Caracterización de suelos agrícolas de Brasil con un espectrofotómetro VERIS VIS-NIR

La distribución de nutrientes del suelo presenta una gran variabilidad. Algunos estudios indican la interdependencia entre atributos físico-químicos, concluyendo que se necesitan muestreos densos para caracterizar eficientemente la distribución espacial. Para la realización de este trabajo experimental se han empleado datos tanto espectrales, obtenidos con el espectrofotómetro Veris Vis-NIR, como de referencia, mediante análisis de laboratorio, correspondientes a 341 muestras de suelo de 41 ha. Para ambos tipos de datos se ha realizado un análisis de componentes principales (PCA), y un análisis de Conglomerados (Clúster). En las variables de referencia se escogieron aquellos atributos con mayor coeficiente de variación: arcilla, potasio, fósforo, calcio, magnesio, materia orgánica y capacidad de intercambio catiónica efectiva. El objetivo principal es establecer las necesidades mínimas de muestreo comparando los resultados obtenidos con plantillas cartesianas de distinta resolución, y determinar la relación existente entre la cantidad de nutrientes y la reflectancia espectral Vis-NIR.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.

Evaluating sustainability and food security of peasant farming systems in Mesoamerican highlands

En las últimas décadas, la agricultura sostenible ha sido objeto de gran interés y debate académico, no sólo en términos conceptuales, sino también en términos metodológicos. La persistencia de la inseguridad alimentaria y el deterioro de los recursos naturales en muchas regiones del mundo, ha provocado el surgimiento de numerosas iniciativas centradas en revitalizar la agricultura campesina así como renovadas discusiones sobre el rol que juega la agricultura como motor de desarrollo y principal actividad para alivio de la pobreza. Por ello, cuando hablamos de evaluar sistemas campesinos de montaña, debemos considerar tanto la dimensión alimentaria como las especificidades propias de los sistemas montañosos como base fundamental de la sostenibilidad. Al evaluar la contribución que han hecho alternativas tecnológicas y de manejo en la mejora de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de los sistemas campesinos de montaña en Mesoamérica, surgen tres preguntas de investigación: • ¿Se está evaluando la sostenibilidad de los sistemas campesinos teniendo en cuenta la variabilidad climática, la participación de los agricultores y las dinámicas temporales? • ¿Podemos rescatar tendencias comunes en estos sistemas y extrapolar los resultados a otras zonas? • ¿Son inequívocamente positivas las alternativas propuestas que se han llevado a cabo? En este trabajo se presentan tres evaluaciones de sostenibilidad que tratan de poner de manifiesto cuáles son los retos y oportunidades que enfrentan actualmente los sistemas campesinos de montaña. En primer lugar, se evalúan tres sistemas de manejo agrícola bajo dos años meteorológicamente contrastantes. Se determinó que durante el año que experimentó lluvias abundantes y temperaturas moderadas, los sistemas de bajos insumos, basados en el uso de abonos orgánicos y rotación de cultivos, obtuvieron los mejores resultados en indicadores ecológicos y similares resultados en los económicos y sociales que el sistema de altos insumos químicos. En el segundo año, con heladas tempranas y sequía invernal, la productividad se redujo para todos los sistemas pero los sistemas más diversificados (en variedades de maíz y/o siembra de otros cultivos) pudieron resistir mejor los contratiempos climáticos. En segundo lugar, se evalúa el grado de conocimiento (percepción) campesino para determinar los factores claves que determinan la sostenibilidad de sus sistemas y su seguridad alimentaria. Se determinó que los principales puntos críticos identificados por los campesinos (tamaño de parcela y pendiente del terreno) afectan de forma significativa a cuestiones de índole económica, pero no son capaces de explicar los desequilibrios alimenticios existentes. Realizando un análisis comparativo entre comunidades que presentaban buenos y malos resultados en cuanto a aporte energético y proteico, se determinó que la seguridad alimentaria estaba relacionada con la sostenibilidad de los sistemas y que concretamente estaba ligada a los atributos de equidad y autonomía. Otro resultado destacable fue que las comunidades más marginales y con mayor dificultad de acceso mostraron mayores niveles de inseguridad alimentaria, pero la variabilidad intergrupal fue muy alta. Eso demuestra que la seguridad alimentaria y nutricional forma parte de un complejo sistema de estrategias de autoabastecimiento ligada a la idiosincrasia misma de cada uno de los hogares. En tercer lugar, se evaluó el desempeño de las escuelas de campo de agricultores (ECAs) en la mejora de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de un sistema campesino de montaña. Para ver el efecto del impacto de estas metodologías a largo plazo, se estudiaron tres comunidades donde se habían implementado ECAs hace 8, 5 y 3 años. Encontramos que el impacto fue progresivo ya que fue la comunidad más antigua la que mejores valores obtuvo. El impacto de las ECAs fue rápido y persistente en los indicadores relacionados con la participación, el acceso a servicios básicos y la conservación de los recursos naturales. El estudio demostró un claro potencial de las ECAs en la mejora general de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de estos sistemas, sin embargo se observó una relación directa entre el aumento de producción agrícola y el uso de insumos externos, lo que puede suponer un punto crítico para los ideales sostenibles. ABSTRACT During the last decades, sustainable agriculture has been the subject of considerable academic interest and debate, not only in conceptual terms, but also in methodological ones. The persistence of high levels of environmental degradation and food insecurity in many regions has led to new initiatives focused on revitalizing peasant agriculture and renewed discussions of the role of sustainable agriculture as an engine for development, environmental conservation and poverty alleviation. Therefore, to assess mountain farming systems, we must consider food dimension and taking into account the specificities of the mountain systems as the foundation of sustainability. When evaluating contribution of technological and management alternative proposals in achieving sustainability and food security for peasant farming systems in Mesoamerican highlands, three research questions arise: • Is sustainability of peasant-farming systems being evaluated taking into account climate variability, participation of farmers and temporal dynamics? • Can we rescue common trends in these systems and extrapolate the results to other areas? • What alternative proposals that have been conducted are unequivocally positives? In this document, we present three evaluations of sustainability that try to highlight the challenges and opportunities that currently face mountain farming systems in Mesoamerica. First, we evaluate the sustainability of three agricultural management systems in two contrasting weather years. We determined that during the first year that exposed heavy rains and moderate temperatures, low-input systems, which are based on the use of organic fertilizers and crop rotation, provided better results in terms of ecological indicators and equal results in terms of economic and social indicators than those achieved using a high chemical input system. In the second year, which featured early frosts and a winter drought, productivity declined in all systems; however, the most diversified systems (in terms of the maize varieties grown and the sowing of other crops) more successfully resisted these climatic adversities. Second, we evaluate the farmers’ perception to determine the key drivers for achieving their sustainability and food and nutritional security. We determined that the key factors identified by farmers (landholding size and slope of cropland) exerted significant impacts on economic disparities but did not explain the malnutrition levels. We compared two contrasting hamlets according to their energy and protein supply, one namely Limón Timoté (LT), which did not present food problems and Limón Peña Blanca (LP), which did exhibit food insecurity. The results showed that FNS is linked to sustainability, and it is primarily related to the sustainability attributes of self-reliance and equity. Although the more marginated and inaccessible community exhibited more food insecurity, food and nutritional security depend upon a complex array of self-sufficiency strategies that remain linked to individual household idiosyncrasies. Third, we evaluated the impact of farmer field schools for improving the sustainability and food security of peasant mountain systems. In order to appreciate the long-term impact, we studied three communities where FFSs were implemented eight, five and three years ago, respectively. We found that FFSs have a gradual impact, as the community that first implemented FFSs scores highest. The impact of FFSs was broad and long-lasting for indicators related to participation, access to basic services and conservation of natural resources. This study demonstrates the potential of FFSs, but more attention will have to be paid to critical indicators in order to scale up their potential in the future. We observed a direct relationship between the increase in agricultural production and the use of external inputs, which is a critical point for sustainable ideals.

Ammonia and methane gas emissions from pig slurry: variability induced through feeding strategies

Esta Tesis doctoral fue desarrollada para estudiar las emisiones de amoniaco (NH3) y metano (CH4) en purines de cerdos, y los efectos ocasionados por cambios en la formulación de la dieta. Con este propósito, fueron llevados a cabo tres estudios. El experimento 1 fue realizado con el objetivo de analizar los factores de variación de la composición de purines y establecer ecuaciones de predicción para emisiones potenciales de NH3 y CH4. Fueron recogidas setenta y nueve muestras de piensos y purines durante dos estaciones del año (verano y invierno) de granjas comerciales situadas en dos regiones de España (Centro y Mediterráneo). Se muestrearon granjas de gestación, maternidad, lactación y cebo. Se determinó la composición de piensos y purines, y la emisión potencial de NH3 y CH4. El contenido de nutrientes de los piensos fue usado como covariable en el análisis. La espectroscopia de reflectancia del infrarrojo cercano (NIRS) se evaluó como herramienta de predicción de la composición y potencial emisión de gases del purín. Se encontró una amplia variabilidad en la composición de piensos y purines. Las granjas del Mediterráneo tenían mayor pH (P<0,001) y concentración de cenizas (P =0,02) en el purín que las del Centro. El tipo de granja también afectó al contenido de extracto etéreo (EE) del purín (P =0,02), observando los valores más elevados en las instalaciones de animales jóvenes. Los resultados sugieren un efecto tampón de la fibra de la dieta en el pH del purín y una relación directa (P<0,05) con el contenido de fibra fecal. El contenido de proteína del pienso no afectó al contenido de nitrógeno del purín, pero disminuyó (P=0,003) la concentración de sólidos totales (ST) y de sólidos volátiles (SV). Se obtuvieron modelos de predicción de la emisión potencial de NH3 (R2=0,89) y CH4 (R2=0,61) partir de la composición del purín. Los espectros NIRS mostraron una buena precisión para la estimación de la mayor parte de los constituyentes, con coeficientes de determinación de validación cruzada (R2cv) superiores a 0,90, así como para la predicción del potencial de emisiones de NH3 y CH4 (R2cv=0,84 y 0,68, respectivamente). El experimento 2 fue realizado para investigar los efectos del nivel de inclusión de dos fuentes de sub-productos fibrosos: pulpa de naranja (PN) y pulpa de algarroba (PA), en dietas iso-fibrosas de cerdos de cebo, sobre la composición del purín y las emisiones potenciales de NH3 y CH4. Treinta cerdos (85,4±12,3 kg) fueron alimentados con cinco dietas iso-nutritivas: control comercial trigo/cebada (C) y cuatro dietas experimentales incluyendo las dos fuentes de sub-productos a dos niveles (75 y 150 g/kg) en una estructura 2 × 2 factorial. Después de 14 días de periodo de adaptación, heces y orina fueron recogidas separadamente durante 7 días para medir la digestibilidad de los nutrientes y el nitrógeno (N) excretado (6 réplicas por dieta) en cerdos alojados individualmente en jaulas metabólicas. Las emisiones de NH3 y CH4 fueron medidas después de la recogida de los purínes durante 11 y 100 días respectivamente. La fuente y el nivel de subproductos fibrosos afectó a la eficiencia digestiva de diferentes formas, ya que los coeficientes de digestibilidad total aparente (CDTA) para la materia seca (MS), materia orgánica (MO), fracciones fibrosas y energía bruta (EB) aumentaron con la PN pero disminuyeron con la inclusión de PA (P<0,05). El CDTA de proteína bruta (PB) disminuyó con la inclusión de las dos fuentes de fibra, siendo más bajo al mayor nivel de inclusión. La concentración fecal de fracciones fibrosas aumentó (P<0,05) con el nivel de inclusión de PA pero disminuyó con el de PN (P<0,01). El nivel más alto de las dos fuentes de fibra en el pienso aumentó (P<0,02) el contenido de PB fecal pero disminuyó el contenido de N de la orina (de 205 para 168 g/kg MS, P<0,05) en todas las dietas suplementadas comparadas con la dieta C. Adicionalmente, las proporciones de nitrógeno indigerido, nitrógeno soluble en agua, nitrógeno bacteriano y endógeno excretado en heces no fueron afectados por los tratamientos. Las características iniciales del purín no difirieron entre las diferentes fuentes y niveles de fibra, excepto para el pH que disminuyó con la inclusión de altos niveles de sub-productos. La emisión de NH3 por kg de purín fue más baja en todas las dietas suplementadas con fibras que en la dieta C (2,44 vs.1,81g de promedio, P<0,05). Además, purines de dietas suplementadas con alto nivel de sub-productos tendieron (P<0,06) a emitir menos NH3 por kg de nitrógeno total y mostraron un potencial más bajo para emitir CH4, independientemente de la fuente de fibra. El experimento 3 investigó los efectos de la fuente de proteína en dietas prácticas. Tres piensos experimentales fueron diseñados para sustituir una mescla de harina y cascarilla de soja (SOJ) por harina de girasol (GIR) o por DDGS del trigo (DDGST). La proporción de otros ingredientes fue modificada para mantener los contenidos de nutrientes similares a través de las dietas. El cambio en la fuente de proteína dio lugar a diferencias en el contenido de fibra neutro detergente ligada a proteína bruta (FNDPB), fibra soluble (FS) y lignina ácido detergente (LAD) en la dieta. Veinticuatro cerdos (ocho por dieta), con 52,3 o 60,8 kg en la primera y segunda tanda respectivamente, fueron alojados individualmente en jaulas metabólicas. Durante un periodo de 7 días fue determinado el balance de MS, el CDTA de los nutrientes y la composición de heces y orina. Se realizó el mismo procedimiento del experimento 2 para medir las emisiones de NH3 y CH4 de los purines de cada animal. Ni la ingestión de MS ni el CDTA de la MS o de la energía fueron diferentes entre las dietas experimentales, pero el tipo de pienso afectó (P<0.001) la digestibilidad de la PB, que fue mayor para GIR (0,846) que para SOJ (0,775), mientras que la dieta DDGST mostró un valor intermedio (0,794). La concentración fecal de PB fue por tanto influenciada (P<0,001) por el tratamiento, observándose la menor concentración de PB en la dieta GIR y la mayor en la dieta SOJ. La proporción de N excretado en orina o heces disminuyó de 1,63 en la dieta GIR hasta 0,650 en la dieta SOJ, como consecuencia de perdidas más bajas en orina y más altas en heces, con todas las fracciones de nitrógeno fecales creciendo en paralelo a la excreción total. Este resultado fue paralelo a una disminución de la emisión potencial de NH3 (g/kg purín) en la dieta SOJ con respecto a la dieta GIR (desde 1,82 a 1,12, P<0,05), dando valores intermedios (1,58) para los purines de la dieta DDGST. Por otro lado, el CDTA de la FS y de la fibra neutro detergente (FND) fueron afectados (P<0,001 y 0,002, respectivamente) por el tipo de dieta, siendo más bajas en la dieta GIR que en la dieta SOJ; además, se observó un contenido más alto de FND (491 vs. 361g/kg) en la MS fecal para la dieta GIR que en la dieta SOJ, presentando la dieta DDGST valores intermedios. El grado de lignificación de la FND (FAD/FND x 100) de las heces disminuyó en el orden GIR>DDGST>SOJ (desde 0,171 hasta 0,109 y 0,086, respectivamente) en paralelo a la disminución del potencial de emisión de CH4 por g de SV del purín (desde 301 a 269 y 256 mL, respectivamente). Todos los purines obtenidos en estos tres experimentos y Antezana et al. (2015) fueron usados para desarrollar nuevas calibraciones con la tecnología NIRS, para predecir la composición del purín y el potencial de las emisiones de gases. Se observó una buena precisión (R2cv superior a 0,92) de las calibraciones cuando muestras de los ensayos controlados (2, 3 y Antezana et al., 2015) fueron añadidas, aumentando el rango de variación. Una menor exactitud fue observada para TAN y emisiones de NH3 y CH4, lo que podría explicarse por una menor homogeneidad en la distribución de las muestras cuando se amplía el rango de variación del estudio. ABSTRACT This PhD thesis was developed to study the emissions of ammonia (NH3) and methane (CH4) from pig slurry and the effects caused by changes on diet formulation. For these proposes three studies were conducted. Experiment 1 aimed to analyse several factors of variation of slurry composition and to establish prediction equations for potential CH4 and NH3 emissions. Seventy-nine feed and slurry samples were collected at two seasons (summer and winter) from commercial pig farms sited at two Spanish regions (Centre and Mediterranean). Nursery, growing-fattening, gestating and lactating facilities were sampled. Feed and slurry composition were determined, and potential CH4 and NH3 emissions measured. Feed nutrient contents were used as covariates in the analysis. Near infrared reflectance spectroscopy (NIRS) was evaluated as a predicting tool for slurry composition and potential gaseous emissions. A wide variability was found both in feed and slurry composition. Mediterranean farms had a higher pH (P<0.001) and ash (P=0.02) concentration than those located at the centre of Spain. Also, type of farm affected ether extract (EE) content of the slurry (P=0.02), with highest values obtained for the youngest animal facilities. Results suggested a buffer effect of dietary fibre on slurry pH and a direct relationship (P<0.05) with fibre constituents of manure. Dietary protein content did not affect slurry nitrogen content (N) but decreased (P=0.003) in total solid (TS) and volatile solids (VS) concentration. Prediction models of potential NH3 emissions (R2=0.89) and biochemical CH4 potential (B0) (R2=0.61) were obtained from slurry composition. Predictions from NIRS showed a high accuracy for most slurry constituents with coefficient of determination of cross validation (R2cv) above 0.90 and a similar accuracy of prediction of potential NH3 and CH4 emissions (R2cv=0.84 and 0.68, respectively) thus models based on slurry composition from commercial farms. Experiment 2 was conducted to investigate the effects of increasing the level of two sources of fibrous by-products, orange pulp (OP) and carob meal (CM), in iso-fibrous diets for growing-finishing pig, slurry composition and potential NH3 and CH4 emissions. Thirty pigs (85.4±12.3 kg) were fed five iso-nutritive diets: a commercial control wheat/barley (C) and four experimental diets including two sources of fibrous by-products OP and CM and two dietary levels (75 and 150 g/kg) in a 2 × 2 factorial arrangement. After a 14-day adaptation period, faeces and urine were collected separately for 7 days to measure nutrient digestibility and the excretory patterns of N from pigs (6 replicates per diet) housed individually in metabolic pens. For each animal, the derived NH3 and CH4 emissions were measured in samples of slurry over an 11 and 100-day storage periods, respectively. Source and level of the fibrous by-products affected digestion efficiency in a different way as the coefficients of total tract apparent digestibility (CTTAD) for dry matter (DM), organic matter (OM), fibre fractions and gross energy (GE) increased with OP but decreased with CM (P<0.05). Crude protein CTTAD decreased with the inclusion of both sources of fibre, being lower at the highest dietary level. Faecal concentration of fibre fractions increased (P<0.05) with the level of inclusion of CM but decreased with that of OP (P<0.01). High dietary level for both sources of fibre increased (P<0.02) CP faecal content but urine N content decreased (from 205 to 168 g/kg DM, P<0.05) in all the fibre-supplemented compared to C diet. Additionally, the proportions of undigested dietary, water soluble, and bacterial and endogenous debris of faecal N excretion were not affected by treatments. The initial slurry characteristics did not differ among different fibre sources and dietary levels, except pH, which decreased at the highest by-product inclusion levels. Ammonia emission per kg of slurry was lower in all the fibre-supplemented diets than in C diet (2.44 vs. 1.81g as average, P<0.05). Additionally, slurries from the highest dietary level of by-products tended (P<0.06) to emit less NH3 per kg of initial total Kjeldahl nitrogen (TKN) and showed a lower biochemical CH4 potential , independently of the fibre source. Experiment 3 investigated the effects of protein source in practical diets. Three experimental feeds were designed to substitute a mixture of soybean meal and soybean hulls (SB diet) with sunflower meal (SFM) or wheat DDGS (WDDGS). The proportion of other ingredients was also modified in order to maintain similar nutrient contents across diets. Changes in protein source led to differences in dietary content of neutral detergent insoluble crude protein (NDICP), soluble fibre (SF) and acid detergent lignin (ADL). Twenty-four pigs (eight per diet), weighing 52.3 or 60.8 kg at the first and second batch respectively, were housed individually in metabolic pens to determine during a 7-day period DM balance, CTTAD of nutrients, and faecal and urine composition. Representative slurry samples from each animal were used to measure NH3 and CH4 emissions over an 11 and or 100-day storage period, respectively. Neither DM intake, nor DM or energy CTTAD differed among experimental diets, but type of feed affected (P<0.001) CP digestibility, which was highest for SFM (0.846) than for SB (0.775) diet, with WDDGS-based diet giving an intermediate value (0.794). Faecal DM composition was influenced (P<0.001) accordingly, with the lowest CP concentration found for diet SFM and the highest for SB. The ratio of N excreted in urine or faeces decreased from SFM (1.63) to SB diet (0.650), as a consequence of both lower urine and higher faecal losses, with all the faecal N fractions increasing in parallel to total excretion. This result was parallel to a decrease of potential NH3 emission (g/kg slurry) in diet SB with respect to diet SFM (from 1.82 to 1.12, P<0.05), giving slurry from WDDGS-based diet an intermediate value (1.58). Otherwise, SF and insoluble neutral detergent fibre (NDF) CTTAD were affected (P<0.001 and P=0.002, respectively) by type of diet, being lower for SFM than in SB-diet; besides, a higher content of NDF (491 vs. 361 g/kg) in faecal DM was observed for SFM with respect to SB based diet, with WDDGS diet being intermediate. Degree of lignification of NDF (ADL/NDF x 100) of faeces decreased in the order SFM>WDDGS>SB (from 0.171 to 0.109 and 0.086, respectively) in parallel to a decrease of biochemical CH4 potential per g of VS of slurry (from 301 to 269 and 256 ml, respectively). All slurry samples obtained from these three experiments and Antezana et al. (2015) were used to develop new calibrations with NIRS technology, to predict the slurry composition and potential gaseous emissions of samples with greater variability in comparison to experiment 1. Better accuracy (R2cv above 0.92) was observed for calibrations when samples from controlled trials experiments (2, 3 and Antezana et al., 2015) were included, increasing the range of variation. A lower accuracy was observed for TAN, NH3 and CH4 gaseous emissions, which might be explained by the less homogeneous distribution with a wider range of data.

Natural regeneration in mediterranean mixed forests: effect of environmental conditions on the physiological optimum niche of the species = Regeneración natural en masas mixtas mediterráneas: efecto de las condiciones ambientales en el nicho óptimo fisiológico de las especies

Los montes Mediterráneos han experimentado múltiples cambios en las últimas décadas (tanto en clima como en usos), lo que ha conducido a variaciones en la distribución de especies. El aumento previsto de las temperaturas medias junto con la mayor variabilidad intra e inter anual en cuanto a la ocurrencia de eventos extremos o disturbios naturales (como periodos prolongados de sequía, olas de frío o calor, incendios forestales o vendavales) pueden dañar significativamente al regenerado, llevándolo hasta la muerte, y jugando un papel decisivo en la composición de especies y en la dinámica del monte. La amplitud ecológica de muchas especies forestales puede verse afectada, de forma que se esperan cambios en sus nichos actuales de regeneración. Sin embargo, la migración latitudinal de las especies en busca de mejores condiciones, podría ser una explicación demasiado simplista de un proceso mucho más complejo de interacción entre la temperatura y la precipitación, que afectaría a cada especie de un modo distinto. En este sentido tanto la capacidad de adaptación al estrés ambiental de una determinada especie, así como su habilidad para competir por los recursos limitados, podría significar variaciones dentro de una comunidad. Las características fisiológicas y morfológicas propias de cada especie se encuentran fuertemente relacionadas con el lugar donde cada una puede surgir, qué especies pueden convivir y como éstas responden a las condiciones ambientales. En este sentido, el conocimiento sobre las distintas respuestas ecofisiológicas observadas ante cambios ambientales puede ser fundamentales para la predicción de variaciones en la distribución de especies, composición de la comunidad y productividad del monte ante el cambio global. En esta tesis investigamos el grado de tolerancia y sensibilidad que cada una de las tres especies de estudio, coexistentes en el interior peninsular ibérico (Pinus pinea, Quercus ilex y Juniperus oxycedrus), muestra ante los factores abióticos de estrés típicos de la región Mediterránea. Nuestro trabajo se ha basado en la definición del nicho óptimo fisiológico para el regenerado de cada especie a través de la investigación en profundidad del efecto de la sequía, la temperatura y el ambiente lumínico. Para ello, hemos desarrollado un modelo de predicción de la tasa de asimilación de carbono que nos ha permitido identificar las condiciones óptimas ambientales donde el regenerado de cada especie podría establecerse con mayor facilidad. En apoyo a este trabajo y con la idea de estudiar el efecto de la sequía a nivel de toda la planta hemos desarrollado un experimento paralelo en invernadero. Aquí se han aplicado dos regímenes hídricos para estudiar las características fisiológicas y morfológicas de cada especie, sobre todo a nivel de raíz y crecimiento del tallo, y relacionarlas con las diferentes estrategias en el uso del agua de las especies. Por último, hemos estudiado los patrones de aclimatación y desaclimatación al frio de cada especie, identificando los periodos de sensibilidad a heladas, así como cuellos de botella donde la competencia entre especies podría surgir. A pesar de que el pino piñonero ha sido la especie objeto de la gestión de estas masas durante siglos, actualmente se encuentra en la posición más desfavorable para combatir el cambio global, presentado el nicho fisiológico más estrecho de las tres especies. La encina sin embargo, ha resultado ser la especie mejor cualificada para afrontar este cambio, seguida muy de cerca por el enebro. Nuestros resultados sugieren una posible expansión en el rango de distribución de la encina, un aumento en la presencia del enebro y una disminución progresiva del pino piñonero a medio plazo en estas masas. ABSTRACT Mediterranean forests have undergone multiple changes over the last decades (in both climate and land use), which have lead to variations in the distribution of species. The expected increase in mean annual temperature together with the greater inter and intra-annual variability in extreme events and disturbances occurrence (such as prolonged drought periods, cold or heat waves, wildfires or strong winds) can significantly damage natural regeneration, up to causing death, playing a decisive role on species composition and forest dynamics. The ecological amplitude for adaptation of many species can be affected in such a way that changes in the current regeneration niches of many species are expected. However, the forecasted poleward migration of species seeking better conditions could be an oversimplification of what is a more complex phenomenon of interactions among temperature and precipitation, that would affect different species in different ways. In this regard, either the ability to adapt to environmental stresses or to compete for limited resources of a single species in a mixed forest could lead to variations within a community. The ecophysiological and morphological traits specific to each species are strongly related to the place where each species can emerge, which species can coexist, and how they respond to environmental conditions. In this regard, the understanding of the ecophysiological responses observed against changes in environmental conditions can be essential for predicting variations in species distribution, community composition, and forest productivity in the context of global change. In this thesis we investigated the degree of tolerance and sensitivity that each of the three studied species, co-occurring in central of the Iberian Peninsula (Pinus pinea, Quercus ilex and Juniperus oxycedrus), show against the typical abiotic stress factors in the Mediterranean region. Our work is based on the optimal physiological niche for regeneration of each species through in-depth research on the effect of drought, temperature and light environment. For this purpose, we developed a model to predict the carbon assimilation rate which allows us to identify the optimal environmental conditions where regeneration from each species could establish itself more easily. To obtain a better understanding about the effect of low temperature on regeneration, we studied the acclimation and deacclimation patterns to cold of each species, identifying period of frost sensitivity, as well as bottlenecks where competition between species can arise. Finally, to support our results about the effect of water availabilty, we conducted a greenhouse experiment with a view of studying the drought effect at the whole plant level. Here, two watering regimes were applied in order to study the physiological and morphological traits of each species, mainly at the level of the root system and stem growth, and so relate them to the different water use strategies of the species. Despite the fact that stone pine has been the target species for centuries, nowadays this species is in the most unfavorable position to cope with climate change. Holm oak, however, resulted the species that is best adapted to tolerate the predicted changes, followed closely by prickly juniper. Our results suggest a feasible expansion of the distribution range in holm oak, an increase in the prickly juniper presence and a progressive decreasing of stone pine presence in the medium term in these stone pine-holm oak-prickly juniper mixed forests.

Climate variability effects on field crops in Iberian Peninsula. Predictability

La presente Tesis constituye un avance en el conocimiento de los efectos de la variabilidad climática en los cultivos en la Península Ibérica (PI). Es bien conocido que la temperatura del océano, particularmente de la región tropical, es una de las variables más convenientes para ser utilizado como predictor climático. Los océanos son considerados como la principal fuente de almacenamiento de calor del planeta debido a la alta capacidad calorífica del agua. Cuando se libera esta energía, altera los regímenes globales de circulación atmosférica por mecanismos de teleconexión. Estos cambios en la circulación general de la atmósfera afectan a la temperatura, precipitación, humedad, viento, etc., a escala regional, los cuales afectan al crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos. Para el caso de Europa, esto implica que la variabilidad atmosférica en una región específica se asocia con la variabilidad de otras regiones adyacentes y/o remotas, como consecuencia Europa está siendo afectada por los patrones de circulaciones globales, que a su vez, se ven afectados por patrones oceánicos. El objetivo general de esta tesis es analizar la variabilidad del rendimiento de los cultivos y su relación con la variabilidad climática y teleconexiones, así como evaluar su predictibilidad. Además, esta Tesis tiene como objetivo establecer una metodología para estudiar la predictibilidad de las anomalías del rendimiento de los cultivos. El análisis se centra en trigo y maíz como referencia para otros cultivos de la PI, cultivos de invierno en secano y cultivos de verano en regadío respectivamente. Experimentos de simulación de cultivos utilizando una metodología en cadena de modelos (clima + cultivos) son diseñados para evaluar los impactos de los patrones de variabilidad climática en el rendimiento y su predictibilidad. La presente Tesis se estructura en dos partes: La primera se centra en el análisis de la variabilidad del clima y la segunda es una aplicación de predicción cuantitativa de cosechas. La primera parte está dividida en 3 capítulos y la segundo en un capitulo cubriendo los objetivos específicos del presente trabajo de investigación. Parte I. Análisis de variabilidad climática El primer capítulo muestra un análisis de la variabilidad del rendimiento potencial en una localidad como indicador bioclimático de las teleconexiones de El Niño con Europa, mostrando su importancia en la mejora de predictibilidad tanto en clima como en agricultura. Además, se presenta la metodología elegida para relacionar el rendimiento con las variables atmosféricas y oceánicas. El rendimiento de los cultivos es parcialmente determinado por la variabilidad climática atmosférica, que a su vez depende de los cambios en la temperatura de la superficie del mar (TSM). El Niño es el principal modo de variabilidad interanual de la TSM, y sus efectos se extienden en todo el mundo. Sin embargo, la predictibilidad de estos impactos es controversial, especialmente aquellos asociados con la variabilidad climática Europea, que se ha encontrado que es no estacionaria y no lineal. Este estudio mostró cómo el rendimiento potencial de los cultivos obtenidos a partir de datos de reanálisis y modelos de cultivos sirve como un índice alternativo y más eficaz de las teleconexiones de El Niño, ya que integra las no linealidades entre las variables climáticas en una única serie temporal. Las relaciones entre El Niño y las anomalías de rendimiento de los cultivos son más significativas que las contribuciones individuales de cada una de las variables atmosféricas utilizadas como entrada en el modelo de cultivo. Además, la no estacionariedad entre El Niño y la variabilidad climática europea se detectan con mayor claridad cuando se analiza la variabilidad de los rendimiento de los cultivos. La comprensión de esta relación permite una cierta predictibilidad hasta un año antes de la cosecha del cultivo. Esta predictibilidad no es constante, sino que depende tanto la modulación de la alta y baja frecuencia. En el segundo capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de verano en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de maíz en la PI para todo el siglo veinte, usando un modelo de cultivo calibrado en 5 localidades españolas y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento potencial. Este estudio evalúa el uso de datos de reanálisis para obtener series de rendimiento de cultivos que dependen solo del clima, y utilizar estos rendimientos para analizar la influencia de los patrones oceánicos y atmosféricos. Los resultados muestran una gran fiabilidad de los datos de reanálisis. La distribución espacial asociada a la primera componente principal de la variabilidad del rendimiento muestra un comportamiento similar en todos los lugares estudiados de la PI. Se observa una alta correlación lineal entre el índice de El Niño y el rendimiento, pero no es estacionaria en el tiempo. Sin embargo, la relación entre la temperatura del aire y el rendimiento se mantiene constante a lo largo del tiempo, siendo los meses de mayor influencia durante el período de llenado del grano. En cuanto a los patrones atmosféricos, el patrón Escandinavia presentó una influencia significativa en el rendimiento en PI. En el tercer capítulo se identifica los patrones oceánicos y atmosféricos de variabilidad climática que afectan a los cultivos de invierno en la PI. Además, se presentan hipótesis acerca del mecanismo eco-fisiológico a través del cual el cultivo responde. Este estudio se centra en el análisis de la variabilidad del rendimiento de trigo en secano del Noreste (NE) de la PI. La variabilidad climática es el principal motor de los cambios en el crecimiento, desarrollo y rendimiento de los cultivos, especialmente en los sistemas de producción en secano. En la PI, los rendimientos de trigo son fuertemente dependientes de la cantidad de precipitación estacional y la distribución temporal de las mismas durante el periodo de crecimiento del cultivo. La principal fuente de variabilidad interanual de la precipitación en la PI es la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), que se ha relacionado, en parte, con los cambios en la temperatura de la superficie del mar en el Pacífico Tropical (El Niño) y el Atlántico Tropical (TNA). La existencia de cierta predictibilidad nos ha animado a analizar la posible predicción de los rendimientos de trigo en la PI utilizando anomalías de TSM como predictor. Para ello, se ha utilizado un modelo de cultivo (calibrado en dos localidades del NE de la PI) y datos climáticos de reanálisis para obtener series temporales largas de rendimiento de trigo alcanzable y relacionar su variabilidad con anomalías de la TSM. Los resultados muestran que El Niño y la TNA influyen en el desarrollo y rendimiento del trigo en el NE de la PI, y estos impactos depende del estado concurrente de la NAO. Aunque la relación cultivo-TSM no es igual durante todo el periodo analizado, se puede explicar por un mecanismo eco-fisiológico estacionario. Durante la segunda mitad del siglo veinte, el calentamiento (enfriamiento) en la superficie del Atlántico tropical se asocia a una fase negativa (positiva) de la NAO, que ejerce una influencia positiva (negativa) en la temperatura mínima y precipitación durante el invierno y, por lo tanto, aumenta (disminuye) el rendimiento de trigo en la PI. En relación con El Niño, la correlación más alta se observó en el período 1981 -2001. En estas décadas, los altos (bajos) rendimientos se asocian con una transición El Niño - La Niña (La Niña - El Niño) o con eventos de El Niño (La Niña) que están finalizando. Para estos eventos, el patrón atmosférica asociada se asemeja a la NAO, que también influye directamente en la temperatura máxima y precipitación experimentadas por el cultivo durante la floración y llenado de grano. Los co- efectos de los dos patrones de teleconexión oceánicos ayudan a aumentar (disminuir) la precipitación y a disminuir (aumentar) la temperatura máxima en PI, por lo tanto el rendimiento de trigo aumenta (disminuye). Parte II. Predicción de cultivos. En el último capítulo se analiza los beneficios potenciales del uso de predicciones climáticas estacionales (por ejemplo de precipitación) en las predicciones de rendimientos de trigo y maíz, y explora métodos para aplicar dichos pronósticos climáticos en modelos de cultivo. Las predicciones climáticas estacionales tienen un gran potencial en las predicciones de cultivos, contribuyendo de esta manera a una mayor eficiencia de la gestión agrícola, seguridad alimentaria y de subsistencia. Los pronósticos climáticos se expresan en diferentes formas, sin embargo todos ellos son probabilísticos. Para ello, se evalúan y aplican dos métodos para desagregar las predicciones climáticas estacionales en datos diarios: 1) un generador climático estocástico condicionado (predictWTD) y 2) un simple re-muestreador basado en las probabilidades del pronóstico (FResampler1). Los dos métodos se evaluaron en un caso de estudio en el que se analizaron los impactos de tres escenarios de predicciones de precipitación estacional (predicción seco, medio y lluvioso) en el rendimiento de trigo en secano, sobre las necesidades de riego y rendimiento de maíz en la PI. Además, se estimó el margen bruto y los riesgos de la producción asociada con las predicciones de precipitación estacional extremas (seca y lluviosa). Los métodos predWTD y FResampler1 usados para desagregar los pronósticos de precipitación estacional en datos diarios, que serán usados como inputs en los modelos de cultivos, proporcionan una predicción comparable. Por lo tanto, ambos métodos parecen opciones factibles/viables para la vinculación de los pronósticos estacionales con modelos de simulación de cultivos para establecer predicciones de rendimiento o las necesidades de riego en el caso de maíz. El análisis del impacto en el margen bruto de los precios del grano de los dos cultivos (trigo y maíz) y el coste de riego (maíz) sugieren que la combinación de los precios de mercado previstos y la predicción climática estacional pueden ser una buena herramienta en la toma de decisiones de los agricultores, especialmente en predicciones secas y/o localidades con baja precipitación anual. Estos métodos permiten cuantificar los beneficios y riesgos de los agricultores ante una predicción climática estacional en la PI. Por lo tanto, seríamos capaces de establecer sistemas de alerta temprana y diseñar estrategias de adaptación del manejo del cultivo para aprovechar las condiciones favorables o reducir los efectos de condiciones adversas. La utilidad potencial de esta Tesis es la aplicación de las relaciones encontradas para predicción de cosechas de la próxima campaña agrícola. Una correcta predicción de los rendimientos podría ayudar a los agricultores a planear con antelación sus prácticas agronómicas y todos los demás aspectos relacionados con el manejo de los cultivos. Esta metodología se puede utilizar también para la predicción de las tendencias futuras de la variabilidad del rendimiento en la PI. Tanto los sectores públicos (mejora de la planificación agrícola) como privados (agricultores, compañías de seguros agrarios) pueden beneficiarse de esta mejora en la predicción de cosechas. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing of knowledge of the effects of climate variability on crops in the Iberian Peninsula (IP). It is well known that ocean temperature, particularly the tropical ocean, is one of the most convenient variables to be used as climate predictor. Oceans are considered as the principal heat storage of the planet due to the high heat capacity of water. When this energy is released, it alters the global atmospheric circulation regimes by teleconnection1 mechanisms. These changes in the general circulation of the atmosphere affect the regional temperature, precipitation, moisture, wind, etc., and those influence crop growth, development and yield. For the case of Europe, this implies that the atmospheric variability in a specific region is associated with the variability of others adjacent and/or remote regions as a consequence of Europe being affected by global circulations patterns which, in turn, are affected by oceanic patterns. The general objective of this Thesis is to analyze the variability of crop yields at climate time scales and its relation to the climate variability and teleconnections, as well as to evaluate their predictability. Moreover, this Thesis aims to establish a methodology to study the predictability of crop yield anomalies. The analysis focuses on wheat and maize as a reference crops for other field crops in the IP, for winter rainfed crops and summer irrigated crops respectively. Crop simulation experiments using a model chain methodology (climate + crop) are designed to evaluate the impacts of climate variability patterns on yield and its predictability. The present Thesis is structured in two parts. The first part is focused on the climate variability analyses, and the second part is an application of the quantitative crop forecasting for years that fulfill specific conditions identified in the first part. This Thesis is divided into 4 chapters, covering the specific objectives of the present research work. Part I. Climate variability analyses The first chapter shows an analysis of potential yield variability in one location, as a bioclimatic indicator of the El Niño teleconnections with Europe, putting forward its importance for improving predictability in both climate and agriculture. It also presents the chosen methodology to relate yield with atmospheric and oceanic variables. Crop yield is partially determined by atmospheric climate variability, which in turn depends on changes in the sea surface temperature (SST). El Niño is the leading mode of SST interannual variability, and its impacts extend worldwide. Nevertheless, the predictability of these impacts is controversial, especially those associated with European climate variability, which have been found to be non-stationary and non-linear. The study showed how potential2 crop yield obtained from reanalysis data and crop models serves as an alternative and more effective index of El Niño teleconnections because it integrates the nonlinearities between the climate variables in a unique time series. The relationships between El Niño and crop yield anomalies are more significant than the individual contributions of each of the atmospheric variables used as input in the crop model. Additionally, the non-stationarities between El Niño and European climate variability are more clearly detected when analyzing crop-yield variability. The understanding of this relationship allows for some predictability up to one year before the crop is harvested. This predictability is not constant, but depends on both high and low frequency modulation. The second chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting summer cropping systems in the IP. Moreover, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of maize yield variability in IP for the whole twenty century, using a calibrated crop model at five contrasting Spanish locations and reanalyses climate datasets to obtain long time series of potential yield. The study tests the use of reanalysis data for obtaining only climate dependent time series of simulated crop yield for the whole region, and to use these yield to analyze the influences of oceanic and atmospheric patterns. The results show a good reliability of reanalysis data. The spatial distribution of the leading principal component of yield variability shows a similar behaviour over all the studied locations in the IP. The strong linear correlation between El Niño index and yield is remarkable, being this relation non-stationary on time, although the air temperature-yield relationship remains on time, being the highest influences during grain filling period. Regarding atmospheric patterns, the summer Scandinavian pattern has significant influence on yield in IP. The third chapter identifies the oceanic and atmospheric patterns of climate variability affecting winter cropping systems in the IP. Also, hypotheses about the eco-physiological mechanism behind crop response are presented. It is focused on an analysis of rainfed wheat yield variability in IP. Climate variability is the main driver of changes in crop growth, development and yield, especially for rainfed production systems. In IP, wheat yields are strongly dependent on seasonal rainfall amount and temporal distribution of rainfall during the growing season. The major source of precipitation interannual variability in IP is the North Atlantic Oscillation (NAO) which has been related in part with changes in the Tropical Pacific (El Niño) and Atlantic (TNA) sea surface temperature (SST). The existence of some predictability has encouraged us to analyze the possible predictability of the wheat yield in the IP using SSTs anomalies as predictor. For this purpose, a crop model with a site specific calibration for the Northeast of IP and reanalysis climate datasets have been used to obtain long time series of attainable wheat yield and relate their variability with SST anomalies. The results show that El Niño and TNA influence rainfed wheat development and yield in IP and these impacts depend on the concurrent state of the NAO. Although crop-SST relationships do not equally hold on during the whole analyzed period, they can be explained by an understood and stationary ecophysiological mechanism. During the second half of the twenty century, the positive (negative) TNA index is associated to a negative (positive) phase of NAO, which exerts a positive (negative) influence on minimum temperatures (Tmin) and precipitation (Prec) during winter and, thus, yield increases (decreases) in IP. In relation to El Niño, the highest correlation takes place in the period 1981-2001. For these decades, high (low) yields are associated with an El Niño to La Niña (La Niña to El Niño) transitions or to El Niño events finishing. For these events, the regional associated atmospheric pattern resembles the NAO, which also influences directly on the maximum temperatures (Tmax) and precipitation experienced by the crop during flowering and grain filling. The co-effects of the two teleconnection patterns help to increase (decrease) the rainfall and decrease (increase) Tmax in IP, thus on increase (decrease) wheat yield. Part II. Crop forecasting The last chapter analyses the potential benefits for wheat and maize yields prediction from using seasonal climate forecasts (precipitation), and explores methods to apply such a climate forecast to crop models. Seasonal climate prediction has significant potential to contribute to the efficiency of agricultural management, and to food and livelihood security. Climate forecasts come in different forms, but probabilistic. For this purpose, two methods were evaluated and applied for disaggregating seasonal climate forecast into daily weather realizations: 1) a conditioned stochastic weather generator (predictWTD) and 2) a simple forecast probability resampler (FResampler1). The two methods were evaluated in a case study where the impacts of three scenarios of seasonal rainfall forecasts on rainfed wheat yield, on irrigation requirements and yields of maize in IP were analyzed. In addition, we estimated the economic margins and production risks associated with extreme scenarios of seasonal rainfall forecasts (dry and wet). The predWTD and FResampler1 methods used for disaggregating seasonal rainfall forecast into daily data needed by the crop simulation models provided comparable predictability. Therefore both methods seem feasible options for linking seasonal forecasts with crop simulation models for establishing yield forecasts or irrigation water requirements. The analysis of the impact on gross margin of grain prices for both crops and maize irrigation costs suggests the combination of market prices expected and the seasonal climate forecast can be a good tool in farmer’s decision-making, especially on dry forecast and/or in locations with low annual precipitation. These methodologies would allow quantifying the benefits and risks of a seasonal weather forecast to farmers in IP. Therefore, we would be able to establish early warning systems and to design crop management adaptation strategies that take advantage of favorable conditions or reduce the effect of adverse conditions. The potential usefulness of this Thesis is to apply the relationships found to crop forecasting on the next cropping season, suggesting opportunity time windows for the prediction. The methodology can be used as well for the prediction of future trends of IP yield variability. Both public (improvement of agricultural planning) and private (decision support to farmers, insurance companies) sectors may benefit from such an improvement of crop forecasting.

Metodología de integración de actividades de adaptación al cambio climático en proyectos de desarrollo rural

Hoy en día, ya no se puede pasar por alto la necesidad de una agricultura climáticamente más inteligente para los 500 millones de pequeños agricultores del mundo (Wheeler, 2013). Estos representan aproximadamente el 60 % de la agricultura mundial y proporcionan hasta el 80 % de los alimentos en los países en vías de desarrollo, los pequeños agricultores gestionan vastas extensiones de tierra y lamentablemente incluyen los grupos con mayor proporción de personas en estado de inseguridad alimentaria. El cambio climático está transformando el contexto para la agricultura en pequeña escala. Durante siglos, los pequeños agricultores desarrollaron la capacidad de adaptarse a los cambios ambientales y la variabilidad del clima, pero la velocidad y la intensidad del cambio climático está superando su capacidad de respuesta. Si no se cambia la manera que tenemos de lidiar con el cambio climático, tanto en acciones locales como globales, es muy probable que las personas rurales de entornos vulnerables tengan que adaptarse a un calentamiento global promedio de 4 °C por encima de los niveles preindustriales para el año 2100. Esta alza de las temperaturas aumentará aún más la incertidumbre y provocará desastres naturales como las sequías, la erosión del suelo, la pérdida de biodiversidad y la escasez agua sean mucho más frecuentes. Uno de los factores más importantes para los pequeños agricultores es que ya no pueden depender de los promedios históricos, por lo que es más difícil para ellos para planificar y gestionar la producción debido a los cambios en los patrones climáticos. Algunos de los principales cultivos de cereales (trigo, arroz, maíz, etc.) han alcanzado su umbral de tolerancia al calor y un aumento de la temperatura en torno a 1,5-2 °C podría ser muy perjudicial. Estos efectos a corto plazo podrían ser agravados por otros a medio y largo plazo, los que se refieren al impacto socioeconómico en términos de oportunidades y estabilidad política. El cambio climático está haciendo que el desarrollo de la pequeña agricultura resulte mucho más caro. A nivel de proyectos, los programas resistentes al clima tienen, normalmente, unos costos iniciales más altos, tanto de diseño como de implementación. Por ejemplo, es necesario incluir gastos adicionales en infraestructura, operación y mantenimiento; desarrollo de nuevas capacidades y el intercambio de conocimientos en torno al cambio climático. También se necesita mayor inversión para fortalecer las instituciones frente a los nuevos retos que propone el cambio climático, o generar información que pueda ser de escala reducida y con enfoques que beneficien a la comunidad, el cambio climático es global pero los efectos son locales. Es, por tanto, el momento de redefinir la relación entre agricultura y medio ambiente, ya que se hace cada vez más necesario buscar mejores y más eficientes maneras para responder al cambio climático. Es importante señalar que la respuesta al cambio climático no significa reinventar todo lo que se ha aprendido sobre el desarrollo, significa aplicar un esfuerzo renovado para hacer frente a los cambios en el trabajo de cooperación al desarrollo de una manera más sistemática y más amplia. Una respuesta coherente al cambio climático requiere que la comunidad internacional reconozca la necesidad de aumentar el apoyo financiero para la adaptación así como un mayor énfasis en proporcionar soluciones diseñadas para aumentar la resiliencia1 de los pequeños agricultores a las crisis relacionadas con el clima. Con el fin de responder a algunos de los desafíos mencionados anteriormente, esta investigación pretende contribuir a fortalecer las capacidades de los pequeños productores, aquellos que actualmente están la primera línea frente a los desafíos del cambio climático, promoviendo un desarrollo que tenga un impacto positivo en sus medios de vida. La tesis se compone de cuatro capítulos. El primero define y analiza el marco teórico de las interacciones entre el cambio climático y el impacto en los proyectos de desarrollo rural, especialmente los que tienen por objetivo mejorar la seguridad alimentaria de los pequeños productores. En ese mismo capítulo, se presenta una revisión global de la financiación climática, incluyendo la necesidad de asignar suficientes recursos para la adaptación. Con el fin de lograr una mayor eficacia e impacto en los proyectos de desarrollo, la investigación desarrolla una metodología para integrar actividades de adaptación al cambio climático, presentada en el segundo capítulo. Esta metodología fue implementada y validada durante el periodo 2012-14, trabajando directamente con diferentes equipos gubernamentales en diez proyectos del Fondo Internacional de Desarrollo Agrícola ). El tercero presenta, de manera detallada, la aplicación de la metodología a los estudios de caso de Bolivia y Nicaragua, así como un resumen de las principales conclusiones en la aplicación de los ocho países restantes. Finalmente, en el último capítulo se presentan las conclusiones y un esbozo de futuras líneas de investigación. Actualmente, el tema de la sostenibilidad ambiental y el cambio climático está ganando terreno en la agenda de desarrollo. Es por ello que se alumbra esta investigación, para que a través de los resultados obtenidos y la implementación de la metodología propuesta, sirva como herramienta estratégica para la planificación y la gestión operativa a la hora de integrar iniciativas de adaptación en los proyectos de desarrollo rural. ABSTRACT The need for climate-smart agriculture for the world’s 500 million smallholder farms cannot be overlooked: they account for 60 per cent of global agriculture, provide up to 80 per cent of food in developing countries, manage vast areas of land and make up the largest share of the developing world’s undernourished. Climate change is transforming the context for smallholder agriculture. Over centuries smallholders have developed the capacity to adapt to environmental change and climate variability, but the speed and intensity of climate change is outpacing the speed of historically autonomous actions. In the absence of a profound step-change in local and global action on climate change, it is Increasingly likely that poor rural people would need to contend with an average global warming of 4 degrees above pre-industrial levels by 2100, if not sooner. Such substantial climatic change will further increase uncertainty and exacerbate weather –related disasters, droughts, biodiversity loss, and land and water scarcity. Perhaps most significantly for smallholder farmers, they can no longer rely on historical averages, making it harder for them to plan and manage production when planting seasons and weather patterns are shifting. The major cereal crops (wheat, rice, maize, etc.) are at their heat tolerance threshold and with a 1.5-2°C temperature increase could collapse. These “first-round” effects will be compounded by second-round socio-economic impacts in terms of economic opportunities and political stability. Climate change is making the development of smallholder agriculture more expensive. At project level, climate-resilient programmes typically have higher up-front design and implementation costs – e.g. infrastructure costs and initially increased asset management, operation and maintenance, more capacity-building and knowledge sharing, strengthening institutions, greater project development costs (downscaled data generation and community-based approaches), and greater costs from enhancing cross sectorial and stakeholders collaboration. Consequently it’s time to redefine the relationship between agriculture and environment as we need to look better and more efficient ways to respond to climate change. It is important to note that responding to climate change does not mean to throwing out or reinventing everything that has been learnt about development. It means a renewed effort to tackle wider and well-known development changes in a more systematic way. A coherent response to climate change requires acknowledge of the need to increase the financial support for adaptation and a continued emphasis on provided solutions designed to increase the resilience of smallholders and poor communities to shocks, which are weather related. In order to respond to some of the challenges mentioned before, this research aims to contribute to strengthen the capacities of the smallholders and to promote a development that will positively impact in the rural livelihoods of the most vulnerable smallholders farmers; those who currently are in the first line facing the challenges of climate change. The thesis has four chapters. Chapter one describes and analyses the theoretical framework of the interactions between climate change and the impact on rural development projects, especially those aimed at improving the food security of smallholders producers. In this chapter a comprehensive review of climate financing is presented, including the need to allocate sufficient resources for adaptation. In order to achieve greater effectiveness and impact on development projects, the research develops in the second chapter a methodology to integrate adaptation activities for climate change. This methodology was implemented and validated during the 2012-14 period, working directly with various government teams in ten projects of the International Fund for Agricultural Development (IFAD). The third chapter presents in detail the application of the methodology to the case studies of Bolivia and Nicaragua, as well as a summary of the main conclusions of its implementation in the remaining eight countries. The final chapter exposes the main conclusions and future research topics. At a time when environmental sustainability and climate change issues are gaining more attention, the research and obtained results through the implementation of the model methodology proposed, can be considered a strategic tool for planning and operational management to integrate adaptation initiatives in rural development projects. The use of the proposed methodology will boost incentives to scale up climate resilience programmes and integrate adaptation to climate change into wider smallholder development programmes.

Biometric authentication of users through iris by using key binding and similarity preserving hash functions = Autenticación biométrica de usuarios a través del iris mediante la ocultación de claves y funciones resumen que preservan la similitud

El extraordinario auge de las nuevas tecnologías de la información, el desarrollo de la Internet de las Cosas, el comercio electrónico, las redes sociales, la telefonía móvil y la computación y almacenamiento en la nube, han proporcionado grandes beneficios en todos los ámbitos de la sociedad. Junto a éstos, se presentan nuevos retos para la protección y privacidad de la información y su contenido, como la suplantación de personalidad y la pérdida de la confidencialidad e integridad de los documentos o las comunicaciones electrónicas. Este hecho puede verse agravado por la falta de una frontera clara que delimite el mundo personal del mundo laboral en cuanto al acceso de la información. En todos estos campos de la actividad personal y laboral, la Criptografía ha jugado un papel fundamental aportando las herramientas necesarias para garantizar la confidencialidad, integridad y disponibilidad tanto de la privacidad de los datos personales como de la información. Por otro lado, la Biometría ha propuesto y ofrecido diferentes técnicas con el fin de garantizar la autentificación de individuos a través del uso de determinadas características personales como las huellas dáctilares, el iris, la geometría de la mano, la voz, la forma de caminar, etc. Cada una de estas dos ciencias, Criptografía y Biometría, aportan soluciones a campos específicos de la protección de datos y autentificación de usuarios, que se verían enormemente potenciados si determinadas características de ambas ciencias se unieran con vistas a objetivos comunes. Por ello es imperativo intensificar la investigación en estos ámbitos combinando los algoritmos y primitivas matemáticas de la Criptografía con la Biometría para dar respuesta a la demanda creciente de nuevas soluciones más técnicas, seguras y fáciles de usar que potencien de modo simultáneo la protección de datos y la identificacíón de usuarios. En esta combinación el concepto de biometría cancelable ha supuesto una piedra angular en el proceso de autentificación e identificación de usuarios al proporcionar propiedades de revocación y cancelación a los ragos biométricos. La contribución de esta tesis se basa en el principal aspecto de la Biometría, es decir, la autentificación segura y eficiente de usuarios a través de sus rasgos biométricos, utilizando tres aproximaciones distintas: 1. Diseño de un esquema criptobiométrico borroso que implemente los principios de la biometría cancelable para identificar usuarios lidiando con los problemas acaecidos de la variabilidad intra e inter-usuarios. 2. Diseño de una nueva función hash que preserva la similitud (SPHF por sus siglas en inglés). Actualmente estas funciones se usan en el campo del análisis forense digital con el objetivo de buscar similitudes en el contenido de archivos distintos pero similares de modo que se pueda precisar hasta qué punto estos archivos pudieran ser considerados iguales. La función definida en este trabajo de investigación, además de mejorar los resultados de las principales funciones desarrolladas hasta el momento, intenta extender su uso a la comparación entre patrones de iris. 3. Desarrollando un nuevo mecanismo de comparación de patrones de iris que considera tales patrones como si fueran señales para compararlos posteriormente utilizando la transformada de Walsh-Hadarmard. Los resultados obtenidos son excelentes teniendo en cuenta los requerimientos de seguridad y privacidad mencionados anteriormente. Cada uno de los tres esquemas diseñados han sido implementados para poder realizar experimentos y probar su eficacia operativa en escenarios que simulan situaciones reales: El esquema criptobiométrico borroso y la función SPHF han sido implementados en lenguaje Java mientras que el proceso basado en la transformada de Walsh-Hadamard en Matlab. En los experimentos se ha utilizado una base de datos de imágenes de iris (CASIA) para simular una población de usuarios del sistema. En el caso particular de la función de SPHF, además se han realizado experimentos para comprobar su utilidad en el campo de análisis forense comparando archivos e imágenes con contenido similar y distinto. En este sentido, para cada uno de los esquemas se han calculado los ratios de falso negativo y falso positivo. ABSTRACT The extraordinary increase of new information technologies, the development of Internet of Things, the electronic commerce, the social networks, mobile or smart telephony and cloud computing and storage, have provided great benefits in all areas of society. Besides this fact, there are new challenges for the protection and privacy of information and its content, such as the loss of confidentiality and integrity of electronic documents and communications. This is exarcebated by the lack of a clear boundary between the personal world and the business world as their differences are becoming narrower. In both worlds, i.e the personal and the business one, Cryptography has played a key role by providing the necessary tools to ensure the confidentiality, integrity and availability both of the privacy of the personal data and information. On the other hand, Biometrics has offered and proposed different techniques with the aim to assure the authentication of individuals through their biometric traits, such as fingerprints, iris, hand geometry, voice, gait, etc. Each of these sciences, Cryptography and Biometrics, provides tools to specific problems of the data protection and user authentication, which would be widely strengthen if determined characteristics of both sciences would be combined in order to achieve common objectives. Therefore, it is imperative to intensify the research in this area by combining the basics mathematical algorithms and primitives of Cryptography with Biometrics to meet the growing demand for more secure and usability techniques which would improve the data protection and the user authentication. In this combination, the use of cancelable biometrics makes a cornerstone in the user authentication and identification process since it provides revocable or cancelation properties to the biometric traits. The contributions in this thesis involve the main aspect of Biometrics, i.e. the secure and efficient authentication of users through their biometric templates, considered from three different approaches. The first one is designing a fuzzy crypto-biometric scheme using the cancelable biometric principles to take advantage of the fuzziness of the biometric templates at the same time that it deals with the intra- and inter-user variability among users without compromising the biometric templates extracted from the legitimate users. The second one is designing a new Similarity Preserving Hash Function (SPHF), currently widely used in the Digital Forensics field to find similarities among different files to calculate their similarity level. The function designed in this research work, besides the fact of improving the results of the two main functions of this field currently in place, it tries to expand its use to the iris template comparison. Finally, the last approach of this thesis is developing a new mechanism of handling the iris templates, considering them as signals, to use the Walsh-Hadamard transform (complemented with three other algorithms) to compare them. The results obtained are excellent taking into account the security and privacy requirements mentioned previously. Every one of the three schemes designed have been implemented to test their operational efficacy in situations that simulate real scenarios: The fuzzy crypto-biometric scheme and the SPHF have been implemented in Java language, while the process based on the Walsh-Hadamard transform in Matlab. The experiments have been performed using a database of iris templates (CASIA-IrisV2) to simulate a user population. The case of the new SPHF designed is special since previous to be applied i to the Biometrics field, it has been also tested to determine its applicability in the Digital Forensic field comparing similar and dissimilar files and images. The ratios of efficiency and effectiveness regarding user authentication, i.e. False Non Match and False Match Rate, for the schemes designed have been calculated with different parameters and cases to analyse their behaviour.

Desarrollo de metodologías para mejorar la estimación de los hidrogramas de diseño para el cálculo de los órganos de desagüe de las presas

En la presente Tesis se ha llevado a cabo el contraste y desarrollo de metodologías que permitan mejorar el cálculo de las avenidas de proyecto y extrema empleadas en el cálculo de la seguridad hidrológica de las presas. En primer lugar se ha abordado el tema del cálculo de las leyes de frecuencia de caudales máximos y su extrapolación a altos periodos de retorno. Esta cuestión es de gran relevancia, ya que la adopción de estándares de seguridad hidrológica para las presas cada vez más exigentes, implica la utilización de periodos de retorno de diseño muy elevados cuya estimación conlleva una gran incertidumbre. Es importante, en consecuencia incorporar al cálculo de los caudales de diseño todas la técnicas disponibles para reducir dicha incertidumbre. Asimismo, es importante hacer una buena selección del modelo estadístico (función de distribución y procedimiento de ajuste) de tal forma que se garantice tanto su capacidad para describir el comportamiento de la muestra, como para predecir de manera robusta los cuantiles de alto periodo de retorno. De esta forma, se han realizado estudios a escala nacional con el objetivo de determinar el esquema de regionalización que ofrece mejores resultados para las características hidrológicas de las cuencas españolas, respecto a los caudales máximos anuales, teniendo en cuenta el numero de datos disponibles. La metodología utilizada parte de la identificación de regiones homogéneas, cuyos límites se han determinado teniendo en cuenta las características fisiográficas y climáticas de las cuencas, y la variabilidad de sus estadísticos, comprobando posteriormente su homogeneidad. A continuación, se ha seleccionado el modelo estadístico de caudales máximos anuales con un mejor comportamiento en las distintas zonas de la España peninsular, tanto para describir los datos de la muestra como para extrapolar a los periodos de retorno más altos. El proceso de selección se ha basado, entre otras cosas, en la generación sintética de series de datos mediante simulaciones de Monte Carlo, y el análisis estadístico del conjunto de resultados obtenido a partir del ajuste de funciones de distribución a estas series bajo distintas hipótesis. Posteriormente, se ha abordado el tema de la relación caudal-volumen y la definición de los hidrogramas de diseño en base a la misma, cuestión que puede ser de gran importancia en el caso de presas con grandes volúmenes de embalse. Sin embargo, los procedimientos de cálculo hidrológico aplicados habitualmente no tienen en cuenta la dependencia estadística entre ambas variables. En esta Tesis se ha desarrollado un procedimiento para caracterizar dicha dependencia estadística de una manera sencilla y robusta, representando la función de distribución conjunta del caudal punta y el volumen en base a la función de distribución marginal del caudal punta y la función de distribución condicionada del volumen respecto al caudal. Esta última se determina mediante una función de distribución log-normal, aplicando un procedimiento de ajuste regional. Se propone su aplicación práctica a través de un procedimiento de cálculo probabilístico basado en la generación estocástica de un número elevado de hidrogramas. La aplicación a la seguridad hidrológica de las presas de este procedimiento requiere interpretar correctamente el concepto de periodo de retorno aplicado a variables hidrológicas bivariadas. Para ello, se realiza una propuesta de interpretación de dicho concepto. El periodo de retorno se entiende como el inverso de la probabilidad de superar un determinado nivel de embalse. Al relacionar este periodo de retorno con las variables hidrológicas, el hidrograma de diseño de la presa deja de ser un único hidrograma para convertirse en una familia de hidrogramas que generan un mismo nivel máximo en el embalse, representados mediante una curva en el plano caudal volumen. Esta familia de hidrogramas de diseño depende de la propia presa a diseñar, variando las curvas caudal-volumen en función, por ejemplo, del volumen de embalse o la longitud del aliviadero. El procedimiento propuesto se ilustra mediante su aplicación a dos casos de estudio. Finalmente, se ha abordado el tema del cálculo de las avenidas estacionales, cuestión fundamental a la hora de establecer la explotación de la presa, y que puede serlo también para estudiar la seguridad hidrológica de presas existentes. Sin embargo, el cálculo de estas avenidas es complejo y no está del todo claro hoy en día, y los procedimientos de cálculo habitualmente utilizados pueden presentar ciertos problemas. El cálculo en base al método estadístico de series parciales, o de máximos sobre un umbral, puede ser una alternativa válida que permite resolver esos problemas en aquellos casos en que la generación de las avenidas en las distintas estaciones se deba a un mismo tipo de evento. Se ha realizado un estudio con objeto de verificar si es adecuada en España la hipótesis de homogeneidad estadística de los datos de caudal de avenida correspondientes a distintas estaciones del año. Asimismo, se han analizado los periodos estacionales para los que es más apropiado realizar el estudio, cuestión de gran relevancia para garantizar que los resultados sean correctos, y se ha desarrollado un procedimiento sencillo para determinar el umbral de selección de los datos de tal manera que se garantice su independencia, una de las principales dificultades en la aplicación práctica de la técnica de las series parciales. Por otra parte, la aplicación practica de las leyes de frecuencia estacionales requiere interpretar correctamente el concepto de periodo de retorno para el caso estacional. Se propone un criterio para determinar los periodos de retorno estacionales de forma coherente con el periodo de retorno anual y con una distribución adecuada de la probabilidad entre las distintas estaciones. Por último, se expone un procedimiento para el cálculo de los caudales estacionales, ilustrándolo mediante su aplicación a un caso de estudio. The compare and develop of a methodology in order to improve the extreme flow estimation for dam hydrologic security has been developed. First, the work has been focused on the adjustment of maximum peak flows distribution functions from which to extrapolate values for high return periods. This has become a major issue as the adoption of stricter standards on dam hydrologic security involves estimation of high design return periods which entails great uncertainty. Accordingly, it is important to incorporate all available techniques for the estimation of design peak flows in order to reduce this uncertainty. Selection of the statistical model (distribution function and adjustment method) is also important since its ability to describe the sample and to make solid predictions for high return periods quantiles must be guaranteed. In order to provide practical application of previous methodologies, studies have been developed on a national scale with the aim of determining a regionalization scheme which features best results in terms of annual maximum peak flows for hydrologic characteristics of Spanish basins taking into account the length of available data. Applied methodology starts with the delimitation of regions taking into account basin’s physiographic and climatic characteristics and the variability of their statistical properties, and continues with their homogeneity testing. Then, a statistical model for maximum annual peak flows is selected with the best behaviour for the different regions in peninsular Spain in terms of describing sample data and making solid predictions for high return periods. This selection has been based, among others, on synthetic data series generation using Monte Carlo simulations and statistical analysis of results from distribution functions adjustment following different hypothesis. Secondly, the work has been focused on the analysis of the relationship between peak flow and volume and how to define design flood hydrographs based on this relationship which can be highly important for large volume reservoirs. However, commonly used hydrologic procedures do not take statistical dependence between these variables into account. A simple and sound method for statistical dependence characterization has been developed by the representation of a joint distribution function of maximum peak flow and volume which is based on marginal distribution function of peak flow and conditional distribution function of volume for a given peak flow. The last one is determined by a regional adjustment procedure of a log-normal distribution function. Practical application is proposed by a probabilistic estimation procedure based on stochastic generation of a large number of hydrographs. The use of this procedure for dam hydrologic security requires a proper interpretation of the return period concept applied to bivariate hydrologic data. A standard is proposed in which it is understood as the inverse of the probability of exceeding a determined reservoir level. When relating return period and hydrological variables the only design flood hydrograph changes into a family of hydrographs which generate the same maximum reservoir level and that are represented by a curve in the peak flow-volume two-dimensional space. This family of design flood hydrographs depends on the dam characteristics as for example reservoir volume or spillway length. Two study cases illustrate the application of the developed methodology. Finally, the work has been focused on the calculation of seasonal floods which are essential when determining the reservoir operation and which can be also fundamental in terms of analysing the hydrologic security of existing reservoirs. However, seasonal flood calculation is complex and nowadays it is not totally clear. Calculation procedures commonly used may present certain problems. Statistical partial duration series, or peaks over threshold method, can be an alternative approach for their calculation that allow to solve problems encountered when the same type of event is responsible of floods in different seasons. A study has been developed to verify the hypothesis of statistical homogeneity of peak flows for different seasons in Spain. Appropriate seasonal periods have been analyzed which is highly relevant to guarantee correct results. In addition, a simple procedure has been defined to determine data selection threshold on a way that ensures its independency which is one of the main difficulties in practical application of partial series. Moreover, practical application of seasonal frequency laws requires a correct interpretation of the concept of seasonal return period. A standard is proposed in order to determine seasonal return periods coherently with the annual return period and with an adequate seasonal probability distribution. Finally a methodology is proposed to calculate seasonal peak flows. A study case illustrates the application of the proposed methodology.

Supervisión multidistribuida para el control de procesos de conservación de productos agroalimentarios: optimización de calidad del producto

La presente Tesis está orientada al análisis de la supervisión multidistribuida de tres procesos agroalimentarios: el secado solar, el transporte refrigerado y la fermentación de café, a través de la información obtenida de diferentes dispositivos de adquisición de datos, que incorporan sensores, así como el desarrollo de metodologías de análisis de series temporales, modelos y herramientas de control de procesos para la ayuda a la toma de decisiones en las operaciones de estos entornos. En esta tesis se han utilizado: tarjetas RFID (TemTrip®) con sistema de comunicación por radiofrecuencia y sensor de temperatura; el registrador (i-Button®), con sensor integrado de temperatura y humedad relativa y un tercer prototipo empresarial, módulo de comunicación inalámbrico Nlaza, que integra un sensor de temperatura y humedad relativa Sensirion®. Estos dispositivos se han empleado en la conformación de redes multidistribuidas de sensores para la supervisión de: A) Transportes de producto hortofrutícola realizados en condiciones comerciales reales, que son: dos transportes terrestre de producto de IV gama desde Murcia a Madrid; transporte multimodal (barco-barco) de limones desde Montevideo (Uruguay) a Cartagena (España) y transporte multimodal (barco-camión) desde Montevideo (Uruguay) a Verona (Italia). B) dos fermentaciones de café realizadas en Popayán (Colombia) en un beneficiadero. Estas redes han permitido registrar la dinámica espacio-temporal de temperaturas y humedad relativa de los procesos estudiados. En estos procesos de transporte refrigerado y fermentación la aplicación de herramientas de visualización de datos y análisis de conglomerados, han permitido identificar grupos de sensores que presentan patrones análogos de sus series temporales, caracterizando así zonas con dinámicas similares y significativamente diferentes del resto y permitiendo definir redes de sensores de menor densidad cubriendo las diferentes zonas identificadas. Las metodologías de análisis complejo de las series espacio-temporales (modelos psicrométricos, espacio de fases bidimensional e interpolaciones espaciales) permitieron la cuantificación de la variabilidad del proceso supervisado tanto desde el punto de vista dinámico como espacial así como la identificación de eventos. Constituyendo así herramientas adicionales de ayuda a la toma de decisiones en el control de los procesos. Siendo especialmente novedosa la aplicación de la representación bidimensional de los espacios de fases en el estudio de las series espacio-temporales de variables ambientales en aplicaciones agroalimentarias, aproximación que no se había realizado hasta el momento. En esta tesis también se ha querido mostrar el potencial de un sistema de control basado en el conocimiento experto como es el sistema de lógica difusa. Se han desarrollado en primer lugar, los modelos de estimación del contenido en humedad y las reglas semánticas que dirigen el proceso de control, el mejor modelo se ha seleccionado mediante un ensayo de secado realizado sobre bolas de hidrogel como modelo alimentario y finalmente el modelo se ha validado mediante un ensayo en el que se deshidrataban láminas de zanahoria. Los resultados sugirieron que el sistema de control desarrollado, es capaz de hacer frente a dificultades como las variaciones de temperatura día y noche, consiguiendo un producto con buenas características de calidad comparables a las conseguidas sin aplicar ningún control sobre la operación y disminuyendo así el consumo energético en un 98% con respecto al mismo proceso sin control. La instrumentación y las metodologías de análisis de datos implementadas en esta Tesis se han mostrado suficientemente versátiles y transversales para ser aplicadas a diversos procesos agroalimentarios en los que la temperatura y la humedad relativa sean criterios de control en dichos procesos, teniendo una aplicabilidad directa en el sector industrial ABSTRACT This thesis is focused on the analysis of multi-distributed supervision of three agri-food processes: solar drying, refrigerated transport and coffee fermentation, through the information obtained from different data acquisition devices with incorporated sensors, as well as the development of methodologies for analyzing temporary series, models and tools to control processes in order to help in the decision making in the operations within these environments. For this thesis the following has been used: RFID tags (TemTrip®) with a Radiofrequency ID communication system and a temperature sensor; the recorder (i-Button®), with an integrated temperature and relative humidity and a third corporate prototype, a wireless communication module Nlaza, which has an integrated temperature and relative humidity sensor, Sensirion®. These devices have been used in creating three multi-distributed networks of sensors for monitoring: A) Transport of fruits and vegetables made in real commercial conditions, which are: two land trips of IV range products from Murcia to Madrid; multimodal transport (ship - ship) of lemons from Montevideo (Uruguay) to Cartagena (Spain) and multimodal transport (ship - truck) from Montevideo (Uruguay) to Verona (Italy). B) Two coffee fermentations made in Popayan (Colombia) in a coffee processing plant. These networks have allowed recording the time space dynamics of temperatures and relative humidity of the processed under study. Within these refrigerated transport and fermentation processes, the application of data display and cluster analysis tools have allowed identifying sensor groups showing analogical patterns of their temporary series; thus, featuring areas with similar and significantly different dynamics from the others and enabling the definition of lower density sensor networks covering the different identified areas. The complex analysis methodologies of the time space series (psychrometric models, bi-dimensional phase space and spatial interpolation) allowed quantifying the process variability of the supervised process both from the dynamic and spatial points of view; as well as the identification of events. Thus, building additional tools to aid decision-making on process control brought the innovative application of the bi-dimensional representation of phase spaces in the study of time-space series of environmental variables in agri-food applications, an approach that had not been taken before. This thesis also wanted to show the potential of a control system based on specialized knowledge such as the fuzzy logic system. Firstly, moisture content estimation models and semantic rules directing the control process have been developed, the best model has been selected by an drying assay performed on hydrogel beads as food model; and finally the model has been validated through an assay in which carrot sheets were dehydrated. The results suggested that the control system developed is able to cope with difficulties such as changes in temperature daytime and nighttime, getting a product with good quality features comparable to those features achieved without applying any control over the operation and thus decreasing consumption energy by 98% compared to the same uncontrolled process. Instrumentation and data analysis methodologies implemented in this thesis have proved sufficiently versatile and cross-cutting to apply to several agri-food processes in which the temperature and relative humidity are the control criteria in those processes, having a direct effect on the industry sector.

Sistemas de ayuda al diagnóstico y reconocimiento de microcalcificaciones en mamografía mediante descriptores de escala y redes jerárquicas

La presente Tesis investiga el campo del reconocimiento automático de imágenes mediante ordenador aplicado al análisis de imágenes médicas en mamografía digital. Hay un interés por desarrollar sistemas de aprendizaje que asistan a los radiólogos en el reconocimiento de las microcalcificaciones para apoyarles en los programas de cribado y prevención del cáncer de mama. Para ello el análisis de las microcalcificaciones se ha revelado como técnica clave de diagnóstico precoz, pero sin embargo el diseño de sistemas automáticos para reconocerlas es complejo por la variabilidad y condiciones de las imágenes mamográficas. En este trabajo se analizan los planteamientos teóricos de diseño de sistemas de reconocimiento de imágenes, con énfasis en los problemas específicos de detección y clasificación de microcalcificaciones. Se ha realizado un estudio que incluye desde las técnicas de operadores morfológicos, redes neuronales, máquinas de vectores soporte, hasta las más recientes de aprendizaje profundo mediante redes neuronales convolucionales, contemplando la importancia de los conceptos de escala y jerarquía a la hora del diseño y sus implicaciones en la búsqueda de la arquitectura de conexiones y capas de la red. Con estos fundamentos teóricos y elementos de diseño procedentes de otros trabajos en este área realizados por el autor, se implementan tres sistemas de reconocimiento de mamografías que reflejan una evolución tecnológica, culminando en un sistema basado en Redes Neuronales Convolucionales (CNN) cuya arquitectura se diseña gracias al análisis teórico anterior y a los resultados prácticos de análisis de escalas llevados a cabo en nuestra base de datos de imágenes. Los tres sistemas se entrenan y validan con la base de datos de mamografías DDSM, con un total de 100 muestras de entrenamiento y 100 de prueba escogidas para evitar sesgos y reflejar fielmente un programa de cribado. La validez de las CNN para el problema que nos ocupa queda demostrada y se propone un camino de investigación para el diseño de su arquitectura. ABSTRACT This Dissertation investigates the field of computer image recognition applied to medical imaging in mammography. There is an interest in developing learning systems to assist radiologists in recognition of microcalcifications to help them in screening programs for prevention of breast cancer. Analysis of microcalcifications has emerged as a key technique for early diagnosis of breast cancer, but the design of automatic systems to recognize them is complicated by the variability and conditions of mammographic images. In this Thesis the theoretical approaches to design image recognition systems are discussed, with emphasis on the specific problems of detection and classification of microcalcifications. Our study includes techniques ranging from morphological operators, neural networks and support vector machines, to the most recent deep convolutional neural networks. We deal with learning theory by analyzing the importance of the concepts of scale and hierarchy at the design stage and its implications in the search for the architecture of connections and network layers. With these theoretical facts and design elements coming from other works in this area done by the author, three mammogram recognition systems which reflect technological developments are implemented, culminating in a system based on Convolutional Neural Networks (CNN), whose architecture is designed thanks to the previously mentioned theoretical study and practical results of analysis conducted on scales in our image database. All three systems are trained and validated against the DDSM mammographic database, with a total of 100 training samples and 100 test samples chosen to avoid bias and stand for a real screening program. The validity of the CNN approach to the problem is demonstrated and a research way to help in designing the architecture of these networks is proposed.

Contribución a la localización en interiores basada en comunicaciones inalámbricas

Determinar con buena precisión la posición en la que se encuentra un terminal móvil, cuando éste se halla inmerso en un entorno de interior (centros comerciales, edificios de oficinas, aeropuertos, estaciones, túneles, etc), es el pilar básico sobre el que se sustentan un gran número de aplicaciones y servicios. Muchos de esos servicios se encuentran ya disponibles en entornos de exterior, aunque los entornos de interior se prestan a otros servicios específicos para ellos. Ese número, sin embargo, podría ser significativamente mayor de lo que actualmente es, si no fuera necesaria una costosa infraestructura para llevar a cabo el posicionamiento con la precisión adecuada a cada uno de los hipotéticos servicios. O, igualmente, si la citada infraestructura pudiera tener otros usos distintos, además del relacionado con el posicionamiento. La usabilidad de la misma infraestructura para otros fines distintos ofrecería la oportunidad de que la misma estuviera ya presente en las diferentes localizaciones, porque ha sido previamente desplegada para esos otros usos; o bien facilitaría su despliegue, porque el coste de esa operación ofreciera un mayor retorno de usabilidad para quien lo realiza. Las tecnologías inalámbricas de comunicaciones basadas en radiofrecuencia, ya en uso para las comunicaciones de voz y datos (móviles, WLAN, etc), cumplen el requisito anteriormente indicado y, por tanto, facilitarían el crecimiento de las aplicaciones y servicios basados en el posicionamiento, en el caso de poderse emplear para ello. Sin embargo, determinar la posición con el nivel de precisión adecuado mediante el uso de estas tecnologías, es un importante reto hoy en día. El presente trabajo pretende aportar avances significativos en este campo. A lo largo del mismo se llevará a cabo, en primer lugar, un estudio de los principales algoritmos y técnicas auxiliares de posicionamiento aplicables en entornos de interior. La revisión se centrará en aquellos que sean aptos tanto para tecnologías móviles de última generación como para entornos WLAN. Con ello, se pretende poner de relieve las ventajas e inconvenientes de cada uno de estos algoritmos, teniendo como motivación final su aplicabilidad tanto al mundo de las redes móviles 3G y 4G (en especial a las femtoceldas y small-cells LTE) como al indicado entorno WLAN; y teniendo siempre presente que el objetivo último es que vayan a ser usados en interiores. La principal conclusión de esa revisión es que las técnicas de triangulación, comúnmente empleadas para realizar la localización en entornos de exterior, se muestran inútiles en los entornos de interior, debido a efectos adversos propios de este tipo de entornos como la pérdida de visión directa o los caminos múltiples en el recorrido de la señal. Los métodos de huella radioeléctrica, más conocidos bajo el término inglés “fingerprinting”, que se basan en la comparación de los valores de potencia de señal que se están recibiendo en el momento de llevar a cabo el posicionamiento por un terminal móvil, frente a los valores registrados en un mapa radio de potencias, elaborado durante una fase inicial de calibración, aparecen como los mejores de entre los posibles para los escenarios de interior. Sin embargo, estos sistemas se ven también afectados por otros problemas, como por ejemplo los importantes trabajos a realizar para ponerlos en marcha, y la variabilidad del canal. Frente a ellos, en el presente trabajo se presentan dos contribuciones originales para mejorar los sistemas basados en los métodos fingerprinting. La primera de esas contribuciones describe un método para determinar, de manera sencilla, las características básicas del sistema a nivel del número de muestras necesarias para crear el mapa radio de la huella radioeléctrica de referencia, junto al número mínimo de emisores de radiofrecuencia que habrá que desplegar; todo ello, a partir de unos requerimientos iniciales relacionados con el error y la precisión buscados en el posicionamiento a realizar, a los que uniremos los datos correspondientes a las dimensiones y realidad física del entorno. De esa forma, se establecen unas pautas iniciales a la hora de dimensionar el sistema, y se combaten los efectos negativos que, sobre el coste o el rendimiento del sistema en su conjunto, son debidos a un despliegue ineficiente de los emisores de radiofrecuencia y de los puntos de captura de su huella. La segunda contribución incrementa la precisión resultante del sistema en tiempo real, gracias a una técnica de recalibración automática del mapa radio de potencias. Esta técnica tiene en cuenta las medidas reportadas continuamente por unos pocos puntos de referencia estáticos, estratégicamente distribuidos en el entorno, para recalcular y actualizar las potencias registradas en el mapa radio. Un beneficio adicional a nivel operativo de la citada técnica, es la prolongación del tiempo de usabilidad fiable del sistema, bajando la frecuencia en la que se requiere volver a capturar el mapa radio de potencias completo. Las mejoras anteriormente citadas serán de aplicación directa en la mejora de los mecanismos de posicionamiento en interiores basados en la infraestructura inalámbrica de comunicaciones de voz y datos. A partir de ahí, esa mejora será extensible y de aplicabilidad sobre los servicios de localización (conocimiento personal del lugar donde uno mismo se encuentra), monitorización (conocimiento por terceros del citado lugar) y seguimiento (monitorización prolongada en el tiempo), ya que todos ellas toman como base un correcto posicionamiento para un adecuado desempeño. ABSTRACT To find the position where a mobile is located with good accuracy, when it is immersed in an indoor environment (shopping centers, office buildings, airports, stations, tunnels, etc.), is the cornerstone on which a large number of applications and services are supported. Many of these services are already available in outdoor environments, although the indoor environments are suitable for other services that are specific for it. That number, however, could be significantly higher than now, if an expensive infrastructure were not required to perform the positioning service with adequate precision, for each one of the hypothetical services. Or, equally, whether that infrastructure may have other different uses beyond the ones associated with positioning. The usability of the same infrastructure for purposes other than positioning could give the opportunity of having it already available in the different locations, because it was previously deployed for these other uses; or facilitate its deployment, because the cost of that operation would offer a higher return on usability for the deployer. Wireless technologies based on radio communications, already in use for voice and data communications (mobile, WLAN, etc), meet the requirement of additional usability and, therefore, could facilitate the growth of applications and services based on positioning, in the case of being able to use it. However, determining the position with the appropriate degree of accuracy using these technologies is a major challenge today. This paper provides significant advances in this field. Along this work, a study about the main algorithms and auxiliar techniques related with indoor positioning will be initially carried out. The review will be focused in those that are suitable to be used with both last generation mobile technologies and WLAN environments. By doing this, it is tried to highlight the advantages and disadvantages of each one of these algorithms, having as final motivation their applicability both in the world of 3G and 4G mobile networks (especially in femtocells and small-cells of LTE) and in the WLAN world; and having always in mind that the final aim is to use it in indoor environments. The main conclusion of that review is that triangulation techniques, commonly used for localization in outdoor environments, are useless in indoor environments due to adverse effects of such environments as loss of sight or multipaths. Triangulation techniques used for external locations are useless due to adverse effects like the lack of line of sight or multipath. Fingerprinting methods, based on the comparison of Received Signal Strength values measured by the mobile phone with a radio map of RSSI Recorded during the calibration phase, arise as the best methods for indoor scenarios. However, these systems are also affected by other problems, for example the important load of tasks to be done to have the system ready to work, and the variability of the channel. In front of them, in this paper we present two original contributions to improve the fingerprinting methods based systems. The first one of these contributions describes a method for find, in a simple way, the basic characteristics of the system at the level of the number of samples needed to create the radio map inside the referenced fingerprint, and also by the minimum number of radio frequency emitters that are needed to be deployed; and both of them coming from some initial requirements for the system related to the error and accuracy in positioning wanted to have, which it will be joined the data corresponding to the dimensions and physical reality of the environment. Thus, some initial guidelines when dimensioning the system will be in place, and the negative effects into the cost or into the performance of the whole system, due to an inefficient deployment of the radio frequency emitters and of the radio map capture points, will be minimized. The second contribution increases the resulting accuracy of the system when working in real time, thanks to a technique of automatic recalibration of the power measurements stored in the radio map. This technique takes into account the continuous measures reported by a few static reference points, strategically distributed in the environment, to recalculate and update the measurements stored into the map radio. An additional benefit at operational level of such technique, is the extension of the reliable time of the system, decreasing the periodicity required to recapture the radio map within full measurements. The above mentioned improvements are directly applicable to improve indoor positioning mechanisms based on voice and data wireless communications infrastructure. From there, that improvement will be also extensible and applicable to location services (personal knowledge of the location where oneself is), monitoring (knowledge by other people of your location) and monitoring (prolonged monitoring over time) as all of them are based in a correct positioning for proper performance.

LiDAR remote sensing applied to forest resources assessment

Disponer de información precisa y actualizada de inventario forestal es una pieza clave para mejorar la gestión forestal sostenible y para proponer y evaluar políticas de conservación de bosques que permitan la reducción de emisiones de carbono debidas a la deforestación y degradación forestal (REDD). En este sentido, la tecnología LiDAR ha demostrado ser una herramienta perfecta para caracterizar y estimar de forma continua y en áreas extensas la estructura del bosque y las principales variables de inventario forestal. Variables como la biomasa, el número de pies, el volumen de madera, la altura dominante, el diámetro o la altura media son estimadas con una calidad comparable a los inventarios tradicionales de campo. La presente tesis se centra en analizar la aplicación de los denominados métodos de masa de inventario forestal con datos LIDAR bajo diferentes condiciones y características de masa forestal (bosque templados puros y mixtos) y utilizando diferentes bases de datos LiDAR (información proveniente de vuelo nacionales e información capturada de forma específica). Como consecuencia de lo anterior, se profundiza en la generación de inventarios forestales continuos con LiDAR en grandes áreas. Los métodos de masa se basan en la búsqueda de relaciones estadísticas entre variables predictoras derivadas de la nube de puntos LiDAR y las variables de inventario forestal medidas en campo con el objeto de generar una cartografía continua de inventario forestal. El rápido desarrollo de esta tecnología en los últimos años ha llevado a muchos países a implantar programas nacionales de captura de información LiDAR aerotransportada. Estos vuelos nacionales no están pensados ni diseñados para fines forestales por lo que es necesaria la evaluación de la validez de esta información LiDAR para la descripción de la estructura del bosque y la medición de variables forestales. Esta información podría suponer una drástica reducción de costes en la generación de información continua de alta resolución de inventario forestal. En el capítulo 2 se evalúa la estimación de variables forestales a partir de la información LiDAR capturada en el marco del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA-LiDAR) en España. Para ello se compara un vuelo específico diseñado para inventario forestal con la información de la misma zona capturada dentro del PNOA-LiDAR. El caso de estudio muestra cómo el ángulo de escaneo, la pendiente y orientación del terreno afectan de forma estadísticamente significativa, aunque con pequeñas diferencias, a la estimación de biomasa y variables de estructura forestal derivadas del LiDAR. La cobertura de copas resultó más afectada por estos factores que los percentiles de alturas. Considerando toda la zona de estudio, la estimación de la biomasa con ambas bases de datos no presentó diferencias estadísticamente significativas. Las simulaciones realizadas muestran que las diferencias medias en la estimación de biomasa entre un vuelo específico y el vuelo nacional podrán superar el 4% en áreas abruptas, con ángulos de escaneo altos y cuando la pendiente de la ladera no esté orientada hacia la línea de escaneo. En el capítulo 3 se desarrolla un estudio en masas mixtas y puras de pino silvestre y haya, con un enfoque multi-fuente empleando toda la información disponible (vuelos LiDAR nacionales de baja densidad de puntos, imágenes satelitales Landsat y parcelas permanentes del inventario forestal nacional español). Se concluye que este enfoque multi-fuente es adecuado para realizar inventarios forestales continuos de alta resolución en grandes superficies. Los errores obtenidos en la fase de ajuste y de validación de los modelos de área basimétrica y volumen son similares a los registrados por otros autores (usando un vuelo específico y parcelas de campo específicas). Se observan errores mayores en la variable número de pies que los encontrados en la literatura, que pueden ser explicados por la influencia de la metodología de parcelas de radio variable en esta variable. En los capítulos 4 y 5 se evalúan los métodos de masa para estimar biomasa y densidad de carbono en bosques tropicales. Para ello se trabaja con datos del Parque Nacional Volcán Poás (Costa Rica) en dos situaciones diferentes: i) se dispone de una cobertura completa LiDAR del área de estudio (capitulo 4) y ii) la cobertura LiDAR completa no es técnica o económicamente posible y se combina una cobertura incompleta de LiDAR con imágenes Landsat e información auxiliar para la estimación de biomasa y carbono (capitulo 5). En el capítulo 4 se valida un modelo LiDAR general de estimación de biomasa aérea en bosques tropicales y se compara con los resultados obtenidos con un modelo ajustado de forma específica para el área de estudio. Ambos modelos están basados en la variable altura media de copas (TCH por sus siglas en inglés) derivada del modelo digital LiDAR de altura de la vegetación. Los resultados en el área de estudio muestran que el modelo general es una alternativa fiable al ajuste de modelos específicos y que la biomasa aérea puede ser estimada en una nueva zona midiendo en campo únicamente la variable área basimétrica (BA). Para mejorar la aplicación de esta metodología es necesario definir en futuros trabajos procedimientos adecuados de medición de la variable área basimétrica en campo (localización, tamaño y forma de las parcelas de campo). La relación entre la altura media de copas del LiDAR y el área basimétrica (Coeficiente de Stock) obtenida en el área de estudio varía localmente. Por tanto es necesario contar con más información de campo para caracterizar la variabilidad del Coeficiente de Stock entre zonas de vida y si estrategias como la estratificación pueden reducir los errores en la estimación de biomasa y carbono en bosques tropicales. En el capítulo 5 se concluye que la combinación de una muestra sistemática de información LiDAR con una cobertura completa de imagen satelital de moderada resolución (e información auxiliar) es una alternativa efectiva para la realización de inventarios continuos en bosques tropicales. Esta metodología permite estimar altura de la vegetación, biomasa y carbono en grandes zonas donde la captura de una cobertura completa de LiDAR y la realización de un gran volumen de trabajo de campo es económica o/y técnicamente inviable. Las alternativas examinadas para la predicción de biomasa a partir de imágenes Landsat muestran una ligera disminución del coeficiente de determinación y un pequeño aumento del RMSE cuando la cobertura de LiDAR es reducida de forma considerable. Los resultados indican que la altura de la vegetación, la biomasa y la densidad de carbono pueden ser estimadas en bosques tropicales de forma adecuada usando coberturas de LIDAR bajas (entre el 5% y el 20% del área de estudio). ABSTRACT The availability of accurate and updated forest data is essential for improving sustainable forest management, promoting forest conservation policies and reducing carbon emissions from deforestation and forest degradation (REDD). In this sense, LiDAR technology proves to be a clear-cut tool for characterizing forest structure in large areas and assessing main forest-stand variables. Forest variables such as biomass, stem volume, basal area, mean diameter, mean height, dominant height, and stem number can be thus predicted with better or comparable quality than with costly traditional field inventories. In this thesis, it is analysed the potential of LiDAR technology for the estimation of plot-level forest variables under a range of conditions (conifer & broadleaf temperate forests and tropical forests) and different LiDAR capture characteristics (nationwide LiDAR information vs. specific forest LiDAR data). This study evaluates the application of LiDAR-based plot-level methods in large areas. These methods are based on statistical relationships between predictor variables (derived from airborne data) and field-measured variables to generate wall to wall forest inventories. The fast development of this technology in recent years has led to an increasing availability of national LiDAR datasets, usually developed for multiple purposes throughout an expanding number of countries and regions. The evaluation of the validity of nationwide LiDAR databases (not designed specifically for forest purposes) is needed and presents a great opportunity for substantially reducing the costs of forest inventories. In chapter 2, the suitability of Spanish nationwide LiDAR flight (PNOA) to estimate forest variables is analyzed and compared to a specifically forest designed LiDAR flight. This study case shows that scan angle, terrain slope and aspect significantly affect the assessment of most of the LiDAR-derived forest variables and biomass estimation. Especially, the estimation of canopy cover is more affected than height percentiles. Considering the entire study area, biomass estimations from both databases do not show significant differences. Simulations show that differences in biomass could be larger (more than 4%) only in particular situations, such as steep areas when the slopes are non-oriented towards the scan lines and the scan angles are larger than 15º. In chapter 3, a multi-source approach is developed, integrating available databases such as nationwide LiDAR flights, Landsat imagery and permanent field plots from SNFI, with good resultos in the generation of wall to wall forest inventories. Volume and basal area errors are similar to those obtained by other authors (using specific LiDAR flights and field plots) for the same species. Errors in the estimation of stem number are larger than literature values as a consequence of the great influence that variable-radius plots, as used in SNFI, have on this variable. In chapters 4 and 5 wall to wall plot-level methodologies to estimate aboveground biomass and carbon density in tropical forest are evaluated. The study area is located in the Poas Volcano National Park (Costa Rica) and two different situations are analyzed: i) available complete LiDAR coverage (chapter 4) and ii) a complete LiDAR coverage is not available and wall to wall estimation is carried out combining LiDAR, Landsat and ancillary data (chapter 5). In chapter 4, a general aboveground biomass plot-level LiDAR model for tropical forest (Asner & Mascaro, 2014) is validated and a specific model for the study area is fitted. Both LiDAR plot-level models are based on the top-of-canopy height (TCH) variable that is derived from the LiDAR digital canopy model. Results show that the pantropical plot-level LiDAR methodology is a reliable alternative to the development of specific models for tropical forests and thus, aboveground biomass in a new study area could be estimated by only measuring basal area (BA). Applying this methodology, the definition of precise BA field measurement procedures (e.g. location, size and shape of the field plots) is decisive to achieve reliable results in future studies. The relation between BA and TCH (Stocking Coefficient) obtained in our study area in Costa Rica varied locally. Therefore, more field work is needed for assessing Stocking Coefficient variations between different life zones and the influence of the stratification of the study areas in tropical forests on the reduction of uncertainty. In chapter 5, the combination of systematic LiDAR information sampling and full coverage Landsat imagery (and ancillary data) prove to be an effective alternative for forest inventories in tropical areas. This methodology allows estimating wall to wall vegetation height, biomass and carbon density in large areas where full LiDAR coverage and traditional field work are technically and/or economically unfeasible. Carbon density prediction using Landsat imaginery shows a slight decrease in the determination coefficient and an increase in RMSE when harshly decreasing LiDAR coverage area. Results indicate that feasible estimates of vegetation height, biomass and carbon density can be accomplished using low LiDAR coverage areas (between 5% and 20% of the total area) in tropical locations.

Fiabilidad estructural de coníferas españolas

Se ha procedido al análisis estadístico de un banco de datos de algo más de nueve mil probetas de tamaño estructural ensayadas a lo largo de la década final del s. XX y la inicial del s. XXI, provenientes de masas forestales de coníferas españolas. Las especies estudiadas (pinus sylsvestris, p. halepensis, p. pinaster, p. radiata, p. nigra) representan más del 80% de la superficie forestal española cubierta por coníferas, y ninguna especie de relevancia por volumen potencial de corta a medio plazo ha quedado excluida (quizá con la única excepción de p. pinea, y, con matices juniperus thurifera). Por lo tanto, puede considerarse una información razonablemente representativa de la población de coníferas españolas (en adelante, población objetivo), si bien los procedimientos de muestreo presentan marcadas diferencias en función de las especies. Los procedimientos de ensayo se han atenido, esencialmente, a la normativa europea de referencia, así como a la normativa española de clasificación de madera aserrada, básicamente UNE 56544, con los matices propios de las sucesivas ediciones de las indicadas normas durante un período de unos veinte años. El estudio se ha realizado con el objeto de caracterizar el estado de naturaleza de los principales parámetros resistentes la población objetivo (densidad, módulo de elasticidad longitudinal, y tensión de rotura en flexión pura), así como identificar posibles inconsistencias en la normativa vigente relacionada. Los resultados se han elaborado de forma operativa para su utilización, en una primera aproximación, en la ejecución de cálculos directos de fiabilidad estructural, tal como se plantean en las normativas ISO 2394, ISO 12491, ISO 13822, UNE EN 1990, Código Técnico de la Edificación español y Código Modelo Probabilístico. Inequívocamente, las variables resistentes de referencia de las coníferas españolas susceptibles de uso estructural presentan una variabilidad significativamente superior a la habitual en coníferas de origen en el Centro y Norte de Europa, así como en Norteamérica (en adelante, poblaciones de comparación). Esta diferencia es extrema en el caso de la resistencia, importante en el caso de la rigidez, y prácticamente testimonial en el caso de la densidad. Por otra parte, la rigidez y la densidad de la población objetivo es mucho mayor, para el mismo valor de la resistencia, que las de las poblaciones de comparación. Asimismo, las correlaciones entre las tres variables básicas son inferiores en la población objetivo respecto a la de comparación. Estos hechos llevan a que la aplicación del sistema de clases resistentes en uso conduzca a situaciones de dimensionado poco racionales, y marcadamente antieconómicas. Si bien el objeto del estudio no es el establecimiento de una “jerarquía” estructural de especies, sí deben subrayarse algunos aspectos particulares por especies. El p. nigra tiene los mayores valores centrales y los menores de dispersión de toda la población objetivo, y mayores valores centrales que cualquier referencia de la población de comparación: para la misma fiabilidad objetivo en supuestos habituales, en p.nigra puede ser necesario en torno a un 20% menos de volumen de madera que en p. sylvestris, y en torno a un 40% que en p. radiata . El p. radiata y el p. pinaster presentan los menores valores de centralidad y los mayores de dispersión, de toda la muestra objetivo en formatos aserrados (con la excepción de la densidad: el p. radiata presenta valores muy bajos, pero atípicamente baja variabilidad). Especies habitualmente “no consideradas” como el p. pinea, presentan valores notablemente altos de centralidad, especialmente en la variable densidad. Otro caso de interés es p. halepensis, con prestaciones estructurales muy elevadas, teniendo en cuenta la proveniencia de masas carentes de un manejo adecuado (a efectos de producción maderable). Al contrario que en las poblaciones de comparación, la densidad de las coníferas españolas se representa claramente por distribuciones lognormales, frente a las distribuciones normales que se consideran en la literatura para la misma variable básica. Esto no tiene consecuencias relevantes en la fiabilidad estructural de las uniones, debido a los bajos coeficientes de variación (entre el 10 y 13%, típicamente). Para la tensión de rotura en flexión, parece haber una marcada diferencia entre el tipo de distribución que representa a las poblaciones no clasificadas o rechazadas (que es claramente Lognormal) y la que representa a las poblaciones clasificadas (que parece ser de tipo Weibull de tres parámetros). La distinción va más allá de la sutileza matemática: si la distribución fuese lognormal para todos los casos, la ineficiencia de la aplicación del sistema de clases resistentes aún sería más acusada que lo anteriormente indicado. La distribución normal, sólo representa adecuadamente el estado de naturaleza del módulo de elasticidad y la tensión de rotura de maderas no escuadradas (cilindradas, descortezadas, o simplemente desramadas), y del módulo de elasticidad de las muestras rechazadas. Las coníferas no clasificadas, arrojan valores relativamente elevados de resistencia, lo que hace pensar en la conveniencia de la definición de un “protocolo de mínimos” para posibilitar su uso en el marco normativo actual. Se ha ejemplificado cómo de la aplicación de técnicas probabilísticas utilizando como fundamento los resultados del análisis realizado, resulta un ahorro material potencialmente notable en la población objetivo (en la horquilla del 30 al 60%, dependiendo del estado límite que gobierne el dimensionamiento), respecto a la aplicación directa de los protocolos normativos a partir de la aplicación de la norma de clasificación española. Complementariamente, se han elaborado modelos de variabilidad de los parámetros de las distribuciones propuestas, al objeto de facilitar la aplicación de técnicas de actualización bayesiana. Estas técnicas tienen particular relevancia en el entorno español, por dos razones. Una de ellas, es que suponen, de hecho, la única manera de tratar la cuestión de la seguridad de estructuras prexistentes en un marco matemático-formal consistente con la normativa. La otra, es que permiten la utilización de maderas procedentes de medios de producción con niveles de control de calidad mínimos, incluso casi inexistentes, con inversiones en coste de ensayos comparativamente irrelevantes. ABSTRACT A group of databases making a total of ca. 9.000 beams produced by sawing coniferous species from Spain, tested according EN 384 (1) and visually graded according Spanish standards were analyzed. The main goal was to reach a detailed comprehension about the true state of nature of the three reference structural properties (density, MOR and MOE), in the conditions the material reaches the real market. This goal has been addressed through the detailed adjustment of the proper probabilistic model to the data available. The most important outcome has been the proposal of a set of distribution parameters for the target species, ready to be used in direct probabilistic calculation. This use is exemplified through structural reliability calculations, establishing a priori data for Bayesian reliability updating, Spanish code calibration suggestions, and parameters proposal for the Probabilistic Model Code (2).

Generalización de variables medioambientales mediante interpolación GIS

La investigación de esta tesis se centra en el estudio de técnicas geoestadísticas y su contribución a una mayor caracterización del binomio factores climáticos-rendimiento de un cultivo agrícola. El inexorable vínculo entre la variabilidad climática y la producción agrícola cobra especial relevancia en estudios sobre el cambio climático o en la modelización de cultivos para dar respuesta a escenarios futuros de producción mundial. Es información especialmente valiosa en sistemas operacionales de monitoreo y predicción de rendimientos de cultivos Los cuales son actualmente uno de los pilares operacionales en los que se sustenta la agricultura y seguridad alimentaria mundial; ya que su objetivo final es el de proporcionar información imparcial y fiable para la regularización de mercados. Es en este contexto, donde se quiso dar un enfoque alternativo a estudios, que con distintos planteamientos, analizan la relación inter-anual clima vs producción. Así, se sustituyó la dimensión tiempo por la espacio, re-orientando el análisis estadístico de correlación interanual entre rendimiento y factores climáticos, por el estudio de la correlación inter-regional entre ambas variables. Se utilizó para ello una técnica estadística relativamente nueva y no muy aplicada en investigaciones similares, llamada regresión ponderada geográficamente (GWR, siglas en inglés de “Geographically weighted regression”). Se obtuvieron superficies continuas de las variables climáticas acumuladas en determinados periodos fenológicos, que fueron seleccionados por ser factores clave en el desarrollo vegetativo de un cultivo. Por ello, la primera parte de la tesis, consistió en un análisis exploratorio sobre comparación de Métodos de Interpolación Espacial (MIE). Partiendo de la hipótesis de que existe la variabilidad espacial de la relación entre factores climáticos y rendimiento, el objetivo principal de esta tesis, fue el de establecer en qué medida los MIE y otros métodos geoestadísticos de regresión local, pueden ayudar por un lado, a alcanzar un mayor entendimiento del binomio clima-rendimiento del trigo blando (Triticum aestivum L.) al incorporar en dicha relación el componente espacial; y por otro, a caracterizar la variación de los principales factores climáticos limitantes en el crecimiento del trigo blando, acumulados éstos en cuatro periodos fenológicos. Para lleva a cabo esto, una gran carga operacional en la investigación de la tesis consistió en homogeneizar y hacer los datos fenológicos, climáticos y estadísticas agrícolas comparables tanto a escala espacial como a escala temporal. Para España y los Bálticos se recolectaron y calcularon datos diarios de precipitación, temperatura máxima y mínima, evapotranspiración y radiación solar en las estaciones meteorológicas disponibles. Se dispuso de una serie temporal que coincidía con los mismos años recolectados en las estadísticas agrícolas, es decir, 14 años contados desde 2000 a 2013 (hasta 2011 en los Bálticos). Se superpuso la malla de información fenológica de cuadrícula 25 km con la ubicación de las estaciones meteorológicas con el fin de conocer los valores fenológicos en cada una de las estaciones disponibles. Hecho esto, para cada año de la serie temporal disponible se calcularon los valores climáticos diarios acumulados en cada uno de los cuatro periodos fenológicos seleccionados P1 (ciclo completo), P2 (emergencia-madurez), P3 (floración) y P4 (floraciónmadurez). Se calculó la superficie interpolada por el conjunto de métodos seleccionados en la comparación: técnicas deterministas convencionales, kriging ordinario y cokriging ordinario ponderado por la altitud. Seleccionados los métodos más eficaces, se calculó a nivel de provincias las variables climatológicas interpoladas. Y se realizaron las regresiones locales GWR para cuantificar, explorar y modelar las relaciones espaciales entre el rendimiento del trigo y las variables climáticas acumuladas en los cuatro periodos fenológicos. Al comparar la eficiencia de los MIE no destaca una técnica por encima del resto como la que proporcione el menor error en su predicción. Ahora bien, considerando los tres indicadores de calidad de los MIE estudiados se han identificado los métodos más efectivos. En el caso de la precipitación, es la técnica geoestadística cokriging la más idónea en la mayoría de los casos. De manera unánime, la interpolación determinista en función radial (spline regularizado) fue la técnica que mejor describía la superficie de precipitación acumulada en los cuatro periodos fenológicos. Los resultados son más heterogéneos para la evapotranspiración y radiación. Los métodos idóneos para estas se reparten entre el Inverse Distance Weighting (IDW), IDW ponderado por la altitud y el Ordinary Kriging (OK). También, se identificó que para la mayoría de los casos en que el error del Ordinary CoKriging (COK) era mayor que el del OK su eficacia es comparable a la del OK en términos de error y el requerimiento computacional de este último es mucho menor. Se pudo confirmar que existe la variabilidad espacial inter-regional entre factores climáticos y el rendimiento del trigo blando tanto en España como en los Bálticos. La herramienta estadística GWR fue capaz de reproducir esta variabilidad con un rendimiento lo suficientemente significativo como para considerarla una herramienta válida en futuros estudios. No obstante, se identificaron ciertas limitaciones en la misma respecto a la información que devuelve el programa a nivel local y que no permite desgranar todo el detalle sobre la ejecución del mismo. Los indicadores y periodos fenológicos que mejor pudieron reproducir la variabilidad espacial del rendimiento en España y Bálticos, arrojaron aún, una mayor credibilidad a los resultados obtenidos y a la eficacia del GWR, ya que estaban en línea con el conocimiento agronómico sobre el cultivo del trigo blando en sistemas agrícolas mediterráneos y norteuropeos. Así, en España, el indicador más robusto fue el balance climático hídrico Climatic Water Balance) acumulado éste, durante el periodo de crecimiento (entre la emergencia y madurez). Aunque se identificó la etapa clave de la floración como el periodo en el que las variables climáticas acumuladas proporcionaban un mayor poder explicativo del modelo GWR. Sin embargo, en los Bálticos, países donde el principal factor limitante en su agricultura es el bajo número de días de crecimiento efectivo, el indicador más efectivo fue la radiación acumulada a lo largo de todo el ciclo de crecimiento (entre la emergencia y madurez). Para el trigo en regadío no existe ninguna combinación que pueda explicar más allá del 30% de la variación del rendimiento en España. Poder demostrar que existe un comportamiento heterogéneo en la relación inter-regional entre el rendimiento y principales variables climáticas, podría contribuir a uno de los mayores desafíos a los que se enfrentan, a día de hoy, los sistemas operacionales de monitoreo y predicción de rendimientos de cultivos, y éste es el de poder reducir la escala espacial de predicción, de un nivel nacional a otro regional. ABSTRACT This thesis explores geostatistical techniques and their contribution to a better characterization of the relationship between climate factors and agricultural crop yields. The crucial link between climate variability and crop production plays a key role in climate change research as well as in crops modelling towards the future global production scenarios. This information is particularly important for monitoring and forecasting operational crop systems. These geostatistical techniques are currently one of the most fundamental operational systems on which global agriculture and food security rely on; with the final aim of providing neutral and reliable information for food market controls, thus avoiding financial speculation of nourishments of primary necessity. Within this context the present thesis aims to provide an alternative approach to the existing body of research examining the relationship between inter-annual climate and production. Therefore, the temporal dimension was replaced for the spatial dimension, re-orienting the statistical analysis of the inter-annual relationship between crops yields and climate factors to an inter-regional correlation between these two variables. Geographically weighted regression, which is a relatively new statistical technique and which has rarely been used in previous research on this topic was used in the current study. Continuous surface values of the climate accumulated variables in specific phenological periods were obtained. These specific periods were selected because they are key factors in the development of vegetative crop. Therefore, the first part of this thesis presents an exploratory analysis regarding the comparability of spatial interpolation methods (SIM) among diverse SIMs and alternative geostatistical methodologies. Given the premise that spatial variability of the relationship between climate factors and crop production exists, the primary aim of this thesis was to examine the extent to which the SIM and other geostatistical methods of local regression (which are integrated tools of the GIS software) are useful in relating crop production and climate variables. The usefulness of these methods was examined in two ways; on one hand the way this information could help to achieve higher production of the white wheat binomial (Triticum aestivum L.) by incorporating the spatial component in the examination of the above-mentioned relationship. On the other hand, the way it helps with the characterization of the key limiting climate factors of soft wheat growth which were analysed in four phenological periods. To achieve this aim, an important operational workload of this thesis consisted in the homogenization and obtention of comparable phenological and climate data, as well as agricultural statistics, which made heavy operational demands. For Spain and the Baltic countries, data on precipitation, maximum and minimum temperature, evapotranspiration and solar radiation from the available meteorological stations were gathered and calculated. A temporal serial approach was taken. These temporal series aligned with the years that agriculture statistics had previously gathered, these being 14 years from 2000 to 2013 (until 2011 for the Baltic countries). This temporal series was mapped with a phenological 25 km grid that had the location of the meteorological stations with the objective of obtaining the phenological values in each of the available stations. Following this procedure, the daily accumulated climate values for each of the four selected phenological periods were calculated; namely P1 (complete cycle), P2 (emergency-maturity), P3 (flowering) and P4 (flowering- maturity). The interpolated surface was then calculated using the set of selected methodologies for the comparison: deterministic conventional techniques, ordinary kriging and ordinary cokriging weighted by height. Once the most effective methods had been selected, the level of the interpolated climate variables was calculated. Local GWR regressions were calculated to quantify, examine and model the spatial relationships between soft wheat production and the accumulated variables in each of the four selected phenological periods. Results from the comparison among the SIMs revealed that no particular technique seems more favourable in terms of accuracy of prediction. However, when the three quality indicators of the compared SIMs are considered, some methodologies appeared to be more efficient than others. Regarding precipitation results, cokriging was the most accurate geostatistical technique for the majority of the cases. Deterministic interpolation in its radial function (controlled spline) was the most accurate technique for describing the accumulated precipitation surface in all phenological periods. However, results are more heterogeneous for the evapotranspiration and radiation methodologies. The most appropriate technique for these forecasts are the Inverse Distance Weighting (IDW), weighted IDW by height and the Ordinary Kriging (OK). Furthermore, it was found that for the majority of the cases where the Ordinary CoKriging (COK) error was larger than that of the OK, its efficacy was comparable to that of the OK in terms of error while the computational demands of the latter was much lower. The existing spatial inter-regional variability between climate factors and soft wheat production was confirmed for both Spain and the Baltic countries. The GWR statistic tool reproduced this variability with an outcome significative enough as to be considered a valid tool for future studies. Nevertheless, this tool also had some limitations with regards to the information delivered by the programme because it did not allow for a detailed break-down of its procedure. The indicators and phenological periods that best reproduced the spatial variability of yields in Spain and the Baltic countries made the results and the efficiency of the GWR statistical tool even more reliable, despite the fact that these were already aligned with the agricultural knowledge about soft wheat crop under mediterranean and northeuropean agricultural systems. Thus, for Spain, the most robust indicator was the Climatic Water Balance outcome accumulated throughout the growing period (between emergency and maturity). Although the flowering period was the phase that best explained the accumulated climate variables in the GWR model. For the Baltic countries where the main limiting agricultural factor is the number of days of effective growth, the most effective indicator was the accumulated radiation throughout the entire growing cycle (between emergency and maturity). For the irrigated soft wheat there was no combination capable of explaining above the 30% of variation of the production in Spain. The fact that the pattern of the inter-regional relationship between the crop production and key climate variables is heterogeneous within a country could contribute to one is one of the greatest challenges that the monitoring and forecasting operational systems for crop production face nowadays. The present findings suggest that the solution may lay in downscaling the spatial target scale from a national to a regional level.