Davant del ràpid col·lapse dels abocadors, així com els alts impactes relacionats amb l'abocament dels residus biodegradables, i al baix contingut en matèria orgànica dels sòls mediterranis, el compostatge es presenta com una opció rellevant per tancar els cicles de la matèria orgànica i els nutrients. No obstant això, dades específiques, reals i quantitatives sobre tecnologies i aplicació de compost i considerant diferents perspectives d'anàlisi, són necessàries. Les eines de cicle de vida són metodologies per a construir el perfil ambiental, social i econòmic de productes al llarg de totes les etapes del seu cicle de vida. Aquesta tesi presenta una visió holística del compost, incloent totes les etapes del seu cicle de vida i avaluant el comportament ambiental, la viabilitat agrícola, així com les perspectives del consumidor, el territori i la sostenibilitat. A més, es proposen millores metodològiques per als diferents anàlisi de la producció de compost i la seva aplicació. Dades reals de dues formes de compostatge, domèstic i a escala industrial, i de camps hortícoles es van recollir dins el marc de la tesi. Aquestes dades han estat utilitzades en l'avaluació ambiental i agrícola de la producció i aplicació de compost, tenint en compte diferents cultius, opcions de fertilització i medi natural / hivernacle. En relació al rendiment agronòmic, produccions i qualitat suficients només es poden assegurar quan al compost l'acompanya una font de nitrogen d'alliberament ràpida. Els resultats apunten a la producció industrial de compost com la principal font d'impacte ambiental al llarg del cicle de vida dels dos cultius hortícoles. Això implica que les opcions de cultiu amb compost, i quan es resten els impactes evitats per la no deposició dels bio-residus en abocador, són les més respectuoses amb el medi ambient per 3 de 7 categories d'impacte i presenten impactes similars per a 2. El compostatge domèstic sembla ser una millor alternativa des de la perspectiva del consum de recursos però presenta majors emissions gasoses que el compostatge industrial. Dues qüestions metodològiques relacionades amb l'avaluació ambiental del cicle de vida del compost són abordades en aquesta tesi. Unitats funcionals relacionades amb la qualitat, a part de la producció, s'han utilitzat i amb elles les diferències ambientals entre opcions de fertilització es suavitzen o inverteixen. Aquesta tesi també proporciona una descripció de les magnituds, les dinàmiques i els factors limitants per a cada un dels beneficis de l'aplicació de compost considerats i analitza els temes metodològics clau per a la seva quantificació amb LCA. A més, segons els resultats obtinguts amb la norma PAS2050, la Carbon footprinting (CF) subestima els valors ambientals comunicats als consumidors, a causa principalment dels béns de capital. La tesi també inclou una de les poques temptatives d'aplicar el Social Life Cycle Assessment i el Life Cycle Sustainability Assessment, que avalua els fertilitzants minerals nitrogenats i el compost al llarg del seu cicle de vida. Finalment, es presenta una primera aproximació a la perspectiva de la planificació territorial en relació a l’aplicació de compost i el seu ús combinat amb aigua contaminada per nitrats. Concloent, aquesta tesi és un pas rellevant cap a la sostenibilitat per a la producció i aplicació de compost i ofereix un enfoc multidisciplinari del sistema. Entre d'altres, futurs estudis haurien d'abordar o aprofundir en: l'ús de compost a llarg termini, les alternatives per a l'assignació de les càrregues del compost entre conreus, les taxes de mineralització, els potencials efectes negatius de l'ús de compost en LCA, les adequades categories d'impacte ambiental per a la avaluació de l'ús de compost, i un major desenvolupament de les eines per a la sostenibilitat. / Frente al rápido colapso de los vertederos, así como los altos impactos relacionados con el vertido de los residuos biodegradables, y al bajo contenido en materia orgánica de los suelos mediterráneos, el compostaje se presenta como una opción relevante para cerrar los ciclos de la materia orgánica y los nutrientes. Sin embargo, datos específicos, reales y cuantitativos sobre tecnologías y aplicación de compost y considerando diferentes perspectivas de análisis, son necesarios. Las herramientas de ciclo de vida son metodologías para construir el perfil ambiental, social y económico de productos a lo largo de todas las etapas de su ciclo de vida. Esta tesis presenta una visión holística del compost, incluyendo todas las etapas de su ciclo de vida y evaluando el comportamiento ambiental, la viabilidad agrícola, así como las perspectivas del consumidor, el territorio y la sostenibilidad. Además, se proponen mejoras metodológicas para los diferentes análisis de la producción de compost y su aplicación. Datos reales de dos formas de compostaje, doméstico y a escala industrial, y de campos hortícolas se recogieron dentro del marco de la tesis. Estos datos han sido utilizados en la evaluación ambiental y agrícola de la producción y aplicación de compost, teniendo en cuenta diferentes cultivos, opciones de fertilización y aire libre/invernadero. En relación al rendimiento agronómico, producciones y calidad suficientes solo se pueden asegurar cuando al compost le acompaña una fuente de nitrógeno de liberación rápida. Los resultados apuntan a la producción industrial de compost como la principal fuente de impacto ambiental a lo largo del ciclo de vida de los dos cultivos hortícolas. Esto implica que las opciones de cultivo con compost, y cuando se restan los impactos evitados por la no deposición de los bio-residuos en vertedero, son las más respetuosas con el medio ambiente para 3 de 7 categorías de impacto y presentan impactos similares para 2. El compostaje doméstico parece ser una mejor alternativa desde la perspectiva del consumo de recursos pero presenta mayores emisiones gaseosas que el compostaje industrial. Dos cuestiones metodológicas relacionadas con la evaluación ambiental del ciclo de vida del compost son abordadas en esta tesis. Unidades funcionales relacionadas con la calidad, aparte de la producción, se han utilizado y con ellas las diferencias ambientales entre opciones de fertilización se suavizan o invierten. Esta tesis también proporciona una descripción de las magnitudes, las dinámicas y los factores limitantes para cada uno de los beneficios de la aplicación de compost considerados y analiza los temas metodológicos clave para su cuantificación con LCA. Además, según los resultados obtenidos con la norma PAS2050, la Carbon Footprinting (CF) subestima los valores ambientales comunicados a los consumidores, debido principalmente a los bienes de capital. La tesis también incluye una de las pocas tentativas de aplicar el Social Life Cycle Assessment y el Life Cycle Sustainability Assessment, que evalúa los fertilizantes minerales nitrogenados y el compost a lo largo de su ciclo de vida. Por último, se presenta una primera aproximación a la perspectiva de la planificación territorial en relación a la aplicación de compost y su uso combinado con agua contaminada por nitratos. Concluyendo, esta tesis es un paso relevante hacia la sostenibilidad para la producción y aplicación de compost y ofrece un enfoque multidisciplinario del sistema. Entre otros, futuros estudios deberían abordar o profundizar en: el uso de compost en el largo plazo, las alternativas para la asignación de las cargas del compost entre cultivos, las tasas de mineralización, los potenciales efectos negativos del uso de compost en LCA, las adecuadas categorías de impacto ambiental para la evaluación del uso de compost, y el mayor desarrollo de las herramientas para la sostenibilidad. / Facing the rapid collapse of landfills, along with high impacts related to biodegradable waste dumping, and the low organic matter contents in Mediterranean soils, composting arises as a relevant option to close the organic matter and nutrient cycles. Nevertheless, specific, real and quantitative data about compost technologies and application and from several perspectives, are necessary. Life-cycle-thinking tools are methodologies to construct environmental, social and economic profiles of production systems along their life cycle. This dissertation presents a holistic approach of compost, including all the stages of its life cycle and assessing environmental performance, agricultural viability, as well as consumer, territorial and other sustainability perspectives. In addition, methodological improvements for the different assessments of compost production and application are proposed. Real data from two composting sites, at home and full scale, as well as real data from horticultural fields have been collected within the framework of the thesis. Subsequently, these data are used on the environmental and agricultural assessment of compost production and application, taking into account several horticultural crops, fertilization options and open field/greenhouse. Regarding agronomic performance, sufficient yields and quality of the crops are only assured when compost is accompanied by a source of rapid nitrogen release. The outcomes state industrial composting production as the main source of environmental impact in the entire life cycle. This result implies that cultivation options with compost, and when avoided burdens from not landfilling the OFMSW are considered, are more environmentally friendly for 3 out of 7 impact categories and have similar impacts for 2. Home composting seems to be an environmentally better alternative than industrial composting for resources consumptions, even though it has major gaseous emissions. Two methodological issues regarding compost LCA are discussed in the dissertation. When functional units related to quality, apart from production ones, are considered, the environmental differences among fertilization options are tempered or reversed. The dissertation also provides a description of the magnitude, dynamics and limiting factors for each of the considered benefits of compost application and discusses the key methodological issues for their quantification within LCA. Furthermore, according to the results using the PAS2050 standard, Carbon Footprinting underestimates the environmental figures communicated to consumers, mainly due to capital goods. The dissertation also includes one of the few attempts to apply Social Life Cycle Assessment (SLCA) and Life Cycle Sustainability Assessment (LCSA). It consists on the assessment of nitrogenated mineral fertilizers and compost along their entire production life cycle. Finally, territorial planning perspective regarding compost use in horticulture and the combined use of nitrate polluted water as a source of rapid nitrogen are overviewed. In conclusion, this thesis is a relevant step towards sustainability taken by compost production and application and offers a multidisciplinary approach of the system. Among others, future research should focus on: compost application in the long-term, alternatives for the allocation of compost burdens among crops, mineralization rates, potential drawbacks of compost application in LCA, suitable environmental impact categories for the assessment of compost application, and further development of sustainability tools.

Esta tesis doctoral trata sobre explorar y desarrollar procedimientos para poder incorporar herramientas de análisis espacial, y en concreto Sistemas de Información Geográfica (SIG o GIS en sus siglas en inglés), en una de las aproximaciones posiblemente más interesantes para estudiar temas de sostenibilidad: el Análisis Integrado Multi-Escala del Metabolismo de las Sociedades y Ecosistemas (MuSIASEM en sus siglas en inglés). En particular, estamos ante un ejercicio metodológico con el propósito de desarrollar, ensayar y proponer herramientas que puedan ser utilizadas para la evaluación integrada de la sostenibilidad de sistemas socio-ecológicos, y en concreto de sistemas rurales. Así pues, esta tesis combina discusiones a nivel teórico con casos de estudio prácticos. El desarrollo de una metodología robusta ha supuesto tratar con teorías sobre complejidad, mientras que las pruebas y calibraciones de los métodos resultantes requerían trabajo empírico con casos prácticos reales. Así pues, esta tesis se desenvuelve a través de tres partes principales: una primera parte introductoria que desarrolla la teoría, una segunda parte con tres casos de estudio y una tercera parte con reflexiones sobre las lecciones aprendidas respecto a la metodología. La primera parte está dividida en tres capítulos donde primero realizo una introducción general al contexto en que se basa y motiva esta tesis, un segundo capítulo en el cual explico la aproximación MuSIASEM, sus teorías de fondo y en donde justifico la elección del uso de esta aproximación frente a otras, y un tercer capítulo donde desarrollo la teoría y metodología general para analizar sistemas rurales probadas en la segunda parte. La segunda parte de la tesis contiene el núcleo de esta investigación aplicada; los tres casos de estudio. La primera aplicación se trata de un caso de estudio del Laos rural, donde desarrollo un sistema de contabilidad capaz de mover la información cuantitativa sobre el funcionamiento metabólico de ciertas tipologías de sistemas agrícolas a través de niveles y escalas, basándome en la información sobre uso del suelo y SIG. Este método cuantitativo puede escalar hacia arriba y hacia abajo la caracterización de elementos definidos a diferentes niveles jerárquicos de organización, los cuales pueden ser solo percibidos y representados en dominios descriptivos no equivalentes. El segundo caso de estudio fue realizado en Guatemala e incluyó trabajo de campo empírico. Allí, establecí un procedimiento para generar información geográfica a nivel local para ser utilizado en el análisis metabólico del sistema, para luego poder simular escenarios teniendo en cuenta los limitantes impuestos por la geografía de la zona. El tercer caso de estudio es más complejo, pues se trata de un análisis de la Isla de Mauricio, en el cual se integran muchas dimensiones y escalas (energía, alimentos, agua, dinero, uso del suelo, actividad humana), y se generan y analizan datos a través del uso de SIG y teledetección para simular posibles escenarios de desarrollo. La parte final de la tesis desarrolla primero algunas reflexiones sobre el ámbito particular de esta tesis (el uso de SIG en MuSIASEM), y por último un capítulo concluyendo con algunas observaciones teóricas. / This doctoral dissertation is about exploring and developing procedures making it possible to incorporate spatial analytical tools, and more concretely Geographic Information Systems (GIS), into one of the most interesting approaches to study sustainability issues: the Multi-Scale Integrated Analysis of Societal and Ecosystem Metabolism (MuSIASEM). In particular, this is a methodological exercise having the goal to develop, test and propose tools that can be used for the integrated assessment of the sustainability of socio-ecological systems, and more specifically rural systems. Therefore, this thesis combines both theoretical discussions and practical case studies. The development of a robust methodology required dealing with the theory of complexity, whereas the test and calibration of the resulting methods required ground-based with empirical work. Thus, the dissertation goes through three main parts: an introductory part developing the theory, a second part with the three case studies and a third part with the conclusive reflections on the lessons learned about the methodology. The first part is divided in three chapters where I firstly make a general introduction to the context motivating this thesis, a second chapter in which I explain the MuSIASEM approach, the background theories and I justify why I have chosen this approach rather than others, and a third chapter where I develop the general theory and methodology to analyse rural systems tested in the second part. The second part of this dissertation contains the core of the applied research; the three case studies. The first application is a case study of rural Laos, where I develop a system of accounting capable of handling the quantitative information about the metabolic performance of typologies of farming systems across levels and scales based in the land use and GIS information. This quantitative method can scale-up and scale-down the characterization of elements defined on different hierarchical levels of organization, which can only be perceived and represented on non-equivalent descriptive domains. The second case study was undertaken in Guatemala and it included empirical field work. There, I established a procedure to generate geographic information at local level to be used for the metabolic analysis of the system, in order to later simulate scenarios taking into account geographic constraints. The third case study is more complex, it is an analysis of Mauritius Island integrating many dimensions and scales (energy, food, water, money, land use, human activity) and handling data through the use of GIS and remote sensing to simulate possible scenarios of development. The final part of the dissertation develops some reflections about the particular scope of this thesis (the use of GIS in MuSIASEM), and a last chapter of concluding theoretical remarks.

El canvi global és un procés de caràcter global, amb una complexitat que en fa necessari l’estudi a múltiples escales, incloent-hi la local. La conca mediterrània és una regió especialment apropiada per al seu estudi, on històricament s’ha produït una important interacció entre societat i medi, responsable de la seva actual diversitat de paisatges. A partir del segle XIX, i especialment durant el segle XX, les zones de muntanya de Catalunya i de la Mediterrània en general han experimentat grans canvis socioeconòmics, derivats de la transició des d’una societat rural cap a una societat industrial, que han resultat en l’abandonament del poblament dispers i les activitats primàries associades en favor de les zones urbanes industrialitzades. Aquests canvis es plantegen com a responsables d’importants transformacions socioecològiques, actuant com a forces inductores del canvi d’usos i cobertes del sòl i de les transformacions paisatgístiques. La ubicació biogeogràfica de l’àmbit d’estudi, entre les serralades del Montnegre i del Montseny és molt apropiada per a l’estudi del canvi global a escala local. La dualitat entre el poblament dispers de l’àmbit d’estudi, vinculat a les activitats primàries, i la vila de Sant Celoni, històricament vinculada a les activitats artesanes i comercials, esdevé de gran interès per a estudiar el procés d’industrialització. Per a l’anàlisi d’aquests processos s’ha partit d’una perspectiva històrica holística i interdisciplinària, que permetés integrar el component socioeconòmic i el component biofísic dels sistemes socioecològics en un marc temporal ampli. La quantificació i la representació cartogràfica dels canvis en els usos de cobertes del sòl entre 1956 i el 2010 ha estat un dels eixos centrals d’aquest treball, que s’ha complementat amb les dades procedents de la documentació fiscal (amillaraments) disponible per a l’àmbit d’estudi a mitjans del segle XIX. Els resultats cartogràfics obtinguts per a 1956 i 2010 han permès analitzar els canvis en la configuració paisatgística producte del canvi d’usos i cobertes. El procés més destacat és la important disminució de les cobertes agrícoles, responsable d’una pèrdua d’espais oberts, i associat a la regressió de les activitats primàries. En canvi, les cobertes associades als usos residencials i industrials han crescut de forma destacada resultat del creixement industrial i demogràfic de Sant Celoni i d’un procés de suburbanització a escala de la regió metropolitana de Barcelona. Una de les conseqüències de la regressió de les activitats primàries és la pèrdua del patrimoni socioecològic associat, resultat de la interacció entre els éssers humans i el medi. En aquest treball s’ha estudiat aquest patrimoni, vinculat a un marc espacial i temporal determinat, i inscrit en una determinada cosmovisió, que el procés d’industrialització ha debilitat i transformat. Partint d’aquest context, l’objectiu principal d’aquesta tesi és descriure i analitzar els components del procés de Canvi Global a una escala local, prenent com a cas d’estudi el municipi de Sant Celoni. / Global change is a global process whose complexity requires multiple scales of study, including the local one. The Mediterranean region is particularly suitable for it, because historically there has been a significant interaction between society and environment, responsible for its current landscape diversity. Since the nineteenth century, and especially during the twentieth century, the mountain areas of Catalonia and the Mediterranean have experienced major socio-economic changes, related with the transition from an agrarian society to an industrial one, which have caused the abandonment of the dispersed farmhouses and its associated agrarian activities in favor of industrialized urban areas. These changes are considered to be responsible for important socioecological transformations, acting as driving forces of land use and land cover changes as well as landscape transformations. The biogeographical location of the study area, between the Montseny and the Montnegre mountains, is well suited for the study of global change at a local level. The duality between the dispersed farmhouses and the town of San Celoni, historically linked to craftwork and trade, becomes of great interest in order to study this industrialization process. For the analysis of these processes, a holistic and interdisciplinary historical perspective is required, allowing to integrate the socioeconomic and biophysical components of socioecological systems. Quantification and cartographic representation of changes in land use land cover between 1956 and 2010 was one of the central aims of this thesis, which has been compared with data from tax documentation (amillaraments) available for the study area in the mid-nineteenth century. The maps obtained for 1956 and 2010 allowed to analyze changes in land use and land cover, and changes in landscape configuration. The most important process detected is the significant reduction of crops, related with the regression of the primary sector, and responsible for the loss of open spaces. However, land covers associated with residential and industrial uses have grown as a result of the industrialization and the population growth of Sant Celoni, as well as suburbanization processes at a metropolitan region scale. One consequence of the decline of the primary activities is the loss of its associated socio-ecological heritage, which results from the interaction between humans and the environment. In this study, it has been considered that this heritage is linked to a particular spatial and temporal context, and embedded in a particular worldview, weakened and transformed by industrialization. In this context, the main objective of this thesis is to describe and analyze the components of Global Change at a local scale, taking the municipality of Sant Celoni as a case study.

En aquesta tesi s’ha desenvolupat un model de transport reactiu que integra tots els processos principals i secundaris que afecten la desnitrificació in situ induïda a diferents escales de treball. Així, l’eina obtinguda relaciona els processos biològics induïts quan s’afegeix un donador d’electrons a l’aqüífer amb els processos geoquímics (interacció aigua-roca) i la geoquímica dels isòtops. A la primera part de la tesi (Capítol 2) és on s’ha desenvolupat el model conceptual i on s’han establert les relacions que existeixen entre la microbiologia i la geoquímica prèvia de l’aqüífer a escala de batch. D’altra banda, també s’ha desenvolupat el model conceptual de tota la geoquímica isotòpica associada al procés (δ15N-NO3-; δ18O-NO3- i δ13C-DIC incorporant tota la geoquímica del δ13C). En aquest sentit, s’ha desenvolupat un dels models biogeoquímics més complets de la literatura relacionats amb la desnitrificació in situ induïda. El model s’ha calibrat emprant dos experiments a escala de batch realitzats amb etanol i glucosa com a fonts de carboni externa. En tots dos casos, s’han obtingut molt bons ajustos amb les dades experimentals. A més, el model també incorpora l’acumulació de nitrit en el cas de l’experiment de la glucosa. L’avaluació dels processos geoquímics induïts per l’EIB ha posat de manifest que en funció de la font de carboni s’indueixen processos de precipitació (en el cas de l’etanol) i processos de dissolució de carbonats (en el cas de la glucosa). Aquests dos processos poden alterar la velocitat de l’aigua i crear importants problemes operacionals durant l’EIB. També s’han incorporat els processos de fraccionament isotòpic del nitrat millorant l’avaluació de l’abast de la desnitrificació en els models a escala de camp. Un cop elaborat el model biogeoquímic que estableix el model conceptual que quantifica les interaccions entre els diferents processos que hi intervenen, el model s’ha escalat a un cas de desnitrificació induïda a escala de camp en un aqüífer fracturat (Roda de Ter (Osona, Espanya)). En aquest apartat de la tesi (Capítol 3), s’ha perseguit avaluar quin era l’impacte del canvi d’escala en els paràmetres biogeoquímics. A més a més, també s’ha determinat el canvi de porositat induïda per la precipitació de calcita. Finalment, la incorporació dels isòtops al RTM ha permès comparar qualitativament i quantitativament l’extensió dels processos de desnitrificació calculats pel RTM i per l’equació de Rayleigh. Els resultats demostren que l’equació de Rayleigh descriu bé, en termes qualitatius, l’extensió de la desnitrificació, però en general la subestima entre un 60 i un 80%. Finalment, un cop avaluada l’aplicabilitat del model tant a escala de batch com a l’escala de camp, s’ha desenvolupat un model que reprodueix diferents escenaris d’injeccions de carboni orgànic en un experiment de columna de llarga durada considerant els canvis sobre les propietats hidràuliques produïts pel creixement microbià. Així, s’ha determinat que el creixement del biofilm va augmentar set cops la dispersivitat, augmentant, per tant, la heterogeneïtat del sistema i, conseqüentment, es va produir un canvi del model conceptual del flux i del transport del transport normal al transport no-Fickià. Aquesta transició es va caracteritzar emprant un model de transferència simple de massa. A més a més, el model de llarga durada ha permès determinar que freqüències d’injecció més espaiades en el temps produeixen un impacte menor en les propietats hidràuliques del medi. A més a més, les estratègies d’injecció amb la relació Carboni:Nitrogen per sota de l’estequiomètrica es poden emprar per a minimitzar el risc de bioclogging mantenint les taxes de degradació, sempre i quan hi hagi una població important de microorganismes. / In this thesis, an integrated reactive transport model has been developed that takes into account microbiology, geochemistry, and isotope geochemistry. The first section of the thesis (Chapter 2) addresses the development of a biogeochemical model with isotope geochemistry. The goal of this chapter is the setup of the conceptual relationships among microbiology, geochemistry, and isotope geochemistry (δ15N-NO3-, δ18O-NO3-, δ13C-DIC, and all geochemistry of δ13C) during Enhanced in situ Biodenitrification. Thus, one of the most complete biogeochemical models in the literature of EIB has been developed. The model was validated with a batch-scale biodenitrification experiment using groundwater and sediment from a Roda de Ter (Osona, Spain) site and two different external organic carbon sources, i.e., ethanol and glucose. In both cases, the model fit notably well with the experimental data. Moreover, the developed model also incorporated the nitrite accumulation observed in the glucose experiment. Consideration of the water-rock interaction in the model determined that if ethanol is used as an organic carbon source, carbonate mineral precipitation is induced, whereas if glucose is used, carbonate mineral dissolution is observed. Moreover, nitrate isotope incorporation facilitated the determination of the extent of denitrification at the field scale. Finally, the incorporation of a carbon isotope flow in the model was another tool used to verify the full consistence of the model due to the central role of inorganic carbon in biodenitrification and water-rock interactions. Moreover, modeling of carbon isotope flow showed that both ethanol and glucose were inversely fractionated. After the conceptual model was carried out, it was applied to an Enhanced in situ Biodenitrification application in fractured media (also Roda de Ter (Spain)). The main goal of this chapter is to incorporate the groundwater flow equations into a previously develop biogeochemical model and to validate it in media with a complex hydrogeology. It was observed that certain batch parameters can be used directly in the field (maximum consumption rate of electron donor (kmax) and stoichiometric relationships) and that the other parameters (saturation constants (Ks) and decay (b)) should be adapted, but the modifications involved less than one order of magnitude. Moreover, the induced calcite precipitation caused a change of porosity of less than 3%. As a secondary goal, the use of the Rayleigh equation to determine the extent of EIB was also verified from a practical perspective. The model demonstrated that the Rayleigh equation underestimated the percentage of degradation by approximately 60-80% and increasingly at the fringes of the plume. Chapter 4 focuses on a model that reproduces the system under different injection conditions and with the presence of important biofilm growth. This chapter evaluates how different feeding strategies modify the hydraulic properties of the media. It was observed that a weekly feeding strategy did not modify the hydraulic properties of the media, whereas daily feeding significantly modified the dispersivity. These changes in dispersivity implied an increase in heterogeneity and a consequent change in the conceptual model of flow transport along the column from normal to non-Fickian. This transition was well characterized using a single-rate mass transfer model. Moreover, the long-term model demonstrated that use of a feeding strategy with less carbon than predicted by stoichiometry implied a reduction of biomass without a reduction in nitrate degradation rates (because of the presence of an important biomass population). Overall, the elaboration of this thesis has contributed to the knowledge of all processes involved in Enhanced in situ Biodenitrification and their quantification using numerical models. The developed model will allow improvement in the design, planning, monitoring and optimization of this technology at the field scale.

Les invasions biològiques no són noves, però l'acceleració i la intensificació d'activitats humanes com el comerç global, el turisme i les migracions han estat acompanyades del transport intencionat o involuntari d'espè cies a regions llunyanes a les seves àrees de distribució naturals. Algunes d'aquestes espècies transportades poden esdevenir invasores, i algunes d'aquestes invasores poden ocasionar tant impactes ecològics com socioeconòmics. A causa de l'acceleració i la intensificació de les invasions biològiques, i de les seves conseqüències adverses, aquest fenomen és considerat actualment un dels majors components del canvi global. Aquesta tesi tracta els factors que expliquen els patrons de distribució d'espècies de plantes exòtiques a escala regional. Aquesta escala és una de les menys explorades en la biologia de les invasions biològiques possiblement perquè depèn de la qualitat de la base de dades de partida. S'ha explorat la distribució de les plantes invasores a Espanya segons el Atlas de las plantas alóctonas invasoras de España i s'ha trobat que les àrees més envaïdes estan prop de la costa en zones molt antropitzades i que les plantes més amplament distribuïdes són dispersades pel vent. La dispersió pel vent i la reproducció clonal també expliquen diferències en la velocitat d'expansió de cada espècie. L'amplitud del nínxol ecològic de les plantes invasores també depèn d'aquestes i d'altres característiques vitals com la longevitat. Hi ha un gran solapament de nínxols entre espècies, fet que explica que les espècies, tant les més amplament distribuïdes com les més rares es trobin concentrades en certes àrees del territori. A escala de Catalunya també s'ha trobat que la riquesa d'espècies de plantes exòtiques a escala local ve explicada per variables de paisatge i climàtiques diferents de les que expliquen la riquesa d'espècies natives. Tots aquests resultats centren les bases per poder predir tant el risc del grau d'invasió per espècies exòtiques sota diferents condicions ambientals, per exemple de canvi climàtic, com quines espècies que encara no han estat introduïdes poden ser les més invasores. / Invasions are not novel but the acceleration and intensification of human activities such as global trade, tourism and people migration has been accompanied by the intentional or unintentional transport of species to regions far from their natural ranges. Some of these transported species might become invasive, and some can cause ecological and socioeconomic impacts. Due to the acceleration and intensification of the biological invasions phenomena, and their adverse consequences, they are considered as a major component of global change. This thesis accounts for the factors that can explain species distribution patterns at regional scale. This scale-level is one of the less explored in the biological invasions biology because it depends on the quality of the databases. We have explored the distribution of the invasive plants in Spain according to the Atlas of Alien Plant Species in Spain and we have found that coastal and highly humanized areas are the most invaded, and that the species dispersed by wind are those with wider distribution range size. Wind dispersal and clonal reproduction also explain differences in the rate of spread of each species. Ecological niche breadth also depends on these and other traits such as longevity. There is a high niche overlapping among species, what explain that both broadly distributed species and restricted species are concentrated in certain areas (hot-spots). At Catalonia's level, we have also found that the alien species richness at local scale can be explained by landscape and climatic factors, different from the factors that explain native species richness. All this results are the basis for a future invasion risk prediction from the point of view of the regional level of invasion under different environmental conditions, for example climate change, and from the point of view of the species under the pressure of new species introductions.

Aquesta tesi fa una contribució al tractament de les limitacions en les dades de biodiversitat, presències d'espècies, per a produir mapes útils en la conservació de la biodiversitat mitjançant l'ús dels models de distribució d'espècies (SDM). La tesi es concentra en les espècies d'interès per a la conservació (EIC) i les espècies exòtiques invasores (EEI) ja que representen dos objectius complementaris: preservar valors i evitar amenaces. Les àrees protegides són una eina clau en la protecció de la biodiversitat. El seguiment dels canvis en els seus límits és també un repte en la gestió de la informació. Aquesta tesi proposa un sistema d'informació per al seguiment de la protecció de la biodiversitat, lligant així l'anàlisi dels patrons espacials de la mateixa amb la seva protecció. La conservació de la biodiversitat necessita dades de presència d'espècies i eines analítiques per tal de generar coneixement sobre el qual basar polítiques de conservació. La majoria de dades són problemàtiques: escasses, esbiaixades, no extensives, de baixa resolució i amb problemes d'exactitud. Els avenços recents en estadística, informàtica i tecnologies de la informació han posat a disposició dels investigadors un ampli ventall d'eines per afrontar aquest problema; els SDM en són una. Primer s'analitza l'ús dels SDM per a generar mapes de distribució d'EIC quan se'n coneix la seva àrea d'extensió (EOO) i les dades de presència són escasses però de qualitat alta. S'han utilitzat set plantes vasculars endèmiques de l'oest de la Mediterrània com a cas d'estudi. Per tal d'avaluar la conservació i protecció de les espècies es poden utilitzar mapes potencials d'idoneïtat (MPI) en combinació amb l'EOO. En segon lloc, s'ha explorat l'ús de les dades existents en bases de dades de biodiversitat per a la conservació. La majoria d'aquestes dades són a resolucions massa grolleres per a ser usades en planificació de la conservació mentres que les dades de resolució fina són escasses. Es poden generar mapes vàlids de resolució fina combinant ambdós tipus de dades; utilitzant les, grolleres per a fer una segona validació. S'han utilitzat deu EEI com a cas d'estudi. Finalment, es proposa un sistema d'informació orientat al seguiment temporal de l'àrea total protegida (indicador de la protecció de la biodiversitat). El sistema pot fer el seguiment dels canvis en els límits de les àrees protegides al llarg del temps i també dels canvis que es produeixen durant el procés de tramitació legal. El sistema pot servir d'ajut en l'avaluació del grau de protecció de la biodiversitat i en descobrir les raons socio-econòmiques que governen la delineació dels límits. Malgrat tots els problemes que presenten les dades de presència d'espècies, els SDM representen una valuosa eina per a generar mapes útils en la conservació de la biodiversitat. Tot i així, en el cas de dades de qualitat pobre o desconeguda és necessari disposar d'un altre conjunt de dades que serveixi de referència per validar-los. D'altra banda, quan existeixen dades de qualitat disponibles, els models resultants poden ser acceptats com a la millor aproximació disponible a la distribució de l'espècie. Les assumpcions són inherents als SDM. Quan es desconeix la incertesa de les dades, l'única via possible és actuar amb rigor i utilitzar els resultats com a les millors estimacions possibles; una solució millor que no tenir cap mena d'informació. No fer-ho així implicaria haver de descartar tota aquesta riquesa d'informació. La conservació de la biodiversitat no es pot permetre esperar a que existeixin dades perfectes. Un ús raonat de les dades i de les tècniques de modelització disponibles pot donar valor a les dades existents de biodiversitat per tal d'oferir productes d'informació vàlids per a la conservació. / This dissertation makes a contribution on how to deal with constraints in biodiversity data, species' occurrences, for producing maps useful in conservation planning and management by the use of species distribution modelling (SDM). It concentrates on the distribution modelling of species of conservation interest (SCI) and of invasive alien species (IAS) since they can be aimed at two complementary objectives: preserving values and avoiding threats. Protected areas represent a crucial tool in the protection of biodiversity while keeping track of changes in their boundaries represent an information management challenge. This dissertation proposes an information system as a tool for monitoring biodiversity protection, bridging the analysis of spatial patterns of biodiversity with its protection. Biodiversity conservation needs data on species' occurrences and analytical tools in order to gain knowledge on which to base wise policies. Most data at hand are problematic: scarce, biased, not extensive, often at coarse resolutions and with accuracy problems. However, recent advances in statistics, computer science and information technologies have provided researchers with a plethora of tools to tackle this problem. SDM offers a wide array of statistical analysis and algorithms aimed at different kinds of species' occurrence data and research objectives. This dissertation first analyzes the use of SDM to generate range maps of SCI distribution when the species' Extent of Occurrence (EOO) is well-known and there is scarce, but of high quality, occurrence data. Seven endemic vascular plants of the western Mediterranean are used as an example. Derived binary maps of potentially suitable areas (PSA) in combination with the EOO can be used to assess species' conservation and protection. Valuable information for conservation assessment (PSA, EOO, Areas of Occupancy, degree of protection) is provided for this set of species. Second, the use of already existing data in biodiversity databases for conservation is explored. Most of these data are at resolutions too coarse to be useful in conservation planning while fine-resolution data are scarce. By combining both sets, coarse and fine, fine-resolution reliable maps for conservation planning can be produced. Abundant reliable coarse resolution data can be used to cross-scale validate distribution maps generated at finer resolution with scarce dubious data. Ten IAS are used as a study case. The spread of IAS is an important factor affecting native biodiversity. Maps of vulnerable areas to invasion are needed in biodiversity conservation. Finally, an information system aimed at monitoring protected area coverage over time, a surrogate indicator of biodiversity protection, is proposed. It can keep track of historical changes in protected areas' boundaries as well as interim changes made during the legal approval administrative process. The system can help in assessing biodiversity protection and in discovering the socio-economical reasons that govern the delineation of protected areas' boundaries. Despite the many problems that species' occurrence data have, SDM tools represent a valuable asset for providing distribution maps useful in conservation. However, in the case of poor or unknown quality data, a target benchmark on which to compare is always necessary. On the other hand, when good quality data is available, resulting models can be accepted as our best approximations to species' ranges. Assumptions are inherent to SDM. When uncertainty is unknown, the only way out is to be as rigorous as possible and use results as our best educated guesses; a better solution than not having any information. Not doing so would render all this wealth of information useless. Conservation can not afford waiting for perfect data. Sensible use of data and modelling techniques at hand can give value to existing biodiversity data in providing good information tools for conservation.

El cultivo de la hoja de coca (Erythroxylon coca) que es realizado principalmente por pequeños agricultores, es el primer paso y la base de lo que puede ser considerado el agro negocio ilegal más grande en el mundo: la producción de cocaína. La literatura sobre cultivos de uso ilícito considera generalmente los factores globales y nacionales que influyen en la expansión de los cultivos de uso ilícito, sin embargo poca atención se ha puesto en los factores locales asociados a las zonas cocaleras. Desde 1994, el estado colombiano con la ayuda del gobierno de Estados Unidos, ha fomentado una guerra contra las drogas basada principalmente en las fumigaciones aéreas de cultivos de coca, una política que ha sido cuestionada por su inefectividad y sus impactos socio-ambientales. Esto deja una pregunta de fondo: La política antidrogas realmente se basa en un diagnostico real de la compleja realidad asociada a la expansión de los cultivos de coca?. Planteamientos simples sugieren que la problemática de producción de cultivos ilícitos (coca) que ha traído serios problemas sociales y ambientales en Colombia, se debe a la existencia de una demanda que dada su ilegalidad genera grandes sumas de dinero, sin embargo esto no explica por qué solo pocos países (Perú, Bolivia y Colombia) y particularmente Colombia son los mayores cultivadores de coca para producción de cocaína. Independientemente de la existencia de una demanda que ofrece grandes sumas de dinero, esto no explica que solo pocos países como Colombia se dediquen a satisfacer esta demanda. En nuestra investigación se realiza un análisis más profundo de los factores asociados a la existencia de cultivos de coca, específicamente analiza los factores económicos, sociales, ambientales e institucionales asociados a la existencia y expansión de los cultivos de coca para uso ilícito. Los análisis son realizados desde una perspectiva regional, teniendo en cuenta los factores particulares que están asociados a las zonas cocaleras. En nuestro análisis utilizamos diferentes metodologías, usamos Análisis Exploratorio de Datos Espaciales (ESDA por sus siglas en ingles) para visualizar y describir la distribución local espacial y la existencia de clusters que expliquen la realidad local, específicamente usamos Indicadores Locales de Asociación Espaciales (LISA por sus siglas en ingles). También usamos regresiones geográficamente ponderadas (GWR por sus siglas en Ingles), este tipo de modelos permitió evidenciar si las relaciones analizadas entre las variables de estudio son realmente constantes en el espacio. Así mismo se demostró que los factores comúnmente asociados a la existencia de cultivos de coca no son constantes sobre el tiempo ya que identificamos cambios entre los dos años de estudio (2001 y 2008). Nuestros análisis también indican que la expansión de cultivos de coca ha producido un proceso de deforestación que ha afectado principalmente ecosistemas naturales de bosque húmedo tropical. La investigación concluye que análisis que tienen en cuenta la realidad local son el mejor camino para entender los verdaderos factores asociados a la expansión de los cultivos de coca para uso ilícito, en Colombia, el cual es un paso fundamental para la formulación de políticas efectivas para la eliminación de los cultivos de uso ilegal. En nuestra investigación encontramos que no existen factores individuales asociados exclusivamente a las zonas cocaleras, sino que es un grupo conjunto de variables las que caracteriza estas áreas. Adicionalmente encontramos que los factores usualmente mencionados en la literatura no son constantes ni espacialmente ni temporalmente, este es otro factor que explica el fracaso de la política antidrogas, pues esta se aplica sin tener en cuenta la compleja realidad local que es heterogénea y compleja. Luego de determinar los aspectos asociados a la existencia de cultivos de coca en Colombia, analizamos la política antidroga existente, particularmente los impactos socio ambientales de esta política, para ello construimos y analizamos por primera vez una base de datos sobre factores sociales, ambientales y económicos, así como lo relacionado a los cultivos de coca y la política de fumigaciones. Realizamos análisis estadísticos para los 1125 municipios de Colombia, durante el periodo 2001 – 2008 y complementamos los análisis estadísticos con observaciones de trabajo de campo, y revisión de literatura. En nuestra investigación cuestionamos la política de fumigaciones y su efectividad y sugerimos que los verdaderos afectados por este tipo de política son la población menos favorecida y el bosque. Finalmente probamos que la expansión de los cultivos de coca ha fragmentado incluso territorios colectivos a través de la expansión de la violencia y el desplazamiento de personas. Sin embargo a través de un caso de estudio probamos que bajo otro esquema de política antidrogas basada en el fomento el fortalecimiento de la comunidad, los territorios colectivos si pueden frenar la expansión de los cultivos de coca. / The cultivation of coca (Erythroxylon coca) by smallholders represents the first step in the largest illegal agribusiness in the world: cocaine. The literature on illicit crops generally considers the global and national factors that influence its expansion but little attention is paid to the local conditions where cultivation takes place. Since 1994, the Colombian state, with the aid of the U.S., has waged a war on drugs based on air fumigation of coca plantations, a policy that has faced questions regarding its ineffectiveness and socio-environmental impacts. This leaves one fundamental question: Is anti-drug policy really based on an accurate diagnosis of the complex reality associated with the expansion of coca crops? Simple approaches suggest that the problems of the production of the coca crops that have brought serious social and environmental problems to Colombia owe their existence to a demand that, being illegal, generates huge quantities of money. However, this does not explain why just a few countries (Peru, Bolivia and especially Colombia), are the biggest cultivators of coca for the production of cocaine. The existence of a demand that offers such large sums of money should not imply that particular countries should involve themselves in the satisfaction of this demand. This study analyzes the economic, environmental, institutional and social factors associated with the existence and expansion of coca crops for illicit use. We do this from a regional perspective, by taking into account the particular factors that characterize the areas associated with coca municipalities. For the proposed analysis we use various methodologies, including Exploratory Spatial Data Analysis (ESDA) to visualize and describe the local spatial distributions and clusters, and Local Indicators of Spatial Association (LISA) for the year 2001 and 2008. We also use Geographically Weighted Regression (GWR) models to show that the relationships between the analyzed variables and the coca crops are not constant over space. Similarly, it is demonstrated that the factors commonly associated with the expansion of coca crops are not constant with respect to time, as changes can be seen between the years of the study (2001 and 2008). Our analysis also indicates that the expansion of coca cultivation has led to deforestation, mainly affecting humid tropical forested ecosystems. Our investigation concludes that analysis including the local reality offers the best way of understanding the factors associated with the expansion of illicit coca crops in Colombia, a fundamental step in the formulation of effective policies regarding the reduction of crops for illicit use (coca). We found that no single factor is exclusively associated with the coca areas, which are in fact characterized by a group of common factors; additionally, we discovered that the factors usually mentioned in the literature are neither spatially nor temporally constant, another explanatory factor in the failure of anti-drug policy to date, which is applied without consideration of the heterogeneous and complex local reality. After determining the aspects associated with the presence of coca cultivation in Colombia, we analyze the anti-drug policy that is currently in place and evaluate the social and environmental aspects of this policy. For the first time, we construct and perform statistical analysis on a spatial database with social, economic, environmental, coca-production and fumigation data for all 1125 municipalities in Colombia over the period from 2001 to 2008. We complement statistical analysis with in-situ observations and a secondary literature review. Our statistical analysis provides quantitative evidence to back up previous claims based on victims' experiences, single case studies and ethnographic observation. We question the effectiveness of the fumigation policy and suggest that what the war on drugs actually succeeds in eradicating is not coca, but humans and the forest. Finally, we show that the expansion of coca crops, with the associated increase in violence and displacement of people, has fragmented collective territories. However, with one case study we show that using another type of anti-drug policy based on encouraging the strengthening of communities, collective territories can succeed in curbing the expansion of coca crops.

Con el fin de identificar y comprender la secuencia de eventos y los mecanismos involucrados en las transiciones glaciales-interglaciares y el establecimiento de los posteriores períodos interglaciares, es esencial mejorar nuestro entendimiento acerca de la variabilidad del clima y la sensibilidad del océano en áreas clave como el Atlántico Norte a escalas de tiempo de alta resolución. El Atlántico Norte es una región muy sensible a los cambios de las condiciones climáticas durante terminaciones glaciares debido a su proximidad a las capas de hielo del Hemisferio Norte. Por otra parte, el Atlántico Norte es una región de formación de aguas profundas, lo cual es crítico en el ajuste del modo de la circulación meridional atlántica (AMOC). Por tanto, cualquier perturbación en esta región es de importancia global. Reconstrucciones climáticas del Atlántico Norte durante el último periodo interglacial (Estadio Isotópico Marino 5e, en sus siglas en inglés, MIS 5e) revelan condiciones climáticas en común con las proyecciones que los modelos climáticos predicen para el siglo 21, bajo la continua influencia humana y el aumento de gases de efecto invernadero. Por tanto, el período MIS5e se considera un buen análogo para el futuro calentamiento climático. Esta tesis contribuye en este sentido con reconstrucciones climáticas de alta resolución que muestran la variabilidad de la climatología superficial oceánica del Atlántico Norte durante el actual (Holoceno) y el último (MIS5e) períodos interglaciares y sus respectivas previas deglaciaciones (T1, T2): las secuencias MIS6-T2-MIS5e (150-105 ky) y MIS2-T1-Holoceno (25-0 ky) secuencias. Los datos se generan a partir de muestras de sedimento marino procedentes del punto de sondeo ODP 976 en el Mar de Alborán, Mediterráneo occidental, que recibe las señales del clima del Atlántico Norte a través de la atmósfera y la advección de aguas superficiales atlánticas que entran en el mar Mediterráneo a través del estrecho de Gibraltar. Se presentan series temporales de “proxies” medidos en el foraminífero planctónico, Globigerina bulloides, relativos a temperatura superficial del océano (derivada de la proporción Mg/Ca, SSTMg/Ca) y d18O, los cuales se combinan para indicar la variabilidad salinidad de la superficie del océano (d18Osw). Las altas tasas de sedimentación en ODP 976, (del orden de 23 cm/ky; Bernasconi et al., 1999), nos permiten resolver la variabilidad a escalas de tiempo de centenal a multi-decenales. A fin de evaluar el grado en que los perfiles generados ODP976 de hecho representan la climatología marina de la zona se comparan con perfiles similares en otros puntos de referencia en el Mar de Alborán , ODP 977 ( Martrat et al., 2004) y MD95-2043 (Cacho et al., 1999, 2002); en el margen Ibérico occidental, MD95-2042 (Shackleton et al., 2000, 2002, 2004), MD95-2040 (Schönfeld et al., 2003), MD99-2339 (Voelker et al., 2006) y MD99-2334 (Skinner et al., 2003), y con registros de d18O de testigos de hielo de Groenlandia: NGRIP (NGRIP members , 2004), NEEM (NEEM community members, 2013 ) y el registro sintético de variabilidad climática (Barker et al., 2011). Durante la secuencia de MIS2-T1-Holoceno, los perfiles de datos están estrechamente correlacionados, mostrando los registros del ODP976 una mayor resolución temporal, confirmando así la calidad de estos registros para representar la evolución climática del Atlántico Norte. Las diferentes secuencias captan características transiciones en múltiples pasos relacionados con la incursión de la acelerada desintegración de las capas de hielo, aunque a diferentes magnitudes y tiempos relativos. La característica más frecuente de ambas terminaciones glaciales es el calentamiento acelerado de 5-6 °C inmediatamente después de los respectivos períodos de deshielo deglacial asociados a los eventos Heinrich H1 y H11. Durante T1 esto ocurre hace ~15 ky, es decir, durante el episodio Bølling/Allerød, cuando on ODP 976 se registra un calentamiento de SSTMg/Ca a niveles interglaciares de 20°C. Hace 12,5 ky, las SSTMg/Ca descienden ~4-4,5 °C durante el período “Younger Dryas” (YD) que se documenta en los registros ODP 976 como un evento en dos fases, con un período seco y frío inicial entre 12,5-12 ky seguido de un intervalo más húmedo comprendido entre 12-11,5 ky. Durante el Holoceno, las SSTMg/Ca se estabilizan alrededor de 17.5 °C, coincidiendo con mediciones presentes de SST estacional de primavera del Mar de Alborán (MEDATLAS II, Medar Group, 2002). En comparación, T2 estuvo regida casi en su totalidad, por un solo evento masivo deshielo que coincidió con H11 o que contuvo el principal evento de H11 en el mismo. Este evento se destaca claramente en el perfil de SSTMg/Ca y los datos de d18Osw que representan los cambios de salinidad. Este escenario de una oleada masiva de agua de deshielo se apoya en registros bentónicos de d13C del Atlántico Norte (MD95-2042, U1308) que revelan una baja formación de aguas profundas del Atlántico Norte (NADW) y una débil circulación de retorno durante ese período. Una vez el evento H11 llega a su fin, tiene lugar un abrupto e ininterrumpido incremento de SSTMg/Ca de ~ 5 °C en 1 ky, alcanzando los niveles de SST interglaciares (~ 20°C) hace 129 ky. Este incremento de SSTMg/Ca ocurre es coetáneo al rápido establecimiento de flora interglaciar, tal y como evidencian los registros de polen que reconstruyen la expansión de bosque templado y mediterráneo en ODP 976 (Combourieu-Nebout, sin publicar) y el margen ibérico (Sánchez Goñi et al., 2003, 2012; Tzedakis, comunicación personal), lo cual sugiere un inicio sincrónico del período interglacial en ambos ambientes terrestres y marinos. Con el fin de superar las dificultades para obtener datación absoluta de la secuencia MIS6-T2- MIS5e, esta tesis genera un modelo de edad alternativo para los registros del ODP976 basados en la estrecha correlación del Atlántico Norte y la SST del Mediterráneo con la variabilidad del monzón asiático y las precipitaciones del Mediterráneo. Esas variables ambientales se representan en registros de espeleotemas y, por tanto, se correlaciona el registro de SSTMg/Ca del ODP 976 con los perfiles de d18O de las espeleotemas de Antro del Corchia, en Italia (Drysdale et al., 2004, 2009), BD-La Chaise, en Francia (Couchoud et al., 2009) y la Cueva Dongge, en China (Kelly et al., 2006). La transferencia de las cronologías basadas en series de uranio de las espeleotemas a los perfiles de datos del ODP976 ofrece una nueva cronología que ayuda a una mejor correlación de los registros de los testigos continentales, marinos y de hielo. Una incertidumbre importante durante T2 se deriva de la discrepancia observada entre los registros de Corchia y los registros de ODP976 SSTMg/Ca; discrepancia que proponemos posiblemente refleja cambios en las trayectorias atmosféricas durante el evento H11 de masas de aire húmedo que llegan al Mediterráneo. / In order to identify and understand the timing of events and mechanisms involved in glacialinterglacial transitions and the establishment of interglacial periods it is essential to learn about the climate variability and ocean sensitivity of key areas such as the North Atlantic at high resolution time scales. This region is highly sensitive to the changes of climatic conditions during glacial terminations because of its proximity to the Northern Hemisphere ice sheets. Moreover, the North Atlantic is a prime location where surface-to-deep-ocean coupling occurs that is critically involved with setting the mode of the Atlantic Meridional Overturning Circulation. Hence any perturbations in this region likely are of global consequence. North Atlantic climate reconstructions of the last interglacial period (Marine Isotope Stage, MIS 5e) show many features that model projections predict for the 21st century under continuing human influence and increasing greenhouse gas forcing. Hence, the MIS5e period is considered a good analogue for future climate warming. This thesis contributes to this theme with high resolution records that depict the variability of North Atlantic surface ocean climatology during the present (Holocene) and last (MIS5e) interglacial periods and the preceding deglaciations: the MIS6-T2-MIS5e (150-105 ky) and MIS2- T1-Holocene (25-0 ky) sequences. The data are generated for ODP Site 976 in the Alboran Sea, westernmost Mediterranean, which receives North Atlantic climate signals through the atmosphere and the advection of Atlantic inflow waters entering the Mediterranean Sea. Time series are presented of planktonic (Globigerina bulloides) Mg/Ca derived sea surface temperature (SSTMg/Ca) and d18O that both in combination are used to indicate sea surface salinity variability (d18Osw). High rates of sediment deposition at the site, in the order of 23 cm/ky (Bernasconi et al., 1999), allow us to resolve variability at centennial to multi-decadal timescales. In order to assess the extent to which the ODP976 data profiles indeed represent the marine climatology in the area they are compared with similar profiles from other sites in the Alboran Sea, ODP 977 (Martrat et al., 2004) and MD95-2043 (Cacho et al., 1999, 2002); at the western Iberian margin, MD95-2042 (Shackleton et al., 2000, 2004), MD95-2040 (Schönfeld et al., 2003), MD99- 2339 (Voelker et al., 2006) and MD99-2334 (Skinner et al., 2003), and with Greenland ice core d18O records NGRIP (NGRIP members, 2004), NEEM (NEEM community members, 2013) and the synthetic record of Greenland climate variability (Barker et al., 2011). During the MIS2-T1- Holocene sequence the data profiles are tightly correlated while ODP976 consistently displays highest temporal resolution hence confirming the quality of this site as representing the North Atlantic climate evolution. Multiple-step features connected with the incursion of accelerated icesheet disintegration are captured by the ODP 976 palaeo-climatic records across the MIS6-T2- MIS5e and MIS2-T1-Holocene sequences reflecting periodic ice-sheet break down albeit at different magnitudes and relative timing. The most prevalent feature of both glacial terminations is the accelerated warming by 5-6°C immediately after the major deglacial meltwater surges associated with Heinrich events H1 and H11. During T1 this occurs at ~15 ky i.e., during the Bolling/Allerod episode, when ODP976 registers a warming of SSTMg/Ca to full-interglacial levels of 20°C. At 12.5 ky, SSTMg/Ca decreases by ~4-4.5°C into the Younger Dryas cold phase that is documented in the ODP 976 records as a two-phase event with an initial dry and cold period at 12.5-12 ky followed by a more humid interval at 12-11.5 ky. Holocene SSTMg/Ca stabilizes around 17.5°C closely matching today’s Alboran Sea region modern spring SST (MEDATLAS II, Medar Group, 2002). T2 by comparison was almost entirely controlled by a single massive meltwater surge that was coincident with H11 or that embedded the main H11 event in it. This event clearly stands out in the SSTMg/Ca profile and the computed d18Osw data depicting salinity changes. The scenario of a single massive meltwater surge is supported by North Atlantic benthic d13C records (MD95-2042, U1308) revealing low North Atlantic Deep Water (NADW) formation and weak overturning circulation at this time. Once H11 ends, an abrupt and uninterrupted SSTMg/Ca increase of ~5°C occurs within 1 ky, reaching full interglacial SST levels (~20°C) at 129 ky. This SSTMg/Ca shift is accompanied by the rapid establishment of interglacial flora evidenced by an abrupt expansion of temperate and Mediterranean forest pollen taxa in ODP 976 (Combourieu-Nebout, unpublished) and the Iberian margin (Sánchez Goñi et al., 2012; Shackleton et al., 2003; Tzedakis, pers. comm.), which suggests an in-phase onset of the interglacial period in the regional terrestrial and marine environments. In order to overcome the difficulties of obtaining precise dating of the MIS6-T2-MIS5e sequence this thesis attempts generating an alternative age model for ODP976 that exploits the tight correlation of North Atlantic and Mediterranean temperature with the variability of the Asian monsoon and Mediterranean rainfall. Those environmental variables are depicted in speleothem records and hence the ODP 976 SSTMg/Ca record is correlated with the speleothem profiles of Antro del Corchia in Italy (Drysdale et al., 2004, 2009), BD-La Chaise in France (Couchoud et al., 2009) and Dongge Cave in China (Kelly et al., 2006). Transferring the uranium-series dated chronologies of those speleothems to the ODP976 data profiles provides a new chronology that aids an improved correlation of continental, marine and ice core records. A major uncertainty derives from the offset structure of T2 in the Corchia and La Chaise profiles from that of the ODP976 SSTMg/Ca profile which possibly reflects shifted atmospheric trajectories during H11 of moist air masses reaching the Mediterranean.

Field biomonitoring based on molecular biomarkers detects early warning signals of stress suffered by organisms exposed to contamination. The lower part of the Ebro River basin has a long pollution history related to the presence of a chlor-alkali plant adjacent to Flix. In addition, the Ebro River has been affected by the invasion of alien species that damage its natural ecosystem. In this thesis, Cyprinus carpio (common carp) an Dreissena polymorpha (zebra mussel) were used as a model species in laboratory and field studies intended to the development of a multimolecular biomarker approach to identify the most relevantly effects of pollutants in the field. Gene expression techniques were used to study specific physiological defensive mechanism. The application and improvement of a well-established markers in different aquatic species and following different approaches allowed to analyze modes of action and to outline effects of persistent organic and inorganic pollutants found in the field. The results showed that chronic exposure to mercury of common carp results in increased levels of metallothionein in kidney, in scales (albeit at lower extent), but not in liver, considered as the primary detoxification organ. The measure of gene expression in scales provides the possibility of a new non-lethal method of study. Studies of toxicant effects in zebra mussel revealed that this bivalve could be used as potential sentinel specie for freshwater monitoring. Analysis of its detoxicfication mechanisms, and particularly of its ABC membrane transporters in adult and the early life stages could help understanding the survival of this species in highly contaminated areas.

El Análisis de Ciclo de Vida (ACV o LCA, en sus siglas inglesas) es un método para el análisis ambiental de sistemas industriales. Esta tesis estudia la aplicabilidad del ACV a sistemas agrícolas, y propone soluciones para algunas de las lagunas detectadas en el método. A partir de un estudio de la producción de manzanas en Nueva Zelanda, se analiza cuáles son los factores que determinan mayormente los resultados del ACV agrícola. Se ha demostrado que el tipo de tecnología agrícola (p. ej.: agricultura integrada o ecológica) decide algunos tipos de impacto ambiental (toxicidad humana, consumo de energía.), aunque no es suficiente para predecirlos. De hecho, los resultados de la tesis demuestran la especial relevancia de disponer de datos sobre las características del sitio en qué se desarrolla la producción, dada la especial relevancia que estas características desempeñan en la determinación de los impactos ambientales de la agricultura. En especial, las condiciones físicas del sitio de producción (tipo de suelo, clima) y la técnica del productor (es decir: cómo aplica el productor la tecnología, a través del grado de mecanización, cantidad de fitosanitarios y fertilizantes utilizada, sistema de irrigación.) son los elementos más importantes de estos factores locales. Así, el consumo de energía para las operaciones en el campo presenta variaciones de hasta un 50% en manzanales de un mismo tipo de tecnología (producción ecológica o integrada), debido a las distintas prácticas de los granjeros. En el caso de las condiciones físicas del sitio, las diferencias en el tipo de suelo producen variaciones de hasta un orden de magnitud en las emisiones de pesticidas al agua subterránea, para una misma cantidad y tipo de sustancia utilizada. Los impactos debidos a los pesticidas también están determinados en buena parte por las prácticas de cada granjero, puesto que la elección de las sustancias activas produce grandes variaciones en el efecto sobre la toxicidad de cada uno de los manzanales estudiados. Finalmente, la aplicación del ACV a la producción de manzanas en Nueva Zelanda ha permitido sugerir diversas opciones de mejora, y prever de un modo cuantitativo el efecto de estas mejoras en caso de que se apliquen. Por otra parte, la tesis propone un método para el análisis de los impactos sobre la calidad del suelo en ACV agrícola, utilizando la Materia Orgánica del Suelo (MOS) como indicador. El método sugiere el uso de modelos matemáticos para la predicción de los niveles de MOS afectados por el sistema agrícola, y se ilustra su aplicación por medio de un ejemplo. Este nuevo método de evaluación se evalúa como suficientemente representativo y aplicable para introducir los impactos sobre las funciones de sostén de la vida realizadas por el suelo en ACV, y es especialmente recomendable para incluir estos aspectos en ACV agrícola. En efecto, la aplicación de este método permitirá aumentar la relevancia y la credibilidad de las comparaciones entre sistemas agrícolas que tratan la calidad del suelo de modo distinto, como la agricultura ecológica y la convencional y / o integrada. Además, la aplicación del indicador MOS por medio del uso de modelos matemáticos permitirá aumentar la sensibilidad del cálculo de otras categorías de impacto, como el efecto invernadero (gracias al cálculo de la fijación / emisión de carbono por parte del suelo) y la eutrofización y la lluvia ácida (gracias a la modelización del ciclo del nitrógeno). / Life Cycle Analysis (LCA) is a meted for the environmental assessment of industrial systems. This thesis studies the applicability of LCA to agricultural systems, and suggests solutions for some of the weaknesses detected in the method. Based on a study of apple production in New Zealand, the factors mainly determining the results of agricultural LCA are analysed. It has been shown that the type of agricultural technology (e.g.: organic or integrated fruit production) decides some types of environmental impact (human toxicity, energy consumption.), however it is not enough to predict them. Indeed, the results of the thesis show the high relevancy of the characteristics of the site of production on the results of the environmental analysis of agriculture, and therefore to importance of obtaining data on these characteristics for a credible study. Especially, the physical conditions of the site (soil type and weather), and producer's technique (i.e.: how the producer applies the technology type, through the degree of mechanisation, amount of fertilisers used, composition of pesticides, irrigation technique.) are the main elements of these site characteristics. For instance, energy consumption for field operations show differences of up to 50% between apple orchards of the same technology (organic or integrated), due to variations in farmer's practices. In the case of the physical site conditions, the differences in soil types generate variations of up to one order of magnitude in the emissions of pesticides to groundwater, for the same substance applied in the same amount. Impacts from pesticides are shaped by to farmer's practices as well, and the selection of different active ingredients produces great variations in the effect on human toxicity in the different apple orchards. Finally, the application of LCA to apple production in New Zealand has suggested several options for environmental improvement, and has allowed a quantified prediction of the environmental improvement derived from their application.Besides, the thesis suggests a new method for the analysis of impacts on soil quality in agricultural LCA, using Soil Organic Matter (SOM) as an indicator. The method suggests the use of existing mathematic models for the prediction of SOM level evolution as affected by agricultural practices, and its application is illustrated with an example. This new method is representative and applicable enough to include the life support functions of land in LCA, and is especially recommended for the inclusion of the impacts on soil quality in agricultural LCA. Indeed, the application of this method allows for more relevancy and credibility in comparative LCA of agricultural systems that treat soil quality in a different way, such as organic and Conventional / integrated agriculture. In addition, the application of the SOM indicator through the use of mathematic models increases the sensitivity of the calculation of other impact categories such as global warming (thanks to the prediction of carbon emissions / sequestration by soil) and eutrophication and acidification (thanks to the modelling of the nitrogen cycle).