Wälder bedecken 31 % der Landflächen weltweit. Aufgrund ihrer hohen Anzahl an endemischen Arten und ihrem hohen Artenreichtum gehören tropische Regenwälder zu den Biodiversitätshotspots der Welt. Die Ausbreitung von landwirtschaftlich genutzten Flächen führte zu einer verstärkten Degradierung und Waldverlust in Indonesien, die zum heutigen Zeitpunkt global am höchsten ist. Hauptsächliche Ursachen für die Entwaldung des tropischen Regenwaldes in Indonesien sind Holznutzung, Rohstoffabbau und die Produktion von Kautschuk (Hevea brasiliensis) und Palmöl (Elaeis guineensis), daraus folgt eine jährliche Umwandlungsrate von 20 000 km2 von natürlichem Regenwald in genutzte Flächen. Die weltweiten Konsequenzen der Entwaldung können nur geschätzt werden. Lokale Folgen sind Habitatverlust, Fragmentierung und Degradierung von verbleibenden Wäldern. In den verbleibenden Waldfragmenten kommt es zu einer Reduzierung der Artendiversität und einer Veränderung der Artenkombination. Untersuchungen von einzelnen Arten über die Folgen von Habitatfragmentierung auf die genetische Diversität von Pflanzen, zeigen unterschiedliche Ergebnisse, die von den artspezifischen Lebenszyklusstrategien abhängen. Im Allgemeinen ist ein Verlust von genetischen Ressourcen durch genetische Drift und reduzierten Genfluss zu erwarten. Dies entsteht durch die verminderte Austauschkonnektivität der verbleibenden Waldareale und die reduzierte effektive Populationsgröße der dort vorkommenden Arten. Dies kann zu einer Veränderung der genetischen Populationsstruktur der fragmentierten Arten führten, was eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Aussterbens der Art zur Folge hat. Der Effekt von Habitat-Fragmentierung auf die genetische Struktur wurde bisher nur für einzelne Pflanzenarten und nicht für Pflanzengemeinschaften untersucht. Weiterhin wurden keine Studien über die Folgen von Landnutzungsveränderungen auf die genetische Diversität von Pflanzen durchgeführt. Das Ziel der vorliegenden Studie war die genetische Diversität von dominanten Pflanzenarten in vier verschiedener Systeme mit unterschiedlicher landwirtschaftlicher Intensität in Sumatra, Indonesien, zu untersuchen. Anonyme AFLP Marker wurden genutzt, um die genetische Diversität von zehn dominanten Pflanzenarten, mit jeweils zehn Individuen, in den folgenden vier Landnutzungssystemen abzuschätzen: altgewachsener tropischer Tieflandregenwald, Kautschuk-Dschungel, Kautschukplantage und Palmölplantage. Die vier Systeme mit jeweils vier Replikaten, wurden in zwei Regionen untersucht, dies ergab eine Gesamtprobenanzahl von 3200. Durch unterschiedliche Artenkompositionen, die durch unterschiedliche Eigenschaften charakterisiert sind, wurde ein Abfall von genetischer Diversität von Wald zu Kautschuk-Dschungel zu Kautschukplantage zu Palmölplantage erwartet. Bei den Analysen wurden zwei Ansätze verwendet, bei dem Ersten wurde jeder Plot als eine Pflanzengemeinschaft betrachtet und bei dem Zweiten einzelne, häufig dominierende, Arten analysiert. Für die Gemeinschaftsanalyse wurden wiederum zwei Ansätze durchgeführt: Erstens der Fragmentpool-Ansatz, bei dem alle AFLP Fragmente der dominanten Arten in einem Fragment-Pool kombiniert wurden und deren genetische Differenzierung berechnet wurden. Zweitens der Artenansatz, bei dem die genetische Diversität pro Art im jeweiligen Plot berechnet wurde. Um die Landnutzungssystem auf genetische Unterschiede zu testen wurde ein „Mixed effect model“ für beide Ansätze der Gemeinschaftsanalyse benutzt. Außerdem wurde die genetische Diversität mit der Diversität von Pflanzenarten, Mykorrhizaarten und Prokaryotenarten korreliert, um die Reaktionsähnlichkeit der Parameter auf Landnutzungsveränderungen abzuschätzen. Die häufig dominanten Arten wurden hinsichtlich ihrer Populationsstruktur und der Populationsdifferenzierung innerhalb und zwischen den Landnutzungssystemen untersucht. Weiterhin wurden Arten nach ihrer Lebensform gruppiert und auf signifikante Unterschiede getestet. Ergebnisse der Gemeinschaftsanalyse mit dem Fragmentpool-Ansatz und dem Artenansatz zeigten keine direkte Korrelation zwischen genetischer Diversität dominanter Pflanzen und dem Landnutzungssystem. Aber aufgrund der Landnutzungsveränderung gibt es unterschiedliche Artenkompositionen im jeweiligen System, die mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften, unterschiedliche Diversitäts- und Differenzierungsmuster aufweisen. Die Landnutzungssystem konnten in zwei Gruppen eingeteilt werden, die Baumdominierten Systeme mit hoher genetischer Diversität und die zwei Plantagensysteme mit niedriger genetischer Diversität. Die Analysen basierend auf den einzelnen häufigen Arten zeigen eine hohe Variabilität in der Artenreaktion auf die Landnutzungsveränderungen. Waldarten weisen unterschiedliche Verlustgrade von genetischer Diversität auf. Plantagen werden hauptsächlich von invasiven, kolonisierenden Arten dominiert, die an Störungen adaptiert sind. Daher zeigten die Plantagenplots im Mittel höhere genetische Diversitätslevel als erwartet.

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In dieser Studie wird ein neues Modul “CLM-Palm” für mehrjährige Nutzpflanzen zur Modellierung einer funktionellen Gruppe (plant functional type) für Ölpalmen im Rahmen des Community Land Models (CLM4.5) entwickelt, um die Auswirkungen der Transformation eines tropischen Waldes in eine Ölpalmenplantage auf die Kohlenstoff-, Wasser- und Energieflüsse zwischen Land und Atmosphäre zu quantifizieren. Um die Morphologie der Ölpalme möglichst detailgetreu darzustellen (das heißt, dass ungefähr 40 Phytomere einen mehrschichtigen Kronenraum formen), wird in dem Modul CLM-Palm eine phänologische und  physiologische Parametrisierung auf Skalen unterhalb des Kronraums eingeführt, so dass jedem Phytomer sein eigenes prognostisches Blattwachstum und seine Erntekapazität zugeordnet wird, während Stamm und Wurzeln gemeinsam genutzt werden. Das Modul CLM-Palm wurde ausschließlich für Ölpalmen getestet, ist aber auch für andere Palmarten (z. B. Kokospalmen) interessant.  Im ersten Kapitel dieser Arbeit werden Hintergrund und Motivation dieser Arbeit vorgestellt. In Kapitel 2 wird die Entwicklung des Haupt- bzw. Kernmodells beschrieben,  inklusive Phänologie und Allokationsfunktionen zur Simulation des Wachstums und des Ertrags der Palme PFT, wodurch die Basis zur Modellierung  der biophysikalischen und biogeochemicalischen Kreisläufe innerhalb dieser Monokultur bereitgestellt wird. Die neuen Parameter für die Phänologie und die Allokation wurden sorgfältig mit Feldmessungen des Blattflächenindexes (LAI), des Ertrags und der Nettoprimärproduktion (NPP) verschiedener Ölpalmenplantagen auf Sumatra (Indonesien) kalibriert und validiert. Die Validierung zeigte die Eignung von CLM-Palm zur adäquaten Vorhersage des mittleren Blattwachstums und Ertrags für verschiedene Standorte und repräsentiert in ausreichendem Maß die signifikante Variabilität bezüglich des Stickstoffs und Alters von Standort zu Standort.  In Kapitel 3 wird die weitere Modellentwicklung und die Implementierung eines Norman-Mehrschichtmodells für den Strahlungstransport vorgestellt, das an den  mehrschichtigen Kronenraum der Ölpalme angepasst ist. Dieses Norman-Mehrschichtmodell des Strahlungstransports zeigte im Vergleich zu dem in CLM4.5 implementierten Standardmodell (basierend auf großen Blättern) bei der Simulation der Licht-Photosynthese-Kurve leichte Verbesserungen und hat  lediglich marginale Vorteile gegenüber dem ebenfalls in CLM4.5 implementierten alternativen statistischen Mehrschichtmodell.  Dennoch liefert das Norman-Modell eine detailliertere und realistischere Repräsentation des Belaubungszustands wie etwa dem dynamischen LAI, der Blattwinkelverteilung in verschiedenen Höhen, und ein ausgewogeneres Profil der absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR). Die Validierung mit Hilfe der Eddy-Kovarianz Flussdaten zeigte die Stärke von CLM-Palm bei der Simulation der Kohlenstoffflüsse, offenbarte aber auch Abweichungen in der simulierten Evapotranspiration (ET), dem sensiblen und dem latenten Wärmefluss (H und LE). Eine Reihe von hydrologischen Messungen im Kronenraum wird in Kapitel 4 beschrieben. Dies beinhaltet eine Adaption des in CLM4.5 eingebauten Standardmodells für Niederschlag, Interzeption und Speicherfunktionen für die speziellen Merkmale eines Ölpalmen-Kronenraums. Die überarbeitete Hydrologie des Kronenraums behob die Probleme bei der Simulation der Wasserflüsse (ET und Transpiration im Kronenraum) und verbesserte die Energieaufteilung zwischen H und LE. Kapitel 5 dokumentiert die Implementierung eines neuen dynamischen Modells für Stickstoff (nitrogen, N) in CLM-Palm zur Verbesserung der Simulation der C- und N-Dynamik, insbesondere mit Bezug auf den N-Düngeeffekte in landwirtschaftlich genutzten Systemen. Das dynamische N-Modell durchbricht die Limitierung des Standardmodells in CLM4.5, mit fixierter C-N-Stöchiometrie und erlaubt die Variation des C:N-Verhältnisses in lebendem Gewebe in Abhängigkeit der N-Verfügbarkeit und dem N-Bedarf der Pflanze.  Eine Reihe von Tests bezüglich der Düngung zeigte beispielhaft die Vorteile des dynamischen N-Modells, wie zum Beispiel die Verbesserung des Netto-Ökosystemaustauschs (net ecosystem exchange, NEE), ein realistischeres C:N-Verhältnis im Blatt, eine verbesserte Repräsentation der Effizienz des Stickstoffeinsatzes (nitrogen-use efficiency, NUE), sowie der Effekte von Düngung auf Wachstum und Ertrag. Abschließend wird in Kapitel 6 eine Anwendungsstudie gezeigt, in der die zentralen Modellentwicklungen aus den vorangegangenen Kapiteln verwendet werden. Eine junge und eine  erntereife Ölpalmenplantage sowie ein Primärregenwald wurden simuliert und verglichen. Sie wiesen klare Unterschiede in den C-Flüssen und in den biophysikalischen Merkmalen (z.B. ET und Oberflächentemperatur) auf. Ölpalmenplantagen können durch Wachstumsentwicklung (im Alter von etwa 4 Jahren)  ebenso hohe und darüber hinausgehende C-Assimilation und Wassernutzungsraten erreichen wie Regenwälder, haben jedoch im Allgemeinen eine höhere Oberflächentemperatur als eine bewaldete Fläche – dies gilt auch für erntereife Plantagen. Eine Simulation des Übergangs, die zwei Rotationsperioden mit Neubepflanzungen alle 25 Jahre umspannt, zeigte dass der Anbau von Ölpalmen auf längeren Zeitskalen lediglich in etwa die Hälfte des ursprünglichen C-Speichers der bewaldeten Fläche vor dem Kahlschlag  rückspeichern kann. Das im Boden gespeicherte C nimmt in einer bewirtschafteten Plantage aufgrund des begrenzten Streurücklaufs langsam und graduell ab. Insgesamt reduziert die Umwandlung eines Regenwaldes in eine Ölpalmenplantage die langfristigen C-Speicher und die Kapazität der Fläche zur C-Sequestrierung und trägt potentiell zur Erwärmung der Landoberfläche bei – trotz des schnellen Wachstums und der hohen C-Assimilationsrate einer stark gedüngten Plantage. Zur Einschätzung der regionalen und globalen Effekte der Ausbreitung der Kultivierung von Ölpalmen auf die Austauschprozesse zwischen Land und Atmosphäre und auf das Klima ist es notwendig eine Upscaling-Studie durchzuführen.

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In der Vergangenheit hat der Tierschutzgedanke in der Gesellschaft zunehmend an Bedeutung gewonnen. Viele Verbraucher verbinden moderne landwirtschaftliche Nutztierhaltung primär mit hohen Tierzahlen auf engem Raum und daraus vermeintlich resultierenden Defiziten im Tierschutz. Der Begriff „Massentierhaltung“ wurde zum Synonym für wenig tiergerechte Haltungssysteme. Er wird vor allem in den Medien stark diskutiert und ist eindeutig negativ besetzt. Neben der Bestandsgröße steht besonders die Gruppengröße in der Kritik. Die Kenntnisse über die kausalen Beziehungen zwischen Tierwohl/Tierverhalten und konventioneller Tierhaltung bzw. Bestands- und Gruppengrößen sind dabei ausgesprochen gering, und zwar sowohl auf theoretischer wie auf empirischer Ebene. In der Literatur vorhandene Studien beziehen lediglich einzelne Teilaspekte des Tierschutzes und nur bestimmte Tierarten in ihre Auswertungen mit ein. Insbesondere für die Mastschweinehaltung, die in der aktuellen Tierschutzdebatte besonders im Fokus steht, gibt es nur wenige wissenschaftliche Untersuchungen, die sich mit dem Einfluss der Bestands- bzw. Gruppengröße auf das Tierwohl beschäftigen. Aus diesem Grund sollten im Rahmen der vorliegenden Studie belastbare Aussagen über den Zusammenhang von Tierwohlindikatoren und der Bestands- sowie Gruppengröße abgeleitet werden. Die Bestandsgröße wurde definiert als die gesamte Anzahl Tiere einer Nutzungsrichtung an einem Standort. Die Gruppengröße beschreibt die Anzahl Schweine pro Bucht bei konstantem Platzangebot pro Tier. Darüber hinaus sollte Auskunft über die Tiergerechtheit konventioneller Schweinemastbetriebe gegeben werden. Dies könnte zu einer wesentlichen Versachlichung der gesellschaftlichen Diskussion beitragen. Insgesamt wurden 60 Schweinmastbetriebe mit Hilfe des Welfare Quality®-Protokolls für Schweine bewertet. Unter Berücksichtigung der Betriebsgrößenentwicklung in der deutschen Schweineproduktion und in Anlehnung an die Einteilung der Betriebe nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG, 2013) wurden die untersuchten Betriebe in drei Bestandsgrößen-Kategorien (jeweils 20 Betriebe/Kategorie) eingeteilt: 1) klein = < 1.500 Mastplätze, 2) mittel = 1.500 bis 3.000 Mastplätze und 3) groß = 3.000 Mastplätze. Es wurden nur konventionell arbeitende Betriebe mit den am weitesten verbreiteten Haltungsverfahren (Planbefestigter Boden, Zwangsbelüftung, Automatische Fütterung) in die Untersuchungen einbezogen. Die teilnehmenden Betriebe hielten durchschnittlich 2.641 Schweine, wobei die Zahl der Mastplätze zwischen 260 und 11.000 variierte. Die Mehrheit der Betriebe (92%) hielt die Tiere auf Voll- und 8% auf Teilspaltenböden. Die Gruppengröße variierte von 10 bis 350 Schweinen pro Bucht (Mittelwert: 20 Schweine/Bucht, Median 16 Schweine/Bucht). Um den Einfluss der Gruppengröße auf das Tierwohl betrachten zu können, wurden drei Gruppengrößen-Kategorien definiert: klein: < 15 Schweine/Bucht, n = 207 Buchten; mittel: 15 bis 30 Schweine/Bucht, n = 257; groß: > 30 Schweine/Bucht, n = 136. Im Durchschnitt betrug das Platzangebot 0,83 m2/Schwein (0,31 m2 bis 2,5 m2/Schwein). Das Welfare Quality® Protokoll ist ein vornehmlich tierorientiertes Indikatorensystem, das der umfassenden Beurteilung des Wohlergehens von Nutztieren auf Betriebsebene dient. Es beinhaltet vier verschiedene Stufen, über die aus den ursprünglich 34 Indikatoren in einem hierarchischen Aggregierungsprozess 12 Kriterien, 4 Grundsätzen und schließlich ein einziger Gesamtscore gebildet wird. Die Betriebe wurden auf dieser Basis als „ausgezeichnet“, „verbessert“, „akzeptabel“ oder „nicht klassifiziert“ eingestuft. Die drei Bestandsgrößen- sowie Gruppengrößen-Kategorien wurden anhand der Mittelwerte aus der Tierwohl-Bewertung des Protokolls miteinander vergleichen. Der Betrieb wurde als zufälliger Effekt berücksichtigt. Annähernd 80% der Betriebe wurden als „verbessert“ klassifiziert; alle anderen Betriebe als „akzeptabel“. Grundsätzlich ist das Tierwohl-Niveau damit als eher niedrig einzustufen. Die Bestandsgröße hatte keinen signifikanten Effekt auf die Ausprägung des Gesamtscores. Auf der Grundsatz- und auf der Kriterienebene konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den Bestandsgrößen-Kategorien abgesichert werden. Der Grundsatz „Gute Fütterung“ erzielte mit Abstand die höchste Punktzahl, obwohl das dazugehörige Kriterium „Abwesenheit von Durst“, aufgrund teilweise erheblicher Mängel bei der Wasserversorgung nicht die volle Punktzahl erreichte. Das Kriterium „Liegekomfort“ des Grundsatzes „Gute Haltung“ wird mit Hilfe des Verschmutzungsgrades und dem Vorkommen von Bursitis bewertet. Im Mittel waren auf den 60 Betrieben, unabhängig von der Bestandgröße, 34,7% der Schweine von moderater Bursitis betroffen. Damit war Bursitis der am häufigsten vorkommende Indikator. Der Verschmutzungsgrad der Tiere nahm dagegen signifikant mit steigender Bestandsgroße zu (P < 0,05): in kleinen Betrieben betrug der Anteil moderat verschmutzter Tiere 10,7%, in mittleren 14,7% und in großen Beständen 20,6%. Hierbei ist das Fütterungssystem als möglicher Einflussfaktor zu diskutieren. Der Score für das Kriterium „Bewegungsfreiheit“ betrug im Durchschnitt 72 von 100 erreichbaren Punkten. Unter Berücksichtigung der Tierschutz-Nutztierhaltungsverordnung (2006) wurde festgestellt, dass etwa 40% der Buchten überbelegt waren. Der Grundsatz „Gute Gesundheit“ erzielte mit durchschnittlich 29,1 von 100 Punkten den schlechtesten Wert aller Grundsätze. Das dazugehörige Kriterium „Abwesenheit von Verletzungen“ bezieht unter anderem den Indikator Wunden ein. Mit einem Durchschnitt von 10,5% moderat verwundeten Schweinen über alle 60 Betriebe ist der Anteil vergleichsweise hoch. Die Schlachtbefunde fließen in das Kriterium „Abwesenheit von Krankheiten“ ein. Der Anteil Tiere mit veränderten Lungen war in kleinen Betrieben (4,2%) tendenziell geringer als in mittleren (11,6%) und größeren Betrieben (10,7%). Bei dem Schwänzekupieren und Kastrieren der Ferkel wurde kein Anästhetikum verwendet. Dadurch erzielte das Kriterium „Abwesenheit von Schmerzen“ eine geringe Punktzahl. Der Grundsatz „Artgemäßes Verhalten“ erreichte im Schnitt ebenfalls nur einen geringen Score von knapp über 30 von 100 Punkten. Ursächlich hierfür waren Defizite beim Erkundungsverhalten (Kriterium „Sonstiges Verhalten“) und die schlechte Bewertung des „emotionalen“ Zustandes der Tiere. Intensive Haltungssysteme werden oft hinsichtlich der mangelnden Ausübung von arttypischen Normalverhalten kritisiert. Aus den Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass die Bestandsgröße als Indikator für unzureichendes Wohlergehen nicht geeignet ist. Eine hohe Anzahl an Mastschweinen pro Bestand deutet nicht automatisch auf eine niedrige Tierwohlbewertung hin. Hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen den drei Gruppengrößen-Kategorien und ausgewählten Indikatoren des Welfare Quality® Protokolls wurde festgestellt, dass die Gruppengröße einen signifikanten Effekt auf den Verschmutzungsgrad der Schweine (P < 0,05) hat. In der größten Gruppengrößen-Kategorie (15,8%) waren signifikant mehr Tiere moderat verschmutzt als in der kleinen Gruppengrößen-Kategorie (10,4%). Der Anteil moderat verwundeter Schweine nahm ebenfalls mit steigender Gruppengröße signifikant zu. In der größten Gruppengrößen-Kategorie (16,3%) war der Anteil signifikant höher als in der mittleren (11,3%) sowie der kleinen Gruppengrößen-Kategorie (8,5%). Sowohl die Indikatoren Verschmutzungsgrad und Verwundung stellen wichtige Parameter bezüglich tiergerechter Haltungssysteme da. Das Vorkommen von Schweinen mit moderater Bursitis wurde dagegen nicht von der Gruppengröße beeinflusst (P > 0,5). Allerdings wurde in großen Gruppen signifikant häufiger eine gute Mensch-Tier-Beziehung beobachtet. Damit war keine der untersuchten Gruppengrößen-Kategorien bezüglich der Indikatoren des Welfare Quality® Protokolls konsistent überlegen. Vielmehr scheint die Bedeutung der Gruppengröße, ebenso wie die der Bestandsgröße, hinsichtlich des Wohls der Tiere überschätzt zu sein. Gleichzeitig muss allerdings festgestellt werden, dass die Gesamtsituation u.a. auf Grundlage der erfassten Prävalenzen der Technopathien als unbefriedigend bezeichnet werden muss. Die Diskussion um Tierschutz und Tierwohl muss weiter geführt werden. Es müssen andere Faktoren wie z.B. das Management oder das Haltungssystem in den Fokus der Untersuchungen genommen werden, um das Tierwohl auf den Betrieben nachhaltig zu verbessern.

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