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Arctic and Antarctic polynya systems are of high research interest since extensive new ice formation takes place in these regions. The monitoring of polynyas and the ice production is crucial with respect to the changing sea-ice regime. The thin-ice thickness (TIT) distribution within polynyas controls the amount of heat that is released to the atmosphere and has therefore an impact on the ice-production rates. This thesis presents an improved method to retrieve thermal-infrared thin-ice thickness distributions within polynyas. TIT with a spatial resolution of 1 km × 1 km is calculated using the MODIS ice-surface temperature and atmospheric model variables within the Laptev Sea polynya for the winter periods 2007/08 and 2008/09. The improvement of the algorithm is focused on the surface-energy flux parameterizations. Furthermore, a thorough sensitivity analysis is applied to quantify the uncertainty in the thin-ice thickness results. An absolute mean uncertainty of -±4.7 cm for ice below 20 cm of thickness is calculated. Furthermore, advantages and drawbacks using different atmospheric data sets are investigated. Daily MODIS TIT composites are computed to fill the data gaps arising from clouds and shortwave radiation. The resulting maps cover on average 70 % of the Laptev Sea polynya. An intercomparison of MODIS and AMSR-E polynya data indicates that the spatial resolution issue is essential for accurately deriving polynya characteristics. Monthly fast-ice masks are generated using the daily TIT composites. These fast-ice masks are implemented into the coupled sea-ice/ocean model FESOM. An evaluation of FESOM sea-ice concentrations is performed with the result that a prescribed high-resolution fast-ice mask is necessary regarding the accurate polynya location. However, for a more realistic simulation of other small-scale sea-ice features further model improvements are required. The retrieval of daily high-resolution MODIS TIT composites is an important step towards a more precise monitoring of thin sea ice and sea-ice production. Future work will address a combined remote sensing " model assimilation method to simulate fully-covered thin-ice thickness maps that enable the retrieval of accurate ice production values.
Digital technologies have become central to social interaction and accessing goods and services. Development strategies and approaches to governance have increasingly deployed self-labelled ‘smart’ technologies and systems at various spatial scales, often promoted as rectifying social and geographic inequalities and increasing economic and environmental efficiencies. These have also been accompanied with similarly digitalized commercial and non-profit offers, particularly within the sharing economy. Concern has grown, however, over possible inequalities linked to their introduction. In this paper we critically analyse the role of sharing economies’ contribution to more inclusive, socially equitable
and spatially just transitions. Conceptually, this paper brings together literature on sharing economies, smart urbanism
and just transitions. Drawing on an explorative database of sharing initiatives within the cross-border region of Luxembourg and Germany, we discuss aspects of sustainability as they relate to distributive justice through spatial accessibility, intended benefits, and their operationalization. The regional analysis shows the diversity of sharing models, how they are appropriated in different ways and how intent and operationalization matter in terms of potential benefits.
Results emphasize the need for more fine-grained, qualitative research revealing who is, and is not, participating and
benefitting from sharing economies.
Diese Untersuchungen beinhalten eine Diskussion von Hintergründen, Konzepten und Herausforderungen der aktuellen Qualitätsdiskussion im tertiären Tourismusbildungs-system des südlichen Afrikas. Dabei werden Fragen wie: "Welche Aspekte haben in diesen Ländern zu einer verstärkten Fokussierung auf Qualität geführt?", "Inwieweit lassen sich Erkenntnisse zu Qualitätsentwicklungen aus westlichen Industrienationen auf afrikanische Länder wie z.B. Namibia übertragen?", als auch "Welche Qualitätskriterien werden in der tertiären namibischen Tourismusbildungsinstitutionen als wichtig erachtet?" diskutiert. In diesen Untersuchungen wird diskursiv aufgezeigt, dass sich in vielen Ländern des südlichen Afrikas aufgrund rechtlicher Rahmenbedingungen in der tertiären Tourismus-bildung unterschiedliche Qualitätsansätze etablieren konnten. Eine fundierte Analyse der stark wachsenden Tourismusdestination Namibia als ausgewählte Fallstudie dient dabei als Basis zur Erarbeitung eines spezifischen Qualitätsinstruments. Neben einer Analyse der bestehende Situation versuchen diese vorliegenden Untersuchungen, einen konstruktiven Beitrag zur Qualtätsentwicklung in der namibischen tertiären Tourismusbildung zu liefern. So steht denn auch als Ziel die Erarbeitung eines namibiaspezifischen Qualitätsinstrumentes im Mittelpunkt des Interesses. Zu dessen Entwicklung wird als zentrale Methode eine angepasste Form des Delphi-Verfahrens angewendet, bei welchem eine breite Anzahl relevanter Stakeholder der namibischen tertiären Tourismusbildung eingebunden ist.
Die Zahl der (potenziellen) Kunden der Dienstleistungsbranche Tourismus und deren Ver-teilung im Raum wird durch eine Vielzahl von Ursachen (Bedürfnis- und Verhaltens-dimension der Tourismusforschung) bestimmt. Das sind z. B. auch Beweggründe, Bedürf-nisse, Motive oder auch Motivkomplexe. Die Kenntnis dieser Bedürfnisse und Verhaltens-weisen von Reisenden und deren Anforderungen an die offerierte Leistung sind dabei eine zentrale Voraussetzung für eine zielgruppengerechte Marktbearbeitung. Ein wichtiger Bestandteil dieser notwendigen Zielgruppenorientierung ist die Marktsegmentierung, deren Aufgabe darin besteht, den relevanten Markt in intern möglichst homogene und untereinander heterogene Teilmärkte aufzuteilen. Eine Segmentierung des Tourismusmarktes erfolgte bislang vornehmlich anhand verschiedener Einschränkungen. Aufgrund der geringen Aus-sagekraft der bisherigen Ansätze für das durch umfangreiche Motivkomplexe geprägte Reise-verhalten der Nachfrager erweist sich allerdings eine zielgruppenspezifische Markt-bearbeitung auf Basis derartiger Lösungen als nur bedingt möglich. Dieser Kritik Rechnung tragend wurde ein ganzheitlicher Segmentierungsansatz entwickelt, der an möglichst zahl-reichen Ausprägungsformen des Reiseverhaltens ansetzt, alle vier klassischen Markt-erfassungsansätze verbindet und damit Handlungsempfehlungen für eine breit angelegte zielgruppenspezifische Marktbearbeitung aufzeigt. Eine weitere Neuerung bezieht sich auf die Anwendung einer multivariaten Baumanalyse, um Zielgruppen im Tourismus zu differen-zieren. Dieses Analyseverfahren erlaubt die gemeinsame Analyse mehrerer Variablen und von Variablen jedes Skalenniveaus. Dazu wurden mehr als 6.000 mündlich geführte Interviews, die mittels einer Zielgebiets-befragung 1997-1999 in Rheinland-Pfalz erhoben wurden, ausgewertet. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der multivariaten Analyse mit Hilfe des sogenannten CHAID-Algorithmus. Es handelt sich dabei um eine Art Baumdiagramm, welches erstmalig als Instrument der touristischen Zielgruppenplanung mittels Segmentbildung und Profilerstellung eingesetzt und daher als Alternative zu Cluster- und Diskriminanzanalyse charakterisiert wird. Dabei kann eine Vielzahl verschiedenartiger Typisierungen untersucht werden, wie etwa die Typisierung der Reisenden mit hohem Reisestellenwert (z. B. der Haupturlauber), mit ausgeprägter Besuchshäufigkeit bzw. Zielgebietserfahrung, mit hoher Rückkehrbereitschaft, außergewöhnlicher Zufriedenheit oder des kaufkräftigen Urlaubers. Abschließend erfolgt die Beurteilung der Ergebnisse bezüglich der praktischen Bedeutung für das Rheinland-Pfalz-Marketing.
Im Mittelpunkt dieser Untersuchung stand die in der Umweltbeobachtung bestehende Diskrepanz zwischen dem Wunsch nach flächendeckender Information und der Tatsache, dass meist nur punktuell und stichprobenartig Information erhoben wird. Über das Zusammenführen von unterschiedlichsten Informationen über die Umwelt wurde die Frage der räumlichen Übertragbarkeit von Umweltdaten und die Leistungsfähigkeit von Umweltdaten untersucht. Zur Überprüfung der Hypothese, dass die in einem bestimmten Ökosystemtyp ermittelten Ergebnisse auf andere Vertreter desselben Ökosystemtyps übertragbar sind, wurden PAK gewählt, die als Indikatoren für die luftgetragene stoffliche Immission dienen. Grundlegend für den Untersuchungsansatz war die Annahme, dass die ökologisch-strukturelle Ausstattung eines Ökosystems auch einen bestimmenden Einfluss auf die stoffliche "Belastung" in diesem Ökosystem hat. Dazu wurden zunächst Hinweise auf ein Faktorengefüge erarbeitet, welches den Stoffeintrag bestimmen und welches die ökologisch-struktuelle Ausstattung im Hinblick auf die Zielsetzung in einem ausreichenden Maße beschreiben kann. Die erarbeiteten Faktoren gehören zu den Komplexen Klima, Topographie, Flächennutzung und Biometrie. Entsprechend dem Untersuchungsansatz wurde nach einem Modell gesucht, das den funktionalen Zusammenhang zwischen Faktoren zur Beschreibung der ökologisch-strukturellen Ausstattung der Gebiete und der entsprechenden PAK-Immission annähert. Für diesen Anwendungsfall ist der Netztyp des GRNN (General Regression Neural Network) besonders gut geeignet. Mit Hilfe des Modells wurden Prognosen der PAK-Immission für fünf Ökosysteme in Deutschland berechnet. Die Validierung dieser Ergebnisse erfolgte anhand von rückstandsanalytischen Untersuchungen an einjährigen Fichtentrieben aus diesen Gebieten. Über die Modellbildung mit unterschiedlichen Input-Sets wurden die für die PAK-Immission relevanten Faktoren herausgearbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass sich das gewählte Modell für die Frage der räumlichen Übertragbarkeit eignet, wobei hinsichtlich der Güte der Prognose deutliche Unterschiede zwischen den beiden Gruppen leichtflüchtige und schwerflüchtige PAK bestehen. Zudem bestehen qualitative Unter-schiede hinsichtlich der Prognosen zwischen den Gebieten, da durch die bisherige ökologisch-strukturelle Beschreibung wahrscheinlich einige die Immission bestimmende oder beeinflussende Faktoren nicht oder nicht ausreichend berücksichtigt wurden. Insgesamt wurde durch den gewählten Ansatz auch die Leistungsfähigkeit von Umweltdaten aus unterschiedlichen Monitoring- und Untersuchungsprogrammen durch deren gemeinsame Auswertung verdeutlicht.
Die globale Vernetzung, der Flächennutungs- und Klimawandel sind zentrale Aspekte bei der Ursachenanalyse der zunehmenden Homogenisierung von Biozönosen und dem weltweiten Verlust von Biodiversität. Von großer Bedeutung sind dabei Arten, die in sich ein weiträumiges Verbreitungspotential mit einem hohen ökologischen, zum Teil in Verbindung mit einem hohen ökonomischen, Schadpotential vereinen " so genannte invasive Arten. Aufgrund ihrer Eigenschaften bilden sie einen wichtigen Schnittpunkt von Ökologie, Ökonomie und Soziologie in Theorie und Praxis. Im Zuge der steigenden Anzahl von biologischen Invasionen weltweit und dem interessanten, interdisziplinären Charakter des Forschungsfeldes, ist dessen Analyse ein bedeutendes Top-Thema internationaler Forschung geworden. Die durch invasive Arten verursachten Schäden sind enorm: So werden die jährlichen Schäden für die USA, Südafrika, das Vereinigte Königreich, Brasilien und Indien auf insgesamt 336 Milliarden US Dollar geschätzt. Nach einem Bericht der EU Kommissionrnbeläuft sich für die Europäische Union die Summe aller Schäden die durch invasive Arten verursacht werden auf jährlich 12 Mrd. Euro. Folglich stellen invasive Arten zugleich einen zunehmend wichtigeren, rechtlichen Regelungsgegenstand auf den unterschiedlichsten Ebenen (international, europäisch, national) dar. In dieser Dissertation wird die Bedeutung von Verbreitungsmodellen als Analyseund Präventions-Instrument in der naturschutzfachlichen Risikoabschätzung verdeutlicht. Ferner wird die Einsatzmöglichkeit von Modellen für die rechtliche Einstufung von Arten und als Ermessensgrundlage bei der Bewilligung von Kostenersatzansprüchen nach entstandenen Schäden aufgezeigt. Zwei ökonomisch bedeutsame Käferarten wurden zur Veranschaulichung als Modellorganismen ausgewählt: Der für die biologische Schädlingsbekämpfung absichtlich eingeführte Asiatische Marienkäfer Harmonia axyridis und der vorwiegend mit Holzverpackungsmaterialien global verschleppte AsiatischernLaubholzbockkäfer Anoplophora glabripennis. Beide Organismen sind in der EU alsrngebietsfremde Arten mit einem hohen Schadpotential einzustufen, haben jedoch einen sehr unterschiedlichen rechtlichen Status inne. Harmonia axyridis wird in Europa kommerziell vermarktet und darf in Deutschland mit Genehmigungsvorbehalt im Freiland ausgebracht werden, wohingegen Anoplophora glabripennis in der EU als zu bekämpfender Quarantäneschadorganismus geführt wird. Für beide Insekten gibt es derzeit keinen praktikablen Rechtsanspruch auf Schadenshaftung bzw. Entschädigungen. Neben der Erstellung von Verbreitungsmodellen nach naturwissenschaftlichen Kriterien, wird dieser Tatbestand erörtert und entsprechende Verbesserungsansätze für die Normsetzung und -anwendung präsentiert.
Evapotranspiration (ET) is one of the most important variables in hydrological studies. In the ET process, energy exchange and water transfer are involved. ET consists of transpiration and evaporation. The amount of plants transpiration dominates in ET. Especially in the forest regions, the ratio of transpiration to ET is in general 80-90 %. Meteorological variables, vegetation properties, precipitation and soil moisture are critical influence factors for ET generation. The study area is located in the forest area of Nahe catchment (Rhineland-Palatinate, Germany). The Nahe catchment is highly wooded. About 54.6 % of this area is covered by forest, with deciduous forest and coniferous forest are two primary types. A hydrological model, WaSiM-ETH, was employed for a long-term simulation from 1971-2003 in the Nahe catchment. In WaSiM-ETH, the potential evapotranspiration (ETP) was firstly calculated by the Penman-Monteith equation, and subsequently reduced according to the soil water content to obtain the actual evapotranspiration (ETA). The Penman-Monteith equation has been widely used and recommended for ETP estimation. The difficulties in applying this equation are the high demand of ground-measured meteorological data and the determination of surface resistance. A method combined remote sensing images with ground-measured meteorological data was also used to retrieve the ETA. This method is based on the surface properties such as surface albedo, fractional vegetation cover (FVC) and land surface temperature (LST) to obtain the latent heat flux (LE, corresponding to ETA) through the surface energy balance equation. LST is a critical variable for surface energy components estimation. It was retrieved from the TM/ETM+ thermal infrared (TIR) band. Due to the high-quality and cloudy-free requirements for TM/ETM+ data selection as well as the overlapping cycle of TM/ETM+ sensor is 16 days, images on only five dates are available during 1971-2003 (model ran) " May 15, 2000, July 05, 2001, July 19, August 04 and September 21 in 2003. It is found that the climate conditions of 2000, 2001 and 2003 are wet, medium wet and dry, respectively. Therefore, the remote sensing-retrieved observations are noncontinuous in a limited number over time but contain multiple climate conditions. Aerodynamic resistance and surface resistance are two most important parameters in the Penman-Monteith equation. However, for forest area, the aerodynamic resistance is calculated by a function of wind speed in the model. Since transpiration and evaporation are separately calculated by the Penman-Monteith equation in the model, the surface resistance was divided into canopy surface resistance rsc and soil surface resistance rse. rsc is related to the plants transpiration and rse is related to the bare soil evaporation. The interception evaporation was not taken into account due to its negligible contribution to ET rate under a dry-canopy (no rainfall) condition. Based on the remote sensing-retrieved observations, rsc and rse were calibrated in the WaSiM-ETH model for both forest types: for deciduous forest, rsc = 150 sm−1, rse = 250 sm−1; for coniferous forest, rsc = 300 sm−1, rse = 650 sm−1. We also carried out sensitivity analysis on rsc and rse. The appropriate value ranges of rsc and rse were determined as (annual maximum): for deciduous forest, [100,225] sm−1 for rsc and [50,450] sm−1 for rse; for coniferous forest, [225,375] sm−1 for rsc and [350,1200] sm−1 for rse. Due to the features of the observations that are in a limited number but contain multiple climate conditions, the statistical indices for model performance evaluation are required to be sensitive to extreme values. In this study, boxplots were found to well exhibit the model performance at both spatial and temporal scale. Nush-Sutcliffe efficiency (NSE), RMSE-observations standard deviation ratio (RSR), percent bias (PBIAS), mean bias error (MBE), mean variance of error distribution (S2d), index of agreement (d), root mean square error (RMSE) were found as appropriate statistical indices to provide additional evaluation information to the boxplots. The model performance can be judged as satisfactory if NSE > 0.5, RSR ≤ 0.7, PBIAS < -±12, MBE < -±0.45, S2d < 1.11, d > 0.79, RMSE < 0.97. rsc played a more important role than rse in ETP and ETA estimation by the Penman-Monteith equation, which is attributed to the fact that transpiration dominates in ET. The ETP estimation was found the most correlated to the relative humidity (RH), followed by air temperature (T), relative sunshine duration (SSD) and wind speed (WS). Under wet or medium wet climate conditions, ETA estimation was found the most correlated to T, followed by RH, SSD and WS. Under a water-stress condition, there were very small correlations between ETA and each meteorological variable.
In Deutschland fallen bei der Wasseraufbereitung, der Verarbeitung von Gesteinen, Recyclingprozessen und in der Industrie etliche mineralische Zwangs-, Koppel-, Neben- oder Abfallprodukte an, die aufgrund ihrer Inhaltsstoffe als Puffersubstanzen oder Nährstofflieferanten im Wald eingesetzt werden könnten. In diesem Projekt wurde die Wirksamkeit und Ökosystemverträglichkeit von Mischungen potentieller Sekundärrohstoffe in Gefäßversuchen, Lysimeterversuchen, Freilandversuchen, Perkolationsversuchen und Keim- und Wachstumsversuchen untersucht. Die Mischungen bestehen aus Enthärterkalk und Magnesitstaub. Eingesetzte Enthärterkalke waren zwei Reaktorkornvarianten und ein Enthärterschlamm, dem zur besseren Händelbarkeit und als Kaliumquelle Bimsmehl bzw. Perlitstaub beigemischt wurde. Zur Anregung der biologischen Aktivität mit Phosphor wurden zwei Enthärterschlammmischungen mit Tiermehlasche aus der Monoverbrennung von Tierkörpermehl versetzt. Als Puffersubstanzen oder Nährstofflieferanten bewährten sich die Reaktorkörner, Magnesitstaub und Bimsmehl. Die Reaktorkornkalke wirken ähnlich dem herkömmlich eingesetzten Dolomit mit hoher oberflächennaher Säurepufferkapazität, verbesserter Basensättigung des Mineralbodens, Reduktion der Schwermetallmobilität und Aluminiumbelegung an den Austauscher sowie Erhöhung der Stickstoffspeicherkapazität. Unter dem Einfluss von Magnesitstaubs erhöhte sich der Magnesiumgehalt der Bodenlösung bis in den Hauptwurzelraum und Magnesiummangel in Pflanzen wurde signifikant behoben. Pflanzenvitalitätskennwerte verbesserten sich deutlich. Der Kaliumgehalt der Bodenlösung verbesserte sich bei Perlitstaub und Bimsmehl, in den Pflanzen nur bei Bimsmehl. Unter Einfluss der Tiermehlasche erhöhte sich weder der Gehalt der Bodenlösung noch die biologische Aktivität. Der enthaltene Phosphor liegt als schwerlösliches Hydroxylapatit vor, leichter lösliches Phosphat wurde als Calciumphosphat festgelegt. Durch geringe Anteile von Kalkmilch im Enthärterschlamm wurden initiale Nitrat- und Protonenschübe initiiert, die in stickstoffgesättigten Systemen problematisch werden können. Auf der Basis der Untersuchungsergebnisse wurden die positiv bewerteten Sekundärrohstoffe in die 2003 neugefasste Düngemittelverordnung aufgenommen.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Darstellung gemeinsamer Projekte von Hotelunternehmen und Hochschulen mit hotelspezifischen Studienangeboten. Infolge der demografischen Entwicklungen sowie des Wertewandels gewinnen Personalgewinnung und Mitarbeiterloyalisierung zunehmend an Bedeutung und werden zu einem Wettbewerbsparameter der Hotellerie. Für diese essentielle Herausforderung sind Hotelbetriebe mit engagierter Mitarbeiterförderung gefragt. Viele Hochschulen haben neue Studiengänge im Tourismus, Event- oder Hotelmanagementbereich praxisorientiert aufgelegt, um der Skepsis der Hotellerie entgegen zu wirken und um zugleich den Erwartungen der Studenten gerecht zu werden. Viele der Studenten wären potenzielle Auszubildende, die sich bei der Abwägung allerdings für die Studienoption entschieden haben. Daher ist es wichtig, in enger Kooperation mit den hierzu passenden Institutionen und Bildungsträgern, vor allem praxisnahe Studienmodelle für sich verändernde Erwartungen der Bewerber mit modernen Lehrinhalten zu entwickeln und erfolgreich am Markt zu platzieren. Daher verfolgt diese Arbeit den Ansatz, adäquate Kriterien und Faktoren für den Erfolg vertraglich vereinbarter Kooperationen zwischen Hotelketten und Hochschulen zu analysieren und daraus Handlungsempfehlungen abzuleiten. Die große Anzahl an Kooperationen macht deutlich, dass die Notwendigkeit für die Hotellerie, sich im Bereich der Mitarbeitergewinnung, -bindung und -entwicklung mit akademischen Partnern zusammen zu schließen, bei einer ansteigenden Zahl von Hotelgruppen nachvollzogen wird. Durch die zurückhaltende Vermarktung vieler Kooperationsmodelle ist deren Bekanntheit jedoch begrenzt und dadurch auch deren positive Auswirkungen auf das Image der Hotellerie. Gleichwohl sind in der Bildungslandschaft steigende Studentenzahlen und eine Vermehrung der Studiengänge bei gleichzeitig gravierender Abnahme der Zahl berufsfachlich Ausgebildeter erkennbar. Die Kooperationsmodelle sind daher ein sinnvolles Instrument, um auf diese Marktentwicklungen zu reagieren, wobei ihre Bedeutung primär von Unternehmen mit strategischer Personalpolitik erkannt wird. Daraus wurde die "Typologie privilegierter Bildungspartnerschaften" mit einer Bandbreite von zehn Kooperationstypen entwickelt. Damit werden unterschiedliche Intensitäten der partnerschaftlichen Bildungselemente ebenso deutlich wie ein individualisiertes "Faktoren-Phasenmodell", dass die Prozessstruktur der Kooperationsentwicklung abbildet. Je nach Enge der Zusammenarbeit, nach Unternehmens- und Hochschulphilosophie und entsprechend der Erfahrungen mit Kooperationen entstehen vor allem Verpflichtungen und Herausforderungen in der aktiven Gestaltung und verlässlichen Kommunikation in einem Kooperationsmodell. Eine Schlüsselrolle nimmt der persönlich verantwortliche Koordinator ein, der als Garant für eine effiziente Organisation und Professionalität angesehen wird. Daraus ableitend sind die Erfolgsfaktoren im ASP-Modell herausgefiltert worden: Attraktivität, Sicherheit und Persönlichkeit machen den Erfolg einer privilegierten Bildungspartnerschaft aus. Bestätigt wurde zudem, dass die Erfahrung der beiden Partner einer Kooperation zueinander passen muss und eine klare Zielvereinbarung mit Fixierung der Pflichten und Aufgaben erforderlich ist. Ein hoher Qualitätsanspruch, Transparenz und Prozesseffizienz ergänzen dies und machen deutlich, dass der Bildungsbereich als Teil der Personalpolitik eines Unternehmens sensibel und anspruchsvoll zugleich ist. Die Verankerung auf der Führungsebene eines Unternehmens ist entscheidend, um durch ein Signal nach innen und außen den Stellenwert einer Bildungsallianz zu verdeutlichen. Wenn aus Lernen und Wissen wirtschaftliche Vorteile erarbeitet werden können, wird Bildung noch mehr als Markenkern eines guten Arbeitgebers interpretiert. Auf dieser Grundlage wird der Gedanke der Personalentwicklung durch den Ansatz fortwährender Mitarbeiterbildung perfektioniert und der Lösungsansatz einer "privilegierten Bildungspartnerschaft" legt den Grundstein dafür. Nachwuchskräfteförderung wird zum strategischen Mittel der Mitarbeiterbindung und zur Vermeidung kostenintensiver Vakanzen, zudem sichern Netzwerke Fachwissen und stärken das Unternehmensimage. Mit privilegierten Bildungspartnerschaften werden geeignete Modelle vorgestellt, um einsatzfreudige Mitarbeiter zu halten und sie gleichzeitig auf den nächsten Karriereschritt vorzubereiten. Die vorliegende Ausarbeitung liefert einen Diskussionsbeitrag zum besseren gegenseitigen Verständnis einer Symbiose aus Hotelkette und Hochschule im Bildungsbereich sowie erfolgreiche Konzeptideen für vielfältige Netzwerkstrukturen.
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.
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.
Kunstgeographie versucht, die räumlichen Beziehungen zwischen der (Bau-) Kunst und den sie bestimmenden Faktoren innerhalb ihres Entstehungsraumes aufzuzeigen. Dabei werden die örtliche Verbreitung von Stilformen und "typen, die Baumaterialien und die landschaftliche Differenzierung und regionale Ausprägung von Stilformen untersucht. Neben der Aufarbeitung des aktuellen Forschungsstandes wird in dieser Arbeit die kunstgeographische Analyse als Methode einer synthetisch-kulturgeographischen Raumdifferenzierung entwickelt und am Beispiel der Renaissancearchitektur in Deutschland aufgezeigt. Auf Basis von mehr als 3.100 Renaissancebauten konnten durch die kartographische Umsetzung und Interpretation der erhobenen Daten erstmals kunstgeographische Raumbilder als Konzentrationsräume des Baustils visualisiert werden. Dabei wurden Faktoren wie der Einfluss des Menschen, der Naturraum sowie die wirtschaftlichen, historischen und sozialen Bedingungen analysiert, die raumbildprägend sind. Neben der internationalen Entwicklung fließen die innerhalb Deutschlands wirksamen Innovationszentren und Schlüsselbauten der Renaissancearchitektur in die Betrachtung ein, sodass die Gemeinsamkeiten und Unterschiede innerhalb unserer Kulturumwelt im regionalen und überregionalen Zusammenhang verdeutlicht und in Bezug gesetzt werden. Es wird gezeigt, dass sich innerhalb des Zeitstils der Renaissance in Deutschland vor einem unterschiedlichen kunstgeographischen Hintergrund regionale Schwerpunkt räume formierten, die bis heute das Raumbild beeinflussen. Damit wird ein detaillierter, raumwissenschaftlich erklärender Überblick über die Verbreitung und Ausprägung des Zeitstils vorgestellt, der die Basis einer anwendungsorientierten humangeographischen Forschung in den Bereichen Kulturleben und Tourismusentwicklung bildet.
Up-to-date information about the type and spatial distribution of forests is an essential element in both sustainable forest management and environmental monitoring and modelling. The OpenStreetMap (OSM) database contains vast amounts of spatial information on natural features, including forests (landuse=forest). The OSM data model includes describing tags for its contents, i.e., leaf type for forest areas (i.e., leaf_type=broadleaved). Although the leaf type tag is common, the vast majority of forest areas are tagged with the leaf type mixed, amounting to a total area of 87% of landuse=forests from the OSM database. These areas comprise an important information source to derive and update forest type maps. In order to leverage this information content, a methodology for stratification of leaf types inside these areas has been developed using image segmentation on aerial imagery and subsequent classification of leaf types. The presented methodology achieves an overall classification accuracy of 85% for the leaf types needleleaved and broadleaved in the selected forest areas. The resulting stratification demonstrates that through approaches, such as that presented, the derivation of forest type maps from OSM would be feasible with an extended and improved methodology. It also suggests an improved methodology might be able to provide updates of leaf type to the OSM database with contributor participation.
Extension of an Open GEOBIA Framework for Spatially Explicit Forest Stratification with Sentinel-2
(2022)
Spatially explicit information about forest cover is fundamental for operational forest management and forest monitoring. Although open-satellite-based earth observation data in a spatially high resolution (i.e., Sentinel-2, ≤10 m) can cover some information needs, spatially very high-resolution imagery (i.e., aerial imagery, ≤2 m) is needed to generate maps at a scale suitable for regional and local applications. In this study, we present the development, implementation, and evaluation of a Geographic Object-Based Image Analysis (GEOBIA) framework to stratify forests (needleleaved, broadleaved, non-forest) in Luxembourg. The framework is exclusively based on open data and free and open-source geospatial software. Although aerial imagery is used to derive image objects with a 0.05 ha minimum size, Sentinel-2 scenes of 2020 are the basis for random forest classifications in different single-date and multi-temporal feature setups. These setups are compared with each other and used to evaluate the framework against classifications based on features derived from aerial imagery. The highest overall accuracies (89.3%) have been achieved with classification on a Sentinel-2-based vegetation index time series (n = 8). Similar accuracies have been achieved with classification based on two (88.9%) or three (89.1%) Sentinel-2 scenes in the greening phase of broadleaved forests. A classification based on color infrared aerial imagery and derived texture measures only achieved an accuracy of 74.5%. The integration of the texture measures into the Sentinel-2-based classification did not improve its accuracy. Our results indicate that high resolution image objects can successfully be stratified based on lower spatial resolution Sentinel-2 single-date and multi-temporal features, and that those setups outperform classifications based on aerial imagery only. The conceptual framework of spatially high-resolution image objects enriched with features from lower resolution imagery facilitates the delivery of frequent and reliable updates due to higher spectral and temporal resolution. The framework additionally holds the potential to derive additional information layers (i.e., forest disturbance) as derivatives of the features attached to the image objects, thus providing up-to-date information on the state of observed forests.
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.
Wastewater treatment is of great financial concern in many states of Germany. In the rural areas of the Saarland (German state at the border to Luxembourg and France) investments for wastewater treatments in the next years will mount up to 400 mio. €. Nevertheless, decision makers are still left with the question, if these investments result in an effective and sustainable water treatment. To answer this question, the ministry of environment, related authorities and the University of the Saarland (Geographical Institute) started a Project to investigate seven small headwater catchments with predominantly Triassic series of Muschelkalk. Aims of this study were the following: (i) the description of the spatial variability of water chemistry upstream and downstream of small villages (in these villages only mechanically treated waste water is discharged into the brooks), (ii) calculation of nutrient loads of differently managed catchments (predominantly woodland, meadows or fields) and (iii) the relative importance of non-point pollution sources to point pollution sources. Results indicated that spatial variability of nitrate concentration during base-flow conditions was quite similar in intensively used agricultural areas. Nitrogen fluxes were predominantly controlled hydrologically. The nitrogen load (kg N per ha) from non-point pollution sources amounts from 32.5 to 43 kg N / ha * a in intensively used agricultural areas. This load, forecast to one square-km, is equal to the N-load of 800 " 1000 population equivalents. Thus, non-point pollution sources are a major part of the overall nitrogen pollution in the rural areas. The results are important criterias for the sewage disposal plan of the Saarland (disposal plans are obligate according to German water law) and can serve as a first part of a river basin management according to the European Water Framework Directive. To lower non-point N-pollution changes in agricultural management practices are necessary.
Im Rahmen eines Lehrforschungsprojekts setzten sich Studierende der Angewandten Geographie an der Universität Trier über zwei Semester in den Jahren 2016 und 2017 mit der Anpassung an den Klimawandel im Weinbau auseinander. Ziel des Lehrforschungsprojektes war es, besser zu verstehen wie Winzer*innen den Klimawandel wahrnehmen, welche Rolle der Klimawandel in (betrieblichen) Entscheidungen spielt und welche Anpassungspraktiken bereits beobachtbar sind.Der vorliegende Bericht fasst einige Ergebnisse der empirischen Untersuchung knapp zusammen.
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.
Gerade in der heutigen Zeit im Spannungsfeld zwischen der globalen Klimaveränderung und einer stetig wachsenden Weltbevölkerung wird es immer wichtiger, die Oberflächenprozesse quantifizieren zu können. In fünf Untersuchungsgebieten in Deutschland, Luxemburg und Spanien wurden experimentelle Geländemessmethoden zur Quantifizierung von Oberflächenabflussbildung und Bodenerosion eingesetzt. Je nach geographischer Lage der Testgebiete sind unterschiedliche Einflussgrößen wichtig für die Abflussreaktion und den Bodenabtrag. Jahreszeit und Vorfeuchte des Bodens können zu verschiedenen Systemzuständen führen und damit die Oberflächenabflussbildungs- und Bodenerosionsraten beeinflussen. Die Verwendung von experimentellen Messmethoden (Beregnungen) ermöglicht es uns, die Reaktion derselben Flächen bei unterschiedlichen Ausgangsbedingungen auf ein und dasselbe (simulierte) Niederschlagsereignis zu messen. Durch die Kombination mit Geländekartierungen und GIS-Auswertungen wird eine qualitative Übertragung der punktuellen Messergebnisse auf die Fläche ermöglicht. In den beiden Untersuchungsgebieten in Deutschland wurden häufig hydrophobe Eigenschaften der Böden festgestellt. Durch diese Hydrophobizität dringt ein Teil des Niederschlagswassers gar nicht bis zum Mineralboden durch, sondern wird in der Streuschicht gehalten oder fließt innerhalb der Streuschicht ab. Dies führt zu einer Erhöhung der Oberflächenabflussraten. Auch der Einfluss der Landnutzung auf die Intensität der Oberflächenprozesse konnte für die Testgebiete in Deutschland und Luxemburg nachgewiesen werden. Auf Wegen und Fahrspuren, sowie auf Ackerflächen wurden die höchsten Oberflächenabfluss- und Bodenabtragsraten gemessen. Aber auch hydrophobe Waldstandorte zeigten hohe Oberflächenabflussraten, allerdings keinen nennenswerten Bodenabtrag, weil die Humusauflage die Bodenoberfläche schützt. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Rinnenerosionsversuche ermöglichen es, die Effizienz natürlicher Erosionsrinnen zu messen und zu vergleichen. Durch die Verwendung von beiden Methoden, Beregnung und Rinnenerosionsversuch, können die im Rinneneinzugsgebiet gemessenen Abtragsraten und -mengen mit den Abtragswerten der Erosionsrinne selbst verglichen werden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass die Ergebnisse der experimentellen Messungen in Kombination mit einer Kartierung der aktuellen Geomorphodynamik sowie der Auswertung großmaßstäbiger Luftbilder, eine Quantifizierung der aktuellen Prozessdynamik ermöglichen.
Tropospheric ozone (O3) is known to have various detrimental effects on plants, such as visible leaf injury, reduced growth and premature senescence. Flux models offer the determination of the harmful ozone dose entering the plant through the stomata. This dose can then be related to phytotoxic effects mentioned above to obtain dose-response relationships, which are a helpful tool for the formulation of abatement strategies of ozone precursors. rnOzone flux models are dependant on the correct estimation of stomatal conductance (gs). Based on measurements of gs, an ozone flux model for two white clover clones (Trifolium repens L. cv Regal; NC-S (ozone-sensitive) and NC-R (ozone-resistant)) differing in their sensitivity to ozone was developed with the help of artificial neural networks (ANNs). White clover is an important species of various European grassland communities. The clover plants were exposed to ambient air at three sites in the Trier region (West Germany) during five consecutive growing seasons (1997 to 2001). The response parameters visible leaf injury and biomass ratio of NC-S/NC-R clone were regularly assessed. gs-measurements of both clones functioned as output of the ANN-based gs model, while corresponding climate parameters (i.e. temperature, vapour pressure deficit (VPD) and photosynthetic active radiation (PAR)) and various ozone concentration indices were inputs. The development of the model was documented in detail and various model evaluation techniques (e.g. sensitivity analysis) were applied. The resulting gs model was used as a basis for ozone flux calculations, which were related to above mentioned response parameters. rnThe results showed that the ANNs were capable of revealing and learning the complex relationship between gs and key meteorological parameters and ozone concentration indices. The dose-response relationships between ozone fluxes and visible leaf injury were reasonably strong, while those between ozone fluxes and NC-S/NC-R biomass ratio were fairly weak. The results were discussed in detail with respect to the suitability of the chosen experimental methods and model type.
This dissertation develops a rationale of how to use fossil data in solving biogeographical and ecological problems. It is argued that large amounts of fossil data of high quality can be used to document the evolutionary processes (the origin, development, formation and dynamics) of Arealsystems, which can be divided into six stages in North America: the Refugium Stage (before 15,000 years ago: > 15 ka), the Dispersal Stage (from 8,000 to 15,000 years ago: 8.0 - 15 ka), the Developing Stage (from 3,000 to 8,000 years ago: 3.0 - 8.0 ka), the Transitional Stage (from 1,000 to 3,000 years ago: 1 - 3 ka), the Primitive Stage (from 5,00 to 1,000 years ago: 0.5 - 1 ka) and the Human Disturbing Stage (during the last 500 years: < 0.5 ka). The division into these six stages is based on geostatistical analysis of the FAUNMAP database that contains 43,851 fossil records collected from 1860 to 1994 in North America. Fossil data are one of the best materials to test the glacial refugia theory. Glacial refugia represent areas where flora and fauna were preserved during the glacial period, characterized by richness in species and endemic species at present. This means that these (endemic) species should have distributed purely or primarily in these areas during the glacial period. The refugia can therefore be identified by fossil records of that period. If it is not the case, the richness in (endemic) species may not be the result of the glacial refugia. By exploring where mammals lived during the Refugium Stage (> 15 ka), seven refugia in North America can be identified: the California Refugium, the Mexico Refugium, the Florida Refugium, the Appalachia Refugium, the Great Basin Refugium, the Rocky Mountain Refugium and the Great Lake Refugium. The first five refugia coincide well with De Lattin- dispersal centers recognized by biogeographical methods using data on modern distributions. The individuals of a species are not evenly distributed over its Arealsystem. Brown- Hot Spots Model shows that in most cases there is an enormous variation in abundance within an areal of a species: In a census, zero or only a very few individuals occur at most sample locations, but tens or hundreds are found at a few sample sites. Locations where only a few individuals can be sampled in a survey are called "cool spots", and sites where tens or hundreds of individuals can be observed in a survey are called "hot spots". Many areas within the areal are uninhabited, which are called "holes". This model has direct implications for analyzing fossil data: Hot spots have a much higher local population density than cool spots. The chances to discover fossil individuals of a species are much higher in sediments located in a "hot spot" area than in a "cool spot" area. Therefore much higher MNIs (Minimum Number of Individuals) of the species should be found in fossil localities located in the hot spot than in the cool spot area. There are only a few hot spots but many cool spots within an areal of a single hypothetical species, consequently only a few fossil sites can provide with much high MNIs, whereas most other sites can only provide with very low MNIs. This prediction has been proved to be true by analysis of 70 species in FAUMAP containing over 100 fossil records. The temporal and spatial variation in abundance can be reconstructed from the temporospatial distribution of the MNIs of a species over its Arealsystem. Areas with no fossil records from the last thousands of years may be holes, and sites with much higher MNIs may be hot spots, while locations with low MNIs may be cool spots. Although the hot spots of many species can remain unchanged in an area over thousands of years, our study shows that a large shift of hot spots occurred mainly around 1,500-1,000 years ago. There are three directions of movement: from the west side to the east side of the Rockies, from the East of the USA to the east side of the Rockies and from the west side of the Rockies to the Southwest of the USA. The first two directions of shift are called Lewis and Clark- pattern, which can be verified with the observations mad by Lewis and Clark during their expedition in 1805-1806. The historical process of this pattern may well explain the 200-year-old puzzle why big game then abundant on the east side were rare on the west side of the Rocky Mountains noted by modern ecologists and biogeographers. The third direction of shift is called Bayham- pattern. This pattern can be tested by the model of Late Holocene resource intensification first described by Frank E. Bayham. The historical process creating the Bayham pattern will challenge the classic explanation of the Late Holocene resource intensification. An environmental change model has been proposed to account for the shift of hot spots. Implications of glacial refugia and hot spots areas for wildlife management and effective conservation are discussed. Suggestions for paleontologists and zooarchaeologists regarding how to provide more valuable information in their future excavation and research for other disciplines are given.
During and after application, pesticides enter the atmosphere by volatilisation and by wind erosion of particles on which the pesticide is sorbed. Measurements at application sites revealed that sometimes more than half of the amount applied is lost into the atmosphere within a few days. The atmosphere is an important part of the hydrologic cycle that can transport pesticides from their point of application and deposit them into aquatic and terrestrial ecosystems far from their point of use. In the region of Trier pesticides are widely used. In order to protect crops from pests and increase crop yields in the viniculture, six to eight pesticide applications take place between May and August. The impact that these applications have on the environmental pollution of the region is not yet well understood. The present study was developed to characterize the atmospheric presence, temporal patterns, transport and deposition of a variety of pesticides in the atmosphere of the area of Trier. To this purpose, rain samples were weekly collected at eight sites during the growing seasons 2000, 2001 and 2002, and air samples (gas and particle phases) were collected during the growing season 2002. Multiresidue analysis methods were developed to determine multiple classes of pesticides in rain water, particle- and gas-phase samples. Altogether 24 active ingredients and 3 metabolites were chosen as representative substances, focussing mainly on fungicides. Twenty-four of the 27 measured pesticides were detected in the rain samples; seventeen pesticides were detected in the air samples. The most frequently detected pesticides and at the highest concentrations, both in rain and air, were compounds belonging to the class of fungicides. The insecticide methyl parathion was also detected in several rain samples as well as two substances that are banned in Germany, such as the herbicides atrazine and simazine. Concentration levels varied during the growing season with the highest concentrations being measured in the late spring and summer months, coinciding with application times and warmer months. Concentration levels measured in the rain samples were, generally, in the order of rnng l-1. Though average concentrations for single substances were less than 100 ng l-1, total concentrations were considerable and in some instances well above the EU drinking water quality standard of 500 ng l-1 for total pesticides. Compared to the amounts applied for pest control, the amounts deposited by rain resulted between 0,004% and 0,10% of the maximum application rates. These low pesticide inputs from precipitation to surface-water bodies is not of concern in vinicultural areas where the impact of other sources, such as superficial runoff inputs from the treated areas and cleaning of field crop sprayers, is more important. However, the potential impacts of these aerial pesticide inputs to non-target sites, such as organic crops, and sensitive ecosystems are as yet not known. Concentration levels in the air samples were in the order of ng m-3 at sites close to the fields were pesticides were applied, while lower values, in the order of pg m-3, were detected at the site located further away from fields where applications were performed. The measured air concentration levels found in this study do not represent a concern for human health in terms of acute risk. Inhalation toxicity studies have shown that an acute potential risk only arises at air concentrations in the range of g m-3. Finally, it must be kept in mind that only a small number of chemicals that were applied in the area were analysed for in this study. In order to gain a better evaluation of the local atmospheric load of pesticides, a wider spectrum of applied substances (including metabolites) needs to be investigated.
Markenaufbau von Destinationen ist eine kostenintensive und langfristige Angelegenheit. In den vergangenen Jahren stieg das Interesse von Kommunen, Regionen und Ländern die Markenbildung zu verstärken. Gleichzeitig wird aber auch immer mehr der Ruf lauter ein Instrument zu schaffen, das Markenbewertung für Destinationen vornimmt. Vor allem in der Konsumgüter und Investitionsgüterindustrie finden sich zahlreiche Ansätze zur Markenbewertung, im Destinationsmanagement gibt es das bisher kaum. Es gibt drei verschiedene Arten von Verfahren, die meist von Unternehmensberatungen oder Wissenschaftlern entwickelt wurden: Messung des Markenwertes, Messung der Markenstärke und hybride Verfahren. Für Destinationen machen rein quantitative Verfahren wenig Sinn, da es beim Thema "Reise" auch auf eine Vielzahl von qualitativen Merkmalen ankommt. Von daher wurde im Rahmen dieser Dissertation entschieden, sich primär auf ein qualitatives Verfahren zu konzentrieren und verschiedene Modelle der Markenbewertung zu überprüfen. Das Resultat der Überprüfung zeigte, dass es notwendig war verschiedene Modelle zu kombinieren, um damit die Markenstärke einer Destination zu messen. Als empirisches Beispiel wurde hier Spanien ausgewählt, da dies als ein erfolgreiches Beispiel für Branding in der Fachliteratur gesehen wird. Dieses neu entwickelte Verfahren wurde an der Destination Spanien überprüft im Rahmen einer Projektstudie mit Studierenden der Universität Trier. Das Ergebnis zeigte, dass der Ansatz eines qualitativen Verfahrens richtig war, allerdings könnte es in ein hybrides Verfahren überführt werden. Kooperationspartner für die Dissertation war Turespana, Berlin.
Laboratory landslide experiments enable the observation of specific properties of these natural hazards. However, these observations are limited by traditional techniques: frequently used high-speed video analysis and wired sensors (e.g. displacement). These techniques lead to the drawback that either only the surface and 2D profiles can be observed or wires confine the motion behaviour. In contrast, an unconfined observation of the total spatiotemporal dynamics of landslides is needed for an adequate understanding of these natural hazards.
The present study introduces an autonomous and wireless probe to characterize motion features of single clasts within laboratory-scale landslides. The Smartstone probe is based on an inertial measurement unit (IMU) and records acceleration and rotation at a sampling rate of 100 Hz. The recording ranges are ±16 g (accelerometer) and ±2000∘ s−1 (gyroscope). The plastic tube housing is 55 mm long with a diameter of 10 mm. The probe is controlled, and data are read out via active radio frequency identification (active RFID) technology. Due to this technique, the probe works under low-power conditions, enabling the use of small button cell batteries and minimizing its size.
Using the Smartstone probe, the motion of single clasts (gravel size, median particle diameter d50 of 42 mm) within approx. 520 kg of a uniformly graded pebble material was observed in a laboratory experiment. Single pebbles were equipped with probes and placed embedded and superficially in or on the material. In a first analysis step, the data of one pebble are interpreted qualitatively, allowing for the determination of different transport modes, such as translation, rotation and saltation. In a second step, the motion is quantified by means of derived movement characteristics: the analysed pebble moves mainly in the vertical direction during the first motion phase with a maximal vertical velocity of approx. 1.7 m s−1. A strong acceleration peak of approx. 36 m s−2 is interpreted as a pronounced hit and leads to a complex rotational-motion pattern. In a third step, displacement is derived and amounts to approx. 1.0 m in the vertical direction. The deviation compared to laser distance measurements was approx. −10 %. Furthermore, a full 3D spatiotemporal trajectory of the pebble is reconstructed and visualized supporting the interpretations. Finally, it is demonstrated that multiple pebbles can be analysed simultaneously within one experiment. Compared to other observation methods Smartstone probes allow for the quantification of internal movement characteristics and, consequently, a motion sampling in landslide experiments.
The study analyzes the long-term trends (1998–2019) of concentrations of the air pollutants ozone (O3) and nitrogen oxides (NOx) as well as meteorological conditions at forest sites in German midrange mountains to evaluate changes in O3 uptake conditions for trees over time at a plot scale. O3 concentrations did not show significant trends over the course of 22 years, unlike NO2 and NO, whose concentrations decreased significantly since the end of the 1990s. Temporal analyses of meteorological parameters found increasing global radiation at all sites and decreasing precipitation, vapor pressure deficit (VPD), and wind speed at most sites (temperature did not show any trend). A principal component analysis revealed strong correlations between O3 concentrations and global radiation, VPD, and temperature. Examination of the atmospheric water balance, a key parameter for O3 uptake, identified some unusually hot and dry years (2003, 2011, 2018, and 2019). With the help of a soil water model, periods of plant water stress were detected. These periods were often in synchrony with periods of elevated daytime O3 concentrations and usually occurred in mid and late summer, but occasionally also in spring and early summer. This suggests that drought protects forests against O3 uptake and that, in humid years with moderate O3 concentrations, the O3 flux was higher than in dry years with higher O3 concentrations.
Influence of Ozone and Drought on Tree Growth under Field Conditions in a 22 Year Time Series
(2022)
Studying the effect of surface ozone (O3) and water stress on tree growth is important for planning sustainable forest management and forest ecology. In the present study, a 22-year long time series (1998–2019) on basal area increment (BAI) and fructification severity of European beech (Fagus sylvatica L.) and Norway spruce (Picea abies (L.) H.Karst.) at five forest sites in Western Germany (Rhineland Palatinate) was investigated to evaluate how it correlates with drought and stomatal O3 fluxes (PODY) with an hourly threshold of uptake (Y) to represent the detoxification capacity of trees (POD1, with Y = 1 nmol O3 m−2 s−1). Between 1998 and 2019, POD1 declined over time by on average 0.31 mmol m−2 year−1. The BAI showed no significant trend at all sites, except in Leisel where a slight decline was observed over time (−0.37 cm2 per year, p < 0.05). A random forest analysis showed that the soil water content and daytime O3 mean concentration were the best predictors of BAI at all sites. The highest mean score of fructification was observed during the dry years, while low level or no fructification was observed in most humid years. Combined effects of drought and O3 pollution mostly influence tree growth decline for European beech and Norway spruce.
Der Forschungsbereich der Systembiologie hat sich in den letzten Jahren mit unvergleichlicher Dynamik entwickelt und sich als interdisziplinäres Feld in den Biowissenschaften etabliert. Die Systembiologie verfolgt hierbei unter anderem das Ziel, biologische Systeme als Ganzes zu betrachten. Die analytische Erfassung der Stoffwechselzwischenprodukte, auch Metaboliten genannt, eröffnet hierbei neue Möglichkeiten. Metaboliten stellen Zwischenprodukte in vivo ablaufender biochemischer Reaktionen dar und stehen in enger Abhängigkeit zu Vorgängen, welche auf der Ebene von Transkriptom und Proteom gesteuert und ermöglicht werden. In dieser Arbeit wurden Zeitreihen von Metabolitkonzentrationen untersucht, welche im Rahmen von Fermentationsexperimenten mit dem nicht-pathogenen Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum erfasst worden sind. Die Fermentationsexperimente wurden auf unterschiedlichen Ausgangssubstraten durchgeführt, wobei die Erfassung der Metabolitkonzentration in äquidistanten zeitlichen Abständen gehandhabt wurde. Zur Korrektur von Messfehlern und zur optimalen Vorverarbeitung der Daten wurde ein maßgeschneidertes System der Datenprozessierung entwickelt. Eine unüberwachte Datenstrukturanalyse ergab, dass sich die Metaboliten ihrer zeitlichen Ausprägung nicht uniform oder gar zufällig verhalten, sondern sich in Gruppen unterschiedlichen Prozessverhaltens einordnen lassen. Diese unüberwachte Eingruppierung anhand der in den Zeitreihen vorhandenen Strukturen erlaubte eine erste grundlegende funktionelle Zuordnung der Metaboliten. Weiterhin konnten in den Konzentrationsdaten Strukturen gefunden werden, welche deutliche Übereinstimmungen mit den physiologischen Phasen des bakteriellen Wachstums zeigten. Die Analyse der Metabolomdaten wurde in einem nächsten Schritt durch eine theoretische Betrachtungsweise erweitert. Hierzu wurde der Stoffwechsel von C. glutamicum rechnergestützt modelliert. Zu diesem Zweck wurde eine Genomannotation durchgeführt, mit dem Ziel einen möglichst umfangreichen und qualitativ hochwertigen Katalog über das enzymatische Repertoire von C. glutamicum aus Sequenzinformation abzuleiten. Generiertes Wissen über vorhandene Enzyme wurde in biochemische Reaktionen übersetzt, welche zu Reaktionsnetzwerken zusammengefügt wurden. Die erzeugten Reaktionsnetzwerke wurden unter Verwendung graphentheoretischer Ansätze analysiert. Die integrative Analyse experimenteller und theoretischer Daten ergab, dass sich Eigenschaften von Metabolitzeitreihen deutlich topologischen Merkmalen zuordnen lassen. So zeigt sich beispielsweise, dass ein auffälliger Zusammenhang zwischen der experimentell erfassten Sensitivität im Konzentrationsverlauf eines Metaboliten und seinem theoretischen Verknüpfungsgrad existiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine hochsignifikante Prozessähnlichkeit zwischen Metaboliten sowohl in direkter Nachbarschaft als auch in größeren Reaktionsabständen auftreten kann, jedoch vorzugsweise dann existiert, wenn beide Metaboliten ihrerseits wenige Reaktionspartner haben. Die integrative Datenanalyse wurde in einem weiteren Schritt abermals erweitert, indem Transkriptominformation weiterer Studien integriert wurde. Im Detail wurde in dieser Analyse die Prozessähnlichkeit theoretisch benachbarter Metaboliten des Zentralstoffwechsels in Zusammenschau mit der Transkription enzymkodierender Gene untersucht. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass eine erhöhte Prozessähnlichkeit benachbarter Metaboliten dann existiert, wenn die entsprechenden enzymkodierenden Gene in Abhängigkeit des verwendeten Ausgangssubstrates signifikant exprimiert waren. Somit konnte ein Zusammenhang zwischen der Prozessähnlichkeit benachbarter Metaboliten in Abhängigkeit zur Genexpression als Resultat substratinduzierter Anpassungsvorgänge gezeigt werden. Es konnte folglich im systembiologischen Kontext belegt werden, dass auf der Ebene des Transkriptoms stattfindende Vorgänge sich deutlich bis in die Zeitreiheneigenschaften erfasster Metabolitkonzentrationen durchpausen können. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Berechnung paarweiser Prozessähnlichkeiten das Potenzial zur Charakterisierung der zugrundeliegenden Systemeigenschaften besitzt. So ermöglichte die Betrachtung paarweiser Prozessähnlichkeiten aus allen untersuchten Fermentationsexperimenten, signifikante substrat-induzierte Veränderungen als auch invariante Merkmale im Stoffwechsel von C. glutamicum zu detektieren.
Ziel der Optimierung bestimmter molekulargenetischer Methoden war die Aufklärung möglicher Zusammenhänge zwischen landwirtschaftlichen Nutzungsformen und der Genetik von Microtus arvalis. Um mögliche Populationsunterschiede feststellen zu können wurden zwei unterschiedliche genetische Untersuchungsmethoden eingesetzt. die Fingerprints, die mit dem Multi-locus DNA Fingerprint gemacht werden besitzen einen sehr hohen Informationswert und sind individualspezifisch. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass sie sehr aufwendig ist. Die RAPD-PCR hat den Vorteil, dass sie sehr schnell Bandemuster produziert, und leicht anwendbar ist. der Informationsgehalt des RAPD-PCR ist jedoch geringer. Da beide Methoden auf die Feldmaus noch nicht angewandt wurden, mussten sie so modifiziert werden, dass genetische Untersuchungen mit Microtus arvalis erst möglich wurden. Insgesamt wurden 161 Microtus arvalis aus Wahlen (Nordsaarland) und Herl (Regierungsbezirk trier) untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die Brachflächen in Wahlen (Zill1, Zill2 und Zill3), die zwischen ca. 20m und 200m voneinander entfernt liegen erwartungsgemäß eine zusammenhängende Population darstellen. Die Feldmäuse der Brachfläche am Hohberg (ca. 400m entfernt) die durch eine Straße, sowie Wald bzw. Feldgehölze von den Zill-Populationen getrennt sind können genetisch eindeutig abgegrenzt werden. Noch deutlicher sind die Populationsunterschiede von Wahlen zu Herl. Die Populationsunterschiede in Herl lassen sich weder durch die Distanz noch durch Isolationsbarrieren erklären. Alles deutet darauf hin, dass einzelne Bandenmuster mit den spezifischen Landbewirtschaftungsformen korrelieren.
Dans une perspective du développement touristique durable du territoire d'Agadir / région Souss Massa Draa (Maroc), qu'est un territoire touristique offrant un produit balnéaire diversifié et généralement consolidé par une offre en matière du tourisme rural. Ce travail de recherche vise la mise en œuvre d"un management environnemental adapté à la situation locale, conforme aux normes internationales et à l'apporté des entreprises touristiques y opérant. Ainsi, la réalisation d"un diagnostic environnemental est une étape fondamentale et se fera à l'aide de quatre différents outils d'enquête (Observation, guide d"entretien, grille d'évaluation et questionnaires). Cependant, il va falloir choisir les cas leadeurs en la matière - s'ils existent - pour les présenter aux managers afin de les sensibiliser concrètement à la nécessité d'adopter un management environnemental au sein de leurs structures et de prendre ces cas sélectionnés comme modèles. Cette étude a permis de tirer les conclusions suivantes : - Une maturité du territoire d'étude de la région SMD, lui permettra de s"inscrire dans une démarche de développement touristique durable à travers l'adoption d'un management environnemental en passant par l"assurance de la qualité des services. - La qualité des services est satisfaisante au sein des EHT étudiés et relevant du milieu urbain. En revanche, en milieu rural elle à rehausser en soulignant qu'ils sont dotés d'un paysage régional remarquable et exceptionnel. - Les responsables interviewés n'ont cité que les impacts positifs de leurs activités sur l"environnement (Création d'emplois, promotion de l'économie et de la culture locales, financement des événements à caractère social...). - Une faible existence du Management environnemental au sein des EHT étudiés (4,16 % l'échantillonnage dispose d'une politique environnementale). Ainsi que à l'issue de l'évaluation deux cas ont été proposés comme modèles en la matière. - La charte et le Manuel comme de deux solutions locales visant la promotion du Management Environnemental. Actuellement, la charte a été mise en Å“uvre en milieu rural dans une perspective de la généraliser sur la totalité du territoire régional voire même national. Enfin, cette étude a apporté une réponse à la problématique et aux hypothèses de recherche et a permis par la même occasion de proposer des outils visant l'instauration et/ou la promotion du management environnemental à l'échelle régionale.
Habitat selection of nine songbird species (Sylviidae, Prunellidae, Emberizidae, Fringillidae, Laniidae) in a semi-open transitional landscape (wood/meadow ecotone) is assessed and compared by a quantitative approach over a period of three years. The structural diversity and heterogeneity of this landscape allows a common occurrence to bird species that are spatially segregated in other habitats. On the one hand habitat selection, which in this study is defined by the choice of vegetation structures at the microhabitat level, is regarded as the confrontation of the single bird individuals with their environment and on the other hand as a common trait of subpopulations. The process of habitat selection is only real at the level of the individual. Drawing against this background, a model for the quantification of habitat selection is introduced, making possible an objective analysis of both individual and average habitat selection (not explaining the process itself, however, that leads to the observed habitat selection). The influence of several structural features, mainly regarding the shape of vegetational subunits, on the dispersion of the birds on the plots is analyzed by means of quantitative methods (factor analysis, cluster analysis, discriminant analysis). Preferences and avoidances, constancy in time and space and the degree of selectivity of the specific choice of vegetational structures are discussed in detail for each bird species. There is quantitative evidence that along with increasing abstraction from the individual in the form of spatially increasing data aggregation, the specific distinctness of habitat preferences as a common trait increases. This happens, however, at the expense of information about the variability of the individual selective behaviour. Therefore the flexibility of a bird species would be underrated cosiderably, confining habitat selection to its meaning as an integrating trait of populations. Habitat selection is a dynamic process. It is shown that the structural offer in a landscape strongly influences the result of the species" habitat selection. The availability of vegetational structures on a plot determines the quantitative structural framework, which may be more or less quantitatively modified by the single species. Nevertheless, the structural offer is reflected clearly in the selected structural portions of the bird species. Therefore opportunism and selectivity in the form of structural preferences and avoidances in habitat selection have to be interpreted against the background of the quantitative composition of the vegetational structures that a landscape offers to the birds.
Climate change is expected to cause mountain species to shift their ranges to higher elevations. Due to the decreasing amounts of habitats with increasing elevation, such shifts are likely to increase their extinction risk. Heterogeneous mountain topography, however, may reduce this risk by providing microclimatic conditions that can buffer macroclimatic warming or provide nearby refugia. As aspect strongly influences the local microclimate, we here assess whether shifts from warm south-exposed aspects to cool north-exposed aspects in response to climate change can compensate for an upward shift into cooler elevations.
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.
Global change, i.e. climate and land use changes, severely impact natural ecosystems at different scales. Poikilothermic animals as butterflies, amphibians and reptiles have proven to be useful indicators for global change impacts as their phenology, spatial distribution, individual fitness and survival strongly depend on external environmental factors. In this aspect, phenological changes in terms of advanced flight or breeding periods, immigrations of foreign species, range shifts concomitant with temperature increases and even local population declines have been observed in both species groups. However, to date much attention has been paid to global change impacts on the species or population level and analyses concerning entire ecosystems are scarce. Applying a novel statistical modelling algorithm we assessed future changes in the extent and composition of terrestrial ecoregions as classified by the World Wide Fund for Nature (WWF). They are defined as coarse-scale conservation units containing exceptional assemblages of species and ecological dynamics. Our results demonstrate dramatic geographical changes in the extent and location of these ecoregions across all continents and even imply a repriorisation of conservation efforts to cope with future climate change impacts on biodiversity. On the local scale, climate change impacts become unequivocal. Comparing historical to contemporary butterfly assemblages on vineyard fallows of the Trier Region, a significant decline in butterfly richness, but also a severe depletion in trait diversity was observed. Comparisons of community temperature indices reveal a striking shift in community composition leading to a replacement of sedentary and monophagous habitat specialists by ubiquitous species. Similar changes have been observed in nature reserves in the Saar-Mosel-area. Monitoring data reveal strong losses of species diversity and remarkable shifts of community compositions at the expense of habitat specialists. Besides climatic variability, these findings are largely attributed to changes in habitat structures, mostly due to eutrophication and monotonisation. Management activities are unlikely to counterbalance these effects, thus severely questioning current conservation strategies. Most dramatic global change impacts are suspected on closely associated species and disruptions of biotic interactions are often hold responsible for species declines. A strong host-parasite association has developed in Myrmica ants and Maculinea butterflies, the later crucially depending on specific host ants for their larval survival. Applying environmental niche models we determined considerable niche dynamics in the observed parasite-host relation with a pronounced niche plasticity in the butterfly species adapting to previous evasive niche shifts in their host ants. Moreover, the new emergence of species continuously expanding their northernmost range borders concomitant with global warming like the Short-tailed blue (Cupido argiades) is attributed to climate change. However, species distribution models predict a severe habitat loss and shifts of potentially suitable habitats of this species towards north-eastern Europe and higher altitudes under several IPCC scenarios making the presence of this species in the Trier region a contemporary phenomenon. Species distribution models have emerged as powerful tools to predict species distributions over spatial and temporal scales. However, not only the presence of a species, but also its abundance have significant implications for species conservation. The ability to deduce spatial abundance patterns from environmental suitability might more efficiently guide field surveys or monitoring programs over large geographical areas saving time and money. Although the application of species distribution models to deduce vertebrate abundances is well recognized, our results indicate that this method is not an adequate approach to predict invertebrate abundances. Structural and ecological factors as well as climatic patterns acting at the microscale are key drivers of invertebrate occurrence and abundances limiting conclusions drawn from modeling approaches. Population declines should be interpreted with care as in butterflies and amphibians various reasons are debated. Both species groups are acknowledged to be highly susceptible to land use changes and variations in landscape structure. Moreover, climate and land use are not independently operating factors. The combined impact of both is demonstrated in our study linking climate-driven changes in amphibian phenologies to temporal advanced applications of pesticides and fertilizers. Both environmental factors already represent severe threats to amphibians when standing alone, but linking their combined impacts may result in an potentiated risk for amphibian populations. As all amphibians and numerous butterfly species are legally protected under the Federal Nature Conservation Act, intensifications of agricultural land use in large parts of Germany as well as new agrarian practices (including genetically manipulated plants accompanied by new herbicide technologies) might severely challenge regional conservation activities in the future.
The microbial enzyme alkaline phosphatase contributes to the removal of organic phosphorus compounds from wastewaters. To cope with regulatory threshold values for permitted maximum phosphor concentrations in treated wastewaters, a high activity of this enzyme in the biological treatment stage, e.g., the activated sludge process, is required. To investigate the reaction dynamics of this enzyme, to analyze substrate selectivities, and to identify potential inhibitors, the determination of enzyme kinetics is necessary. A method based on the application of the synthetic fluorogenic substrate 4-methylumbelliferyl phosphate is proven for soils, but not for activated sludges. Here, we adapt this procedure to the latter. The adapted method offers the additional benefit to determine inhibition kinetics. In contrast to conventional photometric assays, no particle removal, e.g., of sludge pellets, is required enabling the analysis of the whole sludge suspension as well as of specific sludge fractions. The high sensitivity of fluorescence detection allows the selection of a wide substrate concentration range for sound modeling of kinetic functions.
- Fluorescence array technique for fast and sensitive analysis of high sample numbers
- No need for particle separation – analysis of the whole (diluted) sludge suspension
- Simultaneous determination of standard and inhibition kinetics
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.
Durch Bodendegradation werden jedes Jahr weltweit große Schäden verursacht. Die beiden Hauptverursacher für die globale Bodendegradation sind die Wind- und die Wassererosion. Für die Planung von effizienten Schutzmaßnahmen oder regionalen Managementplänen ist es deshalb wichtig zu verstehen, dass die beiden Prozesse nicht nur als abgekoppelte Phänomene auftreten. Auch wenn seit einiger Zeit das Bewusstsein hierfür zugenommen hat und eine steigende Anzahl von Bodenerosionsstudien auf diesen Sachverhalt eingehen, so bestehen vor allem bei der Abschätzung der relativen Bedeutung und dem Verständnis der vorhandenen Interaktionen zwischen der Wind- und Wassererosion noch substantielle Wissenslücken. Da indirekte Messverfahren, wie beispielsweise die Luftbildauswertung oder die Fernerkundung, für mikro-skalige Prozessstudien ungeeignet sind, beschränken sich die Studien zur Erfassung der Interaktion beider Prozesse zumeist auf die direkten und/oder experimentellen Messungen. Ein Vergleich der Abtragsraten und eine Untersuchung der Interaktionen zwischen der Wind- und der Wassererosion ist jedoch sehr schwierig, da es bislang kein Messinstrument gibt, dass einfach und schnell, die durch Wind, Wasser oder deren Zusammenwirken verursachten Erosionsraten auf natürlichen Oberflächen bestimmen kann. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieses Dissertationsprojekts erstmals, ein mobiler Windkanal mit integrierter Beregnungsanlage konzipiert und umgesetzt. Seine simulierten Wind- und Niederschlagseigenschaften wurden in Labormessungen mit einem Laserdistrometer, Niederschlagssammlern, Anemometern und Nebelversuchen bestimmt. Die beim Einsatz der Anlage in unterschiedlichen Messkampagnen gewonnenen Erkenntnisse zu seinem Aufbau flossen stetig in die Weiterentwicklung des Kanals ein. Die Qualität der simulierten Bedingungen im Kanal können nach den Modifikationen und unter Einbeziehung der Anforderungen an einen geländefähigen Kanal mit guter Mobilität, als sehr gut bezeichnet werden. Insbesondere die Reproduzierbarkeit der simulierten Bedingungen treten hier positiv hervor. Die angestrebten Ziele dieser Arbeit konnten weitestgehend erfüllt werden. Mit dem mobilen Windkanal mit integrierter Beregnungsanlage steht in Zukunft eine Anlage zur Verfügung, mit der die Abtragsraten der Wind- und Wassererosion im Gelände, getrennt und in ihrer gemeinsamen Wirkung, gemessen werden können. Durch den Einsatz der Anlage ist es möglich, einige der noch offenen wissenschaftlichen Fragen zur relativen Bedeutung und Interaktion der beiden Prozesse zukünftig zu untersuchen, um weitere Erkenntnisse über Ihren Einfluss auf die Bodendegradation, in Abhängigkeit von Landnutzungsänderungen und dem Klimawandel, zu erhalten.
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.
Earth observation (EO) is a prerequisite for sustainable land use management, and the open-data Landsat mission is at the forefront of this development. However, increasing data volumes have led to a "digital-divide", and consequently, it is key to develop methods that account for the most data-intensive processing steps, then used for the generation and provision of analysis-ready, standardized, higher-level (Level 2 and Level 3) baseline products for enhanced uptake in environmental monitoring systems. Accordingly, the overarching research task of this dissertation was to develop such a framework with a special emphasis on the yet under-researched drylands of Southern Africa. A fully automatic and memory-resident radiometric preprocessing streamline (Level 2) was implemented. The method was applied to the complete Angolan, Zambian, Zimbabwean, Botswanan, and Namibian Landsat record, amounting 58,731 images with a total data volume of nearly 15 TB. Cloud/shadow detection capabilities were improved for drylands. An integrated correction of atmospheric, topographic and bidirectional effects was implemented, based on radiative theory with corrections for multiple scatterings, and adjacency effects, as well as including a multilayered toolset for estimating aerosol optical depth over persistent dark targets or by falling back on a spatio-temporal climatology. Topographic and bidirectional effects were reduced with a semi-empirical C-correction and a global set of correction parameters, respectively. Gridding and reprojection were already included to facilitate easy and efficient further processing. The selection of phenologically similar observations is a key monitoring requirement for multi-temporal analyses, and hence, the generation of Level 3 products that realize phenological normalization on the pixel-level was pursued. As a prerequisite, coarse resolution Land Surface Phenology (LSP) was derived in a first step, then spatially refined by fusing it with a small number of Level 2 images. For this purpose, a novel data fusion technique was developed, wherein a focal filter based approach employs multi-scale and source prediction proxies. Phenologically normalized composites (Level 3) were generated by coupling the target day (i.e. the main compositing criterion) to the input LSP. The approach was demonstrated by generating peak, end and minimum of season composites, and by comparing these with static composites (fixed target day). It was shown that the phenological normalization accounts for terrain- and land cover class-induced LSP differences, and the use of Level 2 inputs enables a wide range of monitoring options, among them the detection of within state processes like forest degradation. In summary, the developed preprocessing framework is capable of generating several analysis-ready baseline EO satellite products. These datasets can be used for regional case studies, but may also be directly integrated into more operational monitoring systems " e.g. in support of the Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation (REDD) incentive. In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of Trier University's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink.
Bei der Mauereidechse (Podarcis muralis, Laurenti 1768) handelt es sich um eine Süd- und mitteleuropäisch verbreitete Art. Sie ist im Süden weitgehend flächendeckend verbreitet, wohingegen sie am Nordrand ihres Verbreitungsgebietes in fragmentierten Populationen vorkommt, deren dauerhaftes Fortbestehen fraglich ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der vergleichenden Untersuchung der genetischen Variabilität und Diversität ausgewählter Mauereidechsen-Populationen aus ihrem rezenten mitteleuropäischen Verbreitungsgebiet und ihren Refugialräumen. Weiterhin sollte überprüft werden, ob aus den erhaltenen Daten Rückschlüsse auf eventuell unterschiedliche Einwanderungswege der nördlichen Populationen mittels molekular-genetischer Methoden gezogen werden können. Als Untersuchungsmethode wurde die Mikrosatelliten-DNA Analyse gewählt. Gegenüber der in vorhergehenden Untersuchungen angewandten RAPD-PCR Methode besitzt die Analyse von DNA-Mikrosatelliten den großen Vorteil, über die direkte Bestimmung von Allelfrequenzen wichtige populationsgenetische Daten berechnen zu können. Isoenzymatische Voruntersuchungen an Mauereidechsen erwiesen sich als wenig geeignet. Die SSR-Methode ist besonders gut geeignet, die genetische Diversität und Populationsdifferenzierungen zu ermitteln. Mittels acht spezifischer Mikrosatelliten-Loci wurde die genetische Struktur von sieben Populationen der Mauereidechse untersucht. Als Untersuchungsgebiete wurden Standorte in Italien, Kroatien, Südfrankreich, Nordfrankreich, Rheinland-Pfalz, Nordrhein-Westfalen und Belgien ausgewählt und beprobt. Die untersuchten Loci erwiesen sich alle als polymorph und zum Teil als hoch variabel. Im Rahmen der populationsgenetischen Analysen wurden zahlreiche deskriptive und populationsgenetische Parameter zur Charakterisierung der Populationen verwendet. Wegen unerwarteter Fragmentlängen des Locus A7 wurden exemplarisch einige Allele von etwa 400 bp sequenziert. Dabei konnte zusätzlich außer dem Mikrosatelliten eine etwa 200 bp lange Sequenz nachgewiesen werden, die wahrscheinlich durch eine Insertion entstanden ist. Außerdem wurde ein Basenaustausch (G-C, C-G) beim Vergleich der FOREWARD- und REVERS- Sequenzierung festgestellt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Vorkommen der Mauereidechse an ihrem nördlichen Verbreitungsrand teilweise separiert sind. Es konnte gezeigt werden, dass ein Genaustausch der Trierer und der Urfter Tiere untereinander besteht. Eingeschränkt besteht der Genaustausch auch mit den Bitcher Tieren, wohingegen der Genaustausch mit den Belgischen Tieren wohl schon lange eingeschränkt ist oder nur sehr eingeschränkt stattgefunden hat. Die Einwanderung der Mauereidechse in ihr nördliches Verbreitungsgebiet dürfte von den Südfranzösischen Populationen durch das Rhônetal, die Burgundische Pforte, das Rheintal bis zur, in der vorliegenden Arbeit untersuchten Population von Bitche, erfolgt sein. Die Trierer und Urfter Tiere dürften über den Obermoselraum eingewandert sein. Aufgrund der im Verhältnis zu den anderen Populationen stark reduzierten Allelzahl der Population Anhée muss für diesen Standort von einem so genannten bottleneck (Flaschenhals) ausgegangen werden. Der Verdacht, dass sich die zwei Unterarten P. m. brogniardi (Belgien) und P. m. merremia (Nordeifel, Mosel, Bitche) unterscheiden lassen, scheint sich eher zu erhärten, als zu entkräften. Die großen genetischen Unterschiede der Belgischen Population zu den anderen nördlichen Populationen lassen sich am ehesten durch eine Einwanderung über Frankreich an die Maas und einen stark eingeschränkten Genfluss zwischen der Belgischen Population und den restlichen nördlichen Populationen erklären.
In addition to flood disasters on major rivers, damage caused by the flooding of smaller and medium-sized tributaries is also of considerable significance. To ensure that flood protection measures are effective, engineering flood prevention measures on the rivers must be supported by integrated catchment management. This includes decentralised water retention measures implemented in the sectors of forestry, agriculture and in residential areas. Within this scope new instruments have to be elaborated and introduced, such as GIS-based systems and systems for the evaluation of economic consequences and eco-efficiency of flood damage precaution measures associated with land-use. These are extremely significant for improving information management, the prevention of advice to the general public and for the acceptance of flood precaution measures. The conference intends to promote scientific exchange between specialists working on all areas concerning integrated catchment management. This includes the methodology for identification of catchment types prone to flooding hazards, the control and validation of land-use concepts for decentralised water retention as well as its combination and upscaling procedures up to mesoscale catchments. As catchment management is not only the concern of natural scientists the strategies for enhancing catchment management and the development of decision-support tools will also be important topics of the conference. ***Addenda *1. The articles from page 136 to 161 belong to session 5 *2. Article page 107: Ancient irrigation strategies: land use and hazard mitigation in Ma-´rib, Yemen (New list of authors: Ueli Brunner (a) , Michael Schütz (b), Dana Pietsch (c), Peter Kühn (c), Thomas Scholten (c), Iris Gerlach (d))
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.
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.
In order to discuss potential sustainability issues of expanding silage maize cultivation in Rhineland-Palatinate, spatially explicit monitoring is necessary. Publicly available statistical records are often not a sufficient basis for extensive research, especially on soil health, where risk factors like erosion and compaction depend on variables that are specific to every site, and hard to generalize for larger administrative aggregates. The focus of this study is to apply established classification algorithms to estimate maize abundance for each independent pixel, while at the same time accounting for their spatial relationship. Therefore, two ways to incorporate spatial autocorrelation of neighboring pixels are combined with three different classification models. The performance of each of these modeling approaches is analyzed and discussed. Finally, one prediction approach is applied to the imagery, and the overall predicted acreage is compared to publicly available data. We were able to show that Support Vector Machine (SVM) classification and Random Forests (RF) were able to distinguish maize pixels reliably, with kappa values well above 0.9 in most cases. The Generalized Linear Model (GLM) performed substantially worse. Furthermore, Regression Kriging (RK) as an approach to integrate spatial autocorrelation into the prediction model is not suitable in use cases with millions of sparsely clustered training pixels. Gaussian Blur is able to improve predictions slightly in these cases, but it is possible that this is only because it smoothes out impurities of the reference data. The overall prediction with RF classification combined with Gaussian Blur performed well, with out of bag error rates of 0.5% in 2009 and 1.3% in 2016. Despite the low error rates, there is a discrepancy between the predicted acreage and the official records, which is 20% in 2009 and 27% in 2016.
With the ongoing trend towards deep learning in the remote sensing community, classical pixel based algorithms are often outperformed by convolution based image segmentation algorithms. This performance was mostly validated spatially, by splitting training and validation pixels for a given year. Though generalizing models temporally is potentially more difficult, it has been a recent trend to transfer models from one year to another, and therefore to validate temporally. The study argues that it is always important to check both, in order to generate models that are useful beyond the scope of the training data. It shows that convolutional neural networks have potential to generalize better than pixel based models, since they do not rely on phenological development alone, but can also consider object geometry and texture. The UNET classifier was able to achieve the highest F1 scores, averaging 0.61 in temporal validation samples, and 0.77 in spatial validation samples. The theoretical potential for overfitting geometry and just memorizing the shape of fields that are maize has been shown to be insignificant in practical applications. In conclusion, kernel based convolutions can offer a large contribution in making agricultural classification models more transferable, both to other regions and to other years.
Floods are hydrological extremes that have enormous environmental, social and economic consequences.The objective of this thesis was a contribution to the implementation of a processing chain that integrates remote sensing information into hydraulic models. Specifically, the aim was to improve water elevation and discharge simulations by assimilating microwave remote sensing-derived flood information into hydraulic models. The first component of the proposed processing chain is represented by a fully automated flood mapping algorithm that enables the automated, objective, and reliable flood extent extraction from Synthetic Aperture Radar images, providing accurate results in both rural and urban regions. The method operates with minimum data requirements and is efficient in terms of computational time. The map obtained with the developed algorithm is still subject to uncertainties, both introduced by the flood mapping algorithm and inherent in the image itself. In this work, particular attention was given to image uncertainty deriving from speckle. By bootstrapping the original satellite image pixels, several synthetic images were generated and provided as input to the developed flood mapping algorithm. From the analysis performed on the mapping products, speckle uncertainty can be considered as a negligible component of the total uncertainty. In the final step of the proposed processing chain real event water elevations, obtained from satellite observations, were assimilated in a hydraulic model with an adapted version of the Particle Filter, modified to work with non-Gaussian distribution of observations. To deal with model structure error and possibly biased observations, a global and a local weight variant of the Particle Filter were tested. The variant to be preferred depends on the level of confidence that is attributed to the observations or to the model. This study also highlighted the complementarity of remote sensing derived and in-situ data sets. An accurate binary flood map represents an invaluable product for different end users. However, deriving from this binary map additional hydraulic information, such as water elevations, is a way of enhancing the value of the product itself. The derived data can be assimilated into hydraulic models that will fill the gaps where, for technical reasons, Earth Observation data cannot provide information, also enabling a more accurate and reliable prediction of flooded areas.
Ein gut funktionierendes Umweltmanagementsystem strebt im Allgemeinen nach einer kontinuierlichen Verbesserung der Umweltleistung. Diese kontinuierliche Verbesserung setzt bei den beteiligten Unternehmen einmal die Identifizierung der Umweltaspekte voraus. Die Umweltaspekte beziehen sich vor allem auf den Produktionsprozess und somit auf die Umwelteinwirkungen und - auswirkungen des Produktionsstandortes. Das Potential für kontinuierliche Verbesserung ist nicht immer offensichtlich, wie auch Schwachstellen nicht immer sofort erkannt werden. Beides äußert sich in der Umweltleistung eines Unternehmens. Das vorliegende Bewertungssystem ermöglicht es nun, diese Umweltleistung zu messen und im Sinne des Benchmarking die daraus erlangten Kenntnisse zu nutzen. In dieser Arbeit wird dargestellt, wo die Darstellung der Umweltleistung mit Kennzahlen seine Grenzen hat. Für den operativen Bereich werden daraufhin neue operative Umweltleistungskriterien entwickelt, und es wird gezeigt, wie die Killerargumente gegen einen Vergleich "unterschiedliche Fertigungstiefen und unterschiedlicher Produktoutput" ausgeschaltet werden können. Das Ergebnis sind operative Umweltleistungskriterien, die zwar mit Fehlern belastet sind, aber sie wurden analysiert und auf ein Minimum reduziert. Parallel dazu wird ein Katalog qualitativer Kriterien für den Managementbereich vorgestellt. Hiermit soll der organisatorische Teil, also die "Soft Skills" des Umweltmanagementsystems, abgedeckt werden. Zunächst wurde versucht, diesen Katalog von managementbezogenen Umweltleistungskriterien durch eine Delphi-Befragung zusammenzustellen. Nach einer Analyse der bestehenden Checklisten und Literatur musste dieser jedoch ergänzt werden. Nach dem betriebswirtschaftlichen Grundsatz: "What you cannot measure, you cannot manage." gibt der vorliegende Ansatz die Möglichkeit, durch die Vergabe von Zielerfüllungsgraden auch hier quantitative Aussagen zu machen. Dann wurde der Versuch, unternommen beide Umweltleistungskriterienpakete in einem naturwissenschaftlichen Bewertungsverfahren zu einem Bewertungssystem für Umweltmanagementsysteme zu vereinen. Dieser Versuch mündet in einem praktikablen Ansatz der Umweltleistungsbewertung zugeschnitten, auf die Automobilindustrie. Allerdings wird darauf verzichtet, eine Gesamt- Umweltleistungskennzahl über alle Kriterien zu kreieren, da die Aussage für den Anwender nicht detailliert genug wäre und eine so starke Aggregierung aus bewertungstheoretischer Sicht sehr problematisch 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.
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 in einem Einzugsgebiet herrschende räumliche Inhomogenität wird im Wasserhaushaltsmodell LARSIM (Large Area Runoff Simulation Modell) in den einzelnen Modellkomponenten unterschiedlich stark berücksichtigt. Insbesondere die räumliche Verteilung der Abflussprozesse wurde bisher nicht berücksichtigt, weil keine flächenhaft verfügbare Information über eben diese Verteilung vorlag. Für das Einzugsgebiet der Nahe liegt nun seit dem Jahr 2007 eine Bodenhydrologische Karte vor, die flächenhaft den bei ausreichenden Niederschlägen zu erwartenden Abflussprozess ausweist. In der vorliegenden Dissertation wird die Nutzung dieser Prozessinformation bei der Parametrisierung des Bodenmoduls von LARSIM beschrieben: Für drei Prozessgruppen " gesättigter Oberflächenabfluss, Abfluss im Boden, Tiefenversickerung " werden mittels zweier neuer Parameter P_Bilanz und P_Dämpfung inhomogene Parametersätze aus empirisch ermittelten Kennfeldern gewählt, um die Prozessinformation bei der Abflussbildung im Modell zu berücksichtigen. Für die Abbildung der Prozessintensitäten in den Gebietsspeichern werden zwei unterschiedliche Ansätze vorgestellt, die sich in ihrer Komplexität unterscheiden. In der ersten Variante werden fünf Oberflächenabflussspeicher für unterschiedlich schnell reagierende Prozessgruppen eingeführt, in der zweiten Variante wird der erste Ansatz mit dem ursprünglichen Schwellenwert zur Aufteilung in schnelle und langsame Oberflächenabflusskomponenten kombiniert. Es wird gezeigt, dass die Parametrisierung mit den beiden neuen Parametern P_Bilanz und P_Dämpfung einfacher, effektiver und effizienter ist, da beide Parameter minimale Interaktionen aufweisen und in ihrer Wirkungsweise leicht verständlich sind, was auf die ursprünglichen Bodenparameter nicht zutrifft. Es wird ein Arbeitsfluss vorgestellt, in dem die neuen Parameter in Kombination mit Signature Measures und unterschiedlichen Darstellungen der Abflussdauerlinie gemeinsam genutzt werden können, um in wenigen Arbeitsschritten eine Anpassung des Modells in neuen Einzugsgebieten vorzunehmen. Die Methode wurde durch Anwendung in drei Gebieten validiert. In den drei Gebieten konnte in wenigen Kalibrierungsschritten die Simulationsgüte der ursprünglichen Version erreicht und " je nach Zielsetzung " übertroffen werden. Hinsichtlich der Gütemaße zeigte sich bei der Variante, in der die Gebietsspeicher nicht modifiziert wurden, aber kein eindeutiges Bild, ob die ursprüngliche Parametrisierung oder die neue grundsätzlich überlegen ist. Neben der Auswertung der Validierungszeiträume wurden dabei auch die simulierten Ganglinien in geschachtelten Gebieten betrachtet. Die Version, in der die Gebietsspeicher modifiziert wurden, zeigt hingegen vor allem im Validierungszeitraum tendenziell bessere Simulationsergebnisse. Hinsichtlich der Abbildung der Abflussprozesse ist das neue Verfahren dem alten deutlich überlegen: Es resultiert in plausiblen Anteilen von Abflusskomponenten, deren Verteilung und Abhängigkeit von Speicherkapazitäten, Landnutzungen und Eingangsdaten systematisch ausgewertet wurden. Es zeigte sich, dass vor allem die Speicherkapazität des Bodens einen signifikanten Einfluss hat, der aber im hydrologischen Sinn richtig und hinsichtlich der Modellannahmen plausibel ist. Es wird deutlich gemacht, dass die Einschränkungen, die sich ergeben haben, aufgrund der Modellannahmen zustande kommen, und dass ohne die Änderung dieser Annahmen keine bessere Abbildung möglich ist. Für die Zukunft werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Annahmen modifiziert werden können, um eine bessere Abbildung zu erzielen, indem der bereits bestehende Infiltrationsansatz in die Methode integriert wird.
Background: The growing production and use of engineered AgNP in industry and private households make increasing concentrations of AgNP in the environment unavoidable. Although we already know the harmful effects of AgNP on pivotal bacterial driven soil functions, information about the impact of silver nanoparticles (AgNP) on the soil bacterial community structure is rare. Hence, the aim of this study was to reveal the long-term effects of AgNP on major soil bacterial phyla in a loamy soil. The study was conducted as a laboratory incubation experiment over a period of 1 year using a loamy soil and AgNP concentrations ranging from 0.01 to 1 mg AgNP/kg soil. Effects were quantified using the taxon-specific 16S rRNA qPCR.
Results: The short-term exposure of AgNP at environmentally relevant concentration of 0.01 mg AgNP/kg caused significant positive effects on Acidobacteria (44.0%), Actinobacteria (21.1%) and Bacteroidetes (14.6%), whereas beta-Proteobacteria population was minimized by 14.2% relative to the control (p ≤ 0.05). After 1 year of exposure to 0.01 mg AgNP/kg diminished Acidobacteria (p = 0.007), Bacteroidetes (p = 0.005) and beta-Proteobacteria (p = 0.000) by 14.5, 10.1 and 13.9%, respectively. Actino- and alpha-Proteobacteria were statistically unaffected by AgNP treatments after 1-year exposure. Furthermore, a statistically significant regression and correlation analysis between silver toxicity and exposure time confirmed loamy soils as a sink for silver nanoparticles and their concomitant silver ions.
Conclusions: Even very low concentrations of AgNP may cause disadvantages for the autotrophic ammonia oxidation (nitrification), the organic carbon transformation and the chitin degradation in soils by exerting harmful effects on the liable bacterial phyla.