível local como regional e global.
Carbon and sulfur cycles comprise a pair of cycles of outstanding importance when the redox processes of the atmosphere, biosphere and the sedimentary lithosphere are considered within an integrated whole. These considerations triggered in this work the development of numeric models capable of investigating the global biogeochemical within the carbon-oxigen-sulfur system. Modeling is based on studies the carbon is considered as coupled with the sulfur cycle, in terms of the main redox mechanisms involved in the biogeochemical cycles of sedimentary rocks and in the isotopic record of marine sulfates and carbonates, during the Phanerozoic. The model structure comprises a numerical description presented as a system of Ordinary Differential Equations, using a Fortran modeling technique that describes the mutual influences among the various geochemical variables involved. Along the investigated time interval, results are apparently coherent, although somewhat contradictory as far as the estimated oxygen contents are concerned. More elaborated hypotheses, associated to more adequate methodologies will allow us to extend this study in order to suggest predictions that will be both more precise and span wider intervals, including environmental aspects at the local, regional and global scales.

La producció primària del fitoplàncton marí transforma CO2 i nutrients de l'aigua de mar en matèria orgànica. Encara que la majoria del carboni contingut a la matèria orgànica és reciclat prop de la superfície dels oceans, una part s'enfonsa cap a aigües profundes i és convertit altre cop en CO2 per l'acció dels bacteris marins, i només un 0,1% arriba als fons oceànics i és emmagatzemat als sediments, restant aïllat de l'intercanvi actiu amb l'atmosfera. L'eficiència d'aquest procés, anomenat bomba biològica oceànica, no depèn només de l'absorció de CO2 atmosfèric, sinó dels processos que afecten al flux de material que acompanya al carboni en el seu viatge al llarg de la columna d'aigua. Aquest flux també transporta cap als sediments profunds altres indicadors de processos biogeoquímics que tenen lloc a les aigües superficials, indicadors que poden ser d'especial importància per a reconstruir les condicions ambientals i llurs possibles causes de variació en el passat.

El primer gran experiment de fluxos de partícules a la mar d'Alborán ha aportat informació molt rellevant sobre l'origen i els processos de transferència de material particulat, així com sobre l'eficiència de la bomba biològica en aquesta àrea situada a cavall entre la mar Mediterrània i l'oceà Atlàntic. L'anàlisi combinat de les dades de fluxos de partícules obtingudes en cinc estacions durant gairebé un any (de juliol de 1997 a maig de 1998), juntament amb dades de corrents, hidrologia, meteorologia i imatges de satèl·lit (clorofil·la i temperatura de l'aigua superficial) del sud de la península Ibèrica, ha permès determinar els tres principals processos que controlen l'arribada de material particulat al fons marí.

· L'entrada de grans quantitats de carboni orgànic i òpal al fons és controlada per la circulació de les masses d'aigua superficials (girs d'Alborán i Front d'Almeria-Orà), la qual determina el desenvolupament de comunitats fitoplanctòniques riques en diatomees i la sedimentació massiva d'agregats orgànics. La influència d'aquestes estructures hidrològiques provoca que l'eficiència de la bomba biològica a la zona sigui la més elevada de les enregistrades a la mar Mediterrània, amb valors del 0,5-0,9% del carboni produït per fotosíntesi a les aigües superficials transferit verticalment i emmagatzemat als sediments profunds a més de 2000 metres.

· El material terrígen és introduït principalment per la descàrrega dels rius situats al sud de la península Ibèrica. La transferència quasi directa del material fí aportat per aquests rius cap al fons de la mar d'Alborán oriental a través de canyons submarins, i la circulació superficial de les masses d'aigua en direcció sud-est, nodreixen d'abundant material litogènic tota la zona. L'efecte llast, proporcionat per aquestes partícules litogèniques i per partícules de carbonat de calci en períodes d'elevada productivitat, impedeix el procés natural de formació de bari biogènic en els agregats de matèria orgànica, element utilitzat tradicionalment com a indicador de processos biològics tant en temps recents com passats.

· La batimetria irregular de la mar d'Alborán afavoreix l'existència de processos laterals de transferència de material i la presència de capes nefeloides intermèdies i de fons, riques en material litogènic i carbonat resuspesos per acció dels corrents. En moments d'elevada productivitat aquestes aportacions laterals són també riques en carboni orgànic, constituint una de les fonts més importants de carboni cap als sediments profunds. L'existència d'aportacions laterals de bari biogènic a la zona més propera al marge continental ibèric i la diferència notable entre els valors enregistrats en zones de marge continental i en ambients d'oceà obert qüestiona l'ús del bari biogènic com a indicador directe de productivitat primària a les aigües superficials.
Primary production of marine phytoplankton transforms CO2 and nutrients from seawater into organic matter. Although most of it is recycled near the surface, a fraction sinks into the deeper waters and is converted back into CO2 by marine bacteria, and only about 0.1% reaches the seafloor and is buried in the sediments. The efficiency of this process, known as the oceanic biological pump, does not depend only on the uptake of atmospheric CO2 but on the processes controlling the flux of material accompanying carbon during its descent through the water column. This flux also transports other biogeochemical indicators of surface processes to the deep-sea sediments, which are determinant to reconstruct environmental conditions and its possible causes of variation in the past.

The first large particle flux experiment in the Alboran Sea has provided important information about the origin and transfer processes of particulate material and the efficiency of the biological pump in this key area between the Mediterranean Sea and the Atlantic Ocean. The combined analysis of particle fluxes obtained from five stations over almost one year (from July 1997 to May 1998), together with current, hydrology and meteorology data and satellite images (chlorophyll and sea surface temperature) from the southern Iberian Peninsula reveals that three main processes control the arrival of particulate material to the deep-sea sediments.

· The arrival of particulate organic carbon and opal to the sea floor is controlled by sea surface circulation (Alboran gyres and Almeria-Oran Front) that allows the development of diatom-rich phytoplankton communities and the massive sedimentation of organic aggregates. The influence of these hydrological structures causes the efficiency values of the biological carbon pump to be amongst the highest recorded in the whole Mediterranean Sea, with 0.5-0.9% of the carbon fixed during photosynthesis transferred down to the sea floor and buried in the sediments at more than 2000 m of water depth.

· The arrival of terrigenous sediments to the deep Alboran Sea is closely linked to fluvial discharge from the southern Iberian Peninsula rivers. The almost direct transfer of the material delivered to the continental shelf to the deep basin through submarine canyons and the southeastward dominating circulation feed the area with abundant lithogenic material. The ballast effect of the lithogenic and carbonate particles may limit decomposition of organic matter aggregates and biogenic barium formation, traditionally used as a proxy for both modern and past biological processes.

· Irregularities in local bathymetry favour the existence of lateral transport processes and the formation of intermediate and deep nepheloid layers relatively rich in lithogenic and carbonate material resuspended by near-bottom currents. During high productivity events the advected material is also rich in organic carbon, representing the most important source of carbon to deep-sea sediments. Lateral transport of biogenic barium from the lower continental slope in the Western Alboran Sea to deeper areas, together with the clearly different relationship between biogenic barium and organic carbon in margin systems and open ocean systems, questions the use of biogenic barium as a productivity proxy.

Orientador: Henrique Cesar da Silva
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociências
Made available in DSpace on 2018-08-19T00:30:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barros_CristianeOliveirade_M.pdf: 4281977 bytes, checksum: b5c1e7d5c90fe9d95ab0cc7b75beab57 (MD5) Previous issue date: 2011
Resumo: Entender o funcionamento de nosso planeta em sua complexibilidade, em diferentes processos e acoplamentos entre eles, tem sido um desafio para cientistas em todo mundo em diversas áreas. Estender este conhecimento, a perspectiva da sua complexidade, à escola e aos alunos é um desafio ainda maior, já que passa pela estrutura curricular, produção de materiais didáticos, avaliação e mediação docente. Isso certamente também se relaciona com questões ambientais. Discursos sobre ambiente são produzidos por diversas ciências, com seus arquivos e suas condições de produção, mas também por outras vozes e em outras instâncias e instituições. Discursos esses que significam e re-significam as relações homem/natureza, ciências humanas/ciência naturais, homem/ambiente, relações entre sociedade, ciência, tecnologia e ambiente. Dentre as questões atualmente mais discutidas em torno da temática ambiental estão aquelas relacionadas ao aquecimento global e às mudanças climáticas, envolvidas em controvérsias sobre a ação antrópica e, principalmente no que diz respeito ao aumento do CO2 atmosférico e sua possível relação com possíveis mudanças no clima da Terra. Alguns desses discursos que significam o ambiente de diferentes maneiras chegam à escola, participam da produção de discursos escolares. Outros não. Entre os sentidos e conhecimentos que fazem parte dessas questões, estão aqueles relacionados ao ciclo do carbono. Buscamos analisar possíveis efeitos de sentidos sobre esse tema cuja circulação passa pela escola, e em cuja circulação sócio-histórica mais ampla, a escola tem um papel. Este trabalho tem como objetivo analisar diferentes textualizações do ciclo do carbono, ou seja, materiais que nos permitem produzir sentidos sobre esse assunto, tanto na forma de imagens quanto na forma verbal escrita, enquanto definições encontradas em livros didáticos. Materiais que circulam em escolas. Além desses materiais, foram analisadas questões do ENEM que tratam especificamente desse tema, como uma das formas pelas quais determinados sentidos sobre o ciclo do carbono chegam à escola. A perspectiva teórico-metodológica foi baseada na Análise de Discurso de origem francesa que nos permite observar os efeitos de sentidos produzidos pelos diferentes discursos sobre o ciclo do carbono. Bem, como em aspectos da epistemologia das geociências, de onde derivamos as categorias de análise. Acreditamos que nosso trabalho contribui para a compreender e para ressaltar o papel de conhecimentos e da perspectiva epistemológica das geociências nas escolas, trazendo à reflexão a utilização de concepções que possibilitem aos alunos desenvolver um entendimento do sistema terrestre
Abstract: Understand the workings of our planet in its complexity, in different processes and linkages between them, has been a challenge for scientists around the world in several areas. Extending this knowledge, the prospect of their complexity, the school and students is an even greater challenge, as is the curriculum structure, production of teaching materials, teacher evaluation and mediation. This certainly relates to environmental issues. Discourses on the environment are produced by various sciences, with their files and their conditions of production, but also by other voices and other bodies and institutions. Mean that these discourses and re-signify the man / nature, human sciences / natural science, human / environment relationships between society, science, technology and environment. Among the currently most discussed issues around the environmental issues are those related to global warming and climate change, involved in controversies about human action and especially with regard to increasing atmospheric CO2 and its relation to possible changes in climate Earth. Some of these speeches that mean the environment in different ways come to school, participate in the school production of speech. Others do not. Between the senses and knowledge that are part of these issues are those related to the carbon cycle. We seek to analyze possible effects of meaning on the subject on which traffic passes through the school, whose circulation and broader socio-historical, the school has a role. This work aims to analyze different textualizações of the carbon cycle, ie, materials that allow us to make sense of this, both as images and written in verb form, while definitions found in textbooks. Materials that circulate in schools. In addition to these materials were analyzed ENEM issues that specifically this issue as one of the ways in which certain meanings about the carbon cycle to school arrive. The theoretical-methodological approach was based on Discourse Analysis of French origin that allows us to observe the effects of meaning produced by the different discourses on the carbon cycle. Well, as aspects of the epistemology of geosciences, from which we derive the categories of analysis. We believe our work helps to understand and to highlight the role of knowledge and epistemological perspective of the geosciences in schools, bringing to reflect the use of concepts that enable students to develop an understanding of the Earth system
Mestrado
Ensino e Historia de Ciencias da Terra
Mestre em Ensino e Historia de Ciencias da Terra

Magíster en Meteorología y Climatología
Registros geológicos ponen de manifiesto rápidas y grandes excursiones isotópicas nega- tivas de 13C, tales registros sólo pueden ser explicados por grandes inyecciones de carbono empobrecido al Sistema Tierra. Estas inyecciones han llevado a extremos y abruptos eventos de calentamiento que, eventualmente, han estado acompañados de importantes extinciones masivas. Un candidato plausible para lo anterior es el metano. Es por ello, que es imperante contar con una nueva herramienta que permita el estudio climas pasados enfocados en la biogeoquímica del océano y su efecto en el clima. En este trabajo, se presenta la expansión del altamente versátil Modelo del Sistema Tierra DCESS para incorporar grandes inyecciones de CH4 las cuales pueden conducir a condiciones subóxicas/anóxicas en el océano. Para lidiar con esto, se llevó a cabo la incorporación de trazadores asociados a ciclos biogeoquímicos simplificados de nitrógeno y azufre; y su inter- acción con el sistema climático terrestre. Se pone a prueba esta nueva versión del Modelo mediante la liberación de metano en donde se ha variado el tamaño, escala temporal y reser- vorio (océano-atmósfera) de inyección. Se ha encontrado que grandes y relativamente rápidas inyecciones de metano al océano llevan a una extensa suboxia/anoxia con consecuencias importantes para la biogeoquímica y la vida en el océano y el clima, este último, a través de grandes liberaciones de óxido de nitró- geno a la atmósfera. Por su parte, inyecciones de CH4 a la atmósfera producen un incremento en la temperatura atmosférica global promedio aún mayor, pero con menor perturbación del océano. Por tanto, con esta nueva versión, se tiene una nueva y más completa herramienta para estudiar eventos de calentamiento pasados y que eventualmente pueden volver a ocurrir durante las décadas/siglos venideras(os) producto de la variación natural climática y/o la acción antropogénica a través de masivas liberaciones de carbono al Sistema Tierra.
Este trabajo ha sido financiado por Proyecto Fondecyt N° 1150913 y Núcleo Científico Milenio: Paleoclima del Hemisferio Sur

O objetivo da pesquisa foi quantificar os fluxos de entrada e saída de carbono (C) ao longo de um ano hidrológico, medidas estas importantes para o balanço de C num ecossistema. A microbacia em estudo apresenta uma área de 1319 hectares, o rio que drena esta microbacia é afluente do Rio Darro, Bacia do Rio Xingu, Mato Grosso Brasil. A cobertura vegetal é de Tensão Ecológica, área de contato entre a floresta tropical chuvosa e cerrado. Para estimar a entrada e o transporte de C no sistema, amostras de 12 eventos de chuva foram coletadas e determinadas as concentrações de carbono orgânico dissolvido (COD) e carbono inorgânico dissolvido (CID) na água da chuva, precipitação interna da floresta, escoamento de água pelo tronco, escoamento superficial do solo, solução do solo e água do lençol freático. Os fluxos de saída de C foram quantificadas em 13 eventos, com a determinação de CO2 e CH4 do rio e do solo, e a exportação de COD, CID e carbono orgânico particulado (COP) pelo rio. Na água da chuva as concentrações médias de COD foram de 6,7 ± 3,7 mg L-1, o que representou uma entrada de 82,3 Kg C ha-1 ano-1. Após o percurso através do dossel, a precipitação interna apresentou a maior quantidade de COD transportada no sistema, com valores de 142,6 Kg C ha-1 ano-1. O escoamento superficial do solo e o escoamento pelo tronco, contribuíram com apenas 1 a 2 % do COD transportado no sistema. No caso do CID, as concentrações nos compartimentos acima do solo foram muito baixas, semelhantes ao esperado pelo equilíbrio com o CO2 da atmosfera, ao passo que nos compartimentos abaixo do solo, houve supersaturação de CO2 e aumento considerável de CID. O solo foi a componente de maior perda de carbono do sistema, com fluxos para a atmosfera de mais de 6000 Kg C ha-1 ano-1, o que representou 99% da saída da microbacia. Para o CH4 o solo foi um pequeno sumidouro de carbono na ordem de 4,37 ± 0,09 Kg C ha-1 ano-1. O rio apresentou fluxos extremamente elevados de CO2 e CH4, com mais de 63000 Kg C ha-1 ano-1, porém as perdas pelo rio foram baixas quando comparadas com a área total da bacia (56,2 ± 0,07 Kg C ha-1 ano-1). Das frações exportadas na descarga pelo rio, o COD foi a fração dominante, porém relativamente baixa, com uma saída de 1,6 Kg C ha-1 ano-1. As perdas de CID e COP pelo rio foram de 0,9 Kg C ha-1 ano-1 e 0,01 Kg C ha-1 ano-1 respectivamente. Concentrações elevadas de COD nos compartimentos acima do solo, mostram uma clara variação sazonal, em parte, provavelmente como resultado das atividades humanas nesta região. As elevadas concentrações de CID na solução do solo e água do lençol freático durante o período chuvoso, associado aos maiores fluxos de CO2, indicam uma forte conectividade entre ambientes terrestre e aquático.
The objective of this research was to quantify the fluxes of carbon (C) input and output in a watershed during a hydrological year that represent important components for the C budget in an ecosystem. The watershed studied covered an area of 1319 ha, and is drained by the Darro River tributary, Xingu Basin, Mato Grosso state - Brazil. The area is characterized by a typical transition from evergreen tropical forest to Cerrado. In order to estimate the input and transport of C in the system, samples from 12 rain events were collected over the year and measured for dissolved organic carbon (DOC) and dissolved inorganic carbon (DIC) in the rainwater, throughfall, stemflow, overlandflow, soil solution, and groundwater. C fluxes were quantified in 13 sampling events for carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) emissions from the stream and soil, and for DOC, DIC and particulate organic carbon (POC) exported by the stream. Mean annual DOC concentration in the rainwater was 6.7 ± 3.7 mg L-1 representing an input of 82.3 Kg C ha-1 yr-1. Throughfall represented the largest flow path of DOC in the system with an annual transport of 142.6 Kg C ha-1 yr-1. Stemflow and overlandflow contributed to 1 and 2% of the total DOC transported in the system. For dissolved inorganic carbon, the concentrations in aboveground compartments were very low, similar to what is expected as result of the equilibrium whith the atmosphere. In contrast, DIC concentration in the belowground flow paths was high due to supersaturation in relation to the CO2 concentrations in the atmosphere. Soil C emission was the largest carbon flow path in the basin, more than 6000 Kg C ha-1 yr-1, which represented 99% of C losses in the watershed. In the case of CH4 the soil acted as a C sink with a sequestration rate of 4.37 ± 0.09 Kg C ha-1 yr-1. The stream showed elevated fluxes of CO2 and CH4 of more than 63000 Kg C ha-1 yr-1 . However, compared to the entire basin area the losses from the stream were small (56.2 ± 0.07 Kg C ha-1 yr-1). Although the DOC concentration in the stream was low, it represented the main organic carbon loss component, with a flux of 1.6 Kg C ha-1 yr-1. Losses of DIC and POC from the stream amounted around 0.9 Kg C ha-1 yr-1 and 0.01 Kg C ha-1 yr-1, respectively. The high DOC concentrations in aboveground flow paths exibited clear seasonal variations, in part problably as a result of massive human activities in the region. Also, the high concentrations of DIC in the soil solution and in groundwater during the rainy season, associated with the highest CO2 fluxes, indicated the strong connectivity between terrestrial and aquatic environments.

Orientador: Lúcia Helena Innocentini Mei
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química
Made available in DSpace on 2018-08-17T00:20:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Allganer_Katlen_M.pdf: 1913407 bytes, checksum: 0db427a1d4ddf8feb850924e6810f020 (MD5) Previous issue date: 2010
Resumo: As sociedades hoje têm de enfrentar os problemas resultantes dos padrões de consumo, como a geração de resíduos e sua destinação em áreas inadequadas, com conseqüentes impactos ambientais que dependem da composição dos resíduos e do tipo de disposição. Gerenciar a geração de resíduos significa administrar o processo produtivo e o consumo de bens, viabilizando o retorno dos materiais ao meio ambiente sem causar danos. Assim, é importante avaliar todo o ciclo de um processo, para promover a melhoria do desempenho ambiental de um produto e o uso de tecnologias sustentáveis. Diante desta realidade, o objetivo deste estudo foi avaliar as emissões de gases de efeito estufa durante etapas específicas do ciclo de vida do amido de milho plastificado com glicerol (plantio de milho e compostagem), fundamentando conhecimentos sobre os conceitos da Avaliação de Ciclo de Vida; e contribuindo com possíveis novos direcionamentos no uso de embalagens plásticas destinadas à compostagem, com conseqüente redução no uso de recursos não renováveis. Deste modo, este trabalho visa marcar o início de uma linha investigatória ainda incipiente na Unicamp, por tratar-se de um assunto pouco estudado e com muitas restrições na coleta de dados; e alertar a comunidade nacional sobre a importância deste tipo de estudo para o desenvolvimento sustentável tão apregoado no mundo todo. Os valores de emissões de CO2 obtidos neste estudo assemelham-se aos resultados divulgados na literatura internacional, considerando as restrições e a abrangência estabelecidas no escopo dos estudos comparados. Utiliza-se a metodologia de gestão ambiental, a Avaliação do Ciclo de Vida, descrito pelas Normas NBR 14040 e 14044, para orientações de divulgação dos resultados obtidos. A base de dados utilizada literatura e parte experimental, em que a amostra de amido de milho plastificado com glicerol é produzida em misturador de alto cisalhamento e submetida ao teste de biodegradação sob a Norma ASTM D5988-03
Abstract: Today society has to face problems that result from consumerism, like waste production and its inadequate disposal, with consequent environmental impacts that are linked to waste composition and kind of disposal. Managing waste production means to control the productive processes and the consuming of goods, in a way that waste materials return to the environment without causing much impact. It is then important to evaluate all the full cycle of a process in order to enhance the environmental performance of a product and the use of sustainable technologies. Under these concepts, the objective of this study was to assess greenhouse gases emissions during specific stages of the plasticized corn starch life cycle (corn growing and composting), underlying the knowledge of Life Cycle Assessment concepts; and contributing with possible new directions to the use of plastic packages for composting, with consequent reduction of non-renewable sources. Furthermore, this work aims to start an investigative line still incipient at Unicamp, for not being a very well known subject and with a lot of restrictions in data collection; and warn the national community about this kind of study for the sustainable development so publicized in the world. The results of CO2 emissions obtained in this study are similar to the results found in international works, considering the restrictions and the established range in the scope of the compared studies. It is used the environmental management tool, Life Cycle Assessment, described by Brazilian standards NBR 14040 and 14044 as orientation for results publication. As database, it is made a literature review and an experimental part, in which a corn starch sample is plasticized with glycerol in a high shear mixer and gone under biodegradation test using ASTM D5988-03 standard
Mestrado
Ciencia e Tecnologia de Materiais
Mestre em Engenharia Química

O Carbono Orgânico Dissolvido (COD) constitui em uma das principais formas de carbono orgânico exportado em rios e em outras vias hidrológicas preferencias nas bacias de drenagem. Na Amazônia, os estudos sobre o COD nas suas águas abrangem principalmente as grandes bacias da região central, com poucas análises sobre alterações na sua dinâmica após a substituição de florestas por pastagens, uma das mudanças no uso da terra mais comum na região. Este estudo objetivou fornecer informações que auxiliem na compreensão destes processos, através da comparação entre as dinâmicas das concentrações nas vias hidrológicas preferenciais, as exportações, e os balanços de COD durante eventos de precipitação em duas bacias de primeira ordem, sendo uma com floresta e outra com pastagem. O estudo foi conduzido numa fazenda próxima à cidade de Cacaulândia, no estado de Rondônia. As amostras foram coletadas na transição do período seco para o chuvoso (Agosto a Novembro de 2004) e período chuvoso (Janeiro a Abril de 2005). Os resultados mostraram que na transição do período seco para o chuvoso, apenas as concentrações de COD nas vias de entrada para o solo, precipitação na pastagem e precipitação interna na floresta, e de saída, pelos igarapés e água subterrânea apresentaram diferenças estatisticamente significativas entre floresta e pastagem. No período chuvoso, além destas, outras vias hidrológicas, como a solução do solo a 20 e 100 cm de profundidade e o escoamento superficial, mostraram-se distintas entre estes dois sistemas. Comparando-se os períodos do ano, em ambas as bacias as concentrações de COD nas vias hidrológicas foram superiores na época de transição do período seco para o chuvoso. A única exceção a este padrão foi observada na água subterrânea da floresta, que apresentou maiores concentrações de COD no período chuvoso. Na pastagem, o aumento do escoamento superficial resultou em maiores exportações de COD do que aquelas observadas na floresta. Como conseqüência, os balanços de COD a cada evento e anualmente, tendeu a ser mais positivos (maior retenção de COD) na última. Embora neste estudo não tenha sido possível, entre outros, quantificarem os fluxos de COD na água subterrânea e, portanto, obter um balanço mais preciso para esta forma de carbono nestes sistemas, os resultados demonstraram que a conversão de florestas em pastagens acarreta em um aumento significativo das exportações de COD, via igarapé, no último local, tanto em eventos individuais de precipitação, quanto anualmente.
Dissolved Organic Carbon (DOC) is one of the main fractions of organic carbon exported in rivers and other flow paths in watersheds. In the Amazon, studies of DOC in waters focus mainly on the large basins of the central region, with few analyses of changes in its dynamics after the replacement of forests by pastures, one of the most important land use changes in the region. This objective of this study was to obtain more information about these processes, by comparing dynamics in several flowpaths, exports and budgets of DOC during rain events in two first-order watersheds, one with forest and another with pasture. The study was conducted near city of Cacaulândia in the State of Rondônia. Samples were collected in the transition from dry to wet (August to November of 2004) and in the wet seasons (January to April of 2005). The results demonstrate that during the transition from dry to wet seasons, statistically significant differences in DOC concentrations between forest and pasture occur only in the inputs from precipitation in pasture and throughfall in forest and in the outputs in streams and groundwater. During the wet season the remaining flowpaths analyzed, soil solution at 20 and 100cm depth and overland flow, also showed statistically significant differences in DOC concentrations between forest and pasture. In terms of the periods of the year, in both watersheds DOC concentrations were higher during the transition from dry to wet seasons. The only exception to this pattern was observed in forest groundwater, with higher concentrations during the wet season. In the pasture, increases in discharge resulted in higher DOC export than in forest. As a consequence of this, DOC budgets, both in individual events and annually, showed a larger retention in the latest. Although in this study it was not possible, among others, to quantify the fluxes of DOC in groundwater, the results demonstrate that the conversion of forest into pasture causes a significant increase of DOC export in streams, both in individual rain events and on an annual basis.

Submitted by Socorro Albuquerque (sbarbosa@ufpa.br) on 2018-06-04T16:08:02Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ FluxoCO2Cultivo.pdf: 3745307 bytes, checksum: c20e8c71fc53b6e185150e5d2068f3f0 (MD5)
Approved for entry into archive by Socorro Albuquerque (sbarbosa@ufpa.br) on 2018-06-04T16:09:27Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ FluxoCO2Cultivo.pdf: 3745307 bytes, checksum: c20e8c71fc53b6e185150e5d2068f3f0 (MD5)
Made available in DSpace on 2018-06-04T16:09:27Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_ FluxoCO2Cultivo.pdf: 3745307 bytes, checksum: c20e8c71fc53b6e185150e5d2068f3f0 (MD5) Previous issue date: 2017-03-27
CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
Os ecossistemas terrestres são importantes para compreender as trocas de CO2 entre superfície e atmosfera. O objetivo deste trabalho foi caracterizar a variação diária e sazonal do fluxo de CO2 em cultivo de palma de óleo com híbrido interespecífico (Elaeis guineensis Jacq. x Elaeis oleifera (Kunth) Cortés) no leste da Amazônia. O estudo foi realizado na empresa Marborges Agroindústria S.A., Moju – Pará, onde foi instalada uma torre micrometeorológica para obtenção de dados meteorológicos e de CO2 no período de janeiro-dezembro/2015. O período chuvoso (1.974 mm) abrangeu os meses de janeiro-junho e dezembro (P > 150 mm mês-1) e o período menos chuvoso (345 mm) incluiu os meses de julho-novembro (P < 150 mm mês-1). Os valores médios diurnos da concentração de CO2 [CO2] foram menores e os valores médios noturnos foram maiores, principalmente nos níveis abaixo do dossel (5,8; 2,1; 0,5 m). Os valores médios diurnos de absorção de CO2 atingiram o máximo por volta do meio dia, com 22,3 (± 0,98) μmol m-2 s-1 no período chuvoso e 21,0 (± 0,47) μmol m-2 s-1 no período menos chuvoso. Houve pouca variação noturna nos valores médios de emissão de CO2, 5 (± 0,20) μmol m-2 s-1, em ambos os períodos, pelo cultivo de palma de óleo com híbrido interespecífico. Em geral, o ciclo diário de troca de CO2 apresentou leve diferença entre o período chuvoso e menos chuvoso, mesmo em ano de seca no leste da Amazônia.
Terrestrial ecosystems are important for the CO2 exchange between surface and atmosphere. The objective of this paper was to characterize the daily and seasonal variation of CO2 flux in oil palm cultivation with interspecific hybrid (Elaeis guineensis Jacq. x Elaeis oleifera (Kunth) Cortés) in eastern Amazonia. The study was carried out at Marborges Agroindústria S.A., Moju - Pará, where a micrometeorological tower was installed to obtain meteorological and CO2 data from January to December of 2015. The wet season (1.974 mm) covered the months of January-June and December (P > 150 mm month-1) and the dry season (345 mm) included the months of July-November (P < 150 mm month-1). The average daily values of CO2 concentration [CO2] were lower and average night values were higher, mainly at levels below the canopy (5.8; 2.1; 0.5 m). The average daily values of CO2 uptake peaked at noon, with 22.3 (± 0.98) μmol m-2 s-1 in the wet season and 21.0 (± 0.47) μmol m-2 s-1 in the dry season. There was little nocturnal variation in the average values of CO2 emission, 5 (± 0.20) μmol m-2 s-1, in wet and dry seasons, by oil palm cultivation with interspecific hybrid. Generally, the daily CO2 exchange cycle presented a slight difference between the wet and dry season, even in drought year in eastern Amazonia.

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil
Los fenómenos de eutrofización como respuesta biológica de los sistemas acuáticos ante la carga antropogénica de nutrientes, se han extendido en lagos, ríos y sistemas costeros. Los sistemas someros son un foco particular de estudio debido a la respuesta que ofrecen ante los efectos de la eutrofización. En este contexto, la laguna Carén, ubicada en la comuna de Pudahuel (Región Metropolitana, Chile), surge como un ecosistema acuático somero, cuyo interés de estudio recae en su condición de hipereutrofización que supera los índices señalados por \citet{Smith1999}. El principal objetivo de este estudio es caracterizar y cuantificar los procesos que vinculan al dióxido de carbono con los ciclos de nutrientes en cuerpos de agua someros y en estado eutrófico. En base a las mediciones realizadas en la laguna y la revisión de antecedentes de cuerpos de agua someros, se buscó elaborar un modelo numérico que reprodujera el comportamiento de las variables de oxígeno disuelto, dióxido de carbono, nitrógeno y fósforo en el tiempo. Entre las fechas del 22-12-17 y el 28-11-18 se realizó un monitoreo continuo de las forzantes del sistema, las variables hidrodinámicas y del intercambio de dióxido de carbono con la atmósfera. Se complementó la información anterior con muestreos puntuales para un análisis de calidad del agua de la laguna. A partir de estas mediciones se efectuó la calibración del modelo numérico de la laguna. Las mediciones en terreno mostraron una evolución estacional de la laguna, a la vez que una evolución intradiaria. Las concentraciones medidas de nutrientes corroboraron el estado de hipereutrofización de la laguna y mostraron el efecto que tiene la descarga de la planta de aguas servidas Izarra de lo Aguirre. Los resultados del modelo numérico lograron simular una variación estacional de las variables estudiadas ($NH_4$,$NO_3$,$PO_4$), sin embargo no se logró reproducir la fuerte dinámica intradiaria para las variables de OD y $CO_2$. Los resultados del estudio identifican como principales procesos la fotosíntesis, la mineralización y la respiración, cuya evolución es aún más significativa a nivel diario. Para reproducir la dinámica intradiaria de la laguna, es necesario profundizar en las variaciones verticales de la concentración de las variables OD y $CO_2$. En la misma línea, se requiere profundizar en la caracterización de los sedimentos y los procesos que ocurren en ellos, como también en la resuspensión y sedimentación. Por último, se recomienda estudiar las cargas externas de nutrientes que recibe la laguna, ya que pueden explicar las altas concentraciones observadas en terreno.

Trabajo de tesis Doctoral que realiza Análisis de Ciclo de Vida con el Software Simapro y que hace una propuesta para el ACV S con la metodología del PSIA
La metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) permite obtener evaluaciones de impacto ambiental de un producto o servicio. Y por su característica holística ha ampliado sus evaluaciones al índole económico y social, siendo este último el menos desarrollado y donde aún sé pueden realizar propuestas para su evaluación. El objetivo de este trabajo fue la obtención de evaluaciones ambientales y sociales de queserías artesanales en Aculco, Estado de México. Para la realización del ACV ambiental (ISO 140400-140444). Se utilizó el software SimaPro versión 8.1.0.0, se seleccionaron 10 categorías de impacto ambiental: calentamiento global (GW); Agotamiento del ozono estratosférico (SOD); Formación de partículas finas (FPMF); Formación de ozono - ecosistemas terrestres (OfTe); acidificación terrestre (TA); eutrofización de agua dulce (FE); ecotoxicidad terrestre (TEc); toxicidad humana no cancerígena (HncT); escasez de recursos fósiles (FR) y consumo de agua (WC) y la huella de carbono (HC) (método IPCC, 2013). Simultáneamente se calcularon los impactos sociales a través del manual para la Evaluación de Impacto Social del Producto (PSIA), el cuál es una herramienta para el Análisis del Ciclo de Vida Social. Se eligieron 22 indicadores sociales para evaluar los actores sociales Trabajadores, Usuarios/ Consumidores, Comunidad Local y Emprendedor a baja escala. El estudio se realizó en 4 queserías artesanales en el municipio de Aculco, Estado de México, en el periodo de junio 2018 a junio 2019. La unidad funcional fue 1 kg de queso Oaxaca. Los límites del sistema fueron de la puerta a la puerta, donde se evaluó exclusivamente la entrada de materia prima a la quesería hasta el empaquetado y destino de venta. Los principales impactos ambientales fueron: 90% del calentamiento global es producido por la producción de leche y su producción de metano. El otro 10 % se les atribuye a los principales puntos críticos como el residuo del suero, el agua residual, el transporte y el consumo de electricidad. El promedio de la huella de carbono de 1 kg de queso Oaxaca fue 15.6 CO2 kg eq, el cual es elevado para un queso fresco comparado con otros estudios de quesos frescos. Los principales impactos sociales se centran en los temas de la salud y seguridad. En términos generales, existe un buen soporte normativo en México para verificar el cumplimiento de cada tema social que se propone. Los impactos se encuentran en lineamiento bajo las normas locales. Sin embargo, aún queda por implementar acciones que mejoren las condiciones de los actores trabajadores, disminuir los riesgos de salud, comunidad local que se vean más beneficiadas por las acciones de las queserías; consumidores asegurar que el producto ofrecido cumpla las normas de sanidad, y que la compra del queso sea segura. Para los emprendedores a baja escala, es acercarlos al comercio justo donde la competencia de producciones artesanales tenga las mismas oportunidades de alcanzar canales de comercialización adecuadas económicamente y así asegurar sus necesidades básicas.

Título de: Químico Ambiental
El contenido hídrico afecta la actividad ureásica y nitrificante en los suelos, por ende influye en los cambios de pH y potencial de óxido reducción. Dentro de las etapas del ciclo del nitrógeno en el suelo, la degradación de urea corresponde a la mineralización de nitrógeno orgánico mediante la actividad de la enzima ureasa de origen microbiano y sus principales productos de degradación son amonio (NH4 +) y posteriormente nitrato (NO3 -). En este trabajo se estudió el efecto de la capacidad de retención de agua (CRA) sobre las curvas de saturación de ureasa y las curvas de progreso de amonio y nitrato en condiciones de saturación por sustrato mediante ensayos con microcosmos con dos suelos de la Zona Central de Chile que difieren en su contenido de carbono orgánico (CO): suelo de la localidad Alhué (Región del Libertador General Bernardo O’Higgins) con bajo CO y suelo del Campus Antumapu (Región Metropolitana) con alto CO. Se construyeron microcosmos al 60 y 100 % de la CRA de cada suelo y se incubaron con distintas concentraciones de urea hasta por 24 horas para determinar la concentración de saturación de la enzima. Para la curva de progreso se incubaron los microcosmos en condiciones de saturación por sustrato en las mismas condiciones anteriores por 16 días. Para el análisis estadístico se utilizó el coeficiente de Correlación de Pearson y Análisis de varianza (ANOVA) de dos vías, con intervalos de confianza superiores al 95 %. Los resultados de las curvas de saturación de ureasa mostraron que en ambos suelos al 100 % de la CRA disminuye la velocidad máxima (Vmáx) y la concentración de semisaturación ([S]0,5). Esto se explica porque a una mayor CRA, la menor concentración de O2 limita los procesos metabólicos de los microorganismos capaces de degradar urea (aeróbicos). La actividad ureásica es mayor en el suelo Antumapu debido a que un mayor contenido de CO se asocia a una mayor capacidad para retener microorganismos capaces de degradar urea. De acuerdo al ANOVA de dos vías hay diferencias estadísticamente significativas entre las curvas de saturación para ambos suelos. En el suelo Alhué el factor tratamiento (CRA) fue el causante de la mayor parte de la varianza total (43,73 %) junto con el factor concentración (43,01 %), mientras que en el caso del suelo Antumapu la mayor parte de la varianza total proviene del factor concentración (51,37 %), seguido del factor tratamiento (35, 41 %). En las curvas de progreso se evaluó el efecto de la CRA sobre los parámetros edáficos del suelo (potencial de óxido reducción, pH, contenido de amonio, contenido de nitrato). El ANOVA de dos vías muestra que el factor tiempo dio cuenta de la mayor parte de la varianza total en el x potencial de óxido reducción (67,14 y 96,45 % para Antumapu y Alhué respectivamente), pH (91,34 y 96,57 %), contenido de amonio (94,41 y 97,95 %) y contenido de nitrato (69,03 y 87,10 %). Respecto a las curvas de progreso del contenido de amonio, hubo diferencias estadísticamente significativas para Antumapu, a diferencia de los factores tratamiento e interacción en Alhué. En cuanto a la actividad nitrificante, esta fue baja comparada a la ureásica, probablemente a causa de los efectos inhibitorios de la concentración de amonio junto al alto pH del suelo. Además, los resultados del ANOVA de dos vías indican que los factores tratamiento (14,08 y 1,70%, para Antumapu y Alhué respectivamente) e interacción (15,80 y 10,34 %) tuvieron mayor aporte a la varianza total comparado a lo ocurrido con el contenido de amonio. Las bacterias oxidadoras de amonio y las bacterias oxidadoras de nitrito son estrictamente aeróbicas, por lo que es esperable que sean susceptibles a los tratamientos al 100 % de la CRA, debido a una menor concentración de O2 disponible y su difusión más lenta. En conclusión, el aumento de la actividad ureásica se relaciona principalmente con un mayor contenido de carbono orgánico del suelo y se favorece al 60 % de la CRA. En el caso de la actividad nitrificante, está fuertemente regulada por el efecto combinado del potencial de óxido reducción y pH, junto con el contenido de amonio. No hay claridad respecto al efecto del tratamiento en cada suelo.
The hydric content affects the urease and nitrifying activity in soils, therefore it influences changes in pH and oxidation-reduction potencial. In the steps of the nitrogen cycle in soils, urea degradation corresponds to the mineralization of organic nitrogen through the activity of the urease enzyme of microbial origin and its main degradation products, ammonium (NH4 +) and nitrate (NO3 -). In this work it was studied the effect of water holding capacity (WHC) on urease saturation curves and ammonium and nitrate content progress curves in substrate saturation conditions using microcosms with two soils from the Central Zone of Chile that differ in their organic carbon content (OC): Alhué soil (Libertador General Bernardo O’Higgins region) with low OC and Campus Antumapu soil (Metropolitana region) with high OC. Microcosms were made with 60 and 100% WHC for each soil and they were incubated with different urea concentrations up to 24 hours to establish the enzyme saturation concentration. For the progress curve, microcosms were incubated in substrate saturation conditions at the same previous conditions for 16 hours. Statistical analysis included Pearson correlation coeficient and two way Analysis of Variance (ANOVA), with confidence interval higher than 95 %. Urease saturation curve results show that both soils at 100% WHC decreasing their maximal velocity (Vmáx) and semi-saturation concentration ([S]0,5). This is explained because at a higher WHC, the lower concentration of O2 limits metabolic processes of microorganisms able to degrade urea (aerobic). The urease activity is higher in Antumapu soil, due to a higher OC that it is associated to a higher capacity to retain microorganisms capable to degrade urea. According to the two-way ANOVA there are statistically significant differences between saturation curves in both soils. In Alhue soil the treatment factor (WHC) was the cause of the major part of total variance (43.73%) together with the concentration factor (43.01%), while in Antumapu soil the major part of total variance comes from concentration factor (51.37%), followed by treatment factor (35.41%). In progress curves was evaluated the effect of WHC on edaphic parameters of soils (oxidation-reduction potential, pH, ammonium content, nitrate content). The two-way ANOVA shows that time factor gave account for the most of total variance on the oxidation-reduction potential (67.14 and 96.45 % for Antumapu and Alhué respectively), pH (91.34 and 96.57 %), ammonium content (94.41 and 97.95 %) and nitrate content (69.03 and 87.10 %). xii According the ammonium content in progress curves, there are statistically significant differences for Antumapu soil, unlike the treatment and interaction factors in Alhué. The nitrifying activity was lower than ureasic, probably due to ammonium content inhibition effect and a high soil pH. In addition to, the two-way ANOVA shows that treatment factor (14,08 y 1,70%, Antumapu and Alhué respectively) and interaction (15,80 and 10,34 %) had major contribution to total variance than in ammonium content. The ammonium oxidizing bacteria and nitrite oxidizing bacteria (responsible of nitrifying activity) are obligated aerobioc, so it’s expected that shows a sensitive behavior at 100 % WHC traeatments, due to lower O2 concentration and slower diffusion. In conclusion, an increase in urease activity it’s related to a higher OC content principally and it’s favored at 60 WHC treatments. The nitrifying activity is highly regulated by the combinated effect of oxidation reduction potential-pH, together with the ammonium content. There isn’t a clear answer to the WHC retention effect in treated soils.
08/2019

Se estudia el ciclo del carbono en diferentes usos del suelo (uso forestal, campo agrícola abandonado y olivar de secano) de un ecosistema mediterráneo ante la perspectiva del cambio climático. La hipótesis general de esta tesis es que los cambios en los patrones (estructura y distribución espacial) y tipo de vegetación resultantes de la intensificación de los usos del suelo causarán alteraciones en las condiciones microclimáticas (temperatura y humedad del suelo) y en las características del micrositio (comunidades microbianas del suelo, calidad de los detritos procedentes de la vegetación, patrones de escorrentía y erosión del suelo), que afectarán a los flujos de carbono (entradas y salidas), a los factores que controlan dichos flujos y a la capacidad de secuestro de carbono del ecosistema. Para validar dicha hipótesis se plantean los siguientes objetivos generales: i) caracterizar los reservorios y los flujos de carbono; ii) evaluar la importancia relativa de los diferentes componentes del balance de carbono; e iii) identificar los factores que controlan los flujos de carbono más importantes que regulan la capacidad subterránea de secuestro del mismo en un gradiente de intensificación de usos del suelo.
This thesis provides a useful database of carbon (C) pools and fluxes under different land uses (open forest, old-field, olive grove) in a dry Mediterranean ecosystem of Southeast Spain. To understand how global climate change and alterations in land use are affecting Mediterranean soil biogeochemical processes, I completed four studies that investigated the different C components within the C balance of each land use type, the interactions between them, and their controlling factors. The main objectives were: 1) to quantify C pools and fluxes (outputs and inputs) under different land uses over a three-year period (2006-2009); 2) to compare two C balance approaches based on steady-state or non-steady-state conditions in order to assess the relative importance of the different C fluxes within the C balance of each land use type; and 3) to identify the factors controlling the main C fluxes within each land use type.

Riparian areas are recognized to be natural filters of nitrogen (N) because they can substantially diminish the N delivery from terrestrial to aquatic ecosystems. However, understanding the influence of riparian zones on regulating N export from catchments is still challenging, mainly because stream water chemistry integrates biogeochemical processes co-occurring within upland, riparian, and fluvial ecosystems. The present dissertation aims to explore the influence of Mediterranean riparian zones on regulating both stream hydrology and catchment N exports, by combining empirical and modelling approaches at different temporal and spatial scales. Findings obtained from plot experiments show that the studied Mediterranean riparian soils acted as hot spots of soil microbial N supply within the catchment because they exhibited considerably higher net N mineralization (NNM) and net nitrification (NN) rates than upland oak and beech soils. This difference was attributed to larger stocks of N-rich leaf litter and permanent moist conditions in the riparian soils. Furthermore, soil microbial processes in the riparian site showed a distinct climatic sensitivity than in upland sites, which ultimately led to different temporal patterns of soil N cycling. Soil moisture was the major driver of NNM and NN in upland forests, while both temperature and precipitation shaped soil N dynamics in the riparian zone. Therefore, both upland and riparian soils exhibited pulses of NNM and NN following spring rewetting events, though summer temperatures only stimulate microbial activity at the riparian site. Riparian microbial pulses contributed > 25% to annual rates of NNM and NN; and coincided with increases in stream N loads. These results suggest that Mediterranean riparian soils may become important sources of nitrate (NO3-) to streams under future warming scenarios. Additionally, findings obtained from catchment-scale studies show that our Mediterranean riparian zone exerted a strong control on stream hydrology during the vegetative period. Riparian evapotranspiration (ET) influenced the temporal pattern of stream discharge and riparian groundwater elevation across daily and seasonal scales. Further, the influence of riparian ET on stream hydrology increased from headwaters to the valley bottom, where stream hydrological retention was prominent. Nonetheless, such stream hydrological retention wasn’t accompanied by a decrease in catchment N exports, likely because low flow conditions, relatively warm conditions, and large stocks of N-rich leaf litter within the streambed enhanced in-stream NO3- release in summer. Conversely, in-stream photoautotrophic NO3- uptake was the major controlling factor of stream N dynamics in spring, when high light inputs favored gross primary productivity (GPP) prior to riparian canopy closure. As it occurred for summer nitrification, the influence of GPP on stream N dynamics increased along the stream continuum. At the valley bottom, in-stream photoautotrophic activity drop midday stream N concentration by 13% and reduced catchment NO3 exports by 10%. Finally, during the dormant period, we found minimal evidences of either NO3 uptake or release in the riparian zone. Mass balance calculations at the whole-reach scale showed that both riparian groundwater inputs and in-stream processes contributed to longitudinal changes in stream NO3 concentrations, and thus, both sources of variation were necessary to understand stream water chemistry along the stream. Together, these results suggest that the high bioreactivity of streams ecosystems can influence stream N dynamics at the catchment scale, and even screen the potential buffer capacity of riparian zones as observed for this Mediterranean catchment. Overall, findings gathered in the present dissertation question the idea that Mediterranean riparian zones are efficient N buffers, and stress that an integrated view of upland, riparian, and stream ecosystems is essential for advancing our understanding of catchment hydrology and biogeochemistry.
Durant l'última dècada, les activitats antropogèniques han doblat el nitrogen disponible, provocant nombrosos problemes ambientals. En un context de conca, els boscos de ribera tenen la capacitat de reduir els excessos de nitrogen que els hi arriben dels ecosistemes terrestres adjacents i, per tant, poden ser fonamentals per determinar la concentració de nitrogen al riu i l'exportació d'aquest nutrient aigües avall. L'objectiu d'aquesta tesi és analitzar la influència dels boscos de ribera sobre els recursos hídrics i la dinàmica del nitrogen en una conca mediterrània. Durant l'estudi, els sòls de ribera exhibiren unes taxes netes de mineralització i nitrificació clarament superiors als boscos de capçalera (alzinar i fageda), les quals foren atribuïdes als estocs de fullaraca i a l'alta humitat dels sòls riparians. A més, els sòls de ribera foren importants fonts de nitrat al riu, especialment quan les altes temperatures o les fortes precipitacions provocaren pics d'activitat microbiana que contribuïren > 25% en termes anuals. Hidrològicament parlant, la vegetació ripariana tingué un paper clau sobre els recursos hídrics de la conca, perquè regulà el cabal fluvial a diferents escales temporals, i promogué la pèrdua d'aigua del riu cap a la ribera en el fons de vall. Tanmateix, la ribera no retingué nitrogen durant el període de retenció hidràulica, així com tampoc durant la resta de l'any. Per contra, el baix cabal i les altes temperatures incentivaren la nitrificació a la llera del riu durant l'estiu. A més, durant la primavera, l'augment de llum previ al desenvolupament de la capçada de ribera afavorí la producció primària bruta en el riu, la qual provocà clares fluctuacions diàries en les concentracions de nitrat i reduí un 10% les exportacions d'aquest nutrient aigües avall. Conjuntament, els resultats d'aquesta tesi no només qüestionen la idea que les zones de ribera són filtres naturals de nitrogen en regions mediterrànies, sinó que manifesten la importància d'una visió integradora de tots els components del paisatge per tal per tal d'avançar en el nostre coneixement sobre la hidrologia i la biogeoquímica a escala de conca.

La salinidad y el estrés hídrico son los factores más importantes que limitan la producción de trigo duro, sobre todo en regiones áridas y semiáridas, como la región Mediterránea. El trigo duro es uno de los principales cultivos en el sur y este de la Cuenca Mediterránea, donde se cultiva frecuentemente en condiciones de secano y si es posible con riego deficitario, a menudo con agua de poca calidad, que junto a una elevada evapotranspiración, puede provocar una progresiva salinización del terreno. En este sentido, la mejora genética de trigo duro para una mejor adaptación a estas condiciones de estrés es una de las pocas alternativas viables. El objetivo general de esta Tesis es estudiar las bases fisiológicas y moleculares de las diferencias genotípicas en crecimiento potencial y tolerancia a la salinidad y el estrés hídrico. En un primer estudio (Experimento 1) publicado en “Functional Plant Biology” se investigó qué criterio fenotípico de selección era el más adecuado para seleccionar genotipos de trigo duro que crecieran mejor en condiciones de salinidad continuada. De esta forma se determinó la importancia de los isótopos estables como criterios eficientes para seleccionar genotipos tolerantes y susceptibles a la salinidad. Posteriormente, se realizó un segundo estudio (Experimento 2) donde se evaluó el efecto de la salinidad en la composición isotópica del carbono (δ13C) y el nitrógeno (δ15N) de genotipos de trigo duro y de dos amfiploides (un tritordeo y un triticale). Este trabajo está publicado en la revista “Journal of Experimental Botany”. En este segundo ensayo, la salinidad se aplicó durante la floración y el llenado del grano durante unas pocas semanas. Los resultados de este trabajo representaron la puesta a punto del estudio del comportamiento fisiológico del trigo duro durante la fase reproductiva y bajo diferentes combinaciones de salinidad y riego. Como continuación de los dos Experimentos (1 y 2) y en vista de los resultados obtenidos en el uso de las firmas isotópicas como criterio de evaluación bajo condiciones salinas, se planteó evaluar el uso combinado de la composición isotópica del carbono (δ13C), oxígeno (δ18O) y el nitrógeno (δ15N) en materia seca para observar las respuestas genotípicas de plantas de trigo duro sometidas a diferentes combinaciones de salinidad. Como contribución original, se elaboró un modelo conceptual de las tres firmas isotópicas juntas (δ13C, δ18O, δ15N) junto con características del metabolismo nitrogenado para explicar las diferencias genotípicas en tolerancia a distintas condiciones de salinidad y estrés hídrico. También se evaluaron las características fotosintéticas en relación con las firmas isotópicas y las actividades de enzimas clave del metabolismo nitrogenado. (Trabajo Publicado en la revista “New Phytologist”). Además de los resultados anteriores obtenidos, en esta Tesis se comparó la eficiencia de las firmas isotópicas del carbono, oxígeno y nitrógeno mediante dos vías: muestras de materia seca y muestras de fracción soluble en genotipos de trigo duro para la evaluación de diferencias genotípicas en tolerancia a diferentes condiciones de salinidad y regimenes hídricos. Posteriormente se analizó la respuesta genética de plantas de trigo duro a la salinidad evaluando el nivel de transcripción de genes específicos asociados a tolerancia a salinidad y estrés hídrico, junto a otros que codifican para enzimas claves del metabolismo nitrogenado. También se han estudiado las relaciones entre estas tasas de transcripción, las diferencias genotípicas en crecimiento, firmas isotópicas y actividades de enzimas del metabolismo nitrogenado. El trabajo ha mostrado la eficacia de los isótopos estables de carbono y del nitrógeno como herramientas de evaluación de la respuesta del trigo duro frente a la salinidad.
Inadequate irrigation for long term and under conditions of high evapotranspiration demand, combined with the use of poor water quality and the lack of adequate drainage frequently induces the salinization of arable land causing a significant increase in the area affected by salinity. Salinity is an environmental factor that limits in a remarkable manner the production of crops in many parts of the world, but especially in arid and semiarid regions like the Mediterranean. Under these conditions, which is often grown durum wheat improvement for tolerance to salinity under irrigation deficit may be one of the strategies to alleviate this problem. This Thesis shows that isotope compositions of carbon (δ13C), oxygen (δ18O), and nitrogen (δ15N) and the concentration of nitrogen in dry matter are potentially and effective criteria for discriminating between different growing conditions and between genotypes tolerant or susceptible to salt. Furthermore, the results of this study reflect the importance of nitrogen metabolism in tolerance to salinity. Additionally, this thesis develops a model relating genotypic tolerance to different conditions of salinity and drought with the signatures of the three isotopes (C, O, N), together with photosynthetic and transpiration exchanges and parameters key of nitrogen metabolism such as nitrogen concentration and activities of the glutamine synthetase and nitrate reductase. Finally, we study the relationship between the expression of genes potentially key in the tolerance to salinity and drought and genotypic variability in response to different combinations of these stresses.