La presente tesis de investigación, “Estudio de las propiedades edáficas que determinan la fertilidad del sistema de andenería de la Comunidad Campesina San Pedro de Laraos”, tiene como objetivo general evaluar los parámetros físicos y químicos que determinan la fertilidad del suelo en un sistema de andenería, con la finalidad de revalorar e incentivar el reaprovechamiento de dicha tecnología, y así garantizar la seguridad alimentaria de la población local. Para lograr el objetivo mencionado, la metodología de la investigación se dividió en tres fases, en las que se aplicaron métodos de la Geografía, Edafología y Química. En el campo, se hizo el levantamiento de información primaria a partir de la observación directa, entrevistas a los actores claves y el muestreo de suelos. En el laboratorio, se realizó el análisis de las siguientes propiedades edáficas, con su respectivo método: textura por la norma ASTM D422-63, densidad aparente por el método del cilindro, potencial de hidrógeno y conductividad eléctrica por lectura del extracto de relación suelo:agua 1:1, materia orgánica por la norma ASTM D2974-07, nitrógeno total por el método micro Kjeldhal, fósforo disponible por el método Olsen modificado, y potasio disponible por extracción con acetato de amonio 1 N, pH 7.0. Por último, en gabinete se hizo la interpretación y el análisis estadístico de los resultados. El área de muestreo corresponde al sistema de andenería perteneciente a la Comunidad Campesina San Pedro de Laraos, en el distrito del mismo nombre, ubicado en la margen derecha de la parte alta de la subcuenca del río Santa Eulalia, provincia de Huarochirí, región Lima. Para ver las diferencias en las propiedades edáficas entre los suelos dentro y fuera de los andenes, así como entre los suelos en andenes en diferente estado de uso y conservación, se hizo la delimitación de tres zonas: Zona A, andenes en descanso; Zona B, andenes en abandono; y Zona C, una ladera sin andenes. En cada zona se muestrearon 5 puntos a diferente altitud, seleccionados a partir de un diseño de muestreo sistemático. A partir de los resultados de los parámetros físicos, textura y densidad aparente, no se han observado diferencias significativas entre las tres zonas. De manera general, en los suelos predomina la textura franca, con valores de densidad aparente relativamente elevada, que indicaría una compactación del suelo. Respecto a los parámetros químicos, pH, conductividad eléctrica, NPK y materia orgánica, se encontraron diferencias entre las tres zonas, siendo la conductividad eléctrica y los contenidos de nitrógeno, fósforo y potasio los de mayor variación. El pH se encuentra dentro del rango de mayor disponibilidad de nutrientes (5,5 – 7,5); y los contenidos de materia orgánica varían de medios a altos en las tres zonas. En cuanto a la conductividad eléctrica, los resultados indican suelos no salinos (0,174 – 0,683 dS/m), con los valores más elevados en la zona A; y sobre los contenidos de NPK, los valores más elevados, y por encima del mínimo ideal, están en A; mientras que los más bajos se encuentran en C y B; ambos parámetros están correlacionados directamente. Con los resultados alcanzados se concluye que la zona A es la que presenta un suelo de mejor calidad en cuanto a lo que fertilidad se refiere. Si bien las tres zonas presentan las condiciones estructurales (fertilidad física) para permitir el crecimiento de las raíces por el equilibrio de las fracciones de arena, limo y arcilla, y las condiciones para la disponibilidad y asimilación de nutrientes (fertilidad química), solo los andenes en descanso, después de un periodo de 5 años en barbecho, presentan las proporciones ideales de macronutrientes en el suelo. / Tesis

Los lodos procedentes de las plantas de refino del petróleo, son residuos con una elevada concentración de hidrocarburos, que son unas moléculas altamente tóxicas para las plantas y los microorganismos e invertebrados que habitan el suelo donde se encuentran, y constituyen un riesgo potencial para la salud. Una de las prácticas de gestión de los mismos ha sido su vertido a suelo en zonas controladas y su posterior tratamiento mediante técnicas de biorremediación de bajo coste, como son el landfarming y la fitorremediación, entre otras. En un suelo, la presencia de hidrocarburos provoca la alteración e inhibición de la microbiota del suelo. Es esta microbiota la principal encargada de degradar los contaminantes del suelo, por lo que es de vital importancia conocer su estructura a nivel funcional y molecular, para incentivar a las colonias microbianas encargadas de degradar los hidrocarburos y asegurar así el éxito de las técnicas de biorremediación aplicadas. Para este fin se adicionarán enmiendas orgánicas como son el biosólido de depuradora (fresco granulado o compostado), que mejorará las condiciones del suelos para albergar a los microorganismos a la vez que permitirá reciclar los biosólidos en el suelo. Teniendo en cuenta estas premisas, se establece como objetivo general de este trabajo la evaluación de la eficacia de técnicas de biorremedición tales como el landfarming y la fitorremediación cuando se emplean en suelos semiáridos contaminados con hidrocarburos (procedentes de lodos de refinería), como de la utilidad de la adición a estos suelos de biosólidos (frescos o compostados) como estrategia para incrementar la eficacia de estos procesos de descontaminación, consiguiendo acortar los tiempos necesarios para la degradación de dichos hidrocarburos y una mayor degradación de los más recalcitrantes. También se planteó como objetivo, profundizar en el conocimiento de la estructura y funcionalidad de la comunidad microbiana de estos suelos. Metodología Durante los ensayos realizados en este trabajo de Tesis se analizarán algunos factores físico-químicos, principalmente el tipo de horizonte y su profundidad, aireación, pH, presencia de metales pesados y sales, condiciones ambientales (temperatura y hmnedad), contenido de nutrientes y materia orgánica, y otros factores biológicos como la presencia de microorganismos y la adaptación de estos microorganismos al medio contaminado con los hidrocarburos a través de técnicas moleculares independientes de cultivo (PCR, DGGE, secuenciación del ADN). El perfil fisiológico para la utilización de las distintas fuentes de C de las comunidades microbianas se realizó mediante la tecnología BIOLOG-CLPPs. Como conclusión general de esta memoria de Tesis Doctoral podemos decir que el uso de landfarming, seguido de fitorremediación, como técnicas complementarias de biorremediación, resulta eficaz para el tratamiento de suelos con hidrocarburos recalcitrantes procedentes del reciclado en los mismos de lodos de refinería. Además, la adición de enmiendas orgánicas, en particular biosólido granulado y compost de biosólido, mejora la eficacia de estas técnicas debido principalmente, al aporte de fuentes carbonadas al suelo que incentivan el desarrollo de las poblaciones microbianas autóctonas del mismo, adaptadas a la presencia del hidrocarburo y por tanto responsables de la metabolización del mismo, con la consecuente reducción de su presencia en los suelos tratados. Hemos comprobado, asimismo, que la presencia de hidrocarburos en el suelo y el proceso de landfarming con y sin enmienda, tiene un efecto potenciador de la actividad microbiana del suelo en general, que ha sido revelado por la medida de algunos parámetros bioindicadores de la calidad microbiológica del suelo como la actividad deshidrogenasa, algunas actividades hidrolasas, ATP, etc., también afecta a la diversidad microbiana de estos suelos siendo las Actinobacterias y miembros Ascomycota los principales grupos bacterianos y fúngicos, respectivamente, responsables de la metabolización de los hidrocarburos recalcitrantes presentes en el suelo. / Refinery sludge originates as a residue with a high concentration of hydrocarbons. One of the most widespread refinery sludge management practices is that of discharging the sludge into the soil in controlled areas and then treating it using inexpensive bioremediation techniques (landfarming). Hydrocarbons are molecules that are highly toxic to plants, microorganisms and invertebrates that live in the soil where the molecules are found. They also pose a potential health risk, which increases when there is greater resistance to hydrocarbon degradation. One of the main consequences of the presence of hydrocarbons in a particular soil is the inhibition and alteration of the soil microbiota, which plays a key role in breaking down soil contaminants. It is therefore of vital importance to understand the genetic and functional diversity of the microbiota in the soil and to succeed in activating the microbial colonies responsible for degrading hydrocarbons, therefore ensuring the success of the bioremediation techniques applied. Given these assumptions, the general objective of this work is therefore to evaluate the effectiveness of bioremediation techniques like landfarming and phytoremediation when used in semi-arid soils with a high hydrocarbon content (from refinery sludge). The goal is also to assess the utility of adding biosolids (granules or composted) to such soils as a strategy for increasing the efficiency of these bioremediation processes, thus reducing the time required for hydrocarbon degradation and increasing the degradation of the most recalcitrant hydrocarbons. Also is objective in this work, deepen your knowledge of the structure and function of the microbial community of these soils. Metodology During assays in this Thesis Work, It is therefore necessary to monitor these properties by analysing certain physico-chemical factors, mainly the type of horizon and its depth, aeration, pH, the presence of heavy metals and salts, environmental conditions (temperature and humidity), nutrient content and organic matter. It is also necessary to track other biological factors such as the presence of microorganisms and their level of adaptation to the environment with hydrocarbons using molecular techniques independent of cultivation (PCR, DGGE, DNA sequencing). Furthermore, physiological profiles were analysed using the BIOLOG-CLPPs method in order to use the different sources of C in the soil microbial communities. As a general conclusion of this Thesis memory, we can say that the use of landfarming, followed by phytorremediación, bioremediation as complementary techniques, effective for the treatment in soil with recalcitrant hydrocarbons for recycling of its of refinery sludge. Also organic amendments addition, including fresh or composting sewage sludge, improve the effectiveness of these techniques, mainly due to the contribution of carbon sources to soil that incentivize the development of aoutochthonous microbial populations, adapted to the presence of hydrocarbons and therefore responsible for metabolization, and consequently responsible for the reduction of its presesnce in soils treated. We also cheked, that the presence of hydrocarbons in soil and landfarming process with and without amendment, has a potentiating effect on soil microbial activity, has been releaved by some parameters bioindicators of soil microbiological quality as dehydrogenase activity, some hydrolases activity, ATP, etc., also affects microbial activity of theses soils, with the Actinobacteria and members Ascomycota, major bacterial and fungal groups, respectively, responsible for the metabolism of recalcitrant hydrocarbons present in the soil.

CICYT (BT87-0033)

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The present research, "Integrating dimensions for the understanding of the abandonment process of highland terracing systems of the rural community of San Juan de Iris, Santa Eulalia sub–basin, Huarochirí" has as general objective to analyze articulately physical, social, economic, productive and institutional factors that lead to the abandonment of the highland terracing systems. The integrated understanding of the problematic is the base to propose recommendations for a productive system that contributes to the sustainable development of the community, as well as to the conservation and enhancement of its agricultural terraces. In order to achieve this objective, the methodology was organized in three phases in which instruments of different sciences, such as soil science, geography and anthropology, were applied to collect qualitative and quantitative information. The first phase consisted in a revision of bibliographical, statistical and cartographical information, as a basis for the research approach and the methodology itself. In the fieldwork, soil samples of the platforms were taken, and quantitative information and perception were collected through surveys, interviews and a workshop. Finally, in the third phase, precipitation data was acquired with the subsequent calculation of interannual variability, the physical and chemical properties of the sampled soil were analyzed and interpreted, the information obtained from the surveys, interviews and workshop were systematized and the analysis was made. Applying a participatory approach, the rural community of San Juan de Iris was involved throughout the investigation to be an active part of the process. The highland terracing system studied belongs to the rural community of San Juan de Iris, in the district of the same name, located in left margin of the upper part of the Santa Eulalia sub– basin, Huarochirí, in the Andean zone of Lima. In the 1990s, this community was benefited from a rehabilitation experience of the National Program for Watershed Management and Soil Conservation (PRONAMACHCS, for its acronym in Spanish); nevertheless, at the present time, 59.7% of its terracing systems are in a situation of abandonment. For this reason, this community was chosen as the case study. Field verification carried out by PRONAMACHCS indicates that the abandonment of terraces in San Juan de Iris was in an 80% due to the water deficit (natural factor) and 20% to the migration from the countryside to the city (social factor). However, the Andean rural reality is much more complex; therefore, physical, institutional, economic-productive, and social dimensions of the territory were explored in the research. The main drivers of the abandonment of the San Juan de Iris terracing systems were the search for generating economic power (economic-productive factor); migration of young people and adults (social factor); perception of decrease and lack of water resources (physical-natural factor); change in the regime of the land tenure (institutional factor); and dependence on projects and programs of external agents (socio-institutional factor). With the main drivers of the abandonment process of the terracing systems identified, it is possible to propose the actions in order to eliminate the causes of the problem. Otherwise, the consequences derived from the abandonment process will intensify: underutilization of the soil resource and food insecurity; increasing pressure on the natural pasture ecosystem that leads to a risk in the profitability of livestock; loss of ancestral technique and knowledge; and lack of initiative for the conservation of their agricultural terraces and for the development of the community. As a solution strategy is proposed to position the highland terraces as key element in the development of the rural community of San Juan de Iris. For this, the agriculture on terraces must respond to the expectations of the community, so that by their own and shared initiative, they will include this productive and cultural resource in their vision of development. / Tesis

El incremento en la generación de residuos, especialmente de residuos orgánicos urbanos, es un problema que demanda una inmediata solución. Por otro lado, otro problema de igual importancia es el alto nivel de degradación existente en extensas áreas de España y de la zona sureste de Europa, debido principalmente a una agresiva actividad humana llevada a cabo durante años, lo cual debe ser añadido a la climatología adversa (semiárida) que padecen estas zonas. El factor clave en la degradación es el bajo nivel de materia orgánica que presentan estos suelos. Dado que en extensas zonas de España y otros países europeos, en particular en los del sur de Europa, las fuentes tradicionales de materia orgánica (turba y el estiércol) son escasas, la pregunta, de gran interés, que surge es si ambos problemas, degradación de suelos y generación de residuos orgánicos, pueden ser tratados en conjunto. Más particularmente, la idea sería utilizar la materia orgánica contenida en los residuos orgánicos como fuente de materia orgánica del suelo, en particular aquella contenida en los residuos orgánicos urbanos (lodos de depuradora y los residuos orgánicos de origen doméstico), ya que son baratos y frecuentes en el suministro. El objetivo sería mejorar la calidad y fertilidad del suelo al tiempo que se eliminan los residuos orgánicos de una manera racional y respetuosa con el medio ambiente. Esta estrategia favorecería, al mismo tiempo, el secuestro de carbono mediante el aumento de la reserva de carbono estable en el suelo, ayudando a mitigar los efectos negativos derivados de las emisiones de CO2 a la atmósfera. Para tal fin se han estudiado los efectos producidos por la aplicación de la fracción orgánica de basura doméstica sin compostar y de un compost obtenido a partir de una mezcla de lodos de depuración de aguas residuales urbanas y de la fracción orgánica de la basura doméstica en dos diferentes dosis: una dosis que puede ser considerada como “normal-media” para recuperación de suelos (150 t/ha), equivalente a 1% de Corg, y otra dosis “alta-muy alta” (450 t/ha), equivalente a 3% de Corg. tanto en un experimento de campo como en un experimento a nivel de microcosmos bajo condiciones controladas, usando en ambos casos un suelo degradado de la zona del sudeste español. La Metodología empleada ha consistido en realizar en los tres experimentos llevados a cabo un seguimiento de las parcelas, monitorizando diversos parámetros físicos, químicos, físico-químicos, microbiológicos y bioquímicos así como parámetros específicos indicadores de las comunidades microbianas del suelo, tales como los perfiles de FAME y ensayos de Biolog, tanto en los suelos enmendados como en los suelos control. También se ha profundizado en el estudio de la composición y estructura de los ácidos húmicos (AH) (las técnicas empleadas en este estudiado han sido la resonancia magnético nuclear de C13 (CPMAS-13C-NMR), junto con la espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FT-IR)), así como de las enzimas inmovilizadas en estos ácidos, presentes en los suelos semiáridos enmendados y sin enmendar. Como conclusión a este trabajo de investigación se puede decir que los suelos semiáridos degradados son capaces de admitir grandes cantidades de residuos orgánicos urbanos sin daño para el crecimiento y la actividad microbiana del suelo o de riesgo para el medio ambiente, siempre que tales residuos urbanos orgánicos tengan suficiente calidad. Estas enmiendas pueden mejorar la calidad de los suelos suponiendo una mejora en sus condiciones físicas, químicas, microbiológicas y bioquímicas, aportando sustancias húmicas capaces de inmovilizar enzimas, colaborando en la reactivación y mejora de los procesos de la vida del suelo, y contribuyendo al incremento del pool de C estable en el suelo. / The increase in the generation of waste, especially organic waste, is a problem that demands an immediate solution. Furthermore, the high level of degradation in large areas of Spain and southeastern Europe resulting from years of aggressive human activity and adverse weather conditions (semi-arid) is another equally significant problem. The low level of organic matter in these soils is the key factor in their degradation. The fact that in extensive areas in Spain and in other European countries, particularly in southern Europe, the traditional sources of organic matter (peat and manure) are scarce raises an interesting question: can both problems, degradation and the generation of organic waste, be treated together? In an attempt to respond to this question, the idea in this study is to use the organic matter contained in organic waste as a source of soil organic matter, particularly the organic matter contained in municipal organic waste (sewage sludge and organic waste from households), as this is inexpensive and in ready supply. The goal is to improve the quality and fertility of the soil and simultaneously eliminate organic waste in a rational and environmentally friendly manner. At the same time, this strategy promotes carbon sequestration by increasing the stable carbon reserves in the soil, helping to mitigate the negative effects of CO2 emissions in the atmosphere. To reach these objectives, we studied the effects of applying both the organic fraction of household waste without composting and compost obtained from a mixture of sewage sludge from municipal wastewater and the organic fraction of household waste at two different doses: one dose that can be considered "normal-average" for soil recovery (150 t/ha), equivalent to 1% of Corg, and another dose that can be considered "high-very high" (450 t/ha), equivalent to 3% of Corg, both in the field experiment and at the microcosm level under controlled conditions. In both cases, degraded soil from southeastern Spain was used. The methodology used involved developing the three experiments carried out monitoring of the plots. Various physical, chemical, physico-chemical, microbiological and biochemical parameters were tracked both in amended and control soils, in addition to specific parameters which are indicators of soil microbial communities. FAME profiles and Biolog analyses were tracked as well. The composition and structure of humic acids (HA) were also studied in-depth (using C13 nuclear magnetic resonance (CPMAS-13C-NMR) together with Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy), as were the composition and structure of immobilized enzymes in these acids found in amended and unamended semi-arid soils. In conclusion to this study, it can be said that degraded semi-arid soils are capable of supporting large quantities of municipal organic waste without causing harm to soil microbial growth and activity or risk to the environment, provided that the municipal organic waste is of sufficient quality. These amendments can improve soil quality, resulting in improvements in the physical, chemical, microbiological and biochemical conditions of the soil, providing humic substances capable of immobilizing enzymes, contributing to the revival and improvement of the processes of soil life and contributing to an increase in the stable C pool in the soil.

El suelo desempeña funciones de gran importancia para el sustento de la vida en este planeta pero la desertificación producida en el mismo, en las zonas áridas o semiáridas, repercute notoriamente en una abundante pérdida de materia orgánica, y por tanto de carbono orgánico, la cual afecta negativamente a la calidad y la sostenibilidad del suelo. La recuperación del carbono orgánico del suelo hacia unos valores umbrales suficientes para poder gestionar sus funciones básicas es de vital importancia. Por este motivo, la presente Tesis Doctoral tiene como Objetivo entender el ciclo del carbono en suelos semiáridos y el desarrollo de estrategias para la restauración de estos suelos. Para ello nos hemos centrado particularmente en la capacidad que presenta este tipo de suelo para responder a fuentes de carbono exógenas derivadas de residuos vegetales, el papel que desempeña la comunidad microbiana en la degradación de estas fuentes de carbono, y su relación con los ciclos biogeoquímicos de los elementos importantes (C, N y P), con particular incidencia en el del carbono. Se maneja como Hipótesis general de trabajo de esta Tesis Doctoral el hecho de que las comunidades microbianas de suelos áridos y semiáridos tienen una limitada capacidad para el procesamiento de sustratos carbonados, a consecuencia del escaso contenido en materia orgánica que presentan habitualmente estos suelos. Con el objetivo de obtener una información completa sobre la dinámica del carbono orgánico y las enmiendas orgánicas de origen vegetal en relación con las poblaciones microbianas asociadas a su procesamiento, se abordan experimentos en condiciones controladas de laboratorio y campo. La primera parte de la Tesis (Capítulos 1, 2 y 3) se realizó en condiciones controladas de laboratorio, mediante la utilización de tres moléculas de origen vegetal de distinta complejidad: glucosa, celulosa y lignina; dichas moléculas son parte fundamental de los propios restos vegetales que entran al suelo de forma natural. Estas moléculas se utilizaron en su forma enriquecida en 13C (isótopo estable del carbono) con el objetivo de trazar a alta resolución la dinámica de estas materias orgánicas y las poblaciones microbianas implicadas en su procesamiento. En estos experimentos se aplicaron, entre otras, técnicas basadas en el análisis de la composición isotópica del CO2, fracciones hidrosolubles de C, y de sustancias húmicas, así como la composición isotópica de ácidos grasos (PLFA-SIP). Mediante este conjunto de técnicas se pudo trazar exhaustivamente el ciclo del C, evaluando su persistencia, mineralización y las poblaciones microbianas asociadas con la dinámica de estas moléculas. La segunda parte de la Tesis (Capítulos 4 y 5) se realizó a nivel de campo, lo cual representa un escenario real para el estudio de la restauración de suelos. En el Capítulo 4, se evaluó el efecto a largo plazo de enmiendas orgánicas de origen vegetal (residuos de poda fresco y compostado) y de su dosis (150 y 300 t ha-1) en las propiedades químicas, bioquímicas y microbiológicas de un suelo semiárido. Para ello se emplearon diferentes técnicas para medir los cambios en la actividad microbiana después de la adición de la materia orgánica, así como el análisis de ácidos grasos fosfolípidos y el perfil fisiológico de las comunidades microbianas para estudiar los cambios en la biomasa y estructura de la comunidad. En el Capítulo 5, se estudió el efecto que ejerce la adición enmiendas orgánicas a largo plazo en las enzimas involucradas en el ciclo del carbono bajo condiciones semiáridas, además de su influencia en la biomasa y la estructura de la comunidad microbiana. Además, se pretendió completar el conocimiento del ciclo del carbono en este tipo de suelos mediante el estudio de la diversidad de isoenzimas que presentan la celulasa y β-glucosidasa empleando la zimografía. Los cambios provocados en el tamaño de la biomasa microbiana y la estructura de la comunidad microbiana por la adición de las enmiendas fueron estudiados mediante el análisis de los ácidos grasos fosfolípidos. Haciendo una visión global de esta Tesis Doctoral, podemos concluir que los suelos semiáridos, a pesar de su avanzado estado de degradación y no recibir abundantes entradas de C orgánico, presentan una alta disponibilidad biótica para gestionar materia orgánica de origen vegetal de distinto nivel de complejidad y estabilidad. Se ha observado que sólo una pequeña fracción de la comunidad microbiana es capaz de degradar las formas más complejas de carbono, pero esta fracción microbiana es fundamental para el inicio del ciclo del carbono en suelos semiáridos y, por tanto, para la sostenibilidad de estas áreas. Además, las entradas de materia orgánica al suelo mejoran la calidad de los suelos semiáridos a largo plazo, aumentando el contenido en carbono orgánico en los mismos, favoreciendo el crecimiento de la biomasa microbiana y variando la estructura funcional de la comunidad microbiana, como una adaptación ecológica a la presencia de nuevos metabolitos en el suelo derivados de dichas materias orgánicas. Por otro lado, la adición de moléculas compuestas únicamente por carbono, no sólo ejerce un efecto sobre el ciclo del carbono si no que también influye sobre otros ciclos biogeoquímicos como el del nitrógeno o el fósforo como hemos podido ver por los cambios producidos en la actividad enzimática relacionada con estos elementos. Este hecho implica que estos ciclos no pueden considerarse independientes si no que actúan de forma conjunta para condicionar la calidad y sostenibilidad de un suelo. / Soil plays a highly important role in sustaining life on earth but soil desertification, in arid and semiarid areas, negatively impacts on a significant loss of organic matter, and therefore of organic carbon, which negatively affects the quality and sustainability of the soil. In such degraded soils, it is of vital importance to restore levels of soil organic carbon to sufficient thresholds to maintain its basic functions. For this reason, the aim of this Doctoral Dissertation is to understand the carbon cycling of semiarid soils and the development of strategies for soil restoration. To reach this goal we have focused on the following topics in particular: the ability of this type of soil to respond to exogenous sources of carbon derived from plants; the role of the microbial community in the degradation of these carbon sources; and the link between these carbon sources and the biogeochemical cycling of the important elements (C, N and P), with a particular focus on carbon. The general working Hypothesis of this Doctoral Thesis is that the microbial communities in arid and semiarid soils have a limited capacity for processing carbonaceous substrates as a result of the low content of organic matter usually found in these soils. In order to obtain complete information concerning the dynamics of organic carbon and plant-derived organic amendments with respect to the microbial populations associated with processing of this organic matter, we conducted experiments in both controlled laboratory and field conditions. The first part of the thesis (Chapters 1, 2 and 3) was carried out in controlled laboratory conditions using three molecules of varying complexity: glucose, cellulose and lignin. These molecules are an essential part of the natural plant inputs to soil. We used glucose, cellulose and lignin molecules enriched with 13C (a stable isotope of carbon) in order to track the dynamics of these organic materials and the microbial populations involved in their processing in high resolution. In these experiments we applied, among other techniques, those based on the analysis of the isotopic composition of CO2, water-soluble fractions of C and of humic substances and the isotopic composition of fatty acids (PLFA-SIP). These techniques made it possible to thoroughly track the C cycle, evaluating the persistence and mineralisation of C in addition to the microbial populations associated with the dynamics of the added molecules. The second part of the thesis (Chapters 4 and 5) was carried out in the field, which represents a real setting for the study of soil restoration. In Chapter 4, we evaluated the long-term effects of plant-derived organic amendments (fresh and composted pruning waste) and of the applied dose (150 and 300 t ha-1) on the chemical, biochemical and microbiological properties of a semiarid soil. Different techniques were used to measure the changes in microbial activity after the addition of organic matter. Furthermore, phospholipid fatty acid analysis and the microbial community-level physiological profile were used to study changes in the biomass and the structure of the microbial community Finally, in the Chapter 5, we studied the long-term effect of organic amendments on the enzymes involved in the carbon cycle in semiarid conditions. In this chapter, we also evaluated the influence of organic amendments on microbial biomass and community structure. Furthermore, we aimed to complete our knowledge of the carbon cycle in semiarid soils by studying the diversity of isoenzymes exhibiting cellulase and β-glucosidase activity by zymography. Changes caused by the amendments in the biomass and the structure of the microbial community were studied by phospholipid fatty acid analysis . Taking a global picture of this Doctoral Thesis, we have reached the conclusion that semiarid soils, despite their advanced state of degradation and the fact they have not received much organic C input, nevertheless have a high level of biotic availability for handling plant-derived organic matter of different levels of complexity and stability. We observed that only a small fraction of the microbial community is able to degrade the more complex forms of carbon, but this microbial fraction is crucial for starting the carbon cycle in semiarid soils and therefore for the sustainability of semiarid areas. Moreover, adding organic matter to the soil improves the quality of semiarid soils in the long term. Indeed, organic amendments increase the content of organic carbon in such soils at long-term, favour the growth of the microbial biomass and change the functional structure of the microbial community as an ecological adaptation to the presence of new soil metabolites derived from the organic matter added. Furthermore, the addition of molecules composed solely of carbon not only has an effect on the carbon cycle but also influences other biogeochemical cycles such as the nitrogen and phosphorus cycles, which we were able to observe through changes in the enzyme activity related to these elements. This implies that these cycles cannot be considered as independent from one another but that they in fact act together to determine the quality and sustainability of a soil.

OBJETIVOS GENERALES La finalidad de esta Memoria de Tesis es combinar la aplicabilidad de herramientas SIG y teledetección con la modelización estadística de variables ambientales a escala regional, aportando de manera concreta resultados y conclusiones que ayuden a mejorar las estimaciones de las propiedades del suelo. La textura, como principal propiedad física del suelo, desempeña una función esencial en la estructura de esta memoria, presentándose como nexo de unión del resto de análisis expuestos en este trabajo. Sin pretender entrar en complejos análisis de las propiedades químicas del suelo se han obtenido estimaciones de carbono y materia orgánica del suelo, necesarios para el estudio de la dinámica del agua en el suelo. Su interacción con la textura nos permitirá abordar la estimación regional del contenido del contenido de agua a capacidad de campo y en el punto de marchitamiento, determinando cuáles son las variables ambientales que inciden de manera más importante en esas propiedades físicas del suelo. En último lugar, se mostrará cómo la disponibilidad de mapas regionales de la textura del suelo elaborados en este trabajo influyen en nuestra estimación de los procesos de degradación del suelo, evaluado mediante el análisis de la erosionabilidad y su efecto en modelos de erosión. A continuación se exponen los capítulos realizados: I. Capítulo 1. Se han determinado cuáles son las variables ambientales que más influyen en la textura. Y se han analizado los efectos que se producen en la modificación de la resolución espacial en los valores de las variables ambientales que forman parte de los modelos de estimación de la textura del suelo. II. Capítulo 2. Se ha evaluado y comparado dos métodos de estimación del potencial de succión (pF) a escala regional: el primer método es una estimación directa del contenido de humedad del suelo mediante la modelización con valores empíricos de las propiedades hídricas. El segundo procedimiento de estimación se basa en un método indirecto mediante el uso de los datos texturales (obtenidos en el Capítulo 1) y de materia orgánica (OM) en funciones de pedotransferencia ya publicadas. III. Capítulo 3. Se han comparado dos métodos de estimación de diversos índices de erosionabilidad relativos al Factor K de la USLE. El primer método utiliza las propiedades físico - químicas del suelo (texturas y OM) promedio de cada tipo de suelo y realiza una translación de las mismas a la cartografía de suelos existente. Mediante el segundo método se aplican los resultados de la modelización de texturas y OM obtenidas en los capítulos 1 y 2, respectivamente. / The aim of this Thesis is to combine the applicability of GIS and remote sensing tools with statistical modeling of regional scale of environmental variables to provide results and conclusions and improve estimates of soil properties. Soil texture plays a key role in the structure of this report, being connecting link of other analyzes presented in this paper. Organic carbon and soil organic matter estimates were obtained for the study of the dynamics of soil water. Interaction with the texture allows regional estimates of water content at field capacity and wilting point, showing the environmental variables most affecting soil physical properties. Finally, we prove how the availability of regional maps of soil texture developed in this work influence our estimation of soil degradation processes, assessed by analyzing the effect on erodibility and erosion models. Below the chapters performed: I. Chapter 1. Dave determined what environmental variables that influence texture. And we have analyzed the effects of changing spatial resolution on the values of the environmental variables on the models for estimating soil texture. II. Chapter 2. We evaluated and compared two methods of estimating matric potential (pF) at regional scale. The first method is to estimate the soil moisture through modeling with empirical values water properties. Second estimation method is by using textural data (Chapter 1) and organic matter (OM) using pedotransfer functions (PTFs). III. Chapter 3. We compared two different methods of estimating erodibility indices relating to K factor (USLE). First method uses the physical - chemical properties of the soil (texture and OM) average of each soil type by translational soil mapping. Second applies the results of modeling of textures and OM obtained in Chapters 1 and 2, respectively.

En la región semiárida y subhúmeda pampeana la variabilidad de los rendimientos de maíz resultan principalmente dependientes de las precipitaciones y del agua almacenada durante el periodo previo a la siembra. La utilización de recursos hídricos subsuperficiales (napa) puede ser una estrategia útil para atenuar la falta de precipitaciones en períodos críticos de los cultivos. El estudio se realizó dentro de un área de 25800 km2 en la Región Semiárida Pampeana y Subhúmeda Pampeana. Al momento de la siembra se seleccionaron 22 sitios con y sin la presencia de napa freática (12 sitios selectos durante 2007 y 10 sitios durante 2008) y se determinaron distintas variables físico-químicas en muestras de suelo y de agua de la napa freática. En los distintos sitios se establecieron cuatro niveles de nitrógeno (0, 40, 80 y 120 kg ha-1) aplicados en el estadio V6. Los mayores niveles de rendimiento se observaron en sitios con menores profundidades de napas (<2 m) en donde el cultivo comenzó a captar agua en estadios tempranos de desarrollo hasta alcanzar la máxima profundidad efectiva de raíces. El rendimiento de maíz resultó severamente afectado cuando la conductividad eléctrica fue superior a 6 dS m-1. Por el contrario valores de salinidad inferiores a 3 dS m-1 no condicionaron el rendimiento de maíz. En los sitios sin napa el rendimiento de grano se asocio de manera positiva y significativa con el índice de precipitación estandarizado (IPE) 6 y con la capacidad de retención de agua (CRA) de los suelos. Mientras que en sitios con napa (CN) el rendimiento de granos se asocio negativamente con el IPE 6 y positivamente con el contenido de materia orgánica joven. En relación con la variación del rendimiento de maíz se comprobó una estrecha relación con la disponibilidad de agua a la siembra. En aquellos sitios donde la disponibilidad de agua a la siembra fue mayor se observó un incremento en los rendimientos de grano y una mayor respuesta a la fertilización nitrogenada. En sitios con presencia de napas se determinó un mayor rendimiento de grano y se comprobaron respuestas significativas a la fertilización con nitrógeno hasta la dosis de 80 kg de N ha-1. Si bien los estudios realizados deben considerarse preliminares, fue posible identificar factores edafoclimáticos (presencia de napa, agua útil a la siembra y CRA) que condicionaron tanto el rendimiento como la respuesta a la fertilización nitrogenada del cultivo de maíz. Además, los mismos tienen un carácter predictivo, es decir, pueden ser determinados previamente a la siembra del cultivo y constituyen una importante ayuda en el momento de la toma de decisiones. / The variability of maize yields in the semi-arid and sub-humid regions are mainly dependent on the rainfall and water stored during the pre-planting period. The use of subsurface water resources (water table) may be a useful strategy to mitigate the lack of rainfall at critical periods of the crops. This study was conducted within the Pampa´s region in a total area of 25800 km2. At the time of planting 22 sites, with and without the presence of water table, were selected (12 selected sites in 2007 and 10 sites in 2008). Also, several physicalchemical properties in soil samples and water table samples were determined. Four levels of nitrogen (0, 40, 80 and 120 kg ha-1) were applied at the V6 stage. The highest levels of performance were observed at the sites with shallower water table depths (<2 m) where cultivation began to capture water in early stages of development to achieve maximum effective root depth. Maize yield was severely affected when the electrical conductivity was greater than 6 dS/m. Conversely, salinity levels lower than 3 dS/m did not conditioned corn yield. At the sites without water table grain yield was associated positively and significantly with the standardized precipitation index (SPI) 6 and soil water storage capacity (WSC). On the contrary, grain yield was negatively associated with SPI 6 and positively with young organic matter content in the sites with water table. The variation of maize yield was also closely related with water availability at the planting period. In the sites with higher water availability at the planting period higher grain yields and greater response to nitrogen fertilization was observed. In the sites with water table presence was determined more grain yield and significant responses to nitrogen fertilization up to 80 kg N ha-1. While these studies should be considered preliminary, we could identify edaphoclimatic factors (presence of water table, initial available water content and WSC) that conditioned both yield and response to nitrogen fertilization in the case of maize crops. In addition, these factors have a predictive nature because can be determined prior to planting and constitute an important aid in the time of decision making.