Climate change affects lake ecosystems in many ways by direct and indirect temperature impacts on hydrophysical structure, hydrology, chemical cycles and on biological interactions. The identification of these climate signals can be complicated and superimposed by other environmental changes, such as land use changes. The aim of this thesis was to seperate temperature effects from effects of management and other environmental influences and to understand the underlying complex processes causing significant changes of ecosystem states. This understanding is important for decisions of lake and reservoir managers to counteract unfavorable consequences of climate change. For the recent study, long-term data of meteorological, hydrophysical and biological variables (phytoplankton, crustacean zooplankton, fish) of the German drinking water reservoir Saidenbach were analysed. Based on this long-term data set, strong indicators for climate induced changes have been identified. In particular, increasing water temperatures since 1975, earlier break up of ice covers and an altered hydrophysical structure could be detected. Thereby, stratification stability increased and turbulent mixing decreased in summer. The water of the reservoir warmed more than the tributaries resulting in a trend to deeper entrainment of the inflows. As further indicators of climate change, an increased annual biomass of phytoplankton and species shifts in the phytoplankton community in spring and summer had been observed. During the spring mass development, the diatom Aulacoseira subarctica became dominant in recent years with warm winters and early ice-out. Its unusual spatial pattern with occurrences in aphotic depths could be explained by easier resuspension compared to other diatoms. By being resuspended first and establishing a high inoculum, A. subarctica profits from an earlier ice-out and earlier full circulation. In spite of a reduced nutrient loading to the epilimnion, in summer, the diatom Fragilaria crotonensis was displaced increasingly by cyanobacteria. This species shift could be explained well by the hydrophysical regime shift. Although, the annual total phytoplankton biomass increased since 1990, the crustacean zooplankton in Saidenbach reservoir did not seem to profit from improved food resources. To the contrary, Daphnia abundances reduced tremendously. We could show that the influcence of fish stocks were underestimated. The stocked silvercarp may have contributed up to 70 % of the total zooplanktivorous fish biomass which had a temperature and density dependent effect. The faster growth of Daphnia at higher temperatures could not compensate for the more actively grazing fish when stock of zooplankitvorous fish was too high. Still, temperature was identified as the most important factor that explained 29 % of the zooplankton phenology, while the second most important predictors were zooplanktivorous fish biomass and nutrient loading, explaining 18 % of the variance. The importance of submerged macrophytes in shallow lakes is well investigated. To increase also the understanding of their impact and their role during climate change on water quality in deep lakes, a model for stratified lakes that includes submerged macrophytes was developed. The simulations showed that macrophyte effects were mainly positive for water quality and macrophytes in deep lakes were able to potentially reduce summer phytoplankton, especially cyanobacteria by 50 % in 11 m deep and still by 15 % in 100 m deep oligotrophic lakes. Nutrient competition with phytoplankton contributed most to this macrophyte effect. In conclusion, for deep lake restoration the re-establishment of submerged macrophytes might be as important as for shallow lakes. The full lake model includes hydrophysical and ecological submodules and thus will allow further comprehensive climate simulations and the evaluation of the effectivity of adaptive strategies and scenarios for deep lakes and reservoirs. / Der Klimawandel beeinflusst Seeökosysteme vielfältig durch direkte und indirekte Temperatureffekte auf die hydrophysikalische Struktur, die Hydrologie, chemische Kreisläufe und biologische Interaktionen. Die Identifikation von Klimasignalen kann durch Landnutzungs- und weitere Umweltveränderungen überlagert werden. Ziel dieser Arbeit war es, Temperatureffekte von Effekten zu unterscheiden, die durch Gewässermanagement oder anderen Umweltveränderungen verursacht werden. Weiterhin sollten komplexe Prozesse verstanden werden, die zu signifikanten Veränderungen in Seeökosystemen führen. Dieses Verständnis ist für Talsperren- und Gewässermanager von besonderer Bedeutung, um ungewünschten Folgen des Klimawandels entgegenwirken zu können. Für die Studie wurden Langzeitdaten für meteorologische, hydrophysikalische und biologische Variablen (Phytoplankton, Crustaceen-Zooplankton, Fischbesatz) der Talsperre Saidenbach ausgewertet. Mehrere Indikatoren für die Auswirkungen des Klimawandels konnten basierend auf diesen Daten identifiziert werden. Diese gehören insbesondere eine Erhöhung der Wassertemperatur seit 1975, zeitigere Eisaufbrüche und eine veränderte Schichtungsstruktur. Dabei wurde im Sommer die Schichtungsstabilität höher und die Intensität der Durchmischung geringer. Das Wasser in der Talsperre erwärmte sich stärker als die Zuflüsse, wodurch diese sich zunehmend tiefer und unterhalb der Thermokline einschichten. Eine zunehmende jährliche Phytoplanktonbiomasse und Artenwechsel innerhalb der Planktongemeinschaft sind weitere Indikatoren für Klimafolgen. Die Kieselalge Aulacoseira subarctica erlangte in Jahren mit warmen Wintern und zeitigen Eisaufbrüchen eine Dominanz während der Frühjahrsentwicklung. Das ungewöhnliche Auftreten dieser Art in aphotischen Tiefen konnte durch eine leichtere Resuspension im Vergleich zu anderen Kieselalgen erklärt werden. Durch zeitige Resuspension gleich nach Eisaufbruch kann A. subarctica ein hohes Inokulum etablieren. Trotz reduzierter Nährstoffzufuhr ins Epilimnion wurde im Sommer die Kieselalge Fragilaria crotonensis vermehrt durch Cyanobakterien verdrängt, was jedoch gut mit den Änderungen der hydrophysikalischen Struktur erklärt werden kann. Obwohl seit 1990 insgesamt mehr Phytoplankton zur Verfügung steht konnte das Crustaceen- Zooplankton in der Talsperre Saidenbach nicht von diesen verbesserten Nahrungsbedingungen profitieren. Die Daphnia-Abundanzen waren seit 1990 stark verringert. Es konnte gezeigt werden, dass der Einfluss des Fischbesatzes unterschätzt wurde und die künstlich ins System eingebrachten Silberkarpfen zeitweise bis zu 70% der zooplanktivoren Fischbiomasse ausgemacht haben. Zoo- planktivore Fische haben einen temperatur- und dichteabhängigen Effekt auf das Zooplankton. Das schnellere Populationswachstum von Daphnia kann bei hohem Besatz mit zooplanktivoren Fischen nicht die erhöhte Fraßaktivität der Fische ausgleichen. Dennoch konnte Temperatur als der wichtigste Einflussfaktor auf die Phänologie des Zooplanktons identifiziert werden, gefolgt von zooplanktivorem Fisch und Nährstoffzufuhr. Die Wichtigkeit von submersen Makrophyten in Flachseen ist gut untersucht. Um den Einfluss von Makropyhten auf die Wasserqualität während des Klimawandels auch in tiefen Seen abschätzen zu können, wurde ein komplexes Seemodell entwickelt. Die Simulationen zeigen, dass sich Makrophyten hauptsächlich positiv auf die Wassergüte auswirken und zur Reduktion von Phytoplankton, insbesondere von Cyanobakterien im Sommer, beitragen. In einem 11 m tiefen See betrug die Reduktion 50 %, in 100 m tiefen oligotrophen Seen immer noch 15 %. Die Konkurrenz um Nährstoffe mit dem Phytoplankton war dabei die ursächliche Makrophyten-Plankton-Interaktion. Submerse Makrophyten könnten für die Restaurierung von tiefen Seen folglich genauso wichtig sein, wie für Flachseen. Das komplette Seemodell enthält hydrophysikalische und ökologische Module und ermöglicht damit weitere umfassende Simulationen zur Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels und zur Evaluation von Adaptionsstrategien für Seen und Talsperren.

Der Klimawandel fordert die Anbausysteme heraus, um das derzeitige Produktionsniveau zu verbessern oder sogar aufrechtzuerhalten. Es wird erwartet, dass zukünftige Trends bei Temperatur und Niederschlag die Ernteproduktivität beeinträchtigen. Es ist daher notwendig, möglicher Lösungen zur Anpassung der Anbausysteme an den Klimawandel zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, das Wissen über die Anpassung von weltweit relevanten Getreidepflanzen an den Klimawandel zu erweitern. Die zentrale Fragestellung ist, ob globale Anbausysteme an den Klimawandel angepasst werden können, indem die Phänologie der Kulturpflanzen durch Anpassung von Wachstumsperioden und Sorten gesteuert wird. Die Phänologie und die Ertragsreaktionen sowohl auf den Temperaturanstieg als auch auf die Sortenselektion werden zunächst anhand eines Ensembles von “Global Gridded Crop Models” bewertet. Anschließend wird die Komplexität der Anpassung durch phänologisches Management analysiert, insbesondere unter Berücksichtigung der bestehenden großen Wissenslücken bei der Auswahl von Pflanzensorten. Das Ergebnis der Analyse ist ein regelbasierter Algorithmus, der phänologische Zyklen der Kulturpflanzen auswählt, um die Zeit für die Ertragsbildung zu maximieren und Temperatur- und Wasserbelastungen während der Wachstumszyklen der Kulturpflanzen zu minimieren. Die berechneten Aussaatdaten und Wachstumsperioden werden verwendet, um globale Muster von Sorten zu parametrisieren, die an aktuelle und zukünftige Klimaszenarien angepasst sind. Diese Arbeit zeigt, dass die Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenproduktivität erheblich variieren können, je nachdem, welche Annahmen für das agronomische Management getroffen werden. Änderungen im Management zu vernachlässigen, liefert die pessimistischste Prognose für die zukünftige Pflanzenproduktion. Relativ einfache Ansätze zur Berechnung angepasster Aussaatdaten und Sorten bieten eine Grundlage für die Berücksichtigung autonomer Anpassungsschemata als integraler Bestandteil globaler Modellierungsrahmen. / Climate change is challenging cropping systems to enhance or even maintain current production levels. Future trends in temperature and precipitation are expected to negatively impact crop productivity. It is therefore necessary to explore adaptation options of cropping systems to changing climate. The aim of this thesis is to advance knowledge on adaptation of world-wide relevant grain crops to climate change. The central research question is whether global cropping systems can be adapted to climate change by managing crop phenology through adjusting growing periods and cultivars. Phenology and yield responses to both temperature increase and cultivar selection are first assessed making use of an ensemble of Global Gridded Crop Models. Then, the complexity of adaptation through phenological management is analysed, particularly addressing the existing large knowledge gaps on crop cultivar choice. The outcome of the analysis is a rule-based algorithm that selects crop phenological cycles aiming at maximizing the time for yield formation and minimizing temperature and water stresses during the crop growth cycles. The computed sowing dates and growing periods are used to parametrize global patterns of cultivars adapted to present and future climate scenarios. This thesis demonstrates that the impacts of climate change on crop productivity can vary substantially depending on which assumptions are made on agronomic management. Neglecting any changes in management return the most pessimistic projection on future crop production. Relatively simple approaches to compute adapted sowing dates and cultivars provide a base for considering autonomous adaptation schemes as an integral component of global scale modelling frameworks.

1. Microbial ecology According to Caumette et al. (2015) the term ecology is derived from the Greek words “oikos” (the house and its operation) and “logos” (the word, knowledge or discourse) and can, therefore, be defined as the scientific field engaged in the “knowledge of the laws governing the house”. This, in extension, results in the simple conclusion that microbial ecology represents the study of the relationship between microorganisms, their co-occurring biota and the prevailing environmental conditions (Caumette et al. 2015). The term microbial ecology has been in use since the early 1960s (Caumette et al. 2015) and microbial ecologists have made astonishing discoveries since. Microbial life at extremes such as in the hydrothermal vents (see Dubilier et al. 2008 and references therein) or the abundance of picophytoplankton (Waterbury et al. 1979; Chisholm et al. 1988) in the deep and surface waters of the oceans, respectively, are only a few of many highlights. Nevertheless, a microbial ecologist who, after leaving the field early in their career, now intends to return would hardly recognise again their former scientific field. The main reason for this hypothesis is to be found in the advances made to the methodologies employed in the field. Most of these were developed for biomedical research and were subsequently hijacked, sometimes followed by minor modifications, by microbial ecologists. The Author presents in this thesis scientific findings which, although spanning only a fraction of the era of research into microbial ecology, have been obtained using various modern tools of the trade. These studies were undertaken by the Author during his employment as postdoctoral scientist at Warwick University (UK), as member of staff at Plymouth Marine Laboratory (UK) and as scientist at the TU Bergakademie Freiberg. Although the scientific issues and the environmental habitats investigated by the Author changed due to funding constraints or due to change of work place (i.e. from the marine to the mining environment) the research shared, by and large, a common aim: to further the existing understanding of microbial communities. The methodological approach chosen to achieve this aim employed both isolation followed by the characterisation of microorganisms and culture independent techniques. Both of these strategies utilised again a variety of methods, but techniques in molecular biology represent a common theme. In particular, the polymerase chain reaction (PCR) formed the work horse for much of the research since it has been routinely used for the amplification of a marker gene for strain identification or analysis of the microbial diversity. To achieve this, the amplicons were either directly sequenced by the Sanger approach or analysed via the application of genetic fingerprint techniques or through Sanger sequencing of individual amplicons cloned into a heterologous host. However, the Author did not remain at idle while with these ‘classical’ approaches for the analysis of microbial communities, but utilised the advances made in the development of nucleotide sequence analysis. In particular, the highly parallelised sequencing techniques (e.g. 454 pyrosequencing, Illumina sequencing) offered the chance to obtain both high genetic resolution of the microbial diversity present in a sample and identification of many individuals through sequence comparison with appropriate sequence repositories. Moreover, these next generation sequencing (NGS) techniques also provided a cost-effective opportunity to extent the characterisation of microbial strains to non-clonal cultures and to even complex microbial assemblages (metagenomics). The work involving the high throughput sequencing techniques has been undertaken in collaboration with Dr Jack Gilbert (PML, lateron at Argonne National Laboratory, USA) and, since at Freiberg, with Dr Anja Poehlein (Goettingen University). These colleagues are thanked for their support with sequence data handling and analyses.

Ecology is a critical current of thought towards industrialized societies, which spreads throughout the Western countries in the second half of the 20th century. As a social movement, Ecologists try to set the rules of a society more respectful of the environment and the living conditions ; as a political movement, they offer a new model for society. Between 1960 and 1990, France and Germany present similarities regarding a growing sensitivity towards the environmental issues in their populations and the progressive accession of ecology to the political stage. A more detailed analysis nevertheless reveals historical, economical, social, political and institutional as well as cultural and mental characteristics peculiar to each country underlining important differences in these fields and explaining the clichés about a romantic Germany concerned with the need to preserve the biosphere and a Cartesian France ignoring the environment. / L’écologie est un courant de pensée critique à l’encontre des sociétés industrialisées qui se développe dans la seconde moitié du XXème siècle en Occident. En tant que mouvement social, les écologistes cherchent à définir les règles d’une société plus respectueuse de l’environnement et du cadre de vie ; en tant que courant politique, leurs réflexions ont pour but de proposer un autre modèle de société. Entre 1960 et 1990, la France et l’Allemagne présentent des similitudes en matière de prise de conscience environnementale au sein de la population et au niveau de l’arrivée de l’écologie sur la scène politique. Une analyse comparative plus précise dévoile toutefois des caractéristiques historiques, économiques, sociales, politiques et institutionnelles ainsi que culturelles et mentales propres à chaque pays qui permettent de souligner des divergences importantes dans ces domaines et d’expliquer les clichés se rapportant à une Allemagne romantique, sensible à la protection de la biosphère, et une France cartésienne, négligente sur le plan environnemental.

This dissertation demonstrates the construction of the Panthera Population Persistence (PPP), an individual-based model for the Sumatran tiger (Panthera tigris sumatrae) which provides proper theoretical and application frameworks for the conservation of this tiger sub-species in central Sumatra. The PPP model was developed to gain insight into tiger-preyhabitat relationships as well as the effect of human impacts on the persistence of tiger populations. The model addresses three main problems for the survival of the Sumatran tiger: tiger poaching, prey depletion, and habitat loss. The description of the PPP model serves as an in-depth study of existing literature and covers the most important factors of existing models for tiger conservation. Existing modelling approaches have been improved by the inclusion of finer description of individual-level traits and behaviours in the PPP model. The modelling approach allows a direct inter-relationships between individuals and their environment. The relationship between individual behaviours, intrinsic states, and external factors are simulated spatially explicitly in a bottom-up approach where the emergence of the population dynamics of tiger and prey can be observed under different scenarios. The integration between the PPP model and geographical information system (GIS) has provided a much more meaningful spatial data by revealing the mechanism of the response of individuals to the present land-use types. The relative importance of the parameters within the PPP model was tested using two modes of sensitivity analysis: The Morris Method and the traditional One-factor-at-a-time method. The results provided guidance for the application of reasonable sensitivity analysis during the development of individual-based models. The Morris Method suggested that the overall output of the PPP model showed a high sensitivity on the change of time required by a tigress to take care of cubs. The analysis also revealed that the number of dispersers was sensitive toward perceptual distance of individuals to detect the presence of prey. Comparison with a similar predator-prey models provided insight into the predator-prey relationship. The comparison also suggested that perceptual distance of the individual is important for any spatially explicit individual-based model involving predator-prey relationships. The parameterization of the individual perceptual distance of tigers was tested by using existing literature on prey consumption by tigers as a benchmark. The simulation results were within the range of scientific acceptance for the number of prey killed by a tiger. Thus, further use of the set of parameters for a tiger’s perceptual distance is less uncertain for the output of the PPP model. The effect of habitat quality and landscape configuration on the mortality and migration of prey were evaluated through the use of virtual habitats and landscapes. The findings suggested that a good habitat quality enables prey survival, increases the population available for predation by tigers. When a low-quality habitat is combined with a high-quality habitat, the number of migrating prey was high, reducing resources for tigers. This suggested that landscape composition should be considered when predicting population persistence of the Sumatran tiger. Optimal movement of two different prey resulted in a high density of prey in high-quality habitat, providing a concentration of prey in a tiger’s habitat, but resulted in a lower tiger predation rate than random movement and species specific movement. The PPP model has been applied to evaluate the effect of poaching, prey depletion, and their combination for the probability of extinction of a tiger population. The results from the evaluation showed that prey depletion, tiger poaching, and a combination of both, created a 100% probability of extinction within 20 years if the density and frequency of those threats at high rates. However, the duration of those threats in the system caused a 100% probability of extinction from tiger poaching. The results are able to contribute to optimize anti-poaching programs in future, to reduce significantly the probability of total extinction of Sumatran tiger. Furthermore, various landscape configurations have been tested against the probability and time of extinction for the Sumatran tiger population. The integration of spatial GIS-data in the model provides an insight into the relationship between tiger-prey-habitat. The results suggested that habitat quality surrounding a protected area plays an important role for the persistence of the Sumatran tiger population. This study also recommends agroforestry systems as reasonable land-use type in the vicinity of protected areas. They provide not only positive effects for tiger conservation purpose but they also appear as adaptable to the current land-use situation in Sumatra island.:Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Contents 12 1 Introduction 15 1.1 Cornerstones of Sumatran Tiger Conservation . . . . . . . . 16 1.2 Scientific Challenges to Tiger Conservation . . . . . . . . . 22 1.3 Roles of Modelling in Tiger Conservation . . . . . . . . . . 26 1.4 Individual-Based Models for Tiger Conservation . . . . . . . 30 1.5 Research Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.6 Thesis Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2 Literature Review 34 2.1 Fragmentation and Population Dynamics . . . . . . . . . . . 35 2.2 Population Extinction and its measures . . . . . . . . . . . 37 2.3 Modelling the Effect of Fragmentation on Population Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4 Individual-Based Modelling of Population Persistence . . . . 51 2.5 Sensitivity Analysis in Individual-based Model . . . . . . . . 53 3 Methods ..........................................................................55 3.1 Study Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2 Model Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3 Land-use Map Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Model Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4 Results 73 4.1 Structure and Sensitivity Analysis of Individual-based Predator- Prey Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2 Where to Go and How to Hide? Measuring the Relative Effect of Movement Decisions, Habitat Quality, and Landscape Configuration on theMortality andMigration of Tigers’ Prey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.3 The Extinction Potential of a Sumatran Tiger Population after the Removal of Poaching . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.4 The Influence of Agroforest and Other Land-use Types on the Persistence of a Sumatran tiger (Panthera tigris suma- trae) Population: An Individual-Based Model Approach . . 135 5 General Discussion 159 5.1 Main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 5.2 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6 Conclusions and Perspectives 170 6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2 Perspectives for Future Research . . . . . . . . . . . . . . . 171 Bibliography 174 Appendices 191 / Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung des Panthera Populations Persistence (PPP) Modells, eines individuenbasierten Simulationsmodells für den Sumatra-Tiger (Panthera tigris sumatrae). Dieses stellt einen geeigneten theoretischen und anwendungsbezogenen Rahmen für den Schutz dieser Tiger-Unterart in Zentralsumatra bereit. Das PPP-Modell wurde entwickelt, um Einblicke in die Tiger-Beute-Habitat-Beziehungen zu gewinnen, sowie um den Effekt anthropogener Einflüsse auf den Fortbestand von Tigerpopulationen abzuschätzen. Dabei werden die drei Hauptprobleme für das Überleben des Sumatra-Tigers analysiert: die Wilderei, der Rückgang von Beutetieren und der Verlust von geeigneten Habitaten. Die Beschreibung des PPP-Modells gibt zunächst einen umfassenden Überblick zum aktuellen Wissensstand auf dem Gebiet des Tigerschutzes und integriert die wichtigsten Faktoren bereits existierender Modellansätze. Diese konnten durch die Einbeziehung einer detaillierten Beschreibung von individuellen Merkmalen und Verhalten verbessert werden. Das PPPModell stellt somit das Individuum in einen direkten Zusammenhang mit dessen Umwelt. Die Beziehung zwischen individuellem Verhalten, intrinsischen Merkmalen und externen Faktoren werden räumlich-explizit in einem bottom-up Ansatz simuliert. Damit kann sowohl die Populationsdynamik des Tigers als auch die seiner Beutetiere unter verschiedenen Annahmen beobachtet werden. Die Verknüpfung des PPP-Modells mit Geographischen Informationssystemen (GIS) bietet die Möglichkeit, die Reaktionsmechanismen der Individuen basierend auf der gegenwärtigen Landnutzungssituation zu simulieren und somit realitätsnahe räumliche Daten zu generieren. Die relative Bedeutung der Modell-Parameter auf die Simulationsergebnisse kann durch Sensitivitätsanalysen ermittelt werden. Hier wurden zwei verschiedene Ansätze verwendet: die Morris-Methode und die herkömmliche One-factor-at-a-time Methode. Der Vergleich beider methodischen Ansätze zeigte somit beispielhaft die Eignung unterschiedlicher Sensitivitätsanalysen für individuenbasierte Modelle auf. Die Morris-Methode zeigte, dass das Gesamtergebnis des PPP-Modells eine hohe Sensitivität gegenüber der Veränderung der Zeit aufweist, die ein Tigerweibchen braucht, um ihre Jungen aufzuziehen. Die Analyse zeigt auch, dass die Anzahl an abwandernden Tigern sensitiv gegenüber der IndividuellenWahrnehmungsdistanz von Beute ist. Der Vergleich mit einem ähnlichen Räuber-Beute-Modell lässt vermuten, dass diese Wahrnehmungsdistanz eines Individuums generell als ein entscheidender Faktor für Räuber-Beute-Beziehungen in räumlich-expliziten Individuenmodellen an- gesehen werden kann. Die Parametrisierung der IndividuellenWahrnehmungsdistanz des Tigers wurde so gewahlt, dass die damit ermittelten Simulationsergebnisse den Beutekonsum des Tigers, wie in der Literatur beschrieben, weitgehen widerspiegeln. Sie ist somit für die weitere Anwendung im PPP-Modell ausreichend gut beschrieben. Simulationsszenarien, welche verschiedene Habitatqualitäten sowie Landnutzungsmuster berücksichtigen, zeigen auch deren Bedeutung für die Mortalität und Migration der Beutetiere. Eine gute Habitatqualität hat eine geringe Mortalität der Beutetiere zur Folge, welche dann wiederum für den Tiger in ausreichender Zahl zur Verfügung stehen. Treten geringe Habitatqualitäten angrenzend an ein Habitat mit hoher Qualität auf, führte dies zu einer hohen Anzahl an abwandernden Beutetieren, womit sich die Ressourcen für den Tiger verringern. Die Landschaftsmerkmale sollten also bei der Vorhersage des Populationsfortbestandes des Sumatra-Tigers berücksichtigt werden. Die optimale Bewegung von zwei verschiedenen Beutetieren ergab eine hohe Beutedichte in einem Habitat mit hoher Qualität und stellte konzentriert Beute in einem Tigerhabitat bereit. Allerdings resultierte dies auch in einer geringeren Prädationsrate des Tigers, verglichen mit zufälligen oder artenspezifischen Bewegungen. Das PPP-Modell wurde angewandt, um die Auswirkungen von Wilderei, Beutetierrückgang sowie die Kombination beider Faktoren auf die Aussterbewahrscheinlichkeit einer Tigerpopulation zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die genannten Faktoren eine 100-prozentige Aussterbewahrscheinlichkeit innerhalb von 20 Jahren zur Folge haben, wenn die Dichte und Häufigkeit dieser Bedrohungen hoch sind. Die Dauer dieser Bedrohungen im System verursachte allerdings eine 100-prozentige Aussterbewahrscheinlichkeit nur für die Wilderei von Tigern. Betrachtet man unabhängig von Dichte und Häufigkeit einzig die Dauer der Bedrohung, führt lediglich die Wilderei zum 100%-igen Aussterben. Diese Ergebnisse können maßgeblich dazu beitragen, zukünftig Schutzprogramme gegen die Wilderei zu optimieren, um das Aussterben des Sumatra-Tigers zu verhindern. DesWeiteren wurde der Einfluss von unterschiedlichen Landnutzungsmustern auf die Aussterbewahrscheinlichkeit und -zeit einer Sumatra-Tigerpopulation aufgezeigt. Die Integration von räumlichen GIS-Daten in das Modell ermöglichte einen Einblick in die Beziehungen zwischen Tiger, Beutetieren und Habitat. Die Ergebnisse zeigen, dass die Habitatqualität um Schutzgebiete herum eine wichtige Rolle für den Fortbestand der Population spielt. Die vorliegende Arbeit empfiehlt Agroforstsysteme als eine geeignete Landnutzungsform in der Nähe von Schutzgebieten, welche sowohl positive Effekte für den Tigerschutz bietet als auch mit den gegenwärtigen Landnutzungsmustern in Sumatra vereinbar erscheint.:Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Contents 12 1 Introduction 15 1.1 Cornerstones of Sumatran Tiger Conservation . . . . . . . . 16 1.2 Scientific Challenges to Tiger Conservation . . . . . . . . . 22 1.3 Roles of Modelling in Tiger Conservation . . . . . . . . . . 26 1.4 Individual-Based Models for Tiger Conservation . . . . . . . 30 1.5 Research Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.6 Thesis Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2 Literature Review 34 2.1 Fragmentation and Population Dynamics . . . . . . . . . . . 35 2.2 Population Extinction and its measures . . . . . . . . . . . 37 2.3 Modelling the Effect of Fragmentation on Population Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4 Individual-Based Modelling of Population Persistence . . . . 51 2.5 Sensitivity Analysis in Individual-based Model . . . . . . . . 53 3 Methods ..........................................................................55 3.1 Study Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2 Model Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3 Land-use Map Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Model Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4 Results 73 4.1 Structure and Sensitivity Analysis of Individual-based Predator- Prey Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2 Where to Go and How to Hide? Measuring the Relative Effect of Movement Decisions, Habitat Quality, and Landscape Configuration on theMortality andMigration of Tigers’ Prey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.3 The Extinction Potential of a Sumatran Tiger Population after the Removal of Poaching . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.4 The Influence of Agroforest and Other Land-use Types on the Persistence of a Sumatran tiger (Panthera tigris suma- trae) Population: An Individual-Based Model Approach . . 135 5 General Discussion 159 5.1 Main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 5.2 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6 Conclusions and Perspectives 170 6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2 Perspectives for Future Research . . . . . . . . . . . . . . . 171 Bibliography 174 Appendices 191

DAKS e.V. ist als Kommunalpolitische Bildungsvereinigung durch das Staatsministerium des Inneren des Freistaats Sachsen anerkannt und steht Bündnis 90/Die Grünen nahe. Sie wurde 1992 auf Anregung der Kommunalpolitischen Konferenz vom Oktober ‘91 in Bautzen gegründet. Ziel ist die „Förderung des demokratischen Staatswesens in weitsichtiger, ökologischer und sozialer Verantwortung. Die Vereinigung unterstützt alle an Kommunalpolitik interessierten Bürgerinnen und Bürger, Abgeordnete, Fraktionen und Bürgerinitiativen bei der Gestaltung einer bürgernahen Kommunalpolitik, welche der Verwirklichung von Menschenrechten, dem Schutz der natürlichen Umwelt und unmittelbaren Bürgerinteressen dient”. Die konkrete Arbeit von DAKS e.V. besteht in Beratung und Schulung von Kommunalpolitikern und interessierten Bürgern mittels Seminaren, Vorträgen und Publikationen sowie in der Vernetzung von Kommunalpolitikern und Fachleuten mittels Tagungen und Vermittlung von Kontakten. Die Bergbaufolgelandschaften der Lausitz, aber auch im Südraum Leipzigs, die hier vor allem im Fokus stehen, zeigen, zwar auf unterschiedliche Weise, aber doch exemplarisch, welcher gewaltige Landschafts- und Imagewandel sich in den letzten 25 Jahren dort vollzogen hat. Aber auch, welche Herausforderungen noch für die beteiligten Kommunen sich daraus ableiten lassen.

The objective of the thesis is the model-based analysis of spatial patterns of decomposition properties on the forested slopes of the montane level (ca. 1200-2200 m a.s.l.) in a study area in the Italian Alps (Val di Sole / Val di Rabbi, Autonomous Province of Trento). The analysis includes humus forms and enchytraeid assemblages as well as pH values, activities of extracellular enzymes and C/N ratios of the topsoil. The first aim is to develop, test and apply data-based techniques for spatial modelling of soil ecological parameters. This methodological approach is based on the concept of digital soil mapping. The second aim is to reveal the relationships between humus forms, soil organisms and soil microbiological parameters in the study area. The third aim is to analyze if the spatial patterns of indicators of decomposition differ between the landscape scale and the slope scale. At the landscape scale, sample data from six sites are used, covering three elevation levels at both north- and south-facing slopes. A knowledge-based approach that combines a decision tree analysis with the construction of fuzzy membership functions is introduced for spatial modelling. According to the sampling design, elevation and slope exposure are the explanatory variables. The investigations at the slope scale refer to one north-facing and one south-facing slope, with 30 sites occurring on each slope. These sites have been derived using conditioned Latin Hypercube Sampling, and thus reasonably represent the environmental conditions within the study area. Predictive maps have been produced in a purely data-based approach with random forests. At both scales, the models indicate a high variability of spatial decomposition patterns depending on the elevation and the slope exposure. In general, sites at high elevation on north-facing slopes almost exclusively exhibit the humus forms Moder and Mor. Sites on south-facing slopes and at low elevation exhibit also Mull and Amphimull. The predictions of those enchytraeid species characterized as Mull and Moder indicators match the occurrence of the corresponding humus forms well. Furthermore, referencing the mineral topsoil, the predictive models show increasing pH values, an increasing leucine-aminopeptidase activity, an increasing ratio alkaline/acid phosphomonoesterase activity and a decreasing C/N ratio from north-facing to south-facing slopes and from high to low elevation. The predicted spatial patterns of indicators of decomposition are basically similar at both scales. However, the patterns are predicted in more detail at the slope scale because of a larger data basis and a higher spatial precision of the environmental covariates. These factors enable the observation of additional correlations between the spatial patterns of indicators of decomposition and environmental influences, for example slope angle and curvature. Both the corresponding results and broad model evaluations have shown that the applied methods are generally suitable for modelling spatial patterns of indicators of decomposition in a heterogeneous high mountain environment. The overall results suggest that the humus form can be used as indicator of organic matter decomposition processes in the investigated high mountain area.

Die Arbeit liefert ein umfassendes Verständnis der (1) Auswirkungen auf Landnutzung und Treibhausgas (THG)-emissionen im Zusammenhang mit der deutschen Milchproduktion im Zeitraum von 2000 bis 2015 und bis 2030, (2) Unsicherheiten hinsichtlich der Bewertung der THG-emissionen der Milchproduktion und (3) Bewertung der Anwendbarkeit des zugrundeliegenden Modells für andere Länder als Deutschland. Landnutzung stellt die Anbaufläche von Futter für bestimmte Milchleistungen dar. Die Arbeit konzentrierte sich auf die Landnutzungsänderung zwischen Grün- und Ackerland durch Änderung der Milchkuhrationen. Ein Ökobilanz-Modell wurde entwickelt, um die Auswirkungen der Entwicklung der deutschen Milchproduktion und -leistung (typische Rationen unter deutschen Bedingungen) bis 2030 für drei Weidesysteme (ohne Weide, Halbtags- und Ganztagsweide) zu simulieren. THG-emissionen wurden für die gesamte Produktionskette berechnet, beginnend mit dem Pflanzenbau. Eingangsdaten für Ökobilanz-Studien von Lebensmitteln werden von Variabilität und Unsicherheiten beeinflusst. Ein systematischer Ansatz (Kombination aus lokaler und globaler Sensitivitätsanalyse) wurde verwendet, um wesentliche Eingangsparameter für die Bewertung der THG-emissionen der Milchproduktion zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden drei Rationen, welche die Weidesysteme im Jahr 2030 repräsentieren, ausgewählt. Die lokale Sensitivitätsanalyse diente der Identifikation der einflussreichsten Parameter, die globale der Identifikation der wichtigsten Parameter. Die USA dienen der Prüfung der Anwendbarkeit des Modells für andere Länder. Produktionssystem, verfügbare Daten und IPCC Tier-Methoden werden mit dem deutschen System und zugehörigen Daten verglichen. Diese Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse zur künftigen Intensivierung der Milchproduktion sowie zu Klimaschutzpotenzialen in Abhängigkeit der Fütterungsstrategie. Darüber hinaus trägt sie zur Verringerung der Unsicherheiten künftiger Studien zur Milchproduktion bei. / This thesis provides an comprehensive understanding of: (1) impacts on land use and greenhouse gas (GHG) emissions related to the German milk production in the period from 2000 to 2015 and further until 2030, (2) uncertainties with regard to the assessment of GHG emissions of milk production and (3) evaluation of applicability of the underlying life cycle assessment (LCA) model for countries other than Germany. Land use represents the acreage needed to provide sufficient feed for certain milk yields. This research focusses on land use change between grassland and cropland as an effect of changing dairy cow diets. A LCA model, which reflects typical dairy cow diets under German conditions, was developed to simulate the impact of the German development of milk production and yield until 2030 for three grazing systems (zero-, restricted and unrestricted grazing). GHG emissions have been calculated for the whole production chain, beginning with crops cultivation. Input parameter of LCA studies of food products are affected by variability and uncertainty. A systematic approach (combining local and global sensitivity analysis) was used to identify essential input parameters for the assessment of GHG emissions of milk production. Three diets representing the grazing systems in the year 2030 were selected for this purpose. Local sensitivity analysis was used to identify the most influential parameters, global sensitivity analysis was used to identify the parameters which are most important. The United States of America are taken as example to verify the applicability of the LCA model for other countries. Production system, available data, and IPCC tier methods were compared with the German system and data. This thesis provides important insights on future intensification of milk production along with climate change mitigation potentials depending on the feeding strategy. Moreover, it contributes to the reduction of uncertainties of future LCA studies of milk production.

Die Studie zeigt die große Bedeutung der natürlichen bachbegleitenden Vegetation für unsere Bäche und Flüsse. Bäume sorgen für Beschattung, Stoffrückhalt, Uferstrukturierung und sind ein sehr artenreicher Lebensraum. In der Veröffentlichung werden zahlreiche nationale und internationale Facharbeiten ausgewertet und die ökologischen Funktionen genau beschrieben.Die daraus gewonnenen Erkenntnisse liefern für alle Akteure an unseren Fließgewässern wichtige Fachgrundlagen. Daneben wird allen Interessierten der große Wert von natürlichen Gewässerrandstreifen näher gebracht. Redaktionsschluss: 23.03.2022

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