| Summary: | Population fluctuations of rodents have always aroused human interest due to their importance in ecosystems and human welfare. However, their scientific study became especially relevant in the late 19th and early 20th centuries when Robert Collet and Charles S. Elton described periodic eruptions of lemmings and voles. Since then, hundreds of theoretical, experimental, and field works have provided a basis for understanding the mechanisms underlying the different population fluctuations observed in nature. However, the generality of these mechanisms across different species and geographic areas remains one of the greatest unknowns in ecology; posing a problem for understanding natural ecosystems, as well as for managing species and their effects on human welfare. This dissertation takes advantage of the vast amount of data and knowledge on vole population dynamics to test the existence of general demographic mechanisms, as well as to identify predictors of events such as plagues to better understand and manage these species. This dissertation compiles nearly 70 years of capture-mark-recapture data from 17 trapping areas with weekly, biweekly and monthly sampling frequency from five populations of four vole species in North America and Europe (M. agrestis = 4 sampling areas or spatiotemporal replicates, M. ochrogaster = 4, M. pennsylvanicus = 5 and M. townsendii = 4); being to date the largest database of rodent demographic data with high temporal resolution (monthly resolution or higher). Subsequently, this dissertation analyses whether part of the inter-annual fluctuations is produced by common demographic mechanisms in different species and geographic areas (e.g. similar variations in survival, reproduction or migration). But to do so, it first overcomes one of the main obstacles in the study of population dynamics of rodents and many other species, the relatively low number of observations to make models sufficiently complex and informative to understand population dynamics. Specifically, this thesis proposes an extension of traditional capture-mark-recapture models, using regularization techniques widely used in different fields of statistics such as in the calculation of random effects, in order to estimate demographic parameters under conditions of relatively low data availability. With this new analysis tool, whose usefulness goes far beyond the study of rodent demography (e.g. elusive species or species with low densities such as some endangered species), this dissertation estimates the abundances and vital rates of the four vole species in the 17 sampling areas at a fine enough temporal scale to study biological models that allow an adequate understanding of their population dynamics. This dissertation uses these estimated demographic parameters to evaluate the existence of common general patterns. The results show not only the existence of such common demographic mechanisms, but also suggest their great relevance; reopening an interesting debate on the relative importance of common and specific factors in the origin of population fluctuations. Furthermore, by testing predictions of the most accepted hypotheses in the scientific community, it showed that feeding and social interactions are more likely underlying these common demographic patterns. Finally, the dissertation shows how theoretical knowledge about population dynamics can be used to solve or mitigate a human welfare problem, such as vole outbreaks. Specifically, this dissertation identifies an early warning signal capable of predicting outbreaks of the common vole (M. arvalis) one year in advance in Castilla y León (Spain). This predictor facilitates farmers and regional government to take preventive measures to mitigate the impact of vole outbreaks in crop fields. Complementarily, this dissertation proposes an approach to solve an important but little discussed problem in applied ecology, which is that erroneous predictions entail costs for users. This dissertation proposes an approach to measure the usefulness of predictors in decision making by considering their hit and error rate (statistical aspect) as well as the expenses, effectiveness, and indirect effects of the treatment to be applied based on the predictions (management aspect). This last contribution aims that scientific researches proposing predictive models explicitly indicate their usefulness for each potential user; which can enhance and improve its use in applied ecology. In general, this dissertation focuses on vole population dynamics from a basic, theoretical, and applied ecology point of view. On the one hand, it provides fundamental theoretical knowledge to understand the generalities of vole population dynamics, as well as vole outbreaks in Mediterranean environments. On the other hand, it provides diverse conceptual and analytical approaches with great multidisciplinary utility. All this together makes the present dissertation an important key piece in future research in various fields of science. Las fluctuaciones poblacionales de roedores han despertado siempre el interés humano debido a su importancia en los ecosistemas y en el bienestar humano. Sin embargo, su estudio científico empezó a ser especialmente relevante a finales del siglo XIX y principios del XX cuando Robert Collet y Charles S. Elton describieron las erupciones periódicas de lemmings y topillos. Desde entonces, cientos de trabajos teóricos, experimentales y de campo han proporcionado una base para entender los mecanismos que subyacen a las diferentes fluctuaciones poblacionales observadas en la naturaleza. Sin embargo, la generalidad de estos mecanismos a lo largo de las diferentes especies y áreas geográficas sigue siendo una de las mayores incógnitas de la ecología; lo que supone un problema para comprender los ecosistemas naturales, así como para gestionar las especies y sus efectos en el bienestar humano. Esta tesis aprovecha la amplia cantidad de datos y conocimientos sobre las dinámicas poblacionales de topillos para testar la existencia de mecanismos demográficos generales, así como para identificar predictores de eventos como las plagas que permitan entender y gestionar mejor estas especies. En primer lugar, esta tesis recopila casi 70 años de datos de captura-marcado-recaptura en 17 áreas de muestro con frecuencia de muestreo semanal, quincenal y mensual de cinco poblaciones de cuatro especies de topillos en Norteamérica y Europa (M. agrestis = 4 áreas de muestreo o réplicas espacio-temporales, M. ochrogaster = 4, M. pennsylvanicus = 5 y M. townsendii = 4); siendo hasta la fecha la mayor base de datos demográficos de roedores con alta resolución temporal (i.e., resolución mensual o mayor). Posteriormente, esta tesis analiza si parte de las fluctuaciones interanuales se producen por mecanismos demográficos comunes en diferentes especies y áreas geográficas (e.g. variaciones similares en la supervivencia, reproducción o migración). Pero para ello, antes supera uno de los principales obstáculos en el estudio de la dinámica poblacional de los roedores y de muchas otras especies, la relativa baja cantidad de observaciones para realizar modelos lo suficientemente complejos e informativos para entender las dinámicas poblacionales. En concreto, esta tesis propone una extensión de los modelos de captura-marcado-recaptura tradicionales, mediante el uso de técnicas de regularización ampliamente utilizadas en diferentes campos de la estadística como en el cálculo de los efectos aleatorios, y así poder estimar parámetros demográficos en condiciones de relativa baja disponibilidad de datos. Con esta nueva herramienta de análisis, cuya utilidad va mucho más allá del estudio de la demografía de roedores (e.g. especies esquivas o con bajas densidades como algunas en peligro de extinción), esta tesis estima las abundancias y tasas vitales de las cuatro especies de topillo en las 17 áreas de muestro a una escala temporal lo suficientemente fina como para poder estudiar modelos biológicos que permitan una adecuada comprensión de sus dinámicas poblacionales. Esta tesis utiliza esos parámetros demográficos estimados para evaluar la existencia de patrones generales comunes. Los resultados muestran no sólo la existencia de tales mecanismos demográficos comunes, sino que también sugieren su gran relevancia; reabriendo un interesante debate sobre la importancia relativa de los factores comunes y específicos en el origen de las fluctuaciones poblacionales. Además, esta tesis pone a prueba las predicciones de las hipótesis más aceptadas en la comunidad científica sobre los factores causales que subyacen a las variaciones demográficas (e.g. la alimentación, la depredación o las interacciones sociales). Los resultados sugieren que el alimento y las interacciones sociales podrían ser los factores causales detrás de las variaciones en las tasas vitales que producen los patrones comunes. Por último, la tesis muestra cómo el conocimiento teórico sobre la dinámica poblacional puede utilizarse para resolver o mitigar un problema de bienestar humano, como las plagas de topillos. En concreto, esta tesis identifica una señal de alerta temprana capaz de predecir las plagas de topillo campesino (M. arvalis) con un año de antelación en Castilla y León (España). Este predictor facilita que agricultores y gobierno regional tomen medidas preventivas para mitigar el impacto de las plagas de topillo en los campos de cultivo. Complementariamente, esta tesis propone un enfoque para solventar un problema importante pero poco discutido en ecología aplicada como es que las predicciones erróneas conllevan gastos para los usuarios. En particular, esta tesis propone un enfoque para medir la utilidad de un predictor en la toma de decisiones considerando la tasa de acierto y error (aspecto estadístico) y los costes, efectividad, y efectos indirectos del tratamiento que se aplicará en base a las predicciones (aspecto de gestión). Esta última contribución tiene como objetivo que las investigaciones científicas que proponen modelos predictivos indiquen explícitamente su utilidad para cada posible usuario; lo que puede potenciar y mejorar el uso de predictores en ecología aplicada. En general, esta tesis se centra en las dinámicas poblacionales de topillos desde un punto de vista de la ecología básica, teórica, y aplicada. Por un lado, proporciona un conocimiento teórico fundamental para entender las generalidades en las dinámicas poblacionales de topillos, así como de las plagas de topillos en ambientes mediterráneos. Por otro lado, proporciona diversos enfoques conceptuales y analíticos con una gran utilidad multidisciplinar. Todo esto junto hace que la presente tesis pueda ser una pieza importante clave en investigaciones futuras de diversos campos de la ciencia.
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