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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.
Die Verwendung von unbestimmten Rechtsbegriffen bereitet Schwierigkeiten bei der Anwendung und gefährdet die Rechtssicherheit. In vielen Rechtsnormen des Umweltrechts (u. a. UVPG) findet der unbestimmte Rechtsbegriff "voraussichtliche erhebliche Umweltauswirkungen" Verwendung. In dieser Arbeit wird ein Beitrag zur Konkretisierung dieses Begriffes im Rahmen der strategischen Umweltprüfung (SUP) geleistet. Dabei wird ein interdisziplinärer Forschungsansatz gewählt, der durch juristische, wie naturwissenschaftliche Methodik geprägt ist und dazu beiträgt das Schutzgut der Biodiversität genauer zu bestimmen. Dazu wird zunächst auf juristischer Ebene geprüft, ob aus dem UVPG sowie weiteren Rechtsnormen des Umweltrechts Informationen zur Konkretisierung dieses Begriffes zu gewinnen sind. Hiernach ergibt sich, dass der Erheblichkeitsbegriff insbesondere dazu dient, Bagatellfälle auszuklammern und Angleichungen zwischen den Rechtsnormen zu erreichen. Da die SUP seit 2005 geltendes Recht ist, ist es wichtig zu sehen, wie in der Gutachtenpraxis mit diesem unbestimmten Rechtsbegriff umgegangen wird. Daher sind vier Umweltberichte gemäß -§14g Satz 2 Nr.5 UVPG überprüft worden. Es stellte sich heraus, dass die Umweltberichte weder in der Lage sind die voraussichtlichen erheblichen Umweltauswirkungen zu Konkretisieren, noch wie es vom UVPG gemäß -§14g Satz 2 Nr.3 UVPG gefordert wird das Schutzgut der Biodiversität hinreichend darzustellen. Aus naturwissenschaftlicher Sicht wurden zunächst natürliche und anthropogene Auswirkungen auf die Biodiversität geprüft, um so die Faktoren zu ermitteln, die die Biodiversität besonders negativ zu beeinflussen vermögen. Demnach gilt es die Faktoren Habitatfragmentierung, Angleichungsprozesse (Biotic homogenization) und Intensität der Landnutzung im Rahmen der SUP frühzeitig zu vermeiden. Die "Convention of Biodiversity" zählt neben den Arten und Landschaften auch die genetische Ebene zum Begriff der Biodiversität. So ist es sinnvoll auch genetische Aspekte in die Schadensbewertung zu integrieren. Daher wurden in einer phylogeographischen Analyse die zwei Genorte Cytochrom Oxidase I und die Control Region der mtDNA des silbergrünen Bläuling, Polyommatus coridon (30 Populationen) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass genetische Analysen zwar wichtige Informationen für die Konkretisierung des unbestimmten Rechtsbegriffes liefern, aber dennoch mit Vorsicht diesbezüglich zu behandeln sind. Letztendlich stellte sich heraus, dass die Konkretisierung des unbestimmten Rechtbegriffes der voraussichtlichen erheblichen Umweltauswirkungen sich im Rahmen der strategischen Umweltprüfung mehr als schwierig und in Hinblick auf der Konzeption der SUP wenig sinnvoll erweist.
Coastal erosion describes the displacement of land caused by destructive sea waves,
currents or tides. Due to the global climate change and associated phenomena such as
melting polar ice caps and changing current patterns of the oceans, which result in rising
sea levels or increased current velocities, the need for countermeasures is continuously
increasing. Today, major efforts have been made to mitigate these effects using groins,
breakwaters and various other structures.
This thesis will find a novel approach to address this problem by applying shape optimization
on the obstacles. Due to this reason, results of this thesis always contain the
following three distinct aspects:
The selected wave propagation model, i.e. the modeling of wave propagation towards
the coastline, using various wave formulations, ranging from steady to unsteady descriptions,
described from the Lagrangian or Eulerian viewpoint with all its specialties. More
precisely, in the Eulerian setting is first a steady Helmholtz equation in the form of a
scattering problem investigated and followed subsequently by shallow water equations,
in classical form, equipped with porosity, sediment portability and further subtleties.
Secondly, in a Lagrangian framework the Lagrangian shallow water equations form the
center of interest.
The chosen discretization, i.e. dependent on the nature and peculiarity of the constraining
partial differential equation, we choose between finite elements in conjunction
with a continuous Galerkin and discontinuous Galerkin method for investigations in the
Eulerian description. In addition, the Lagrangian viewpoint offers itself for mesh-free,
particle-based discretizations, where smoothed particle hydrodynamics are used.
The method for shape optimization w.r.t. the obstacle’s shape over an appropriate
cost function, constrained by the solution of the selected wave-propagation model. In
this sense, we rely on a differentiate-then-discretize approach for free-form shape optimization
in the Eulerian set-up, and reverse the order in Lagrangian computations.
Veterinary antibiotics are released to arable agricultural soil together with manure, including nutrients, organic matter, and microorganisms. Previously, the effects of antibiotic-contaminated manure on soil microbial community activity, function, structure, and resistance have been reported under controlled experimental conditions. This thesis further evaluated the antimicrobial effects as influenced by different manure compositions, soil microhabitats and moisture regimes, plants, and different distances to roots. Microbial community responses were determined by phenotypic phospholipid fatty acid (PLFA) and genotypic 16S rRNA gene fragment analyses. (Chapter 3) demonstrates that medication of pigs with difloxacin (DIF) and sulfadiazine (SDZ) alters the molecular-chemical pattern of slurries, confounding the detection of a consistent antibiotic effect in bulk and respective rhizosphere soil. This was evaluated in a 63-day mesocosm experiment considering typical agricultural manure applications to maize planted soil. Fecal bacteria were detected even 14 days after manure amendment. Manure of DIF- and SDZ-medicated pigs clearly affected the microbial community in mesocosm bulk and rhizosphere soil, temporarily matching antibiotic effects reported in previous studies. (Chapter 4) discusses the influences of different soil microhabitats on antibiotic fate and the effects on soil microflora. Total extractable SDZ was more than two-fold larger in earthworm burrows and soil macroaggregate surfaces compared to bulk soil or the interior fraction of aggregates. Furthermore, soil microbial communities were affected by a combination of soil microhabitat and treatment, which was reflected by different structural and functional community responses to SDZ in laboratory and under field conditions. (Chapter 5) evaluates if SDZ effects on microbial communities are more pronounced in soils which undergo periodic changes in soil moisture by drying-rewetting dynamics compared to soils without such moisture fluctuations. This was tested in a 49-day climate chamber soil pot experiment grown with grass. Manure-amended pots without or with SDZ contamination were incubated under a dynamic moisture regime with repeated drying and rewetting changes of more than twenty percent maximum water holding capacity compared to the control moisture regime. The microbial biomass, but less pronouncedly the community structure, showed an increased responsiveness to the combined stress of SDZ and dynamic moisture changes in the laboratory. Similar responses were documented under field conditions. (Chapter 6) indicated adverse effects of SDZ on root geotropism, number of lateral roots, and water uptake by plants in a 40-day greenhouse experiment with willow and maize grown in soil with environmentally relevant and worst-case antibiotic contamination. (Chapter 7) showed that the associated microbial community responded to a combination of plant species, distance to the root, and antibiotic spiking concentration. In highly antibiotic-contaminated soils, the structural and functional responses of the microbial community were dominated by indirect antibiotic effects on plants and roots.
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.