Die anhaltende Entwaldung tropischer Regenwälder und die damit einhergehenden sozialen und ökologischen Folgen finden zunehmend Beachtung nationaler Regierungen und zivilgesellschaftlicher Akteure, die Initiativen zur Verringerung der Entwaldung und Strategien zum Schutz von Lebensräumen und Artenvielfalt entwickelt haben. Die Waldrestaurierung, d.h. die Wiederherstellung von Waldökosystemen, stellt hierbei, neben der Verringerung der Entwaldung, ein entscheidendes Ziel dar. Brasilien spielt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Rolle. Der Großteildes Amazonas-Regenwaldes, der größte zusammenhängende tropische Regenwald der Welt, liegt auf brasilianischem Gebiet. Nahezu 18% des brasilianischen Regenwaldes sind bereits gerodet. Landspekulation, Bergbau, und Landwirtschaft stellen die stärkste Bedrohung für die Existenz des Regenwaldes dar. Im Rahmen des Pariser Abkommens hat sich Brasilien dazu verpflichtet die Netto-Entwaldung bis 2030 zu stoppen und 12 Millionen Hektar Waldökosysteme wiederherzustellen. Eine zentrale Rolle für die Umsetzung der Verpflichtung kommt dem brasilianischen Waldschutzgesetz (BFC) zu, der wichtigsten brasilianischen Umweltgesetzgebung, die die Rahmenbedingungen für die Landnutzung auf privatem Landbesitz regelt. Im brasilianischen Amazon verlangt das BFC den Schutz von 80% der natürlichen Vegetation, als sogenanntes Legal Reserves (LRs). In der neusten Gesetzesversion von 2012 wurde erstmals der Umgang mit denjenigen Landbesitzern festgelegt, die den Gesetzesvorgaben nicht entsprechen. Es wird erwartet, dass die Umsetzung des neuen BFCs auf der einen Seite den Schutz der Wälder in den LRs gewährleistet und auf der andern Seite, unter Mitwirkung der Landbesitzer, zu ein großflächige Waldrestaurierung führt. Vor diesem Hintergrund ist das Ziel dieser Dissertation die Potenziale des BFC für den Schutz der Ur- und den nachwachsenden Wäldern zu ermitteln. Im Speziellen habe ich in der vorliegenden Dissertation (i) die Raum-Zeitlichen Veränderungen der Waldflächen im Einflussbereich der Bundesstraße BR-163, zwischen Cuiabá und Santarém, analysiert; (ii) das Potenzial der BFC für den Schutz der des Regenwaldes und für die Waldrestaurierung bewertet; und (iii) prioritäre Gebiete für ein großflächige Waldrestaurierung, unter Einbezug von Kosten, Biodiversität und Kohlenstoffspeicherung, identifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Großteil der massiven Entwaldung in der Region zwischen Cuiabá und Santarém auf privaten Grundstücken stattfand. Dies lässt auf eine weitverbreitete Nichteinhaltung des BFCs schließen. Hohe Netto-Entwaldungsraten und eine rückläufige Verbreitung nachwachsenden Waldes deutet darauf hin, dass die Region weit von einer Trendwende von Netto-Waldverlust, zu Netto-Waldzuwachs entfernt ist. Um eine Ausbreitung der Wälder voranzutreiben, ist es daher notwendig, das Management der Ur- und nachwachsenden Wälder zu verbessern. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass mehr als 6 Millionen Hektar der derzeitigen Waldregeneration geschützt und ein Drittel der LR-Defizite ausgeglichen werden könnten, wenn die nachwachsenden Wälder in die Schutzzonen der LRs einbezogen werden. Die künftige Regulierung der BFC-Ausgleichsmechanismen wird einen entscheidenden Effekt auf die Waldrestaurierung und den Schutz der Urwälder haben. Die Analyse möglicher Regulierungs-Szenarien hat deutliche Variation zwischen prioritären Gebieten für die Waldrestaurierung in Mato Grosso gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Waldrestaurierung auf privaten Grundstücken entscheidend für den Schutz von Biodiversität ist. Demgegenüber zeigt sich die Wiederherstellung von Waldökosystemen auf öffentlichem Land kostengünstiger und effektiver für die Kohlenstoffspeicherung. Die Ergebnisse demonstrieren die Relevanz detaillierter räumlicher Informationen zu Landbesitz und Landnutzungsänderungen, um die Auswirkungen von neuen rechtlichen Rahmenbedingungen für den Waldschutz und die Waldrestaurierung in tropischen Gebieten zu untersuchen. Die Schätzungen der derzeit nachwachsenden Waldflache, und dessen Schutzstatus, sind entscheidend um die nationalen Ziele der Waldrestaurierung zu erreichen. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass ein besseres Management von nachwachsenden Waldökosystemen durch Bundes- und Landesgesetze notwendig ist, und neue Strategien und Mechanismen, die den Schutz nachwachsenden Wäldern sicherstellen, erarbeitet werden müssen. / Continued tropical forests decline has drawn concerted attention by governments and distinct sectors of the civil society, which have responded with anti-deforestation policies and conservation strategies. Alongside conservation, large-scale forest restoration is crucial for counteracting the negative impacts of deforestation on socio-ecological processes. In this context, Brazil plays a pivotal role. Most of the Amazon, the largest continuous tropical forest in the world, lies within the Brazilian territory. Nearly 18% of the Brazilian Amazon forest cover was already lost, and land speculation, mining, and agricultural expansion continue to threaten the forest. Therefore, cutting back land use change emissions is a major pillar of Brazil’s commitment to the Paris Agreement, which includes the plan to achieve zero net deforestation in the Amazon and restore 12Mha of forests countrywide by 2030. In this thesis I focused on the Brazilian Forest Code (BFC), the flagship environmental legislation governing land use in private lands of Brazil. In forestlands of the Amazon biome, the BFC requires the protection of 80% of the native vegetation as Legal Reserves (LRs). The latest version of the law, from 2012, also established the compliance conditions for past law offenders. Particularly, there are high expectations that the enforcement of the BFC will secure the protection of forests in LRs, and drive large-scale forest restoration. Therefore, my overall goal was to advance the knowledge about the potential of the BFC enforcement for the conservation of old- and regrowing forests in the Brazilian Amazon. Specifically, I (i) investigated the spatio-temporal patterns of net forest cover change for the influence area of the Cuiabá-Santarém highway, crossing the federal states of Pará and Mato Grosso in the Brazilian Amazon; (ii) evaluated the potential of the BFC enforcement for the protection of old and regrowing forests in the Brazilian Amazon, and estimated the contribution of regrowing forests for LRs demarcation; and (iii) applied a multicriteria analysis to map priority areas for large-scale forest restoration in private and public lands of Mato Grosso, contrasting the costs of restoration with the gains for biodiversity and carbon enhancement. Results show that the Cuiabá-Santarém focus region accumulated substantial deforestation, most of which on private lands, indicating a widespread non-compliance to the BFC. High net deforestation rates and decreasing prevalence of forest regrowth on deforested lands, indicates that this region is not near experiencing a turnaround from net forest losses to net forest gains. Hence, to promote forest expansion, it will be necessary to improve old- and regrowing forests governance. In this regard, results showed that if regrowing forests are included in LRs demarcation, over 6Mha of ongoing forest regeneration could be protected, and one third of LRs deficits could be offset. Also, the future regulation of BFC compensation mechanisms will be key for determining the potential of the law for promoting restoration and old-growth forests protection additionality. Finally, a substantial variation in the spatial distribution of priority areas for forest restoration was identified across Mato Grosso, and for different scenarios. Private properties were key to enhance intensively deforested habitats, while restoration in public lands was more effective in reducing restoration costs and mitigating carbon. The findings of this thesis demonstrate the importance of detailed spatial information on land tenure and land use change in tropical areas, to support spatial planning, and address the potential of legal frameworks for promoting forest conservation and restoration. The estimates of legal protection of current regrowing forests have strong implications for Brazil’s restoration targets. They call for an improved treatment of second-growth forests by federal and state legislations, and the creation of policy and mechanisms able to secure the protection of high-value regrowing forests.

Die Gletscherschmelze in den südlichen Anden trägt maßgeblich zum Anstieg des Meeresspiegels der letzten Jahrzehnte bei und beeinflusst regional die saisonale Wasserverfügbarkeit. In jüngster Zeit wurde eine rapide Zunahme der Massenverluste insbesondere einzelner großer Auslassgletscher des Südlichen Patagonisches Eisfeldes beobachtet. Im Rahmen der Dissertation wurden die rezente Variabilität des Klimas und der klimatischen Massenbilanz für ausgewählte vergletscherte Gebiete in Patagonien und Feuerland untersucht. Die Verbesserung unseres Verständnisses über räumliche und zeitliche Muster der klimatischen Massenbilanz, ihrer atmosphärischen Antriebsfaktoren und ihres Einflusses auf das in jüngster Vergangenheit beobachtete individuelle Gletscherverhalten, sind weitere wichtige Ziele. Da die Klimavariabilität die Hauptursache für lokale Veränderungen in der Kryosphäre der südlichen Anden ist, wurden langjährige meteorologische Beobachtungen im Gebiet der Gran Campo Nevado-Eiskappe im südlichsten Patagonien im Hinblick auf räumliche und zeitliche Variabilität untersucht und der Einfluss mesoskaliger Wettermuster und Modi atmosphärischer Oszillationen auf die Ausprägung des Klimas analysiert. Darüber hinaus wurde die rezente Variabilität der klimatischen Massenbilanz für ausgewählte Gletscher in Südpatagonien und Feuerland durch die Implementierung des Energie- und Massenbilanzmodells COSIMA simuliert. Eine unterschiedliche Ausprägung der Oberflächenmassenbilanz und geodätischer Massenbilanz unterstreicht wie wichtig ein besseres Verständnis über die Prozesse der klimatischen Massenbilanz und Eisdynamik ist. Des Weiteren wurden Simulationen der klimatischen Massenbilanz eingesetzt, um eine ausgeglichene Massenbilanz für rezente und vergangene Ausdehnungen des Gletschers Schiaparelli abzuleiten. Ziel war es, eine modellgestützte Annäherung an die klimatischen Bedingungen während der Kleinen Eiszeit zu simulieren. / Glacier mass loss of the Southern Andes contributes largely to sea-level rise during recent decades and also affects the regional water availability. Despite the overall glacier retreat of most glaciers in Patagonia and Tierra del Fuego, a recent increase in mass loss of individual glaciers has been observed. The recent variability of climate and climatic mass balance for selected glaciated study sites in Patagonia and Tierra del Fuego are investigated in this thesis. Improving our understanding on the spatial and temporal variations of climatic mass balance processes, its atmospheric drivers, and their impact on the recently observed individual glacier behavior are further important aims. Since climate variability is the key driver of local changes in the cryosphere in the Southern Andes, a unique record of meteorological observations across the Gran Campo Nevado Ice Cap in Southernmost Patagonia was analyzed with regard to main climate features and the relationship between the in-situ observations, large-scale climate modes and mesoscale weather patterns. Furthermore, recent climatic mass balance variability was simulated for selected glaciers in Southern Patagonia and Tierra del Fuego by implementing the ’COupled Snow and Ice energy and MAss balance model’ COSIMA. Contrasting patterns of positive simulated annual climatic mass balance and clearly negative geodetic mass balance were found for two neighboring glaciers of the Southern Patagonia Icefield between 2000 and 2014. This highlights the importance of understanding of both, the climatic mass balance, and the ice-dynamical processes. Climatic mass balance simulations were further used to derive glacier steady-state conditions for recent and past glacier extents of Schiaparelli Glacier, aiming for a model-based approximation of climate conditions during the Little Ice Age.

Das Amazonasgebiet hat in den letzten Jahrzehnten eine Intensivierung der menschlichen Aktivitäten erfahren, die in Verbindung mit häufigen schweren Dürren die Umwelt anfälliger für Brände gemacht hat. In dieser Dissertation wurden Fernerkundungsdaten analysiert, um die räumlich-zeitliche Verteilung der Feuer in den letzten 20 Jahren im brasilianischen Amazonasgebiet umfassend zu untersuchen und die verschiedenen Brandursachen zu entschlüsseln. (I) Die erste Forschungsarbeit wertete die Verteilung der verbrannten Fläche aus und zeigte, dass die meisten Brände auf bewirtschafteten Weiden und in den immergrünen Tropenwäldern auftraten, was die Behauptung stützt, dass ihr Auftreten stark auf anthropogene Landnutzungsänderungen reagiert. Die Ergebnisse zeigten auch, dass weder Entwaldung noch Walddegradierung mit Waldbränden korrelierte, wohl aber Feuer, die auf Weiden oder Ackerflächen gelegt wurden und in den angrenzenden Wald übergesprungen sind. (II) Die zweite Forschungsarbeit analysierte einzelne Brände, die durch den auf komplexen Netzwerken basierenden FireTracks-Algorithmus identifiziert wurden. Der Algorithmus wurde verwendet, um Feuerregime für sechs verschiedene Landnutzungsklassen zu ermitteln. Die integrierte Größe, Dauer, Intensität und Ausbreitungsrate dieser räumlich-zeitlichen Brandcluster in den verschiedenen Landnutzungstypen zeigte auf, wie seltene Waldbrände, die natürlicherweise nicht in immergrünen tropischen Wäldern vorkommen, sich zu einem Feuerregime entwickelten, das für Savannenbrände typisch ist. (III) Die dritte Forschungsarbeit analysierte extreme, d. h. die intensivsten Einzelfeuer in immergrünen tropischen Wäldern, und zeigte deren großen Anteil an der insgesamt verbrannten Waldfläche. Während der globale Klimawandel das Potenzial hat, die Trockenheit zu verstärken, sind die anthropogenen Ursachen der Waldzerstörung die Zündquellen, die die Verteilung extremer Brände in den empfindlichen tropischen Wäldern bestimmen. / The Amazon region has experienced an intensification of human activities in the last decades, which combined with frequent severe droughts has led to an environment more susceptible to fire. Remotely sensed data is employed to comprehensively analyse the spatio-temporal fire distribution in the Brazilian Legal Amazon over the past 20 years to disentangle the diverse fire drivers in the region. Special focus is given to burned tropical evergreen forests.  (I) The evaluation of the burned area distribution revealed that most of it occurred in pastures and tropical evergreen forests, supporting the claim that fire incidence responds strongly to anthropogenic land-use changes. The results also showed that neither deforestation nor degradation correlated with forest fires, but escaping fires from pastures and agriculture do. (II) The analysis of individual fires identified by the complex networks based FireTracks algorithm led to the characterization of six different land cover-dependent fire regimes (fire size, duration, intensity, and rate of spread), which uncovered how evergreen forest fires have escalated from being naturally rare to showing characteristics more typical of savanna fires. (III) The analysis of extreme (most intense) fires in evergreen forests showed their large contribution to the total forest burned. While global climate change has the potential to increase drought conditions, anthropogenic drivers of forest degradation provide the ignition sources that determine extreme fire distribution in the tropical forests. The findings call for the development of control and monitoring plans to prevent fires from escaping from managed lands into forests, better management techniques to support effective land use and ecosystem management, targeting forest degradation in addition to deforestation, and considering the human factor in fire ignition and spread in Dynamic Global Vegetation Models in order to reduce uncertainty in fire regime projections.

Diffuse Phosphor (P)-Austräge aus der Landwirtschaft tragen zur Gewässereutrophierung bei. Der Phosphorsättigungsgrad (DPS) ist ein etablierter Parameter, um das P-Austragsrisiko aus Böden zu erfassen. Ein bodentypunabhängiger Ansatz, der die Abschätzung des DPS durch eine einfache Standardmethode wasserlöslichen P (WSP) ermöglicht (WSP-DPS-Ansatz), wurde an europäischen Böden entwickelt. In der Dissertation wurde dieser Ansatz erstmalig: i) an tropischen Böden getestet und ii) dazu verwendet P-Austragsrisiken von Boden-P-Monitoringdaten und von landwirtschaftlichen Institutionen empfohlenen P-Gehalten abzuleiten. Neben dem DPS wurde der Einfluss der in Brasilien gängigen anorganischen Oberflächendüngung auf das Austragsrisiko mittels Laboranalysen und Feldstudien erfasst. Die Bodentypunabhängigkeit des WSP-DPS-Ansatzes wurde für Böden Brasiliens bestätigt. Infrarotspektroskopische Analysen lieferten eine Erklärung für relativ niedrige gelöste P-Konzentrationen im Oberflächenabfluss von Oxisols. Pedotransferfunktionen zwischen WSP und Methoden, die in Brasilien und Deutschland zur Abschätzung pflanzenverfügbaren P verwendet werden, ermöglichten die Berechnung von DPS-Werten aus Monitoringdaten. Erste DPS-Karten zeigten relative geringe Austragsrisiken für das Untersuchungsgebiet in Brasilien und hohe Risiken für Deutschland, die teilweise durch unterschiedliche empfohlene Boden-P-Gehalte erklärbar waren. Um mit einer einfachen und kosteneffizienten Methode sowohl die landwirtschaftliche Produktion als auch den Gewässerschutz zu berücksichtigen, wurden die Wasser- und CaCl2-Methode zur Abschätzung von pflanzenverfügbarem P mit dem WSP-DPS-Ansatz kombiniert. Dieser Ansatz könnte helfen die Herausforderungen zu lösen mit denen die Menschheit in den nächsten Jahrzehnten bezüglich P in der Landwirtschaft konfrontiert sein wird: Einer effizienten Nutzung der limitierten Ressource P und dem Schutz der Gewässer vor diffusen P-Einträgen. / Diffuse phosphorus (P) losses from agriculture contribute to the eutrophication of surface waters. The degree of P saturation (DPS) is an established parameter for assessing the risk of P loss from agricultural soils. A soil type-independent approach for estimating the DPS by a simple standard method of water-soluble phosphorus (WSP; the WSP-DPS approach) was developed on European soils. In the thesis, the WSP-DPS approach was for the first time: i) tested on tropical soils and ii) used to derive P loss risks from soil P monitoring data and from recommended soil P levels by agricultural institutions. In addition to DPS, laboratory analyses and field studies were combined to assess the risk of P loss associated with the superficial application of inorganic fertilizer, which is commonly used in Brazil. The soil type-independency of the WSP-DPS approach was confirmed for soils of Brazil. Infrared spectroscopic analyses provided an explanation for the relatively low dissolved P concentrations in the surface runoff of Oxisols. Pedotransfer functions were determined between WSP and methods used to estimate plant-available P in Brazil and Germany and allowed for the transformation of soil P monitoring data into DPS values. The first DPS maps revealed relatively low P loss risks for the investigation area in Brazil and high risks for Germany. This difference was partly explainable by the recommended soil P levels in the two countries. To consider both agricultural production and the protection of surface waters in soil P management with a simple and cost-effective method, the soil test methods of using water and CaCl2 to estimate plant-available P and the WSP-DPS approach were combined. This approach could help to solve the challenges humanity faces regarding P in agriculture in the coming decades: An efficient use of the limited resource P and the protection of surface waters from diffuse P losses.