Carbon and Nitrogen cycling in agricultural lands

Abstract

Current management of soil has been recognized to be unsustainable. In the next 20-50 years, the pressures on soil and its core service functions are predicted to further increase, due to climate change (droughts, extreme precipitation events) and competing demands from production systems to provide food, biofuel, and timber. It is of prime importance to re-evaluate current agricultural practices and develop alternative sustainable soil farming management systems that protect the ecological functions of soil. There is an urgent need for tools and methodologies that will give reliable predictions for climate change effects and restoration management to evaluate alternatives. The objective of this dissertation was to improve our understanding of the mechanisms of nutrient cycling and organic matter (SOM) protection/loss in soils and provide tools that can be used to assist the sustainable functioning of soil critical zone. The scientific issues researched in this thesis can be summarized in the following objectives:-Assessment methodology for soil carbon simulation: Develop and validate with field data a methodology for RothC model parameter estimation, through initialization and calibration with field derived physical fractionation data, assessment of the uniqueness of solution, sensitivity analysis, and quantification of uncertainties in modeling results.-Testing of soil model across climatic gradient: Apply the developed methodology to native land to cropland conversions along an international climatic gradient to assess the pattern of carbon loss and the effectiveness of carbon addition, sensitivity analysis, and quantify the uncertainties.-Develop soil-structure model: Develop and validate with field data a coupled soil carbon (RothC), aggregation, and structure turnover model, based on the current knowledge of the proposed mechanism in the relevant scientific literature that suggests that macro-aggregates are formed around the particulate organic matter, followed by the release of micro-aggregates. -Assess soil status of Koiliaris River Basin Critical Zone Observatory: Assess the soil status by selecting with sophisticated statistics the appropriate soil parameters and quantify the effects of livestock grazing, land-use changes, and climate change on soil biochemical quality and water quality.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να συμβάλει στην βελτίωση της κατανόησης των μηχανισμών που εμπλέκονται στον κύκλο των θρεπτικών και της οργανικής ύλης στα εδάφη και να παράσχει εργαλεία τα οποία μπορούν να βοηθήσουν ως προς την βιώσιμη λειτουργικότητα της κρίσιμης ζώνης του εδάφους. Πιο συγκεκριμένα, τα επιστημονικά ζητήματα που ερευνώνται στην παρούσα εργασία μπορούν να συνοψιστούν στα παρακάτω:- Ανάπτυξη μεθοδολογίας για την προσομοίωση του άνθρακα στα εδάφη: Ανάπτυξη και αξιολόγηση με δεδομένα πεδίου μεθοδολογίας για την εκτίμηση της τιμής των παραμέτρων του μοντέλου RothC, μέσω της χρήσης δεδομένων πεδίου που προκύπτουν από μεθόδους διαχωρισμού της ΕΟΥ σε διάφορα φυσικά κλάσματα που σχετίζονται με τις δεξαμενές προσομοίωσης του μοντέλου για την αρχικοποίηση και βαθμονόμηση του μοντέλου, αξιολόγηση της μοναδικότητας της βέλτιστης λύσης, ανάλυση ευαισθησίας και ποσοτικοποίηση της αβεβαιότητας στα αποτελέσματα του μοντέλου.- Δοκιμή σε διαφορετικά κλίματα (κλιματική διαβάθμιση): Μοντελοποίηση με χρήση της αναπτυχθείσας μεθοδολογίας των αλλαγών των αποθεμάτων του οργανικού άνθρακα σε εδάφη με φυσική βλάστηση που έχουν μετατραπεί σε καλλιεργήσιμα σε διαφορετικά κλίματα ανά τον κόσμο, ανάλυση ευαισθησίας και ποσοτικοποίηση της αβεβαιότητας στα αποτελέσματα του μοντέλου.- Ανάπτυξη μοντέλου για την προσομοίωση της δομής των εδαφών: Ανάπτυξη και αξιολόγηση με δεδομένα πεδίου συνδυαστικού μοντέλου για τον οργανικό άνθρακα, τα συσσωματώματα και τη δομή του εδάφους, βάσει της υπάρχουσας επιστημονικής γνώσης στην σχετική βιβλιογραφία αναφορικά με τον προτεινόμενο μηχανισμό σχηματισμού των μακρο-συσσωματωμάτων γύρω από το σωματιδιακό φυτικό οργανικό υλικό που εισέρχεται στα εδάφη και κατά την διάσπασή τους απελευθερώνονται μικρο-συσσωματώματα.- Αξιολόγηση της κατάστασης των εδαφών της λεκάνης απορροής του ποταμού Κοιλιάρη, ένα από τα διεθνή παρατηρητήρια της κρίσιμης ζώνης του εδάφους: Αξιολόγηση της κατάστασης των εδαφών με την επιλογή των κατάλληλων εδαφικών παραμέτρων έπειτα από στατιστική επεξεργασία και ποσοτικοποίηση των επιπτώσεων της υπερβόσκησης, των αλλαγών χρήσης γης και των κλιματικών αλλαγών στην βιοχημική ποιότητα των εδαφών και την ποιότητα των υδάτων.