Knowledge-based models for adaptive traffic management systems

This paper describes a general approach for real time traffic management support using knowledge based models. Recognizing that human intervention is usually required to apply the current automatic traffic control systems, it is argued that there is a need for an additional intelligent layer to help operators to understand traffic problems and to make the best choice of strategic control actions that modify the assumption framework of the existing systems.

Metodología para la estimación de indicadores armonizados a partir de los inventarios forestales nacionales europeos con especial énfasis en la biodiversidad forestal

Durante las últimas décadas el objetivo principal de la silvicultura y la gestión forestal en Europa ha pasado de ser la producción de madera a ser la gestión sostenible de los ecosistemas, por lo que se deben considerar todos los bienes y servicios que proporcionan los bosques. En consecuencia, es necesario contar con información forestal periódica de diversos indicadores forestales a nivel europeo para apoyar el desarrollo y la implementación de políticas medioambientales y que se realice una gestión adecuada. Para ello, se requiere un seguimiento intensivo sobre el estado de los bosques, por lo que los Inventarios Forestales Nacionales (IFN), (principal fuente de información forestal a gran escala), han aumentado el número de variables muestreadas para cumplir con los crecientes requerimientos de información. Sin embargo, las estimaciones proporcionadas por los diferentes países no son fácilmente comparables debido a las diferencias en las definiciones, los diseños de muestreo, las variables medidas y los protocolos de medición. Por esto, la armonización de los datos que proporcionan los diferentes países es fundamental para la contar con una información forestal sólida y fiable en la Unión europea (UE). La presente tesis tiene dos objetivos principales: (i) establecer el diseño de una metodología para evaluar la biodiversidad forestal en el marco del Inventario forestal nacional de España teniendo en cuenta las diferentes iniciativas nacionales e internacionales, con el objetivo de producir estimaciones comparables con las de otros países de la UE y (ii) armonizar los indicadores más relevantes para satisfacer los requerimientos nacionales e internacionales. Como consecuencia del estudio realizado para alcanzar el primer objetivo, la metodología diseñada para estimar la biodiversidad fue adoptada por el Tercer Inventario forestal nacional. Ésta se componía de indicadores agrupados en: cobertura del suelo, composición de árboles y especies de arbustos, riqueza de especies herbáceas y helechos, especies amenazadas, estructura, madera muerta, y líquenes epífitos. Tras el análisis del diseño metodológico y de los datos proporcionados, se observó la conveniencia de modificarla con el fin de optimizar los costes, viabilidad, calidad y cantidad de los datos registrados. En consecuencia, en el Cuarto Inventario Forestal Nacional se aplica una metodología modificada, puesto que se eliminó el muestreo de especies herbáceas y helechos, de líquenes epífitos y de especies amenazadas, se modificaron los protocolos de la toma de datos de estructura y madera muerta y se añadió el muestreo de especies invasoras, edad, ramoneo y grado de naturalidad de la masa. En lo que se refiere al segundo objetivo, se ha avanzado en la armonización de tres grupos de variables considerados como relevantes en el marco de los IFN: los indicadores de vegetación no arbórea (que juegan un papel relevante en los ecosistemas, es donde existe la mayor diversidad de plantas y hasta ahora no se conocían los datos muestreados en los IFN), la determinación de los árboles añosos (que tienen un importante papel como nicho ecológico y su identificación es especialmente relevante para la evaluación de la biodiversidad forestal) y el bosque disponible para el suministro de madera (indicador básico de los requerimientos internacionales de información forestal). Se llevó a cabo un estudio completo de la posible armonización de los indicadores de la vegetación no arbórea en los IFN. Para ello, se identificaron y analizaron las diferentes definiciones y diseños de muestreo empleados por los IFN, se establecieron definiciones de referencia y se propusieron y analizaron dos indicadores que pudiesen ser armonizados: MSC (mean species cover) que corresponde a la media de la fracción de cabida cubierta de cada especie por tipo de bosque y MTC (mean total cover). Se estableció una nueva metodología que permite identificar los árboles añosos con los datos proporcionados por los inventarios forestales nacionales con el objetivo de proporcionar una herramienta eficaz para facilitar la gestión forestal considerando la diversidad de los sistemas forestales. Se analizó el concepto de "bosque disponible para el suministro de madera" (FAWS) estudiando la consistencia de la información internacional disponible con el fin de armonizar su estimación y de proporcionar recomendaciones para satisfacer los requerimientos europeos. Como resultado, se elaboró una nueva definición de referencia de FAWS (que será adoptada por el proceso paneuropeo) y se analiza el impacto de la adopción de esta nueva definición en siete países europeos. El trabajo realizado en esta tesis, puede facilitar el suministrar y/o armonizar parcial o totalmente casi la mitad de los indicadores de información forestal solicitados por los requerimientos internacionales (47%). De éstos, prácticamente un 85% tienen relación con los datos inventariados empleando la metodología propuesta para la estimación de la biodiversidad forestal, y el resto, con el establecimiento de la definición de bosque disponible para el suministro de madera. No obstante, y pese a que esta tesis supone un avance importante, queda patente que las necesidades de información forestal son cambiantes y es imprescindible continuar el proceso de armonización de los IFN europeos. ABSTRACT Over the last few decades, the objectives on forestry and forest management in Europe have shifted from being primarily focused on wood production to sustainable ecosystem management, which should consider all the goods and services provided by the forest. Therefore, there is a continued need for forest indicators and assessments at EU level to support the development and implementation of a number of European environmental policies and to conduct a proper forest management. To address these questions, intensive monitoring on the status of forests is required. Therefore, the scope of National Forest Inventories (NFIs), (primary source of data for national and large-area assessments), has been broadened to include new variables to meet these increasing information requirements. However, estimates produced by different countries are not easily comparable because of differences in NFI definitions, plot configurations, measured variables, and measurement protocols. As consequence, harmonizing data produced at national level is essential for the production of sound EU forest information. The present thesis has two main aims: (i) to establish a methodology design to assess forest biodiversity in the frame of the Spanish National Forest Inventory taking into account the different national and international initiatives with the intention to produce comparable estimates with other EU countries and (ii) to harmonize relevant indicators for national and international requirements. In consequence of the work done related to the first objective, the established methodology to estimate forest biodiversity was adopted and launched under the Third National Forest Inventory. It was composed of indicators grouped into: cover, woody species composition, richness of herbaceous species and ferns, endangered species, stand structure, dead wood, and epiphytic lichens. This methodology was analyzed considering the provided data, time costs, feasibility, and requirements. Consequently, in the ongoing Fourth National Forest Inventory a modified methodology is applied: sampling of herbaceous species and ferns, epiphytic lichens and endangered species were removed, protocols regarding structure and deadwood were modified, and sampling of invasive species, age, browsing impact and naturalness were added. As regards the second objective, progress has been made in harmonizing three groups of variables considered relevant in the context of IFN: Indicators of non-tree vegetation (which play an important role in forest ecosystems, it is where the highest diversity of plants occur and so far the related sampled data in NFIs were not known), the identification of old-growth trees (which have an important role as ecological niche and its identification is especially relevant for the assessment of forest biodiversity) and the available forest for wood supply (basic indicator of international forestry information requirements). A complete analysis of ground vegetation harmonization possibilities within NFIs frame was carried on by identifying and analyzing the different definitions and sampling techniques used by NFIs, providing reference definitions related to ground vegetation and proposing and analyzing two ground vegetation harmonized indicators: “Mean species cover” (MSC) and “Mean total cover” (MTC) for shrubs by European forest categories. A new methodology based on NFI data was established with the aim to provide an efficient tool for policy makers to estimate the number of old-growth trees and thus to be able to perform the analysis of the effect of forest management on the diversity associated to forest systems. The concept of “forest available for wood supply” (FAWS) was discussed and clarified, analyzing the consistency of the available international information on FAWS in order to provide recommendations for data harmonization at European level regarding National Forest Inventories (NFIs). As a result, a new reference definition of FAWS was provided (which will be adopted in the pan-European process) and the consequences of the use of this new definition in seven European countries are analyzed. The studies carried on in this thesis, can facilitate the supply and/or harmonization partially or fully of almost half of the forest indicators (47%) needed for international requirements. Of these, nearly 85% are related to inventoried data using the proposed methodology for the estimation of forest biodiversity, and the rest, with the establishment of the definition of forest available for wood supply. However, despite this thesis imply an important development, forest information needs are changing and it is imperative to continue the process of harmonization of European NFIs.

AUTOFLY-Aid: Flight Deck Automation Support with Dynamic 4D Trajectory Management for Responsive and Adaptive Airborne Collision Avoidance

AUTOFLY-Aid Project aims to develop and demonstrate novel automation support algorithms and tools to the flight crew for flight critical collision avoidance using “dynamic 4D trajectory management”. The automation support system is envisioned to improve the primary shortcomings of TCAS, and to aid the pilot through add-on avionics/head-up displays and reality augmentation devices in dynamically evolving collision avoidance scenarios. The main theoretical innovative and novel concepts to be developed by AUTOFLY-Aid project are a) design and development of the mathematical models of the full composite airspace picture from the flight deck’s perspective, as seen/measured/informed by the aircraft flying in SESAR 2020, b) design and development of a dynamic trajectory planning algorithm that can generate at real-time (on the order of seconds) flyable (i.e. dynamically and performance-wise feasible) alternative trajectories across the evolving stochastic composite airspace picture (which includes new conflicts, blunder risks, terrain and weather limitations) and c) development and testing of the Collision Avoidance Automation Support System on a Boeing 737 NG FNPT II Flight Simulator with synthetic vision and reality augmentation while providing the flight crew with quantified and visual understanding of collision risks in terms of time and directions and countermeasures.

Analysis, monitoring, and management of quality of experience in video delivery services over IP

Esta tesis estudia la monitorización y gestión de la Calidad de Experiencia (QoE) en los servicios de distribución de vídeo sobre IP. Aborda el problema de cómo prevenir, detectar, medir y reaccionar a las degradaciones de la QoE desde la perspectiva de un proveedor de servicios: la solución debe ser escalable para una red IP extensa que entregue flujos individuales a miles de usuarios simultáneamente. La solución de monitorización propuesta se ha denominado QuEM(Qualitative Experience Monitoring, o Monitorización Cualitativa de la Experiencia). Se basa en la detección de las degradaciones de la calidad de servicio de red (pérdidas de paquetes, disminuciones abruptas del ancho de banda...) e inferir de cada una una descripción cualitativa de su efecto en la Calidad de Experiencia percibida (silencios, defectos en el vídeo...). Este análisis se apoya en la información de transporte y de la capa de abstracción de red de los flujos codificados, y permite caracterizar los defectos más relevantes que se observan en este tipo de servicios: congelaciones, efecto de “cuadros”, silencios, pérdida de calidad del vídeo, retardos e interrupciones en el servicio. Los resultados se han validado mediante pruebas de calidad subjetiva. La metodología usada en esas pruebas se ha desarrollado a su vez para imitar lo más posible las condiciones de visualización de un usuario de este tipo de servicios: los defectos que se evalúan se introducen de forma aleatoria en medio de una secuencia de vídeo continua. Se han propuesto también algunas aplicaciones basadas en la solución de monitorización: un sistema de protección desigual frente a errores que ofrece más protección a las partes del vídeo más sensibles a pérdidas, una solución para minimizar el impacto de la interrupción de la descarga de segmentos de Streaming Adaptativo sobre HTTP, y un sistema de cifrado selectivo que encripta únicamente las partes del vídeo más sensibles. También se ha presentado una solución de cambio rápido de canal, así como el análisis de la aplicabilidad de los resultados anteriores a un escenario de vídeo en 3D. ABSTRACT This thesis proposes a comprehensive approach to the monitoring and management of Quality of Experience (QoE) in multimedia delivery services over IP. It addresses the problem of preventing, detecting, measuring, and reacting to QoE degradations, under the constraints of a service provider: the solution must scale for a wide IP network delivering individual media streams to thousands of users. The solution proposed for the monitoring is called QuEM (Qualitative Experience Monitoring). It is based on the detection of degradations in the network Quality of Service (packet losses, bandwidth drops...) and the mapping of each degradation event to a qualitative description of its effect in the perceived Quality of Experience (audio mutes, video artifacts...). This mapping is based on the analysis of the transport and Network Abstraction Layer information of the coded stream, and allows a good characterization of the most relevant defects that exist in this kind of services: screen freezing, macroblocking, audio mutes, video quality drops, delay issues, and service outages. The results have been validated by subjective quality assessment tests. The methodology used for those test has also been designed to mimic as much as possible the conditions of a real user of those services: the impairments to evaluate are introduced randomly in the middle of a continuous video stream. Based on the monitoring solution, several applications have been proposed as well: an unequal error protection system which provides higher protection to the parts of the stream which are more critical for the QoE, a solution which applies the same principles to minimize the impact of incomplete segment downloads in HTTP Adaptive Streaming, and a selective scrambling algorithm which ciphers only the most sensitive parts of the media stream. A fast channel change application is also presented, as well as a discussion about how to apply the previous results and concepts in a 3D video scenario.

Replication Data Management,needs and solutions: an initial evaluation of conceptual approaches for integrating heterogeneous replication study data

Replication Data Management (RDM) aims at enabling the use of data collections from several iterations of an experiment. However, there are several major challenges to RDM from integrating data models and data from empirical study infrastructures that were not designed to cooperate, e.g., data model variation of local data sources. [Objective] In this paper we analyze RDM needs and evaluate conceptual RDM approaches to support replication researchers. [Method] We adapted the ATAM evaluation process to (a) analyze RDM use cases and needs of empirical replication study research groups and (b) compare three conceptual approaches to address these RDM needs: central data repositories with a fixed data model, heterogeneous local repositories, and an empirical ecosystem. [Results] While the central and local approaches have major issues that are hard to resolve in practice, the empirical ecosystem allows bridging current gaps in RDM from heterogeneous data sources. [Conclusions] The empirical ecosystem approach should be explored in diverse empirical environments.

Fertilization Management: Assessing New Techniques and Key Interactions to Increase Crop Yields With Less N2O Emissions

El óxido nitroso (N2O) es un potente gas de efecto invernadero (GHG) proveniente mayoritariamente de la fertilización nitrogenada de los suelos agrícolas. Identificar estrategias de manejo de la fertilización que reduzcan estas emisiones sin suponer un descenso de los rendimientos es vital tanto a nivel económico como medioambiental. Con ese propósito, en esta Tesis se han evaluado: (i) estrategias de manejo directo de la fertilización (inhibidores de la nitrificación/ureasa); y (ii) interacciones de los fertilizantes con (1) el manejo del agua, (2) residuos de cosecha y (3) diferentes especies de plantas. Para conseguirlo se llevaron a cabo meta-análisis, incubaciones de laboratorio, ensayos en invernadero y experimentos de campo. Los inhibidores de la nitrificación y de la actividad ureasa se proponen habitualmente como medidas para reducir las pérdidas de nitrógeno (N), por lo que su aplicación estaría asociada al uso eficiente del N por parte de los cultivos (NUE). Sin embargo, su efecto sobre los rendimientos es variable. Con el objetivo de evaluar en una primera fase su efectividad para incrementar el NUE y la productividad de los cultivos, se llevó a cabo un meta-análisis. Los inhibidores de la nitrificación dicyandiamide (DCD) y 3,4-dimetilepyrazol phosphate (DMPP) y el inhibidor de la ureasa N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) fueron seleccionados para el análisis ya que generalmente son considerados las mejores opciones disponibles comercialmente. Nuestros resultados mostraron que su uso puede ser recomendado con el fin de incrementar tanto el rendimiento del cultivo como el NUE (incremento medio del 7.5% y 12.9%, respectivamente). Sin embargo, se observó que su efectividad depende en gran medida de los factores medioambientales y de manejo de los estudios evaluados. Una mayor respuesta fue encontrada en suelos de textura gruesa, sistemas irrigados y/o en cultivos que reciben altas tasas de fertilizante nitrogenado. En suelos alcalinos (pH ≥ 8), el inhibidor de la ureasa NBPT produjo el mayor efecto. Dado que su uso representa un coste adicional para los agricultores, entender las mejores prácticas que permitan maximizar su efectividad es necesario para posteriormente realizar comparaciones efectivas con otras prácticas que incrementen la productividad de los cultivos y el NUE. En base a los resultados del meta-análisis, se seleccionó el NBPT como un inhibidor con gran potencial. Inicialmente desarrollado para reducir la volatilización de amoniaco (NH3), en los últimos años algunos investigadores han demostrado en estudios de campo un efecto mitigador de este inhibidor sobre las pérdidas de N2O provenientes de suelos fertilizados bajo condiciones de baja humedad del suelo. Dada la alta variabilidad de los experimentos de campo, donde la humedad del suelo cambia rápidamente, ha sido imposible entender mecanísticamente el potencial de los inhibidores de la ureasa (UIs) para reducir emisiones de N2O y su dependencia con respecto al porcentaje de poros llenos de agua del suelo (WFPS). Por lo tanto se realizó una incubación en laboratorio con el propósito de evaluar cuál es el principal mecanismo biótico tras las emisiones de N2O cuando se aplican UIs bajo diferentes condiciones de humedad del suelo (40, 60 y 80% WFPS), y para analizar hasta qué punto el WFPS regula el efecto del inhibidor sobre las emisiones de N2O. Un segundo UI (i.e. PPDA) fue utilizado para comparar el efecto del NBPT con el de otro inhibidor de la ureasa disponible comercialmente; esto nos permitió comprobar si el efecto de NBPT es específico de ese inhibidor o no. Las emisiones de N2O al 40% WFPS fueron despreciables, siendo significativamente más bajas que las de todos los tratamientos fertilizantes al 60 y 80% WFPS. Comparado con la urea sin inhibidor, NBPT+U redujo las emisiones de N2O al 60% WFPS pero no tuvo efecto al 80% WFPS. La aplicación de PPDA incrementó significativamente las emisiones con respecto a la urea al 80% WFPS mientras que no se encontró un efecto significativo al 60% WFPS. Al 80% WFPS la desnitrificación fue la principal fuente de las emisiones de N2O en todos los tratamientos mientras que al 60% tanto la nitrificación como la desnitrificación tuvieron un papel relevante. Estos resultados muestran que un correcto manejo del NBPT puede suponer una estrategia efectiva para mitigar las emisiones de N2O. Con el objetivo de trasladar nuestros resultados de los estudios previos a condiciones de campo reales, se desarrolló un experimento en el que se evaluó la efectividad del NBPT para reducir pérdidas de N y aumentar la productividad durante un cultivo de cebada (Hordeum vulgare L.) en secano Mediterráneo. Se determinó el rendimiento del cultivo, las concentraciones de N mineral del suelo, el carbono orgánico disuelto (DOC), el potencial de desnitrificación, y los flujos de NH3, N2O y óxido nítrico (NO). La adición del inhibidor redujo las emisiones de NH3 durante los 30 días posteriores a la aplicación de urea en un 58% y las emisiones netas de N2O y NO durante los 95 días posteriores a la aplicación de urea en un 86 y 88%, respectivamente. El uso de NBPT también incrementó el rendimiento en grano en un 5% y el consumo de N en un 6%, aunque ninguno de estos incrementos fue estadísticamente significativo. Bajo las condiciones experimentales dadas, estos resultados demuestran el potencial del inhibidor de la ureasa NBPT para mitigar las emisiones de NH3, N2O y NO provenientes de suelos arables fertilizados con urea, mediante la ralentización de la hidrólisis de la urea y posterior liberación de menores concentraciones de NH4 + a la capa superior del suelo. El riego por goteo combinado con la aplicación dividida de fertilizante nitrogenado disuelto en el agua de riego (i.e. fertirriego por goteo) se considera normalmente una práctica eficiente para el uso del agua y de los nutrientes. Algunos de los principales factores (WFPS, NH4 + y NO3 -) que regulan las emisiones de GHGs (i.e. N2O, CO2 y CH4) y NO pueden ser fácilmente manipulados por medio del fertirriego por goteo sin que se generen disminuciones del rendimiento. Con ese propósito se evaluaron opciones de manejo para reducir estas emisiones en un experimento de campo durante un cultivo de melón (Cucumis melo L.). Los tratamientos incluyeron distintas frecuencias de riego (semanal/diario) y tipos de fertilizantes nitrogenados (urea/nitrato cálcico) aplicados por fertirriego. Fertirrigar con urea en lugar de nitrato cálcico aumentó las emisiones de N2O y NO por un factor de 2.4 y 2.9, respectivamente (P < 0.005). El riego diario redujo las emisiones de NO un 42% (P < 0.005) pero aumentó las emisiones de CO2 un 21% (P < 0.05) comparado con el riego semanal. Analizando el Poder de Calentamiento global en base al rendimiento así como los factores de emisión del NO, concluimos que el fertirriego semanal con un fertilizante de tipo nítrico es la mejor opción para combinar productividad agronómica con sostenibilidad medioambiental en este tipo de agroecosistemas. Los suelos agrícolas en las áreas semiáridas Mediterráneas se caracterizan por su bajo contenido en materia orgánica y bajos niveles de fertilidad. La aplicación de residuos de cosecha y/o abonos es una alternativa sostenible y eficiente desde el punto de vista económico para superar este problema. Sin embargo, estas prácticas podrían inducir cambios importantes en las emisiones de N2O de estos agroecosistemas, con impactos adicionales en las emisiones de CO2. En este contexto se llevó a cabo un experimento de campo durante un cultivo de cebada (Hordeum vulgare L.) bajo condiciones Mediterráneas para evaluar el efecto de combinar residuos de cosecha de maíz con distintos inputs de fertilizantes nitrogenados (purín de cerdo y/o urea) en estas emisiones. La incorporación de rastrojo de maíz incrementó las emisiones de N2O durante el periodo experimental un 105%. Sin embargo, las emisiones de NO se redujeron significativamente en las parcelas enmendadas con rastrojo. La sustitución parcial de urea por purín de cerdo redujo las emisiones netas de N2O un 46 y 39%, con y sin incorporación de residuo de cosecha respectivamente. Las emisiones netas de NO se redujeron un 38 y un 17% para estos mismos tratamientos. El ratio molar DOC:NO3 - demostró predecir consistentemente las emisiones de N2O y NO. El efecto principal de la interacción entre el fertilizante nitrogenado y el rastrojo de maíz se dio a los 4-6 meses de su aplicación, generando un aumento del N2O y una disminución del NO. La sustitución de urea por purín de cerdo puede considerarse una buena estrategia de manejo dado que el uso de este residuo orgánico redujo las emisiones de óxidos de N. Los pastos de todo el mundo proveen numerosos servicios ecosistémicos pero también suponen una importante fuente de emisión de N2O, especialmente en respuesta a la deposición de N proveniente del ganado mientras pasta. Para explorar el papel de las plantas como mediadoras de estas emisiones, se analizó si las emisiones de N2O dependen de la riqueza en especies herbáceas y/o de la composición específica de especies, en ausencia y presencia de una deposición de orina. Las hipótesis fueron: 1) las emisiones de N2O tienen una relación negativa con la productividad de las plantas; 2) mezclas de cuatro especies generan menores emisiones que monocultivos (dado que su productividad será mayor); 3) las emisiones son menores en combinaciones de especies con distinta morfología radicular y alta biomasa de raíz; y 4) la identidad de las especies clave para reducir el N2O depende de si hay orina o no. Se establecieron monocultivos y mezclas de dos y cuatro especies comunes en pastos con rasgos funcionales divergentes: Lolium perenne L. (Lp), Festuca arundinacea Schreb. (Fa), Phleum pratense L. (Php) y Poa trivialis L. (Pt), y se cuantificaron las emisiones de N2O durante 42 días. No se encontró relación entre la riqueza en especies y las emisiones de N2O. Sin embargo, estas emisiones fueron significativamente menores en ciertas combinaciones de especies. En ausencia de orina, las comunidades de plantas Fa+Php actuaron como un sumidero de N2O, mientras que los monocultivos de estas especies constituyeron una fuente de N2O. Con aplicación de orina la comunidad Lp+Pt redujo (P < 0.001) las emisiones de N2O un 44% comparado con los monocultivos de Lp. Las reducciones de N2O encontradas en ciertas combinaciones de especies pudieron explicarse por una productividad total mayor y por una complementariedad en la morfología radicular. Este estudio muestra que la composición de especies herbáceas es un componente clave que define las emisiones de N2O de los ecosistemas de pasto. La selección de combinaciones de plantas específicas en base a la deposición de N esperada puede, por lo tanto, ser clave para la mitigación de las emisiones de N2O. ABSTRACT Nitrous oxide (N2O) is a potent greenhouse gas (GHG) directly linked to applications of nitrogen (N) fertilizers to agricultural soils. Identifying mitigation strategies for these emissions based on fertilizer management without incurring in yield penalties is of economic and environmental concern. With that aim, this Thesis evaluated: (i) the use of nitrification and urease inhibitors; and (ii) interactions of N fertilizers with (1) water management, (2) crop residues and (3) plant species richness/identity. Meta-analysis, laboratory incubations, greenhouse mesocosm and field experiments were carried out in order to understand and develop effective mitigation strategies. Nitrification and urease inhibitors are proposed as means to reduce N losses, thereby increasing crop nitrogen use efficiency (NUE). However, their effect on crop yield is variable. A meta-analysis was initially conducted to evaluate their effectiveness at increasing NUE and crop productivity. Commonly used nitrification inhibitors (dicyandiamide (DCD) and 3,4-dimethylepyrazole phosphate (DMPP)) and the urease inhibitor N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) were selected for analysis as they are generally considered the best available options. Our results show that their use can be recommended in order to increase both crop yields and NUE (grand mean increase of 7.5% and 12.9%, respectively). However, their effectiveness was dependent on the environmental and management factors of the studies evaluated. Larger responses were found in coarse-textured soils, irrigated systems and/or crops receiving high nitrogen fertilizer rates. In alkaline soils (pH ≥ 8), the urease inhibitor NBPT produced the largest effect size. Given that their use represents an additional cost for farmers, understanding the best management practices to maximize their effectiveness is paramount to allow effective comparison with other practices that increase crop productivity and NUE. Based on the meta-analysis results, NBPT was identified as a mitigation option with large potential. Urease inhibitors (UIs) have shown to promote high N use efficiency by reducing ammonia (NH3) volatilization. In the last few years, however, some field researches have shown an effective mitigation of UIs over N2O losses from fertilized soils under conditions of low soil moisture. Given the inherent high variability of field experiments where soil moisture content changes rapidly, it has been impossible to mechanistically understand the potential of UIs to reduce N2O emissions and its dependency on the soil water-filled pore space (WFPS). An incubation experiment was carried out aiming to assess what is the main biotic mechanism behind N2O emission when UIs are applied under different soil moisture conditions (40, 60 and 80% WFPS), and to analyze to what extent the soil WFPS regulates the effect of the inhibitor over N2O emissions. A second UI (i.e. PPDA) was also used aiming to compare the effect of NBPT with that of another commercially available urease inhibitor; this allowed us to see if the effect of NBPT was inhibitor-specific or not. The N2O emissions at 40% WFPS were almost negligible, being significantly lower from all fertilized treatments than that produced at 60 and 80% WFPS. Compared to urea alone, NBPT+U reduced the N2O emissions at 60% WFPS but had no effect at 80% WFPS. The application of PPDA significantly increased the emissions with respect to U at 80% WFPS whereas no significant effect was found at 60% WFPS. At 80% WFPS denitrification was the main source of N2O emissions for all treatments. Both nitrification and denitrification had a determinant role on these emissions at 60% WFPS. These results suggest that adequate management of the UI NBPT can provide, under certain soil conditions, an opportunity for N2O mitigation. We translated our previous results to realistic field conditions by means of a field experiment with a barley crop (Hordeum vulgare L.) under rainfed Mediterranean conditions in which we evaluated the effectiveness of NBPT to reduce N losses and increase crop yields. Crop yield, soil mineral N concentrations, dissolved organic carbon (DOC), denitrification potential, NH3, N2O and nitric oxide (NO) fluxes were measured during the growing season. The inclusion of the inhibitor reduced NH3 emissions in the 30 d following urea application by 58% and net N2O and NO emissions in the 95 d following urea application by 86 and 88%, respectively. NBPT addition also increased grain yield by 5% and N uptake by 6%, although neither increase was statistically significant. Under the experimental conditions presented here, these results demonstrate the potential of the urease inhibitor NBPT in abating NH3, N2O and NO emissions from arable soils fertilized with urea, slowing urea hydrolysis and releasing lower concentrations of NH4 + to the upper soil layer. Drip irrigation combined with split application of N fertilizer dissolved in the irrigation water (i.e. drip fertigation) is commonly considered best management practice for water and nutrient efficiency. Some of the main factors (WFPS, NH4 + and NO3 -) regulating the emissions of GHGs (i.e. N2O, carbon dioxide (CO2) and methane (CH4)) and NO can easily be manipulated by drip fertigation without yield penalties. In this study, we tested management options to reduce these emissions in a field experiment with a melon (Cucumis melo L.) crop. Treatments included drip irrigation frequency (weekly/daily) and type of N fertilizer (urea/calcium nitrate) applied by fertigation. Crop yield, environmental parameters, soil mineral N concentrations, N2O, NO, CH4, and CO2 fluxes were measured during the growing season. Fertigation with urea instead of calcium nitrate increased N2O and NO emissions by a factor of 2.4 and 2.9, respectively (P < 0.005). Daily irrigation reduced NO emissions by 42% (P < 0.005) but increased CO2 emissions by 21% (P < 0.05) compared with weekly irrigation. Based on yield-scaled Global Warming Potential as well as NO emission factors, we conclude that weekly fertigation with a NO3 --based fertilizer is the best option to combine agronomic productivity with environmental sustainability. Agricultural soils in semiarid Mediterranean areas are characterized by low organic matter contents and low fertility levels. Application of crop residues and/or manures as amendments is a cost-effective and sustainable alternative to overcome this problem. However, these management practices may induce important changes in the nitrogen oxide emissions from these agroecosystems, with additional impacts on CO2 emissions. In this context, a field experiment was carried out with a barley (Hordeum vulgare L.) crop under Mediterranean conditions to evaluate the effect of combining maize (Zea mays L.) residues and N fertilizer inputs (organic and/or mineral) on these emissions. Crop yield and N uptake, soil mineral N concentrations, dissolved organic carbon (DOC), denitrification capacity, N2O, NO and CO2 fluxes were measured during the growing season. The incorporation of maize stover increased N2O emissions during the experimental period by c. 105 %. Conversely, NO emissions were significantly reduced in the plots amended with crop residues. The partial substitution of urea by pig slurry reduced net N2O emissions by 46 and 39 %, with and without the incorporation of crop residues respectively. Net emissions of NO were reduced 38 and 17 % for the same treatments. Molar DOC:NO3 - ratio was found to be a robust predictor of N2O and NO fluxes. The main effect of the interaction between crop residue and N fertilizer application occurred in the medium term (4-6 month after application), enhancing N2O emissions and decreasing NO emissions as consequence of residue incorporation. The substitution of urea by pig slurry can be considered a good management strategy since N2O and NO emissions were reduced by the use of the organic residue. Grassland ecosystems worldwide provide many important ecosystem services but they also function as a major source of N2O, especially in response to N deposition by grazing animals. In order to explore the role of plants as mediators of these emissions, we tested whether and how N2O emissions are dependent on grass species richness and/or specific grass species composition in the absence and presence of urine deposition. We hypothesized that: 1) N2O emissions relate negatively to plant productivity; 2) four-species mixtures have lower emissions than monocultures (as they are expected to be more productive); 3) emissions are lowest in combinations of species with diverging root morphology and high root biomass; and 4) the identity of the key species that reduce N2O emissions is dependent on urine deposition. We established monocultures and two- and four-species mixtures of common grass species with diverging functional traits: Lolium perenne L. (Lp), Festuca arundinacea Schreb. (Fa), Phleum pratense L. (Php) and Poa trivialis L. (Pt), and quantified N2O emissions for 42 days. We found no relation between plant species richness and N2O emissions. However, N2O emissions were significantly reduced in specific plant species combinations. In the absence of urine, plant communities of Fa+Php acted as a sink for N2O, whereas the monocultures of these species constituted a N2O source. With urine application Lp+Pt plant communities reduced (P < 0.001) N2O emissions by 44% compared to monocultures of Lp. Reductions in N2O emissions by species mixtures could be explained by total biomass productivity and by complementarity in root morphology. Our study shows that plant species composition is a key component underlying N2O emissions from grassland ecosystems. Selection of specific grass species combinations in the context of the expected nitrogen deposition regimes may therefore provide a key management practice for mitigation of N2O emissions.

Modelización de servicios ecosistémicos en una cuenca hidrológica del área mediterránea = Modeling ecosystem services in a mediterranean area river basin

La modelización es un proceso por el que se obtienen modelos de los procesos del ´mundo real´ mediante la utilización de simplificaciones. Sin embargo, las estimaciones obtenidas con el modelo llevan implícitas incertidumbre que se debe evaluar. Mediante un análisis de sensibilidad se puede mejorar la confianza en los resultados, sin embargo, este paso a veces no se realiza debido básicamente al trabajo que lleva consigo este tipo de análisis. Además, al crear un modelo, hay que mantener un equilibrio entre la obtención de resultados lo más exactos posible mediante un modelo lo más sencillo posible. Por ello, una vez creado un modelo, es imprescindible comprobar si es necesario o no incluir más procesos que en un principio no se habían incluido. Los servicios ecosistémicos son los procesos mediante los cuales los ecosistemas mantienen y satisfacen el bienestar humano. La importancia que los servicios ecosistémicos y sus beneficios asociados tienen, junto con la necesidad de realizar una buena gestión de los mismos, han estimulado la aparición de modelos y herramientas para cuantificarlos. InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradoffs) es una de estas herramientas específicas para calcular servicios eco-sistémicos, desarrollada por Natural Capital Project (Universidad de Stanford, EEUU). Como resultado del creciente interés en calcular los servicios eco-sistémicos, se prevé un incremento en la aplicación del InVEST. La investigación desarrollada en esta Tesis pretende ayudar en esas otras importantes fases necesarias después de la creación de un modelo, abarcando los dos siguientes trabajos. El primero es la aplicación de un análisis de sensibilidad al modelo en una cuenca concreta mediante la metodología más adecuada. El segundo es relativo a los procesos dentro de la corriente fluvial que actualmente no se incluyen en el modelo mediante la creación y aplicación de una metodología que estudiara el papel que juegan estos procesos en el modelo InVEST de retención de nutrientes en el área de estudio. Los resultados de esta Tesis contribuirán a comprender la incertidumbre involucrada en el proceso de modelado. También pondrá de manifiesto la necesidad de comprobar el comportamiento de un modelo antes de utilizarlo y en el momento de interpretar los resultados obtenidos. El trabajo en esta Tesis contribuirá a mejorar la plataforma InVEST, que es una herramienta importante en el ámbito de los servicios de los ecosistemas. Dicho trabajo beneficiará a los futuros usuarios de la herramienta, ya sean investigadores (en investigaciones futuras), o técnicos (en futuros trabajos de toma de decisiones o gestión ecosistemas). ABSTRACT Modeling is the process to idealize real-world situations through simplifications in order to obtain a model. However, model estimations lead to uncertainties that have to be evaluated formally. The role of the sensitivity analysis (SA) is to assign model output uncertainty based on the inputs and can increase confidence in model, however, it is often omitted in modelling, usually as a result of the growing effort it involves. In addition, the balance between accuracy and simplicity is not easy to assess. For this reason, when a model is developed, it is necessary to test it in order to understand its behavior and to include, if necessary, more complexity to get a better response. Ecosystem services are the conditions and processes through which natural ecosystems, and their constituent species, sustain and fulfill human life. The relevance of ecosystem services and the need to better manage them and their associated benefits have stimulated the emergence of models and tools to measure them. InVEST, Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradoffs, is one of these ecosystem services-specific tools developed by the Natural Capital Project (Stanford University, USA). As a result of the growing interest in measuring ecosystem services, the use of InVEST is anticipated to grow exponentially in the coming years. However, apart from model development, making a model involves other crucial stages such as its evaluation and application in order to validate estimations. The work developed in this thesis tries to help in this relevant and imperative phase of the modeling process, and does so in two different ways. The first one is to conduct a sensitivity analysis of the model, which consists in choosing and applying a methodology in an area and analyzing the results obtained. The second is related to the in-stream processes that are not modeled in the current model, and consists in creating and applying a methodology for testing the streams role in the InVEST nutrient retention model in a case study, analyzing the results obtained. The results of this Thesis will contribute to the understanding of the uncertainties involved in the modeling process. It will also illustrate the need to check the behavior of every model developed before putting them in production and illustrate the importance of understanding their behavior in terms of correctly interpreting the results obtained in light of uncertainty. The work in this thesis will contribute to improve the InVEST platform, which is an important tool in the field of ecosystem services. Such work will benefit future users, whether they are researchers (in their future research), or technicians (in their future work in ecosystem conservation or management decisions).

Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

El auge del "Internet de las Cosas" (IoT, "Internet of Things") y sus tecnologías asociadas han permitido su aplicación en diversos dominios de la aplicación, entre los que se encuentran la monitorización de ecosistemas forestales, la gestión de catástrofes y emergencias, la domótica, la automatización industrial, los servicios para ciudades inteligentes, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. La desventaja de una red IoT es que una vez desplegada, ésta queda desatendida, es decir queda sujeta, entre otras cosas, a condiciones climáticas cambiantes y expuestas a catástrofes naturales, fallos de software o hardware, o ataques maliciosos de terceros, por lo que se puede considerar que dichas redes son propensas a fallos. El principal requisito de los nodos constituyentes de una red IoT es que estos deben ser capaces de seguir funcionando a pesar de sufrir errores en el propio sistema. La capacidad de la red para recuperarse ante fallos internos y externos inesperados es lo que se conoce actualmente como "Resiliencia" de la red. Por tanto, a la hora de diseñar y desplegar aplicaciones o servicios para IoT, se espera que la red sea tolerante a fallos, que sea auto-configurable, auto-adaptable, auto-optimizable con respecto a nuevas condiciones que puedan aparecer durante su ejecución. Esto lleva al análisis de un problema fundamental en el estudio de las redes IoT, el problema de la "Conectividad". Se dice que una red está conectada si todo par de nodos en la red son capaces de encontrar al menos un camino de comunicación entre ambos. Sin embargo, la red puede desconectarse debido a varias razones, como que se agote la batería, que un nodo sea destruido, etc. Por tanto, se hace necesario gestionar la resiliencia de la red con el objeto de mantener la conectividad entre sus nodos, de tal manera que cada nodo IoT sea capaz de proveer servicios continuos, a otros nodos, a otras redes o, a otros servicios y aplicaciones. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio del problema de conectividad IoT, más concretamente en el desarrollo de modelos para el análisis y gestión de la Resiliencia, llevado a la práctica a través de las redes WSN, con el fin de mejorar la capacidad la tolerancia a fallos de los nodos que componen la red. Este reto se aborda teniendo en cuenta dos enfoques distintos, por una parte, a diferencia de otro tipo de redes de dispositivos convencionales, los nodos en una red IoT son propensos a perder la conexión, debido a que se despliegan en entornos aislados, o en entornos con condiciones extremas; por otra parte, los nodos suelen ser recursos con bajas capacidades en términos de procesamiento, almacenamiento y batería, entre otros, por lo que requiere que el diseño de la gestión de su resiliencia sea ligero, distribuido y energéticamente eficiente. En este sentido, esta tesis desarrolla técnicas auto-adaptativas que permiten a una red IoT, desde la perspectiva del control de su topología, ser resiliente ante fallos en sus nodos. Para ello, se utilizan técnicas basadas en lógica difusa y técnicas de control proporcional, integral y derivativa (PID - "proportional-integral-derivative"), con el objeto de mejorar la conectividad de la red, teniendo en cuenta que el consumo de energía debe preservarse tanto como sea posible. De igual manera, se ha tenido en cuenta que el algoritmo de control debe ser distribuido debido a que, en general, los enfoques centralizados no suelen ser factibles a despliegues a gran escala. El presente trabajo de tesis implica varios retos que conciernen a la conectividad de red, entre los que se incluyen: la creación y el análisis de modelos matemáticos que describan la red, una propuesta de sistema de control auto-adaptativo en respuesta a fallos en los nodos, la optimización de los parámetros del sistema de control, la validación mediante una implementación siguiendo un enfoque de ingeniería del software y finalmente la evaluación en una aplicación real. Atendiendo a los retos anteriormente mencionados, el presente trabajo justifica, mediante una análisis matemático, la relación existente entre el "grado de un nodo" (definido como el número de nodos en la vecindad del nodo en cuestión) y la conectividad de la red, y prueba la eficacia de varios tipos de controladores que permiten ajustar la potencia de trasmisión de los nodos de red en respuesta a eventuales fallos, teniendo en cuenta el consumo de energía como parte de los objetivos de control. Así mismo, este trabajo realiza una evaluación y comparación con otros algoritmos representativos; en donde se demuestra que el enfoque desarrollado es más tolerante a fallos aleatorios en los nodos de la red, así como en su eficiencia energética. Adicionalmente, el uso de algoritmos bioinspirados ha permitido la optimización de los parámetros de control de redes dinámicas de gran tamaño. Con respecto a la implementación en un sistema real, se han integrado las propuestas de esta tesis en un modelo de programación OSGi ("Open Services Gateway Initiative") con el objeto de crear un middleware auto-adaptativo que mejore la gestión de la resiliencia, especialmente la reconfiguración en tiempo de ejecución de componentes software cuando se ha producido un fallo. Como conclusión, los resultados de esta tesis doctoral contribuyen a la investigación teórica y, a la aplicación práctica del control resiliente de la topología en redes distribuidas de gran tamaño. Los diseños y algoritmos presentados pueden ser vistos como una prueba novedosa de algunas técnicas para la próxima era de IoT. A continuación, se enuncian de forma resumida las principales contribuciones de esta tesis: (1) Se han analizado matemáticamente propiedades relacionadas con la conectividad de la red. Se estudia, por ejemplo, cómo varía la probabilidad de conexión de la red al modificar el alcance de comunicación de los nodos, así como cuál es el mínimo número de nodos que hay que añadir al sistema desconectado para su re-conexión. (2) Se han propuesto sistemas de control basados en lógica difusa para alcanzar el grado de los nodos deseado, manteniendo la conectividad completa de la red. Se han evaluado diferentes tipos de controladores basados en lógica difusa mediante simulaciones, y los resultados se han comparado con otros algoritmos representativos. (3) Se ha investigado más a fondo, dando un enfoque más simple y aplicable, el sistema de control de doble bucle, y sus parámetros de control se han optimizado empleando algoritmos heurísticos como el método de la entropía cruzada (CE, "Cross Entropy"), la optimización por enjambre de partículas (PSO, "Particle Swarm Optimization"), y la evolución diferencial (DE, "Differential Evolution"). (4) Se han evaluado mediante simulación, la mayoría de los diseños aquí presentados; además, parte de los trabajos se han implementado y validado en una aplicación real combinando técnicas de software auto-adaptativo, como por ejemplo las de una arquitectura orientada a servicios (SOA, "Service-Oriented Architecture"). ABSTRACT The advent of the Internet of Things (IoT) enables a tremendous number of applications, such as forest monitoring, disaster management, home automation, factory automation, smart city, etc. However, various kinds of unexpected disturbances may cause node failure in the IoT, for example battery depletion, software/hardware malfunction issues and malicious attacks. So, it can be considered that the IoT is prone to failure. The ability of the network to recover from unexpected internal and external failures is known as "resilience" of the network. Resilience usually serves as an important non-functional requirement when designing IoT, which can further be broken down into "self-*" properties, such as self-adaptive, self-healing, self-configuring, self-optimization, etc. One of the consequences that node failure brings to the IoT is that some nodes may be disconnected from others, such that they are not capable of providing continuous services for other nodes, networks, and applications. In this sense, the main objective of this dissertation focuses on the IoT connectivity problem. A network is regarded as connected if any pair of different nodes can communicate with each other either directly or via a limited number of intermediate nodes. More specifically, this thesis focuses on the development of models for analysis and management of resilience, implemented through the Wireless Sensor Networks (WSNs), which is a challenging task. On the one hand, unlike other conventional network devices, nodes in the IoT are more likely to be disconnected from each other due to their deployment in a hostile or isolated environment. On the other hand, nodes are resource-constrained in terms of limited processing capability, storage and battery capacity, which requires that the design of the resilience management for IoT has to be lightweight, distributed and energy-efficient. In this context, the thesis presents self-adaptive techniques for IoT, with the aim of making the IoT resilient against node failures from the network topology control point of view. The fuzzy-logic and proportional-integral-derivative (PID) control techniques are leveraged to improve the network connectivity of the IoT in response to node failures, meanwhile taking into consideration that energy consumption must be preserved as much as possible. The control algorithm itself is designed to be distributed, because the centralized approaches are usually not feasible in large scale IoT deployments. The thesis involves various aspects concerning network connectivity, including: creation and analysis of mathematical models describing the network, proposing self-adaptive control systems in response to node failures, control system parameter optimization, implementation using the software engineering approach, and evaluation in a real application. This thesis also justifies the relations between the "node degree" (the number of neighbor(s) of a node) and network connectivity through mathematic analysis, and proves the effectiveness of various types of controllers that can adjust power transmission of the IoT nodes in response to node failures. The controllers also take into consideration the energy consumption as part of the control goals. The evaluation is performed and comparison is made with other representative algorithms. The simulation results show that the proposals in this thesis can tolerate more random node failures and save more energy when compared with those representative algorithms. Additionally, the simulations demonstrate that the use of the bio-inspired algorithms allows optimizing the parameters of the controller. With respect to the implementation in a real system, the programming model called OSGi (Open Service Gateway Initiative) is integrated with the proposals in order to create a self-adaptive middleware, especially reconfiguring the software components at runtime when failures occur. The outcomes of this thesis contribute to theoretic research and practical applications of resilient topology control for large and distributed networks. The presented controller designs and optimization algorithms can be viewed as novel trials of the control and optimization techniques for the coming era of the IoT. The contributions of this thesis can be summarized as follows: (1) Mathematically, the fault-tolerant probability of a large-scale stochastic network is analyzed. It is studied how the probability of network connectivity depends on the communication range of the nodes, and what is the minimum number of neighbors to be added for network re-connection. (2) A fuzzy-logic control system is proposed, which obtains the desired node degree and in turn maintains the network connectivity when it is subject to node failures. There are different types of fuzzy-logic controllers evaluated by simulations, and the results demonstrate the improvement of fault-tolerant capability as compared to some other representative algorithms. (3) A simpler but more applicable approach, the two-loop control system is further investigated, and its control parameters are optimized by using some heuristic algorithms such as Cross Entropy (CE), Particle Swarm Optimization (PSO), and Differential Evolution (DE). (4) Most of the designs are evaluated by means of simulations, but part of the proposals are implemented and tested in a real-world application by combining the self-adaptive software technique and the control algorithms which are presented in this thesis.

Balancing management and preservation of mediterranean scattered oak woodlands (Dehesas) in human-dominated landscapes

Los sistemas agroforestales mediterráneos tienen una gran importancia ecológica y socioeconómica, y mantienen altos valores medioambientales y de diversidad biológica a la vez que producen importantes servicios ecosistémicos. Estos sistemas han sido testigos de diversos cambios rápidos y drásticos en su gestión y aprovechamiento durante el último siglo. La mayor parte de la investigación desarrollada en esta tesis doctoral ha sido llevada a cabo en las dehesas españolas. Esta tesis nos muestra: i) la evidencia de la existencia de un cambio global del estrato arbóreo y del manejo del pastoreo en el todo el área de distribución de la dehesa durante los últimos 60 años; ii) la importancia del papel que juega el arbolado disperso y el adecuado manejo del ganado en la mejora de la producción, calidad y diversidad de las comunidades herbáceas, que a su vez, un pasto herbáceo bien desarrollado es importante para la rentabilidad del sistema, evaluando estos efectos bajo distintos escenarios de clima y calidad de estación; y iii) la evidencia de la falta de regeneración en sistemas agroforestales mediterráneos bajo distintos tipos de manejo del pastoreo, y además se evalúa el crecimiento y desarrollo de las pocas plántulas existentes que serán las que aseguren la viabilidad y persistencia y de estos sistemas. El arbolado disperso de estos sistemas ha experimentado una reducción importante en su densidad arbórea y fracción de cabida cubierta durante el periodo entre 1950-1980 donde tuvieron lugar importantes transformaciones en la actividad agropecuaria. La cabaña ganadera de ovino disminuyó drásticamente en los años 70 en comparación a la de bovino que desde entonces ha aumentado progresivamente hasta la actualidad. Por otro lado, el mismo tipo de manejo del ganado doméstico (especialmente bovino) durante bastante tiempo (mínimo 30 años) provocó una reducción significativa de la densidad de las plántulas. Además la probabilidad de ocurrencia y la intensidad de daños por herbivoría fue mayor bajo pastoreo bovino (con daños más intensos y consistentes) que bajo pastoreo ovino o sin pastoreo doméstico (presencia de ciervos). También el patrón de crecimiento de las plantas jóvenes estuvo afectado por el tipo de manejo, generando plántulas achaparradas en el caso del bovino y plántulas esbeltas favoreciendo el crecimiento en altura en el caso del ovino. La presencia de un arbolado disperso generó una mayor diversidad y variación en la producción de las comunidades herbáceas según las condiciones de disponibilidad de agua. Especialmente, el ecotono como microhábitat sostuvo altos valores de diversidad herbácea. La presencia del ganado bajo pastoreo continuo de intensidad moderada a alta, especialmente el bovino, incrementó los rendimientos de producción y diversidad del estrato herbáceo. Los resultados de esta tesis nos muestran la importancia que tiene la existencia de un equilibrio entre la producción y la conservación de los sistemas agroforestales mediterráneos para obtener una producción sostenible de servicios ecosistémicos mientras se asegura la perpetuación del sistema a largo plazo. Es crucial diseñar planes de gestión incorporando objetivos de conservación que integren técnicas silvopastorales apropiadas para poder aplicar en los sistemas agroforestales mediterráneos. ABSTRACT Mediterranean scattered oak woodlands have great ecological and socio-economic importance, supporting high environmental and amenity values, and relatively rich biological diversity while producing important ecosystem services. They have been witnesses of different and fast changes developed in the last century. Most of the research developed in this dissertation has conducted within dehesas. This thesis provides: i) the global change evidence of the tree layer and grazing management experienced in the land-use range of a Mediterranean scattered oak woodland (dehesa) over the last 60 years; ii) the important role of scattered trees and adequate management grazing in the improvement of grassland yield, quality and diversity - which it is important, in turn, for the system profitability - under different climate scenarios and site quality; and iii) the lack of oak regeneration evidence under some given representative management regimes and how is the growth development of these plants to assure the viability and persistence of Mediterranean scattered oak woodlands. Tree layer experienced a significant reduction in dehesas during 1950-1980 period where the highest human impacts took place. Sheep herd decreased drastically during the 1970s and, in contrast, cattle have been increasing gradually since then. On the other hand, same livestock grazing management (especially cattle) during long time (minimum 30 years) within Mediterranean scattered oak woodlands reduced strongly the density of young oak plants and showed high probability of herbivory occurrence and intensity. Young plant growth pattern was greatly modified by livestock. Cattle grazing generated stunted plants and sheep grazing generated slender plants favoring the height growth. Microsites created by large trees modified the herbaceous yield according the water availability of the year and generated high plant diversity within herbaceous communities. Especially, ecotone microsite supported high values of herbaceous diversity. The presence of livestock species increased the herbaceous yield and maintained a more diverse community under continuous grazing at both moderate and high intensities; especially cattle. Thus, around the influence of scattered trees there is a high amount of different interactions among livestock, trees and grasslands maintaining and enhancing the quality of whole dehesa system. The results of this thesis highlight how important is balancing management and preservation of Mediterranean scattered oak woodlands to obtain the optimum ecosystem services while the system conservation is assured for a long-term. It is crucial to design management plans with conservation goals that include appropriate silvopastoral practices in Mediterranean scattered oak woodlands.

Balancing management and preservation of mediterranean scattered oak woodlands (Dehesas) in human-dominated landscapes

Los sistemas agroforestales mediterráneos tienen una gran importancia ecológica y socioeconómica, y mantienen altos valores medioambientales y de diversidad biológica a la vez que producen importantes servicios ecosistémicos. Estos sistemas han sido testigos de diversos cambios rápidos y drásticos en su gestión y aprovechamiento durante el último siglo. La mayor parte de la investigación desarrollada en esta tesis doctoral ha sido llevada a cabo en las dehesas españolas. Esta tesis nos muestra: i) la evidencia de la existencia de un cambio global del estrato arbóreo y del manejo del pastoreo en el todo el área de distribución de la dehesa durante los últimos 60 años; ii) la importancia del papel que juega el arbolado disperso y el adecuado manejo del ganado en la mejora de la producción, calidad y diversidad de las comunidades herbáceas, que a su vez, un pasto herbáceo bien desarrollado es importante para la rentabilidad del sistema, evaluando estos efectos bajo distintos escenarios de clima y calidad de estación; y iii) la evidencia de la falta de regeneración en sistemas agroforestales mediterráneos bajo distintos tipos de manejo del pastoreo, y además se evalúa el crecimiento y desarrollo de las pocas plántulas existentes que serán las que aseguren la viabilidad y persistencia y de estos sistemas. El arbolado disperso de estos sistemas ha experimentado una reducción importante en su densidad arbórea y fracción de cabida cubierta durante el periodo entre 1950-1980 donde tuvieron lugar importantes transformaciones en la actividad agropecuaria. La cabaña ganadera de ovino disminuyó drásticamente en los años 70 en comparación a la de bovino que desde entonces ha aumentado progresivamente hasta la actualidad. Por otro lado, el mismo tipo de manejo del ganado doméstico (especialmente bovino) durante bastante tiempo (mínimo 30 años) provocó una reducción significativa de la densidad de las plántulas. Además la probabilidad de ocurrencia y la intensidad de daños por herbivoría fue mayor bajo pastoreo bovino (con daños más intensos y consistentes) que bajo pastoreo ovino o sin pastoreo doméstico (presencia de ciervos). También el patrón de crecimiento de las plantas jóvenes estuvo afectado por el tipo de manejo, generando plántulas achaparradas en el caso del bovino y plántulas esbeltas favoreciendo el crecimiento en altura en el caso del ovino. La presencia de un arbolado disperso generó una mayor diversidad y variación en la producción de las comunidades herbáceas según las condiciones de disponibilidad de agua. Especialmente, el ecotono como microhábitat sostuvo altos valores de diversidad herbácea. La presencia del ganado bajo pastoreo continuo de intensidad moderada a alta, especialmente el bovino, incrementó los rendimientos de producción y diversidad del estrato herbáceo. Los resultados de esta tesis nos muestran la importancia que tiene la existencia de un equilibrio entre la producción y la conservación de los sistemas agroforestales mediterráneos para obtener una producción sostenible de servicios ecosistémicos mientras se asegura la perpetuación del sistema a largo plazo. Es crucial diseñar planes de gestión incorporando objetivos de conservación que integren técnicas silvopastorales apropiadas para poder aplicar en los sistemas agroforestales mediterráneos. ABSTRACT Mediterranean scattered oak woodlands have great ecological and socio-economic importance, supporting high environmental and amenity values, and relatively rich biological diversity while producing important ecosystem services. They have been witnesses of different and fast changes developed in the last century. Most of the research developed in this dissertation has conducted within dehesas. This thesis provides: i) the global change evidence of the tree layer and grazing management experienced in the land-use range of a Mediterranean scattered oak woodland (dehesa) over the last 60 years; ii) the important role of scattered trees and adequate management grazing in the improvement of grassland yield, quality and diversity - which it is important, in turn, for the system profitability - under different climate scenarios and site quality; and iii) the lack of oak regeneration evidence under some given representative management regimes and how is the growth development of these plants to assure the viability and persistence of Mediterranean scattered oak woodlands. Tree layer experienced a significant reduction in dehesas during 1950-1980 period where the highest human impacts took place. Sheep herd decreased drastically during the 1970s and, in contrast, cattle have been increasing gradually since then. On the other hand, same livestock grazing management (especially cattle) during long time (minimum 30 years) within Mediterranean scattered oak woodlands reduced strongly the density of young oak plants and showed high probability of herbivory occurrence and intensity. Young plant growth pattern was greatly modified by livestock. Cattle grazing generated stunted plants and sheep grazing generated slender plants favoring the height growth. Microsites created by large trees modified the herbaceous yield according the water availability of the year and generated high plant diversity within herbaceous communities. Especially, ecotone microsite supported high values of herbaceous diversity. The presence of livestock species increased the herbaceous yield and maintained a more diverse community under continuous grazing at both moderate and high intensities; especially cattle. Thus, around the influence of scattered trees there is a high amount of different interactions among livestock, trees and grasslands maintaining and enhancing the quality of whole dehesa system. The results of this thesis highlight how important is balancing management and preservation of Mediterranean scattered oak woodlands to obtain the optimum ecosystem services while the system conservation is assured for a long-term. It is crucial to design management plans with conservation goals that include appropriate silvopastoral practices in Mediterranean scattered oak woodlands.

Modelización de servicios ecosistémicos en una cuenca hidrológica del área mediterránea = Modeling ecosystem services in a mediterranean area river basin

La modelización es un proceso por el que se obtienen modelos de los procesos del ´mundo real´ mediante la utilización de simplificaciones. Sin embargo, las estimaciones obtenidas con el modelo llevan implícitas incertidumbre que se debe evaluar. Mediante un análisis de sensibilidad se puede mejorar la confianza en los resultados, sin embargo, este paso a veces no se realiza debido básicamente al trabajo que lleva consigo este tipo de análisis. Además, al crear un modelo, hay que mantener un equilibrio entre la obtención de resultados lo más exactos posible mediante un modelo lo más sencillo posible. Por ello, una vez creado un modelo, es imprescindible comprobar si es necesario o no incluir más procesos que en un principio no se habían incluido. Los servicios ecosistémicos son los procesos mediante los cuales los ecosistemas mantienen y satisfacen el bienestar humano. La importancia que los servicios ecosistémicos y sus beneficios asociados tienen, junto con la necesidad de realizar una buena gestión de los mismos, han estimulado la aparición de modelos y herramientas para cuantificarlos. InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradoffs) es una de estas herramientas específicas para calcular servicios eco-sistémicos, desarrollada por Natural Capital Project (Universidad de Stanford, EEUU). Como resultado del creciente interés en calcular los servicios eco-sistémicos, se prevé un incremento en la aplicación del InVEST. La investigación desarrollada en esta Tesis pretende ayudar en esas otras importantes fases necesarias después de la creación de un modelo, abarcando los dos siguientes trabajos. El primero es la aplicación de un análisis de sensibilidad al modelo en una cuenca concreta mediante la metodología más adecuada. El segundo es relativo a los procesos dentro de la corriente fluvial que actualmente no se incluyen en el modelo mediante la creación y aplicación de una metodología que estudiara el papel que juegan estos procesos en el modelo InVEST de retención de nutrientes en el área de estudio. Los resultados de esta Tesis contribuirán a comprender la incertidumbre involucrada en el proceso de modelado. También pondrá de manifiesto la necesidad de comprobar el comportamiento de un modelo antes de utilizarlo y en el momento de interpretar los resultados obtenidos. El trabajo en esta Tesis contribuirá a mejorar la plataforma InVEST, que es una herramienta importante en el ámbito de los servicios de los ecosistemas. Dicho trabajo beneficiará a los futuros usuarios de la herramienta, ya sean investigadores (en investigaciones futuras), o técnicos (en futuros trabajos de toma de decisiones o gestión ecosistemas). ABSTRACT Modeling is the process to idealize real-world situations through simplifications in order to obtain a model. However, model estimations lead to uncertainties that have to be evaluated formally. The role of the sensitivity analysis (SA) is to assign model output uncertainty based on the inputs and can increase confidence in model, however, it is often omitted in modelling, usually as a result of the growing effort it involves. In addition, the balance between accuracy and simplicity is not easy to assess. For this reason, when a model is developed, it is necessary to test it in order to understand its behavior and to include, if necessary, more complexity to get a better response. Ecosystem services are the conditions and processes through which natural ecosystems, and their constituent species, sustain and fulfill human life. The relevance of ecosystem services and the need to better manage them and their associated benefits have stimulated the emergence of models and tools to measure them. InVEST, Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradoffs, is one of these ecosystem services-specific tools developed by the Natural Capital Project (Stanford University, USA). As a result of the growing interest in measuring ecosystem services, the use of InVEST is anticipated to grow exponentially in the coming years. However, apart from model development, making a model involves other crucial stages such as its evaluation and application in order to validate estimations. The work developed in this thesis tries to help in this relevant and imperative phase of the modeling process, and does so in two different ways. The first one is to conduct a sensitivity analysis of the model, which consists in choosing and applying a methodology in an area and analyzing the results obtained. The second is related to the in-stream processes that are not modeled in the current model, and consists in creating and applying a methodology for testing the streams role in the InVEST nutrient retention model in a case study, analyzing the results obtained. The results of this Thesis will contribute to the understanding of the uncertainties involved in the modeling process. It will also illustrate the need to check the behavior of every model developed before putting them in production and illustrate the importance of understanding their behavior in terms of correctly interpreting the results obtained in light of uncertainty. The work in this thesis will contribute to improve the InVEST platform, which is an important tool in the field of ecosystem services. Such work will benefit future users, whether they are researchers (in their future research), or technicians (in their future work in ecosystem conservation or management decisions).

Factores anatómicos, dendrométricos y climáticos implicados en la producción de resina de Pinus pinaster AIT. : aplicación a la mejora de los métodos de resinación

Pinus pinaster Ait. es la conífera con mayor área de distribución en la Península Ibérica y es, a día de hoy, la única especie resinada en nuestro país. La inducción del flujo de resina al exterior para su recolección a través de distintos tipos de heridas ha sido practicada desde hace miles de años por distintas culturas. En todos los casos, las técnicas desarrolladas se basan en la estimulación del característico sistema de defensa de las pináceas. En los últimos siete años se viene observando una tendencia de incremento sustancial de la superficie resinada en España, acompañada por avances tecnológicos dirigidos a la mecanización y mejora de estimulantes. El aprovechamiento resinero se perfila como un sector estratégico en la generación de empleo rural y la conservación de ecosistemas. La industria resinera demanda métodos de extracción más eficaces, una selvicultura adecuada y actualizada, y condiciones laborales de los resineros más dignas con objeto de llegar a ser competitiva en el mercado internacional. Este trabajo se centra en ampliar el conocimiento sobre el sistema de defensa de P. pinaster, concretamente sobre las estructuras y procesos que pueden afectar a la producción de resina. Se analizan las relaciones entre las características anatómicas del xilema, destacando las relacionadas con los canales resiníferos, las variables dendrométricas y dasométricas de la masa y el flujo de resina (objetivo 1). Se estudia cómo estas relaciones son moduladas por las heridas de resinación dependiendo de la técnica de resinación aplicada (objetivo 2), el clima y el balance hídrico del suelo (objetivo 3). El material vegetal, las muestras de suelo y los datos de producción de resina y climáticos usados en esta tesis han sido recogidos en tres montes de utilidad pública; MUP 101 en Armuña, MUP 108 en Melque de Cercos y MUP 117 en Nieva (en esta última solo se recogieron los datos de producciones), todos ellos pinares monoespecíficos de P. pinaster localizados en la denominada Tierra de Pinares Segoviana. En los árboles de nuestro estudio se han aplicado cuatro métodos de resinación: método de pica de corteza con estimulante y método mecanizado con estimulante, ambos en sentido ascendente y descendente. En los trabajos realizados para el análisis de la influencia de la anatomía constitutiva en la producción de resina (objetivo 1) y el efecto del clima (objetivo 3), se obtuvieron muestras del xilema de 26 árboles resinados en Melque de Cercos y Armuña y 12 árboles control sin resinar. Para caracterizar los pies estudiados, se midió la altura, diámetro normal y porcentaje de copa viva. Las muestras de tejido fueron recogidas en una zona del tronco a una distancia del límite de la herida considerada en la bibliografía como no afectada (anatomía constitutiva). Para el análisis de las alteraciones anatómicas inducidas por la herida (objetivo 2), se recogieron muestras en ocho de los individuos en los que se habían realizado los distintos métodos de resinación descritos y en cinco árboles control. Se obtuvieron ocho muestras de tejido distribuidas en la parte superior, inferior, lateral y centro de la herida de cada uno de los árboles resinados. Para establecer las diferencias en la producción de resina según el método de resinación, se analizaron las producciones de 561 árboles resinados en 2012 con estos cuatro métodos en Nieva. Los principales resultados de estos trabajos muestran que la producción de resina está ligada al volumen de canales (axiales y radiales) y a la frecuencia de canales radiales existentes en el árbol antes de efectuar ninguna herida (sistema constitutivo). De esta manera, los árboles grandes productores de resina mostraron una red de canales más densa que aquellos con producciones medias. Una vez realizada la herida de resinación, observamos una disminución del ancho del anillo de crecimiento y del tamaño medio de los canales axiales a la vez que se incrementaba la frecuencia y área ocupada por mm2 de anillo de estos canales. Estos cambios perduraron en el árbol durante al menos tres años y fueron distintos dependiendo de la localización en el entorno de la herida y del método de resinación. Las respuestas más intensas a la herida se observaron el año siguiente a la realización de la misma, en dirección axial, para las distancias más próximas al límite de la herida y para los métodos de resinación en sentido ascendente. Además, se ha constatado que como consecuencia de las heridas de resinación se produjeron cambios en la anatomía del xilema en zonas alejadas de la herida, tanto en el año de la herida como años posteriores. Es decir, se observó una respuesta sistémica del árbol. Respecto al papel del clima como regulador de la respuesta del árbol, se ha evidenciado que la temperatura, la radiación y la ETP influyeron en la producción de resina, no solo durante la campaña de resinación, sino también durante los meses anteriores. El déficit hídrico favoreció la producción y la formación de canales axiales pero, a partir de un determinado umbral, esa relación se invirtió y las lluvias estivales incrementaron la producción. Algunas de estas variables climáticas se asociaron a cambios en el tamaño y frecuencia de las estructuras secretoras, las cuales posiblemente modulan la respuesta defensiva de la planta. La dendrometría del árbol (evaluada a través del diámetro normal, altura y porcentaje de copa viva), la densidad de la masa y el tipo de suelo influyeron en el potencial de producción de resina de P. pinaster. Árboles más vigorosos, parcelas con menores densidades y suelos con más capacidad para la retención de agua y nutrientes presentaron producciones mayores. Estos trabajos se complementan en anexos con una caracterización del sistema socio-ecológico del pinar en resinación. En ese trabajo se identifican sus potenciales servicios ecosistémicos y se evalúa su grado de vinculación con el aprovechamiento resinero con objeto de valorar su funcionalidad y aproximar una valoración económica de modo que sea posible apreciar la importancia económica de los mismos. Para concluir, podemos resaltar que son necesarios más trabajos de carácter científico para avanzar en la comprensión de los procesos anatómicos y fisiológicos que regulan la secreción de resina en P. pinaster y sus interacciones con el medio. Esto permitiría avances certeros hacia el desarrollo de métodos de extracción más eficaces, una selvicultura óptima, el reconocimiento de los beneficios socio-ecológicos y económicos del aprovechamiento y, de manera general, una bibliografía amplia y fiable para la consulta y desarrollo de futuras mejoras que posibiliten la reactivación y conservación de la resinación como aprovechamiento rentable. ABSTRACT Pinus pinaster Ait. is the most widespread conifer in Spain and is now the only species tapped for its oleoresin. External induction of resin secretion, based on the defense system of Pinus trees, has been performed by humans since Classical times through various methods. The socio-economic implication of this practice in Spain justifies a new approach to improve tapping methodology and understand the effects of this activity on the tree. In the last five years, sharp increases in the price of natural resins, accompanied by technological advances directed toward mechanization, have made resin tapping a strategic activity for rural development and forest conservation. The resin industry demands more efficient tapping methods and forest management plans as a way to increase competitiveness in a global market. In this way, this work focuses on the study of the defense system of P. pinaster, with the aim to understand the effects of anatomical and physiological characteristics and environmental conditions on resin yield. The relationships between anatomical variables -with special focus on resin canals-, dendrometric and dasometric variables, and resin yield will be evaluated (objective 1). The tapping wound effects (objective 2) and the intra- and inter-annual variability of climate conditions and soil water availability influence (objective 3) on resin yield will be also studied. The plant and soil material and the resin yield and climatic data used in this thesis have been collected in stands of three public forests of P. pinaster; Armuña, Melque de Cercos and Nieva, located in Segovia (Central Spain). Trees were tapped using two different methods: mechanized or traditional tool, in both upwards and downwards direction. Twenty-six tapped trees of contrasting resin yield classes and twelve non-tapped (control) trees, growing in two locations (Armuña y Melque de Cercos) with the same climate but different stand density and soil characteristics, were selected for studying the role of tree size, xylem anatomy at distal parts aside from the tapping wound (objective 1) and climate influence (objective 3) on resin yield. Concerning the tree defenses induced by the tapping wound (objective 2), the xylem of eight trees, tapped with the two described methods in both upwards and downwards direction, were analyzed. From each tapped tree, eight cores were collected at different locations and varying distances from the tapping wound. In each core, a histological analysis was made. Growth ring width, earlywood and latewood width, and axial canal frequency, area, mean size and location were measured. The effect of the tapping method on resin yield was assessed in 561 P. pinaster tapped trees in a stand in Nieva. In tissues not affected by the tapping wound, the frequency of radial resin canals and the total volume of resin canals were related to resin yield. The frequency of radial canals and the resin yield were strongly related to tree diameter and percentage of live crown. High area of axial resin canals per mm2 was related to high yielding trees, but only in the location with higher plant density and poorer soil quality. In tapped trees, an increase in axial canal frequency and area was found during the three years following the start of tapping activity, suggesting that canal formation is a systemic induced response to wounding. The highest mean annual resin yield was found using the traditional tool in upwards direction, which also induced the highest increase in axial canal frequency and area. The lowest yield was found for mechanized tapping, which showed no differences between the upwards and downwards directions. The strongest induction of systemic induced responses in terms of resin canal frequency and area was detected one year after tapping for upwards tapping. This suggests the involvement of signaling processes that spread mainly upwards, and the importance of adaptive processes as a defense against periodic insect attacks. Intra-annual variation in resin yield was strongly correlated with temperature, solar radiation, potential evapotranspiration and soil water deficit. Inter-annual variation in resin yield and resin canal abundance were correlated with temperature and water deficit in spring, but above a certain threshold of cumulated water deficit in summer rainfall favored resin yield. Under adverse climate scenarios where resource optimization is desirable, a reduced tapping season during the warmest months (June–September) would be advisable, assuming a very small production loss relative to traditional tapping season. Similarly, in years with a rainy summer and/or dry spring, a slightly longer tapping season could be suggested, as resin yield increases after these events. Tree diameter and percentage of live crown, and radial resin canal frequency could be useful criteria for estimating resin yields in P. pinaster. Vigorous trees in lower density stands and growing up in good quality soils will be the most productive. These conclusions could be applied to improve tapping management and breeding programs. These works are complemented with socio-ecological characterization, the identification of the main ecosystem services and an assessment of the possible economic impact derived from the tapping practice. To conclude, more scientific studies are necessary for understanding the anatomical and physiological processes behind resin synthesis and their interactions with the environment. This would afford further progresses towards an extensive and reliable bibliography and improved tapping methods and optimal selvicultural guide lines.