Filtern
Erscheinungsjahr
Dokumenttyp
- Dissertation (147)
- Wissenschaftlicher Artikel (51)
- Arbeitspapier (6)
- Konferenzveröffentlichung (4)
- Habilitation (2)
- Buch (Monographie) (1)
- Masterarbeit (1)
Sprache
- Deutsch (107)
- Englisch (99)
- Mehrsprachig (5)
- Französisch (1)
Volltext vorhanden
- ja (212) (entfernen)
Schlagworte
- Fernerkundung (25)
- Modellierung (23)
- Bodenerosion (11)
- Deutschland (11)
- Tourismus (11)
- Nachhaltigkeit (10)
- Klimaänderung (9)
- Remote Sensing (9)
- Satellitenfernerkundung (9)
- Meereis (8)
Institut
- Raum- und Umweltwissenschaften (212) (entfernen)
Intense, southward low-level winds are common in Nares Strait, between Ellesmere Island and northern Greenland. The steep topography along Nares Strait leads to channelling effects, resulting in an along-strait flow. This research study presents a 30-year climatology of the flow regime from simulations of the COSMO-CLM climate model. The simulations are available for the winter periods (November–April) 1987/88 to 2016/17, and thus, cover a period long enough to give robust long-term characteristics of Nares Strait. The horizontal resolution of 15 km is high enough to represent the complex terrain and the meteorological conditions realistically. The 30-year climatology shows that LLJs associated with gap flows are a climatological feature of Nares Strait. The maximum of the mean 10-m wind speed is around 12 m s-1 and is located at the southern exit of Smith Sound. The wind speed is strongly related to the pressure gradient. Single events reach wind speeds of 40 m s-1 in the daily mean. The LLJs are associated with gap flows within the narrowest parts of the strait under stably stratified conditions, with the main LLJ occurring at 100–250 m height. With increasing mountain Froude number, the LLJ wind speed and height increase. The frequency of strong wind events (>20 m s-1 in the daily mean) for the 10 m wind shows a strong interannual variability with an average of 15 events per winter. Channelled winds have a strong impact on the formation of the North Water polynya.
Mankind has dramatically influenced the nitrogen (N) fluxes between soil, vegetation, water and atmosphere " the global N cycle. Increasing intensification of agricultural land use, caused by the growing demand for agricultural products, has had major impacts on ecosystems worldwide. Particularly nitrogenous gases such as ammonia (NH3) have increased mainly due to industrial livestock farming. Countries with high N deposition rates require a variety of deposition measurements and effective N monitoring networks to assess N loads. Due to high costs, current "conventional"-deposition measurement stations are not widespread and therefore provide only a patchy picture of the real extent of the prevailing N deposition status over large areas. One tool that allows quantification of the exposure and the effects of atmospheric N impacts on an ecosystem is the use of bioindicators. Due to their specific physiology and ecology, especially lichens and mosses are suitable to reflect the atmospheric N input at ecosystem level. The present doctoral project began by investigating the general ability of epiphytic lichens to qualify and quantify N deposition by analysing both lichens and total N and δ15N along a gradient of different N emission sources and severity. The results showed that this was a viable monitoring method, and a grid-based monitoring system with nitrophytic lichens was set up in the western part of Germany. Finally, a critical appraisal of three different monitoring techniques (lichens, mosses and tree bark) was carried out to compare them with national relevant N deposition assessment programmes. In total 1057 lichen samples, 348 tree bark samples, 153 moss samples and 24 deposition water samples, were analysed in this dissertation at different investigation scales in Germany.The study identified species-specific ability and tolerance of various epiphytic lichens to accumulate N. Samples of tree bark were also collected and N accumulation ability was detected in connection with the increased intensity of agriculture, and according to the presence of reduced N compounds (NHx) in the atmosphere. Nitrophytic lichens (Xanthoria parietina, Physcia spp.) have the strongest correlations with high agriculture-related N deposition. In addition, the main N sources were revealed with the help of δ15N values along a gradient of altitude and areas affected by different types of land use (NH3 density classes, livestock units and various deposition types). Furthermore, in the first nationwide survey of Germany to compare lichens, mosses and tree bark samples as biomonitors for N deposition, it was revealed that lichens are clearly the most meaningful monitor organisms in highly N affected regions. Additionally, the study shows that dealing with different biomonitors is a difficult task due to their variety of N responses. The specific receptor surfaces of the indicators and therefore their different strategies of N uptake are responsible for the tissue N concentration of each organism group. It was also shown that the δ15N values depend on their N origin and the specific N transformations in each organism system, so that a direct comparison between atmosphere and ecosystems is not possible.In conclusion, biomonitors, and especially epiphytic lichens may serve as possible alternatives to get a spatially representative picture of the N deposition conditions. Furthermore, bioindication with lichens is a cost-efficient alternative to physico-chemical measurements to comprehensively assess different prevailing N doses and sources of N pools on a regional scale. They can at least support on-site deposition instruments by qualification and quantification of N deposition.
The main goal of this publication is the development and application of an empirical method, which allows to forecast the transport of radionuclides in soils ad sediments. The calculations are based on data published in the literature. 10 case studies, comprising 30 time series, deal with the transport of Cs-134, Cs-137, Sr-85, Sr-90, and Ru-106. Transport in undisturbed soils and experimental systems like lysimeters and columns in laboratories are dealt with. The soils involved cover a large range of soils, e. g. podsols, cambisols (FAO), and peaty soils. Different speciations are covered, namely ions, aerosols, and fuel particles. Time series analysis centres around the Weibull-distribution. All theoretical models failed to forecast the transport of radionuclides. It can be shown that the parameters D and v, the dispersion coefficient and the advection velocity, appearing in solutions of the advection-dispersion equation (ADE), have no real physical meaning. They are just fitting parameters. The calculation of primary photon fluence rates, caused by Cs-137 in the soil, stresses the unreliability of forecasts based on theoretical models.
Time series archives of remotely sensed data offer many possibilities to observe and analyse dynamic environmental processes at the Earth- surface. Based on these hypertemporal archives, which offer continuous observations of vegetation indices, typically at repetition rates from one to two weeks, sets of phenological parameters or metrics can be derived. Examples of such parameters are the beginning and end of the annual growing period, as well as its length. Even though these parameters do not correspond exactly to conventional observations of phenological events, they nevertheless provide indications of the dynamic processes occurring in the biosphere. The development of robust algorithms for the derivation of phenological metrics can be challenging. Currently, such algorithms are most commonly based on digital filters or the Fourier analysis of time series. Polynomial spline models offer a useful alternative to existing methods. The possibilities of using spline models in the analytical description of time series are numerous, and their specific mathematical properties may help to avoid known problems occurring with the more common methods for deriving phenological metrics. Based on a selection of different polynomial spline models suitable for the analysis of remotely sensed time series of vegetation indices, a method to derive various phenological parameters from such time series was developed and implemented in this work. Using an example data set from an intensively used agricultural area showing highly dynamic variations in vegetation phenology, the newly developed method was verified by a comparison of the results of the spline based approach to the results of two alternative, well established methods.
Determining the exact position of a forest inventory plot—and hence the position of the sampled trees—is often hampered by a poor Global Navigation Satellite System (GNSS) signal quality beneath the forest canopy. Inaccurate geo-references hamper the performance of models that aim to retrieve useful information from spatially high remote sensing data (e.g., species classification or timber volume estimation). This restriction is even more severe on the level of individual trees. The objective of this study was to develop a post-processing strategy to improve the positional accuracy of GNSS-measured sample-plot centers and to develop a method to automatically match trees within a terrestrial sample plot to aerial detected trees. We propose a new method which uses a random forest classifier to estimate the matching probability of each terrestrial-reference and aerial detected tree pair, which gives the opportunity to assess the reliability of the results. We investigated 133 sample plots of the Third German National Forest Inventory (BWI, 2011"2012) within the German federal state of Rhineland-Palatinate. For training and objective validation, synthetic forest stands have been modeled using the Waldplaner 2.0 software. Our method has achieved an overall accuracy of 82.7% for co-registration and 89.1% for tree matching. With our method, 60% of the investigated plots could be successfully relocated. The probabilities provided by the algorithm are an objective indicator of the reliability of a specific result which could be incorporated into quantitative models to increase the performance of forest attribute estimations.
Low-level jets (LLJs) are climatological features in polar regions. It is well known that katabatic winds over the slopes of the Antarctic ice sheet are associated with strong LLJs. Barrier winds occurring, e.g., along the Antarctic Peninsula may also show LLJ structures. A few observational studies show that LLJs occur over sea ice regions. We present a model-based climatology of the wind field, of low-level inversions and of LLJs in the Weddell Sea region of the Antarctic for the period 2002–2016. The sensitivity of the LLJ detection on the selection of the wind speed maximum is investigated. The common criterion of an anomaly of at least 2 m/s is extended to a relative criterion of wind speed decrease above and below the LLJ. The frequencies of LLJs are sensitive to the choice of the relative criterion, i.e., if the value for the relative decrease exceeds 15%. The LLJs are evaluated with respect to the frequency distributions of height, speed, directional shear and stability for different regions. LLJs are most frequent in the katabatic wind regime over the ice sheet and in barrier wind regions. During winter, katabatic LLJs occur with frequencies of more than 70% in many areas. Katabatic LLJs show a narrow range of heights (mostly below 200 m) and speeds (typically 10–20 m/s), while LLJs over the sea ice cover a broad range of speeds and heights. LLJs are associated with surface inversions or low-level lifted inversions. LLJs in the katabatic wind and barrier wind regions can last several days during winter. The duration of LLJs is sensitive to the LLJ definition criteria. We propose to use only the absolute criterion for model studies.
A model-based temperature adjustment scheme for wintertime sea-ice production retrievals from MODIS
(2022)
Knowledge of the wintertime sea-ice production in Arctic polynyas is an important requirement for estimations of the dense water formation, which drives vertical mixing in the upper ocean. Satellite-based techniques incorporating relatively high resolution thermal-infrared data from MODIS in combination with atmospheric reanalysis data have proven to be a strong tool to monitor large and regularly forming polynyas and to resolve narrow thin-ice areas (i.e., leads) along the shelf-breaks and across the entire Arctic Ocean. However, the selection of the atmospheric data sets has a large influence on derived polynya characteristics due to their impact on the calculation of the heat loss to the atmosphere, which is determined by the local thin-ice thickness. In order to overcome this methodical ambiguity, we present a MODIS-assisted temperature adjustment (MATA) algorithm that yields corrections of the 2 m air temperature and hence decreases differences between the atmospheric input data sets. The adjustment algorithm is based on atmospheric model simulations. We focus on the Laptev Sea region for detailed case studies on the developed algorithm and present time series of polynya characteristics in the winter season 2019/2020. It shows that the application of the empirically derived correction decreases the difference between different utilized atmospheric products significantly from 49% to 23%. Additional filter strategies are applied that aim at increasing the capability to include leads in the quasi-daily and persistence-filtered thin-ice thickness composites. More generally, the winter of 2019/2020 features high polynya activity in the eastern Arctic and less activity in the Canadian Arctic Archipelago, presumably as a result of the particularly strong polar vortex in early 2020.
The larval stage of the European fire salamander (Salamandra salamandra) inhabits both lentic and lotic habitats. In the latter, they are constantly exposed to unidirectional water flow, which has been shown to cause downstream drift in a variety of taxa. In this study, a closed artificial creek, which allowed us to keep the water flow constant over time and, at the same time, to simulates with predefined water quantities and durations, was used to examine the individual movement patterns of marked larval fire salamanders exposed to unidirectional flow. Movements were tracked by marking the larvae with VIAlpha tags individually and by using downstream and upstream traps. Most individuals showed stationarity, while downstream drift dominated the overall movement pattern. Upstream movements were rare and occurred only on small distances of about 30 cm; downstream drift distances exceeded 10 m (until next downstream trap). The simulated flood events increased drift rates significantly, even several days after the flood simulation experiments. Drift probability increased with decreasing body size and decreasing nutritional status. Our results support the production hypothesis as an explanation for the movements of European fire salamander larvae within creeks.
The presence of sea ice leads in the sea ice cover represents a key feature in polar regions by controlling the heat exchange between the relatively warm ocean and cold atmosphere due to increased fluxes of turbulent sensible and latent heat. Sea ice leads contribute to the sea ice production and are sources for the formation of dense water which affects the ocean circulation. Atmospheric and ocean models strongly rely on observational data to describe the respective state of the sea ice since numerical models are not able to produce sea ice leads explicitly. For the Arctic, some lead datasets are available, but for the Antarctic, no such data yet exist. Our study presents a new algorithm with which leads are automatically identified in satellite thermal infrared images. A variety of lead metrics is used to distinguish between true leads and detection artefacts with the use of fuzzy logic. We evaluate the outputs and provide pixel-wise uncertainties. Our data yield daily sea ice lead maps at a resolution of 1 km2 for the winter months November– April 2002/03–2018/19 (Arctic) and April–September 2003–2019 (Antarctic), respectively. The long-term average of the lead frequency distributions show distinct features related to bathymetric structures in both hemispheres.
Two areas were selected to represent major process regimes of Mediterranean rangelands. In the County of Lagads (Greece), situated east of the city of Thessaloniki, livestock grazing with sheep and goats is a major factor of the rural economy. In suitable areas, it is complemented by agricultural use. The region of Ayora (Spain) is located west of the city of Valencia. It is one of regions most affected by fires in Spain. First of all, long time series of satellite data were compiled for both regions on the basis of Landsat sensors, which cover the time until 1976 (Ayora) and 1984 (Lagadas) with one image per year. Using a rigorous processing scheme, the data were geometrically and radiometrically corrected Specific attention was given to an exact sensor calibration, the radiometric intercalibration of Landsat-TM and "MSS. Proportional cover of photosynthetically active vegetation was identified as a suitable quantitative indicator for assessing the state of rangelands. Using Spectral Mixture Analysis (SMA) it was inferred for all data sets. The extensive data base procured this way enabled to map fire events in the Ayora area based on sequential diachronic sets and provide fire dates, perimeter as well as fire recurrence for each pixel. The increasing fire frequency in the past decades is in large parts attributed to the accelerated abandonment of the area that leads to an encroachment of shrublands and the accumulation of combustible biomass. On the basis of the fire mapping results, a spatial and temporal stratification of the data set allowed to asses plant recovery dynamics on the landscape level through linear trend analysis. The long history of fire events in the Mediterranean frequently leads to processes of auto-succession. Following an initial dominance of herbaceous vegetation this commonly leads to similar plant communities as the ones present before the fire. On a temporal axis, this results in typical exponential post-fire trajectories which could also be shown in this study. The analysis of driving factors for post-fire dynamics confirmed the importance of aspect and slope. Locations with lower amounts of solar irradiation and favourable water supply yielded faster recovery rates and higher post-fire vegetation cover levels. In most cases, the vegetation cover levels observed before the fire were not reached within the post-fire observation period. In the area of Lagadas, linear trend analysis and additional statistical parameters were used to infer a degradation index. This could be used to illustrate a complex pattern of stability, regeneration and degradation of vegetation cover. These different processes and states are found in close proximity and are clearly determined by topography and elevation. Following a sequence of analyses, it was found that in particular steep, narrow valleys show positive trends, while negative trends are more abundant on plain or gently undulating areas. Considering the local grazing regime, this spatial differentiation was related to the accessibility of specific locations. Subsequently, animal numbers on community level were used to calculate efficient stocking rates and assess the temporal development of their relation with vegetation cover. This calculation of temporal trajectories illustrated that only some communities show the expected negative relation. To the contrary, a positive relation or even changing relation patterns are observed. This signifies recent concentration and intensification processes in the grazing scheme, as a result of which animals are kept in sheds, where additional feedstuffs are provided. In these cases, free roaming of livestock animals is often confined to some hours every day, which explains the spatial preference of easily accessible areas by the shepherds. Beyond these temporal trends, it was analysed whether the grazing pattern is equally reflected in a spatial trend. Making use of available geospatial information layers, the efforts required to reach each location was expressed as a cost. Then, cost zones could be defined and woody vegetation cover as a grazing indicator could be inferred for the different zones. Animal sheds were employed as starting features for this piospheric analysis, which could be mapped from very high spatial resolution Quickbird image data. The result was a clearly structured gradient showing increasing woody vegetation cover with increasing cost distance. On the basis of these two pilot studies, the elements of a monitoring and interpretation framework identified at the beginning of the work were evaluated and a formal interpretation scheme was presented.
A satellite-based climatology of wind-induced surface temperature anomalies for the Antarctic
(2019)
It is well-known that katabatic winds can be detected as warm signatures in the surface temperature over the slopes of the Antarctic ice sheets. For appropriate synoptic forcing and/or topographic channeling, katabatic surges occur, which result in warm signatures also over adjacent ice shelves. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) ice surface temperature (IST) data are used to detect warm signatures over the Antarctic for the winter periods 2002–2017. In addition, high-resolution (5 km) regional climate model data is used for the years of 2002 to 2016. We present a case study and a climatology of wind-induced IST anomalies for the Ross Ice Shelf and the eastern Weddell Sea. The IST anomaly distributions show maxima around 10–15K for the slopes, but values of more than 25K are also found. Katabatic surges represent a strong climatological signal with a mean warm anomaly of more than 5K on more than 120 days per winter for the Byrd Glacier and the Nimrod Glacier on the Ross Ice Shelf. The mean anomaly for the Brunt Ice Shelf is weaker, and exceeds 5K on about 70 days per winter. Model simulations of the IST are compared to the MODIS IST, and show a very good agreement. The model data show that the near-surface stability is a better measure for the response to the wind than the IST itself.
This paper describes the concept of the hyperspectral Earth-observing thermal infrared (TIR) satellite mission HiTeSEM (High-resolution Temperature and Spectral Emissivity Mapping). The scientific goal is to measure specific key variables from the biosphere, hydrosphere, pedosphere, and geosphere related to two global problems of significant societal relevance: food security and human health. The key variables comprise land and sea surface radiation temperature and emissivity, surface moisture, thermal inertia, evapotranspiration, soil minerals and grain size components, soil organic carbon, plant physiological variables, and heat fluxes. The retrieval of this information requires a TIR imaging system with adequate spatial and spectral resolutions and with day-night following observation capability. Another challenge is the monitoring of temporally high dynamic features like energy fluxes, which require adequate revisit time. The suggested solution is a sensor pointing concept to allow high revisit times for selected target regions (1"5 days at off-nadir). At the same time, global observations in the nadir direction are guaranteed with a lower temporal repeat cycle (>1 month). To account for the demand of a high spatial resolution for complex targets, it is suggested to combine in one optic (1) a hyperspectral TIR system with ~75 bands at 7.2"12.5 -µm (instrument NEDT 0.05 K"0.1 K) and a ground sampling distance (GSD) of 60 m, and (2) a panchromatic high-resolution TIR-imager with two channels (8.0"10.25 -µm and 10.25"12.5 -µm) and a GSD of 20 m. The identified science case requires a good correlation of the instrument orbit with Sentinel-2 (maximum delay of 1"3 days) to combine data from the visible and near infrared (VNIR), the shortwave infrared (SWIR) and TIR spectral regions and to refine parameter retrieval.
Measurements of the atmospheric boundary layer (ABL) structure were performed for three years (October 2017–August 2020) at the Russian observatory “Ice Base Cape Baranova” (79.280° N, 101.620° E) using SODAR (Sound Detection And Ranging). These measurements were part of the YOPP (Year of Polar Prediction) project “Boundary layer measurements in the high Arctic” (CATS_BL) within the scope of a joint German–Russian project. In addition to SODAR-derived vertical profiles of wind speed and direction, a suite of complementary measurements at the observatory was available. ABL measurements were used for verification of the regional climate model COSMO-CLM (CCLM) with a 5 km resolution for 2017–2020. The CCLM was run with nesting in ERA5 data in a forecast mode for the measurement period. SODAR measurements were mostly limited to wind speeds <12 m/s since the signal was often lost for higher winds. The SODAR data showed a topographical channeling effect for the wind field in the lowest 100 m and some low-level jets (LLJs). The verification of the CCLM with near-surface data of the observatory showed good agreement for the wind and a negative bias for the 2 m temperature. The comparison with SODAR data showed a positive bias for the wind speed of about 1 m/s below 100 m, which increased to 1.5 m/s for higher levels. In contrast to the SODAR data, the CCLM data showed the frequent presence of LLJs associated with the topographic channeling in Shokalsky Strait. Although SODAR wind profiles are limited in range and have a lot of gaps, they represent a valuable data set for model verification. However, a full picture of the ABL structure and the climatology of channeling events could be obtained only with the model data. The climatological evaluation showed that the wind field at Cape Baranova was not only influenced by direct topographic channeling under conditions of southerly winds through the Shokalsky Strait but also by channeling through a mountain gap for westerly winds. LLJs were detected in 37% of all profiles and most LLJs were associated with channeling, particularly LLJs with a jet speed ≥ 15 m/s (which were 29% of all LLJs). The analysis of the simulated 10 m wind field showed that the 99%-tile of the wind speed reached 18 m/s and clearly showed a dipole structure of channeled wind at both exits of Shokalsky Strait. The climatology of channeling events showed that this dipole structure was caused by the frequent occurrence of channeling at both exits. Channeling events lasting at least 12 h occurred on about 62 days per year at both exits of Shokalsky Strait.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des EU INTERREG NWE IVB Projektes "ForeStClim - Transnational Forestry Management Strategies in Response to Regional Climate Change Impacts". Zum Zweck der Verbesserung des Prozessverständnisses von Abflussprozessen in Wäldern sowie zur Validierung und Weiterentwicklung eines GIS-basierten Tools (GIS-DRP) zur Erstellung von Abflussprozesskarten wurden auf 25 Test-Plots in vier Einzugsgebieten in Rheinland-Pfalz und dem Großherzogtum Luxemburg boden-hydrologische Untersuchungen durchgeführt. Auf Grundlage dieser Untersuchungen konnten große intraspezifische Unterschiede im Abflussverhalten von Waldstandorten erhoben werden. Die Differenzen werden dabei hauptsächlich durch das Substrat, die bodenphysikalischen Eigenschaften, die Nutzung bzw. deren Intensität und die Vorfeuchte bedingt. Es wurde nachgewiesen, dass Wälder generell hohe Infiltrationsraten aufweisen und verzögerte Zwischenabflussprozesse begünstigen. Durch einen prinzipiell naturnahen Waldbau und etwaige Meliorationsmaßnahmen auf Niederertragsstandorten bestehen zudem Möglichkeiten positiv auf die Wasserretention und das Wasserspeichervermögen eines Forstbestandes einzuwirken. Die mittels GIS-DRP erstellten Abflussprozesskarten der vier Testgebiete wurden durch die Ergebnisse der Geländeuntersuchungen sowie der Abflussprozesskartierung nach SCHERRER (2006) validiert. Hierdurch wurden für die Abflussgenerierung wichtige Parameter ermittelt und Optimierungsansätze erarbeitet, welche anschließend in GIS-DRP implementiert werden konnten. Verschlämmungsprozesse auf Ackerflächen können nun durch das modifizierte GIS-DRP-Werkzeug identifiziert werden. Zudem war es möglich, Extrem-Ereignis basierte Abflussprozesskarten zu etablieren, die Hot Spots der Abflussgenerierung identifizieren können. Die Einführung des Abflussprozesses "dSSF" (tiefer Zwischenabfluss) wurde durch eine neue Klassifizierung des geologischen Ausgangssubstrates erreicht. Forstwirten und Entscheidungsträgern im Waldmanagement wird somit die Möglichkeit geboten, Expertenwissen in ihre Planungen einfließen zu lassen. Hierdurch kann zum einen positiv auf den Landschaftswasserhaushalt eingewirkt werden, da gezielt auf Flächen nachteiliger Abflussbildung geeignete Maßnahmen des dezentralen Hochwasserschutzes angewandt werden können. Zum anderen werden Potentiale für bestmögliche Waldwachstumsvoraussetzungen in einem Landschaftsraum aufgezeigt. Der nachhaltigen Nutzung von Wäldern wird somit auch im Kontext des Klimawandels Rechnung getragen.
Water-deficit stress, usually shortened to water- or drought stress, is one of the most critical abiotic stressors limiting plant growth, crop yield and quality concerning food production. Today, agriculture consumes about 80-90% of the global freshwater used by humans and about two thirds are used for crop irrigation. An increasing world population and a predicted rise of 1.0-2.5-°C in the annual mean global temperature as a result of climate change will further increase the demand of water in agriculture. Therefore, one of the most challenging tasks of our generation is to reduce the amount water used per unit yield to satisfy the second UN Sustainable Development Goal and to ensure global food security. Precision agriculture offers new farming methods with the goal to improve the efficiency of crop production by a sustainable use of resources. Plant responses to water stress are complex and co-occur with other environmental stresses under natural conditions. In general, water stress causes plant physiological and biochemical changes that depend on the severity and the duration of the actual plant water deficit. Stomatal closure is one of the first responses to plant water stress causing a decrease in plant transpiration and thus an increase in plant temperature. Prolonged or severe water stress leads to irreversible damage to the photosynthetic machinery and is associated with decreasing chlorophyll content and leaf structural changes (e.g., leaf rolling). Since a crop can already be irreversibly damaged by only mild water deficit, a pre-visual detection of water stress symptoms is essential to avoid yield loss. Remote sensing offers a non-destructive and spatio-temporal method for measuring numerous physiological, biochemical and structural crop characteristics at different scales and thus is one of the key technologies used in precision agriculture. With respect to the detection of plant responses to water stress, the current state-of-the-art hyperspectral remote sensing imaging techniques are based on measurements of thermal infrared emission (TIR; 8-14 -µm), visible, near- and shortwave infrared reflectance (VNIR/SWIR; 0.4-2.5 -µm), and sun-induced fluorescence (SIF; 0.69 and 0.76 -µm). It is, however, still unclear how sensitive these techniques are with respect to water stress detection. Therefore, the overall aim of this dissertation was to provide a comparative assessment of remotely sensed measures from the TIR, SIF, and VNIR/SWIR domains for their ability to detect plant responses to water stress at ground- and airborne level. The main findings of this thesis are: (i) temperature-based indices (e.g., CWSI) were most sensitive for the detection of plant water stress in comparison to reflectance-based VNIR/SWIR indices (e.g., PRI) and SIF at both, ground- and airborne level, (ii) for the first time, spectral emissivity as measured by the new hyperspectral TIR instrument could be used to detect plant water stress at ground level. Based on these findings it can be stated that hyperspectral TIR remote sensing offers great potential for the detection of plant responses to water stress at ground- and airborne level based on both TIR key variables, surface temperature and spectral emissivity. However, the large-scale application of water stress detection based on hyperspectral TIR measures in precision agriculture will be challenged by several problems: (i) missing thresholds of temperature-based indices (e.g., CWSI) for the application in irrigation scheduling, (ii) lack of current TIR satellite missions with suitable spectral and spatial resolution, (iii) lack of appropriate data processing schemes (including atmosphere correction and temperature emissivity separation) for hyperspectral TIR remote sensing at airborne- and satellite level.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die agrarklimatische und phänologische Situation in der zweiten Hälfte des vergangenen 20. Jahrhunderts für das Mittlere Moseltal am Beispiel der Moselregion im Umfeld der Stadt Bernkastel-Kues ausgewertet. Es konnten erhebliche klimatische und phänologische Veränderungen festgestellt und deren Auswirkungen auf den regionsprägenden Weinbau aufgezeigt werden. Der zeitliche Verlauf der Jahresmittel der Lufttemperatur zeigt eine deutliche Zweiteilung der Entwicklung in den Jahren 1945 bis 2000. Eine Abnahme (- 0.7 K) in der ersten Hälfte und eine deutliche Zunahme (+1.1 K) in der zweiten Hälfte der Zeitreihe. Einen vergleichbaren Verlauf zeigen die Jahresmittel der Tagestemperaturmaxima und -minima. Eine erhebliche Erwärmung lässt sich im April und Mai, August und Oktober und Januar und Dezember beobachten. Die geringsten Veränderungen zeigen Februar, Juli und November. Die Jahresniederschläge lassen keinen Trend im Gesamtabschnitt erkennen. Saisonale Verschiebungen weisen jedoch auf Änderungen in der Niederschlagscharakteristik hin. Die niederschlagsreichste Zeit im Jahr hat sich vom August auf Juni/Juli verschoben (starke Abnahme im August) und der regenärmste Monat vom März auf den Februar. Zunahmen zeigen v. a. September und Oktober. Die Jahressummen der Sonnen-scheindauer zeigen einen starken Rückgang in den Jahren 1945 bis 1981 und eine Trendumkehr in den Jahren bis 2000. Insbesondere der Monat August weist eine starke Zunahme der Sonnenscheindauer auf. Der mittlere jährliche Wachstumsverlauf der Weinrebe beginnt Anfang/Mitte April. Austrieb und Ergrünen folgen bis Mitte Mai. Die Rebe blüht im Durchschnitt zwischen dem 21.6. und 26.6. Mitte Juli sind die Beeren erbsengroß. Das Beerenwachstum und die Fruchtreife dauern in der Regel bis Anfang Oktober. Die Herbsttermine Laubfärbung und Laubfall finden zwischen Mitte Oktober und Anfang November statt. Alle in Bernkastel beobachteten phänologischen Merkmale zeigen eine Vorverlagerung der Eintrittstermine zwischen -6 Tagen und -15 Tagen in den Jahren 1967 bis 2001. Die Beerenentwicklung bzw. Reifephase im Sommer und Frühherbst verlängert sich um rund 10 Tage. Die wärmer gewordenen Monate März und April (geringere Spätfrostgefahr) äußern sich anhand eines früheren Vegetationsbeginns der Rebe. Die wärmeren, trockeneren und sonnenscheinreicheren Monate Mai und Juni führen zu einer erheblichen Vorverlagerung des Blühtermins und zu einer günstigen Verschiebung der Fruchtentwicklungs- und Reifephasen in den trockeneren, wärmeren und strahlungsreicheren Hochsommer. Die optimale Ausreife der Trauben im September und Oktober wird einerseits durch eine Temperaturzunahme gefördert, anderseits durch höhere Niederschlagswerte verzögert oder behindert. Die phänologischen Termine Knospung, Austriebs, Blüte und Reifegrad eignen sich somit hervorra-gend als Indikator für die Veränderung der klimatischen Bedingungen im Jahresverlauf. Ein starker Zusammenhang zwischen den Terminen des Blühbeginns der Rebe mit den Temperaturfaktoren und zwischen dem Reifegrad 60 -°Oe und kumulierten Temperatursummen bzw. den Sonnenscheindauern zwischen Mai und August ist ein weiterer Beleg für die stattgefundenen klimatischen Veränderungen im Mittleren Moseltal besonders in den Monaten März bis Juni und August und Oktober.
Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der aktuellen Geomorphodynamik in den Gullyeinzugsgebieten der Souss-Ebene, Südmarokko. Eine Sonderstellung nehmen besonders in der Taroudant-Region die durch land-levelling Maßnahmen beeinflussten Flächen ein. Anhand von experimentellen Feldmethoden werden verschiedene Prozesse der Bodenerosion aufgenommen und bewertet. Mittels Luftbildmonitoring mit einer Drohne erfolgt eine Analyse des Gullywachstums. Durch eine Zusammenführung der Methodenkombination kann ein Gesamtbild der aktuellen geomorphologischen Prozessdynamik im Souss erstellt werden. Mit Zerfall der Zuckerindustrie Ende des 17. Jahrhunderts setzt im Souss Becken aufgrund der nahezu vollständigen Abholzung der Arganwälder die lineare Bodenerosion ein. Mit der Transformation von traditioneller Landwirtschaft zu modernen Zitrusfrucht- und Gemüseplantagen, beginnt Anfang der 1960er Jahre ein sehr dynamischer Landnutzungswandel. Die Expansion der Anbauflächen, die von Wadi- und Gullysystemen tief zerschnittenen sind, wird durch Planierungsmaßnahmen vorangetrieben. Auf den planierten Flächen entwickeln sich durch die Verdichtung des Bodens, das Entfernen von Vegetationsbedeckung sowie Krustenbildung auf dem schluffig-lehmigen Substrat bei Starkniederschlagsereignissen zumeist erneut Gullys. Die rasche lineare Zerschneidung bedroht weitere Anbauflächen. Eine nachhaltige Entwicklung auf diesen Flächen ist daher fraglich. Durch starke Verschlämmung nach Niederschlägen bilden sich auf den planierten Flächen sehr schnell physikalische Bodenkrusten aus. Ihre Mikromorphologie ist aufgrund der Belastungen mit schwerem Gerät sowie mehrfacher Erosions- und Akkumulationszyklen durch Plattenstruktur und Vesikel geprägt, wodurch die Infiltrationskapazität des Bodens verringert wird. Diese Auswirkungen können durch Messungen mit dem Einringinfiltrometer bestätigt werden. Sie zeigen auf ungestörten Flächen durchschnittlich eine 2,6-fach höhere Infiltrationsrate als auf planierten Flächen. Durch eine Inventarisierung der Bodeneigenschaften und Oberflächencharakteristika kann ihre signifikante Veränderung nach Planierungsmaßnahmen identifiziert werden. So zeigen planierte Flächen hohe Anteile an Bodenverkrustung und wenig Vegetationsbedeckung auf. Ungestörte Flächen sind dagegen weniger verkrustet und stärker mit Vegetation bedeckt. Zudem kann eine Kompaktion der oberen Bodenschicht nachgewiesen werden. Diese Faktoren wirken auf die Oberflächenabflussbildung und den Sedimentabtrag ein. Die Ergebnisse von 122 Niederschlagssimulationen mit einer Kleinberegnungsanlage zeigen einen signifikanten Anstieg der mittleren Oberflächenabflüsse und Sedimentfrachten (1,4-, bzw. 3,5-mal höher) auf planierten im Gegensatz zu ungestörten Testflächen. Mithilfe des Gullymonitorings wird die Entwicklung eines kompletten Gullys durch Starkniederschlagsereignisse auf einer planierten Fläche detektiert. Dabei wird in einem 3,5 ha großen Einzugsgebiet etwa 1080 t Bodenmaterial erodiert. Hier wurde errechnet, dass Gullyerosion für 91 % des gesamten Bodenverlustes im Einzugsgebiet verantwortlich ist. Die Fläche dient nur als Lieferant des Erosionsagens Wasser. Das Verfüllen des ursprünglichen Gullysystems mit Material der umliegenden Hänge führt zu einer Erniedrigung der Geländehöhe von durchschnittlich über 5 cm. Auf ungestörten Flächen wird dagegen nur ein geringes Gullywachstum verzeichnet. Die vorgestellte Methodenkombination lässt eine gezielte Beschreibung der aktuellen Geomorphodynamik in den Einzugsgebieten der Souss-Ebene zu. Durch die land-levelling Maßnahmen wird die Prozessdynamik signifikant erhöht. Eine Verminderung der Vegetationsbedeckung, schnelle Krustenbildung sowie Bodenkompaktion unterstützen hohe Oberflächenabflussbildung und Sedimentabtrag. Durch lineare Konzentration des Abflusses wird rapide Gullyerosion gefördert. Ganze Gullysysteme können sich auf Planierungsflächen durch nur ein einziges Starkniederschlagsereignis ausbilden. Dadurch sind Anbauflächen, Gebäude und Infrastruktur gefährdet.
Although gravitropism forces trees to grow vertically, stems have shown to prefer specific orientations. Apart from wind deforming the tree shape, lateral light can result in prevailing inclination directions. In recent years a species dependent interaction between gravitropism and phototropism, resulting in trunks leaning down-slope, has been confirmed, but a terrestrial investigation of such factors is limited to small scale surveys. ALS offers the opportunity to investigate trees remotely. This study shall clarify whether ALS detected tree trunks can be used to identify prevailing trunk inclinations. In particular, the effect of topography, wind, soil properties and scan direction are investigated empirically using linear regression models. 299.000 significantly inclined stems were investigated. Species-specific prevailing trunk orientations could be observed. About 58% of the inclination and 19% of the orientation could be explained by the linear models, while the tree species, tree height, aspect and slope could be identified as significant factors. The models indicate that deciduous trees tend to lean down-slope, while conifers tend to lean leeward. This study has shown that ALS is suitable to investigate the trunk orientation on larger scales. It provides empirical evidence for the effect of phototropism and wind on the trunk orientation.
Amphibian diversity in the Amazonian floating meadows: a Hanski core-satellite species system
(2021)
The Amazon catchment is the largest river basin on earth, and up to 30% of its waters flow across floodplains. In its open waters, floating plants known as floating meadows abound. They can act as vectors of dispersal for their associated fauna and, therefore, can be important for the spatial structure of communities. Here, we focus on amphibian diversity in the Amazonian floating meadows over large spatial scales. We recorded 50 amphibian species over 57 sites, covering around 7000 km along river courses. Using multi-site generalised dissimilarity modelling of zeta diversity, we tested Hanski's core-satellite hypothesis and identified the existence of two functional groups of species operating under different ecological processes in the floating meadows. ‘Core' species are associated with floating meadows, while ‘satellite' species are associated with adjacent environments, being only occasional or accidental occupants of the floating vegetation. At large scales, amphibian diversity in floating meadows is mostly determined by stochastic (i.e. random/neutral) processes, whereas at regional scales, climate and deterministic (i.e. niche-based) processes are central drivers. Compared with the turnover of ‘core' species, the turnover of ‘satellite' species increases much faster with distances and is also controlled by a wider range of climatic features. Distance is not a limiting factor for ‘core' species, suggesting that they have a stronger dispersal ability even over large distances. This is probably related to the existence of passive long-distance dispersal of individuals along rivers via vegetation rafts. In this sense, Amazonian rivers can facilitate dispersal, and this effect should be stronger for species associated with riverine habitats such as floating meadows.
Amphibien sind weltweit stark bedroht, was neben anderen Gründen auch durch Umweltverschmutzung bedingt scheint, wobei hier oft der vermehrte Einsatz von Agrochemikalien hervorgehoben wird. Obwohl landwirtschaftlich genutzte Gebiete meistens stark anthropogen verändert sind, beherbergen sie dennoch viele Amphibienpopulationen. Diese müssen hier oftmals persistieren, weil ihre ursprünglichen Lebensräume für die Landwirtschaft umgestaltet wurden und werden. Neben direkter Habitatzerstörung und "degradierung sowie mechanischen Bearbeitungsprozessen in der Landwirtschaft kann sich der Einsatz von Agrochemikalien, insbesondere von Pestiziden, stark negativ auf die dortigen Amphibien auswirken. Zwar sind aufgrund mangelnder Datenlage bisher keine kausalen Zusammenhänge zwischen Populationsrückgängen und Pestizideinsätzen nachgewiesen, jedoch können Amphibien über verschiedene direkte und indirekte Wege geschädigt werden. Eine Vielzahl von Studien zeigte bereits unterschiedlichste adverse Effekte auf der Individualebene. In der vorliegenden Arbeit wurden wichtige Fragestellungen zu diesem Themengebiet aufgegriffen. Der potenzielle Einfluss von Pestizideinsätzen auf Amphibien, besonders im Freiland, stellt ein komplexes Arbeitsfeld dar, so dass verschiedene methodische Ansätze angewendet wurden, um auf verschiedene Fragestellungen einzugehen. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden zwei methodisch unterschiedliche Risikobewertungen durchgeführt. Es wurde auf die Fragestellung eingegangen, welche Effekte von glyphosatbasierten Herbiziden, welche weltweit den größten Absatz besitzen, auf Amphibien dokumentiert sind und welche Endpunkte am besten geeignet sind, um adverse Effekte nachzuweisen. Dazu wurde eine systematische Literaturübersicht und Meta-Analyse aller publizierten Studien durchgeführt. In einer zweiten Risikobewertung wurde ein GIS-basierter Ansatz angewendet, um das Expositionsrisiko der Amphibienarten des Anhangs II der europäischen Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie (Arten von gemeinschaftlichem Interesse) gegenüber Pestiziden in ihren speziell ausgewiesenen Schutzgebieten abzuschätzen. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Laborexperimente mit Embryonen und Larven zweier Anuren-Modellorganismen und einem, amphibientoxikologisch bisher noch nicht untersuchten und häufig angewendeten, Herbizid durchgeführt. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet die Ergebnisse zweier Freilandstudien. Es wurde überprüft, ob Anurenlarven aufgrund der Wahrscheinlichkeit der Ausbildung von Deformationen (was im Labor einen gut studierten Endpunkt darstellt) als Bioindikatoren für die Belastung von Kleingewässern mit Agrochemikalien geeignet sind. In der zweiten Freilandstudie wurde überprüft, ob drei einheimische Amphibienarten Kleinstgewässer meiden, welche mit umweltrelevanten Konzentrationen verschiedener Stoffe kontaminiert wurden. Im rechtswissenschaftlichen Teil der Arbeit wurde darauf eingegangen, wie hoch die unterschiedlichen Umsetzungsstandards der europäischen Wasserrahmenrichtlinie respektive des nationalen Wasserhaushaltsgesetzes in den Ländern bezüglich des Schutzes von Kleingewässern, welche fast alle heimischen Amphibienarten zur Reproduktion benötigen, durch Gewässerrandstreifenschutz ist.
For grape canopy pixels captured by an unmanned aerial vehicle (UAV) tilt-mounted RedEdge-M multispectral sensor in a sloped vineyard, an in situ Walthall model can be established with purely image-based methods. This was derived from RedEdge-M directional reflectance and a vineyard 3D surface model generated from the same imagery. The model was used to correct the angular effects in the reflectance images to form normalized difference vegetation index (NDVI)orthomosaics of different view angles. The results showed that the effect could be corrected to a certain scope, but not completely. There are three drawbacks that might restrict a successful angular model construction and correction: (1) the observable micro shadow variation on the canopy enabled by the high resolution; (2) the complexity of vine canopies that causes an inconsistency between reflectance and canopy geometry, including effects such as micro shadows and near-infrared (NIR) additive effects; and (3) the resolution limit of a 3D model to represent the accurate real-world optical geometry. The conclusion is that grape canopies might be too inhomogeneous for the tested method to perform the angular correction in high quality.
A sustainable development of forests and their ecosystem services requires the monitoring of the forests" state and changes as well as the prediction of their future development. To achieve the latter, eco-physiological forest growth models are usually applied. These models require calibration and validation with forestry reference data. This data includes forest structural parameters such as tree height or stem diameter which are easy to measure and can be used to estimate the core model parameters, i.e. the tree- biomass pools. The methods traditionally applied to derive the structural parameters are mainly manual and time-consuming. Hence, the in situ data acquisition is inefficient and limited in its ability to capture the vertical and horizontal variability in stand structure. Ground-based remote sensing bears the potential to overcome the limitations of the traditional methods. As they can be automated, ground-based remote sensing methods allow a much more efficient data acquisition and a larger spatial coverage. They are also able to capture forest structure in its three dimensions. Nevertheless, at present further research is required, in particular with respect to the practical integration of ground-based remote sensing data into forest growth models as well as regarding factors influencing the structural parameter retrieval from this data. Therefore, the goal of this PhD thesis was to investigate the influencing factors of two ground-based remote sensing methods (terrestrial laser scanning and hemispherical photography), which have not or only scarcely been studied to date. In addition, the use of forest structural parameters derived from these methods for the calibration of a forest growth model was assessed. Both goals were achieved. The results of this thesis could contribute significantly to a comprehensive assessment of ground-based remote sensing and its potential to derive the forest structural parameters. However, the use of these methods to calibrate forest growth models proved to be limited. An optimized data sampling design is expected to eliminate the major limitations, though. Furthermore, the combination of ground-based, airborne, and satellite remote sensing sensors was suggested to provide an optimized framework for the general integration of remotely sensed data into forest growth models. This combination of remote sensing observations at different scales will contribute greatly to a modern forest management with the purpose of warranting a sustainable forest development even under growing economic and ecological pressures.
Die organische Bodensubstanz (OBS) ist eine fundamentale Steuergröße aller biogeochemischen Prozesse und steht in engem Zusammenhang zu Kohlenstoffkreisläufen und globalem Klima. Die derzeitige Herausforderung der Ökosystemforschung ist die Identifizierung der für die Bodenqualität relevanten Bioindikatoren und deren Erfassung mit Methoden, die eine nachhaltige Nutzung der OBS in großem Maßstab überwachen und damit zu globalen Erderkundungsprogrammen beitragen können. Die fernerkundliche Technik der Vis-NIR Spektroskopie ist eine bewährte Methode für die Beurteilung und das Monitoring von Böden, wobei ihr Potential bezüglich der Erfassung biologischer und mikrobieller Bodenparameter bisher umstritten ist. Das Ziel der vorgestellten Arbeit war die quantitative und qualitative Untersuchung der OBS von Ackeroberböden mit unterschiedlichen Methoden und variierender raumzeitlicher Auflösung sowie die anschließende Bewertung des Potentials non-invasiver, spektroskopischer Methoden zur Erfassung ausgewählter Parameter dieser OBS. Dafür wurde zunächst eine umfassende lokale Datenbank aus chemischen, physikalischen und biologischen Bodenparametern und dazugehörigen Bodenspektren einer sehr heterogenen geologischen Region mit gemäßigten Klima im Südwesten Deutschlands erstellt. Auf dieser Grundlage wurde dann das Potential der Bodenspektroskopie zur Erfassung und Schätzung von Feld- und Geländedaten ausgewählter OBS Parameter untersucht. Zusätzlich wurde das Optimierungspotential der Vorhersagemodelle durch statistische Vorverarbeitung der spektralen Daten getestet. Die Güte der Vorhersagewahrscheinlichkeit gebräuchlicher fernerkundlicher Bodenparameter (OC, N) konnte für im Labor erhobene Hyperspektralmessungen durch statistische Optimierungstechniken wie Variablenselektion und Wavelet-Transformation verbessert werden. Ein zusätzliches Datenset mit mikrobiellen/labilen OBS Parametern und Felddaten wurde untersucht um zu beurteilen, ob Bodenspektren zur Vorhersage genutzt werden können. Hierzu wurden mikrobieller Kohlenstoff (MBC), gelöster organischer Kohlenstoff (DOC), heißwasserlöslicher Kohlenstoff (HWEC), Chlorophyll α (Chl α) und Phospholipid-Fettsäuren (PLFAs) herangezogen. Für MBC und DOC konnte abhängig von Tiefe und Jahreszeit eine mittlere Güte der Vorhersagewahrscheinlichkeit erreicht werden, wobei zwischen hohen und niedrigen Konzentration unterschieden werden konnte. Vorhersagen für OC und PLFAs (Gesamt-PLFA-Gehalt sowie die mikrobiellen Gruppen der Bakterien, Pilze und Algen) waren nicht möglich. Die beste Prognosewahrscheinlichkeit konnte für das Chlorophyll der Grünalgen an der Bodenoberfläche (0-1cm Bodentiefe) erzielt werden, welches durch Korrelation mit MBC vermutlich auch für dessen gute Vorhersagewahrscheinlichkeit verantwortlich war. Schätzungen des Gesamtgehaltes der OBS, abgeleitet durch OC, waren hingegen nicht möglich, was der hohen Dynamik der mikrobiellen OBS Parameter an der Bodenoberfläche zuzuschreiben ist. Das schränkt die Repräsentativität der spektralen Messung der Bodenoberfläche zeitlich ein. Die statistische Optimierungstechnik der Variablenselektion konnte für die Felddaten nur zu einer geringen Verbesserung der Vorhersagemodelle führen. Die Untersuchung zur Herkunft der organischen Bestandteile und ihrer Auswirkungen auf die Quantität und Qualität der OBS konnte die mikrobielle Nekromasse und die Gruppe der Bodenalgen als zwei mögliche weitere signifikante Quellen für die Entstehung und Beständigkeit der OBS identifizieren. Insgesamt wird der mikrobielle Beitrag zur OBS höher als gemeinhin angenommen eingestuft. Der Einfluss mikrobieller Bestandteile konnte für die OBS Menge, speziell in der mineralassoziierten Fraktion der OBS in Ackeroberböden, sowie für die OBS Qualität hinsichtlich der Korrelation von mikrobiellen Kohlenhydraten und OBS Stabilität gezeigt werden. Die genaue Quantifizierung dieser OBS Parameter und ihre Bedeutung für die OBS Dynamik sowie ihre Prognostizierbarkeit mittels spektroskopischer Methoden ist noch nicht vollständig geklärt. Für eine abschließende Beurteilung sind deshalb weitere Studien notwendig.
Dry tropical forests are facing massive conversion and degradation processes and they are the most endangered forest type worldwide. One of the largest dry forest types are Miombo forests that stretch across the Southern African subcontinent and the proportionally largest part of this type can be found in Angola. The study site of this thesis is located in south-central Angola. The country still suffers from the consequences of the 27 years of civil war (1975-2002) that provides a unique socio-economic setting. The natural characteristics are a representative cross section which proved ideal to study underlying drivers as well as current and retrospective land use change dynamics. The major land change dynamic of the study area is the conversion of Miombo forests to cultivation areas as well as modification of forest areas, i.e. degradation, due to the extraction of natural resources. With future predictions of population growth, climate change and large scale investments, land pressure is expected to further increase. To fully understand the impacts of these dynamics, both, conversion and modification of forest areas were assessed. By using the conceptual framework of ecosystem services, the predominant trade-off between food and timber in the study area was analyzed, including retrospective dynamics and impacts. This approach accounts for products that contribute directly or indirectly to human well-being. For this purpose, data from the Landsat archive since 1989 until 2013 was applied in different study area adapted approaches. The objectives of these approaches were (I) to detect underlying drivers and their temporal and spatial extent of impact, (II) to describe modification and conversion processes that reach from times of armed conflicts over the ceasefire and the post-war period and (III) to provide an assessment of drivers and impacts in a comparative setting. It could be shown that major underlying drivers for the conversion processes are resettlement dynamics as well as the location and quality of streets and settlements. Furthermore, forests that are selectively used for resource extraction have a higher chance of being converted to a field. Drivers of forest degradation are on one hand also strongly connected to settlement and infrastructural structures. But also to a large extent to fire dynamics that occur mostly in more remote and presumably undisturbed forest areas. The loss of woody biomass as well as its slow recovery after the abandonment of fields could be quantified and stands in large contrast to the amount of potentially cultivated food that is necessarily needed. The results of the thesis support the fundamental understanding of drivers and impacts in the study area and can thus contribute to a sustainable resource management.
The parameterization of the boundary layer is a challenge for regional climate models of the Arctic. In particular, the stable boundary layer (SBL) over Greenland, being the main driver for substantial katabatic winds over the slopes, is simulated differently by different regional climate models or using different parameterizations of the same model. However, verification data sets with high-resolution profiles of the katabatic wind are rare. In the present paper, detailed aircraft measurements of profiles in the katabatic wind and automatic weather station data during the experiment KABEG (Katabatic wind and boundary-layer front experiment around Greenland) in April and May 1997 are used for the verification of the regional climate model COSMO-CLM (CCLM) nested in ERA-Interim reanalyses. CCLM is used in a forecast mode for the whole Arctic with 15 km resolution and is run in the standard configuration of SBL parameterization and with modified SBL parameterization. In the modified version, turbulent kinetic energy (TKE) production and the transfer coefficients for turbulent fluxes in the SBL are reduced, leading to higher stability of the SBL. This leads to a more realistic representation of the daily temperature cycle and of the SBL structure in terms of temperature and wind profiles for the lowest 200 m.
Avoiding aerial microfibre contamination of environmental samples is essential for reliable analyses when it comes to the detection of ubiquitous microplastics. Almost all laboratories have contamination problems which are largely unavoidable without investments in clean-air devices. Therefore, our study supplies an approach to assess background microfibre contamination of samples in the laboratory under particle-free air conditions. We tested aerial contamination of samples indoor, in a mobile laboratory, within a laboratory fume hood and on a clean bench with particles filtration during the examining process of a fish. The used clean bench reduced aerial microfibre contamination in our laboratory by 96.5%. This highlights the value of suitable clean-air devices for valid microplastic pollution data. Our results indicate, that pollution levels by microfibres have been overestimated and actual pollution levels may be many times lower. Accordingly, such clean-air devices are recommended for microplastic laboratory applications in future research work to significantly lower error rates.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden aus den umfassenden Daten der Umweltprobenbank des Bundes relative Vergleichsstandards abgeleitet, welche als Referenzsystem die allgemeine Belastungssituation und deren zeitliche Entwicklung in der Bundesrepublik widerspiegeln, eine Bewertung von gemessenen Schadstoffkonzentrationen in biologischen Matrizes sowie biometrischer Parameter der eingesetzten Bioindikatoren ermöglichen. Anhand der biometrischen Daten des Brassen und der rückstandsanalytischen Daten der Brassenmuskulatur wurde dieses Referenzsystem für die limnischen Systeme in der Bundesrepublik konzeptioniert und umgesetzt. Es handelt sich um ein Fünf-Klassen-System, bei dem die fünf Referenzbereiche durch vier Referenzwerte voneinander abgegrenzt werden. Die Referenzwerte sind aufgrund der repräsentativen Datenbasis in der Lage, die allgemeine Belastungssituation in der Bundesrepublik abzubilden. Da sie sich nur auf einen zweijährigen Bezugszeitraum beziehen und ständig fortgeschrieben werden, kann die zeitliche Entwicklung der allgemeinen Belastungssituation hervorragend dargestellt werden. Aufgrund ihrer rein naturwissenschaftlichen Basis sind Referenzwerte als Umweltqualitätskriterien zu verstehen. Mit den rückstandsanalytischen Umweltqualitätkriterien kann der stoffbezogene Gewässerzustand anhand von Bioindikatoren qualitativ bewertet werden, was eine deutliche Optimierung im stoffbezogenen Gewässerschutz darstellt. Zudem können die Referenzwerte als eine Basis für die Ableitung von hoheitlichen Umweltqualitätsstandards in Rechtsnormen herangezogen werden. Ergänzt werden die stoffbezogenen Umweltqualitätskriterien durch biometrischen Kenngrößen, die eine qualitative Bewertung der Lebensbedingungen des Bioindikators Brassen erlauben.
Die vorliegende Arbeit beschreibt ausgewählte Bereiche des Stadtklimas von Trier. Anhand von langjährigen meteorologischen Messreihen ist eine Bewertung der klimatologischen Gegebenheiten für das Stadtgebiet von Trier möglich. Trenduntersuchungen der Datenreihen des Niederschlags zeigen positive Niederschlagstrends für die meteorologischen Wintermonate. Die Intensität der urbanen Wärmeinsel der Stadt Trier wurde mittels mehrerer Temperaturmessfahrten untersucht und bewertet. Es treten in den Wintermonaten maximale Differenzen von bis zu 5,5 -°C zwischen dem unbebauten Umland und den Innenstadtbereichen auf. Von der erhöhten thermischen Belastung während ausgewählter Wetterlagen sind vor allem die Anwohner der Innenstadtbereiche in den Sommermonaten betroffen. Zusätzlich fand eine Bewertung der thermischen Belastung mittels verschiedener thermischer Indizes statt. Die Auswertungen von Klimaprojektionen für den Untersuchungsraum zeigen eine starke Zunahme der thermischen Belastung ab Mitte des 21. Jahrhunderts. Die Auswirkungen des Sommers 2003 auf die Bevölkerung von Trier wurde anhand von Mortalitätsdaten von JUNK ET AL. (2007) analysiert. Die Kosten des Klimawandels (Temperaturzunahme bis 2100 um 4,5 -°C) in den kommenden 50 Jahren beziffert eine Studie des Deutschen Institutes für Wirtschaftsforschung auf rund 80 Milliarden Euro für Rheinland-Pfalz. Auch wenn diese Abschätzungen mit starken Unsicherheiten behaftet sind, so wird dringender Handlungsbedarf deutlich. Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der zunehmenden Urbanisierung muss sich auch im Bereich der Stadtplanung und der Verwaltung von urbanen Agglomerationsräumen das Prinzip der Nachhaltigkeit in allen Skalenbereichen durchsetzen. Übertragen auf den Bereich der Stadtklimatologie heißt das, dass dies auf die Ressourcen saubere Luft, angemessener Flächen- und Energieverbrauch verbunden mit Luft-schadstoffemissionen, Recht auf Mobilität usw. übertragen werden muss. Im Vordergrund steht dabei eine Entkopplung des Ressourcenverbrauchs von dem wirtschaftlichen Wachstum durch technische Innovation, effizientere Technologien und verändertes individuelles Verhalten. Bezüglich der lufthygienischen Situation im Stadtbereich von Trier konnten Partikel und Stickoxide als wichtige Schadstoffe identifiziert werden. Da die Auswertungen der Luftschadstoffe auf die Datensätze des ZIMEN-Messnetzes beschränkt sind, können keine Aussagen über Inhaltsstoffe von Partikeln getroffen werden. Für die untersuchten Luftschadstoffe CO, SO2, NOx, O3 und PM10 treten in den letzten Jahren keine Grenzwertüberschreitungen auf, jedoch liegen die gemessenen Werte nur geringfügig unter diesen und überschreiten teilweise die unteren- und oberen Beurteilungsschwellen. Die Auswertungen des wirkungsbezogenen Luftqualitätsindex DAQx zeigen, dass in der Mehrheit der Fälle Feinstaub der bestimmende Luftschadstoff ist. Die Analyse der mittleren Mortali-tätszahlen zeigt, das bei DAQx-Werten > 4,0 (ausreichende Luftqualität) die Anzahl der täglichen Mortalitätsfälle über den Durchschnitt von 5,74 Fällen pro Tag steigt. Der Klimawandel wird auch direkte Auswirkungen auf die Luftschadstoffbelastung haben. Dies geschieht über die Veränderung der Windverhältnisse, Änderungen in der Höhe der Mischungsschicht sowie Änderungen in der Frequenz und Zugbahn von Tiefdruckgebieten. Veränderte Niederschlagsmuster beeinflussen die nassen und trockenen Depositionsraten, und die prognostizierte Temperaturerhöhung beeinflusst die chemischen Bildungs- und Abbauprozesse in der Atmosphäre, sowie die natürlichen Emissionsquellen. Der Einfluss des zu erwartenden Temperaturanstieges auf die Ozonkonzentrationen in urbanen Gebieten lässt sich gut einschätzen, da während Episoden mit hohen Ozonkonzentrationen eine signifikante Korrelation zwischen der Lufttemperatur und der Ozonkonzentration besteht. Studien zeigen einen Anstieg der Ozonkonzentration zwischen 2 -µg/m-³ und 20 -µg/m-³ pro Grad Kelvin in Abhängigkeit des Emissionsszenarios, der verwendeten Modelle und der untersuchten Region aus. Die urbanen Ballungsräume werden von diesem Ozonanstieg stärker betroffen sein, da dort genügend Ozonvorläufersubstanzen vorhanden sind. Der Einfluss auf die Partikelkonzentrationen ist schwieriger zu beurteilen, da keine klaren Zusammenhänge zwischen der Lufttemperatur und den Partikelkonzentrationen bestehen. Insgesamt ist tendenziell mit einer Stagnation bis hin zu einer kurzzeitigen Verschlechterung der Luftqualität zu rechnen. Deswegen reicht die bereits erwähnte alleinige Berücksichtigung der thermischen Gegebenheiten in einem Warnsystem nicht aus. Es geht vielmehr um die integrative Bewertung der potentiellen Gefahrensituation für die Bevölkerung und die situationsbezogene Auslösung von Interventionsmaßnahmen und Aktionsplänen. Ein solches System wird derzeit für die Modellregion Esch-sur-Alzette in Luxemburg erstellt und wird 2011 in die Pilotphase eintreten.
In Mitteleuropa steigt der Anteil befestigter und damit zumeist undurchlässiger Oberflächen durch Flächenerschließung und Urbanisierung stetig. Die Verdichtung und Befestigung natürlicher Oberflächen und das einhergehende Sammeln und Abführen des Niederschlagswassers vergrößert nicht nur den Oberflächenabfluss, sondern reduziert auch die Grundwasserneubildung. Das an Regenwettertagen anfallende Oberflächenwasser von befestigten Flächen wird zwar in den Kanalnetzen gesammelt, kann jedoch nicht vollständig zur Kläranlage abgeführt werden. Das überschüssige Wasser im Kanalsystem wird dann an neuralgischen Punkten dem nächstgelegenen Gewässer zugeleitet. Auf diese Weise gelangt eine große Bandbreite an Substanzen in die Gewässer und beeinflusst den natürlichen Stoffhaushalt. Häufig sind kleine und mesoskalige Gewässersysteme in Ballungsräumen mit einem hohen Versiegelungsgrad betroffen. Neben der schadlosen Ableitung des Ereignisabflusses tritt im Zuge der Umsetzung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL, 2000/60/EG) das Ziel des guten ökologischen und chemischen Zustandes des Gewässers in den Vordergrund. Mit Blick auf die Reduktion von angereichertem und vermischtem Niederschlagswasser in den Gewässern ist das Niederschlagswassermanagement das wichtigste Instrument. Die vorliegende Arbeit betrachtet beispielhaft zwei mesoskalige, urban geprägte Gewässer in der Großregion Luxemburg-Trier, die luxemburgische Mess und den deutschen Olewiger Bach. Dabei werden ebenfalls zwei unmittelbar durch Trenn- und Mischwasserkanalisation beeinflusste Teileinzugsgebiete des Olewiger Bachs untersucht. Ziel ist es, die Auswirkungen der urbanen Einleitungen an Regenwettertagen in den verschiedenen Phasen der Hochwasserwelle (Anstieg, Plateau und Rezessionsast) zu analysieren. Ein Schwerpunkt wird dabei auf den Nachweis anthropogener Spurenstoffe sowie wiederkehrende Strukturen im Wellenverlauf gelegt. Die Untersuchung der urban geprägten Bäche erfolgt mit zeitlich hochaufgelösten Einzelstichproben. Im Gegensatz zur gängigen Beprobung mittels volumen-proportionaler Mischproben kann mit diesem Ansatz der Einfluss der anthropogenen Systeme auf Hydro- und Chemographen im Hochwasserereignis analysiert werden. Auch Stoßbelastungen werden besser erfasst und abgebildet. In allen Untersuchungsgebieten werden in jeder Hochwasserwelle anthropogene Spurenstoffe nachgewiesen. Die Konzentrationen variieren sowohl während eines Hochwasserereignisses, als auch im Vergleich zwischen Ereignissen erheblich. Die nachgewiesenen Maximalkonzentrationen in Mess und Olewiger Bach übersteigen die mittleren Gehalte der einzelnen Spurenstoffe um das zwei bis 30-fache. Einige Pestizidgehalte in der Mess überschreiten zudem zeitweise die Grenzwerte der Umweltqualitätsnormen Richtlinie (UQN, 2008/105/EG). Die größten stofflichen Belastungen in Form maximaler Spurenstoffgehalte treten in der Regel bei mäßigen Niederschlagsereignissen in Kombination mit geringem Basisabfluss im Gewässer auf. Die Gesamtfracht hingegen steigt meist mit der Ereignisfülle. Die hydraulischen und stoffrelevanten Auswirkungen an der Schnittstelle von Kanal und Gewässer lassen sich in vielen urban geprägten Bächen wiederfinden. Diese Einleitungen an Regenwettertagen sind bedeutsam für die Komplexität des Abflussverhaltens sowie die Chemodynamik der betroffenen Vorfluter. Die Ergebnisse zeigen, dass es zukünftig mit Blick auf ein erfolgreiches Einzugsgebietsmanagement notwendig ist, die Niederschlagswasserbewirtschaftung in die Maßnahmenplanung einzubeziehen. Bei urbanen Gewässern muss darauf geachtet werden, dass die Maßnahmen zur Verbesserung des chemischen und ökologischen Zustandes nach der WRRL nicht im Konflikt mit der schadlosen Ableitung des Niederschlagswassers stehen. Vor allem hinsichtlich der stofflichen Dynamik, welche in der Regel mittels volumenproportionaler Mischproben untersucht wird, besteht weiterer Forschungsbedarf.
Seit seiner Unabhängigkeit erfreut sich Namibia als Reiseziel weltweit wachsender Beliebtheit, wodurch der Tourismus wirtschaftlich einen hohen Stellenwert hat. Zugleich lebt ein Großteil der Bevölkerung in Armut und ist zumeist noch immer von der Landwirtschaft abhängig. Diese dominiert flächenmäßig, zur Wertschöpfung und zur Entwicklung des Landes vermag sie allerdings nur wenig beizutragen. Kam im ariden Namibia ehemals nur Ranching als Landnutzung in Frage, sehen sich Landbesitzer wegen verschlechterter Rahmenbedingungen heute gezwungen, weitere Einkommensquellen zu erschließen. Naturtourismus ist eine der Alternativen. Ausgerechnet die wirtschaftlichen Schwächen der ländlichen Regionen mit naturnahen Landschaften, geringer anthropogener Überformung und der Abwesenheit von Industrie ermöglichen einzigartige Naturerlebnisse und stellen damit die Grundlage für Naturtourismus dar. Im Fokus der vorliegenden Studie stehen daher die Landnutzungen Ranching und Naturtourismus, die beide auf dem natürlichen Potenzial des Landes basieren und zugleich räumlich um die gleichen Flächen konkurrieren. Ziel ist die Bewertung der Auswirkungen beider Landnutzungen im Vergleich, um somit die für einen Raum am besten geeignete Nutzungsoption zu identifizieren und Verbesserungspotentiale bei der Ausgestaltung der untersuchten Landnutzungen aufzuzeigen. Die Erkenntnisse aus der einschlägigen Fachliteratur legen die Hypothese nahe, dass Naturtourismus im Vergleich zum Ranching die besser geeignete Landnutzung darstellt. Den theoretischen Rahmen zur Identifizierung der besser geeigneten Landnutzung bildet das Nachhaltigkeitskonstrukt, das wie jedes andere Theorem nicht unmittelbar mess- oder beobachtbar, sondern nur indirekt mit Hilfe von Indikatoren operationalisierbar ist. Die Mehrzahl der 34 insgesamt verwendeten Indikatoren entstammt dem Set der Vereinten Nationen. Alle verwendeten Indikatoren fanden Anwendung in einer für diese Arbeit auf Unternehmensebene adaptierten Version. Um den physischen wie humangeographischen Besonderheiten Namibias (Verfügbarkeit von Wasser, Namibia als Entwicklungsland etc.) gerecht zu werden, wurden zusätzliche Indikatoren für den regionalen Kontext der Studie konzipiert. Entsprechend dem Erkenntnisinteresse, unter Nachhaltigkeitsaspekten die am besten geeignete Landnutzung zu identifizieren, wurden anhand eines umfangreichen methodischen Kanons die empirischen Untersuchungen durchgeführt. Ausgangspunkt hierfür waren Erhebungen in Namibia, die in der Etosha-Region unmittelbar südlich der Kommunalgebiete stattfanden. Methodisch kamen dafür vorrangig quantitative Methoden zum Einsatz, wobei standardisierte Fragebögen als primäre Erhebungsinstrumente konzipiert wurden. Diese wurden von Expertengesprächen, Beobachtungen, Kartierungen und Sekundärdatenanalysen flankiert. Die Erkenntnisse aus den Erhebungen erlauben Aussagen für weite Gebiete Namibias mit vergleichbaren Bedingungen. So bestehen - entsprechend der Forschungshypothese - eindeutige Vorteile des Naturtourismus gegenüber dem Ranching hinsichtlich der betrachteten Landnutzungsauswirkungen, womit der Naturtourismus unter Nachhaltigkeitsaspekten die besser geeignete Landnutzung ist. Vor allem im Bereich der Sozialindikatoren überzeugen die Auswirkungen: Soziale Sicherheit, Wohnbedingungen (Elektrizität, Sanitäreinrichtungen, Wasserversorgung etc.), sozio-ökonomische Aufstiegschancen und die Mitarbeiterzufriedenheit sind zugunsten des Naturtourismus zu werten. Auch im Ökonomischen liegen die Vorteile bei dieser Landnutzung, wobei ein Aspekt negativ auffällt: Vor allem in puncto Regionalökonomie besteht im Tourismus Verbesserungsbedarf. Denn sowohl die Angestelltenrekrutierung als auch die Versorgung mit Waren und Dienstleistungen erfolgt mehrheitlich überregional. Dahingehend sind die Auswirkungen des Ranching als vorteilhafter anzusehen. Wie die Erhebungen ferner belegen, nimmt die Bedeutung des ausschließlichen Ranching aufgrund von Rentabilitätsproblemen auf kommerziellem Farmland sukzessive ab, stattdessen weisen Ländereien zumeist mehr als nur ein wirtschaftliches Standbein auf. Daher ist hinsichtlich der Landreform zu kritisieren, dass Neufarmer - wenn überhaupt - nur auf das Ranching vorbereitet werden. Wie die Erhebungen zeigen: eine wenig zeitgemäße Landnutzungsstrategie. Ein im Rahmen der Arbeit entwickeltes und ihr beiliegendes Farmrentabilitätstool verdeutlicht auf Basis einer Vielzahl vom Nutzer veränderlicher Einstellungen, wie schwierig die rentable Bewirtschaftung von Ranches heute ist.
Leeches can parasitize many vertebrate taxa. In amphibians, leech parasitism often has potential detrimental effects including population decline. Most of studies on the host-parasite interactions involving leeches and amphibians focus on freshwater environments, while they are very scarce for terrestrial amphibians. In this work, we studied the relationship between the leech Batracobdella algira and the European terrestrial salamanders of the genus Hydromantes, identifying environmental features related to the presence of the leeches and their possible effects on the hosts. We performed observation throughout Sardinia (Italy), covering the distribution area of all Hydromantes species endemic to this island. From September 2015 to May 2017, we conducted >150 surveys in 26 underground environments, collecting data on 2629 salamanders and 131 leeches. Water hardness was the only environmental feature correlated with the presence of B. algira, linking this leech to active karstic systems. Leeches were more frequently parasitizing salamanders with large body size. Body Condition Index was not significantly different between parasitized and non-parasitized salamanders. Our study shows the importance of abiotic environmental features for host-parasite interactions, and poses new questions on complex interspecific interactions between this ectoparasite and amphibians.
Ziegel waren im 19. und 20. Jahrhundert der bevorzugte Baustoff. Sie wurden für den Ausbau der Städte in heute kaum noch vorstellbaren Mengen nachgefragt, da sie preiswert und in Massen verfügbar waren. Das stabile Baumaterial erwies sich zudem in Form, Farbe und Ornamentik als vielseitig einsetzbar. Die Bedeutung des Ziegels lässt sich besonders gut an den Fassaden der gründerzeitlichen Berliner Stadtquartiere able-sen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die städtebauliche Entwicklung Berlins einführend dargestellt, um aufzuzeigen, welche Auswirkungen sich daraus für das bran-denburgische Umland ergaben. Das an der oberen Havel in Nordbrandenburg gelegene Zehdenicker Revier profitierte von dieser Entwicklung und nahm als Standort der Ziegelindustrie im Deutschen Reich eine besondere Stellung ein. Handwerkliche Verfahren der Ziegelherstellung waren Ende des 19. Jahrhunderts zunehmend durch industrielle Massenproduktion abgelöst worden. 1887 wurden nördlich der Kleinstadt Zehdenick zufällig reichhaltige Tonlagerstätten an der Havel entdeckt. Die neugeborene Industriestadt stieg innerhalb weniger Jahre zum Zentrum der Märkischen Ziegelindustrie auf. Bis 1913 wurden 63 Hoffmannsche Ring-öfen nördlich von Zehdenick errichtet, mit denen bis zu 500 Millionen Ziegel pro Jahr gebrannt werden konnten. Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelte sich der VEB Zie-gelwerke Zehdenick zum bedeutendsten Ziegelhersteller in der DDR. Noch bis 1990 be-stimmten historische Ringofenziegeleien das Landschaftsbild im Revier. Die Ziegelferti-gung endete mit der Wiedervereinigung Deutschlands. Untersuchungsgegenstand der Dissertation ist das Erbe der Zehdenicker Ziegelindustrie und die von ihr geprägte Kulturlandschaft, die nicht nur erhebliche geschichtliche Bedeu-tung für den Aufbau Berlins vor 1945 sondern auch für die Baustoffindustrie in der der DDR hat. Bislang wurde dieses Kulturgut kaum erforscht. Aus diesem Grund erfolgte zunächst eine grundlegende Inventarisierung der persistenten Relikte, die erfasst, be-schrieben, in ihrer Erscheinung erklärt und hinsichtlich ihrer touristischen Verwendbarkeit bewertet wurden. Es konnte dadurch festgestellt werden, dass derzeit noch ein reichhal-tiges bauliches Erbe der Ziegelindustrie im Untersuchungsraum existiert. Dieses bedeutende Erbe wird bislang erst in Ansätzen durch den Tourismus genutzt, zumal in den westlichen Industrieländern nur noch wenige Hoffmannsche Ringöfen erhal-ten geblieben sind. Die Arbeit zeigt auf, dass die mittlerweile vollständig gefluteten Ton-tagebauten und Teile der historischen Kulturlandschaft mit ihrem Formenschatz - Relikte der Aufbereitung, der Freilufttrocknung, Produktions- und Wohngebäude oder Häfen - eine hohe Relevanz für den Erholungs- und Kulturtourismus aufweisen. Kulturtouristisch erschlossen wurde bislang einzig der Ziegeleipark Mildenberg, der pro Jahr etwa 40.000 Besucher zählt. Sein besucherorientiertes Angebot wurde im Rahmen der Dissertation analysiert und bewertet. Er stellt bislang eine inselartige Erschließung dar, die den histo-rischen Dimensionen des Reviers mit seinen vielen Standorten nicht entspricht. Die Arbeit liefert wesentliche Grundlagen für die Konzeption einer kulturtouristischen Erschließung der gesamten Zehdenicker Tonstichlandschaft unter Nutzung und Wahrung ihrer authentischen Relikte und regionalen Spezifik. Sie schließt mit konkreten Vorschlä-gen für eine gezielte Erhaltung und Pflege dieses Erbes unter besonderer Berücksichti-gung des Kulturtourismus. Dabei fließen Erfolgsmuster tourismusrelevanter Nutzungs-formen vergleichbarer Standorte in Deutschland und in Belgien, die durch eigene Re-cherchen und Expertengespräche mit Vertretern bedeutender Ziegeleimuseen ermittelt wurden, mit ein. Noch wäre es möglich, den seit 1990 fortschreitenden Verfall dieses Kulturgutes aufzu-halten, vor weiterer Zerstörung zu schützen und die wertvolle Substanz der industriellen Vergangenheit inwertzusetzen.
Die Dissertation beabsichtigt, einen Beitrag zur Verbesserung des Umweltzustands der pal. Industrie durch die Durchführung des UMS zu leisten. Auf dieser Grundlage wurde analysiert, welche Schritte und Maßnahmen unter Berücksichtigung des Umweltzustands in Palästina erforderlich sind, um ein UMS wie EMAS und ISO 14001 in der pal. Industrie implementieren zu können.
Erst seit Ende der 80er Jahre wird der bilinguale Bildungsgang, der seit nunmehr 30 Jahren in der Praxis umgesetzt wird, vor allem von der professionellen Fremdsprachendidaktik und Sprachlernforschung an Universitäten und Instituten beachtet. Die vorliegende Arbeit präsentiert mit der Exploration und Evaluation des bilingualen Geographieunterrichts Grundlagenforschung aus dem Blickwinkel der Geographiedidaktik. Dabei wird die Wahrnehmung, Einschätzung und Bewertung des bilingualen Erdkundeunterrichts an Gymnasien in Rheinland-Pfalz durch die Schülerschaft mittels quantitativer und qualitativer Methoden erforscht. Zunächst werden theoretische Überlegungen und Ansätze zum bilingualen Geographieunterricht diskutiert und mögliche Fragestellungen formuliert, die im Forschungs- bzw. Erkenntnisinteresse der Geographiedidaktik liegen könnten. Zudem wird ein Überblick zum Forschungsstand gegeben. Zum interkulturellen Lernen findet eine vertiefte Darstellung statt, da bilinguale Züge, d. h. ausgeprägtere und international als "deutsches Modell" bekannt gewordene Bildungsgänge, insbesondere als eine willkommene Möglichkeit des Erwerbs einer vertieften kommunikativen und interkulturellen Kompetenz betrachtet werden. Aus den theoretischen Überlegungen leiten sich die in den Studien untersuchten Fragestellungen ab. Die inhaltlichen Schwerpunkte der quantitativen Studie liegen in einer komparativen Betrachtung des bilingualen und regulären Erdkundeunterrichts durch bilinguale und nicht bilinguale Schüler. In der qualitativen Studie wird die durch die Fragebogenauswertung gewonnene Schülersicht durch subjektive Sichtweisen bzw. Theorien, die erfahrungs- und alltagsnah sind, vertieft. Diese subjektiven Theorien basieren auf Interviews. Aufgrund des umfangreichen Vorgehens werden in der Auswertung nur ausgewählte subjektive Theorien detailliert präsentiert und die übrigen Einzelfälle lediglich in reduzierter Form vorgestellt. In einer anschließenden Gesamtschau erfolgt die Auswertung aller Interviews in Bezug auf einzelne Aspekte des bilingualen Erdkundeunterrichts. Zudem werden Überlegungen der Interviewteilnehmer im Zusammenhang mit dem für den bilingualen Unterricht propagierten Leitziel des interkulturellen Lernens vorgestellt. Abschließend werden wesentliche Schlussfolgerungen der gesamten Forschungsarbeit, insbesondere Empfehlungen für zukünftige Forschungsfelder und -methoden, dargelegt
Im Fokus der Ursachenanalyse der zunehmenden Homogenisierung von Biozönosen und des weltweiten Artenverlustes steht neben dem Flächennutzungs- und Klimawandel vorrangig auch die durch den Menschen verursachte Einbringung gebietsfremder, invasiver Arten. Aufgrund ihrer Charakteristika bilden diese Arten einen wichtigen Schnittpunkt von Ökologie, Ökonomie und Soziologie in Theorie und Praxis und erfahren folglich im Zuge der weltweit steigenden Anzahl von biologischen Invasionen zunehmend eine rechtliche Regulierung. Eine grundsätzliche Herausforderung in der Invasionsforschung liegt in der Identifikation von Faktoren, die Verbreitung, Dynamik und Erfolg der Arten erklären, um anhand dieses Wissens ihr Risiko für das Ökosystem als auch hinsichtlich ökonomischer und gesundheitlicher Aspekte abschätzen zu können. Eine Einschätzung der Invasivität der Art zur Ableitung von Handlungsstrategien und zur rechtlichen Einstufung erfolgt anhand von Risikoanalysen, deren kriterienbasierte Bewertung eine Reihe wissenschaftlicher Fakten voraussetzen. Um mögliche Ausbreitungswege- und barrieren zu identifiziert und Faktoren herauszustellen, welche die erfolgreiche Etablierung und Ausbreitung des Nordamerikanischen Waschbären in Deutschland und Europa erklären, wird in dieser Dissertation unter Verwendung populationsgenetischer Methoden die Ausbreitung der Art rekonstruiert. Darüberhinaus wird in dieser Arbeit die Bedeutung von Verbreitungsmodellen als Analyse- und Präventions-Instrument in der naturschutzfachlichen Risikoabschätzung verdeutlicht und zudem die Problematik einer Risikoabschätzung auf Grundlage einer lückenhaften Wissensbasis erläutert. Der rechtliche Schwerpunkt der Dissertation widmet sich der Regulierung der Haltung von IAS, die als ein aktiver und dominanter Einbringungsweg insbesonders für gebietsfremde Wirbeltierarten zählt und für die hier betrachtete Modellart nachweislich von hoher Bedeutung ist. Die gewonnenen Erkenntnisse geben Hilfestellung zur Einstufung der Invasivität der Art und zur Beurteilung eines Handlungsbedarfes.
Bewertungsgrundlagen für das rückstandsorientierte Biomonitoring in der Bundesrepublik Deutschland
(2003)
Die Anwendung von Bioindikationsverfahren hat in den vergangenen Jahren in der Umweltüberwachung in aktiven wie auch passiven Biomonitoringprogrammen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei sind die Erwartungshaltungen an die Bewertungsmöglichkeiten von Schadstoffrückständen in pflanzlichen und tierischen Matrizes gestiegen. Akkumulationsindikatoren sollen heute nicht mehr ausschließlich zur Darstellung von Schadstoffrückständen im Rahmen von Trendkatastern sondern im verstärkten Maße zum Erkennen von Wirkungen eingesetzt werden. Vor diesem Hintergrund bestand das Ziel der vorliegenden Schrift darin, Bewertungsmöglichkeiten für ein effizienteres passives Biomonitoring mit Akumulationsindikatoren in der Bundesrepublik Deutschland zu diskutieren und Lösungswege nach dem heutigen Kenntnisstand herauszuarbeiten. Hierzu wurden folgende Themenbereiche behandelt: (1) Leistungsvermögen des rückstandsorientierten Biomonitoring: Informationsgehalt von Gewebekonzentrationen in der Umweltüberwachung. (2) Repräsentativität und Reproduzierbarkeit: Standards zur Gewährleistung einer ausreichenden Probenqualität im passiven Biomonitoring mit Akkumulationsindikatoren. (3) Ansätze für Bewertungsgrundlagen im rückstandsorientierten Biomonitoring. (4) Derzeitige Bewertungsmöglichkeiten für ein bundesweites Biomonitoring der allgemeinen Belastungssituation. Da Kenntnisse über kritische Gewebekonzentrationen weitestgehend fehlen, besteht ein derzeit realisierbarer Ansatz nur in der Erarbeitung eines bundesweiten Referenzsystemes (vgl. Human-Biomonitoring). Eine geeignete Datenbasis ist durch den Betrieb der Umweltprobenbank des Bundes (UPB) gegeben, die in der vorliegenden Schrift als Grundlage zum Aufbau eines ökotoxikologischen Referenzsystems empfohlen wird. Zur Erarbeitung einer ausreichende Datengrundlage für eine wirkungsorientierte Bewertung von Geweberückständen werden u.a. verstärkte Initiativen zur Ermittlung kritischer Konzentrationen im subletalen Bereich (Internal Threshold Concentrations) als zukünftiger Forschungsbedarf empfohlen.
Until today the effects of many chlorinated hydrocarbons (e.g. DDT, PCBs) against the specific organisms are still a subject of controversial discussions. It was also the case for potential endocrine effects to influence the spermatogenesis correlated with possible changes of the population's vitality. To clear this situation, three questions could be at the centre of attention: 1) Do the chemicals cause a special harmful effect on the male reproductive tract? 2) Could some particular chemical mixtures act to bind and activate the human estrogen receptor (hER)? 3) Are the life stages of an organism specially sensitive to the effects of chemicals and therefore be established as Screening-Test-System? the connected effects of DDT and Arochlor 1254 as single substance and in 1:1 mixture according to their estrogenic effectiveness on zebrafish (Brachydanio rerio) were therefore investigated. the concentrations of the pesticides and their mixture ranged between 0.05-µg/l and 500-µg/l and separated by a factor of 10. It was turned out that the test concentrations of 500-µg/l were too toxic to zebrafish in all the cases. The experiment was followed up with four concentrations of DDT, A54 as well as their 1:1 mixture anew each separated by a factor of 10 and ranging between 0.05-µg/l and 50-µg/l. The bioaccumulation test within 8 days showed that the zebrafish accumulated the chemicals, but no equilibrum was reached and the concentration 0.05-µg/l was established as No Observed Effect Concentration (NOEC). Putting up on these analyses, the investigation of the life cycle (LC) starting with fertilized eggs demonstrated a reduction in the rate of hatchability, reproduction and length of fish emerged. These reductions involved the duration of the life cycle stages (LCS) which consequently lasted longer than expected. Exposure time and level of the tested chemicals accelerated the occurrence of these effects which were more significant when the chemical mixtures were used too. To establish whether the parameter assessed were correlated to the male reproductive tract, the quality, quantity and life span of sperm were assessed using the methods of Leong (1988) and Shapiro et al (1994). The sperm degeneration observed, led us to investigate the spermatogenesis and the ultrastructure of the testes. This last experiment showed a significant reduction of the late stage of spermatogenesis and the heterophagic vacuoles which play an important role in the spermatid maturation. It could therefore be concluded that, DDT and A54 could act synergically and cause disorders of the male reproductive tract of male zebrafish and influence also their growth.
This study investigates the endemic centres of Indonesian animals and the biodiversity across geographical gradients. At the same time, it also evaluated different lines suggested for separating the Oriental and Australian faunal region in the Indonesian region. The analyses have mainly used the present-day distribution of terrestrial vertebrates, especially the smallest ranges of species and subspecies. The results show that faunal migration of Oriental and Australian lineages to the Indonesian Archipelago may have been happening since the Palaeocene period and more importantly, island drifts might have facilitated such migration. These events caused major reorganisation of island positions and island forms, which in turn resulted in faunal extinction around the mid-Pliocene. Some islands, especially in the Wallacea region, emerged very late and as a result nowadays they are lacking endemic forms. There are currently at least seven endemic centres, which can be recognised, i.e. Borneo, Java, Sumatra, Sulawesi, North Moluccas, New Guinea and the Lesser Sundas/Banda Arcs. The affinities between these endemic centres revealed that there are two clusters of islands in the Indonesian Archipelago. These different clusters suggest in turn the shifts of biogeographical lines in the Indonesian Archipelago. Furthermore, oscillation in climate, eustatic sea level changes and fluctuations in vegetation in the Quaternary period had much affected the distribution pattern of animals. There was a phase of expansion for montane oak forests, grasslands and woodlands during the period 18,000-14,000 years ago in East Indonesia and 16,500-12,000 years ago in West Indonesia. Such an expansion led to the increased isolation of rainforests and of the faunas adapted to them. These periods are also indicated by the lowering of the tree line which facilitated montane fauna to disperse across lower elevations. At 8,000-9,000 years ago, the climate became warmer and slightly wetter. The mid- to upper montane forests expanded to their full altitudinal range, while montane oak forest, grassland, and woodland areas had contracted. The oscillation in climate, eustatic sea level changes and fluctuations in vegetation in turn determines much the formation of numerous sub endemic centres, which today can be found within the mainland. Recently, there are 14 sub endemic centres on Borneo, 8 on Java, 16 on Sumatra, 14 on Sulawesi and 14 on New Guinea. From the conservation management point of view, the identification of such sub endemic centres would generate valuable information for the protection effort.
Harvesting of silage maize in late autumn on waterlogged soils may result in several ecological problems such as soil compaction and may subsequently be a major threat to soil fertility in Europe. It was hypothesized that perennial energy crops might reduce the vulnerability for soil compaction through earlier harvest dates and improved soil stability. However, the performance of such crops to be grown on soil that are periodically waterlogged and implications for soil chemical and microbial properties are currently an open issue. Within the framework of a two-year pot experiment we investigated the potential of the cup plant (Silphium perfoliatum L.), Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus), giant knotweed (Fallopia japonicum X bohemica), tall wheatgrass (Agropyron elongatum), and reed canary grass (Phalaris arundinacea) for cultivation under periodically waterlogged soil conditions during the winter half year and implications for soil chemical and biological properties. Examined perennial energy crops coped with periodical waterlogging and showed yields 50% to 150% higher than in the control which was never faced with waterlogging. Root formation was similar in waterlogged and non-waterlogged soil layers. Soil chemical and microbial properties clearly responded to different soil moisture treatments. For example, dehydrogenase activity was two to four times higher in the periodically waterlogged treatment compared to the control. Despite waterlogging, aerobic microbial activity was significantly elevated indicating morphological and metabolic adaptation of the perennial crops to withstand waterlogged conditions. Thus, our results reveal first evidence of a site-adapted biomass production on periodical waterlogged soils through the cultivation of perennial energy crops and for intense plant microbe interactions.
Besides well-known positive aspects of conservation tillage combined with mulching, a drawback may be the survival of phytopathogenic fungi like Fusarium species on plant residues. This may endanger the health of the following crop by increasing the infection risk for specific plant diseases. In infected plant organs, these pathogens are able to produce mycotoxins like deoxynivalenol (DON). Mycotoxins like DON persist during storage, are heat resistant and of major concern for human and animal health after consumption of contaminated food and feed, respectively. Among fungivorous soil organisms, there are representatives of the soil fauna which are obviously antagonistic to a Fusarium infection and the contamination with mycotoxins. Earthworms (Lumbricus terrestris), collembolans (Folsomia candida) and nematodes (Aphelenchoides saprophilus) provide a wide range of ecosystem services including the stimulation of decomposition processes which may result in the regulation of plant pathogens and the degradation of environmental contaminants. Several investigations under laboratory conditions and in the field were conducted to test the following hypotheses: (1) Fusarium-infected and DON-contaminated wheat straw provides a more attractive food substrate than non-infected control straw (2) the introduced soil fauna reduce the biomass of F. culmorum and the content of DON in infected wheat straw under laboratory and field conditions (3) the species interaction of the introduced soil fauna enhances the degradation of Fusarium biomass and DON concentration in wheat straw; (4) the degradation efficiency of soil fauna is affected by soil texture. The results of the present thesis pointed out that the degradation performance of the introduced soil fauna must be considered as an important contribution to the biological control of plant diseases and environmental pollutants. As in particular L. terrestris revealed to be the driver of the degradation process, earthworms contribute to a sustainable control of fungal pathogens like Fusarium and its mycotoxins in wheat straw, thus reducing the risk of plant diseases and environmental pollution as ecosystem services.
Vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels stellt die energetische Verwertung von Biomasse (NaWaRo, Bioenergie) eine Option zur Minderung der globalen Treibhausgas-Emissionen dar. Im Jahr 2011 betrug der Anteil der Bioenergie am deutschen Endenergieverbrauch 8,2 %. Zur Einhaltung politischer Klimaschutzziele ist von einer Ausweitung der NaWaRo-Anbaufläche auszugehen. Aus Sicht des vorsorgenden Bodenschutzes ist dabei relevant, dass mit dem Biomasseanbau sowohl positive als auch negative Effekte für das Schutzgut Boden einhergehen können. Befürchtet werden u.a. ein weiterer Rückgang der (Boden-)Biodiversität in den Agrarlandschaften sowie eine Reduktion der organischen Kohlenstoffvorräte des Bodens (Verlust an Bodenqualität, Quelle für Treibhausgase) infolge der Intensivierung der landwirtschaftlichen Bodennutzung. Dahingegen könnten extensive Landnutzungsformen jedoch bspw. auch zu einer Förderung der Biodiversität beitragen. Für die zukünftige Ausrichtung des Biomasseanbaus ist daher eine umfassende Evaluation der vorhandenen Anbausysteme notwendig. Anhand der Energiepflanzen Raps, Mais und Miscanthus wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Effekte des Biomasseanbaus auf die für die Bodenfunktionen relevanten Schlüsselfaktoren Boden-Biodiversität und Humusgehalt ermittelt. Raps und Mais waren im Vergleich zu Miscanthus durch eine geringere Biodiversität gekennzeichnet. Langjähriger Miscanthus-Anbau führte zudem zu einer C-Akkumulation im Boden. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Quantifizierung der Netto-Energieerträge, der Energieeffizienz sowie des Treibhausgas-Minderungspotenzials der Anbausysteme. Alle bilanzierten Energiepflanzen-Anbausysteme erzielten Energiegewinne und führten zu einer Reduktion der Treibhausgasemissionen. Den naturwissenschaftlichen Studien schloss sich eine Analyse der gegenwärtigen Regelungen zur guten fachlichen Praxis (gfP) als zentralem Steuerungselement des vorsorgenden Bodenschutzes an. Diese diente zur Klärung der Frage, ob es hinsichtlich des Biomasseanbaus einer NaWaRo-spezifischen Konkretisierung der Grundsätzekataloge zur gfP im Recht der Landwirtschaft bedarf. Auf den Ergebnissen der natur- und rechtswissenschaftlichen Studien aufbauend wurden die mit der energetischen Verwertung von Biomasse einhergehenden Effekte auf die Schutzgüter Boden und Klima anhand des internen Zielkonfliktes des -§ 1 Abs. 3 Nr. 2 und 4 BNatSchG, welcher exemplarisch für das Spannungsfeld zwischen Landwirtschaft und Naturschutz steht, bewertet. Insgesamt ist der Ausbau der erneuerbaren Energien ein geeignetes und erforderliches Mittel zum Schutze des Klimas und der Luft. Sofern die Grundsätze der gfP zum Schutze des Bodens konsequent umgesetzt werden, muss der Anbau nachwachsender Rohstoffe zur Bioenergie-Produktion in diesem Zusammenhang als allgemein verhältnismäßig, im Besonderen aber auch als angemessene Maßnahme hinsichtlich der sonstigen Anforderungen des Bodenschutzes, angesehen werden. Den Abschluss der Arbeit bildet ein nicht als abschließend zu verstehender Katalog NaWaRo-spezifischer sowie allgemeiner Konkretisierungsvorschläge zur guten fachlichen Praxis.
Investigation of soil water budget in the unsaturated soil zone is commonly performed for determination of the complex relationships between the different components of the water budget. A main focus of this work was on acquisition and evaluation of percolation water and soil moisture dynamics depending on the site properties (climate, soils, land use). A network consisting of 14 lysimeter and soil moisture measuring stations was established in the region of the Trier-Bitburger-Mulde (SW-Eifel, Germany). During a period of four hydrological years precipitation, infiltration, percolation water and soil moisture were collected weakly on the stations comprising the different regional characteristics of soil textures and land use patterns. The analysis of the weekly data sets enabled to point out seasonal variations of percolation water and soil water dynamics (as time-depth function). Comparison of simultaneously collected data sets of percolation water, soil moisture, and evapotranspiration shows significant fluctuations, which result from the complex relationships between the site properties. Hereby, the soil properties and in particular the secondary macropores (root channels, shrinkage- /frost cracks) have a striking influence on the variability of the water flows in the unsaturated soil zone. The results of the GIS-based regionalisation of the annual amount of percolation water prove the influence of topography (relief conditions, especially slope and aspect) on percolation and soil water dynamics in low mountain ranges.
Caenorhabditis elegans Modelsysteme für Freiland und Labor Caenorhabditis elegans ist eines der am intensivsten untersuchten Tiermodelle, dabei weisen die nur unzureichenden Informationen über sein ursprüngliches Habitat eine Vielzahl offener Fragen auf. Deshalb beschäftigt sich der erste Teil vorliegender Arbeit mit einer Überprüfung der Freilandökologie und Biogeographie des Taxons. Nach den Untersuchungen spricht vieles dafür, dass die Ursprungsart der C. elegans Gruppe ein Begleiter von Gastropoden war, welche auch für ihre Ausbreitung häufig verantwortlich sind. Als Folge der Verschleppung durch Wirtstiere (u.a. die Weinbergschnecke Helix aspersa) erreichte sie ihr heutiges Areal, in allen Kontinenten. Ein nicht weniger wichtiges Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung von C. elegans als Biotest-System für die Indikation von Chemikalien-Wirkungen. In dieser Arbeit wurden ein ökotoxikologisches Testsystem entwickelt mit den C. elegans als Modellorganismus, das durch Messung von umweltbedingten intrazellulär gebildeten ROS im Gesamtorganismus eine Einschätzung der biologischen Aktivität von Chemikalien und Umweltmedien ermöglichen sollte. Als grundlegender biochemischer Parameter ist eine, die Kapazität der antioxidativen Schutzmechanismen übersteigende, ROS-Bildung ursächlich für oxidative Schädigungen der Zelle verantwortlich und damit Basis für zahlreiche pathologische Effekte. Aus den Resultaten als Bewertungsgrundlage lässt sich folgern, dass sich das erarbeitete Biotestsystem als adäquates Verfahren zur Messung von oxidativem Stress, als Folge exogener Belastung, einsetzen lässt. Damit leistet es einen Beitrag zur Beurteilung des Toxizitätspotentials von Chemikalien und Umweltproben. Zur Eignung des Einsatzes von C. elegans für Toxizitätstest wurden weitere Untersuchungen mit verschiedenen Chemikalien durchgeführt. Dabei ergibt sich bezogen auf molare Einheiten eine immer gleich bleibende Reihenfolge der Sensitivitäten gegenüber BaP > Cu2+ > AcL, ein Ergebnis welches mit Testergebnissen von anderen Versuchsorganismen zu vergleichen war. Die Wirkung von Atrazin auf die Entwicklung von C. elegans wurde auch untersucht. Es wurde festgestellt, dass Atrazin auf Wachstum und Reproduktion von C. elegans konzentrationsabhängig toxisch wirkt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen jedoch, dass das Testsystem C. elegans hervorragend geeignet ist, um Chemikalienwirkungen frühzeitig sichtbar zu machen.
Abstract: Thermal infrared (TIR) multi-/hyperspectral and sun-induced fluorescence (SIF) approaches together with classic solar-reflective (visible, near-, and shortwave infrared reflectance (VNIR)/SWIR) hyperspectral remote sensing form the latest state-of-the-art techniques for the detection of crop water stress. Each of these three domains requires dedicated sensor technology currently in place for ground and airborne applications and either have satellite concepts under development (e.g., HySPIRI/SBG (Surface Biology and Geology), Sentinel-8, HiTeSEM in the TIR) or are subject to satellite missions recently launched or scheduled within the next years (i.e., EnMAP and PRISMA (PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa, launched on March 2019) in the VNIR/SWIR, Fluorescence Explorer (FLEX) in the SIF). Identification of plant water stress or drought is of utmost importance to guarantee global water and food supply. Therefore, knowledge of crop water status over large farmland areas bears large potential for optimizing agricultural water use. As plant responses to water stress are numerous and complex, their physiological consequences affect the electromagnetic signal in different spectral domains. This review paper summarizes the importance of water stress-related applications and the plant responses to water stress, followed by a concise review of water-stress detection through remote sensing, focusing on TIR without neglecting the comparison to other spectral domains (i.e., VNIR/SWIR and SIF) and multi-sensor approaches. Current and planned sensors at ground, airborne, and satellite level for the TIR as well as a selection of commonly used indices and approaches for water-stress detection using the main multi-/hyperspectral remote sensing imaging techniques are reviewed. Several important challenges are discussed that occur when using spectral emissivity, temperature-based indices, and physically-based approaches for water-stress detection in the TIR spectral domain. Furthermore, challenges with data processing and the perspectives for future satellite missions in the TIR are critically examined. In conclusion, information from multi-/hyperspectral TIR together with those from VNIR/SWIR and SIF sensors within a multi-sensor approach can provide profound insights to actual plant (water) status and the rationale of physiological and biochemical changes. Synergistic sensor use will open new avenues for scientists to study plant functioning and the response to environmental stress in a wide range of ecosystems.
N-acetylation by N-acetyltransferase 1 (NAT1) is an important biotransformation pathway of the human skin and it is involved in the deactivation of the arylamine and well-known contact allergen para-phenylenediamine (PPD). Here, NAT1 expression and activity were analyzed in antigen presenting cells (monocyte-derived dendritic cells, MoDCs, a model for epidermal Langerhans cells) and human keratinocytes. The latter were used to study exogenous and endogenous NAT1 activity modulations. Within this thesis, MoDCs were found to express metabolically active NAT1. Activities were between 23.4 and 26.6 nmol/mg/min and thus comparable to peripheral blood mononuclear cells. These data suggest that epidermal Langerhans cells contribute to the cutaneous N-acetylation capacity. Keratinocytes, which are known for their efficient N-acetylation, were analyzed in a comparative study using primary keratinocytes (NHEK) and different shipments of the immortalized keratinocyte cell line HaCaT, in order to investigate the ability of the cell line to model epidermal biotransformation. N-acetylation of the substrate para-aminobenzoic acid (PABA) was 3.4-fold higher in HaCaT compared to NHEK and varied between the HaCaT shipments (range 12.0"44.5 nmol/mg/min). Since B[a]P induced cytochrome p450 1 (CYP1) activities were also higher in HaCaT compared to NHEK, the cell line can be considered as an in vitro tool to qualitatively model epidermal metabolism, regarding NAT1 and CYP1. The HaCaT shipment with the highest NAT1 activity showed only minimal reduction of cell viability after treatment with PPD and was subsequently used to study interactions between NAT1 and PPD in keratinocytes. Treatment with PPD induced expression of cyclooxygenases (COX) in HaCaT, but in parallel, PPD N-acetylation was found to saturate with increasing PPD concentration. This saturation explains the presence of the PPD induced COX induction despite the high N-acetylation capacities. A detailed analysis of the effect of PPD on NAT1 revealed that the saturation of PPD N-acetylation was caused by a PPD-induced decrease of NAT1 activity. This inhibition was found in HaCaT as well as in primary keratinocytes after treatment with PPD and PABA. Regarding the mechanism, reduced NAT1 protein level and unaffected NAT1 mRNA expression after PPD treatment adduced clear evidences for substrate-dependent NAT1 downregulation. These results expand the existing knowledge about substrate-dependent NAT1 downregulation to human epithelial skin cells and demonstrate that NAT1 activity in keratinocytes can be modulated by exogenous factors. Further analysis of HaCaT cells from different shipments revealed an accelerated progression through the cell cycle in HaCaT cells with high NAT1 activities. These findings suggest an association between NAT1 and proliferation in keratinocytes as it has been proposed earlier for tumor cells. In conclusion, N-acetylation capacity of MoDCs as well as keratinocytes contribute to the overall N-acetylation capacity of human skin. NAT1 activity of keratinocytes and consequently the detoxification capacities of human skin can be modulated by the presence of exogenous NAT1 substrates and endogenous by the cell proliferation status of keratinocytes.
Die polare Kryosphäre stellt einen Schlüsselfaktor für die Erforschung des Klimawandels dar. Insbesondere das Meereis und seine Schneebedeckung, die sich durch eine äußerst hohe und Zeitskalen-übergreifende Sensitivität gegenüber atmosphärischen Einflüssen auszeichnen, können als diagnostische Parameter für die Abschätzung von Veränderungen im Klimasystem herangezogen werden. Die komplexen Rückkopplungsmechanismen, durch die das Meereis mit der globalen Zirkulation der Atmosphäre und des Ozeans in Wechselwirkung steht, werden durch eine zusätzliche Schneeauflage deutlich verstärkt. Insofern tragen die saisonalen Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Schnees, und insbesondere der Beginn der Schneeschmelze, massgeblich zur lokalen und regionalen Energiebilanz sowie zur Meereismassenbilanz bei. In dieser Arbeit wird nun erstmals auf der Basis langjähriger Daten der satellitengestützten Mikrowellenfernerkundung, in Kombination mit Feldmessungen aus dem Weddellmeer während des Sommers 2004/2005, die Charakteristik der sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis untersucht. Die sommertypischen Prozesse zeichnen sich hier durch deutliche Unterschiede im Vergleich zu arktischem Meereis aus. Wie die Messungen vor Ort zeigen, kommt es während des antarktischen Sommers nicht zu einem kompletten Abschmelzen des Schnees. Vielmehr dominieren ausgeprägte Schmelz-Gefrier-Zyklen im Tagesgang, die eine Abrundung und Vergrösserung der Schneekristalle sowie die Bildung interner Eisschichten verursachen. Dies führt radiometrisch zu Mikrowellensignalen, deren Erfassung im Vergleich zu bestehenden Schmelzerkennungs-Methoden neue Ansätze erfordert. Durch den Vergleich von zeitlich hoch aufgelösten in-situ Messungen der physikalischen Schneeeigenschaften mit parallel dazu erfassten Satellitendaten, sowie durch eine Modellierung der mikrowellenradiometrischen Eigenschaften der Schneeauflage, konnte ein neuer Indikator entwickelt werden, über den das Einsetzen der typischen sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis identifiziert werden kann. Der DTBA-Indikator beschreibt die Tagesschwankung der radiometrischen Eigenschaften des Schnees und zeichnet sich durch ein Werteverhalten aus, das eine eindeutige Hervorhebung der Sommerphase innerhalb eines saisonalen Zyklus erkennen lässt. Der Indikator wurde verwendet, um mittels des neu entwickelten Schwellwertalgorithmus MeDeA das Einsetzen der sommerlichen Schmelzperiode für das gesamte antarktische Meereisgebiet zu bestimmen. Durch die Anwendung der neuen Methode auf die langjährigen Reihen der Satellitenmessungen konnte ein umfassender Datensatz erstellt werden, der für den Zeitraum von 1988 bis 2006 die räumliche und zeitliche Variabilität des Einsetzens der sommerlichen Schmelzperiode auf antarktischem Meereis beinhaltet. Die Ergebnisse zeigen, dass im Untersuchungszeitraum keine signifikanten Trends im Beginn des Schmelzens der Schneeauflage festzustellen sind, und dass das Schmelzen im Vergleich zur Arktis deutlich schwächer ausgeprägt ist. Eine Untersuchung der atmosphärischen Antriebe durch die Auswertung meteorologischer Reanalysen zeigt den grundlegenden Einfluss der zirkumpolaren Strömungsmuster auf die interannualen Schwankungen des Einsetzens und der Stärke der sommerlichen Schneeschmelze.
Die Beobachtung und Bewertung von Wäldern ist eins der zentralen Themen der Fernerkundung. Wälder sind auf der Erde die größten Speicher von Biomasse und damit, neben den Ozeanen, die größte Senke für Kohlendioxid. Eine genaue Kenntnis über Zusammensetzung, Zustand und Entwicklung der Wälder ist wegen ihrer vielfältigen Funktionen und ihres großen Anteils an der Landesfläche von großem wissenschaftlichem und gesellschaftlichem Wert. Eine flächen-deckende detaillierte Beobachtung ist nur mit fernerkundlichen Mitteln möglich. Eine vielversprechende moderne Technik für hochauflösende Waldfernerkundung ist luftgestütztes Laser-¬scanning. Für die Arbeit stand ein Laserscanner-Datensatz aus dem Idarwald bei Morbach in Einzelpunkten und als Wellenformdatensatz zur Verfügung, der zur Ableitung von strukturellen Waldparametern genutzt wurde. Als wichtigster Bestandsstrukturparameter wurde die Baumhöhe sowohl aus Einzelpunktdaten als auch aus gerasterten Bilddaten flächendeckend mit hoher Genauigkeit abgeleitet. Die Kronenuntergrenzen konnten anhand der Wellenformdaten identifiziert werden und stimmten ebenfalls in hoher Genauigkeit mit Geländemessungen überein. Aus Baumhöhen und Höhe der Kronenuntergrenzen konnte die jeweilige Kronenlänge bestimmt werden. Eine größere Herausforderung ist die Bestimmung der Anzahl der Bäume pro Hektar. Während die einzelnen Kronen älterer Nadelbäume gut erkennbar sind, lassen sich Laubbäume und jüngere Nadelbäume nur schwer identifizieren. Trotzdem konnte mit Hilfe eines adaptiven Moving-Window-Ansatzes eine hohe Übereinstimmung mit im Gelände bestimmten Stammzahlen erzielt werden. Aus dem Anteil der Laserstrahlen, die im Bestand den Boden erreichen, können der Kronenschlussgrad und der Blattflächenindex bestimmt werden. Beide Größen sind für den Strahlungstransfer im Bestand und für ökologische Fragestellungen von Bedeutung und konnten ebenfalls flächendeckend und mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Eng verknüpft mit dem Blattflächenindex sind die Biomasse und der Holzvorrat. Der Holzvorrat kann zwar nicht direkt aus den Laser-¬scannerdaten abgeleitet werden, da aber enge Beziehungen zu Baumhöhe und Stammzahl bestehen, kann er aus diesen statistisch abgeleitet werden. Auch die Biomasse wurde indirekt bestimmt: aus den Baumhöhen und dem Bedeckungsgrad. Die detaillierteste Charakterisierung von Waldbeständen kann durch Kombination unterschiedlicher Datensätze erreicht werden. Neben dem Laserscanningdatensatz stand auch ein hyperspektrales Bild des Untersuchungsgebiets zur Verfügung. Um diese zu kombinieren, wurde aus den Wellenformen die jeweils über der Fläche eines Hyperspektralpixels zurückgestreute Laserenergie in Höhenschritten von 0.5 m berechnet. Diese Höhenprofile zeigen die Position und Dichte der Baumkronen. Der kombinierte Datensatz wurde für eine Klassifikation zwischen Fichten und Douglasien in jeweils mehreren Altersstufen verwendet und konnte gegenüber dem Hyperspektralbild alleine eine deutliche Verbesserung der Klassifikationsgenauigkeit erzielen. Als weitere Methode, die Vorteile von hyperspektraler Fernerkundung mit denen von Laser-scanning zu verbinden, wurden Methoden zur Verwendung von Laserscanning für die Invertierung von zwei Reflexionsmodellen entwickelt und getestet. Da mit Laserscanning Größen bestimmt werden können, die aus einem Reflexionsspektrum nicht eindeutig ableitbar sind, können die Daten verwendet werden, um den Parameterraum bei der Invertierung zu verkleinern und damit die Invertierung zuverlässiger zu machen.
Der Planungsorientierten Stadtklimatologie und der Stadtökologie stehen eine Vielzahl von Einzelmethoden zur Erfassung und Bewertung der Belastungsfaktoren Klima, Luft oder Lärm zur Verfügung. Es fehlen derzeit Möglichkeiten zur Gesamtbeurteilung des aktuellen Umweltzustandes oder von bestimmten Planungsvarianten. Um die Strukturen der Gesamtbelastung städtischer Gebiete durch Klima, Luft und Lärm zu bewerten, wird der Ansatz über die Indexbildung untersucht. Dabei werden die Einzelbelastungen durch die städtische Überwärmung, die Belastung mit Kfz-bedingten Luftschadstoffen und die Verkehrslärmbelastung zu einer einzigen Bewertungsgröße integrierend zusammengefasst. Das "Indikatorensystem Klima - Luft - Lärm" kurz: "K-L-L-Index" knüpft im weiteren Sinne an die Nachhaltigkeitsindikatoren an. Die Ermittlung des K-L-L-Indexes erfolgt schrittweise, wobei die berechneten oder gemesse-nen Einzelgrößen zunächst einer vereinheitlichten Klassifizierung unterzogen werden. Mit dieser Vorgehensweise werden die Einzelgrößenbelastungen entsprechend ihrer Ausprägung bzw. Intensität eingestuft und erhalten jeweils einen Indikatorenwert. Die eigentliche Berechnung des K-L-L-Indexes erfolgt über die Verknüpfung der einzelnen Indikatorenwerte zu einem ge-meinsamen Indikatorensystem. Die Einstufung des K-L-L-Indexes wird entsprechend einer definierten Bewertungsskala durch arithmetische Mittelwertbildung der Indikatorwerte zwi-schen den Stufen 0 "kaum belastet" bis Stufe 4 "extrem belastet" ermittelt. Die kumulative Wirkung der drei Größen auf die menschliche Gesundheit wird insoweit berücksichtigt, dass die Fälle von drei gleich stark belasteten Einzelgrößen in der Gesamtbelastung der nächst höhe-ren Belastungsstufe zugeordnet werden. Die Berechnung und Darstellung des K-L-L-Indexes wird unter Verwendung digitaler Informa-tionen in einem Geographischen Informationssystem (GIS) durchgeführt. Hier können die zahl-reichen räumlichen Informationen entsprechend den Vorgaben miteinander verarbeitet werden und die Ergebnisse für die Untersuchungsgebiete direkt flächenhaft dargestellt werden. Da-durch weist der K-L-L-Index hinsichtlich des räumlichen Bezugs deutliche Vorteile gegenüber anderen Nachhaltigkeitsindikatoren auf. Die Anwendbarkeit und Flexibilität des vorgestellten K-L-L-Indexes wird anhand von zwei ausgewählten Untersuchungsgebieten in Trier und Lud-wigshafen überprüft. Der K-L-L-Index bietet zahlreiche Einsatzmöglichkeiten in der Straßen- und Verkehrsplanung (Verkehrsszenarien, Trassenvarianten), Stadtentwicklungsplanung und Bauleitplanung (Ausweisung von Flächen, Baugenehmigungen, Rahmenpläne) oder in der Lärmminderungsplanung. Neben der Erfassung der Ist-Belastungssituation kann der K-L-L-Index insbesondere in Bezug auf geplante Nutzungsänderungen oder Planungsalternativen Detailinformationen hin-sichtlich der Umweltbelastungen liefern und somit einen wichtigen Beitrag zur vorsorgenden Umweltplanung leisten. Als weiteren Forschungsbedarf wird die Anpassung des K-L-L-Indexes an aktuelle Entwicklungen im Bereich des Immissionsschutzes (Einbeziehung von PM10 und des LDEN) und der Einsatz im Zuge von Aktionsplänen nach -§ 47 Bundesimmissionsschutzgesetz zur Vermeidung von Grenzwertüberschreitungen nach der 22. BImSchV angesehen. Der K-L-L- Index ist somit als ein erster Schritt zur Gesamtbewertung hin zu sehen, weitere Schritte müssen folgen.
Chemical communication in the reproductive behaviour of Neotropical poison frogs (Dendrobatidae)
(2013)
Chemical communication is the evolutionary oldest communication system in the animal kingdom that triggers intra- and interspecific interactions. It is initiated by the emitter releasing either a signal or a cue that causes a reaction of the receiving individual. Compared to other animals there are relatively few studies regarding chemical communication in anurans. In this thesis the impact of chemical communication on the behaviour of the poison frog Ranitomeya variabilis (Dendrobatidae) and its parental care performance was investigated. This species uses phytotelmata (small water bodies in plants) for both clutch and tadpole depositions. Since tadpoles are cannibalistic, adult frogs do not only avoid conspecifics when depositing their eggs but also transport their tadpoles individually into separated phytotelmata. The recognition of already occupied phytotelmata was shown to be due to chemical substances released by the conspecific tadpoles. In order to gain a deeper comprehension about the ability of adult R. variabilis to generally recognize and avoid tadpoles, in-situ pool choice experiments were conducted, offering chemical substances of tadpole of different species to the frogs (Chapter I). It turned out that they were able to recognize all species and avoid their chemical substances for clutch depositions. However, for tadpole depositions only dendrobatid tadpoles occurring in phytotelmata were avoided, while those species living in rivers were not. Additionally, the chemical substances of a treefrog tadpole (Hylidae) were recognized by R. variabilis. Yet, they were not avoided but preferred for tadpole depositions; thus these tadpoles might be recognized as a potential prey for the predatory poison frog larvae. One of the poison frog species which was avoided for both tadpole and clutch depositions, was the phytotelmata breeding Hyloxalus azureiventris. The chemical substances released by its tadpoles were analysed together with those of the R. variabilis tadpoles (Chapter II). After finding a suitable solid-phase extraction sorbent (DSC-18), the active chemical compounds from the water of both tadpole species were extracted and fractionated. In order to determine which fractions triggered the avoidance behaviour of the frogs, in-situ bioassays were conducted. It was found that the biologically active compounds differed between both species. Since the avoidance of the conspecific tadpoles is not advantageous to the releaser tadpoles (losing a potential food resource) the chemicals released by them might be defined as chemical cues. However, as it turned out that the avoidance of the heterospecific tadpoles was not triggered by a mere byproduct based on the close evolutionary relationship between the two species, the chemical compounds released by H. azureiventris tadpoles might be defined as chemical signals (being advantageous to the releasing tadpoles) or, more specifically as synomones, interspecificly acting chemicals that are advantageous for both emitter and receiver (since R. variabilis avoids a competition situation for its offspring, too). Another interspecific communication system investigated in this thesis was the avoidance of predator kairomones (Chapter III). Using chemical substances from damselfly larvae, it could be shown that R. variabilis was unable to recognize and avoid kairomones of these tadpole predators. However, when physically present, damselfly larvae were avoided by the frogs. For the recognition of conspecific tadpoles in contrast, chemical substances were necessary, since purely visible artificial tadpole models were not avoided. If R. variabilis is also capable to chemically communicate with adult conspecifics was investigated by presenting chemical cues/signals of same-sex or opposite-sex conspecifics to the frogs (Chapter IV). It was suggested that males would be attracted to chemical substances of females and repelled by those of conspecific males. But instead all individuals showed avoidance behaviour towards the conspecific chemicals. This was suggested to be an artefact due to confinement stress of the releaser animals, emitting disturbance cues that triggered avoidance behaviour in their conspecifics. The knowledge gained about chemical communication in parental care thus far, was used to further investigate a possible provisioning behaviour in R. variabilis. In-situ pool-choice experiments with chemical cues of conspecific tadpoles were carried out throughout the change from rainy to dry season (Chapter V). With a changepoint analysis, the exact seasonal change was defined and differences between frogs" choices were analysed. It turned out that R. variabilis does not avoid but prefer conspecific cues during the dry season for tadpole depositions, what might be interpreted as a way to provide their tadpoles with food (i.e. younger tadpoles) in order to accelerate their development when facing desiccation risk. That tadpoles were also occasionally fed with fertilized eggs could be shown in a comparative study, where phytotelmata that contained a tadpole deposited by the frogs themselves received more clutch depositions than freshly erected artificial phytotelmata containing unfamiliar tadpoles (i.e. their chemical cues; Chapter VI). Conducting home range calculations with ArcGIS, it turned out that R. variabilis males showed unexpectedly strong site fidelity, leading to the suggestion that they recognize their offspring by phytotelmata location. However, in order to test if R. variabilis is furthermore able to perform chemical offspring recognition, frogs were confronted in in-situ pool-choice experiments with chemical cues of single tadpoles that were found in their home ranges (Chapter VII). Genetic kinship analyses were conducted between those tadpoles emitting the chemical cues and those deposited together with or next to them. The results, however, indicated that frogs did not choose to deposit their offspring with or without another tadpole due to relatedness, i.e. kin recognition by chemical cues could not be confirmed in R. variabilis.
Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Frage nach der Darstellung Chinas in ausgewählten Geographieschulbüchern (Lehrbücher, Zusatzmaterialien und Schulatlanten) der Bundesrepublik Deutschland, der Deutschen Demokratischen Republik und der Republik Österreich. Ziel dieser Schulbuchanalyse ist es, die Chinadarstellungen zu erfassen und auf ihre inhaltliche Qualität und Gegenwartsbezogenheit zu überprüfen. Alle Schulbücher werden auf ihre sachliche Richtigkeit, Vollständigkeit und Angemessenheit, sowie nach Vorurteilen und Stereotypen untersucht. Dabei werden bestimmte Vorurteilsstrukturen (Pittoresken, Exotismen) und stereotype Deutungs- und Darstellungsmuster aufgedeckt, nationale Sichtweisen hervorgehoben und im Hinblick auf das Postulat der Völkerverständigung interpretiert. Der Hauptteil der Arbeit besteht aus einer zweistufigen Schulbuchanalyse, die sich in eine differenzierte quantitative und qualitative Inhaltsanalyse gliedert. Ein detailliertes Kategoriensystem bildet die Grundlage der Analyse. Anhand der thematischen Kategorien erhält der Leser die Möglichkeit, bestimmte Aussagen und Ergebnisse der Analyse nachzuprüfen und nachzuvollziehen und sich zudem wissenschaftlich fundierte Erkenntnisse über die einzelnen Themengebiete zu erschließen. Die Vernachlässigung bestimmter Themen zeigt sich in mehreren Schulbüchern, wobei insbesondere ein qualitativer Wandel in der Behandlung physisch- und anthropogeographischer Themen zu beobachten ist.