Assessment and modeling of the generation and transport of water and solutes in representative watersheds of Navarre (Spain): toward an optimal and sustainable agrarian activity

Abstract

El objetivo general de esta tesis es ampliar la base de conocimiento sobre la dinámica de los sólidos disueltos totales, con especial atención a los nutrientes más extendidos en los sistemas agrícolas (N, y en menor medida P). Para ello, (1) se han cuantificado las exportaciones de los sólidos disueltos totales y su dinámica en la red de cuencas experimentales de Navarra, considerando diferentes agrosistemas de la región de Navarra (España). Reconociendo la influencia de estos compuestos en diferentes masas de agua, y con el objetivo de arrojar más luz sobre el enfoque de la caja negra de las cuencas en la calidad del agua, (2) se ha evaluado el concepto relativamente novedoso de conectividad de flujo superficial a través de un índice de conectividad del flujo superficial. Este índice se basa en índices de conectividad de flujos superficiales ampliamente contrastados, aplicándose en dos cuencas de secano con cultivo de cereal de invierno (Latxaga y La Tejería). En cuanto a los nutrientes, y centrándonos en la dinámica de los nitratos y fosfatos, (3) se ha caracterizado la concentración y la exportación de nitratos y fosfatos en diferentes escalas temporales en estas dos cuencas. En ellas se han identificado los factores controladores de estas dinámicas para estas dos cuencas. Por último, (4) se han cuantificado los factores controladores de nutrientes previamente identificados considerando diferentes escenarios posibles, y se ha evaluado la capacidad del modelo AnnAGNPS para las exportaciones de nitrógeno disuelto en las dos cuencas de secano con cultivo de cereal de invierno.

Tesi honen helburu orokorra disolbatutako solido totalen dinamikari buruzko ezagutza-oinarria zabaltzea da, nekazaritza-sistemetan gehien hedatuta dauden nutrienteetan arreta berezia jarriz (nitratoak, eta neurri txikiagoan fosfatoak). Horretarako, (1) disolbatutako solido totalen esportazioak eta horien dinamika kuantifikatu dira Nafarroako arro esperimentalen sarean, Nafarroako (Espainia) hainbat agrosistema ezberdin kontuan hartuta. Konposatu horiek ur-gorputz ezberdinetan duten eragina ezagututa, eta arroen kutxa beltzak uraren kalitatean duen ikuspegian argi gehiago emateko helburuarekin, (2) gainazaleko fluxuaren konektibitatearen kontzeptu nahiko berritzailea ebaluatu da, gainazaleko fluxuen konektibitate-indize baten bidez. Indize hori zabalki egiaztatuta dauden gainazaleko fluxuen konektibitate-indizeetan oinarritzen da, eta lehorreko neguko zereala duten bi arrotan aplikatu da (Latxaga eta La Tejería). Nutrienteei dagokienez, eta nitratoen eta fosfatoen dinamikan arreta jarrita, (3) bi arro horietan denbora-eskala desberdinetan nitratoen eta fosfatoen kontzentrazioa eta esportazioa karakterizatu dira. Bi arro hauetan nutriente hauen dinamika kontrolatzen dituzten faktoreak identifikatu dira. Azkenik, (4) aurretik identifikatutako nutrienteen faktore kontroladoreak kuantifikatu dira, hainbat egoera posible kontuan hartuta, eta AnnAGNPS modeloak disolbatutako nitrogenoaren esportazioetarako duen gaitasuna ebaluatu bi arroetan.

The overarching aim of this thesis is to expand the knowledge base on the dynamics of total dissolved solids, with special focus on the most widespread nutrients in agricultural systems (N, and to a lesser extent P). To this end, (1) the exports of dissolved solids and their dynamics in a watershed network have been quantified, considering different agrosystems of the region of Navarre (Spain). Recognizing the influence of these compounds on different water bodies, and with the aim of shedding more light on the black box watershed approach in water quality, (2) the relatively recent concept of overland flow connectivity has been assessed through an Overland Flow Connectivity index. This index is based on broadly adopted overland flow connectivity indices, and implemented at two rainfed winter cereal watersheds (Latxaga and La Tejería). Regarding nutrients, and focusing on nitrate and phosphate dynamics, (3) these two watersheds have been characterized in terms of concentration and exports of nitrate and phosphate, for a range of temporal scales, with insights on the controlling factors of these processes. Finally, (4) the nutrient controlling factors previously identified have been quantified considering different possible scenarios. The AnnAGNPS model capacity has been evaluated for dissolved nitrogen exports at the two rainfed winter cereal watersheds.