Lycian salamanders (genus Lyciasalamandra) constitute an exceptional case of microendemism of an amphibian species on the Asian Minor mainland. These viviparous salamanders are confined to karstic limestone formations along the southern Anatolian coast and some islands. We here study the genetic differentiation within and among 118 populations of all seven Lyciasalamandra species across the entire genus’ distribution. Based on circa 900 base pairs of fragments of the mitochondrial 16SrDNA and ATPase genes, we analysed the spatial haplotype distribution as well as the genetic structure and demographic history of populations. We used 253 geo-referenced populations and CHELSA climate data to infer species distribution models which we projected on climatic conditions of the Last Glacial Maximum (LGM). Within all but one species, distinct phyloclades were identified, which only in parts matched current taxonomy. Most haplotypes (78%) were private to single populations. Sometimes population genetic parameters showed contradicting results, although in several cases they indicated recent population expansion of phyloclades. Climatic suitability of localities currently inhabited by salamanders was significantly lower during the LGM compared to recent climate. All data indicated a strong degree of isolation among Lyciasalamandra populations, even within phyloclades. Given the sometimes high degree of haplotype differentiation between adjacent populations, they must have survived periods of deteriorated climates during the Quaternary on the spot. However, the alternative explanation of male biased dispersal combined with a pronounced female philopatry can only be excluded if independent nuclear data confirm this result.

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.

It is well-known that katabatic winds can be detected as warm signatures in the surface temperature over the slopes of the Antarctic ice sheets. For appropriate synoptic forcing and/or topographic channeling, katabatic surges occur, which result in warm signatures also over adjacent ice shelves. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) ice surface temperature (IST) data are used to detect warm signatures over the Antarctic for the winter periods 2002–2017. In addition, high-resolution (5 km) regional climate model data is used for the years of 2002 to 2016. We present a case study and a climatology of wind-induced IST anomalies for the Ross Ice Shelf and the eastern Weddell Sea. The IST anomaly distributions show maxima around 10–15K for the slopes, but values of more than 25K are also found. Katabatic surges represent a strong climatological signal with a mean warm anomaly of more than 5K on more than 120 days per winter for the Byrd Glacier and the Nimrod Glacier on the Ross Ice Shelf. The mean anomaly for the Brunt Ice Shelf is weaker, and exceeds 5K on about 70 days per winter. Model simulations of the IST are compared to the MODIS IST, and show a very good agreement. The model data show that the near-surface stability is a better measure for the response to the wind than the IST itself.

Background In light of the current biodiversity crisis, DNA barcoding is developing into an essential tool to quantify state shifts in global ecosystems. Current barcoding protocols often rely on short amplicon sequences, which yield accurate identification of biological entities in a community but provide limited phylogenetic resolution across broad taxonomic scales. However, the phylogenetic structure of communities is an essential component of biodiversity. Consequently, a barcoding approach is required that unites robust taxonomic assignment power and high phylogenetic utility. A possible solution is offered by sequencing long ribosomal DNA (rDNA) amplicons on the MinION platform (Oxford Nanopore Technologies). Findings Using a dataset of various animal and plant species, with a focus on arthropods, we assemble a pipeline for long rDNA barcode analysis and introduce a new software (MiniBar) to demultiplex dual indexed Nanopore reads. We find excellent phylogenetic and taxonomic resolution offered by long rDNA sequences across broad taxonomic scales. We highlight the simplicity of our approach by field barcoding with a miniaturized, mobile laboratory in a remote rainforest. We also test the utility of long rDNA amplicons for analysis of community diversity through metabarcoding and find that they recover highly skewed diversity estimates. Conclusions Sequencing dual indexed, long rDNA amplicons on the MinION platform is a straightforward, cost-effective, portable, and universal approach for eukaryote DNA barcoding. Although bulk community analyses using long-amplicon approaches may introduce biases, the long rDNA amplicons approach signifies a powerful tool for enabling the accurate recovery of taxonomic and phylogenetic diversity across biological communities.

In the context of accelerated global socio-environmental change, the Water-Energy-Food Nexus has received increasing attention within science and international politics by promoting integrated resource governance. This study explores the scientific nexus debates from a discourse analytical perspective to reveal knowledge and power relations as well as geographical settings of nexus research. We also investigate approaches to socio-nature relations that influence nexus research and subsequent political implications. Our findings suggest that the leading nexus discourse is dominated by natural scientific perspectives and a neo-Malthusian framing of environmental challenges. Accordingly, the promoted cross-sectoral nexus approach to resource governance emphasizes efficiency, security, future sustainability, and poverty reduction. Water, energy, and food are conceived as global trade goods that require close monitoring, management and control, to be achieved via quantitative assessments and technological interventions. Within the less visible discourse, social scientific perspectives engage with the social, political, and normative elements of the Water-Energy-Food Nexus. These perspectives criticize the dominant nexus representation for itsmanagerial, neoliberal, and utilitarian approach to resource governance. The managerial framing is critiqued for masking power relations and social inequalities, while alternative framings acknowledge the political nature of resource governance and socio-nature relations. The spatial dimensions of the nexus debate are also discussed. Notably, the nexus is largely shaped by western knowledge, yet applied mainly in specific regions of the Global South. In order for the nexus to achieve integrative solutions for sustainability, the debate needs to overcome its current discursive and spatial separations. To this end, we need to engage more closely with alternative nexus discourses, embrace epistemic pluralism and encourage multi-perspective debates about the socio-nature relations we actually intend to promote.

This thesis is focused on improving the knowledge on a group of threatened species, the European cave salamanders (genus Hydromantes). There are three main sections gathering studies dealing with different topics: Ecology (first part), Life traits (second part) and Monitoring methodologies (third part). First part starts with the study of the response of Hydromantes to the variation of climatic conditions, analysing 15 different localities throughout a full year (CHAPTER I; published in PEERJ in August 2015). After that, the focus moves on identify which is the operative temperature that these salamander experience, including how their body respond to variation of environmental temperature. This study was conducted using one of the most advanced tool, an infrared thermocamera, which gave the opportunity to perform detailed observation on salamanders body (CHAPTER II; published in JOURNAL OF THERMAL BIOLOGY in June 2016). In the next chapter we use the previous results to analyse the ecological niche of all eight Hydromantes species. The study mostly underlines the mismatch between macro- and microscale analysis of ecological niche, showing a weak conservatism of ecological niches within the evolution of species (CHAPTER III; unpublished manuscript). We then focus only on hybrids, which occur within the natural distribution of mainland species. Here, we analyse if the ecological niche of hybrids shows divergences from those of parental species, thus evaluating the power of hybrids adaptation (CHAPTER IV; unpublished manuscript). Considering that hybrids may represent a potential threat for parental species (in terms of genetic erosion and competition), we produced the first ecological study on an allochthonous mixed population of Hydromantes, analysing population structure, ecological requirements and diet. The interest on this particular population mostly comes by the fact that its members are coming from all three mainland Hydromantes species, and thus it may represent a potential source of new hybrids (CHAPTER V; accepted in AMPHIBIA-REPTILIA in October 2017). The focus than moves on how bioclimatic parameters affect species within their distributional range. Using as model species the microendemic H. flavus, we analyse the relationship between environmental suitability and local abundance of the species, also focusing on all intermediate dynamics which provide useful information on spatial variation of individual fitness (CHAPTER VI; submitted to SCIENTIFIC REPORTS in November 2017). The first part ends with an analysis of the interaction between Hydromantes and Batracobdella algira leeches, the only known ectoparasite for European cave salamanders. Considering that the effect of leeches on their hosts is potentially detrimental, we investigated if these ectoparasites may represent a further threat for Hydromantes (CHAPTER VII; submitted to INTERNATIONAL JOURNAL FOR PARASITOLOGY: PARASITES AND WILDLIFE in November 2017). The second part is related to the reproduction of Hydromantes. In the first study we perform analyses on the breeding behaviour of several females belonging to a single population, identifying differences and similarities occurring in cohorting females (CHAPTER VIII; published in NORTH-WESTERN JOURNAL OF ZOOLOGY in December 2015). In the second study we gather information from all Hydromantes species, analysing size and development of breeding females, and identifying a relationship between breeding time and climatic conditions (CHAPTER IX; submitted to SALAMANDRA in June 2017). In the last part of this thesis, we analyse two potential methods for monitoring Hydromantes populations. In the first study we evaluate the efficiency of the marking method involving Alpha tags (CHAPTER X; published in SALAMANDRA in October 2017). In the second study we focus on evaluating N-mixtures models as a methodology for estimating abundance in wild populations (CHAPTER XI; submitted to BIODIVERSITY & CONSERVATION in October 2017).

The availability of data on the feeding habits of species of conservation value may be of great importance to develop analyses for both scientific and management purposes. Stomach flushing is a harmless technique that allowed us to collect extensive data on the feeding habits of six Hydromantes species. Here, we present two datasets originating from a three-year study performed in multiple seasons (spring and autumn) on 19 different populations of cave salamanders. The first dataset contains data of the stomach content of 1,250 salamanders, where 6,010 items were recognized; the second one reports the size of the intact prey items found in the stomachs. These datasets integrate considerably data already available on the diet of the European plethodontid salamanders, being also of potential use for large scale meta-analyses on amphibian diet.

Ziel der Dissertation ist es, den Hochwasserschutz und das Management extremer Hoch-wasser für das Einzugsgebiet der Isar zu verbessern mit Hinblick darauf, wie sich vorhandene und neu zu schaffende Retentionsräume mit optimaler Wirkung für das gesamte Flusssystem einsetzen lassen. Dafür sind Kenntnisse über extreme Ereignisse und deren Auswirkung auf die betrachteten Einzugsgebiete notwendig. Großskalige Niederschläge in Mitteleuropa werden überwiegend durch Vb-artige Zugbahnen ausgelöst. Die Relevanz für Bayern zeigt die Auswertung des neuesten Kataloges der Vb-Zugbahnen für den Zeitraum 1959 bis 2015. In den Monaten April bis Oktober haben Vb-Zugbahnen zu ca. 30 % der beobachten Hochwasser beigetragen. Im Sommer führt sogar jedes zweite Vb-Tief zu Hochwasser. Im Donaueinzugsgebiet können 50 % der 20 größten Hochwasser direkt auf Vb-Zugbahnen zurückgeführt werden, weitere 25 % durch ähnliche Zugbahnen oder auf eine Vb aktiven Phase. Über die Hälfe der größten Hochwasser traten dabei in Bezug zu einer Serie von Vb-Tiefs auf. 60 % der Vb-Zugbahnen sind Teil einer Serie von Vb-Tiefs. Aus wiederkehrenden Niederschlägen persistenter Zugbahnen resultieren mehrgipflige Hochwasserwellen, die insbesondere für Rückhalteräume betrachtet werden müssen (DIN 19700). Die Detailuntersuchung erfolgt unter besonderer Beachtung der Untersuchungen zu den Vb-Zugbahnen. Das Isareinzugsgebiet mit 8900 km-² besitzt mit den Seen im Voralpenland große natürliche Retentionsräume und mit dem Sylvensteinspeicher im alpinen Einzugsgebiet den größten staatlichen Speicher Bayerns. Für die Wirkungsanalyse von gekoppelten Hoch-wasserrückhalteräumen in komplexen Einzugsgebieten müssen Ganglinien mit einem Nie-derschlag-Abfluss-Modell generiert werden, die den Wellenablauf des Hochwassers im ge-samten Einzugsgebiet repräsentieren. Die Dissertation analysiert, wie sich der Einsatz ver-schiedener Verfahren zur Vorgabe der Eingangsniederschläge auswirkt. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchung auf dem Niederschlagsverlauf. Es wird ein Verfahren zur Ableitung von Ganglinien aus standardisierten beobachteten Niederschlagsverläufen entwi-ckelt. Die Hochwasserganglinien, generiert aus synthetischen Niederschlagsverläufen der Bemessung, werden am Beispiel des Sylvensteinspeichers mit den drei größten abgelaufe-nen Hochwasserereignissen verglichen und diskutiert, ob mit dem neuen Verfahren die Cha-rakteristik der beobachten Hochwasser besser wiedergeben wird. Der Fokus liegt dabei auf der Wellenüberlagerung. Es kann für das ganze Gebiet gezeigt werden, dass die mit der neuen Methode standardisierten beobachteten Niederschlagsverläufe besser geeignet sind, die Wellenüberlagerung wiederzugeben, da zeitliche Unterschiede durch die Staueffekte an den Alpen berücksichtigt werden, wie sie bei Vb-Zugbahn geprägten Niederschlägen entste-hen. Es kann daher bei ähnlichen Fragestellungen empfohlen werden, diese Methode in der Praxis als Variante hinzuzuziehen, um die natürlichen Prozesse repräsentativer zu beschrei-ben. Für die Simulation mit dem N-A-Modell LARSIM werden die Unsicherheiten durch Varianten-rechnungen gezeigt. Es hat sich herausgestellt, dass nicht nur der Niederschlagsverlauf und die Vorbedingungen des Ereignisses eine große Auswirkung auf die Kalibrierung der Ab-flussbeiwerte im N-A-Modell haben, sondern auch das gewählte Flood-Routing-Verfahren und die Gerinnerauheit. Schließlich wird die Bewertung der potenziellen Standorte durchgeführt. Es wird berechnet, wo das Hochwasser zurückgehalten werden muss, um sowohl eine lokale Reduktion des Hochwasserscheitels, als auch gleichzeitig eine möglichst große Schutzwirkung für das Ge-samtsystem zu ermöglichen. Priorisiert werden Rückhaltestandorte, die praktisch umsetzbar sind und den größten Nutzen haben. Die Untersuchung einer Doppelwelle, die durch eine Serie von Vb-Zugbahnen entstehen kann, zeigt, wie die Einschätzung potenzieller Standorte verändern kann. Der alpine und zum Teil der voralpine Raum reagieren mit kurzen steilen Ganglinien und sind gegenüber Doppelwellen weniger sensitiv, weil kaum Wellenüberlagerung entsteht. Für den Sylvensteinspeicher, der im alpinen Raum liegt, können daher kurze Niederschlagspausen für eine schnelle Entlastung des Speicherraumes genutzt werden. Un-terhalb von Seen mit einem großen Retentionsvermögen erzeugen Doppelwellen aufgrund der langen Retentionsäste durch die Wellenüberlagerung deutlich höhere Abflüsse als Ein-zelwellen. Rückhalt an der oberen Isar ist unter diesen Kriterien am optimalsten. Empfohlene Maßnahmen - ohne Bauaufwand - konnten bereits umgesetzt werden und verbessern den Hochwasserschutz und das Hochwassermanagement an der Isar. Die Auswertungen zeigen, dass in den Monaten April, Mai, September und Oktober die Hochwasserereignisse in Folge von Vb-Zugbahnen im Zuge der Klimaveränderung häufiger und in den Sommermonaten extremer werden könnten.

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.

This study aims to estimate the cotton yield at the field and regional level via the APSIM/OZCOT crop model, using an optimization-based recalibration approach based on the state variable of the cotton canopy - the leaf area index (LAI), derived from atmospherically corrected Landsat-8 OLI remote sensing images in 2014. First, a local sensitivity and global analysis approach was employed to test the sensitivity of cultivar, soil and agronomic parameters to the dynamics of the LAI. After sensitivity analyses, a series of sensitive parameters were obtained. Then, the APSIM/OZCOT crop model was calibrated by observations over a two-year span (2006-2007) at the Aksu station, combined with these sensitive cultivar parameters and the current understanding of cotton cultivar parameters. Third, the relationship between the observed in-situ LAI and synchronous perpendicular vegetation indices derived from six Landsat-8 OLI images covering the entire growth stage was modelled to generate LAI maps in time and space. Finally, the Particle Swarm Optimization (PSO) and general-purpose optimization approach (based on Nelder-Mead algorithm) were used to recalibrate four sensitive agronomic parameters (row spacing, sowing density per row, irrigation amount and total fertilization) according to the minimization of the root-mean-square deviation (RMSE) between the simulated LAI from the APSIM/OZCOT model and retrieved LAI from Landsat-8 OLI remote sensing images. After the recalibration, the best simulated results compared with observed cotton yield were obtained. The results showed that: (1) FRUDD, FLAI and DDISQ were the major cultivar parameters suitable for calibrating the cotton cultivar. (2) After the calibration, the simulated LAI performed well with an RMSE and mean absolute error (MAE) of 0.45 and 0.33, respectively, in 2006 and 0.46 and 0.41, respectively, in 2007. The coefficient of determination between the observed and simulated LAI was 0.83 and 0.97, respectively, in 2006 and 2007. The Pearson- correlation coefficient was 0.913 and 0.988 in 2006 and 2007, respectively, with a significant positive correlation between the simulated and observed LAI. The difference between the observed and simulated yield was 776.72 kg/ha and 259.98 kg/ha in 2006 and 2007, respectively. (3) Cotton cultivation in 2014 was obtained using three Landsat-8 OLI images - DOY136 (May), DOY 168 (June) and DOY 200 (July) - based on the phenological differences in cotton and other vegetation types. (4) The yield estimation after the assimilation closely approximated the field-observed values, and the coefficient of determination was as high as 0.82, after recalibration of the APSIM/OZCOT model for ten cotton fields. The difference between the observed and assimilated yields for the ten fields ranged from 18.2 to 939.7 kg/ha. The RMSE and MAE between the assimilated and observed yield was 417.5 and 303.1 kg/ha, respectively. These findings provide scientific evidence for the feasibility of coupled remote sensing and APSIM/OZCOT model at the field level. (5) Upscaling from field level to regional level, the assimilation algorithm and scheme are both especially important. Although the PSO method is very efficient, the computational efficiency is also the shortcoming of the assimilation strategy on a regional scale. Comparisons between the PSO and general-purpose optimization method (based on the Nelder-Mead algorithm) were implemented from the RSME, LAI curve and computational time. The general-purpose optimization method (based on the Nelder-Mead algorithm) was used for the regional assimilation between remote sensing and the APSIM/OZCOT model. Meanwhile, the basic unit for regional assimilation was also determined as cotton field rather than pixel. Moreover, the crop growth simulation was also divided into two phases (vegetative growth and reproductive growth) for regional assimilation. (6) The regional assimilation at the vegetative growth stage between the remote sensing derived and APSIM/OZCOT model-simulated LAI was implemented by adjusting two parameters: row spacing and sowing density per row. The results showed that the sowing density of cotton was higher in the southern part than in the northern part of the study area. The spatial pattern of cotton density was also consistent with the reclamation from 2001 to 2013. Cotton fields after early reclamation were mainly located in the southern part while the recent reclamation was located in the northern part. Poor soil quality, lack of irrigation facilities and woodland belts of cotton fields in the northern part caused the low density of cotton. Regarding the row spacing, the northern part was larger than the southern part due to the variation of two agronomic modes from military and private companies. (7) The irrigation and fertilization amount were both used as key parameters to be adjusted for regional assimilation during the reproductive growth period. The result showed that the irrigation per time ranged from 58.14 to 89.99 mm in the study area. The spatial distribution of the irrigation amount is higher in the northern part while lower in southern study area. The application of urea fertilization ranged from 500.35 to 1598.59 kg/ha in the study area. The spatial distribution of fertilization was lower in the northern part and higher in the southern part. More fertilization applied in the southern study area aims to increase the boll weight and number for pursuing higher yields of cotton. The frequency of the RSME during the second assimilation was mainly located in the range of 0.4-0.6 m2/m2. The estimated cotton yield ranged from 1489 to 8895 kg/ha. The spatial distribution of the estimated yield is also higher in the southern part than the northern study area.

Dry tropical forests undergo massive conversion and degradation processes. This also holds true for the extensive Miombo forests that cover large parts of Southern Africa. While the largest proportional area can be found in Angola, the country still struggles with food shortages, insufficient medical and educational supplies, as well as the ongoing reconstruction of infrastructure after 27 years of civil war. Especially in rural areas, the local population is therefore still heavily dependent on the consumption of natural resources, as well as subsistence agriculture. This leads, on one hand, to large areas of Miombo forests being converted for cultivation purposes, but on the other hand, to degradation processes due to the selective use of forest resources. While forest conversion in south-central rural Angola has already been quantitatively described, information about forest degradation is not yet available. This is due to the history of conflicts and the therewith connected research difficulties, as well as the remote location of this area. We apply an annual time series approach using Landsat data in south-central Angola not only to assess the current degradation status of the Miombo forests, but also to derive past developments reaching back to times of armed conflicts. We use the Disturbance Index based on tasseled cap transformation to exclude external influences like inter-annual variation of rainfall. Based on this time series, linear regression is calculated for forest areas unaffected by conversion, but also for the pre-conversion period of those areas that were used for cultivation purposes during the observation time. Metrics derived from linear regression are used to classify the study area according to their dominant modification processes.rnWe compare our results to MODIS latent integral trends and to further products to derive information on underlying drivers. Around 13% of the Miombo forests are affected by degradation processes, especially along streets, in villages, and close to existing agriculture. However, areas in presumably remote and dense forest areas are also affected to a significant extent. A comparison with MODIS derived fire ignition data shows that they are most likely affected by recurring fires and less by selective timber extraction. We confirm that areas that are used for agriculture are more heavily disturbed by selective use beforehand than those that remain unaffected by conversion. The results can be substantiated by the MODIS latent integral trends and we also show that due to extent and location, the assessment of forest conversion is most likely not sufficient to provide good estimates for the loss of natural resources.

Avoiding aerial microfibre contamination of environmental samples is essential for reliable analyses when it comes to the detection of ubiquitous microplastics. Almost all laboratories have contamination problems which are largely unavoidable without investments in clean-air devices. Therefore, our study supplies an approach to assess background microfibre contamination of samples in the laboratory under particle-free air conditions. We tested aerial contamination of samples indoor, in a mobile laboratory, within a laboratory fume hood and on a clean bench with particles filtration during the examining process of a fish. The used clean bench reduced aerial microfibre contamination in our laboratory by 96.5%. This highlights the value of suitable clean-air devices for valid microplastic pollution data. Our results indicate, that pollution levels by microfibres have been overestimated and actual pollution levels may be many times lower. Accordingly, such clean-air devices are recommended for microplastic laboratory applications in future research work to significantly lower error rates.

Erosion durch Regen und Wind schädigt fruchtbare Bodensubstanz irreversibel, verursacht weltweit riesige ökologische und sozio-ökonomische Schäden und ist eines der Hauptanliegen bezüglich Ökosystemdienstleistungen und Nahrungsmittelsicherheit. Die Quantifizierung von Abtragsraten ist immer noch höchst spekulativ, und fehlende empirische Daten führen zu großen Unsicherheiten von Risikoanalysemodellen. Als ein wesentlicher Grund für diese Unsicherheiten wird in dieser Arbeit die Prozesse der Beeinflussung von Wassererosion durch Wind und, im Speziellen, die Erosionsleistung von windbeeinflussten Regentropfen im Gegensatz zu windlosen Tropfen inklusive unterschiedlicher Oberflächenparameter beleuchtet. Der Forschungsansatz war experimentell-empirisch und beinhaltete die Entwicklung und Formulierung der Forschungshypothesen, die Konzeption und Durchführung von Experimenten mit einem mobilen Wind-Regenkanal, die Probenverarbeitung und Analyse sowie Interpretation der Daten. Die Arbeit gliedert sich in die Teile 1. "Bodenerosionsexperimente zu windbeeinflusstem Regen auf autochthonen und naturähnlichen Böden", 2. "Experimente zu Substratpartikeltransport durch windbeeinflussten Tropfenschlag" und 3. "Zusammenführung der Freiland- und Labortests". 1. Tests auf autochthonen degradierten Böden im semiariden Südspanien sowie auf kohäsionslosem sandigen Substrat wurden durchgeführt, um die relativen Auswirkungen von windbeeinflusstem Regen auf Oberflächenabflussbildung und Erosion zu untersuchen und zu quantifizieren. In der überwiegenden Anzahl der Versuche wurde klar eine Erhöhung der Erosionsraten festgestellt, was die Forschungshypothese, windbeeinflusster Regen sei erosiver als windloser Regen, deutlich bestätigte. Neben den stark erhöhten wurden auch niedrigere Abtragswerte gemessen, was zum einen die ausnehmende Relevanz der Oberflächenstrukturen und damit von in-situ- Experimenten belegte, zum anderen auf eine Erhöhung der Variabilität der Erosionsprozesse deutete. Diese Variabilität scheint zuzunehmen mit der Erhöhung der beteiligten Faktoren. 2. Ein sehr spezialisiertes Versuchsdesign wurde entwickelt und eingesetzt, um explizite Messungen der Tropfenschlagprozesse mit und ohne Windeinfluss durchzuführen. Getestet wurden die Erosionsagenzien Regen, Wind und windbeeinflusster Regen sowie drei Neigungen, drei Rauheiten und zwei Substrate. Alle Messergebnisse zeigten eine klare windinduzierte Erhöhung der Erosion um bis zu zwei Größenordnungen gegenüber windlosem Tropfenschlag und Wind. Windbeeinflusster Regen wird durch die gesteigerte Transportmenge und Weite als wesentlicher Erosionsfaktor bestätigt und ist damit ein Schlüsselparameter bei der Quantifizierung von globaler Bodenerosion, Erstellung von Sedimentbudgets und bei der Erforschung von Connectivity. Die Daten sind von hervorragender Qualität und sowohl für anspruchsvollere Analysemethoden (multivariate Statistik) als auch für Modellierungsansätze geeignet. 3. Eine Synthese aus Feld- und Laborversuchen (darunter auch ein bis dato unveröffentlichtes Versuchsset) inklusive einer statistischen Analyse bestätigt WDR als den herausragenden Faktor, der alle anderen Faktoren überlagert. Die Zusammenführung der beiden komplementären Experimentgruppen bringt die Forschungsreihe zu windbeeinflusstem Regen auf eine weiterführende Ebene, indem die Messergebnisse in einen ökologischen Zusammenhang gesetzt werden. Eine vorsichtige Projektion auf Landschaftsebene ermöglicht einen Einblick in die Risikobewertung von Bodenerosion durch windbeeinflussten Regen. Es wird deutlich, dass er sich gerade auch im Zusammenhang mit den durch den Klimawandel verstärkt auftretenden Regensturmereignissen katastrophal auf Bodenerosionsraten auszuwirken kann und dringend in die Bodenerosionsmodellierung integriert werden muss.

Determining the exact position of a forest inventory plot—and hence the position of the sampled trees—is often hampered by a poor Global Navigation Satellite System (GNSS) signal quality beneath the forest canopy. Inaccurate geo-references hamper the performance of models that aim to retrieve useful information from spatially high remote sensing data (e.g., species classification or timber volume estimation). This restriction is even more severe on the level of individual trees. The objective of this study was to develop a post-processing strategy to improve the positional accuracy of GNSS-measured sample-plot centers and to develop a method to automatically match trees within a terrestrial sample plot to aerial detected trees. We propose a new method which uses a random forest classifier to estimate the matching probability of each terrestrial-reference and aerial detected tree pair, which gives the opportunity to assess the reliability of the results. We investigated 133 sample plots of the Third German National Forest Inventory (BWI, 2011"2012) within the German federal state of Rhineland-Palatinate. For training and objective validation, synthetic forest stands have been modeled using the Waldplaner 2.0 software. Our method has achieved an overall accuracy of 82.7% for co-registration and 89.1% for tree matching. With our method, 60% of the investigated plots could be successfully relocated. The probabilities provided by the algorithm are an objective indicator of the reliability of a specific result which could be incorporated into quantitative models to increase the performance of forest attribute estimations.

The development of our society contributed to increased occurrence of emerging substances (pesticides, pharmaceuticals, personal care products, etc.) in wastewater. Because of their potential hazard on ecosystems and humans, Wastewater Treatment Plants (WWTPs) need to adapt to better remove these compounds. Technology or policy development should however comply with sustainable development, e.g. based on Life Cycle Assessment (LCA) metrics. Nevertheless, the reliability or consistency of LCA results can sometimes be debatable. The main objective of this work was to explore how LCA can better support the implementation of innovative wastewater treatment options, in particular including removal benefits. The method was applied to support solutions for pharmaceuticals elimination from wastewater, regarding: (i) UV technology design, (ii) choice of advanced technology and (iii) centralized or decentralized treatment policy. The assessment approach followed by previous authors based on net impacts calculation seemed very promising to consider both environmental effects induced by treatment plant operation and environmental benefits obtained from pollutants removal. It was therefore applied to compare UV configuration types. LCA outcomes were consistent with degradation kinetics analysis. For the comparison of advanced technologies and policy scenarios, the common practice (net impacts based on EDIP method) was compared to other assessments, to better consider elimination benefits. First, USEtox consensus was applied for the avoided (eco)toxicity impacts, in combination with the recent method ReCiPe for generated impacts. Then, an eco-efficiency indicator (EFI) was developed to weigh the treatment efforts (generated impacts based on EDIP and ReCiPe methods) by the average removal efficiency (overcoming (eco)toxicity uncertainty issues). In total, the four types of comparative assessment showed the same trends: (i) ozonation and activated carbon perform better than UV irradiation, and (ii) no clear advantage distinguished between policy scenarios. It cannot be however concluded that advanced treatment of pharmaceuticals is not necessary because other criteria should be considered (risk assessment, bacterial resistance, etc.) and large uncertainties were embedded in calculations. Indeed, a significant part of this work was dedicated to the discussion of uncertainty and limitations of the LCA outcomes. At the inventory level, it was difficult to model technology operation at development stage. For impact assessment, the newly developed characterization factors for pharmaceuticals (eco)toxicity showed large uncertainties, mainly due to the lack of data and quality for toxicity tests. The use of information made available under REACH framework to develop CFs for detergent ingredients tried to cope with this issue but the benefits were limited due to the mismatch of information between REACH and USEtox method. The highlighted uncertainties were treated with sensitivity analyses to understand their effects on LCA results. This research work finally presents perspectives on the use of transparently generated data (technology inventory and (eco)toxicity factors) and further development of EFI indicator. Also, an accent is made on increasing the reliability of LCA outcomes, in particular through the implementation of advanced techniques for uncertainty management. To conclude, innovative technology/product development (e.g. based on circular economy approach) needs the involvement of all types of actors and the support from sustainability metrics.

Mechanisch-biologisch behandelte Abfälle zeigen im Vergleich mit unbehandelten Siedlungsabfällen völlig veränderte geomechanische Eigenschaften auf. Das Emissionspotenzial ist weitgehend reduziert. Dies erforderte eine Anpassung der Deponietechnik bezüglich Materialeinbau und Deponiebetrieb. Um sowohl das Deponieverhalten der mechanisch-biologisch behandelten Abfälle sowie das verbleibende Emissionspotenzial beurteilen zu können, wurde in dieser Arbeit ein breit angelegtes Untersuchungsprogramm im Deponiefeld umgesetzt, welches zum Ziel hat, das Langzeitverhalten des mechanisch-biologisch behandelten Abfalls im Deponiefeld zu beschreiben. Hieraus wurden Empfehlungen für Deponiebetreiber abgeleitet, die eine langfristige Sicherung der gesetzlichen Anforderungen an das Ablagern von MBA-Material gewährleisten. Somit wird der Forderung nach einem nachhaltigen Schutz der Umwelt Rechnung getragen. Eine solche Sicherung ermöglicht einen langfristig ökonomisch und ökologisch tragbaren Deponiebetrieb und somit die nötige Planungssicherheit für Deponiebetreiber. rnDie bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, dass MBA-Deponien unter den beschriebenen Bedingungen ohne größere Probleme betrieben werden können. Durch die mechanisch-biologische Behandlung wurde jedoch der gesamte Bereich der Ablagerung neu definiert. rnSchwerpunkt des Untersuchungsprogramms war die Untersuchung der Temperatur- und Feuchtigkeitsentwicklung im Deponiekörper, der daraus resultierenden Auswirkungen auf die Zusammensetzung und Menge des Deponiegases sowie die Beurteilung der geotechnischen Erfordernisse an das abzulagernde Material und das Deponiefeld. Hierbei stand die Untersuchung von Porenwasserdrücken im Vordergrund. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Temperaturniveaus im Deponiekörper mit ca. 16-25-°C etwas unter den von DSR lagen. Die Deponiegaszusammensetzung weicht ebenfalls etwas von den Ergebnissen aus DSR ab. Die Deponiegasmenge liegt im erwarteten Bereich und lässt Rückschlüsse auf das Gasphasenmodell zu. An den Zuordnungskriterien konnten keine wesentlichen Veränderungen oder Abbauraten bezogen auf das Ursprungsmaterial beobachtet werden. Die Anforderungen an den Einbau von mechanisch-biologisch behandelten Abfällen sollten weiterhin unter der Maßgabe: verdichteter Dünnschichteinbau, Profilierung mit 5-10% Gefälle, Einbauwassergehalt 30-35 %, geringstmögliche Einbaufläche und einer arbeitstägigen Abdeckung des Deponiefeldes mit wasserundurchlässigem Material in regenintensiven Monaten und im Winter erfolgen. Ein Deponiebetrieb nach den Vorgaben des Anhanges 5, Nr. 6 der Deponieverord-nung, nach dem ein Deponiebetreiber den Anfall von Sickerwasser so gering zu halten hat, wie dies nach dem Stand der Technik möglich ist, ist somit umsetzbar. Aufgrund der geringen Sickerwassermengen und des verdichteten Materialeinbaus stellt der Deponiekörper mit MBA-Material kein umweltrelevantes Gefährdungspotenzial bezogen auf die Deponiegasemissionen dar, insofern nach Abschluss des Deponiekörpers eine Methanoxidationsschicht als Oberflächenabdichtung aufgebracht wird.

Exposure to fine and ultra-fine environmental particles is still a problem of concern in many industrialized parts of the world and the intensified use of nanotechnology may further increase exposure to small particles. Since many years air pollution is recognized as a critical problem in western countries, which led to rigorous regulation of air quality and the introduction of strict guidelines. However, the upper thresholds for particulates in ambient air recommended by the world health organization are often exceeded several times in newly industrialized countries. Such high levels of air pollution have the potential to induce adverse effects on human health. The response triggered by air pollutants is not limited to local effects of the respiratory system but is often systemic, resulting in endothelial dysfunction or atherosclerotic malady. The link between air pollution and cardiovascular disease is now accepted by the scientific community but the underlying mechanisms responsible for the pro-atherogenic potential still need to be unraveled in detail. Based on the results from in- vivo and in vitro studies the production of reactive oxygen species due to exposure to particles is the most important mechanism to explain the observed adverse effects. However, the doses that were applied in many in vivo and in vitro studies are far beyond the range of what humans are exposed to and there is the need for more realistic exposure studies. Complex in vitro coculture systems may be valuable tools to study particle-induced processes and to extrapolate effects of particles on the lung. One of the objectives of this PhD thesis was the establishment and further improvement of a complex coculture system initially described by Alfaro-Moreno et al. [1]. The system is composed of an alveolar type-II cell line (A549), differentiated macrophage-like cells (THP-1), mast cells (HMC-1) and endothelial cells (EA.hy 926), seeded in a 3D-orientation on a microporous membrane to mimic the cell response of the alveolar surface in vitro in conjunction with native aerosol exposure (VitrocellTM chamber). The tetraculture system was carefully characterized to ensure its performance and repeatability of results. The spatial distribution of the cells in the tetraculture was analyzed by confocal laser scanning microscopy (CLSM), showing a confluent layer of endothelial and epithelial cells on both sides of the Transwellâ„¢. Macrophage-like cells and mast cells can be found on top of the epithelial cells. The latter cells formed colonies under submerged conditions, which disappeared at the air-liquid-interface (ALI). The VitrocellTM aerosol exposure system was not significantly influencing the viability. Using this system, cells were exposed to an aerosol of 50 nm SiO2-Rhodamine nanoparticles (NPs) in PBS. The distribution of the NPs in the tetraculture after exposure was evaluated by CLSM. Fluorescence from internalized particles was detected in CD11b-positive THP-1 cells only. Furthermore, all cell lines were found to be able to respond to xenobiotic model compounds, such as benzo[a]pyrene (B[a]P) or 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) with the upregulation of CYP1 mRNA. With this tetraculture system the response of the endothelial part of the alveolar barrier was studied in- vitro in a still realistic exposure scenario representing the conditions for a polluted situation without direct exposure of endothelial cells. After exposure to diesel exhaust particulate matter (DEPM) the expression of different anti-oxidant target genes and inflammatory genes such as NAD(P)H dehydrogenase quinone 1 (NQO1), superoxide dismutase 1 (SOD1) and heme oxygenase 1 (HMOX1), as well as the nuclear translocation nuclear factor erythroid-derived 2 (Nrf2) was evaluated. In addition, the potential of DEPM to induce the upregulation of CYP1A1 mRNA in the endothelium was analyzed. DEPM exposure led not to an upregulation of the anti-oxidant or inflammatory target genes, but to clear nuclear translocation of Nrf2. The endothelial cells responded to the DEPM treatment also with the upregulation of CYP1A1 mRNA and nuclear translocation of the aryl hydrocarbon receptor (AhR). Overall, DEPM triggered a response in the endothelial cells after indirect exposure of the tetraculture system to low doses of DEPM, underlining the sensitivity of ALI exposure systems. The use of the tetraculture together with the native aerosol exposure equipment may finally lead to a more realistic judgment regarding the hazard of new compounds and/or new nano-scaled materials in the future. For the first time, it was possible to study the response of the endothelial cells of the alveolar barrier in vitro in a realistic exposure scenario avoiding direct exposure of endothelial cells to high amounts of particulates.

Seit 2005 wird auf der Deponie Muertendall (Luxemburg) der Wasserhaushalt einer Oberflächenabdeckung anhand eines Testfeldes untersucht. Die Deponie wurde 1979 in Betrieb genommen. 1991 wurde sie erstmals geschlossen, da ihre Kapazität ausgeschöpft war. Anschließend wurde die Deponie saniert und mit einer Basisabdichtung ausgestattet. Der sanierte Altmüllkörper wurde mit einer 80 cm starken Oberflächenabdeckung versehen. In diesem Bereich der Deponie wurde 2005 ein Testfeld angelegt, um den Wasserhaushalt der Abdeckung zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es den Wasserhaushalt der derzeitigen Abdeckung zu bilanzieren und ihre Wasserdurchlässigkeit zu beurteilen. Die Auswertung der Daten zeigt, dass zwischen 30 und 66% des Niederschlages jährlich unterhalb der Abdeckung als Drainageabfluss auftreten. Deutlich zu erkennen ist eine jahreszeitliche Abhängigkeit mit höheren Abflüssen im Winter. Der auftretende Oberflächenabfluss ist vernachlässigbar. In Hinblick auf die Wasserdurchlässigkeit ist die auf der Deponie bestehende Abdeckung nicht geeignet um die Sickerwassermengen deutlich zu minimieren. Da der Wasserhaushalt von Oberflächenabdeckungen die biologischen Abbauprozesse im Deponiekörper maßgeblich beeinflusst, wurden auf der Deponie ebenfalls Untersuchungen am Altmüllkörper durchgeführt, um Rückschlüsse auf den Fortschritt der biologischen Abbauprozesse zu gewinnen. Die ermittelten Wassergehalte im Deponiekörper liegen bei nur 33 Gew. % und sind somit nicht optimal für die biologischen Abbauprozesse. Der untersuchte Altmüll besteht zum Großteil nur noch aus der Fraktion <20 mm als Resultat der biologischen Abbauprozesse. Der übrige Teil besteht größtenteils aus Stoffgruppen, die nur noch schwer biologisch abbaubar sind. Weitere chemisch- physikalische Untersuchungen zeigen, dass im Altmüll immer noch Organik vorhanden ist, die aber durch die biologischen Abbauprozesse nur noch schwer abgebaut werden kann. Aus den gewonnen Ergebnissen werden Vorschläge für die endgültige Abdeckung der Deponie Muertendall gemacht.

Die Arbeit untersucht das Potential kleiner unbemannter Luftfahrtsysteme (UAS) in Landwirtschaft und Archäologie. Der Begriff UAS beinhaltet dabei: Fluggerät, Antriebsmechanismus, Sensorik, Bodenstation, Kommunikationsmittel zwischen Bodenstation und Fluggerät und weiteres Equipment. Aufgrund ihrer Flexibilität, fanden UAS seit der Jahrtausendwende eine blühende Entwicklung. Um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, muss die landwirtschaftliche Produktion sensibel und nachhaltig intensiviert werden, um Nahrungssicherheit für alle zu gewährleisten und weitere Boden- und Landdegradation zu vermeiden. Präzisionslandwirtschaft umfasst technologische Verbesserungen hin zur effizienteren und weniger schädlichen landwirtschaftlichen Praxis. Hierbei ist die Verfügung über zeitnahe, leicht zugängliche hoch aufgelöste räumliche Daten eine Voraussetzung für die Nahrungsmittelproduktion. UAS schließen hier die Lücke zwischen Bodendaten und teuren bemannten Luftfahrtsysteme und selteneren Satellitenbildern. Die Vorteile der UAS-Daten liegen in der ad-hoc Akquisition großmaßstäbiger Fernerkundungsdaten, den geringeren Kosten gegenüber der bemannten Systeme und einer relativen Wetterunabhängigkeit, da auch unter Wolken geflogen werden kann. Den größten Anteil innerhalb der UAS stellen die Mini-UAS (Abfluggewicht von 5kg) und dabei vertikale Start- und Landesysteme. Diese können über Untersuchungsgebieten schweben, sind dadurch jedoch langsamer und eher geeignet für kleinere Flächen. Flugregularien und die Integration in den bemannten Luftraum werden derzeit europaweit harmonisiert und in den Mitgliedstaaten umgesetzt. Die Hauptziele dieser Arbeit lagen in der Evaluierung wie Schlüsselparametern landwirtschaftlicher Nutzpflanzen (Chlorophyll-, Stickstoffgehalt, Erntemenge, sonnendinduzierter Chlorophyll-Fluoreszenz) mittels UAS abgeleitet und wie UAS-Daten für archäologische Aufklärung genutzt werden können. Dazu wurde ein Quadrokopter (md4-1000, microdrones GmbH) mit einer digitalen Spiegelreflexkamera, einem Multispektralsensor (MiniMCA-6, Tetracam Inc.) und einer Thermalkamera (UCM, Zeiss) ausgestattet. Eine Sensitivitätsanalyse führte zur Ableitung geeigneter Wellenlängenbereiche und untersuchte bidirektionale und Flughöheneffekte auf das Multispektralsignal. Die Studie beschreibt außerdem die Vorgehensweise bei Bildaufnahme und Vorprozessierung mit besonderem Schwerpunkt auf die Multispektralkamera (530-900 nm). Die Vorprozessierung beinhaltet die Korrektur von Sensorfehlern (Linsenverzeichnung, Vignettierung, Kanalkalibrierung), die radiometrische Kalibrierung über eine empirische Korrektur mit Hilfe von Referenzspektren, Atmosphärenkorrektur und schließlich die geometrische Verarbeitung unter Verwendung von Structure from Motion Programme zur Generierung von Punktwolkenmodellen bis hin zum digitalen Orthophotomosaik und Höhenmodell in Zentimeterauflösung. In einer Weinbergsstudie (2011, 2012) wurden geeignete Beobachtungswinkel für die Untersuchung des Einflusses von Bodenbearbeitungsstrategien auf das Multispektralsignal evaluiert. Schrägichtaufnahmen von 45-° Beobachtungswinkel gegenüber Nadir waren am besten geeignet zur Ableitung pflanzenphysiolgischer Parameter und multispektraler Unterscheidung von Bodenbearbeitungstypen. So konnten Chlorophyll-Gehalte über Regressionsanalysen über mehrere saisonale Aufnahmen mit einem kreuzvalidierten R-² von 0.65, Stickstoffgehaltsindex von 0.76 (2012) und Ernte mit 0.84 (2011) und für verschiedene Zeitpunkte nach der Blüte (0.87) und während der Reifephase (0.73) ermittelt werden. Desweiteren wurde die (Fs) in einem Stickstoff-Düngung-Experiment bei Zuckerrüben von Multispektral-, Indizes und Thermaldaten untersucht (HyFlex-Kampagne 2012). Zuckerrübenvarietäten konnten spektral und thermal unterschieden werden, die Fluoreszenzindizes waren wetterbedingt, weniger erfolgreich. Außerdem konnte der Tagesgang der Fs trotz instabiler Einstrahlungsverhältnisse am Morgen abgeleitet werden. Die Werte waren jedoch gegenüber Bodenmessungen um ein Vielfaches erhöht. Archäologische Fernerkundung durch UAS wird bereits seit Jahren (z.B. mit Fesselballons) durchgeführt. Die Mustererkennung profitiert von der spektralen Ausdehnung vom menschlichen Auge hin zu multispektralen, neuerdings auch hyperspektralen Sensoren. Studien in Los Bañales, Spanien, zeigten die Möglichkeiten des Informationsgewinns durch Bildverarbeitung von UAS-Daten: vermutliche historische Siedlungsmuster konnten durch Landoberflächenklassifikation von Multispektraldaten mittels Support Vector Machines und Bestandsmusterdetektion beschrieben werden. Um qualitative hochwertige, hochaufgelöste UAS-Daten zu erhalten, sollten die Daten mit hoher Überlappung (80%) und auch Schrägsicht akquiriert und ggf. durch Referenzmessungen zur radiometrischen Kalibrierung und GPS-Messungen für geometrische Referenzierung ergänzt werden.

Die zukünftige Landwirtschaft steht vor großen Herausforderungen: Zum einen sollen mit knapper werdenden Ressource wie Wasser und Boden mehr Menschen ernährt, die Wirtschaftlichkeit gesteigert und Pflanzen zur Energiegewinnung sowie für die Industrie erzeugt werden. Zum anderen sollen Umweltbelastungen deutlich verringert werden, damit die Landwirtschaft nicht ihre eigene Grundlage zerstört und Anpassungsstrategien für das zukünftige Klima gefunden werden. Die Erstellung eines Modells, mit deren Hilfe die Auswirkungen von Klimavariabilität, Standortbedingung, verschiedenartiger Kultivierung, Umwelteinflüsse und nachhaltigem Wirtschaften auf das Pflanzenwachstum simuliert werden können, also eine ökonomisch-ökologischen Bewertung vorgenommen werden kann, ist daher das Hauptziel vorliegender Dissertation. Zur Erlangung dieses Ziels sollte ein ökologisches (STICS) und ein ökonomische Modell (Produktionsfunktion) miteinander gekoppelt werden. Eine Sensitivitätsanalyse des Pflanzenwachstumsmodells STICS verdeutlicht, dass dieses Modell geeignet ist den Einfluss unterschiedlicher Bewirtschaftungsmethoden und Klimakenngrößen auf das Pflanzenwachstum bzw. den Ertrag sowie die Bodenfruchtbarkeit, z.B. über die Nitratauswaschung, realitätsnah abzubilden. Die Voraussetzung dafür ergibt sich auch aus dem Verwenden des statistischen Klimamodells WETTREG 2010, welches hochaufgelöste Klimadaten, die in Anzahl der Klimaelemente und zeitlicher Auflösung der Messreihen von Klimastationen gleichen, liefert. Die natürliche Variabilität des Klimas wird damit gut widergeben und Aussagen über zukünftiges Wachstum und Pflanzenentwicklung sowie Auswirkungen von Extremwetterlagen berechenbar. Die Ergebnisse des Pflanzenwachstumsmodells dienen als Grundlage einer Produktionsfunktion des Cobb-Douglas-Typs. Der graphische Zusammenhang, die Verteilung der Produktionsfaktoren und die Regressionsergebnisse zeigen allerdings, dass eine einfache lineare Regression zur Bestimmung der Funktion auf Mittel- und Summenwertbasis zu schlechten Ergebnissen, insbesondere hinsichtlich der Anpassung an Extremereignisse, führt. Die Klimafaktoren Niederschlag bzw. Wasser und Temperatur, aber auch die Nachhaltigkeit im Sinne der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit können in der Funktion nicht eindeutig bestimmt werden. Anhand von Simulationen mit künstlichen Klimadaten, d.h. stetig steigenden Temperaturen und immer gleicher Verteilung des Niederschlags (gute und schlechte Verteilung), konnten die Fehlerquellen herauskristallisiert und die fehlenden Faktoren in der Produktionsfunktion gefunden werden. Ein Lösungsansatz ist das Einbeziehen von Stressindizes für Wasser- und Stickstoffmangel, welche die zeitliche Verteilung von Niederschlag und Temperatur bzw. deren Auswirkungen auf das Pflanzenwachstum darstellen. Zudem ist über den Stickstoffstress die Verfügbarkeit von Nitrat für die Pflanze ableitbar und kann in der Produktionsfunktion miteinbezogen werden. Die Ergebnisse der Regression mit Berücksichtigung der Wasser- und Stickstoffstressindizes zeigen deutlich bessere Ergebnisse. Die Variabilität kann deutlich erhöht und die zeitliche Verteilung von Niederschlag und Temperatur sowie die Bodenfruchtbarkeit berücksichtigt werden. Allerdings ist die Anpassung gerade in den extremen Bereichen (überdurchschnittlich niedrige oder hohe Ernten) zu systematisch. Das Pflanzenwachstumsmodell wird demnach nicht durch eine einfache Produktionsfunktion ersetzbar, da es wichtige Informationen zu Ertrag, Einfluss der Klimavariabilität auf den Ertrag, Umwelteinflüssen, wie Stickstoffaustrag, oder Stressindizes liefert. Vielmehr wird erst durch Verwendung des Pflanzenwachstumsmodells die direkte Abhängigkeit zwischen Bewirtschaftung, Ertrag und Nachhaltigkeit im Sinne der Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit bzw. der Vermeidung hoher Nitratauswaschung deutlich. Eine nicht angepasste Bewirtschaftung, z.B. Überdüngung und/oder hohe Bewässerung, führt sowohl zu mehr Nitrataustrag als auch zu niedrigerem Ertrag sowie höheren Kosten. Deutlich wird die Unersetzbarkeit des Pflanzenwachstumsmodells durch eine einfache Kostenanalyse. Hierbei konnte die Unrentabilität sehr intensiver Bewirtschaftung und Rentabilität einer zusätzlichen Bewässerung nur unter Berücksichtigung der Nitratauswaschung und klimatischer Gegebenheiten herausgestellt werden. Erst durch das Zusammenspiel von ökologischem und ökonomischem Modell werden die Auswirkungen von Klimavariabilität, Standortbedingung, verschiedenartiger Kultivierung und nachhaltigem Wirtschaften auf das Pflanzenwachstum berechenbar. Eine ökologisch-ökonomische Bewertung, wie die Beurteilung von Auswirkungen bestimmter Klimaelemente (Wasser, Temperatur) auf Pflanzenwachstum und Ertrag, Adaptionsstrategien, effizienter und ressourcenschonender Bewirtschaftung, Rentabilität, Umweltbelastung oder Nachhaltigkeit wird damit letztendlich möglich.

Climate change and habitat fragmentation modify the natural habitat of many wetland biota and lead to new compositions of biodiversity in these ecosystems. While the direct effects of climate are often well known, indirect effects due to biotic interactions remain poorly understood. The water meadow grasshopper, Chorthippus montanus, is a univoltine habitat specialist, which is adapted to permanently moist habitats. Land use change and drainage led to highly fragmented populations of this generally flightless species. In large parts of the Palaearctic Ch. montanus occurs sympatrically with its widespread congener, the meadow grasshopper Chorthippus parallelus. Due to their close relationship and their similar songs, hybridization is likely to occur in syntopic populations. Such a species pair of a habitat specialist and a habitat generalist represents an ideal model system to examine the role of ongoing climate change and an accumulation of extreme climatic events on the life history strategies, population dynamics and inter-specific interactions. In Chapter I a laboratory experiment was conducted to identify the impact of environmental factors on intra-specific life-history traits of Ch. montanus. Like other Orthoptera species, Ch. montanus follows a converse temperature size rule. In line with the dimorphic niche hypothesis, which states that sexual size dimorphism evolved in response to the different sexual reproductive roles, both sexes showed different responses to increasing density at lower temperatures. Males attained smaller body sizes at high densities, whereas females had a prolonged development time. This is the first evidence for a sex-specific phenotypic plasticity in Ch. montanus. Females benefit from the prolonged development as their reproductive success depends on the size and number of egg clutches they may produce. By contrast, the reproductive success of males depends on the chance to fertilize virgin females, which increases with faster development. This may become a disadvantage for Ch. montanus as an intraspecific phenology shift may increase hybridization risk with the sibling species. Despite the widespread assumption that hybridization between two sympatric species is rare due to complete reproductive barriers, the genetic analyses of 16 populations (Chapter II) provided evidence for wide prevalence of hybridization between both species in the wild. As no complete admixture was found in the examined population, it is assumed that hybridization only occurs in ecotones between wetlands and drier parts. Reproductive barriers (habitat isolation, behavior, phenology) seem to prevent the genetic swamping of Ch. montanus populations. Although a behavioral experiment showed that mate choice presents an important reproductive barrier between both species, the experiment also revealed that reproductive barriers could be altered by environmental change (e.g. increasing heterospecific frequency). Chapter III analyzes the impact of extreme climatic events on population dynamics and interspecific hybridization. A mark-recapture analysis combined with weather records over five years provides evidence that the embryonic development in Ch. montanus is vulnerable to extreme climatic events. Strong population declines in Ch. montanus lead to a disequilibrium between Ch. montanus and Ch. parallelus populations and increases the risk of hybridization. The highest hybridization risk was found in the first weeks of a season, when both species had an overlapping phenology. Furthermore, hybrids were generally localized at the edge of the Ch. montanus distribution with higher heterospecific encounter probabilities. The hybridization rate reached up to 19.6%. The genetic analyses in Chapter II and III show that hybridization differentially affects specialists and generalists. While generalists may benefit from hybridization by an increasing genetic diversity, such a positive correlation was not found for Ch. montanus. The results underline the importance of reproductive barriers for the co-existence of these sympatric species. However, climate change and other anthropogenic disturbances alter reproductive barriers and promote hybridization, which may threaten small populations by genetic displacement. As anthropogenic hybridization is recognized as a major threat to biodiversity, it should be considered in environmental law and policy. In Chapter IV the role of hybrids and hybridization in three levels of law and the historical backgrounds of hybrids becoming a part of legal instruments is analyzed. Due to legal uncertainties and the complexity of this topic a legal assessment of hybrids is challenging and argues for species-specific approaches. Nonetheless, existing legal norms provide a suitable basis, but need to be specified. Finally, this chapter discusses different opportunities for the management of hybrids and hybridization in a conservation perspective and their necessity.

Amphibien sind weltweit stark bedroht, was neben anderen Gründen auch durch Umweltverschmutzung bedingt scheint, wobei hier oft der vermehrte Einsatz von Agrochemikalien hervorgehoben wird. Obwohl landwirtschaftlich genutzte Gebiete meistens stark anthropogen verändert sind, beherbergen sie dennoch viele Amphibienpopulationen. Diese müssen hier oftmals persistieren, weil ihre ursprünglichen Lebensräume für die Landwirtschaft umgestaltet wurden und werden. Neben direkter Habitatzerstörung und "degradierung sowie mechanischen Bearbeitungsprozessen in der Landwirtschaft kann sich der Einsatz von Agrochemikalien, insbesondere von Pestiziden, stark negativ auf die dortigen Amphibien auswirken. Zwar sind aufgrund mangelnder Datenlage bisher keine kausalen Zusammenhänge zwischen Populationsrückgängen und Pestizideinsätzen nachgewiesen, jedoch können Amphibien über verschiedene direkte und indirekte Wege geschädigt werden. Eine Vielzahl von Studien zeigte bereits unterschiedlichste adverse Effekte auf der Individualebene. In der vorliegenden Arbeit wurden wichtige Fragestellungen zu diesem Themengebiet aufgegriffen. Der potenzielle Einfluss von Pestizideinsätzen auf Amphibien, besonders im Freiland, stellt ein komplexes Arbeitsfeld dar, so dass verschiedene methodische Ansätze angewendet wurden, um auf verschiedene Fragestellungen einzugehen. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden zwei methodisch unterschiedliche Risikobewertungen durchgeführt. Es wurde auf die Fragestellung eingegangen, welche Effekte von glyphosatbasierten Herbiziden, welche weltweit den größten Absatz besitzen, auf Amphibien dokumentiert sind und welche Endpunkte am besten geeignet sind, um adverse Effekte nachzuweisen. Dazu wurde eine systematische Literaturübersicht und Meta-Analyse aller publizierten Studien durchgeführt. In einer zweiten Risikobewertung wurde ein GIS-basierter Ansatz angewendet, um das Expositionsrisiko der Amphibienarten des Anhangs II der europäischen Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie (Arten von gemeinschaftlichem Interesse) gegenüber Pestiziden in ihren speziell ausgewiesenen Schutzgebieten abzuschätzen. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Laborexperimente mit Embryonen und Larven zweier Anuren-Modellorganismen und einem, amphibientoxikologisch bisher noch nicht untersuchten und häufig angewendeten, Herbizid durchgeführt. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet die Ergebnisse zweier Freilandstudien. Es wurde überprüft, ob Anurenlarven aufgrund der Wahrscheinlichkeit der Ausbildung von Deformationen (was im Labor einen gut studierten Endpunkt darstellt) als Bioindikatoren für die Belastung von Kleingewässern mit Agrochemikalien geeignet sind. In der zweiten Freilandstudie wurde überprüft, ob drei einheimische Amphibienarten Kleinstgewässer meiden, welche mit umweltrelevanten Konzentrationen verschiedener Stoffe kontaminiert wurden. Im rechtswissenschaftlichen Teil der Arbeit wurde darauf eingegangen, wie hoch die unterschiedlichen Umsetzungsstandards der europäischen Wasserrahmenrichtlinie respektive des nationalen Wasserhaushaltsgesetzes in den Ländern bezüglich des Schutzes von Kleingewässern, welche fast alle heimischen Amphibienarten zur Reproduktion benötigen, durch Gewässerrandstreifenschutz ist.

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.

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.

Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der aktuellen Geomorphodynamik in den Gullyeinzugsgebieten der Souss-Ebene, Südmarokko. Eine Sonderstellung nehmen besonders in der Taroudant-Region die durch land-levelling Maßnahmen beeinflussten Flächen ein. Anhand von experimentellen Feldmethoden werden verschiedene Prozesse der Bodenerosion aufgenommen und bewertet. Mittels Luftbildmonitoring mit einer Drohne erfolgt eine Analyse des Gullywachstums. Durch eine Zusammenführung der Methodenkombination kann ein Gesamtbild der aktuellen geomorphologischen Prozessdynamik im Souss erstellt werden. Mit Zerfall der Zuckerindustrie Ende des 17. Jahrhunderts setzt im Souss Becken aufgrund der nahezu vollständigen Abholzung der Arganwälder die lineare Bodenerosion ein. Mit der Transformation von traditioneller Landwirtschaft zu modernen Zitrusfrucht- und Gemüseplantagen, beginnt Anfang der 1960er Jahre ein sehr dynamischer Landnutzungswandel. Die Expansion der Anbauflächen, die von Wadi- und Gullysystemen tief zerschnittenen sind, wird durch Planierungsmaßnahmen vorangetrieben. Auf den planierten Flächen entwickeln sich durch die Verdichtung des Bodens, das Entfernen von Vegetationsbedeckung sowie Krustenbildung auf dem schluffig-lehmigen Substrat bei Starkniederschlagsereignissen zumeist erneut Gullys. Die rasche lineare Zerschneidung bedroht weitere Anbauflächen. Eine nachhaltige Entwicklung auf diesen Flächen ist daher fraglich. Durch starke Verschlämmung nach Niederschlägen bilden sich auf den planierten Flächen sehr schnell physikalische Bodenkrusten aus. Ihre Mikromorphologie ist aufgrund der Belastungen mit schwerem Gerät sowie mehrfacher Erosions- und Akkumulationszyklen durch Plattenstruktur und Vesikel geprägt, wodurch die Infiltrationskapazität des Bodens verringert wird. Diese Auswirkungen können durch Messungen mit dem Einringinfiltrometer bestätigt werden. Sie zeigen auf ungestörten Flächen durchschnittlich eine 2,6-fach höhere Infiltrationsrate als auf planierten Flächen. Durch eine Inventarisierung der Bodeneigenschaften und Oberflächencharakteristika kann ihre signifikante Veränderung nach Planierungsmaßnahmen identifiziert werden. So zeigen planierte Flächen hohe Anteile an Bodenverkrustung und wenig Vegetationsbedeckung auf. Ungestörte Flächen sind dagegen weniger verkrustet und stärker mit Vegetation bedeckt. Zudem kann eine Kompaktion der oberen Bodenschicht nachgewiesen werden. Diese Faktoren wirken auf die Oberflächenabflussbildung und den Sedimentabtrag ein. Die Ergebnisse von 122 Niederschlagssimulationen mit einer Kleinberegnungsanlage zeigen einen signifikanten Anstieg der mittleren Oberflächenabflüsse und Sedimentfrachten (1,4-, bzw. 3,5-mal höher) auf planierten im Gegensatz zu ungestörten Testflächen. Mithilfe des Gullymonitorings wird die Entwicklung eines kompletten Gullys durch Starkniederschlagsereignisse auf einer planierten Fläche detektiert. Dabei wird in einem 3,5 ha großen Einzugsgebiet etwa 1080 t Bodenmaterial erodiert. Hier wurde errechnet, dass Gullyerosion für 91 % des gesamten Bodenverlustes im Einzugsgebiet verantwortlich ist. Die Fläche dient nur als Lieferant des Erosionsagens Wasser. Das Verfüllen des ursprünglichen Gullysystems mit Material der umliegenden Hänge führt zu einer Erniedrigung der Geländehöhe von durchschnittlich über 5 cm. Auf ungestörten Flächen wird dagegen nur ein geringes Gullywachstum verzeichnet. Die vorgestellte Methodenkombination lässt eine gezielte Beschreibung der aktuellen Geomorphodynamik in den Einzugsgebieten der Souss-Ebene zu. Durch die land-levelling Maßnahmen wird die Prozessdynamik signifikant erhöht. Eine Verminderung der Vegetationsbedeckung, schnelle Krustenbildung sowie Bodenkompaktion unterstützen hohe Oberflächenabflussbildung und Sedimentabtrag. Durch lineare Konzentration des Abflusses wird rapide Gullyerosion gefördert. Ganze Gullysysteme können sich auf Planierungsflächen durch nur ein einziges Starkniederschlagsereignis ausbilden. Dadurch sind Anbauflächen, Gebäude und Infrastruktur gefährdet.