Role of charcoal addition on infiltration processes and soil water content characteristics of a sandy loam soil

Terra preta (TP) is a soil amendment which is enriched with powdered charcoal, with nutrient sources from organic residues, and that constitutes a resource to improve soils for sustainable land use systems (Glaser, 2007).  Terra preta-dark soil is inspired by the highly successful historic practice of soil building in the Amazon and other parts of the world.  This work involves a relatively unexplored topic: the comprehension of infiltration processes and soil water content characteristics in a sandy loam soil combined with different fractions of terra preta amendments.  This analysis contributes to a better understanding of the relationship between fractions of charcoal in terms of terra preta content and soil water holding capacity.  First, a physical and hydraulic characterization was performed on soil samples with different charcoal content.  Then, they were exposed to a rain simulation experiment under controlled conditions.  A descriptive statistical analysis was applied for a quantitative evaluation of the results.  It was found that as the fraction of terra preta increased, infiltration and percolation rates decreased, but water holding capacity increased.  This can influence water ponding at the surface, leading to runoff formation. However, the effect on water holding capacity is an opportunity, integrated to other sustainable practices, to overcome drought effects and reduce the need for irrigation.

Modelado de procesos de infiltración en suelos con sustratos de terra preta

Proyecto de Investigación (Código: 5402-1421-3001) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Vicerrectoría de Investigación y Extensión (VIE). Escuela de Ingeniería Agrícola, 2015El saneamiento con terra preta es un nuevo concepto que consiste en la creación controlada, en un corto período de tiempo, de humus a partir de residuos orgánicos. La comprensión de la interacción y la incidencia de las propiedades físicas e hidráulicas del suelo en combinación con enmiendas de terra preta es un tema que no ha sido explorado detalladamente. El objetivo de este trabajo es contribuir al entendimiento de la dinámica de los procesos físicos en suelos con sustratos de terra petra por medio de un análisis que contribuya a establecer un modelo matemático. Este trabajo analiza la interacción entre las variables del suelo que contribuyen a mejorar la capacidad de retención del agua en el mismo y ofrece un primer estudio del comportamiento de los procesos de infiltración cuando terra preta está presente. La lluvia fue simulada a escala de laboratorio sobre cilindros que contenían diferentes substratos (tratamientos) y se midió la humedad del suelo a tres profundidades diferentes durante el evento de simulación. Se utilizó un análisis estadístico incluyendo análisis de varianza y correlación para explicar la interacción de variables. Además, el comportamiento de las series de tiempo se exploró para proporcionar los primeros resultados al introducir un modelo matemático capaz de explicar los procesos de infiltración en el suelo con terra preta. Se espera que este trabajo sea la base para proponer un modelo híbrido no lineal capaz de generar predicciones más realistas acerca de la dinámica del proceso de infiltración tanto en suelos con bajo contenido orgánico así como en la combinación con enmiendas de terra preta. Se proyecta utilizar una técnica híbrida donde se combina un método de infiltración lineal (simple) con un modelo analítico detallado que permita mejorarlas técnicas de modelado para incluir suelos de alto contenido orgánico.Instituto Tecnológico de Costa Rica

Cuantificación de la erosión hídrica en función de diferentes técnicas de mecanización para minimizar la contaminación del agua por sedimentos en la parte alta de la cuenca del Río Reventazón

Proyecto de Investigación (Código: 5402-1421-3201 (1421007)) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Vicerrectoría de Investigación y Extensión (VIE). Escuela de Ingeniería Agrícola, 2017Los sedimentos producto de diversas actividades antropogénicas realizadas en la parte alta de Río Reventazón son causantes de la contaminación hídrica de la red de drenaje de dicha cuenca, lo cual tiene un impacto directo en la generación de energía hidroeléctrica debido a los tiempos necesarios para el mantenimiento de las plantas. El presente estudio tiene como objetivo proporcionar información en cuanto a la relación que existe entre la labranza de los cultivos agrícolas de la zona, el clima y la generación de sedimentos. Para esto, se instalaron parcelas de escorrentía en cinco fincas en la zona norte de Cartago (Llano Grande, Cot, Tierra Blanca, Capellades y sede central del TEC), con dos tipos de suelos característicos, bloqueando pendiente y cultivo. En cada finca se aplicaron cinco técnicas de mecanización con tres repeticiones y se registró en el tiempo, el comportamiento de las propiedades físicas y mecánicas del suelo y la cantidad de los sedimentos generados en cada finca por cada una de las técnicas de mecanización. Por medio de un análisis estadístico, de operación y económico se compararon los tratamientos de mecanización aplicados con respecto a la producción de sedimentos y se determinó que la combinación del arado de cincel con la azada mecánica, los cuáles son implementos de labranza vertical, son los que menos erosión ocasionan tanto en suelos franco arenosos como franco arcillosos. El análisis económico se realizó en función de las horas de operación de la maquinaría y se determinó que las técnicas que producen mayor utilidad para el productor como la combinación del arado de cincel con el arado rotador son las que ocasionan mayor pérdida del suelo

Muestro y análisis de suelos de áreas productivas. Etapa II

Proyecto de Investigación y extensión. (Código: 1421022) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Vicerrectoría de Investigación y Extensión (VIE). Programa de Regionalización. Escuela de Ingeniería Agrícola, 2023Este proyecto cumple con el objetivo ODS 6: garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todas las personas. Meta 4: aumentar considerablemente el uso eficiente de los recursos hídricos en todos los sectores y asegurar la sostenibilidad de la extracción y el abastecimiento de agua dulce para hacer frente a la escasez de agua y reducir considerablemente el número de personas que sufren falta de agua.La Sociedad de Usuarios de Agua Sanatorio, SUA Sanatorio, es concesionaria de agua para riego y beneficiaria del Servicio Nacional de Riego y Avenamiento (SENARA) del Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG), que ha construido tomas de agua en las nacientes del Río Reventado para abastecer del recurso a diferentes grupos de productores agrícolas en la Zona Norte de Cartago. Debido a que la concesión entrega un caudal de agua restringido cada cierto tiempo, la distribución entre los productores requiere ser eficiente y la optimización del uso de los recursos es una necesidad en la zona, por lo que se midieron variables de resistencia del suelo e infiltración con el fin de capacitar a los productores en el manejo de los recursos suelo y agua, específicamente en la eficiencia de la labranza y el riego y generar mapas digitales con base en las mediciones iniciales de la etapa I de este mismo proyecto. Por medio de mediciones en el campo, visitas a los productores y talleres de campo, se hizo énfasis en la posibilidad de utilizar equipo menor para la preparación del suelo, considerar algunos puntos de compactación en tres de las fincas e indicar que es necesario el uso de emisores de bajo caudal para el riego en fincas con altos valores de infiltración, para lo que es necesario comprender las prácticas heredadas de los productores y la disponibilidad y acceso de herramientas que les permitan conocer las condiciones en el campo y tomar decisiones sobre la gestión de sus áreas productivas.The Sociedad de Usuarios de Agua Sanatorio, SUA Sanatorio, is an irrigation water concessionaire and beneficiary of the Servicio Nacional de Riego y Avenamiento (SENARA) of the Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG), which has built water intakes at the headwaters of the Reventado River to supply the resource to different groups of agricultural producers in the Northern Zone of Cartago. Because the concession delivers a restricted flow of water, the distribution among the producers needs to be efficient and the optimization of the use of resources is a necessity in the area. Therefore, soil resistance and infiltration variables were measured in order to train the producers in the management of soil and water resources, specifically in the efficiency of tillage and irrigation, and to generate digital maps based on the initial measurements of stage I of this same project. Through field measurements, visits to producers and field workshops, emphasis was placed on the possibility of using smaller equipment for soil preparation, considering some compaction points in three of the farms and indicating that it is necessary to use low flow emitters for irrigation on farms with high infiltration values, for which it is necessary to understand the inherited practices of producers and the availability and access to tools that allow them to know the conditions in the field and make decisions on the management of their productive areas

Modelación hidrodinámica y morfológica del Río La Estrella, Limón

Proyecto de Investigación (Código: 5402-1421-3101, Centro funcional: 1421006) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Vicerrectoría de Investigación y Extensión (VIE). Escuela de Ingeniería Agrícola, 2017La Vertiente Atlántica es una zona altamente vulnerable a inundaciones donde, a causa de su topografía y cambios en el uso de la tierra, se ha debilitado la capacidad de retención de agua en las cuencas y en consecuencia se ha aumentado la capacidad destructiva de las descargas extremas en los ríos. Un fenómeno que ha marcado el antes y el después en la evolución geológica y morfológica de las cuencas en esta zona es el terremoto de Limón en el año 1991, el cual llegó a modificar la dinámica tradicional y estabilidad de sus cauces. Dentro de las principales cuencas afectadas se encuentra la del Río La Estrella, principalmente en la parte baja, donde se localiza el Valle de la Estrella. En esta zona, se ha observado un aumento en la frecuencia y magnitud de los desbordamientos, una constante acumulación de sedimentos provenientes de las partes más altas y una inestabilidad en la dinámica del cauce. Esto ha aumentado la vulnerabilidad, ante los impactos por inundación y arrastre de sedimentos, tanto de sus habitantes, actividades productivas y ecosistemas que interactúan en esta área. En este proyecto se hace una evaluación de la hidrodinámica y transporte de sedimentos en la parte baja del río La Estrella (desde el Valle de la Estrella hasta la desembocadura) por medio de los modelos matemáticos HEC-RAS e IBER en una y dos dimensiones, logrando un mejor entendimiento del comportamiento del río, identificando condiciones y puntos críticos de flujo y transporte de sedimentos, y simulando posibles situaciones ante escenarios basados en ocurrencia de eventos extremos útiles para una adecuada gestión de la cuenca.The Atlantic coast is highly vulnerable to flooding due to its topography and changes in land use. This situation has weakened the water retention capacity of its watersheds increasing the destructive capacity of the flood events. The Limón Earthquake in 1991 was the phenomenon that marked a before and after, in terms of geological and morphological evolution of the basins in this area, modifying the traditional dynamics and stability of many river channels. One of the main affected watersheds is the lower part of La Estrella River, where La Estrella Valley is located. This area has faced an increase in the frequency and magnitude of the river overflow, a constant accumulation of sediments coming from the higher parts and an instability in the channel dynamics. This has increased the vulnerability of its inhabitants, productive activities and ecosystems that interact in this area. This project models the hydrodynamics and sediment transport in the lower part of La Estrella River (from the Valley to the river mouth) by means of the mathematical models HEC-RAS and IBER in one and two dimensions. It was able to obtain a better understanding of the river behavior, by identifying conditions and critical floe and sediment points. Different flow scenarios where also able to simulated based on the occurrence of extreme events useful for a proper basin management

Propuesta metodológica para la determinación de caudal ambiental en una cuenca piloto en el marco del proceso de otorgamiento de concesiones de agua (documento 1)

Proyecto de Investigación (Código: 1421011) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Vicerrectoría de Investigación y Extensión (VIE). Dirección de Proyectos. Escuela de Ingeniería Agrícola, 2018Este proyecto cumple con el Objetivo ODS 6: garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todas las personas. Meta 4: aumentar considerablemente el uso eficiente de los recursos hídricos en todos los sectores y asegurar la sostenibilidad de la extracción y el abastecimiento de agua dulce para hacer frente a la escasez de agua y reducir considerablemente el número de personas que sufren falta de agua.El proyecto propuesto sobre caudal ambiental responde a una necesidad presente en el proceso de otorgamiento de concesiones de agua que se lleva a cabo en Costa Rica a cargo de la Dirección de Agua del Ministerio de Ambiente y Energía. En Costa Rica el caudal ambiental se calcula como un 10% del aforo caudal medio del río. Este porcentaje ha carecido de fundamento científico en relación con las condiciones fluviales aptas para preservar los ecosistemas presentes en los cauces. Las concesiones de agua para los diferentes usos han provocado un impacto ambiental que se ve reflejado en las condiciones de disponibilidad del recurso hídrico en algunos puntos vulnerables del país, así como en las condiciones fisicoquímicas y ecológicas de los cauces. En el caso del río Birrís, se concesiona un 20% del caudal para uso consuntivo como producción agrícola, humano y riego, y el restante se utiliza para la generación hidroeléctrica. Debido a la baja calidad de sus aguas (en términos de contaminación fecal, agroquímicos y por sedimentos) a la fecha no existen especies indicadoras lo que imposibilita el uso de enfoques que tomen en cuenta los ecosistemas para generar curvas de preferencia ya que los estudios biológicos concluyeron que no existen indicadores de caudal en el río Birrís. Por esta razón, el presente trabajo utilizó un enfoque hidrológico para determinar el caudal ambiental del río Birrís usando la metodología de curva de duración de caudales, sin tomar en consideración los ecosistemas. Dicha metodología se basó en el análisis de series de datos de clima obtenidas por 10 años y series de caudales diarios con un periodo de tres años

Variability of Physical and Chemical Properties of TLUD Stove Derived Biochars

Biochar is a carbon-rich organic material, obtained by the thermochemical conversion of biomass in an oxygen-limited environment, used as a soil amendment to stimulate soil fertility and improve soil quality. There is a clear need in developing countries for access to low cost, low technology options for biochar production, for example, top-lit updraft (TLUD) stoves, which are popular and spread worldwide. However, TLUD biochars are inevitably very variable in their properties for a variety of reasons. We present laboratory triplicate tests carried out on TLUD biochars obtained from waste pinewood and a Guadua bamboo. Analyzed properties include specific surface area (A-BET), porosity, skeletal density, hydrophobicity, proximal and elemental composition, cation exchange capacity (CEC), relative liming capacity and pH. SEM images of the bamboo and wood biochars are compared. The biochars were mixed with composted human excreta at 5% and 10% biochar content, and available water content (AWC) was analyzed. Operating temperatures in the TLUD were recorded, showing different behaviors among the feedstocks during the process. Differences in operating temperatures during charring of the bamboo samples seem to have led to differences in A-BET, hydrophobicity and CEC, following unprecedented trends. For the mixtures of the biochars with compost, at 5% biochar no significant differences were observed for AWC. However, in the 10% biochar mixtures, bamboo biochar showed an unexpectedly high AWC. Overall, variations of chemical and physical properties between bamboo biochars were greater, while pinewood biochars showed similar properties, consistent with more homogeneous charring temperaturesThis research was funded by Vice-rector of Research and Extension of the Instituto Tecnológico de Costa Rica (TEC), trough the project VIE 1460065 and by the national foundation FITTACORI (Fundación para el Fomento y Promoción de la Investigación y Transferencia de Tecnología Agropecuaria)S

Effect of biochar amended soils on infiltration processes

Der Klimawandel stellt die landwirtschaftlichen Praktiken vor neue Herausforderungen, da sich die Umweltbedingungen extrem und schnell ändern. Die Bodenerhaltung wird vor allem aufgrund ihrer Bedeutung für die Förderung der landwirtschaftlichen Nachhaltigkeit und der Ernährungssicherheit zu einer Aufgabe. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse und Simulation der Auswirkung von Pflanzenkohleänderungen auf die Bodenwasserdynamik. Im Mikromaßstab wird die Infiltration am Oberboden analysiert; In einer Makroskala wird ihre Auswirkung auf die Einzugsgebietshydrologie bewertet. Eine Analyse der wichtigsten Bodenparameter, die von den Änderungen der Pflanzenkohle betroffen sind, wird vorgestellt. Die Rolle der chemischen Eigenschaften der Biokohle für die Bodenveränderungen und die Wirkung der Dosierung der Biokohle in Abhängigkeit vom Bodentyp werden offengelegt. Die Auswirkung von Pflanzenkohle auf zwei verschiedene Bodenmaterialien wird im Hinblick auf die Auswirkungen der wichtigsten physikalischen und hydraulischen Eigenschaften des Bodens analysiert. Die Simulation intensiver und sich wiederholender extremer Klimabedingungen (durch Benetzung und Trocknung) wird als kritischer Umweltparameter angesehen, der die Dynamik der Bodenaggregatbildung im Mutterboden beeinflusst. Die Auswirkung von Änderungen der Pflanzenkohle auf die Bodenwasserhaushaltsgleichung berücksichtigt den Infiltrationsprozess als Schlüsselfaktor für die Oberflächenabflussbildung. Die Reaktion der Änderungen auf die Wasserinfiltration wird anhand herkömmlicher Infiltrationsgleichungen und eines statistischen Regressionsmodells getestet, um die wichtigsten Parameter und Mechanismen für den Wassertransport an der Oberfläche und in der Bodenmatrix zu bestimmen. Es werden verschiedene Szenarien zur Komplexität des Zusatzes von Biokohle als Bodenschutzmanagementoption auf makroskaliger Ebene bewertet. In diesem Fall werden alle Parameter des Bodenwasserhaushalts berücksichtigt, und die Abflussmengen zeigen, dass Pflanzenkohle als Quelle für organischen Kohlenstoff die Bodenaggregation und die Poreneigenschaften verändert, wodurch die Fähigkeit der Bodenmatrix zur Wasserleitung verbessert oder verringert wird. und diese Massenänderungen sind eine Funktion intensiver Perioden des Benetzens und Trocknens. Es wird gezeigt, dass die Anwendung von Pflanzenkohle als Ergänzung zur Bodenschonung und Wasserbewirtschaftung einen komplexen Zusammenhang zwischen Biomassezusammensetzung, Anwendungsdosis, Bodentyp und Umweltbedingungen aufweist.Climate change imposes new challenges on agricultural practices due to extreme and rapid changes in the environmental conditions. Soil conservation becomes a primarily task due to its importance for supporting agricultural sustainability and food security. This thesis deals with the analysis and simulation of the effect of biochar amendments on soil water dynamics. In a microscale, infiltration at the topsoil is analyzed; in a macroscale, its impact in catchment hydrology is assessed. An analysis of the main soil parameters affected by the biochar amendments is presented. The role of the biochar chemical characteristics on the soil amendments and the effect of the biochar dosage as a function of the soil type are exposed. The impact of biochar of two different soil materials is analyzed in terms of the effect of the main soil physical and hydraulic properties. Simulation of intense and repetitive extreme climate conditions (by means of wetting and drying periods) are considered as a critical environmental parameter influencing the dynamics of soil aggregate formation in the topsoil. The effect of biochar amendments on the soil water balance equation considers the infiltration process as a key factor on the surface runoff formation. The water infiltration response by the amendments is tested by conventional infiltration equations and a statistical regression model in order to determine the main parameters and mechanisms that deals with the transport of water at the surface and in the soil matrix. Several scenarios of the complexity of the addition of biochar, as a soil conservation management option, at a macroscale level are evaluated. In this case, all the soil water balance parameters are included and the discharge outputs reveal that biochar as a source of organic carbon alters soil aggregation and pore characteristics enhancing or reducing the capacity of the soil matrix to conduct water; and these bulk changes are a function of intense periods of wetting and drying. It is shown that application of biochar as amendment as an option for soil conservation and water management has a complex relation of the biomass composition, application dosage, soil type and environmental conditions

Grupo de Suelos TEC se afianza en temas de saneamiento ecológico

El Grupo de Suelos TEC organizó la visita de un experto en saneamiento ecológico del Institutode Gestión de Aguas Residuales y Protección del Recurso Hídrico, de la Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH), Alemania, con el fin de exponer la realidad costarricense en el tema de saneamiento y sentar las bases para una futura cooperación bilateral