La forte croissance des populations humaines a engendré une intensification des milieux, surtout agricoles pour l’alimentation et l’élevage, résultant en une plus grande appropriation de la productivité primaire nette. La productivité primaire étant à la base des réseaux trophiques et écologiques, toute modification de ce processus essentiel est susceptible d’avoir de fortes conséquences sur la biodiversité. Par ailleurs, l’intensification est un processus complexe dont les trois dimensions – intrants, extrants et système – sont rarement étudiées de concert. Le cadre conceptuel et méthodologique HANPP (Human Appropriation of Net Primary Production) proposé par Helmut Haberl et collaborateurs en 2007, a pour objectif de quantifier différents paramètres de l’intensification. Dans un premier temps, les liens entre des composantes d’HANPP et d’autres indices d’intensification (i.e. HNV, IC/ha) ont été explorés afin de mieux interpréter la variabilité d’HANPP et ses composantes. HANPP semble lié à la fois aux dimensions « système » et « extrants » de l’intensité d’usage des sols et apparait comme complémentaire aux autres indicateurs testés. Dans un second temps, je me suis intéressée à la relation entre HANPP et biodiversité, à travers deux taxons complémentaires par leurs fonctions écosystémiques, i.e. les oiseaux et chiroptères. Grâce à l’utilisation de données issues de programmes de sciences participatives en France métropolitaine, j’ai pu montrer que l’intensification : i) diminuait la richesse spécifique, l’abondance et la masse moyenne des communautés de chiroptères, et ii) simplifiait la structure des communautés aviaires par l’abaissement du niveau trophique et de la régularité fonctionnelle, au bénéfice de spécialistes des milieux agricoles. Par ailleurs, j’ai pu observer que la réponse de la biodiversité pouvait grandement varier selon l’indicateur et/ou la facette (taxonomique ou fonctionnelle) étudiée. A travers mes analyses, j’ai pu clarifier les conditions d’utilisation du cadre méthodologique HANPP. J’ai également identifié des régions et types de paysage où l’intensité d’usage des sols peut coexister avec la biodiversité. L’ensemble de ces résultats forme le support à une discussion sur les opportunités pour concilier efforts de conservation et intensification. / The strong growth of Human populations has led to the intensification of land uses and land covers, especially in agricultural lands for food production and livestock, resulting in a higher appropriation of net primary productivity. As primary productivity is the root of food webs and ecological networks, any change in this essential process is likely to have a strong impact on biodiversity. Besides, intensification is a complex process whose three dimensions - inputs, outputs and system - are rarely studied together. The conceptual and methodological framework of HANPP (Human Appropriation of Net Primary Production) proposed by Helmut Haberl and collaborators in 2007, aims to quantify different parameters of intensification. First, I explored the variability of HANPP components and their relationships to other intensification indices (i.e. HNV, IC / ha) to better interpret the variability of HANPP and its components. HANPP seems to be linked to both the "system" and "output" dimensions of land use intensity and appears to complement the other indicators considered. Then, I investigated the relationship between HANPP and biodiversity, focusing on two taxa complementary in their ecosystem functions, i.e. birds and bats. Using data from citizen-science programs occurring in metropolitan France, I showed that intensification: i) decreased species richness, abundance and the average mass of bats, and ii) simplified the structure of avian communities by lowering the average trophic level and functional regularity, to the benefit of farmland specialists. In addition, I observed that the response of biodiversity could widely vary depending on the indicator and / or facet (taxonomic or functional) studied. Through my analyzes, I was able to clarify the conditions of use of the HANPP methodological framework. I also identified areas and types of landscape where land use intensity can coexist with biodiversity. All of these results form the basis for a discussion on opportunities to reconcile conservation efforts with intensification.

建蔽率、容積率為都市規劃及控制都市成長所必需之土地利用強度資訊，對這些資訊的狀況瞭解程度會影響整個都市規劃政策的好壞。而現行調查方式為人工現地調查，常需花費大量的人力與時間。實際上，數值航空攝影測量與地理資訊系統等技術的進步，已可應用於輔助建立這些方面的資訊。 本研究目的在結合數值航攝影像與地理資訊系統之技術，以應用於探求土地利用強度之相關資訊。研究主要從數值航攝影像中萃取三維空間資訊，利用地理資訊系統轉換成建蔽率及容積率等土地利用強度資訊。此外，為瞭解成果之精度，本研究亦曾以地面實際測量驗證數值航測成果，結果顯示，利用單像個別量測並利用前方交會計算高程之方式，已可達到精度之要求。除此之外，轉換後之建蔽率、容積率亦較建築物原計畫之建蔽率、容積率數據大約1.1∼1.2倍。研究顯示，在進行現地調查建蔽率、容積率之前，這種方式可為快速輔助判斷之良好工具。 / It needs the information of land use intensity to control the growth of cities, such as building coverage ratio and building bulk ratio. It spends much manpower and time to get the information. The improving technology of digital photogrammetry and geographic information systems can assist investigate and collect the information. The objective of this research has been to analyze the land use intensity with assistance of geographic information systems and digital photogrammetry. Digital aerial photographs have been used to collect 3-D spatial information of research area. This information has been imported into a geographic information system. Building coverage ratio and building bulk ratio of whole research area could be established thereafter. The information collected by digital photogrammetry has also been investigated and checked in situ. The results have indicated that: 1. The ratios of both building coverage ratio and building bulk ratio to the original planned record have been of 1.1~1.2. 2. The most suitable height of each floor is 3.3m when calculating the floor number of building in the research area. 3. Digital aerial photographs could be very useful when the information of land use intensity was required.

Computermodelle stellen heute ein Standardwerkzeug in vielen wissenschaftlichen Disziplinen dar. Einer ihrer Hauptzwecke ist die Verknüpfung von Prozessen verschiedener Skalen. Verzichtet man auf diese Verknüpfung im Modell, sind realistische Prognosen meist ausgeschlossen, bildet man die Realität 1:1 nach, wird das Modell unlösbar. Wichtig ist daher eine gute Balance zwischen Genauigkeit und Abstraktion. Ich untersuche Möglichkeiten, skalenübergreifende Interaktionen in der Landnutzungsmodellierung effizient zu implementieren. Fokus liegt dabei auf zwei Prozessen: 1.Der Nutzung hochaufgelöster Daten im Modell. 2.Dem technologischer Wandel als landwirtschaftlichem Treiber. Häufig können hochaufgelöste Daten augrund limitierter Modellkomplexität nicht direkt verwendet werden. Meist wird dieses Problem gelöst, indem die Daten nach einem statischen Aggregationsschema hochskaliert werden. Als Alternative diskutiere ich den Einsatz von Clusteralgorithmen. Meine Untersuchungen zeigen, dass der entstehende Informationsverlust bei Verwendung von Clusteralgorithmen signifikant geringer ist als bei der Verwendung statischer Aggregationsvorschriften. Ein weiterer in der Landwirtschaft wichtiger Prozess ist technologischer Wandel. Während in der Vergangenheit Steigerungen in der Produktion meist durch Landexpansion erreicht wurden, so geschieht dies heute häufig durch Intensivierung. Ich präsentiere eine Modellimplementierung dieses Prozesses mitsamt der Rückkopplung der Landnutzungsintensität auf die Effektivität zugehöriger Investitionen. Grundlage dafür ist ein neuentwickeltes Maß für landwirtschaftliche Landnutungsintensität. Damit zeige ich, dass die Effektivität von Investitionen mit steigender Landnutzungsintensität sinkt. Meine Arbeit zeigt, dass außer dem Detailgrad eines Modells auch die Struktur der verwendeten Implementierungen einen signifikanten Einfluss auf die generelle Qualität der Simulation hat und insgesamt mehr Beachtung in der Modellierung finden sollte. / Computer models have become a common tool in various disciplines. A major challenge in modeling is the linking of processes on different scales. Neglecting cross-scale interactions leads to biases in model projections while a 1:1 representation is computational infeasible. Therefore, a good balance between accuracy and abstraction is essential. I investigate efficient implementations of cross-scale interactions in agricultural land-use models. I focus on two dominant aspects: First, the inclusion of spatially explicit data in a global optimization model; second, the proper representation of technological change as a driver for land use change. As a consequence of limitations in complexity of global optimization models the problem arises that high-resolution data cannot be used directly as model input. Typically, the spatially explicit data is upscaled by using a static upscaling rule. As an alternative I discuss the use of clustering methods for upscaling. I provide a general framework including the creation of clusters, the upscaling of inputs, and the downscaling of outputs. My investigations show that the information loss due to upscaling decreases significantly with cluster methods compared to static grids. Another important process in agriculture is technological change. Whereas in the past increases in agricultural production were mainly achieved by agricultural land expansion, nowadays most increases in total production are outcome of intensification due to technological change. To model this feedback I introduce a measure for agricultural land-use intensity. Based on this measure I show that the effectiveness of investments in technological change decreases with the agricultural land-use intensity. My findings imply that apart from detailedness especially the implementation has a significant impact on general model quality. Therefore, in model development the framework used for implementation should be emphasized to a greater extent.

Les changements d'intensité dans l'utilisation des sols et la dégradation de l'environnement en raison de activités humaines ont entraîné une forte altération des écosystèmes tropicaux, en particulier dans les cours d'eau de tête de bassin de la savane néotropicale. Les pressions humaines liées à l'expansion agricole et à l'urbanisation ont conduit à une réduction drastique de la couverture végétale indigène, affectant les zones riveraines et altérant le fonctionnement des écosystèmes aquatiques. Il est urgent de quantifier et de prévoir comment les communautés aquatiques répondent aux changements de l'utilisation des sols pour guider les efforts de conservation et de gestion des ressources naturelles. Dans ce contexte, cette thèse visait à évaluer à quelles échelles spatiales la relation entre habitat et communautés de macroinvertébrés benthiques s'exprimait le plus fortement et comment l'intensité d'utilisation des sols affectait les relations trophiques et la composition en traits biologiques des communautés de macroinvertébrés benthiques. Dans le chapitre 1, j'évalue comment l'intensité d'utilisation des sols (représentée par un gradient depuis la végétation autochtone, au pâturage, et à la plantation de canne à sucre et la végétation indigène) influe sur les flux d'énergie et les niches trophiques des macroinvertébrés benthiques. Ensuite, j'ai évalué à quelle échelle spatiale (bassin versant, localité) et pour quelles variables, le lien entre la composition taxonomique et fonctionnelle des assemblages de macroinvertébrés benthiques était le mieux exprimé (chapitre 2). Enfin, j'ai montré que les perturbations anthropiques avait unj impact sur la diversité fonctionnelle des assemblages de macroinvertébrés benthiques (chapitre 3). Les résultats présentés ici montrent que les changements d'intensité de l'utilisation des sols conduisent les assemblages de macroinvertébrés benthiques vers des comportements d'alimentation plus généralistes avec un chevauchement des niches trophiques (chapitre 1). De plus, les variables environnementales à l'échelle locale et du bassin versant expliquent de façon significative les variations de la composition taxonomique et fonctionnelle des assemblages d'Ephéméroptères, Plécoptères et Trichoptères, mais les variables décrivant l'intensité d'utilisation des sols expliquent le mieux les différences de composition fonctionnelle entre les différents sites (chapitre 2). Enfin, J'ai montré que les sites quasi-naturels (dans des conditions de référence) ont des assemblages de macroinvertébrés plus spécialisés comparés aux sites perturbés (chapitre 3). Les résultats corroborent le fait que la biodiversité doit être évaluée en tenant compte de variables agissant à de multiples échelles spatiales et que les éléments fonctionnels des communautés biologiques doivent être considérés, en vue de la conservation et du développement d'outils prédictifs. Cette étude contribue à une meilleure compréhension de la structure et du fonctionnement des cours d'eau dans la savane néotropicale dans le contexte du développement d'outils d'évaluation environnementale. Ces approches contribueront à l'élaboration de mesures de gestion et de conservation plus appropriées et permettront d'examiner les conséquences futures d'une poursuite de la dégradation des conditions écologiques dans les cours d'eau tropicaux / Changes in land cover and use and the associated environmental degradation due to human activities have resulted in extreme alterations of tropical ecosystems, especially in headwater streams and their watersheds in the neotropical savanna. Human pressures related to agricultural expansion and urbanization have led to drastic reductions in native vegetation cover, affecting riparian zones and degrading aquatic ecosystem functioning. There is an urgent need to quantify and predict how aquatic communities respond to different intensities of land use to guide conservation and natural resource management efforts. This thesis aims to evaluate how spatial scales influence the relationship between habitat and benthic macroinvertebrate communities and how land use intensity affects the trophic relationships and biological traits of macroinvertebrates. In Chapter 1, we evaluated how the intensity of land use (represented by a gradient moving from native vegetation toward pasture and sugar cane plantations) influences the energy flow and trophic niches of macroinvertebrates. In Chapter 2, we investigated the spatial scales (e.g., catchment, local) that most influence the taxonomic and functional composition of macroinvertebrate assemblages. Finally, in Chapter 3, we examined the impacts of human pressures on the functional diversity of macroinvertebrate assemblages. we showed that the intensity of land use affects benthic macroinvertebrate assemblages, yielding more generalist feeding behaviors with greater overlap of trophic niches (Chapter 1). In addition, environmental variables at the local and catchment scales significantly explained the variations in the taxonomic and functional composition of Ephemeroptera, Plecoptera and Trichoptera assemblages, but land use variables best explained the differences in functional composition among sites (Chapter 2). Finally, we showed that less impacted sites (under reference conditions) had more specialized and more functional diverse macroinvertebrate assemblages compared to disturbed sites (Chapter 3). These results corroborate the idea that biodiversity should be evaluated at multiple spatial scales and that the functional elements of biological communities should be considered when aiming for conservation and the development of predictive tools. This study contributes to a better understanding of the structure and functioning of streams in the neotropical savanna by subsidizing the development of environmental assessment tools. Such approaches will contribute to the development of more appropriate management and conservation measures that will allow for evaluation of the impacts on biota of further degradation of the ecological conditions in tropical streams

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Made available in DSpace on 2016-06-02T19:29:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3657.pdf: 23563912 bytes, checksum: ceff0481d51dd5b9b20c1cb8cfdfe91f (MD5) Previous issue date: 2011-02-28 / Universidade Federal de Minas Gerais / The human activities are continually altering the ecosystems constituting an important environmental modifier agent, promoting changes in balance and dynamics of the landscape pattern and process. There are several examples of this interference, however the understanding of dimension and effects of human activities and the measures to aid in decision make are still incipient. In that sense, the watershed basin has been used as a physical-temporal component for natural resources planning, being supported by the use of landscape indicators, that has been proposed for better understanding the human activity influence in the ecosystems dynamics. This work analyzed the physical, socioeconomic and biotic factors interaction, in the integrity of the landscape, in the context of the watershed basin through indicators, between 1989 and 2009. The study area was the Medium-Superior Mogi-Guacu river watershed basin, inserted in the northeast area of the State of Sao Paulo, Brazil. This area was sub-divided in three geomorphological units (Cuestas Basalticas, Depressao Periferica and Planalto Ocidental) and in 12 geopolitical units, referring the municipal districts of its inclusion. It was proceeded the landscape environmental characterization and the use of the following indicators: topographical characteristics; landscape pattern; landscape structure (Landscape richness, Landscape diversity; Landscape naturalness (Urbanity and Hemeroby); landscape fragmentation, and the Index of Human Appropriation of the Liquid Primary Productivity (HANPP), considering the total area of the watershed basin (UGB), the geopolitical units (UGP) and thegeomorphological units (UGM). The data acquisition happened for field risings, bibliographical and of official documental sources. It was used LANDSAT TM-5 1989, 1999 and 2009 satellite images for land-use mapping, that subsidized the analysis of the landscape indicators, following specific literature. The correlation among the indicators was tested by models of linear regression and validated by Bootstrap method. It was observed a positive relation between HANPP and hemeroby; a weak positive relation between HANPP and urbanity and HANPP and steepness; a tiny positive relation between HANPP and slope orientation; a weak negative relation between HANPP and net road influence, and between HANPP and distance from highways; and tiny positive relation between HANPP and distance of urban settlements. The smallest values of HANPP were obtained in 1999 for all the landscape units. The landscape metric didn't show a significant correlation with HANPP, however, flotation of the values is verified among the years and between the units. For 1999 and for UGP-7 (municipal district of Luis Antonio) and UGP-11 (Santa Rita do Passa Quatro) registered the metric values that allow to infer better. / Padrão espacial e temporal das mudanças de uso da terra e sua relação com indicadores da paisagem. Estudo de Caso: Bacia Hidrográfica do Médio rio Mogi-Guaçu Superior (SP). O ser humano esta continuamente alterando os ecossistemas, constituindo de um relevante agente modificador do meio, promovendo mudancas no equilibrio e dinamica dos processos naturais. Diversos sao os exemplos desta interferencia, entretanto a compreensao da dimensao e dos efeitos das atividades humanas e as medidas para auxiliar na tomada de decisao ainda sao incipientes. Nesse sentido, a bacia hidrografica tem sido utilizada como um componente fisico-temporal para o planejamento e o gerenciamento dos recursos naturais, sendo auxiliada pelo uso de indicadores, que tem sido proposto para melhor compreensao da influencia antropica na dinamica dos ecossistemas. O presente trabalho analisou a interacao dos fatores fisico, socio-economicos e bioticos na integridade da paisagem, no contexto de bacia hidrografica por meio de indicadores, entre 1989 e 2009. A area de estudo compreende a Bacia Hidrografica do Medio Rio Mogi-Guacu Superior, inserida na regiao nordeste do Estado de Sao Paulo, Brasil e foi sub-dividida em tres unidades geomorfologicas (Cuestas Basalticas, Depressao Periferica e Planalto Ocidental) e em 12 unidades geopoliticas, referentes aos municipios de sua abrangencia. Procedeu-se a caracterizacao da paisagem e a geracao dos indicadores: de caracteristicas topograficas (Altimetria, Declividade, Orientacao de Vertentes), do padrao da paisagem (Numero de Fragmentos, Indice de Similaridade, Indice de Forma, Circulo Circunscrito Relacionado, Distancia Euclidiana do Vizinho mais Proximo, Indice de Area de Interior, Indice de Contraste de Borda), da estrutura da paisagem (Riqueza da Paisagem, Diversidade da Paisagem e Indice de Urbanidade), da fragmentacao (Influencia da Malha viaria, Proximidade de Rodovias, Proximidade de Estradas, Distancia de Areas Urbanas) e Indice de Apropriacao Humana da Produtividade Primaria Liquida (HANPP), considerando a area total da bacia hidrografica (UGB), as unidades geopoliticas (UGP) e as unidades geomorfologicas (UGM). A aquisicao de dados ocorreu por levantamentos de campo, bibliograficos e de fontes documentais oficiais. Utilizaram-se as imagens de satelite LANDSAT TM-5 de 1989, 1999 e 2009 para o mapeamento de uso e ocupacao da terra, que subsidiaram a analise dos indicadores, seguindo literatura especifica. A correlacao entre os indicadores foi testada por modelos de regressao linear e validados pelo metodo de reamostragem Bootstrap.Verificou-se que correlacao moderada positiva entre HANPP e hemerobia, fraca positiva entre HANPP e urbanidade e HANPP e declividade; infima positiva entre HANPP e orientacao de vertentes; fraca negativa entre HANPP e influencia da malha viaria e entre HANPP e distancia de estradas e de rodovias; e infima positiva entre HANPP e distancia de manchas urbanas. Os menores valores de HANPP foram obtidos em 1999 para todas as unidades de gerenciamento. As metricas da paisagem nao apresentaram correlacao significativa com HANPP, entretanto, verifica-se flutuacao dos valores entre os anos e entre as unidades, sendo que 1999 e as UGP- 7 (municipio de Luis Antonio) e UGP-11 (Santa Rita do Passa Quatro) registraram as metricas com valores que permitem inferir melhores condicoes para a conservacao da biodiversidade. Nessas unidades estao as duas unidades de conservacao de protecao integral da bacia hidrografica do Medio Rio Mogi-Guacu Superior. Como os indicadores utilizados neste trabalho mensuram principalmente a condicao das manchas e como estao espacializadas e a HANPP e eficaz na quantificacao da intervencao na paisagem como um todo, este estudo pode auxiliar na definicao dos fatores que podem interferir ou priorizar a ocupacao da terra, principalmente quando se destina a praticas agricolas.

Landwirtschaftliche Produktionssysteme basieren in vielen Weltregionen auf dem Einsatz von Bewässerung. Staudämme stellen einen Großteil der benötigten Wasserressourcen, jedoch wurden Zusammenhänge zwischen Staudämmen und Veränderungen im Landsystem bis heute kaum erforscht. Im Hinblick auf die steigende Nachfrage nach landwirtschaftlichen Erzeugnissen bedarf es eines besseren Verständnisses des Zusammenhangs zwischen Staudämmen, Bewässerung und landwirtschaftlichen Produktionssystemen. Daten und Methoden der Fernerkundung liefern synoptische und räumlich detaillierte Aufnahmen der Erdoberfläche mit großem Potential für die Untersuchung von landwirtschaftlichen Produktionssystemen. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, das gegenwärtige Verständnis des Zusammenhangs von Bewässerungsstaudämmen und Landsystemen mit Mitteln der Fernerkundung zu verbessern. In dieser Arbeit wurden großflächige Beschreibungen globaler und regionaler Agrarsysteme generiert, welche nachdrücklich das Potential von Daten und Methoden aus der Fernerkundung hervorheben. Das hohe thematische, räumliche und zeitliche Detail der Ergebnisse erlaubte einzigartige Einblicke in die raumzeitlichen Dynamiken von Bewässerungsfeldwirtschaft. Die im Zuge dieser Arbeit entstandenen Ergebnisse, Methoden, und Datensätze tragen maßgeblich zum heutigen Wissensstand in Bezug auf den Zusammenhang zwischen Bewässerungsstaudämmen und Landnutzungsintensität bei und liefern wichtige Einblicke zur Verbesserung zukünftiger Produktionsstrukturen. / A growing world population, and increasing demands for food, feed, fuel and fiber, substantially add pressure on the global land system. The construction of dams is a common strategy for boosting production outputs through irrigation. Reservoirs represent the most important source of irrigation water globally, but their effects on agricultural land systems are only poorly understood. Remote sensing emerges as a key tool for enabling spatially explicit assessments of dam-induced land system change due to its ability to provide spatially detailed, frequent, and synoptic observations of the land surface. The overall goal of this thesis was to assess the effects of irrigation dams on agricultural land systems on a global and regional scale, by making use of state-of-the art remote sensing data products and methods. A synthesis of the current scientific literature offered primary insights into dam-induced changes in agricultural systems, and raised the hypothesis that irrigation dams caused overall increases in agricultural land use intensity. On a global scale, satellite-based measurements of cropping frequency derived from MODIS-based map products attested to this finding, albeit a strong regional variability was apparent. Landsat-based time series methods were used on a national to regional scale, which further revealed strong spatio-temporal dynamics of irrigated agriculture. The results of this thesis add knowledge and spatially explicit insights on the effects of dams on agricultural land systems. The work further emphasizes the important role of remote sensing technologies in exploring future pathways of agricultural intensification.

Die Nutzung von terrestrischen Ökosystemen zur Befriedigung der Grundbedürfnisse der Menschheit hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Erdsystem und führte zur Ausprägung von anthropogen dominierten Landsystemen. Diese sind von hoher Komplexität, da sie aus einer Vielzahl von unterschiedlichsten Einflussfaktoren angetriebenen Landnutzungsveränderungen hervorgegangen sind. Aktuelle Forderungen nach einer nachhaltigen zukünftigen Landnutzung erfordern ein fundiertes und integratives Verständnis dieser Komplexität. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der raum-zeitlichen Muster und Determinanten des Landsystemwandels, insbesondere der Landnutzungsintensität, in Europa zwischen 1990 und 2010 zu erlangen. Europa ist ein interessantes Studiengebiet, da es jüngst starke Landnutzungsveränderungen erlebte und seine Heterogenität zu einer Vielfalt von Landsystemen und Landsystemveränderungen führte. Das Ziel der Arbeit wurde durch (i) die Kartierung von Intensitätsmustern und deren Veränderungen in Forst- und Agrarsystemen sowie der Ermittlung der dafür einflussreichsten räumlichen Determinanten und (ii) die Kartierung und Charakterisierung archetypischer Muster und Entwicklungsverläufe von Landsystemen untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten einen deutlichen Ost-West-Unterschied in Landsystemmustern und -veränderungen in Europa, mit intensiv genutzten und intensivierenden Regionen vor allem in Westeuropa. Dennoch wurde Europa vor allem durch relativ stabile Landsystemmuster gekennzeichnet und (De-)Intensivierungstrends waren nur von untergeordneter Bedeutung. Intensitätsmuster und -veränderungen waren stark an Standortbedingungen gebunden, vor allem an edaphische, klimatische, und länderspezifische Besonderheiten. Diese Arbeit erweitert das Verständnis des Landsystemwandels in Europa und kann zur Entwicklung wissenschaftlicher und politikbezogener Maßnahmen sowie zur Erreichung einer nachhaltigeren Landnutzung in Europa beitragen. / The utilisation of terrestrial ecosystems to satisfy the basic needs of humankind has profound impacts on the Earth System and led to the development of human-dominated land systems. These are substantially complex as they evolved from a multitude of land-change pathways driven by a variety of influential factors. Current calls for a more sustainable future land-use require a sound and integrative understanding of this complexity. The main goal of this thesis is to better understand the spatio-temporal patterns and the determinants of land-system change in Europe between 1990 and 2010, especially with regard to land-use intensity. Europe serves as an interesting study region as it recently experienced a period of marked land-use change, and since its large environmental, political, and socio-economic heterogeneity resulted in a diversity of land systems and land-change pathways. Land-system changes in Europe were examined by (i) mapping patterns and changes in forestry and agricultural intensity and identifying the most influential spatial determinants related to these changes, and (ii) mapping and characterising archetypical patterns and trajectories of land systems considering both land-use extent and intensity indicators. Results revealed a distinct east-west divide in Europe’s land-system patterns and change trajectories, with intensively used and intensifying regions particularly located in Western Europe. However, Europe was mainly characterised by relatively stable land-systems patterns with (de-) intensification trends being only of minor importance. Land-use intensity levels and changes were strongly related to site conditions, especially with regard to soil and climate, as well as to country-specific characteristics. By fostering the understanding of land-system change, this thesis has the potential to contribute to scientific and policy-related actions that address current efforts to guide future land systems in Europe to a more sustainable use.

Die landwirtschaftliche Landnutzung dominiert ein Drittel der Erdoberfläche und ist der größte Einflussfaktor des Biodiversitätsverlustes. Zudem wird prognostiziert, dass sich mit wachsender Erdbevölkerung und zunehmendem Bedarf an Ressourcen der Einfluss der landwirtschaftlichen Landnutzung auf die Biodiversität massiv ausweiten wird. Das Hauptziel dieser Dissertation war es, ein tieferes Verständnis über die Beziehung zwischen landwirtschaftlicher Landnutzung und Biodiversität auf globaler Skala zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen möchte diese Dissertation eine Brücke über drei Forschungslücken schlagen. Erstens, während sich bereits viele Studien mit der Auswirkung der landwirtschaftlichen Expansion auf die Biodiversität beschäftigt haben, untersuchten relativ wenige Arbeiten die Beziehung zwischen den vielen Facetten der landwirtschaftlichen Intensivierung und der Biodiversität. Zweitens, die meisten Studien hinsichtlich Landnutzung und Biodiversität haben die Auswirkungen auf lokaler bis regionaler Skala analysiert, wohingegen nur wenige diese Beziehung auf globaler Skala untersucht haben. Diese Lücke ist besonders kritisch in Bezug auf die Vorhersage des Artenreichtums – wobei traditionellerweise eher Umweltfaktoren als durch den Menschen bedingte Faktoren als wichtig für das Bedingen und Vorhersagen von großflächigen Mustern der Biodiversität angesehen werden. Drittens, angesichts des zunehmenden zukünftigen Bedarfes an Ressourcen ist ein besseres Verständnis bezüglich der Auswirkung der zukünftigen landwirtschaftlichen Landnutzung auf die Biodiversität nötig. Diese Dissertation erzielte Fortschritte darin Brücken über diese Forschungslücken zu schlagen durch (i) das Kartieren von Mustern vielfacher Metriken der Landnutzungsintensität und Biodiversität, (ii) das Verbessern der Arten-Areal-Beziehung durch die Einbindung von Landbedeckung und Landnutzungsintensitätsmetriken sowie (iii) das Identifizieren von Gebieten mit großer biologischer Vielfalt, die gefährdet sind hinsichtlich der Trajektorien potentieller zukünftiger Landnutzungsexpansion und –intensivierung. Die Muster der Landnutzungs-intensitätsmetriken waren heterogen verteilt in Gebieten mit hoher Biodiversität, was darauf hinweist, dass die Umweltschutzforschung vielfache Intensitätsmetriken einbeziehen sollte um zu verhindern, dass die Bedrohung für die Biodiversität unterschätzt wird. Weitere Ergebnisse zeigen, dass in der Vorhersage des globalen Artenreichtums die Landnutzungsintensität den Biomen in nichts nachsteht, wodurch eines der fundamentalsten Gesetze in der Ökologie erweitert wird und ein verbessertes Verständnis der großflächigen Muster im Artenreichtum erzielt wird. Die am stärksten gefährdeten Gebiete bezüglich des potentiellen zukünftigen landwirtschaftlichen Wandels wurden schließlich weitverbreitet in Lateinamerika und im subsaharischen Afrika gefunden. Dieses Ergebnis bot wichtige Erkenntnisse zur proaktiven Entschärfung von zukünftigen potentiellen Konflikten in der Beziehung zwischen Biodiversität und Landnutzung. In Anbetracht der großen Bedrohung, die die Landwirtschaft für die Biodiversität darstellt, hob diese Dissertation insgesamt die Komplexität und Bedeutung der Landnutzungsintensität in ihrer Beziehung zur Biodiversität hervor und identifizierte Gebiete mit hoher Biodiversität, welche bedroht sind von landwirtschaftlicher Landnutzung, sowohl in der Gegenwart als auch zukünftig. / Agricultural land use dominates one third of the Earth’s land surface and is the single biggest driver of biodiversity loss. Moreover, with a growing human population and a rising demand for resources, the impact of agricultural land use on biodiversity is projected to escalate. The main goal of this thesis was to gain a deeper understanding of the relationship between agricultural land use and biodiversity on a global scale. In approaching this goal, this thesis aims to bridge three main research gaps. First, while much research has addressed the effect of agricultural expansion on biodiversity, relatively little work has investigated the relationship between the many facets of agricultural intensification and biodiversity. Second, most studies on land use and biodiversity have assessed local to regional scale impacts, whereas few have assessed this relationship on a global scale. This gap is particularly critical in terms of predicting species richness – where environmental factors rather than human driven factors have traditionally been thought to be important in driving and predicting broad-scale patterns of biodiversity. Third, in light of growing future demand for resources, a better understanding is needed regarding the impact of future agricultural land use on biodiversity. This thesis made progress in bridging these research gaps by (i) mapping patterns of multiple metrics of land-use intensity and biodiversity, (ii) improving species-area relationships with the inclusion of land cover and land-use intensity metrics, and (iii) identifying highly biodiverse areas at risk under trajectories of potential future agricultural expansion and intensification. Patterns of land-use intensity metrics were heterogeneously distributed in areas of high biodiversity, suggesting that conservation research should include multiple intensity metrics in order to avoid underestimating biodiversity threat. Further results show land-use intensity was found to rival biomes in predicting global species richness, thus upgrading one of the most fundamental laws in ecology, and providing an improved understanding of broad-scale species richness patterns. Finally, areas most at-risk under potential future agricultural change were found to be widespread across Latin America and Sub-Saharan America. This delivered crucial insights in proactively mitigating future potential conflicts in the nexus of biodiversity and land use. Overall, considering the great threat agriculture poses to biodiversity, this thesis highlighted the complexity and importance of land-use intensity in its relationship with biodiversity and uncovered highly biodiverse areas threatened by agricultural land use, both currently and in the future.

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