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For many years, rangeland ecologists have debated about whether the state of semi-arid and arid rangelands is the expression of an ecological equilibrium or non-equilibrium dynamics reached in response to grazing livestock. Since the problem has been considered at different spatial scales, it is recognised that the competing concepts of equilibrium and non-equilibrium dynamics need to be integrated. Furthermore, the role of environmental variables as vegetation driving factors has long been ignored in the discussion on grazing effects on ecosystems. Present thesis, examines the dependence of plant communities on environmental in particular site-ecological conditions in three ecosystems of Western Mongolia established along a precipitation gradient to detect the vegetation-driving ecological factors involved. Furthermore, grazing impact is exemplary assessed in a desert steppe at additional spatial scales of plant communities and population. At the landscape level, a classification of plant communities in dependence on environmental conditions is carried out. Additionally, the investigations focused on the impact of grazing on soil and on the occurrence of grazing-mediated plant communities. Data were sampled along an altitudinal gradient between 1150 m to 3050 m a.s.l. from arid lowland with desert steppe via semi-arid mountain steppe to humid alpine belt. Within each altitudinal belt, data sampling was carried out along grazing gradients, established from grazing hot spots to areas distant from them. By means of an environmentally based vegetation classification, factors with highest explanation values for largest variation in vegetation were identified and considered as most responsible for vegetation patterns. To validate and affirm the classification, three different statistical methods are applied: environmentally adjusted table work of vegetation relevés supported by cluster analysis of species distribution, detrended correspondence analysis of vegetation data separately from environmental data, and the principle component analysis of only environmental data. Vegetation-driving factors change along the altitudinal gradient from abiotic forces in the desert steppe, as e.g. altitude and soil texture, to abiotic and biotic forces in the alpine belt represented by soil texture, soil nutrients and grazing. Vegetation and soil of all ecosystems respond to grazing but with different patterns and to a different extent. While desert steppe does not indicate grazing communities, mountain steppe demonstrates grazing communities at fertilised sites and alpine belt at nutrients depleted sites. Thus, the grazing sensitiveness of the ecosystems is assumed to be linked with plant productivity and the role of vegetation as site-determining factor (Chapter 2). To examine grazing impact at lower spatial scales on desert steppe as the ecosystem with lowest grazing sensitiveness at the landscape scale, at community scale the total number of species, the total vegetation cover, the percentage of annual species, the cover of annual species, and properties of soil nutrient along gradients of grazing intensity within three different communities were assessed. Vegetation parameters respond to grazing in different ways, and the responses of the same parameters vary between plant communities. Correlations with grazing intensity indicate only partly statistical significance. Significant correlations of grazing intensity with concentrations of soil nutrient point to eutrophication in two communities. A comparison of vegetation and soil properties refers to a greater indirect influence of grazing via increased soil nutrients than the direct effect on vegetation (Chapter 4). At the population level, data about stand density, aboveground biomass, individual plant weight, and the proportion of flowering plants of the dominant dwarf semi-shrub Artemisia xerophytica were collected along a grazing gradient. Soil data were used to distinguish between grazing and edaphic influences. All parameters of Artemisia xerophytica reflect the assumed gradient of grazing intensity up to 800 m distance from the grazing hot spot. As grazing pressure decreases, plant density and total biomass per plot increase. The average shrub weight, an indicator of plant vitality, is related to both: distance from the grazing hot spot and stand density, which may be explained by additional intraspecific competition at higher densities. At a longer distance, these effects are masked by variations in soil parameters determining water availability, leading to quite similar degradation forms. These results are in contrast to other studies carried out at the scale of plant communities which did not detect significant changes along a grazing gradient. One explanation is the different map scale: the study took place only within a single plant community comparing populations of one species (Chapter 3). The comparative study demonstrates that even arid desert steppes of western Mongolia display equilibrial and non-equilibrial properties, depending on the observational scale: while no grazing mediated plant communities could be identified at the landscape scale as predicted by the non-equlilibrium model, at the community level vegetation parameters imply an intermediate position between equilibrium and non-equilibrium system. At the population level, the results clearly reflect the grazing gradient as predicted by the equilibrium model (Chapter 4). As a consequence, the assessment of vegetation dynamics and grazing impact in rangelands requires a multiple-scale approach that duly considers different vegetation properties responding differently to grazing, climatic and edaphic variability at different spatial scales. It is further suggested, that future research should draw comparisons between landscapes that co-evolved with herbivory, and those that did without (Chapter 4).
Vegetation dynamics on abandoned terraces of Sicily: the course and driving factors of succession
(2007)
Secondary succession processes have been widely studied in Europe for some agroecosystems, but not for terraced ones. The first part of the present study focuses on a description of the plant communities involved in secondary succession processes on Sicily (Italy) a) from a floristic and structural point of view and b) from a species diversity point of view. In order to obtain these results, 129 vegetation relevés (sensu Braun-Blanquet) were made on abandoned terraces in five of the main terraced areas of Siciliy: 1) the Aeolian Islands, 2) Pantelleria Island, 3) Mt. Etna, 4) the Palermo Mts. and 5) the Hyblaean Plateau. Only abandoned vineyards or grain crop fields were selected as sample plots, always 50 m2-sized. The results of biodiversity evaluation by t-tests and ANOVA showed that vascular plant diversity is linked to disturbance regime and to abiotic factors (especially geological substrate). Especially grazing increases species richness. Moreover, it was found that on limestone species richness is higher than on volcanic substrates. Vegetation relevés were also analysed with DCA and TWINSPAN. The resulting 14 sample plot groups (= clusters) were then used to check the dynamic relations. From a floristic point of view, plant communities involved in secondary succession processes on Sicilian terraces are quite different between and within the five study areas. This is mainly due to different substrate and bioclimatic conditions. Moreover, vegetation is strongly influenced by abandonment age and disturbance status. If no disturbance biases succession, then plant communities evolve rather rapidly (30-50 years) to maquis communities. If frequent fires or intense grazing occur, secondary succession is blocked in a "steady state". The second part of the present study focuses on the colonization mechanisms of old fields by woody species. In a first section, the existence of 1) the neighbourhood effect and 2) the safe-site effect are checked by analyzing 51 transect relevés, made up of 357 subplot relevés (1x1m). The transects were made in target fields 1) with older neighbour (i.e. old succession stage characterized by maquis communities) and 2) with older neighbour absent within a 100 m-distance. All woody species individuals were counted, recording if they grew within the influence of a potential safe site (former crop plants of vine and the terrace wall base). Data evaluation by Kruskal-Wallis ANOVA and Mann-Whitney Rank Sum confirmed the existence of the two effects. Moreover, it was shown that animals as dispersal vectors strongly influence these effects. For the neighbourhood effect, seed dispersal distance is the crucial point, while for the safe site effect 1) passive facilitation (i.e. animals tend to create heterogeneous seed rain patterns because they frequent certain microhabitats more often than others) and 2) active facilitation (i.e. the positive influence of an existing woody or herbaceous plant individual on the establishment or the growth of another one) are crucial. The second section describes the performance of establishment of Quercus ilex L. in different microsites of terraced old fields. In November 2004, acorns were buried on a North-facing slope and on a South-facing slope in five different microsites: 1) under vine plants, 2) at wall bases, 3) under the canopies of isolated shrubs, 4) between small rock accumulations and 5) in open spaces (i.e. outside of any of the previously named microsites). In monthly checks, seedling emergence, survival, height and leaf number were recorded. Moreover, in April and July were measured air temperature and air humidity in the different microsites. Overall emergence rate was 52.4% (n = 1,020). More seedlings emerged on the South-facing slope (S; 59.8%) than on the North-facing slope (N; 45.0%). Emergence was higher when acorns were buried under vine plants and at the wall base than in other microsites of the old fields. At the end of the experiment (September 2006), 45.3% of all emerged seedlings were still alive (29.2% on N, 58.9% on S). Survival was higher in general on the South-facing slope, and higher under vine plants and at the wall base than in the open spaces of the old fields. From literature, it is known that seed vitality, seed germination and seedling survival of Quercus ilex are favoured by shady, wet and fresh conditions. The temperature and air humidity measurements showed that at the wall base, under vine plants and under isolated shrubs environmental conditions are milder than in open spaces. However, even if temperature and relative air humidity seem to play an important role for Quercus ilex seedling emergence and survival, they did not unambiguously explain the differences between the safe site types. A factor of major importance is probably soil moisture. As a last part, the present study discusses what does the obtained results mean for terrace landscape conservation and biodiversity management.
Vegetation dynamics and carbon sequestration of Holocene alder (Alnus glutinosa) carrs of NE Germany
(2010)
Erlenwälder auf Moorstandorten werden oft als Zeichen von Moordegradation und Torfoxidation gewertet, aber erlenholzreiche Moorablagerungen (teilweise mehrere Meter tief) sind unter anderem in Nordostdeutschland weit verbreitet. Die Genese von Erlen-Holztorfen wurde bisher überwiegend durch das Konzept der „Verdrängungstorfbildung“ erklärt. Hierbei wird ein von gehölzfreier Vegetation akkumulierter Torf nach einer Grundwasserabsenkung durch nachträglich einwachsende Baumwurzeln verändert. Dieses Prinzip ist aber auf tiefgründige Erlen-Holztorfe nicht übertragbar, da Alnus glutinosa auf naturnahen Moorstandorten meist nur wenige Dezimeter tief wurzelt. Anliegen der vorliegenden Dissertation mit dem Titel „Vegetation dynamics and carbon sequestration of Holocene alder (Alnus glutinosa) carrs in NE Germany“ war die Identifizierung torfbildender Erlenwälder. Die torfbildende Vegetation, die Wasserstände während der Torfbildung und die Vegetationsdynamik dieser bewaldeten Niedermoore wurden durch Analysen von Makrofossilien, Pollen und sonstigen Mikrofossilien (u.a. Pilz-, Pflanzen-, und tierische Reste) rekonstruiert. Hierbei wurden in enger Kooperation mit dem Promotionsvorhaben von Frau Anja Prager (Non-pollen palynomorphs [NPPs] from modern alder carrs [NE Germany] - Tools for reconstructing past vegetation and site conditions) ca. 150 bisher unbekannte Mikrofossilien beschrieben und teilweise identifiziert. Die Datenauswertung wurde anhand von Fossilien-Diagrammen und statistischen Methoden (DCA, Clusteranalysis; Broken Stick Analysis) durchgeführt. Zur Altersbestimmung erfolgten 14C-AMS-Datierungen und der Kohlenstoffgehalt wurde über die Bestimmung der Trockenrohdichte ermittelt, wobei ein durchschnittlicher Kohlenstoffanteil von 56% angenommen wurde. Die untersuchten Erlen-Holztorfe wurden überwiegend direkt in Erlenwäldern abgelagert („Echter Bruchwaldtorf“); sind aber auch teilweise als Verdrängungstorfe aus vorherigen Seggentorfen entstanden oder in von Weiden dominierten Gehölzen gebildet worden. Die jährlichen Medianwasserstände der torfbildenden Erlenwälder lagen einerseits über Flur („sehr nass“-„very wet“) und zum anderen 0 bis 10 cm unter Flur („nass“ - „wet“). Die Vegetationszusammensetzung der sehr nassen Erlenwälder ähnelte teilweise dem Wasserfeder-Erlen-Wald und in einem Fall dem Zweizahn-Erlen-Bruchgehölz. Die nassen Erlenwälder konnten nicht auf der Ebene von Vegetationsformen rekonstruiert werden; charakteristisch war das häufige Auftreten von Urtica und eine Carex-dominierte Krautschicht. Über einen Vergleich der Mikrofossilien der Erlenholz-Tofe mit Mikrofossilien von Oberflächenproben aus rezenten Erlenwäldern konnten die Medianwasserstände nasser, torf-akkumulierender Erlenwälder auf 0-10 cm unter Flur festgelegt werden. Alle untersuchten Profile zeigten eine zyklische Bewaldung mit Zwischenphasen von Offenvegetation (meist Seggenriede). Als Bindeglieder zwischen Erlenwald und Seggenried traten teilweise Weidengebüsche auf, welche sich mitunter auch langfristiger etablieren konnten. Die zyklische Vegetationsentwicklung von Seggenrieden, Weidengebüschen und Erlenwäldern basierte fast ausschließlich auf einem schwankenden Wasserangebot im Moor. Dieses war fast immer die Folge von zyklischen Ent- und Wiederbewaldungen der umliegenden, grundwasserfernen Standorte durch den Menschen. Die „Echten Bruchwaldtorfe“ sind unter verschiedenen hydrologischen Bedingungen entstanden (Verlandungs-, Versumpfungs-, Überrieselungs- und Überflutungsmoor). Die Kohlenstoff-Akkumulationsraten („LORCA“-long-term apparent rate of carbon accumulation) liegen zwischen 31-44 g C m-2 yr-1 in sehr nassen und 50-81 g C m-2 yr-1 in nassen Erlenwäldern. Die höheren Akkumulationsraten in nassen Erlenwäldern können durch die deutlich steigende Produktivität von Erlen-Wäldern schon bei leicht sinkenden mittleren Wasserständen erklärt werden. Eine Verringerung der durchschnittlichen Wasserstände von über Flur zu leicht unter Flur führt annähernd zu einer Verdopplung der Primärproduktion von oberirdischem Holz und Wurzelholz. Dadurch gelangt auch ein größerer Anteil von Wurzelholz in den dauerhaft wassergesättigten Bereich. Da mit sinkenden Wasserständen auch die oxidative Zersetzung zunimmt, ist für die teilweise sehr hohen Torfakkumulationsraten in Erlenwäldern die Zersetzungsresistenz von Holz (Lignin) von zentraler Bedeutung. Die Akkumulationsraten nasser Erlenwälder übersteigen die borealer Waldmoore deutlich und erreichen die Größenordnung der Kohlenstoffakkumulation in den tropischen Waldmooren Süddostasiens. Die vorliegende Dissertation belegt die weitverbreitete und oft umfangreiche Torf- bzw. Kohlenstoffakkumulation in Holozänen Erlen-Wäldern Nordostdeutschlands.
Der rundblättrige Sonnentau (Drosera rotundifolia L.) ist typisch für nährstoffarme Hochmoore und nimmt eine besondere Rolle im Moor-Ökosystem ein. Die Pflanzenart gilt in vielen europäischen Ländern als gefährdet bzw. stark gefährdet. Ihre Gefährdung lässt sich auf drei Ursachen zurückführen:
1) Seit Jahrzehnten führt die Bewirtschaftung der europäischen Moore und die damit einhergehende Entwässerung und Düngung zu einem deutlichen Rückgang der von Drosera-Arten bevorzugten oligotrophen, nassen und sauren Standorte.
2) Bereits im Mittelalter waren Drosera-Arten als Heilpflanzen bekannt und wurden hauptsächlich zur Behandlung von Atemwegserkrankungen (Asthma, Bronchitis, Keuchhusten etc.) eingesetzt.
3) Obwohl seit den 1920er Jahren bereits immer wieder Kultivierungsversuche mit Drosera-Arten durchgeführt wurden, konnte bisher keine Methode für den großflächigen Anbau von Sonnentau realisiert werden, um die von der Pharmaindustrie benötigten Mengen des Drosera-Rohstoffs zu produzieren. Daher werden bis heute europäische und nicht europäische Drosera-Arten immer noch in großen Mengen in natürlichen Mooren gesammelt.
Die zunehmende Zerstörung der natürlichen Moore und die Sammlung für arzneiliche Zwecke stellen zusammen eine ernsthafte Bedrohung für den Erhalt von D. rotundifolia dar. Die Torfmooskultivierungsflächen in Deutschland sind in vieler Hinsicht vergleichbar mit intakten Hochmooren. Das nährstoffarme Milieu der kultivierten Torfmoose dient als Lebensraum für heimische Drosera-Arten, wie Drosera rotundifolia L. und Drosera intermedia Hayne. Daher bieten diese Kulturflächen eine neue Alternative für den Anbau von Drosera-Arten.
In vier Studien wurde die Eignung von Torfmoosrasen für den Drosera-Anbau untersucht, mit Schwerpunkt auf den Anbau von Drosera rotundifolia auf Torfmoos- kultivierungsflächen. In der ersten Studie wurde das Wissen über die Morphologie, Verbreitung, Ökologie, Reproduktion, Nutzung, den Schutz und den Anbau von D. rotundifolia erstmals zusammenfassend diskutiert, um eine wissenschaftliche Grundlage für einen erfolgreichen Anbau auf Torfmoosrasen zu schaffen. Basierend auf diesen Kenntnissen konzentriert sich die zweite Studie auf die Keimfähigkeit von D. rotundifolia und die Überlebensrate von jungen Drosera-Pflanzen auf Torfmoosrasen unter natürlichen, naturnahen und künstlichen Bedingungen. Die dritte Studie fokussiert auf den Gehalt pharmakologisch wirksamer Inhaltsstoffe angebauter und „wild wachsender“ D. rotundifolia- sowie D. intermedia-Pflanzen auf Torfmooskultivierungsflächen. Die vierte Studie untersucht die Biomasseproduktivität und den Ertrag, d. h. den Biomasseanteil der geerntet wird, von beiden o. g. Drosera-Arten auf Torfmooskultivierungsflächen.
Die generierten Daten und Erkenntnisse der vier Studien wurden in vier wissenschaftlichen Artikeln zusammengefasst, wovon zwei bereits veröffentlicht und zwei eingereicht sind.
Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studien sind die Folgenden:
I) Drosera rotundifolia ist sehr stark mit Sphagnum-dominierten Pflanzengemeinschaften verbunden, welche durch Entwässerung europaweit zurückgegangen bzw. verschwunden sind. Dadurch ist D. rotundifolia in den meisten europäischen Ländern eine seltene und geschützte Pflanzenart geworden.
II) Verschiedene Drosera-Arten, u. a. D. rotundifolia, D. intermedia, D. anglica und D. madagascariensis, werden immer noch von Pharmaunternehmen verwendet. Die Pflanzen werden in der freien Natur gesammelt, weil deren Anbau zeitaufwendig und (noch) nicht effizient ist. Daher ist die Entwicklung von Anbaumethoden erforderlich.
III) Die selbstentwickelte „Torf-Gefäß-Methode“ ergab sich als die meist geeignete Drosera-Anbau-Methode durch das spezielle Mikroklima des Sphagnum- Rasens, das konkurrenzarme Milieu und den permanent nassen Sphagnum- Torf in den Pflanzgefäßen.
IV) In den Feldversuchen wurden bei der Aussaat sehr niedrige Keimungsraten < 1 % registriert. Deshalb sind für den Anbau mit Aussaat große Mengen an Samen erforderlich.
V) Die Entfernung von Gefäßpflanzen zeigte im ersten Jahr eine positive Korrelation mit der Anzahl der Drosera-Keimlinge und führte im zweiten Jahr zu einer höheren Anzahl überlebender Drosera-Pflanzen.
VI) Auf Torfmooskultivierungsflächen wachsende Drosera-rotundifolia-Pflanzen wiesen eine 7- bis 8-mal höhere Konzentration von 7-Methyljuglon auf als D. madagascariensis, die hauptsächlich für ‘Droserae herba’ verwendet wird.
VII) Für Drosera rotundifolia gab es bezüglich der Tageszeit keine signifikanten Unterschiede in den Konzentrationen bioaktiver Inhaltsstoffe. Dies bedeutet, sie kann ganztägig zwischen 7 und 16 Uhr gesammelt werden. Die höchsten Konzentrationen bioaktiver Inhaltsstoffe wurden für D. rotundifolia und D. intermedia bei 13 bis 24 Monate alten blühenden Pflanzen festgestellt
VIII) Im Vergleich zu natürlichen Mooren Mittel- und Nordeuropas, zeigte D. rotundifolia auf den Torfmooskultivierungsflächen eine 3-34 Mal höhere Biomasseproduktivität (275 kg ha-1 a-1) und einen 2-21 Mal höheren Ertrag (214 kg ha-1 a-1).
IX) Der höchste Ertrag von D. rotundifolia und D. intermedia wurde im Juli und August dokumentiert. In diesen Monaten erreichen die Pflanzen ihr höchstes Gewicht. Auf Torfmooskultivierungsflächen erreichte D. rotundifolia einen viermal höheren Ertrag als D. intermedia. Deshalb ist D. rotundifolia für den Anbau zu bevorzugen.
X) Für eine langfristige nachhaltige Produktion von Drosera wird die Ernte von mindestens 12 Monate alten Pflanzen empfohlen.
Zusammenfassung
Der Iran besitzt zwölf UNESCO-Biosphärenreservate, die reich an einmaligen Natur- und Kulturschätzen und hohem menschlichen Potenzial aus verschiedenen ethnischen Gruppen sind. Die ersten neun Biosphärenreservate wurden frühzeitig mit den ersten Biosphärenreser-vaten der Welt im Jahr 1976 gegründet, die auch gleichzeitig andere Kategorien der Schutz-gebiete im Iran wie Nationalparks, geschützte Lebensräume für Wildtiere und Naturschutzge-biete beinhalten und bis heute unter ihrem alten Status verwaltet werden. Damit entsprechen sie nicht den aktuellen internationalen Anforderungen an Biosphärenreservate und besteht die Gefahr, dass diese Gebiete in baldiger Zukunft ihre natürlichen und kulturellen Werte verlie-ren und irreversibel beschädigt werden.
Diese Studie untersucht und bewertet die zwei exemplarisch ausgewählten iranischen Bio-sphärenreservate Golestan und Dena unter Berücksichtigung der UNESCO-Kriterien, unter anderem die Ziele und Grundlagen der Sevilla-Strategie und der Internationalen Leitlinien für das Weltnetz der Biosphärenreservate (1995). Das Biosphärenreservat Golestan wurde im Jahr 1976 gegründet und ist somit eines der ältesten Biosphärenreservate des Irans. Bei dem im Jahre 2010 gegründeten Biosphärenreservat Dena, handelt es sich um das jüngste Biosphä-renreservat im Iran zu Beginn der Studie.
Beide Schutzgebiete sind gebirgig und beinhalten die wichtigsten Waldökosysteme mit einer großen Biodiversität. Das Biosphärenreservat Golestan befindet sich im Nordosten des Irans im östlichsten Teil des Elburs-Gebirge und Dena liegt im zentralen Zagros-Gebirge im Westiran.
Für den methodischen Ansatz dieser Studie wurde ein Methodenmix aus qualitativen Elemen-ten: Oral History, Interviews, offenen Fragen und Teilnehmender Beobachtung und quantita-tiven Elementen: SWOT-Analyse (engl. Akronym für Strengths (Stärken), Weaknesses (Schwächen), Opportunities (Chancen) und Threats (Bedrohungen) und Auswertung der Fra-gebögen mit Hilfe des statistischen Programms SPSS20 angewendet.
Die untersuchten Gruppen bestanden gemäß der jeweiligen Analyse aus Experten des De-partments für Umwelt (DoE) in Teheran, den Provinz-Umweltschutzbehörden von Golestan und Kohgiluye und Boyer Ahmad, Akademikern, der Nationale Commission for UNESCO in Teheran, Zeitzeugen, lokaler Bevölkerung, Rangern, Umwelt-NGOs (engl. Non-Governmental Organization), dem Tourismus-Sektor und den Umwelt-Medien.
Die Ergebnisse in dieser Studie zeigen, dass die Entwicklung der iranischen Biosphärenreser-vate seit ihrer Gründung 1976 bis heute von den Veränderungen der wirtschaftlichen, politi-schen und gesellschaftlichen Situation des Irans und demzufolge von den Veränderungen in der Organisationsstruktur des Departemants für Umwelt (DoE) und der Prioritätensetzung in Bezug auf die Gesetze zu Umwelt- und Naturschutz beeinflusst wurden.
Überdies stellen die Ergebnisse dar, dass in den beiden untersuchten Biosphärenreservaten Golestan und Dena hinsichtlich der internationalen UNESCO-Kriterien und Richtlinien ver-gleichsweise ähnliche Defizite und Mängel bestehen:
• fehlende nationale Rechtsstruktur für die Biosphärenreservate im Iran,
• fehlender Managementplan für Biosphärenreservate und somit auch schwaches Mana-gementsystem der Biosphärenreservate,
• Mangel an Kenntnissen über Biosphärenreservate,
• beschränkte Beteiligung an den Angelegenheiten der Biosphärenreservate seitens aller untersuchten Gruppen – von der lokalen Bevölkerung bis hin zu den staatlichen Ent-scheidungsträgern und
• ungenügende Zusammenarbeit zwischen Staat und Interessengruppen in diesen Gebie-ten.
Ebenso wurde in dieser Studie versucht, konkrete Lösungsansätze zur Verwirklichung der Ziele der Biosphärenreservate bzw. der Verbesserung ihrer aktuellen Situation zu empfehlen.
In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, dass Gesetze für die Biosphärenreservate auf nationaler Ebene definiert und die vorhandenen Biosphärenreservate im Iran gründlich nach internationalen Kriterien untersucht und mit einem systematischen Managementplan auf wis-senschaftlicher Grundlage verwaltet werden. Des Weiteren benötigen diese Gebiete für ihre Funktionalität eine Erhöhung und Verbesserung der Kenntnisse über die Biosphärenreservate der aktiven Personen, sowie der Kooperation und Kommunikation zwischen allen zuständigen Behörden und Interessengruppen. Hiermit soll allen sozialen, kulturellen, geistigen und wirt-schaftlichen Anliegen der Interessengruppen, vor allem aber der lokalen Bevölkerung, Rech-nung getragen werden, entsprechend dem weltweiten Ansatz der UNESCO-Biosphärenreservate.
Drainage has commonly been a pre-requisite for the productive use of peatlands. The biased focus on agriculture, forestry and peat extraction has long ignored the destructive effects of drainage and the successive degradation of ecosystem functions of wet peatlands. Accelerated by the climate crisis, the finite nature of drainage-based peatland use is increasingly recognised. Consequently, productive land use options for wet or rewetted peatlands (paludiculture) are required as sustainable alternatives. A wide range of paludiculture plants and options of biomass utilisation are identified as suitable and promising. Despite the growing interest, experiences with and research on the economic viability of paludiculture are still rare.
This thesis addresses the lack of knowledge on paludiculture in terms of practical feasibility, costs and benefits at the farm level, market prospects and framework conditions. I selected the two currently most advanced paludicultural practices in Europe: a) Harvesting natural reed beds as a traditional ‘low-input’ paludiculture, i. e. the utilisation of existing ‘wild’ vegetation stands; b) ‘Sphagnum farming’ as a novel ‘high-input’ paludiculture including stand establishment and water management required for the active transformation from drainage-based peatland use to paludiculture. In both cases, I investigate three different biomass utilisation avenues. This thesis adds to the fields of problem-driven sustainability and land-use science. Procedures and costs of paludiculture were studied in transdisciplinary research projects in close cooperation with practitioners. Due to the novelty of the topic, I put special emphasis on the triangulation of methods and data sources: pilot trials, field measurements, semi-structured expert interviews, structured questionnaires, secondary data from trade statistics and literature. To account for uncertainty related to costs and revenues, I conduct stochastic scenario analysis (Monte Carlo simulation) for the extended contribution margin accounting of harvesting reeds and sensitivity analysis for the investment appraisal of Sphagnum farming.
Paludiculture on fens: harvesting reeds
Paper I investigates harvesting procedures for reed-dominated (Phragmites australis) vegetation stands. In many European countries special-purpose tracked machinery is applied for large-scale conservation management and the commercial harvest of thatching reed. Stochastic scenario analysis reveals a wide range of possible economic outcomes (ca. € -1000 to € 1500 ha-1 a-1) and identifies material use of reed superior to its use as a source of energy. Winter harvest of high-quality thatching reed in bundles is the most profitable option. Winter harvest of bales for direct combustion is suitable for low-quality stands and has a limited risk of loss. In the case of summer harvest, revenues for green chaff for biogas production cannot cover harvesting costs but non-market income via subsidies and agri-environmental payments may ensure profitability. While biomass for energy generation is limited to a local market, thatching reed is traded as an international commodity. The market situation for thatching reed is investigated for Europe (Paper II) and Germany (Paper III). The major reed consuming countries in Western Europe (Netherlands, Germany, UK, Denmark) rely on imports of up to 85 % of the national consumption, with reed being imported from Eastern and Southern Europe and since 2005 also from China. The total market volume for reed for thatching in Northern Germany is estimated with 3 ± 0.8 million bundles of reed with a monetary value at sales prices of € 11.6 ± 2.8 million. Most of the thatchers (70 %) did not promote reed of regional origin to their customers due to insufficient availability in the first place and a lack in quality as second reason. The cultivation of reed in paludiculture may improve quantity and quality of domestic thatching reed. An area of 6000 ± 1600 ha with an average yield of 500 bundles per hectare would allow covering the current total demand of 3 million bundles of the German thatching reed market (Paper III).
Paludiculture on bogs: Sphagnum farming
Sphagnum farming provides an alternative to peatland degradation in two ways: Firstly, Sphagnum mosses can be cultivated as new agricultural crops on rewetted peatlands. Secondly, the produced Sphagnum biomass is a high-quality raw material suitable to replace peat in horticultural growing media (Paper V). Pilot trials have demonstrated the practical feasibility of establishing Sphagnum cultures on former bog grassland, cut-over bogs and mats floating on acidic waters bodies; Paper IV compares for the three types of production sites the specific procedures, costs and area potential in Germany. Water-based Sphagnum farming is not recommended for large-scale implementation due to highest establishment costs, major cultivation risks and limited area potential. For soil-based Sphagnum farming, the most important cost positions were Sphagnum shoots to set up pilots, investment for water management and regular weed management. Bog grassland has the highest area potential, i. e. 90,000 ha in NW Germany. Paper V assesses the profitability of Sphagnum farming on former bog grassland based on extrapolating five years of field experience data (establishment ņ management ņ harvest) to a total cultivation time of twenty years. Cultivating Sphagnum biomass as founder material for Sphagnum farming or restoration was profitable even in pessimistic scenarios with high costs, high bulk density and low yields. Selling Sphagnum for orchid production was economically viable in the case of medium to high yields with a low bulk density. Cost-covering prices for Sphagnum biomass substituting peat seem achievable if end consumers pay a surcharge of 10 % on the peat-free cultivated horticultural end-product. An area of 35,000 ha of Sphagnum farming suffices to meet the annual demand of the German growing media industry for slightly decomposed Sphagnum peat.
Framework conditions affecting feasibility of paludiculture
The relation of revenues from selling biomass to its production costs is an important piece of the paludiculture feasibility puzzle. Further aspects effecting the economic viability and competitiveness of paludiculture encompass the market demand, the availability of mature technology, legal restrictions, the eligibility for agricultural subsidies, a remuneration of external benefits and the opportunity costs of present farming activities (Paper I, V). Legal and policy regulations are of major importance for land use decisions on peatlands – both for keeping up drainage and for shifting to paludiculture.
Conclusion and Outlook
This thesis provides a first assessment of the costs and profitability of large-scale harvesting of reeds and Sphagnum farming based on real-life data. The paludicultural practices investigated may be a solution for a minor share of the more than 1 million ha of peatlands drained for agriculture in Germany. Future research should also address other biomass utilisation options and other crops. Large-scale pilots are required to improve technical maturity of procedures and machinery, gather reliable data to replace assumptions on costs and revenues and study long-term effects on economics and ecosystem services. The micro-economic perspective needs to be complemented by the societal perspective quantifying and monetising external effects of peatland restoration, paludiculture and drainage-based peatland use. There is a high need for intensified research, large-scale implementation and accelerated adaption of the policy and legal framework to develop paludiculture as an economically viable option for degraded peatlands.
The globally threatened Aquatic Warbler (Acrocephalus paludicola) is the rarest migratory songbird in Europe. Before the population declined dramatically after 1960, the Aquatic Warbler was a common species in European mires and river flood¬plains. Today, the global population is estimated to count 27 600 individuals, of which approx. 90 % are concentrated in only three countries during the breeding season: Belarus, Poland and Ukraine. Despite numerous conservation efforts mainly under¬taken in European countries, the population decline has not been stopped. Although the Aquatic Warbler is considered a “European” bird species because of the location of its breeding grounds, it spends up to six months on migration and on the wintering grounds on the African continent. A comprehensive species conservation strategy must therefore include the preservation of African resting and wintering grounds. This study analyses the ecol¬ogy of Aquatic Warbler in its wintering grounds using the example of the Djoudj National Park area in north-western Senegal. The study aims, first, to close knowledge gaps regarding the behaviour and the habitat requirements of Aquatic Warblers during their stay on the wintering grounds to provide a scientific base for long-term species conservation management; second, to assess the importance of the wintering site in the Djoudj area is in a global perspec¬tive; and third, to identify threats to the Djoudj area as a suitable Aquatic Warbler habitat. In a fourth step, science-based management recommendations are formu¬lated to support the ongoing practical conservation work of the Djoudj National Park administration with regard to the Aquatic Warbler. The main outcomes of the study are the following: (I) We confirmed the presence of Aquatic Warblers in the Djoudj area between mid-December and the end of March. (II) The connection between the wintering ground “Djoudj National Park area” and the breeding ground “Biebrza valley” (eastern Poland) was confirmed by the resighting of a ringed Aquatic Warbler individual. (III) The remiges moult of the species was observed under natural conditions for the first time. We confirmed that the Aquatic Warbler undergoes a complete moult on its wintering grounds, following the typical sequence of passerine moult. (IV) Aquatic Warblers occur in shallowly inundated vegetation with dominant stands of Oryza longistaminata, Eleocharis mutata, Scirpus maritimus, Scirpus litto¬ralis and Sporobulus robustus interspersed with small (1–2 m²) areas of open water. The afore mentioned herbaceous species form a homogenous wetland vegetation of approximately 0.6–1.5 m height, with a coverage of 80 % to 100 %. Wild rice (Oryza longistaminata) may provide the most suitable habitat conditions as suggested by the very high density of Aquatic Warblers at sites dominated by this species. Preferential habitat may include a few solitary trees, but open woodland or scrublands are unsuit-able for Aquatic Warbler. Pure stands of cattail (Typha australis) are avoided. The water level in the habitat areas varies between 0 (humid soil) and 40 cm above the ground. Constant inundation seems to be essential, as Aquatic Warblers were never encountered in dry parts of the study area. All known Aquatic Warbler habitats in the study area are influenced by brackish or salty water. (V) During winter Aquatic Warblers use a home range of 3.9 ha (± 1.9) in aver¬age, which is shared with other individuals and species. No territorial behaviour was observed in the winter quarters. (VI) The vegetation and land cover map prepared distinguishes six classes of her¬baceous vegetation and five general land cover classes. (VII) There are 4 729 ha of potential Aquatic Warbler habitat within the study area. (VIII) We estimate the density of the Aquatic Warbler population in the study area to range between 0 and 2.26 individuals per hectare with a total population size of 776 individuals, or 260–4 057 individuals in a 95 % credibility interval. Hence we conclude that 1.1–3.8 % (0.37–19.8 % within the 95 % credibility interval) of the global Aquatic Warbler wintering population are found in the Djoudj area. (VIII) The Aquatic Warbler habitats in the Djoudj area are affected by the inun¬dation regime, water circulation, changes in salinity, grazing, the spread of cattail (Typha australis), the encrustation of vegetation, the protection status of passerine migrator habitats and the expansion of rice cultivation a. Our management proposals for the preservation of existing and the development of new Aquatic Warbler habitats were formulated and incorporated into the Management Plan of the Djoudj National Park 2014–2018.
The rapid anthropogenic climate change that is projected for the 21st century is predicted to have severe impacts on ecosystems and on the provision of ecosystem services. With respect to the longevity of trees, forestry in particular has to adapt now to future climate change. This requires profound multidisciplinary knowledge on the direct and indirect climate sensitivity of forest ecosystems on various spatial scales. Predictions on growth declines due to increasing drought exposition during climate change are widely recognized for European beech (Fagus sylvatica L.), which is the major forest tree in European temperate deciduous forests. However, research from other continents or other biomes has shown that winter climate change may also affect forest growth dynamics due to declining snow cover and increased soil cooling. So far, this winter cold sensitivity is largely unexplored in Europe. Thus, particularly focussing on forest growth dynamics and winter cold sensitivity, the goal of this PhD-project was to explore how climate sensitivity of forest ecosystems differs regionally. By doing so, the project aimed to deliver insights about possibilities and limits of upscaling regional knowledge to a global understanding of climate sensitivity. To achieve these goals, this PhD-project integrated five studies (Manuscripts 1–5) that investigated the climate sensitivity of biogeochemical cycles, plant species composition in forests, and forest growth dynamics across spatial scales. In particular, a large-scale gradient-design field experiment simulated the influence of winter climate change on forest ecosystems by snow cover and soil temperature manipulations (Manuscript 1). This study indicated that soil cooling and decreased root nutrient uptake may indirectly reduce growth of adult forest trees. Moreover, this study indicated uniform ecological sensitivity to soil temperature changes across sites along a large winter temperature gradient (ΔT = 4 K across 500 km), irrespective of the site-specific history of snow cover conditions, which motivates upscaling from local winter climate change studies to the regional scale. Although regional climate drives growth of adult forest trees, local factors, such as site-specific edaphic conditions, might control plants in the forest understory. This assumption was tested by mapping the forest understory composition along the same winter temperature gradient as introduced above (Manuscript 2). Across sites, this study found that edaphic conditions explained the spatial turnover in the forest understory composition more than climate, which might moderate direct climate change impacts on the forest understory composition. However, edaphic conditions, forest structure, and climate are linked by triangular interactions. Thus, climate change might still indirectly affect the forest vegetation dynamics. Moreover, a dendroecological study focussed on the same winter temperature gradient from central to cold-marginal beech populations as above in order to identify gradual changes in summer drought and winter cold sensitivity in tree growth (Manuscript 3). Towards the cold distribution margin, the influence of drought on tree growth gradually decreased, while growth reductions were increasingly related to winter cold due to harsher winter climate. By a large-scale dendroecological network study assessed the relationship of growth dynamics to climate and reproductive effort in beech forests across Europe (Manuscript 4). Indeed, this study found the general pattern across the distribution range of beech that high temperature controlled growth indirectly via resource allocation to reproduction. However, the strong, direct drought signal that could be generally detected from dry-marginal to central populations vanished towards the cold-marginal populations, where the more focussed study of Manuscript 3 identified a stronger relationship of tree growth to winter cold. Further extending the scope of this PhD-thesis to global scales, litter decomposition rates were assessed across biomes (Manuscript 5). This study found a robust relationship between climate and decomposition rates, but it also demonstrated large within-biome variability on a local scale. These local scale differences might depend on habitat conditions that, in turn, could be modulated by climate change, which calls for a better exploration of indirect climate sensitivity. In conclusion, this PhD-thesis highlighted that multidisciplinary research can advance the understanding of ecological interactions in forest ecosystems under changing climate scenarios. In this PhD-project, a winter climate change experiment, where site-representative target trees were selected by means of dendroecology, contributed to a mechanistic understanding of winter cold sensitivity in forest growth dynamics. Dendroecological investigations then put the findings in a broader temporal and spatial context by describing local climate sensitivity of tree growth on different spatial scales. This thesis further shows that global generalizations about the relationship of climate and ecological processes in ecosystem models have to be critically reviewed for the need of local and regional adjustment because these processes might experience considerable regional- or local-scale variation. However, this thesis reports uniform sensitivity of ecological processes to altered winter soil temperature regimes across a large winter temperature gradient. Thus, upscaling from insights of previous winter climate change experiments to regional scales is encouraged.
Many ethicists consider the rule of nonmaleficence – Do no harm! – to be the most fundamental ethical rule and key to ethics. This rule is taken as the foundation of the present work. I argue that any entity, that can be harmed, ought to be morally considered. Only those entities can be harmed that are inherently goal-directed or striving – in other words, that possess a telos. The reason is that by constantly acting in ways to preserve their being and to prevent their own not-being, goal-directed entities express that they value their own good. To harm such a goal-directed entity therefore means to act against the values and the good of it. The argument so far supports ethical biocentrism, that is, the view that all living, goal-directed beings are harmable, possess interests, and are, thus, morally considerable, while non-living beings are not. Yet, I digress from classical biocentrism since I conclude, based on analysis of evolutionary and biological findings, that the locus of goal-directedness and potential harm is also, if not foremost, situated in genes. Within many species, individual organisms sacrifice themselves for the betterment of their descendants like in praying mantises where males sacrifice themselves and are eaten by the female during copulation. This shows that it is not necessarily the organism as an individual which follows its own interests and goals. Individual organisms are – to a high degree – “directed” by their genes. Even in highly developed animals, genes play a significant role in the goal-directedness of the individuals. An adult human organism, for example, consists of trillions of individual cells. However, all these cells are derived from a single cell – the fertilized egg. Each of our lives begins with a single cell that contains almost all information to finally form our functioning body. Where do all the instructions, the goal-directedness come from to finally form an adult organism if not from the genes contained in this first cell, the zygote? It is the genes of each zygote that contain a set of information for making the appropriate adult. Organisms are largely programmed to do everything necessary to stay in existence, to survive, and finally to pass on their genes successfully – either by reproducing or by helping close relatives that carry a similar set of genes. The main interests of genes lie in their continued existence. This necessitates reproduction since the gene-carrying organisms will inevitably die. Single genes, though, are difficult to morally consider directly since they perform entirely in and through individual organisms. Without the individual organisms, genes cannot survive. The good news for ethics is that the interests of genes and organism usually converge: individual organisms try to survive – as do their genes. In practice, it thus makes much more sense to give moral attention to entire organisms instead of single genes. An advantage of the gene-centric ethical theory proposed here is that the moral relevance of future generations and species can be “directly” justified: Since genes have an interest in their continued existence (in the form of identical copies), they would be harmed if future generations were doomed to inexistence. Within a species with many individuals, each gene is likely to be represented in many organisms. The smaller the gene pool of a species gets, the less likely is the existence of the same gene and, therefore, the less likely is the fulfillment of its fundamental interests. Hence, saving one of the last individuals of an endangered species would be ethically preferable to saving an individual of a populous species. Unfortunately, moral conflicts are abundant – not only concerning biodiversity conservation. We often have to choose between harming either entity A or entity B – for example in the daily questions of food and eating. In such cases, a strictly egalitarian theory (especially an egalitarian biocentric one) would be no real help and without any guiding power. Therefore, on a second level of morality, we have to include additional criteria that help to minimize the overall harm. For these criteria to be objective, universalizable, and thus moral ones, I apply a number of widely accepted ethical principles like the principle of proportionality, impartiality, self-defense, and universalizability. By recurring to these principles, I identify a set of morally relevant criteria for a fair resolution of moral conflict situations which help to minimize the overall harm done. The identified criteria are: (phylogenetic) nearness, endangerment, r- or K-selected species, evolutionary distinctiveness, ability to regrow and to regenerate, pain-susceptibility, and ecosystematic role. In sum, my gene-centric environmental ethical theory provides numerous reasons and arguments for biodiversity conservation – for protecting genes, organisms, species, and ecosystems alike – without neglecting the needs of humans.
Stoffflüsse in Makrophytensystemen: Ein Vergleich zwischen Küstenlagunen der südlichen Ostsee
(2017)
In früheren Jahrzehnten verschlechterte sich der ökologischen Zustand von zahlreichen inneren Küstengewässern der Ostsee durch die Eutrophierung, was z. B. zu intensiven Algenblüten führte. Submerse Makrophyten können den ökologischen Zustand von Süßgewässern verbessern, denn sie unterstützen z. B. die Sedimentation von suspendiertem Material und verringern die Resuspension. Zudem reduzieren sie indirekt das Phytoplankton, weil sie Zooplankton einen Prädationsschutz bieten und somit die Beweidung des Phytoplanktons durch das Zooplankton fördern. Es ist möglich, dass diese Rückkopplungsmechanismen in Brackgewässern weniger effektiv sind. Das Zooplankton ist anders zusammengesetzt und beweidet dadurch weniger effektiv das Phytoplankton. Außerdem wird es selbst, innerhalb der Makrophyten, durch bestimmte Fische und Invertebraten gefressen. In der vorliegenden Arbeit, wurden die Interaktionen zwischen submersen Makrophyten und ihrer abiotischen und biotischen Umgebung in zwei verschiedenen Küstengewässern der südlichen Ostsee untersucht: Vitter Bodden (mesotroph, Makrophyten-dominiert) und Darß-Zingster Boddenkette (DZBK, eutroph bis stark eutroph, Phytoplankton-dominiert). Die folgenden Parameter wurden von Juni bis September 2013 (Vitter Bodden) und von März bis November 2014 (DZBK) gemessen: Lichtattenuation, Konzentration von Gesamt-suspendiertem Material (TSM), von Chlorophyll a (Chl a), von Gesamt-Phosphor (TP) und von Gesamt-Stickstoff (TN). Zudem wurden die Verhältnisse TP zu TN und Chl a zu TP bestimmt. Der Beweidungsdruck des Zooplanktons auf das Phytoplankton wurde sowohl für den Tag als auch für die Nacht berechnet, in dem das jeweilige Zooplankton ausgezählt, die Biomasse und die Beweidungsrate berechnet wurde. Im Vitter Bodden wurde die Zusammensetzung der Makrophyten bestimmt, sowie ihr Bedeckungsgrad und ihr Anteil an der Wassersäule (PVI) in einer Wassertiefe <1 m geschätzt. In der DZBK wurde die Biomasse der Makrophyten bis in eine Wassertiefe von 1,9 m bestimmt. Die Tiefenverbreitung der Makrophyten war im Vitter Bodden nicht Licht-limitiert, aber in der DZBK, da sich dort der Hauptanteil der Makrophytenbiomasse nur bis in eine Wassertiefe von 1 m befand. In der DZBK hatte das Phytoplankton einen großen Anteil an der Lichtattenuation und limitierte dadurch vermutlich die Lichtverfügbarkeit nicht nur für die Makrophyten sondern auch für sich selbst. Aufgrund der TN zu TP Verhältnisse war das Phytoplankton in der DZBK P-limitiert, während es im Vitter Bodden durch beide Nährstoffe gleichzeitig limitiert war. Die Beweidung durch das Zooplankton konnte zeitweise vermutlich das Phytoplankton im Vitter Bodden reduzieren, aber nicht in der DZBK. Der Bedeckungsgrad der Makrophyten war hoch, aber sie hatten eine flache Wachstumsform und daher nur einen geringen PVI. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der vermutlich hohe Wasseraustausch mit der Ostsee und der fehlende Eintrag aus Fließgewässern verantwortlich für die hohe Lichtverfügbarkeit im Vitter Bodden sind. Ein möglicher Einfluss der Makrophyten auf Wassertrübung, Nährstoffe, Phytoplankton und Zooplankton wurde vermutlich durch diesen Wasseraustausch maskiert. Im Gegensatz dazu gab es keine Effekte der Makrophyten auf Nährstoffe in der Wassersäule, sowie auf Phytoplankton und Zooplankton in der DZBK, da die Makrophyten nur auf die Randbereiche der Bodden beschränkt sind. Da Sedimentation und Resuspension hauptsächlich die Wassertrübung beeinflussen, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit ermittelt, in wie weit Wind-induzierte Wellen die Sedimentationsraten beeinflussen, wenn sie unmittelbar sedimentiertes Material wieder resuspendieren. Zu diesem Zweck wurden zwei verschiedene Sedimentationsfallen verwendet: Zylinderfallen (ZF) und Tellerfallen (TF). Die TF wurden in dieser Studie das erste Mal an einem Wellen-exponiertem Standort verwendet. Sie erlaubten, dass unmittelbar sedimentiertes Material wieder resuspendiert werden konnte, was die ZF nicht konnten. Sedimentationsraten wurden mit beiden Fallentypen in einer Wassertiefe zwischen 0,9 m und 1,6 m bestimmt. Die Wellenexposition wurde berechnet, indem die halbe Oberflächenwellenlänge (λ/2) durch die Wassersäule oberhalb der Fallen (dF) dividiert wurde. Eine hohe Wellenexposition war definiert als (λ/2) / dF >1. Die Sedimentationsraten in beiden Fallentypen waren von der Wellenexposition beeinflusst. Jedoch in gegensätzlicher Weise. Bei hoher Wellenexposition sedimentierte ein geringerer Anteil des TSM pro Stunde auf den TF als bei geringer Wellenexposition, während in den ZF ein größerer Anteil sedimentierte. Daher wurde die Sedimentationsrate bei hoher Wellenexposition mit den ZF überbestimmt. Die verwendeten TF sind ein viel versprechendes Mittel um Sedimentationsraten in flachen, Wellen-exponierten Orten abzuschätzen, denn sie reflektieren den unmittelbaren Einfluss von Wellenbewegungen auf die Sedimentation von suspendiertem Material.