Exploring the possibilities of parsimonious nitrogen modelling in different ecosystems

Abstract

[EN] Nitrogen is a fundamental component of living organisms, but it is also in short supply in forms in which vegetation can assimilate. As a result, nitrogen is a limiting element for vegetation growth. However, as a consequence of the human-mediated introduction of mineral nitrogen, nitrogen is also a major pollutant in anthropogenic ecosystems. Both natural and anthropogenic ecosystems supply important goods and services for the human wellbeing and in order to maintain the human living standards, there is a necessity of preserving natural ecosystems over time on one side, while improving the sustainability of anthropogenic ecosystems on the other. In that sense, mathematical models including the nitrogen cycle are useful tools which allow the analysis of the relationships and behaviours of these ecosystems, and there is a clear need to continue to develop and test nitrogen models, principally, models with an integrated approach, capable to deal with the different characteristics and behaviours of natural and anthropogenic ecosystems. Hence, the aim of the present thesis is to improve the nitrogen cycle modelling, exploring different parsimonious modelling approaches within the plant-soil-water continuum in natural and anthropogenic semiarid ecosystems. To face this objective, two parsimonious nitrogen models have been developed and implemented in two different data availability scenarios. Firstly, a new parsimonious carbon and nitrogen model, TETIS-CN, is implemented in a semiarid natural forest ecosystem trying to contribute to a better understanding and modelling of the hydrological and biogeochemical (carbon and nitrogen) cycles and their interactions in semiarid conditions and to test its capability to satisfactorily reproduce them. The results are satisfactory and suggest that it is important to include carbon observations in the calibration process, to consider all the existing vegetation species in the simulation, and that a fixed daily potential uptake may not be appropriate to reproduce the plant nitrogen uptake process. Secondly, a new parsimonious nitrogen model, TETIS-N, is implemented in a semiarid anthropogenic agricultural ecosystem. Since agriculture is the major source of diffuse pollution, being nitrogen and sediment pollution of water bodies its main associated environmental impacts, this second approach aims to improve its sustainability by evaluating the impact of several management practices on nitrogen and sediment loads, and horticultural crop yields. As a result, each management practice resulted effective in reducing a certain type of diffuse pollution, and therefore, combined scenarios are necessary to cope with all agricultural pollution sources. This thesis proved that each ecosystem has different characteristics and behaviours and therefore, different modelling necessities. Consequently, current models should include an integrate modelling of both natural and anthropogenic ecosystems.

[ES] El nitrógeno es un componente fundamental de los organismos vivos, pero también es escaso en las formas en que la vegetación puede asimilarlo, lo que lo convierte en un elemento limitante para el crecimiento de la vegetación. Sin embargo, debido a la introducción de nitrógeno mineral por el hombre, también se ha convertido en un contaminante importante en los ecosistemas. Tanto los ecosistemas naturales como los antrópicos, suministran bienes y servicios importantes y, para poder mantener los niveles de vida, es necesario preservar los ecosistemas naturales, por un lado, y mejorar la sostenibilidad de los ecosistemas antrópicos por otro. De esta forma, los modelos matemáticos que incluyen la modelización del ciclo de nitrógeno son herramientas útiles que permiten el análisis de las relaciones y los comportamientos de estos ecosistemas. Por lo que existe una clara necesidad de continuar desarrollando y probando nuevos modelos de nitrógeno, principalmente con un enfoque integrado, capaces de abordar las diferentes características y comportamientos de los ecosistemas naturales y antrópicos. De esta forma, el objetivo de esta tesis es mejorar la modelización del ciclo de nitrógeno, explorando diferentes enfoques de modelización parsimoniosa dentro del continuo planta-suelo-agua en ecosistemas semiáridos naturales y antrópicos. Para abordar este objetivo, se han desarrollado e implementado dos modelos de nitrógeno parsimoniosos en dos escenarios diferentes En primer lugar, se ha desarrollado e implementado un nuevo modelo parsimonioso de carbono y nitrógeno, TETIS-CN, en un ecosistema de bosque natural semiárido. Este primer enfoque intenta contribuir a una mejor comprensión y modelización de los ciclos hidrológico y biogeoquímicos (carbono y nitrógeno) y de sus interacciones en condiciones semiáridas. Así mismo, se comprueba la capacidad del modelo propuesto para reproducirlos satisfactoriamente. Los resultados son satisfactorios y sugieren que es importante incluir observaciones de carbono en el proceso de calibración, considerar todas las especies de vegetación existentes en la simulación, y que una absorción potencial diaria fija puede no ser apropiada para reproducir el proceso de absorción de nitrógeno por parte de la vegetación. En segundo lugar, se ha desarrollado e implementado un nuevo modelo de nitrógeno parsimonioso, TETIS-N, en un ecosistema agrícola antrópico semiárido. Dado que la agricultura es la principal fuente de contaminación difusa, siendo la contaminación por nitrógeno y sedimentos de las masas de agua, su principal impacto ambiental, este segundo enfoque tiene como objetivo evaluar el impacto de varias prácticas de gestión en las descargas de nitrógeno y sedimentos, así como en la producción de los cultivos hortícolas. Como resultado, cada práctica de gestión resulta efectiva en la reducción de cierto tipo de contaminación difusa y, por lo tanto, se necesitan escenarios combinados para hacer frente a todas las fuentes de contaminación agrícola. Esta tesis ha demostrado que cada ecosistema tiene diferentes características y comportamientos y, por lo tanto, diferentes necesidades de modelización, por lo que los modelos actuales deben incluir una modelización integrada de los ecosistemas naturales y antrópicos.

[CA] El nitrogen és un component fonamental dels organismes vius, però també és escàs en les formes en què la vegetació pot assimilar-ho, convertint-lo en un element limitant per al creixement de la vegetació. No obstant, a causa de la introducció de nitrogen mineral per l'home, també s'ha convertit en un contaminant important als ecosistemes. Tant els ecosistemes naturals com els antròpics, subministren béns i serveis importants i, per a poder mantenir els nivells de vida, és necessari preservar els ecosistemes naturals, d'una banda, i millorar la sostenibilitat dels ecosistemes antròpics per altra. D'aquesta forma, els models matemàtics que inclouen la modelització del cicle del nitrogen són eines útils que permeten l'anàlisi de les relacions i els comportaments d'aquests ecosistemes. Per tant, existeix una clara necessitat de continuar desenvolupant i provant nous models de nitrogen, principalment amb un enfocament integrat, capaços d'abordar les diferents característiques i comportaments dels ecosistemes naturals i antròpics. D'aquesta forma, l'objectiu d'aquesta tesi és millorar la modelització del cicle del nitrogen, explorant diferents enfocaments de modelització parsimoniosa dins del continu planta-sòl-aigua en ecosistemes semiàrids naturals i antròpics. Per a abordar aquest objectiu, s'han desenvolupat i implementat dos models de nitrogen parsimoniosos en dos escenaris diferents. En primer lloc, s'ha desenvolupat i implementat un nou model parsimoniós de carboni i nitrogen, TETIS-CN, en un ecosistema de bosc natural semiàrid. Aquest primer enfocament intenta contribuir a una millor comprensió i modelització dels cicles hidrològic i biogeoquímics (carboni i nitrogen) i de les seues interaccions en condicions semiàrides. Així mateix, comprova la capacitat del model proposat per a reproduir-los satisfactòriament. Els resultats són satisfactoris i suggereixen que és important incloure observacions de carboni en el procés de calibratge, considerar totes les espècies de vegetació existents en la simulació, i que una absorció potencial diària fixa pugues no ser apropiada per a reproduir el procés d'absorció de nitrogen per part de la vegetació. En segon lloc, s'ha desenvolupat i implementat un nou model de nitrogen parsimoniós, TETIS-N, en un ecosistema agrícola antròpic semiàrid. Atès que l'agricultura és la principal font de contaminació difusa, sent la contaminació per nitrogen i sediments de les masses d'aigua, el seu principal impacte ambiental, aquest segon enfocament té com a objectiu avaluar l'impacte de diverses pràctiques de gestió en les descàrregues de nitrogen i sediments, així com en la producció dels cultius hortícoles. Com a resultat, cada pràctica de gestió resulta efectiva en la reducció de cert tipus de contaminació difusa i, per tant, es necessiten escenaris combinats per a fer front a totes les fonts de contaminació agrícola. Aquesta tesi ha demostrat que cada ecosistema té diferents característiques i comportaments i, per tant, diferents necessitats de modelització, per tant, els models actuals han d'incloure una modelització integrada dels ecosistemes naturals i antròpics.