Integración de múltiples señales de sensores geofísicos para explorar el suelo a escala de cuenca agrícola

Abstract

La caracterización de las propiedades físico-químicas del suelo y de su variabilidad espaciotemporal a escala de parcela o micro-cuenca es de gran importancia para numerosas aplicaciones agrícolas y ambientales que persiguen un mejor uso de los recursos suelo y agua. El carácter no destructivo de la medición y la posibilidad de realizar un gran número de mediciones abarcando grandes superficies hacen que los métodos geofísicos, tales como la inducción electromagnética (IE), sean una herramienta muy útil para llevar a cabo dicha caracterización a escala de parcela o cuenca agrícola. Para estudios con mayor detalle y con una extensión espacial más reducida se cuenta con técnicas como el geo-radar y la tomografía de resistividad eléctrica. Las técnicas geofísicas tienen en común que sus respuestas dependen de las características electromagnéticas del subsuelo sobre el que se realizan mediciones. Dichas características, tales como la conductividad eléctrica aparente (CEa) o su inverso, la resistividad eléctrica, dependen directamente de las propiedades del suelo, entre los que se pueden destacar la conductividad eléctrica de la solución del suelo (salinidad), el contenido de arcilla (textura), la fracción gruesa, el contenido de agua, la profundidad del suelo y la temperatura. El objetivo general de esta tesis es explorar los posibles usos y la integración de múltiples señales de un sensor geofísico para estimar propiedades del suelo así como para interpretar y explicar procesos relacionados con el manejo de suelo y agua en olivar tradicional, utilizando medidas intensivas de CEa, humedad y propiedades del suelo en varias cuencas de olivar de secano. La tesis se divide en 7 capítulos. El capítulo 1 incluye la motivación, el objetivo general y los objetivos específicos. El capítulo 2 describe las cuencas de estudio, el procedimiento de muestreo de la humedad y las propiedades del suelo, además de la configuración móvil diseñada para medir CEa en parcelas de olivar tradicional, así como el post-procesado y análisis de los datos de CEa. Los capítulos 3-6 se centran en conocer la influencia de la humedad y las propiedades del suelo en las medidas de CEa. En el capítulo 3 se delimitan áreas que presentan diferente desarrollo arbóreo en base a la CEa y se identifican las relaciones subyacentes entre las propiedades del suelo en la CEa que ocasionan ese desarrollo irregular de los árboles. En el capítulo 4 se caracteriza y compara la variabilidad espacial de la CEa en condiciones de suelo seco y húmedo, además dicha variabilidad se interpreta en términos de la humedad y el contenido en arcilla del suelo. El capítulo 5 se basa en las relaciones espaciales y temporales de la humedad y las propiedades del suelo (p.e. contenido en arcilla) con la CEa medidas en varias ocasiones dentro de un mismo año hidrológico. El capítulo 6 ofrece un paso más en el estudio...

The characterization of soil physical and chemical properties and their spatio-temporal variability at the field or micro-catchment scale is of prime importance for many agricultural and environmental applications that seek a better use of soil and water resources. The nondestructive nature of the measurements and the possibility to survey large areas in short time intervals make geophysical methods, such as electromagnetic induction (EMI), a useful tool to perform this characterization. For more detailed studies and at smaller spatial extents, other techniques such as geo-radar and electrical resistivity tomography exist. The response of geophysical sensors depends on the electromagnetic characteristics of the soil on which measurements are made. Geophysical measurements, such as apparent electrical conductivity (ECa) or its inverse, electrical resistivity, depend directly on soil properties such as electrical conductivity of the soil solution (salinity), clay content (texture), stone content, soil water content, soil depth and soil temperature. The general aim of this thesis was to explore the use and integration of multiple geophysical signals to estimate soil properties and interpret and explain related processes within the context of applications related with soil and water management in olive orchards. The thesis is organized in 7 chapters. Chapter 1 includes the motivation, and the overall and specific objectives. Chapter 2 describes the study catchments, the sampling procedures for soil moisture and soil properties, the mobile platform designed to measure ECa in traditional olive orchards, and the post-processing and analysis methods of the measured ECa data. Chapters 3-6 focus on the influence of soil moisture and soil properties on ECa measurements. In Chapter 3 areas with differing tree development could be delimited based on ECa data, and the underlying relationships between soil properties and ECa causing this irregular development were identified. In Chapter 4 the spatial variability of ECa under dry and wet soil conditions was characterized and compared, and interpreted in terms of soil moisture and clay content. Chapter 5 is based on the spatial and temporal relationships between soil moisture and soil properties (eg clay content) and ECa, which was repeatedly measured during a hydrological year. Chapter 6 provides a next step in the temporal stability analysis of soil moisture, using CEa to identify representative areas, rather than point locations, for estimating the average moisture content of the field. Finally, Chapter 7 presents the conclusions and future lines of research. This thesis demonstrates the usefulness of intensive field CEa measurements in traditional olive orchards, providing a better understanding of the soil spatial variability at the field scale. The combined information of spatially distributed ECa, soil moisture and soil properties, is...