It is important to understand the processes that influence the critical zone (CZ) evolution to ensure its sustainability. This thesis reports on laboratory and field experiments designed to measure the behavior of biogenic and lithogenic chemical species and their interaction in the CZ from column to pedon to catchment scales. We postulated that interactions between organic matter and rock-derived metals drive coupled processes of carbon stabilization and chemical weathering and denudation in the Jemez River Basin Critical Zone Observatory (JRB-CZO). First, we observed that secondary mineral coatings (Al and Fe (oxy)hydroxides) on primary silicate surfaces play a major role in sequestering aromatic and "humified" dissolved organic matter (DOM) into sorbate form, significantly retarding their subsurface transport. Further, reinfusion to OM-reacted-porous-media of a different DOM source resulted in exchange reactions consistent with a zonal model of OM adsorption at mineral surfaces. This dissertation also aimed to examine the influence of water and DOM fluxes on the CZ weathering processes. Rare earth elements (REE) were selected because of their coherent trends in reactivity toward organic ligands common to soils. Specifically, trends in REE fractionation were explored for their utility to inform on biogeochemical weathering processes in forested terrain in the JRB-CZO. Mineral weathering mechanisms are expected to differentially influence REE release, fractionation, and transport and the relative importance of such processes should be reflected in REE signatures of bulk soil, pore and surface waters. Our studies showed: (1) REE depletion trends with depth in bulk soils are correlated with topographically-induced variation in water and dissolved organic carbon (DOC) flux (reflected in negative correlations between total water and C fluxes) and solid phase REE concentrations measured at the same depths; (2) REE and DOC concentrations in stream waters were strongly correlated during snowmelt periods of high discharge, consistent with REE complexation and mobilization in association with organic ligands during shallow subsurface flow; (3) preferential sequestration of Eu occurs during formation of secondary Mn(IV)-oxides, explaining patterns of Eu enrichment in bulk soils; and (4) the incremental increase in positive Ce-anomalies with depth in bulk soils are apparently controlled by adsorption/co-precipitation with secondary Fe-(oxy)hydroxide minerals.

This dissertation involves two different studies. The first concerns the real-time detection of microbial contamination in drinking water using intrinsic fluorescence of the microorganisms. The prototype, “Blinky”, uses LEDs that emit light at 365nm, 590nm, and 635nm for ultraviolet, amber, and red light, respectively. At 365 nm, the cellular components excited include reduced pyridine nucleotides (RPNs), flavins, and cytochromes to distinguish viable bacteria; at 590 nm, the cellular components excited include cytochromes for non-viable bacteria; at 635 nm, the cellular components excited include calcium dipicolinic acid (DPA) for spores. By using these three different wavelengths, the prototype can differentiate between viable and non-viable organisms and also has the potential to detect spores. The aim of this study was to improve the detection limit by modifying the design of the instrument and to establish the detection limit of viable and non-viable bacteria and spores. The instrument was modified by replacing existing LEDs with LEDs that had 50% more intensity. Two additional LEDs were added for amber and red light, bringing the total to four LEDs for each. The LEDs were also positioned closer to the photomultiplier tube so as to increase sensitivity. For UV, only two LEDs were used as previous. The detection limit of the viable bacteria was ~50 live bacteria/L. No change in the intrinsic fluorescence below the concentration of ~10⁸ dead bacteria/L was observed. The results for spore measurements suggested that most of the spores had germinated before or during the measurements and could not be detected. The instrument was successful in detection of viable bacteria and also differentiating viable and non-viable bacteria. The instrument was not successful in detection of spores. The second study was designed to assess the water quality of well construction in southeastern Tanzania. Three designs were tested: Msabi rope pump (lined borehole and covered), an open well converted into a closed well (uncovered well into a covered and lined well), and an open well (uncovered and may or may not be lined). The study looked at the microbial and chemical water quality, as well as turbidity. The survey included 97 water collection points, 94 wells and three rivers. For microbial analysis, heterotrophic plate count (HPC), total coliforms and E. coli tests were performed. Fifteen of these wells were further analyzed for microflora and diversity for wells comparison purposes, using culture methods, followed by polymerase chain reaction (PCR) and genome sequencing. Ten wells out of the fifteen were analyzed for calcium (water hardiness), potassium, nitrates, nitrites, chloride, fluoride, bromide, sulfate, iron, and arsenic. Two water collection points were also selected for organic compound analysis (gasoline components). All samples tested positive for coliforms. Two samples tested positive for Escherichia coli for the lined borehole (Msabi rope pump) and four samples from closed wells. All open wells tested positive for E. coli. There was more microbial diversity in open wells than the closed wells and Msabi rope pumps. Potential bacterial pathogens were detected in seven wells out of the fifteen examined. The wells that tested positive were one Msabi rope pump, one closed well; the rest were from open water sources. Open wells had high turbidity followed by closed wells. Msabi rope pumps had low turbidity comparing to the two wells designs. No traces of gasoline components were detected in any of the water sources. One well out of ten had high amounts of nitrates-nitrogen (> 10 mg/L). The results of this study showed that the Msabi rope pumps performed comparably to the closed wells in terms of microbial quality but performed better with regard to turbidity. The open wells performed poorly in terms of microbial water quality as well and turbidity. There was a statistical difference in HPC, total coliforms, E.coli numbers and turbidity between open wells, closed wells and the Msabi rope pumps. However, there was no statistical difference in HPC, total coliforms and E.coli numbers between the closed wells and Msabi rope pumps. Msabi rope pumps performed better in turbidity

Modeling the seedling recruitment microsite involves characterization of the soil environment of the shallow profile from which weed seedlings recruit. Understanding the environment of the seedling recruitment microsite is the prelude to weed emergence studies. Because of spatial and temporal heterogeneity of the recruitment microsite, sufficient measurements are often not feasible. An experiment was established in 2003 and 2004 across topography within an annually cropped field in south-central Manitoba to determine the effect that hillslope aspect and position, and soil residue and depth would have on microsite environment within the shallow seedling recruitment zone. Microclimatic, topographic, soil surface and soil properties were assessed in the context of the weed recruitment microsite. The soil water retention characteristic was measured by pressure plate to determine water availability to germinating seeds at the various topographic positions. The soil water characteristic was evaluated across topography and soil depth. Evaluation of the soil water characteristic by pedotransfer function indicated that a single soil water characteristic is representative of the recruitment zone. Field and laboratory experimental measurements were used as parameterization for the simultaneous heat and water (SHAW) model to generate continuous water and temperature profiles for the recruitment zone. Soil temperature and temperature fluctuation decreased with depth in the recruitment zone. Despite differences of texture, bulk density, and organic matter across topography and soil depth, the soil water characteristic differed only across topography. Soil water potential fluctuated considerably at the soil surface due to numerous precipitation events and direct evaporation. Implications for germinating seeds is that the seedling recruitment zone is influenced by spatial effects of topography and the vertical location of the seed microsite. Physical process based modeling used in this study to predict temperature and water within the seedling recruitment zone enables better understanding of interactions between above-ground microclimate and the recruitment microsite. Such interactions enable linkage between atmospheric models and recruitment models that can enhance our ability to evaluate crop management decisions.

Modeling the seedling recruitment microsite involves characterization of the soil environment of the shallow profile from which weed seedlings recruit. Understanding the environment of the seedling recruitment microsite is the prelude to weed emergence studies. Because of spatial and temporal heterogeneity of the recruitment microsite, sufficient measurements are often not feasible. An experiment was established in 2003 and 2004 across topography within an annually cropped field in south-central Manitoba to determine the effect that hillslope aspect and position, and soil residue and depth would have on microsite environment within the shallow seedling recruitment zone. Microclimatic, topographic, soil surface and soil properties were assessed in the context of the weed recruitment microsite. The soil water retention characteristic was measured by pressure plate to determine water availability to germinating seeds at the various topographic positions. The soil water characteristic was evaluated across topography and soil depth. Evaluation of the soil water characteristic by pedotransfer function indicated that a single soil water characteristic is representative of the recruitment zone. Field and laboratory experimental measurements were used as parameterization for the simultaneous heat and water (SHAW) model to generate continuous water and temperature profiles for the recruitment zone. Soil temperature and temperature fluctuation decreased with depth in the recruitment zone. Despite differences of texture, bulk density, and organic matter across topography and soil depth, the soil water characteristic differed only across topography. Soil water potential fluctuated considerably at the soil surface due to numerous precipitation events and direct evaporation. Implications for germinating seeds is that the seedling recruitment zone is influenced by spatial effects of topography and the vertical location of the seed microsite. Physical process based modeling used in this study to predict temperature and water within the seedling recruitment zone enables better understanding of interactions between above-ground microclimate and the recruitment microsite. Such interactions enable linkage between atmospheric models and recruitment models that can enhance our ability to evaluate crop management decisions.

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Roads and traffic are a major non-point source of pollutants and may have severe impacts on surface water, groundwater, soil and vegetation. In cold climates, de-icing salt is one such pollutant that may cause increased chloride concentrations and induce other effects on the environment. Monitoring and quantifying environmental effects are crucial for governing decisions towards more suitable use of de-icing salt in order to achieve and maintain good environmental status around roads. This thesis presents an operational modelling tool for monitoring the transport and fate of de-icing salt in the roadside environment in order to quantify changes in the environment at various spatial and temporal scales, using salt application data, meteorological data, geology and generic descriptions of hydrogeological environments as main inputs. A combination of modelling and various independent field measurements provided an efficient means for evaluating and describing the spread of de-icing salt from the road to the surroundings, the deposition of salt and ploughed snow in the roadside, and the corresponding increase in chloride concentration in soil and groundwater. Both the spatial and seasonal variation in soil chloride concentration were significantly affected by de-icing salt application. The importance of type of soil, vegetation type, groundwater conditions and distance from the road was clearly demonstrated for modelling the transport and fate of de-icing salt in the roadside environment. Salt emissions from the road by surface runoff were estimated at 50-80% of applied salt and transport by snow ploughing and air emissions at 20-50%. The uncertainty in the spatial distribution of snow and salt deposition close to the road was high and a previous proposed exponential decline in salt deposition with distance from the road could not be justified within a couple of metres from the road. Future monitoring should include both modelling and systematic data collection in order to reduce the uncertainty in predictions of the environmental impact of de-icing salt. Modelling of chloride concentration, soil water content and soil temperature and measurements of electrical resistivity may be a cost-effective solution for quantifying changes in the roadside environment. / QC 20100526

Diss. (sammanfattning). Umeå : Sveriges lantbruksuniv. / Härtill 5 uppsatser.

Submitted by Lara Oliveira (lara@ufersa.edu.br) on 2017-03-27T22:19:56Z No. of bitstreams: 1 IsabelGCM_TESE.pdf: 2366363 bytes, checksum: 78086589e266cc1bc49e34cf3903a65c (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-04-13T15:00:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 IsabelGCM_TESE.pdf: 2366363 bytes, checksum: 78086589e266cc1bc49e34cf3903a65c (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-04-13T15:06:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 IsabelGCM_TESE.pdf: 2366363 bytes, checksum: 78086589e266cc1bc49e34cf3903a65c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-13T15:08:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 IsabelGCM_TESE.pdf: 2366363 bytes, checksum: 78086589e266cc1bc49e34cf3903a65c (MD5) Previous issue date: 2016-07-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The increase in world population has led to increased demand for water and food, causing thereby greater pressure on agricultural land, and therefore its degradation and scarcity. The use of biochar in agriculture emerges as a sustainable technique, which contribution to the improvement of soil quality and crop productivity has already been highlighted in several studies. Therefore, two experiments were conducted in order to evaluate the influence of biochar application on soil chemical and physical properties and on the yield of two successive crops of cowpea. The trials were conducted in pots, in the period from March 2013 to March 2014, in a greenhouse at UFERSA, Mossoro, RN, Brazil. The experimental design was that of randomized blocks in a 4x5 factorial scheme, being tested four biochar doses (0, 3.5, 7 and 10.5 t ha-1) and five types of soil [Argisol (AS), Cambisol (CS), Oxisol (LS), Fluvic (NFS) and Quartzipsamment (NQS)] with five replications. Biochar was produced from wood resulting from the pruning of cashew trees. Variables analyzed were soil physical properties (water holding capacity and soil density), soil chemical properties [pH, soil organic matter (SOM), P, K, Na, Ca, Mg, exchangeable sodium percentage (ESP) and sum of bases (SB)], characteristics of initial growth of the seedlings (emergence percentage, seedling height and shoot dry mass per seedling) and yield components of cowpea (number of grains per pod (NGP), average length of pods (LP), hundred grain weight (HGW) and grain yield (GY)). Data were submitted to analysis of variance, besides analysis of regression or Tukey test, depending of the effects being considered. With few exceptions, the behavior of the variables was different according to the soil type. Addition of biochar provided a linear increase of 14% in the water holding capacity for the higher dose in relation to the control. Reduction in soil density was provided by biochar application only in the CS and LS. Biochar doses provided in the CS the largest linear increases in values of variables of initial growth of cowpea. Regardless of biochar dose, the NFS soil showed larger values of NGP, LP, HGW and GY of cowpea in both crops. Biochar doses provided linear increases in values of the components of yield of cowpea in both crops, with few negative effects in the second crop. Regardless of biochar dose, the largest values of P, Na, K, Ca, Mg e SB were obtained in the NFS; of pH and Na in the AS and of SOM in the CS, while NQS showed the lowest values of SOM, P, K, Na, and the largest values of ESP. Biochar doses of exerted a positive effect only on pH, SOM, P and ESP, mainly in the soils NFS and CS, however, generally, the doses did not presented consistent effects on chemical characteristics like K, Na, Ca and SB, in most soils. Negative effects of the increase in biochar dose were observed for SB, P, Na, Ca, pH, ESP, Na and K in the soils NFS, LS and CS / O aumento da população mundial tem levado ao incremento da demanda por água e alimentos, gerando, com isso, maior pressão sobre o solo e a água, e consequentemente sua degradação e escassez. O uso de carvão vegetal na agricultura surge como uma técnica sustentável, cuja contribuição para a melhoria da qualidade do solo e da produtividade das culturas tem sido apontada por diversos estudos. Portanto, foram desenvolvidos dois experimentos visando avaliar a influência da aplicação do carvão vegetal sobre características químicas e físicas do solo e sobre a produtividade de dois cultivos sucessivos de feijão-caupi. Os experimentos foram conduzidos em vasos, entre março de 2013 e março de 2014, em casa de vegetação da UFERSA, Mossoró-RN. O delineamento estatístico foi o de blocos ao acaso em esquema fatorial 4x5, tendo sido testadas quatro doses de carvão vegetal (0; 3,5; 7 e 10,5 t ha-1) em cinco tipos de solo [Argissolo (AS), Cambissolo (CS), Latossolo (LS), Neossolo Flúvico (NFS) e Neossolo Quartzarênico (NQS)], com 5 repetições. O carvão vegetal foi produzido a partir de resíduos da poda de cajueiros. As variáveis avaliadas foram características físicas do solo (capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), capacidade de retenção água e densidade do solo), caractercaractercaracter caractercaracter ísticas quími ísticas quími ísticas quími ísticas quími ísticas químicas do solo [cas do solo [cas do solo [ cas do solo [ cas do solo [ cas do solo [pH, matéria orgânica ( matéria orgânica ( matéria orgânica (matéria orgânica ( matéria orgânica ( matéria orgânica ( matéria orgânica (matéria orgânica (MOS ), P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, , P, K, Na, Ca, Mg, percentual percentual percentual percentual percentual percentual de sódio trocável ( de sódio trocável (de sódio trocável ( de sódio trocável ( de sódio trocável ( de sódio trocável (de sódio trocável ( de sódio trocável ( de sódio trocável (PST ) e soma de bases ( ) e soma de bases () e soma de bases () e soma de bases ( ) e soma de bases ( ) e soma de bases () e soma de bases ( ) e soma de bases ( ) e soma de bases ( ) e soma de bases (SB )], características de , características de , características de , características de , características de , características de , características de , características de , características de , características de , características de , características de , características de crescimentocrescimentocrescimentocrescimento crescimento crescimentocrescimento inicial inicial inicial das das das pl ânt ul as (as ( as (porcentagem de emergência de plântulas, altura das plântulas, massa seca da parte aérea) e componentes de produção do feijão ) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão ) e componentes de produção do feijão ) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão ) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão ) e componentes de produção do feijão ) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão ) e componentes de produção do feijão) e componentes de produção do feijão-caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, caupi (número de grãos por vagem, comprimento comprimento comprimento comprimento médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro médio de vagens, massa 100 grãos e produtividade por vaso secos no primeiro cultivo e de grãos verdes no segundo)cultivo e de grãos verdes no segundo) cultivo e de grãos verdes no segundo) cultivo e de grãos verdes no segundo)cultivo e de grãos verdes no segundo)cultivo e de grãos verdes no segundo) cultivo e de grãos verdes no segundo)cultivo e de grãos verdes no segundo)cultivo e de grãos verdes no segundo)cultivo e de grãos verdes no segundo)cultivo e de grãos verdes no segundo) cultivo e de grãos verdes no segundo) cultivo e de grãos verdes no segundo) cultivo e de grãos verdes no segundo) cultivo e de grãos verdes no segundo) cultivo e de grãos verdes no segundo) cultivo e de grãos verdes no segundo)cultivo e de grãos verdes no segundo) . Os dados foram submetidos à análise de variância e análise de regressão ou teste de Tukey, conforme os efeitos significativos encontrados. Com poucas exceções, o comportamento das variáveis em função da dose de carvão vegetal aplicada diferiu conforme o tipo de solo. A aplicação de carvão vegetal promoveu aumento linear de 14% na capacidade de retenção de água para a maior dose, em relação à dose zero, independentemente do tipo de solo. Além disso, promoveu redução na densidade do solo apenas no CS e LS. As doses de carvão vegetal promoveram no solo CS os maiores aumentos lineares nos valores das variáveis de crescimento inicial do feijão-caupi. As doses de carvão vegetal promoveram aumentos lineares nas variáveis de crescimento inicial na maioria dos solos. Independente da dose de carvão vegetal, o solo NFS apresentou os maiores valores de número de grãos por vagem (NGV), comprimento de vagens (CMV), massa de cem grãos (P100G) e produtividade (PROD) do feijão-caupi nos dois cultivos. As doses de carvão vegetal promoveram aumentos lineares nos valores dos componentes de produção do feijão-caupi na maioria dos solos nos dois cultivos, com poucos efeitos negativos no segundo cultivo. Independente da dose de carvão vegetal, os maiores valores de P, Na, K, Ca, Mg e SB foram obtidos no NFS; de pH e Na no AS e de MOS no CS. Enquanto que o NQS apresentou os menores teores de MOS, P, K, Na e os maiores de PST. As doses de carvão vegetal exerceram efeito positivo apenas sobre pH, MOS, P e PST, principalmente nos solos NFS e CS, entretanto, em geral, não apresentou efeitos visíveis sobre características químicas como K, Na, Ca e SB, na maioria dos solos. Efeitos negativos do aumento na dose de carvão vegetal foram observados para SB, P, Na, Ca, pH, PST, Na e K nos solos NFS, LS e CS / 2017-02-03

Esta tese apresenta um estudo sobre a resistência ao cisalhamento e a condutividade hidráulica de dois solos coluvionares não saturados situados na divisa dos estados do Rio Grande do Sul e Santa Catarina, em um dos trechos do Gasoduto Bolívia-Brasil. Esses solos são constituídos por sedimentos oriundos da Formação Serra Geral (basalto – Solo RO) e da Formação Botucatu (arenito – Solo AV). O trabalho de pesquisa realizado com esses solos tem seu enfoque dividido em duas partes principais: (1) obtenção direta da resistência ao cisalhamento e da função condutividade hidráulica em diferentes níveis de sucção, e (2) previsão indireta dessas propriedades a partir da determinação da curva característica do solo e de parâmetros geotécnicos saturados. As curvas características dos solos AV e RO, nas condições indeformada e remoldada (sem e com secagem prévia do solo), foram obtidas pelo uso combinado do método do papel filtro e da placa de sucção. Para as condições indeformada e remoldada sem secagem prévia, essas curvas exibiram um formato bimodal. A dessaturação é controlada pelos macroporos, para baixas sucções, e pelos microporos, para altas sucções. Para valores de sucção intermediários, praticamente não ocorre remoção de água do solo, devido, provavelmente, à ausência de poros com tamanho intermediário. Já as curvas características das amostras remoldadas com secagem prévia do solo tendem a apresentar um formato mais próximo do unimodal. A influência do índice de vazios inicial e da história de umedecimento e secagem no formato da curva é também discutida. A resistência ao cisalhamento dos solos estudados foi determinada em laboratório através de ensaios de cisalhamento direto convencionais e com sucção controlada. Os resultados, obtidos para amostras indeformadas e remoldadas sem secagem prévia, permitiram a determinação dos parâmetros de resistência ao cisalhamento c’, f’ e fb. Para determinação direta da função condutividade hidráulica do Solo AV foi construído um permeâmetro triaxial com controle de sucção, baseado no modelo apresentado por Huang et al. (1998). Esse equipamento foi utilizado para determinação da função condutividade hidráulica do Solo AV não saturado, em diferentes trajetórias de umedecimento e secagem. Os resultados evidenciaram que as amostras do Solo AV nas três condições de moldagem - indeformada, remoldada sem e com secagem - tendem a reproduzir o comportamento de dessaturação exibido nas curvas características. A função condutividade hidráulica apresenta inicialmente um decréscimo para sucções até 50 kPa, seguido por um valor praticamente constante, para sucções até 90 kPa. / This thesis presents a study about the shear strength and hydraulic conductivity of two unsaturated colluvium soils situated at the border between the states of Rio Grande do Sul and Santa Catarina, along one of the Bolivia-Brazil Gas Pipeline stretches. These soils are constituted by sediments originated from Serra Geral (basalt – sample RO) and Botucatu formations (sandstone - sample AV). The research performed with these soils had its focus divided in two main parts: (1) direct measurements of shear strength and hydraulic conductivity function at different suction levels and (2) indirect prediction of these properties from the soil-water characteristic curves and saturated geotechnical parameters. The soilwater characteristic curves of AV and RO Samples, in undisturbed and remolded conditions (without and with previous drying), were determined with both the filter-paper technique and the suction-plate technique. The undisturbed and remolded samples without previous drying showed a bimodal shape. The desaturation is controlled by the macropores for low suction values and by the micropores, for higher values. For intermediary suctions values, practically no removal of water from the sample occurs, possibly due to the lack of intermediate pore sizes. The remolded samples with previous drying tend to present a shape close to unimodal. The influences of void ratio and the drying and wetting history in the shape of the soil-water characteristic curve are also discussed. The shear strength of the studied soils was determined with conventional and suction-controlled direct shear tests. The results obtained for undisturbed and remolded samples without previous drying allowed the determination of shear strength parameters c’, f’ e fb. For the direct measurement of hydraulic conductivity function, a flexible-wall permeameter was built, based on the model presented by Huang et al. (1998). This equipment was used for determining the unsaturated hydraulic conductivity function of Sample AV in different drying and wetting paths. The results showed that Samples AV in the three molding conditions - undisturbed and remolded without and with previous drying – reproduced the desaturation behavior showed by the soil-water characteristic curves. The hydraulic conductivity function presents initially a decrease for suctions up to 50 kPa, followed by a practically constant value, for suctions up to 90 kPa.

Esta tese foi desenvolvida para avaliar os impactos das mudanças climáticas ao longo deste século sobre as demandas futuras de água para irrigação da soja na região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul sob uma abordagem estocástica e considerando diferentes projeções de modelos climáticos para o período de 2011-2100, comparando com o passado (1961-1990). As demandas de água para irrigação da soja (IWR) foram obtidas por simulação com o modelo SWAP. O aspecto estocástico desta avaliação foi conduzido pela incorporação da variabilidade espacial da condutividade hidráulica do solo (Ksat) e dos parâmetros da curva de retenção de água no solo (CR). Inicialmente, foi realizada uma análise estocástica destes atributos físico-hidráulicos na bacia do Arroio Donato (1,1 Km2), a qual serviu de área representativa dos solos e do uso do solo da região Noroeste. Foi empregada a técnica de simulação sequencial Gaussiana (SSG) para geração de 100 campos aleatórios de cada variável. Os resultados revelaram maiores incertezas para Ksat e o parâmetro α da CR e permitiu identificar que a grande heterogeneidade espacial e temporal das variáveis analisadas pode estar associada a fatores tais como clima, manejo e cobertura do solo, erros de amostragem, adensamento da malha amostral e também ao grau de compactação do solo. Em seguida foi feita uma investigação para detectar mudanças nos padrões de temperatura (T) e precipitação (P) na região Noroeste do RS (~65.000 Km2) pelo uso de diferentes modelos climáticos de circulação geral e regional (MCGs e MCRs, respectivamente). Sete distintas localizações na região foram consideradas, para as quais há dez diferentes projeções climáticas destes modelos. Adicionalmente, também foram investigadas a frequência e a intensidade de eventos de precipitação extrema utilizando-se de índices de eventos extremos. As projeções indicam um aumento na média anual de temperatura de quase 3ºC até o final do século, bem como um aumento na precipitação anual. Também foi realizada uma análise sazonal de T e P, a qual demonstrou que os maiores aumentos de temperatura são projetados para o inverno e início da primavera e, portanto, não coincidem com os meses de verão da principal cultura da região (soja). De posse das informações anteriores, o modelo SWAP foi utilizado para estimar as demandas de água para irrigação da soja (IWR), sem considerar perdas devido à eficiência de qualquer método de irrigação. Foram feitos também testes de hipóteses sobre as séries de IWR simuladas e os resultados suportam a premissa de que IWR a curto prazo (2025s) não será estatisticamente diferente do período base (1961-1990). Por outro lado, as IWR em 2055s e 2085s rejeitam esta hipótese. Por fim, avaliou-se a influência da distribuição espacial da condutividade hidráulica saturada (Ksat) e dos parâmetros do modelo da curva de retenção de água no solo (α, n e sat) sobre as demandas futuras de água para a irrigação da soja (IWR), segundo uma abordagem estocástica. Os valores simulados pelo método geoestatístico de simulação sequencial Gaussiana foram utilizados como dados de entrada no modelo SWAP. Como dados meteorológicos foram consideradas apenas as projeções do modelo climático regional ETA 20 e ETA 40 CTRL, bem como as projeções dadas pelo modelo climático global HADCM3 nas sete localizações na região. As estimativas obtidas pelo método estocástico foram então comparadas com as estimativas de IWR obtidas sem considerar a variabilidade espacial dos atributos físico-hidráulicos do solo. Os resultados indicaram grande variabilidade espacial dos valores de IWR. Além disso, observou-se que as menores incertezas de IWR foram obtidas a partir das projeções do modelo de melhor resolução espacial, o ETA 20, enquanto o modelo HADCM3 revelou as maiores diferenças entre os períodos futuros e o período atual (base). Os resultados também demonstraram que a maior incerteza é devido aos modelos climáticos, pois a abordagem estocástica praticamente não agregou incerteza aos valores de IWR simulados anteriormente. Por fim, as séries de IWR obtidas pela abordagem determinística e estocástica foram comparadas pelo teste de hipóteses de Kolmogorov-Smirnov, o qual comprovou que as séries só não diferem a curto prazo (2025s) e que, portanto, a variabilidade espacial do solo não pode ser negligenciada nas estimativas desta variável. / This Thesis has been developed to assess the impacts of climate change throughout this century on future water demands for soybean irrigation in the Northwest region of Rio Grande do Sul under a stochastic approach and considering different projections of climate models for the period 2011-2100, compared to the past (1961-1990). The water demands for irrigation (IWR) were obtained by simulation with the SWAP model. The stochastic aspect of this evaluation was conducted by incorporating the spatial variability of the saturated hydraulic conductivity (Ksat) and the parameters of the soil water retention curve (CR). Initially, a stochastic analysis of soil physical-hydraulic attributes (Ksat and CR parameters) in the Donato basin (1,1 Km2) was carried out. This basin served as a representative area of soils and land uses of the Northwest region. The Sequential Gaussian Simulation (SSG) technique was used to generate 100 random fields of each variable. The results revealed greater uncertainty for Ksat and for α parameter of the CR and identified that the large spatial and temporal heterogeneity of the variables may be associated with factors such as climate, management and land cover, sampling error, spatial density of the sampling grid and also the degree of soil compaction. After, an investigation was made to detect changes in temperature (T) and precipitation (P) patterns in the Northwest region of RS (~65.000 Km2) by using different global and regional circulation models (GCM and RCM, respectively). Seven distinct locations in the region were considered, for which there are ten different climate projections of these models. Additionally, it was also investigated the frequency and intensity of extreme rainfall events using extreme event indices. Projections indicate an increase in average annual temperature of almost 3 °C by the end of this century, as well as an increase in annual precipitation. It was also performed a seasonal analysis of T and P, which showed that the largest temperature increases are projected for the winter and early spring and, therefore, do not coincide with the summer months the main crop in the region (soy). Making use of the above information, the SWAP model was applied to estimate the water demand for soybean irrigation (IWR), excluding losses due to the efficiency of any method of irrigation. A hypothesis test for the simulated IWR series and the results supports the premise that in short-term IWR (2025s) is not statistically different from base period (1961-1990). On the other hand, IWR in 2055s and 2085s reject this hypothesis. Finally, the influence of the spatial distribution of the saturated hydraulic conductivity (Ksat) and the parameters of the soil water retention curve (α, sat and n) on IWR was evaluated, according to a stochastic approach. The simulated values form the geostatistical method of Sequential Gaussian Simulation (SGS) were used as input data in the SWAP model. Input data of meteorological information were provided by the projections of regional climate model ETA 20 and ETA 40 CTRL, as well as the projections given by global climate model HADCM3 for the seven locations in the region. Estimates obtained by the stochastic method were then compared with the IWR estimates obtained without considering the spatial variability of physical and hydraulic soil properties. The results indicated large spatial variability of IWR values. Furthermore, it was observed that the smallest uncertainties of IWR were obtained from the projections with better spatial resolution, the ETA 20 model, while the HADCM3 model revealed the highest differences between future periods and the current period (baseline). The results also showed that the greatest uncertainties are probably due to climate models, since the stochastic approach did not add uncertainties to the IWR values simulated previously. Finally, the series of IWR obtained by stochastic and deterministic approaches were compared by the hypothesis test of Kolmogorov-Smirnov, which proved that only the series in the short term (2025s) differ, and, therefore, the soil spatial variability may not be neglected when estimating this variable.