Submitted by Claudia Rocha (claudia.rocha@udesc.br) on 2018-03-07T14:38:13Z No. of bitstreams: 1 PGCS16MA152.pdf: 1026343 bytes, checksum: 9aece6d47b63a39320a6d4385220f021 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-07T14:38:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PGCS16MA152.pdf: 1026343 bytes, checksum: 9aece6d47b63a39320a6d4385220f021 (MD5) Previous issue date: 2016-09-30 / Many of the existing swine production systems in southern Brazil, provide high production of pig slurry. This situation leads to management problems, storage, distribution and environmental pollution caused by the improperly disposal of this waste product. The objective of this work was to determine the effect of application of dose increase of pig slurry on physical and chemical attributes of a Cambisol, in the production of plant biomass and water erosion, under three crops and compare the results with those obtained in soil condition uncultivated and without waste, in Rio do Sul - SC. The treatments were the control (no tillage and zero dose) and the doses 0 (zero), 50, 100 and 200 m³ ha-¹ of pig slurry applied on the soil surface. The application was performed in three stages after the implementation of millet, oat and sunn hemp in plots of 15 x 2.0 m, bounded by galvanized sheet, with an average gradient of 23.3%. The samples of erosive rainfall were collected to quantify the soil loss, water and nutrients. Before and after the experiment, soil samples were collected to evaluate the physical and chemical properties. At the end of each cultivation, dry matter production of shoot was determined. The increase of pig slurry doses increased production of biomass in the cultivated area, due to the improved porosity and, in part, of calcium, phosphorus and potassium, especially in the soil surface. Therefore, the water erosion reduces, after three cycles of cultivation. Soil losses were more influenced than the loss of water. The Ca, Mg, P and K contents in runoff water are the largest in treatments with higher doses of pig slurry. In the 200-m3 h-1 of pig slurry dose, the total nutrients losses in runoff are greatest / A erosão hídrica é a principal causa de degradação do solo agrícola e do ambiente no entorno dos sistemas de produção, fortemente influenciada pelo manejo do solo que, por sua, vez, é influenciando pelas adubações, dentro outros fatores. A maior parte dos sistemas de produção de suínos no sul do Brasil propicia produção de dejeto em alta quantidade. O dejeto gera problemas de manejo, armazenamento, distribuição e poluição ambiental causada pela erosão hídrica devido ao descarte do produto de forma de adubação, de maneira inadequada. Com o experimento objetivou-se estudar o efeito de dejeto líquido de suínos (DLS) em atributos de um Cambissolo Háplico, na produção de massa vegetal da parte aérea das plantas (MS) e na erosão hídrica em solo cultivado, e comparar os resultados com os obtidos em condição de solo sem cultivo e sem dejeto, em Rio do Sul - SC. Os tratamentos foram constituídos em testemunha (sem cultivo e sem dejeto) e pelas doses 0 (zero), 50, 100 e 200 m³ ha- ¹ de DLS aplicado na superfície do solo em três momentos após a implantação das culturas de milheto, aveia preta e crotalária, em parcelas de 15 x 2,0 m delimitadas por chapas galvanizadas, com declividade média de 23,3%. Ao longo da pesquisa foram determinadas as perdas de água e solo por erosão e coletadas amostras de enxurrada resultantes de chuvas erosivas para, nelas, determinar as perdas de alguns nutrientes. Antes da instalação do experimento e após o final da pesquisa, amostras de solo foram coletadas para avaliar as propriedades físicas e químicas e, ao final de cada cultivo, determinou-se ainda a produção de MS das plantas cultivadas no experimento. Identificou-se que o DLS aumentou a MS com o aumento da dose de dejeto, devido à melhoria da porosidade e, em parte, dos teores de cálcio, fósforo e potássio, em especial na superfície do solo. Com isso diminuiu a erosão hídrica ao final de três ciclos de cultivo. Em relação à erosão, as perdas de solo (PS) foram mais influenciadas do que as perdas de água (PA); os teores de Ca, Mg, P e K na água de escoamento superficial foram maiores nos tratamentos com as maiores doses de DLS do que naqueles das menores doses. As perdas totais de nutrientes na enxurrada, no entanto, foram maiores apenas na dose 200 m3 ha-1 de dejeto do que nas demais

Submitted by Claudia Rocha (claudia.rocha@udesc.br) on 2018-03-08T15:58:46Z No. of bitstreams: 1 PGCS17MA167.pdf: 1869193 bytes, checksum: d607c94be1d50fbf1dc0c4b56500c279 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-08T15:58:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PGCS17MA167.pdf: 1869193 bytes, checksum: d607c94be1d50fbf1dc0c4b56500c279 (MD5) Previous issue date: 2017-02-20 / Capes / In agricultural production systems soil degradation by water erosion is one of the main causes of environmental contamination, whose erosion is strongly influenced by slope length, among other factors. The objective of this work was to quantify the losses of soil (PS) and water (PA), in different slope lengths, in a field experiment, cultivated in a no-tillage system under natural rainfall condition, Lages, SC. The treatments, with two replications, consisted of slope lengths of 11, 22, 33 and 44 m, at an average slope of 8%. Erosion was evaluated during the growing season of the consortium with black oats, turnip and common vetch between july and november 2015, between november and february 2015/2016 with single black bean, and between march and july 2016 with single black oats , in individual events of 49 erosive rains. Water erosion increased with increasing slope length, in the range between 11 and 44 m, establishing a potential relationship between the variables. Soil losses decreased from the first crop shortly after the implantation of the no-tillage, from this to the second crop and from this crop to the third crop. Soil losses were linearly and positively related to rainfall erosivity and water losses, while water losses were related in the same manner to slope length and rainfall height in the growing condition of the soil. Soil in the form of no-tilla / Nos sistemas de produção agrícola a degradação do solo por erosão hídrica é uma das principais causas de contaminação ambiental, cuja erosão é fortemente influenciada pelo comprimento de declive, dentre outros fatores. Com este trabalho objetivou-se quantificar as perdas de solo (PS) e água (PA), em diferentes comprimentos de declive num Cambissolo Húmico Alumínico léptico, em experimento de campo, cultivado em sistema de semeadura direta, em condição de chuva natural, em Lages, SC. Os tratamentos, com duas repetições, constituíram-se nos comprimentos de declive de 11, 22, 33 e 44 m, em uma declividade média de 8%. Avaliou-se a erosão no período de cultivo do consórcio com aveia, nabo e ervilhaca entre julho e novembro de 2015, entre novembro de 2015 e fevereiro de 2016 com feijão preto solteiro e, de março a julho de 2016 com aveia preta solteira, em eventos individuais de 49 chuvas erosivas. A erosão hídrica aumentou com o aumento do comprimento de declive, no intervalo entre 11 m e 44 m, estabelecendo uma relação potencial entre as variáveis. As perdas de solo diminuiram do primeiro cultivo logo após a implantação da semeadura direta, deste para o segundo cultivo e, deste cultivo para o terceiro. As perdas de solo relacionaram-se linear e positivamente com a erosividade das chuvas e com as perdas de água, enquanto, as perdas de água relacionaram-se do mesmo modo com o comprimento de declive e com a altura de chuva em condição de cultivo do solo na forma de semeadura direta. As perdas de solo variaram menos do que as perdas de água, tanto entre os comprimentos de declive, quanto, entre os cultivos

Orientador: Antônio Cezar Leal / Banca: Antônio Nivaldo Hespanhol / Banca: Andréia Cristina da Silva / Resumo: O manejo adequado de solos e água é imprescindível para a manutenção da qualidade ambiental e de vida da população. Entretanto, isso não vem ocorrendo na microbacia hidrográfica do córrego Palmitalzinho -Regente Feijó/São Paulo. Nessa área, são encontrados diversos problemas ambientais, tais como, baixa fertilidade e compactação do solo, erosão e assoreamento dos cursos d'água. Em função disto, neste trabalho teve-se como objetivos: levantar as atividades agropecuárias e sua disposição espacial na microbacia hidrográfica do córrego Palmitalzinho; identificar aspectos negativos associados ao manejo inadequado dos recursos naturais; propor práticas de conservação e manejo dos recursos solo e água e levantar as atividades desenvolvidas pelo Programa Estadual de Microbacias Hidrográficas. Para atingir os objetivos foram realizados levantamentos de campo em todas as propriedades, entrevistas com os proprietários/funcionários das mesmas, assim como coletas de dados e informações em órgãos públicos envolvidos com o Programa Estadual de Microbacias Hidrográficas (PEMBH) (Casa da Agricultura de Regente Feijó e Escritório de Desenvolvimento Rural de Presidente Prudente). Quanto à ocupação da área, foram encontradas culturas de café, milho, feijão, cana-de-açúcar, pêra, havendo o predomínio de pastagens. Os problemas associados ao manejo inadequado dos recursos naturais identificados foram: desestruturação do solo através da utilização do sistema convencional de plantio/semeadura, correção e adubação deficientes, compactação dos solos, pastagem degradada, presença de plantas daninhas, falta de manutenção ou ausência de práticas mecânicas de conservação, estradas mal locadas, erosões, área de preservação permanente com mata ciliar incompleta e reserva legal não averbada...(Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo). / Abstract: The appropriate management of the soils and water is indispensable for the maintenance of the environmental quality and of life of the population. However, that is not happening in the Palmitalzinho river hydrography microbasin- Regente Feijó county- São Paulo state. The local presents several environmental problems, such as compacted soil and with low fertility, erosion and sedimentation of the courses of water. By the reason of this, this research has as objectives: to present the agricultural activities and their spacial disposition in the Palmitalzinho river microbasin; to identify negative aspects related to the inadequate handling of natural resources; to propose conservation practices and management of the resources soil and water; and to present the activities developed by "Programa Estadual de Microbacias Hidrográficas" (PEMBH). Properties were traveled, as well as information were collected in public organs involved with PEMBH. The Palmitazinho river microbasin presents culture of coffee, corn, bean, sugar-cane, pear, having the predominance of pasture. The problems related to the inadequate management of the identified natural resources were: degradation of the soil through the use of the conventional system of tillage, low investment in fertilizers and limestone, compactation of the soils, pasture with low production of biomass, presence of harmful plants, maintenance lack or absence of terraces, dirt road with problems, erosions, area of permanent preservation with incomplete riparian forest and not protocoled legal reserves. The suggestions proposed include the use of the areas according to their use capacity, accomplishment of chemical analysis of the soil for correct use of fertilizers and limestone, descompactation of the soil, terracing and its maintenance, adaptation of dirt road,...(Complete abstract, click electronic address below). / Mestre

O entendimento da dinâmica hidrossedimentológica em uma bacia hidrográfica pode ser realizado pelo monitoramento das variáveis hidrossedimentológicas e pela modelagem desses processos. Nesse contexto, essa pesquisa analisou a eficiência do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT) na previsão dos processos hidrossedimentológicos na bacia do Taboão (Pejuçara, RS), considerando as saídas (vazão e produção de sedimentos) em um passo de tempo mensal e diário. Para tal, foram utilizados dados de chuva horária dos anos 2008 a 2016, monitorada em quatro pluviógrafos instalados na bacia (PVGs 34, 40, 43 e 51), e dados climáticos da estação meteorológica de Cruz Alta. As informações de vazão, para os anos de 2011 a 2016, foram obtidas por meio da conversão dos dados de nível de água monitorados no exutório da bacia, utilizando uma curva-chave cota x vazão. A concentração de sedimentos suspensos (CSS), para os anos de 2013 a 2015, foi estimada por meio de modelos de redes neurais artificias (RNAs), empregando como entrada dados de turbidez e de nível de água, monitorados no exutório da bacia. O preenchimento das falhas dos registros de precipitação horária foi executado por meio de modelos de Combinações de RNAs (CRNAs) associados à média simples (MS) ou à média ponderada pelo inverso da distância (MP), utilizando como entrada dados pluviométricos dos postos vizinhos. As falhas nos dados de nível de água foram preenchidas por modelos de RNAs, que usaram como entrada níveis de água monitorados em sub-bacias embutidas ou adjacente à bacia do Taboão (bacias do Donato, Turcato, Alemão e Andorinhas), e dados de precipitação média dos quatro pluviógrafos utilizados nessa pesquisa Foram determinadas as defasagens temporais entre os níveis de água das diferentes bacias, e testados o uso da precipitação média com aplicação de filtro temporal linear e/ou exponencial. Os registros falhos nos dados de turbidez foram preenchidos por modelos de RNAs, que empregaram como entrada informações de nível de água monitoradas, de 10 em 10 minutos, no exutório da bacia. A calibração do modelo SWAT para a previsão dos processos hidrológicos foi realizada usando dados de vazão, diários e mensais, para os anos de 2013, 2014 e 2016 e; a etapa de verificação foi executada para os anos de 2011 e 2015. Considerou-se o Método de Green & Ampt para determinação da infiltração de água no solo e 2 anos (2008-2009) para período de aquecimento do modelo SWAT. A calibração do modelo para a produção de sedimentos foi realizada para os anos de 2013 e 2015 e o processo de verificação foi efetuado para o ano de 2014. A calibração e a análise de sensibilidade dos parâmetros foram realizadas com auxílio do SWAT-CUP, utilizando o algoritmo SUFI-2. O coeficiente de Nash–Sutcliffe (NS) das RNAs para preenchimento das falhas de precipitação variou entre 0,35, classificado como “Insatisfatório”, e 0,86, avaliado como “Muito Bom”, considerando critérios propostos por Moriasi et al. (2007). Das 13 RNAs desenvolvidas para preenchimento das falhas nos níveis de água, apenas uma delas foi classificada como de desempenho “Satisfatório” durante o treinamento e; as demais enquadraram-se como de desempenho “Muito Bom”. Na etapa de verificação, sete RNAs foram consideradas com desempenho “Muito Bom” e cinco com “Bom” desempenho No preenchimento das falhas de turbidez, das cinco RNAs desenvolvidas, quatro mostraram “Bom” desempenho durante o treinamento, e uma rede teve desempenho “Muito Bom”; enquanto que, no processo de verificação, duas RNAs tiveram desempenho “Muito Bom”, uma delas foi classificada com desempenho “Bom” e; duas RNAs foram consideradas com desempenho “Satisfatório”. As estatísticas de desempenho dos modelos de RNAs desenvolvidos para o preenchimento das falhas de nível de água, de turbidez e de precipitação também demonstraram que tais redes representam uma alternativa interessante para a obtenção de séries contínuas desses dados, possibilitando o uso posterior dos registros para a modelagem hidrossedimentológica. A calibração do modelo SWAT para estimativa da vazão mensal mostrou desempenho “Muito Bom” (NS=0,78), e para a determinação da vazão diária foi considerado “Bom” (NS=0,72). Na etapa de verificação, o modelo manteve o “Bom” desempenho (NS=0,68) para estimativa da vazão diária, decaindo para desempenho “Satisfatório” (NS=0,64) para a simulação em escala mensal. Para a estimativa da produção de sedimentos mensal, o desempenho do modelo foi considerado “Bom” tanto na calibração (NS=0,66) quanto na verificação (NS=0,70). Na escala diária o desempenho foi “Satisfatório” para a calibração (NS=0,64) e “Insatisfatório” para a verificação (NS=0,38) Tais resultados indicam que o modelo SWAT é uma ferramenta promissora para aplicações na previsão hidrossedimentológica na bacia do Taboão, especialmente em termos de simulações dos processos hidrológicos. No entanto, existem limitações para aplicações na estimativa da produção de sedimentos, sobretudo quando considerados os processos em escala diária. Essas limitações são consequência da presença de processos erosivos na bacia (voçorocas), que não são simulados pelas rotinas presentes no modelo SWAT, bem como pelo escoamento dominante ser do tipo subsuperficial, com ocorrência de pipping; indicando-se, portanto, adequações nas rotinas do modelo para melhor representatividade desses processos. / The understanding of hydrosedimentological dynamics in a watershed can be obtained by monitoring the hydrossedimentological variables and by modeling these processes. In this context, this research analyzed the efficiency of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) in predicting the hydrosedimentological processes in the Taboão basin (Pejuçara, RS), considering the outputs (flow and sediment production) in a monthly and daily time step. For that, hourly rainfall data from 2008 to 2016 were monitored at four pluviographs installed in the basin (PVGs 34, 40, 43 and 51), and climate data were obtained from the Cruz Alta meteorological station. The flow information for the years 2011 to 2016 was obtained by converting the monitored water level data into flow by using a rating curve. The suspended sediment concentration (SSC), from 2013 to 2015, was estimated using artificial neural network (ANN) models, using as input turbidity and water level data, monitored in the basin. The filling of the hourly rainfall records was performed by models of Combinations of RNAs (CRNAs) associated with the simple mean (MS) or weighted mean to the inverse distance (MP), using as input rainfall data from the neighboring stations. Failures in the water-level data were filled by RNA models, which used as input water levels monitored in sub-basins adjacent or embedded to the Taboão basin (Donato, Turcato, Alemão and Andorinha basins), and mean precipitation data of the four pluviographs used in this research. The temporal lags between the water levels of the different basins were determined and the use of the average precipitation with linear and exponential temporal filters was tested The turbidity data records were filled by RNA models, using water level information monitored at every 10 minutes. The SWAT model calibration for predicting the hydrological processes was performed using daily and monthly flow data for the years 2013, 2014 and 2016 and the verification step was performed for the years 2011 and 2015; considering Green & Ampt Method for infiltration estimation and 2 years of warm-up period (2008-2009). The calibration of the model for sediment yield was performed for the years 2013 and 2015 and the verification process was carried out for the year 2014. The calibration and sensitivity analysis of the parameters were performed with the assistance of SWAT-CUP, using the SUFI-2 algorithm. The Nash-Sutcliffe Coefficient (NS) of the RNAs used to fill precipitation faults varied between 0.35, classified as "Unsatisfactory", and 0.86, evaluated as "Very Good", considering criteria proposed by Moriasi et al. (2007). Of the 13 RNAs developed to fill water level failures, only one of them was classified as a "Satisfactory" performance during training and; the others have been classified as "Very Good" performance. In the verification step, seven RNAs were considered to have "Very Good" performance and five had "Good” performance. In the fulfillment of the turbidity faults, of the five RNAs developed, four showed "Good" performance during the training, and one network had "Very Good" performance; while in the verification process two ANNs performed "Very Good", one of them was classified as "Good" and; two ANNs were considered to have "Satisfactory" performance The performance statistics of the ANN models developed to fill the water level, turbidity and precipitation failures also demonstrated that such networks represent an interesting alternative to obtain continuous series of these data, allowing the later use of the records for hydrossedimentological modeling. In the verification processes, the model maintained a “Good” performance (NS=0.68) to estimate the daily flow, decreasing to "Satisfactory" performance (NS=0.64) for the monthly scale simulation. For the estimation of sediment yield the model performance was considered "Good" for monthly calibration period (NS=0.66) and also for the verification (NS=0.70). In daily scale the performance was "Satisfactory" for calibration (NS=0.64) and “Unsatisfactory” in the verification (NS=0.38). These results indicate that the SWAT model is a promising tool for applications in the hydrosedimentological forecasting in the Taboão basin, especially in terms of hydrological processes simulations. However, there are limitations to applications in the estimation of sediment production, especially when considering daily scale processes. These limitations are due to the presence of erosive processes in the basin (gully erosion), which are not simulated by the routines present in the SWAT model, as well as by the existence of the lateral flow with occurrence of pipping; indicating, therefore, the need for adjustments in the routines of the model to better represent these processes.

Modelos matemáticos de predição de erosão e de produção de sedimentos apresentam um grande potencial para serem utilizados no planejamento dos recursos naturais, pois através destes é possível estimar impactos causados pelas atividades agrícolas. Com base nessa premissa, utilizou-se o modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool), em uma pequena bacia rural (1,19 km²) localizada no município de Arvorezinha-RS, para avaliar a sua aplicabilidade e simular a produção de sedimentos em três diferentes cenários de uso e manejo de solo (floresta, cultivo do fumo em sistema convencional e mínimo). A aplicabilidade do modelo foi avaliada através da comparação dos resultados hidrológicos e sedimentológicos simulados pelo modelo, sem utilização da calibração, com valores observados obtidos para uma série de dados de cinco anos de monitoramento hidrossedimentológico (2002-2006). Resultados referentes à aplicabilidade do modelo através da simulação do escoamento superficial para a escala de tempo diário não foram satisfatórios, enquanto que valores mensais e anuais foram mais adequados. Para a vazão líquida, da mesma forma que para o escoamento superficial, as melhores simulações foram verificadas também para vazões mensais e anuais. Já a produção de sedimentos os resultados não foram satisfatórios, tanto para simulações diárias como mensais e anuais. Possíveis razões que explicam os resultados da produção de sedimentos estão relacionados com limitações tanto da equação que simula o aporte de sedimentos (MUSLE), como do equacionamento da propagação dos sedimentos no canal. Os resultados das simulações hidrológicas para diferentes cenários mostraram não haver diferença para o escoamento superficial entre os sistemas convencional e o cultivo mínimo. Em relação à erosão, verificou-se que o cultivo mínimo foi capaz de reduzir em 30% a produção de sedimentos quando comparado com o sistema convencional. / Mathematical models to predict erosion and sediment yield have great potential for use in natural resource planning, as they enable the user to estimate impacts caused by agricultural activities. Based on this premise, the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) was applied in a small rural catchment (1,19 km²) in Arvorezinha - RS, in Southern Brazil, to evaluate its applicability and to estimate sediment yield under three different soil management scenarios: forest, conventional tillage with tobacco, and minimum tillage with tobacco. The applicability of the model was evaluated by comparing hydrologic and sediment results simulated by the uncalibrated model with observed values obtained over the course of five years (2002-2006) monitoring program. Applicability results for the model based on simulating surface runoff were unacceptable for the daily time scale, although results for monthly and annual time scales were better. This was also true for flow rate, with better simulations on the monthly and annual time scales. However for sediment yield simulations, the SWAT model did not present satisfactory results over any time frame. This may be related to limitations in the equation that simulates sediment load (MUSLE) or to the equivalency of sediment propagation in the canal. Hydrologic simulations for the different soil management scenarios did not show differences in surface runoff between conventional and minimum tillage, although the minimum tillage was shown to reduce sediment yield by 30% when compared with conventional tillage.

Vor dem Hintergrund des weltweit wachsenden Bedarfes an Bodenverbesserungsmitteln, durch die Humus-, Nährstoff- und Wassermangel auf Problemstandorten kompensiert werden sollen, war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, Bodenwasser-speicher auf Basis der nachwachsenden Biopolymere Stärke und Lignin zu entwickeln. Durch Derivatisierung der Stärke wurde deren Hydrophilie deutlich gesteigert, was Voraussetzung für die Bildung von Hydrogelen war. Es konnte gezeigt werden, dass durch Vernetzung der wasserlöslichen Stärkederivate Carboxymethylstärke und Monostärkemonophosphat mit Di-/Tricarbonsäuren quellfähige Hydrogele erzeugt werden, deren Quellungsvermögen und rheologische Eigenschaften über die Wahl des Vernetzers und die Vernetzerstoffmenge gezielt eingestellt werden können. Die Modifizierung von Lignin wurde durch Oxidation mit Wasserstoffperoxid, z.T. in Kombination mit Fe(II)- bzw. Mn(II)-Chloriden realisiert. Dadurch wurde die Vernetzbarkeit von Lignin deutlich verbessert, was auf oxidativ bedingte Strukturänderungen des Lignins zurückzuführen war. Diese bestanden im Wesentlichen in der Spaltung und Oxidation der Lignin-Seitenkette sowie der Hydroxylierung der Seitenkette und aromatischer Strukturen. Die Vernetzung von Lignin mit Poly-(ethylenglycol)-diglycidylether ergab quellfähige Hydrogele, deren Wasseraufnahmevermögen und rheologische Materialfunktionen von der eingesetzten Vernetzerstoffmenge abhängig sind. Es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Stärkephosphat- und Lignin-Hydrogelen das Wasserspeichervermögen erhöht und die Evaporationsraten eines entsprechend behandelten Sandbodens verringert werden. Im Wachstumsversuch wurden die Frischmasseerträge von Gelbsenf (Sinapis alba) durch Behandlung eines Sandbodens mit Hydrogelen gesteigert. / Soil degradation leading to a lack of humus, nutrients and water especially on exploited sites causes the worldwide need in soil amendments. Aim of the work was the development of hydrogels from renewable biopolymers starch and lignin improving water retention especially in degraded soils. A significant increase of hydrophilic properties of starch was obtained by chemical modification with the objective of forming starch based hydrogels. Swellable hydrogels were formed by cross-linking of water soluble starch derivatives like carboxymethyl starch and monostarch monophosphates with di- and tricarboxylic acids. Swelling capacity and rheological properties of the starch gels were selective adjusted by variation of cross linking agent and whose amounts. Modification of lignin was realized by oxidation with hydrogen peroxide partly in combination with ferrous and manganese chlorides, respectively. In consequence of oxidative structural changes which were cleavage and oxidation of side chain as well as aliphatic and aromatic hydroxylation, gelation of lignin was improved significant. Lignin hydrogels with different swelling capacities and rheological functions were formed by cross-linking lignin with different amounts of poly (ethylene glycol) diglycidyl ether. Application of hydrogels based on starch and lignin causes increased water storing capacity/field capacity and decreased evaporation of a sandy soil as well as an increased biomass yield of yellow mustard (Sinapis alba).

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Water quality management for agricultural production is a complicated and interesting problem. Hydrological and economic factors must be considered when designing strategies to reduce nutrient runoff from agricultural activities. This dissertation is composed of three chapters that investigate cost-effective ways to mitigate water pollution from agricultural nonpoint pollution sources and explore farmers' incentives when participating in water quality trading programs. Chapter 1 investigates landscape targeting of best management practices (BMPs) based on topographic index (TI) to determine how targeting would affect costs of meeting nitrogen (N) loading goals for Mahantango watershed, Pennsylvania. We use the results from two climate models and the mean of the ensemble of seven climate models to estimate expected climate changes and the Soil and Water Assessment Tool-Variable Source Area (SWAT-VSA) model to predict crop yields and N export. Costs of targeting and uniform placement of BMPs across the entire study area (4.23 km2) are compared under historical and future climate scenarios. We find that with a goal of reducing N loadings by 25%, spatial targeting methods could reduce costs by an average of 30% compared with uniform BMP placement under three historical climate scenarios. Cost savings from targeting are 38% under three future climate scenarios. Chapter 2 scales up the study area to the Susquehanna watershed (71,000 km2). We examine the effects of targeting the required reductions in N runoff within counties, across counties, and both within and across counties for the Susquehanna watershed. We set the required N reduction to 35%. Using the uniform strategy to meet the required N reduction as the baseline, results show that costs of achieving a regional 35% N reduction goal can be reduced by 13%, 31% and 36% with cross-county targeting, within-county targeting and within and across county targeting, respectively. Results from Chapters 1 and 2 suggest that cost effectiveness of government subsidy programs for water quality improvement in agriculture can be increased by targeting them to areas with lower N abatement costs. In addition, targeting benefits are likely to be even larger under climate change. Chapter 3 investigates the landowner's nutrient credit trading behavior when facing the price uncertainty given the credits are allowed to be banked for future use. A two-step decision model is used in this study. For the first step, we determine the landowner's application level of a BMP on working land in the initial time period. The nutrient credits awarded to the landowner depend on the nutrient reduction level at the edge of field generated by the BMP application. For the second step, we use an intertemporal model to examine the landowner's credit trading behavior with stochastic price fluctuations over time and with transaction costs. The theoretical framework is applied with a numerical simulation incorporated with a hydro-economic model and dynamic programming. Nutrient Management (NM) is selected as the BMP on working land to generate N credits. We find that gains to the landowner from credit banking increase with higher price volatility and with higher price drift, but that gains are larger with price volatility. However, for a landowner holding a small amount of nutrient credits, the gains from credit banking are small due to transaction costs. / Doctor of Philosophy / Two considerations are critical for efforts to mitigate nutrient runoff from nonpoint sources: cost effectiveness of strategies to reduce nutrient runoff and landowners' incentives to participate in these programs. This dissertation is composed of three manuscripts, aiming to evaluate the cost effectiveness of government subsidy programs for water quality management in agriculture and investigate the landowner's incentives to participate in water quality trading programs for the Chesapeake Bay watershed. Chapter 1 investigates gains from targeting Best Management Practices (BMPs) under current and future climate conditions based on the soil characteristics relative to uniform BMP application for a small experimental watershed (4.23km2). Chapter 2 scales up the study area to a 71,000 km2 watershed and treats each county within the watershed as a representative farm to explore economic gains from targeting within county and across county based on counties' physical conditions and agricultural patterns. Both Chapters show that cost-effectiveness of government subsidy programs can be improved by spatial targeting BMPs to areas with lower abatement costs. Gains from targeting increase under climate change. In Chapter 3 we shows how a landowner's revenues from nutrient credit selling will be affected if the credits are allowed to be banked for future use when she faces price uncertainty. We find that gains to the landowner from credit banking increase more with higher price volatility than with higher price drift. Gains from banking are largely reduced by transaction costs associated with trading.