Trockengebiete, die etwa 40% der globalen Landoberfläche abdecken, Lebensgrundlage für 2 Millionen Menschen bilden, einzigarte Biodiversität enthalten und wichtige Ökosystemdienstleistungen bereitstellen, sind beträchtlichem Druck durch Landnutzungs- und Klimawandel ausgesetzt. Die räumlichen Muster dieser Landnutzungsänderungen sowie deren Ursachen sind jedoch nur in Ansätzen verstanden. Fernerkundung kann Veränderungen großräumig beobachten, aber Methoden fehlen, um diese Veränderungen, die graduell und abrupt (z.B. Feuer) auftreten können, abzuleiten. Die Ziele dieser Dissertation waren die Entwicklung fernerkundlicher Methoden, um verschiedene Landnutzungsänderungen in mediterranen Ökosystemen zu quantifizieren und um den Einfluss verschiedener Landnutzungsprozesse auf das Feuerregime besser zu verstehen. Die griechische Insel Kreta wurde als Untersuchungsgebiet gewählt. Zuerst wurden basierend auf Trendanalysen von Landsatzeitreihen verschiedene Vegetationsmaße verglichen. Demnach führen einfache Vegetationsmaße zu ähnlich guten Ergebnissen und ermöglichen eine effiziente Beobachtung großer Gebiete. Anschließend wurden Veränderungstrajektorien abgeleitet, um graduelle und abrupte Prozesse zu unterscheiden und um zu analysieren, wie Landnutzungssysteme und Feuerregime sich auf Kreta ausgewirkt haben. Mittels einer statistischen Modellierung wurde der relative Einfluss von Landnutzungsprozessen auf das Feuerregime quantifiziert. Die Ergebnisse zeigten ein komplexes Muster von graduellen Vegetationsveränderungen und Feuern und deuten darauf hin, dass Feuer hauptsächlich vom Beweidungssystem abhängt. Feuer traten häufig am Fuße der Berge auf, wohingegen in den Berggebieten Vegetationszunahme vorherrscht. Die statistische Modellierung bestätigte, dass Extensivierung und Klima die Hauptursachen des kretischen Feuerregimes sind. So ist zu vermuten, dass sich das ehemals durch Brennmaterial limitierte Feuerregime zu einem trockenheitsgetriebenen entwickeln wird. / Drylands cover about 41% of the earth’s surface, sustain the livelihoods of 2 billion people, harbor unique biodiversity and provide important ecosystem services, but land use and climate change exert considerable pressure on these ecosystems. However, pattern and drivers of land use change are weakly understood. Remote sensing can monitor these changes for large areas but methods to detect both gradual and abrupt events like fires are missing. The main objectives of this thesis were to develop remote sensing based methods to better quantify the impact of land use change on fire-prone Mediterranean ecosystems, and to apply these methods to better understand the influence of different land use processes on fire regimes. The island of Crete (Greece) served as study region where diverging land use transformation are extensive, fires are frequent and environmental gradients are large. First, the trade-off between different vegetation estimates when using Landsat-based trend analyses was quantified. The results suggested that simple vegetation estimates perform equally well and thus, allow for effective mapping of large areas. Second, a trajectory change detection approach was applied to separate gradual changes from abrupt events and to answer the question how land use systems and fire regimes have affected Crete’s rangelands. Statistical modeling was then used to quantify the relative importance of land use processes in driving the fire regime. The results show that vegetation changes resulted in complex pattern of gradual changes and fires likewise. The fire regime appeared to be mainly driven by changing grazing systems. Fires were frequent in foothills whereas mountains showed increasing vegetation as a result of land abandonment. The statistical modeling confirmed that land extensification and climate are the primary drivers of fire regimes on Crete. The results suggest that the former fuel-limited fire regime will likely shift towards a drought-driven fire regime.

Untersuchungen zur Rolle natürlicher Störungen in der Vegetation bzw. in Ökosystemen zeigen, dass natürliche Störungen ein essentielles und intrinsisches Element in Ökosystemen darstellen, substanziell zur Vitalität und strukturellen Diversität der Ökosysteme beitragen und Stoffkreisläufe sowohl auf dem lokalen als auch auf dem globalen Niveau beeinflussen. Feuer als Grasland-, Busch- oder Waldbrand ist ein besonderes Störungsagens, da es sowohl durch biotische als auch abiotische Umweltfaktoren verursacht wird. Es beeinflusst biogeochemische Kreisläufe und spielt für die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre durch Freisetzung klimarelevanter Spurengase und Aerosole aus der Verbrennung von Biomasse eine bedeutende Rolle. Dies wird auch durch die Emission von ca. 3.9 Gt Kohlenstoff pro Jahr unterstrichen, was einen großen Anteil am globalen Gesamtaufkommen ausmacht.<br /> <br /> Ein kombiniertes Modell, das die Effekte und Rückkopplungen zwischen Feuer und Vegetation beschreibt, wurde erforderlich, als Änderungen in den Feuerregimes als Folge von Änderungen in der Landnutzung und dem Landmanagement festgestellt wurden. Diese Notwendigkeit wurde noch durch die Erkenntnis unterstrichen, daß die Menge verbrennender Biomasse als ein bedeutender Kohlenstoffluß sowohl die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und das Klima, aber auch die Vegetationsdynamik selbst beeinflusst. Die bereits existierenden Modellansätze reichen hier jedoch nicht aus, um entsprechende Untersuchungen durchzuführen. Als eine Schlussfolgerung daraus wurde eine optimale Menge von Faktoren gefunden, die das Auftreten und die Ausbreitung des Feuers, sowie deren ökosystemare Effekte ausreichend beschreiben. Ein solches Modell sollte die Merkmale beobachteter Feuerregime simulieren können und Analysen der Interaktionen zwischen Feuer und Vegetationsdynamik unterstützen, um auch Ursachen für bestimmte Änderungen in den Feuerregimes herausfinden zu können. Insbesondere die dynamischen Verknüpfungen zwischen Vegetation, Klima und Feuerprozessen sind von Bedeutung, um dynamische Rückkopplungen und Effekte einzelner, veränderter Umweltfaktoren zu analysieren. Dadurch ergab sich die Notwendigkeit, neue Feuermodelle zu entwickeln, die die genannten Untersuchungen erlauben und das Verständnis der Rolle des Feuer in der globalen Ökologie verbessern.<br /> <br /> Als Schlussfolgerung der Dissertation wird festgestellt, dass Feuchtebedingungen, ihre Andauer über die Zeit (Länge der Feuersaison) und die Streumenge die wichtigsten Komponenten darstellen, die die Verteilung der Feuerregime global beschreiben. Werden Zeitreihen einzelner Regionen simuliert, sollten besondere Entzündungsquellen, brandkritische Klimabedingungen und die Bestandesstruktur als zusätzliche Determinanten berücksichtigt werden. Die Bestandesstruktur verändert das Niveau des Auftretens und der Ausbreitung von Feuer, beeinflusst jedoch weniger dessen interannuelle Variabilität. Das es wichtig ist, die vollständige Wirkungskette wichtiger Feuerprozesse und deren Verknüpfungen mit der Vegetationsdynamik zu berücksichtigen, wird besonders unter Klimaänderungsbedingungen deutlich. Eine länger werdende, vom Klima abhängige Feuersaison bedeutet nicht automatisch eine im gleichen Maße anwachsende Menge verbrannter Biomasse. Sie kann durch Änderungen in der Produktivität der Vegetation gepuffert oder beschleunigt werden. Sowohl durch Änderungen der Bestandesstruktur als auch durch eine erhöhte Produktivität der Vegetation können Änderungen der Feuereigenschaften noch weiter intensiviert werden und zu noch höheren, feuerbezogenen Emissionen führen. / Studies of the role of disturbance in vegetation or ecosystems showed that disturbances are an essential and intrinsic element of ecosystems that contribute substantially to ecosystem health, to structural diversity of ecosystems and to nutrient cycling at the local as well as global level. Fire as a grassland, bush or forest fire is a special disturbance agent, since it is caused by biotic as well abiotic environmental factors. Fire affects biogeochemical cycles and plays an important role in atmospheric chemistry by releasing climate-sensitive trace gases and aerosols, and thus in the global carbon cycle by releasing approximately 3.9 Gt C p.a. through biomass burning. <br /> <br /> A combined model to describe effects and feedbacks between fire and vegetation became relevant as changes in fire regimes due to land use and land management were observed and the global dimension of biomass burnt as an important carbon flux to the atmosphere, its influence on atmospheric chemistry and climate as well as vegetation dynamics were emphasized. The existing modelling approaches would not allow these investigations. As a consequence, an optimal set of variables that best describes fire occurrence, fire spread and its effects in ecosystems had to be defined, which can simulate observed fire regimes and help to analyse interactions between fire and vegetation dynamics as well as to allude to the reasons behind changing fire regimes. Especially, dynamic links between vegetation, climate and fire processes are required to analyse dynamic feedbacks and effects of changes of single environmental factors. This led us to the point, where new fire models had to be developed that would allow the investigations, mentioned above, and could help to improve our understanding of the role of fire in global ecology. <br /> <br /> In conclusion of the thesis, one can state that moisture conditions, its persistence over time and fuel load are the important components that describe global fire pattern. If time series of a particular region are to be reproduced, specific ignition sources, fire-critical climate conditions and vegetation composition become additional determinants. Vegetation composition changes the level of fire occurrence and spread, but has limited impact on the inter-annual variability of fire. The importance to consider the full range of major fire processes and links to vegetation dynamics become apparent under climate change conditions. Increases in climate-dependent length of fire season does not automatically imply increases in biomass burnt, it can be buffered or accelerated by changes in vegetation productivity. Changes in vegetation composition as well as enhanced vegetation productivity can intensify changes in fire and lead to even more fire-related emissions. <br><br> ---<br> Anmerkung:<br> Die Autorin ist Trägerin des von der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Potsdam vergebenen Michelson-Preises für die beste Promotion des Jahres 2002/2003.

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.