Im Rahmen der Umsetzung der EU Wasserrahmenrichtlinie sind Maßnahmepläne gefordert, welche den Stoffeintrag in Oberflächengewässer minimieren. Da der Sedimenteintrag an das Vorhandensein von Oberflächenabfluss gebunden ist, müssen beide Prozesse im Zusammenhang betrachtet werden. Für die Einschätzung der Wirksamkeit ist eine quantitative Bewertung dieser Maßnahmen notwendig. Dafür sind Modellrechnungen ein unerlässliches Hilfsmittel. In der vorliegenden Arbeit wurde das Modell EROSION 3D als geeignetes Instrument zur Quantifizierung des Landnutzungs- und Bewirtschaftungseinflusses auf den Wasserrückhalt in der Fläche und den Sedimenteintrag in Gewässer, angewendet. Das Modell ermöglichte zudem eine Abbildung von Erosion und Abfluss in einer hohen räumlichen Auflösung (5 m Rasterweite). Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit haben bestätigt, dass die Landnutzung Einfluss auf den Oberflächenabfluss und insbesondere auf den Sedimenteintrag in Gewässer nimmt. Maßnahmen wie eine Erhöhung des Wald- sowie Grünland / Direktsaatanteils wirken sich reduzierend auf den Oberflächenabfluss und die Bodenerosion aus. Es hat sich gezeigt, dass der Landnutzungseinfluss mit zunehmender Abflusswirksamkeit eines Starkregenereignisses und zunehmender Anfangsbodenfeuchte sinkt. Während sich im Falle des 5 jährigen Extremereignisses der Abflussbeiwert zwischen vollständiger Bewaldung des UG Oberreichenbach und realem Nutzungszustandes (konventionelle Bewirtschaftung der Ackerflächen) um 100 % unterscheidet, liegt der Unterschied beim Hochwasserereignis vom August 2002 zwischen beiden nur noch bei ca. 20 %. Hingegen bleibt die Wirkung der Landnutzung auf die Bodenerosion auch bei Starkregenereignissen hoher Abflusswirksamkeit erhalten. Für das lössgeprägte Untersuchungsgebiet Klatschbach konnte bestätigt werden, dass eine konservierende Bewirtschaftung im Vergleich zur konventionellen Variante zu einer signifikanten Abflussminderung führt. In Bezug auf den Erosionsschutz ist die konservierende Bewirtschaftung für beide Untersuchungsgebiete als sehr geeignete Maßnahme einzuschätzen, da hierdurch eine Reduzierung des Sedimenteintrages um etwa 95 % erreicht werden kann. Als noch wirksamer für den Hochwasser- und Erosionsschutz erwies sich eine Umstellung der Bewirtschaftung auf Grünland oder Direktsaat. Selbst bei einem 100 jährigen Extremereignis und hoher Anfangsbodenfeuchte wurden für beide Untersuchungsgebiete Abflussminderungen von mindestens 17 % und Minderungen des Bodenabtrages von mehr als 98 % im Vergleich zur konventionellen Variante berechnet.

Biofuels are a renewable alternative for reducing the climate impact of transport. Due to the versatility of biomass and complexity of economics and impacts, biofuels are part of a complex system, which is here analysed from a systems perspective. Several models are developed in order to assess the competitiveness of various crop based biofuel options as part of a system, using different economic and environmental functional units. The scope is set to Germany until 2050. The capital and feedstock costs were revised to higher levels compared to common assumptions. The different functional units result in different merit orders for the biofuel options. Currently used biofuels, rape seed based biodiesel and starch crop based bioethanol, were found not to be competitive when considering differentiated and increasing feedstock costs. Advanced liquid fuels were only competitive at extreme assumptions, contrary to common expectations. Instead, sugar beet based ethanol dominated for most of the time span when comparing energetic cost, whereas Synthetic Natural Gas (SNG) was competitive on a greenhouse gas abatement (GHG) cost basis, especially at a rapid decarbonisation of the power mix. With a land use GHG abatement functional unit, silage maize based biomethane was the best, with SNG converging only at very high renewables shares of the background systems. Switching from current practise to higher yielding biofuel options can treble the abatement per land area for the present day, and potentially increase it by a factor five in the future. A focus on GHG abatement per area of arable land results in the land passenger transport sector to be of the highest priority due to the suitability of higher yielding biofuel options, followed by land goods transport, shipping and finally aviation. If gaseous fuels are not possible to introduce on a large scale, sectors where liquefied gaseous fuels are suitable become the priority, i.e. goods transport and shipping. The current practise of applying admixture quotas to sub-sectors of land transport renders a significantly lower climate benefit compared to an overall optimal usage, and a large societal transition is required before aviation biofuels become the climate optimal biomass usage. The direct importance of land use has thus far not received enough attention in terms of the economics of biofuels from dedicated crops, as well as for the greenhouse gas emissions policy. Biofuels produced from arable land can provide a strong GHG benefit if an expansion of arable land is hindered through redirecting land use, which requires a holistic policy approach.:Abstract ix Acknowledgments xi List of Publications xiii List of Acronyms xv I Introductory chapters 1 1 Background 3 1.1 Biofuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Technological Change and Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 Aim and objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Methodology 9 2.1 Systems modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Model description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Results and discussion 17 3.1 Biofuel techno-economic potential and competitiveness . . . . . . . . . . . . 17 3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.1 Resource base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.2 Biomass climate benefit in other sectors . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.3 Other renewable fuel options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.5 Applicability of results to other regions . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4 Conclusions 25 4.1 Future research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Bibliography 29 Contribution to Appended Papers 33 Curriculum Vitae 35 CONTENTS II Appended papers 37 1 Competitiveness of advanced and conventional biofuels: Results from least-cost modelling of biofuel competition in Germany 39 2 Biomass price developments inhibit biofuel investments and research in Germany: The crucial future role of high yields 51 3 Relative greenhouse gas abatement cost competitiveness of biofuels in Germany 63 4 Climate optimal deployment of biofuels from crops in Germany 85 / Biokraftstoffe sind eine erneuerbare Alternative zur Verringerung der Klimaauswirkungen des Verkehrs. Aufgrund der Vielseitigkeit der Biomasse und der Komplexität der Ökonomie und der Auswirkungen sind Biokraftstoffe Teil eines komplexen Systems, das hier aus einer Systemperspektive analysiert wird. Es werden mehrere Modelle entwickelt, um die Wettbewerbsfähigkeit verschiedener biogener Biokraftstoffoptionen als Teil eines Systems unter Verwendung verschiedener wirtschaftlicher und ökologischer Funktionseinheiten zu bewerten. Der Umfang ist auf Deutschland bis 2050 festgelegt. Die Kapital- und Rohstoffkosten wurden im Vergleich zu herkömmlichen Annahmen auf ein höheres Niveau angepasst. Die verschiedenen Funktionseinheiten führen zu unterschiedlichen Merit Order für die Biokraftstoffoptionen. Die derzeit verwendeten Biokraftstoffe, Raps-Saatgut-Biodiesel und Stärkepflanzen-Bioethanol, erwiesen sich als nicht wettbewerbsfähig, wenn man differenzierte und steigende Rohstoffkosten in Betracht zieht. Fortschrittliche flüssige Kraftstoffe waren nur unter extremen Annahmen wettbewerbsfähig, entgegen den üblichen Erwartungen. Stattdessen dominierte Ethanol auf Zuckerrübenbasis für einen Großteil der Zeitspanne beim Vergleich der Energiekosten, während synthetisches Erdgas (SNG) auf der Basis der Treibhausgasvermeidungskosten wettbewerbsfähig war, insbesondere bei einer schnellen Dekarbonisierung des Strommixes. Mit einer Funktionseinheit zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen war Silagemais-basiertes Biomethan die beste Option, wobei SNG bei sehr hohen Anteilen an erneuerbaren Energien der Hintergrundsysteme konvergierte. Der Wechsel von der derzeitigen Praxis zu ertragreicheren Biokraftstoffoptionen kann die Verringerung pro Landfläche für die Gegenwart verdreifachen und in Zukunft möglicherweise um den Faktor fünf erhöhen. Die Fokussierung auf die Reduzierung von Treibhausgasen pro Ackerfläche führt dazu, dass der Landpersonenverkehr aufgrund der Eignung ertragreicherer Biokraftstoffoptionen, gefolgt von Landverkehr, Schifffahrt und schließlich Luftfahrt, höchste Priorität genießt. Wenn es nicht möglich ist, gasförmige Kraftstoffe in großem Maßstab einzuführen, werden Sektoren, in denen verflüssigte gasförmige Kraftstoffe geeignet sind, zur Priorität, d.h. Güterverkehr und Schifffahrt. Die aktuelle Praxis der Anwendung von Beimischungsquoten für Teilbereiche des Landverkehrs führt zu einem deutlich geringeren Klimanutzen im Vergleich zu einer insgesamt optimalen Nutzung, und es ist ein großer gesellschaftlicher Wandel erforderlich, bevor Biokraftstoffe aus der Luftfahrt zur klimaoptimalen Biomassenutzung werden. Die direkte Bedeutung der Landnutzung hat bisher nicht genügend Beachtung gefunden, sowohl in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit von Biokraftstoffen aus Sonderkulturen als auch in Bezug auf die Treibhausgasemissionen. Biokraftstoffe, die von Anbaubiomasse hergestellt werden, können einen starken Treibhausgasvorteil bieten, wenn eine Ausweitung der Ackerfläche durch eine Neuausrichtung der Landnutzung behindert wird, was einen ganzheitlichen politischen Ansatz erfordert.:Abstract ix Acknowledgments xi List of Publications xiii List of Acronyms xv I Introductory chapters 1 1 Background 3 1.1 Biofuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Technological Change and Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 Aim and objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Methodology 9 2.1 Systems modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Model description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Results and discussion 17 3.1 Biofuel techno-economic potential and competitiveness . . . . . . . . . . . . 17 3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.1 Resource base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.2 Biomass climate benefit in other sectors . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.3 Other renewable fuel options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.5 Applicability of results to other regions . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4 Conclusions 25 4.1 Future research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Bibliography 29 Contribution to Appended Papers 33 Curriculum Vitae 35 CONTENTS II Appended papers 37 1 Competitiveness of advanced and conventional biofuels: Results from least-cost modelling of biofuel competition in Germany 39 2 Biomass price developments inhibit biofuel investments and research in Germany: The crucial future role of high yields 51 3 Relative greenhouse gas abatement cost competitiveness of biofuels in Germany 63 4 Climate optimal deployment of biofuels from crops in Germany 85

Der Landschaftswasserhaushalt stellt die Integrationsebene der Geokomponenten Klima, Boden und Landnutzung dar und unterliegt aktuell einer intensiven Forschungstätigkeit. Die charakteristische Ausprägung des Landschaftswasserhaushaltes ist in der mitteleuropäischen Kulturlandschaft das Ergebnis einer von vielfältigen Triebkräften bestimmten komplexen Nutzung. Diese existierenden Nutzungsansprüche werden aber nicht gezielt zur Optimierung des Landschaftswasserhaushaltes koordiniert, da die handelnden Akteure teils völlig gegensätzlichen Zielrichtungen verfolgen. Insgesamt gesehen bietet die Optimierung der nicht besiedelten Landfläche auf Grund ihrer großen Flächeninanspruchnahme die größten Potentiale der Beeinflussung des Landschaftswasserhaushaltes. In der vorliegenden Arbeit werden mit der hydrologischen Modellierung und der funktionalen Landschaftsbewertung zwei völlig unterschiedliche methodische Ansätze zur Analyse hydrologischer Prozesse im Landschaftswasserhaushalt genutzt, um die Reaktion des Wasserhaushaltes auf Landschaftsveränderungen zu untersuchen. Es wird am Beispiel eines Flusseinzugsgebietes im Erzgebirge gezeigt, inwieweit sich durch ein Niederschlag-Abfluss-Modell Änderungen im Wasserhaushalt von Landnutzungsszenarien aufzeigen lassen, die auf der Grundlage von Landschaftsbewertungsverfahren erstellt wurden. Es sollen also mittels hydrologischer Modellierung die qualitativen Resultate eines deutlich einfacher zu realisierenden Planungsverfahrens quantifiziert werden. Auf der Basis der bewerteten Landschaftsfunktionen Abflussregulationsfunktion, Wassererosionswiderstand, Ertragspotential und physikochemisches Filtervermögen des Bodens wurden durch multikriterielle Optimierung mit der Software LNOPT zwei sich unterscheidende Szenarien, ein eher realistisch angelegtes Szenario (Realszenario) und ein Szenario mit möglichst hoher Retentionswirkung (Szenario Abflussminimierung) entwickelt. Beide Szenarien sind an die Realität angelehnt und nicht fiktiv, wodurch sich starke Einschränkungen hinsichtlich der optimierbaren Fläche ergeben. So stehen nur 36,5 % der Gesamtfläche zur Landnutzungsoptimierung zur Verfügung wovon nur 12,5 % der Fläche durch den Optimierungsprozess in ihrer Nutzung umgewidmet wird. Der Wasserhaushalt der entwickelten Landnutzungsszenarien wurde mit dem Wasserhaushaltssimulationsmodell WaSiM-ETH in zehn ausgewählten Teileinzugsgebieten modelliert. Die Gebietsanpassung erfolgte dabei an den Pegeln Lauenstein und Geising mit einem multi-response Ansatz, der auch Ergebnisse einer Ganglinienseparation und Vergleiche zu einer Arbeit im benachbarten Weißeritzeinzugsgebiet berücksichtigt. Im Ergebnis zeigte die Validierung eine gelungene Gebietsanpassung des Modells WaSiM-ETH mit geringen Schwächen im Winter und bei außergewöhnlichen Extremereignissen. Insgesamt zeigt sich in allen modellierten Teileinzugsgebieten ein Rückgang des Gesamtabflusses, allerdings in Größenordnungen, die sich räumlich sehr stark unterscheiden. Berechnet wurde dabei nur der Wasserhaushalt für das Szenario „Abflussminimierung“, da sich beide Szenarien in den hydrologisch ähnlichen Teileinzugsgebieten nur wenig unterscheiden. Die statistische Auswertung der Ergebnisse erfolgte mit Spearmans Rangkorrelations¬koeffizient und zeigte: • dass mit steigender Höhenlage die Möglichkeiten der Abflussminimierung durch Landnutzungsveränderungen abnehmen. Im Indikator Höhenlage spiegeln sich dabei mehrere Parameter wider, welche die sich mit der Höhe wandelnden Klima-, Boden- und Reliefbedingungen ausdrücken. • dass mögliche Abflussminderungen mit dem Ackeranteil eines Einzugsgebietes positiv signifikant korreliert sind. Die Abflussminderungspotentiale steigen also mit steigendem Ackeranteil an. • dass die absolute Niederschlagsmenge keinen direkten Einfluss auf die Abflussminderung hat, vielmehr ist die jährliche Niederschlagsverteilung bedeutsam für die Möglichkeiten des Wasserrückhaltes in der Fläche. Als Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung von LNOPT im Rahmen hydrologischer Fragestellungen sind die Berücksichtigung beziehungsweise Bearbeitung folgender Punkte: • Ermittlung der hydrologischen Senkenpotentiale zu Beginn des Planungsprozesses um sich auf Gebiete mit hohem hydrologischen Senkenpotential zu konzentrieren, • Planung von Landnutzungsveränderungen hinsichtlich Nutzungstyp, Nutzungsart oder Nutzungsintensität anhand von Bewertungsverfahren, welche die hydrologischen Differenzen gut widerspiegeln, • Einbeziehung der handelnden Akteure in den Planungsprozess um die möglichst vollständige Umsetzung der geplanten Maßnahmen zu ermöglichen. Mit der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass im Mittelgebirgsraum Abflussminderungspotentiale im Zuge von Landnutzungsveränderungen vorhanden sind, diese aber regional sehr stark differenziert ausgeprägt sind. Methodisch konnte demonstriert werden, dass das eingesetzte Verfahren der multikriteriellen Landnutzungsoptimierung zur Planungsunterstützung im Rahmen hydrologischer Fragestellungen genutzt werden kann, wenn die genannten Rahmenbedingungen beachtet werden. / The hydrological balance of a landscape integrates different geocomponents such as climate, soil and land use and is an object of intensive research activities. The specific characteristic of the hydrological balance of a landscape shows the result of a complex utilisation system which is caused by manifold driving forces. Due to different strategic objectives of thestakeholders, their demands are contrasting and therefore it is very difficult to coordinate these demands with respect to influencing the hydrological balance of a landscape. Changes of land use in non-settled areas have the highest potential of modifying the hydrological balance of a landscape due to the large extent of affected area. In this thesis two different methodical approaches are used to analyse the hydrological processes in the water balance of a landscape in order to investigate the effects of land use changes on the hydrological balance of a landscape. The applied methods are hydrological modelling and functional landscape assessment. Hydrological modelling quantifies the water balance of scenarios made by a much easier to realise planning method on the basis of a functional landscape assessment. Land use scenarios on the basis of a functional landscape assessment can be build through a multi-criteria optimisation process using the software LNOPT (“land use op-timisation”). By using this method, the hydrological balance of a landscape and the specific local conditions are described by the following landscape functions: runoff regulation, resistance against water erosion, biotic yield potential and physical-chemical cleaning potential of soils. On the basis of the assessment of these landscape functions, two land use scenarios were developed using the method of multi-criteria optimisation, namely, a more realistic scenario and one with the highest possible water retention potential. Even though both scenarios are different in their closeness to reality, they are both inspired by reality and not just fictitious. Due to different restrictions only 36.5 % of the entire catchment area could be used in the optimisation process. In the scenario with the highest possible water retention potential only 12.5 % of the land use was changed and in the more realistic scenario the changes were slightly smaller. The water balance simulation model WaSiM-ETH is well suited to quantify changes in the hydrological balance in the context of land-use changes at the meso-scale. The adaptations to the catchment area characteristics were done by the calibration on the gauges Lauenstein and Geising in a multi response approach considering results of a hydrograph curve separation and the results of a research in the neighbouring Weisseritz catchment. The validation shows a successful adaptation to the regional catchment area characteristics with minor shortcomings in winter and by extraordinary high precipitation events. In the whole investigated area possible changes of the hydrological balance are rather negligible due to only small land use changes. But in 10 selected subcatchments the hydrological modelling shows a decrease of discharge in the scenario with the highest possible water retention potential. The dimensions of the decrease in the discharge are regionally very different due to varying spatial characteristics. These differences get systemised through a statistical analysis using the Spearman’s Rank Correlation Coefficient. The following correlations were found: • The possibilities of a decrease in discharge through land use modification are getting smaller with an increase in altitude. The complex indicator “altitude” contains different parameters which reflect the shifting of climatic, soil and relief conditions with changing altitude. • The possibilities of a decrease in discharge are getting higher with the percentage of arable land in the subcatchments. • The amount of precipitation has no direct influence of the possible decrease in discharge in the subcatchments. The influence of the annual variation of precipitation is larger than the absolute annual amount of precipitation. For a successful application of LNOPT for the development of land use scenarios with a hydrologic context the following requirements have to be considered: • ahead of the planning process, pedological and geological potentials of the investigated area in terms of a decrease in discharge should be investigated • landscape functions which show hydrological differences in terms of land use types, the kind and the intensity of land use should be used • local steak holders should be integrated in the planning process to ensure the complete implementation of the planned measures as much as possible. In this thesis it could be shown that mountainous regions have a potential for a decrease in discharge caused by a land use change, but with substantial regional variations. The evaluation of the used methods demonstrated that the multi-criteria optimisation software LNOPT is well suited to support hydrological related planning processes if conditions mentioned above are considered.

In den vergangenen Jahrzehnten hat der Einfluss des Menschen auf Ökosysteme stark zugenommen. Tendenzen der Landnutzungsänderung, darunter die Ausdehnung von Städten und die Intensivierung der Landwirtschaft als Folge des Bevölkerungsanstiegs und damit des Nahrungsmittel- und Energiebedarfs, führen zu Umweltproblemen wie dem Verlust von Lebensraum und biologischer Vielfalt. Die zunehmende Verfügbarkeit von Daten mit feiner räumlicher Auflösung kann die Analyse von Merkmalen und Prozessen in Landschaften mit Hilfe von räumlichen Metriken unterstützen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, feinskalige Daten und räumliche Metriken zu integrieren, um Indikatoren zur Messung und Bewertung von Landnutzung, Ökosystemdienstleistungen und deren räumlichen Mustern zu entwickeln und folgende Fragen zu beantworten: Wie können Landnutzungsänderungen und Ökosystemleistungen einer Landschaft beschrieben und analysiert werden? Und, wie kann die Landschaftsperspektive zu unserem Verständnis von Landsystemen beitragen? In zwei verschiedenen Weltregionen werden Landschaften mit Hilfe von Hexagonen als räumliche Einheiten untersucht. Diese dienen zur Analyse von räumlichen Mustern und Beziehungen zwischen verschiedenen Indikatoren (z. B. Ökosystemdienstleistungen) und die Konzeptualisierung von Prozessen auf Landschaftsebene. Obwohl sich einige Phänomene auf feinen räumlichen Skalen manifestieren, ist es für die Operationalisierung und Überwachung dieser Prozesse notwendig, ‚herauszuzoomen‘. Der Landschaftsansatz im Zusammenhang mit Ökosystemleistungen bietet wichtige Perspektiven im Hinblick auf Umweltauswirkungen, die durch Landnutzungsänderungen verursacht werden. Dabei können Indikatoren, die die ökologische, ökonomische und soziale Dimension verknüpfen, dazu beitragen, regionalspezifisches Wissen über Landschaftsdynamiken zu erlangen und dieses Wissen an Entscheidungsträger weiterzugeben, um gezielte Maßnahmen für ein nachhaltiges Landmanagement zu entwickeln. / Over the last decades, anthropogenic pressures on ecosystems have been increasing. Trends of land use change including urban expansion and agricultural intensification driven by population increase, and hence food and energy demand, cause environmental challenges including habitat and biodiversity loss. Analyzing major trends of land use change requires additional metrics to capture local processes on a landscape spatial scale. Increasing fine-scale data availability can support analyses of characteristics and processes of landscapes with the help of spatial metrics, e.g. distance or density measures. The aims of this thesis are to incorporate fine-scale data and spatial metrics to develop indicators to measure and assess land-use, ecosystem services (ESS) and their spatial patterns to answer the following questions: How can land use change and ecosystem services of landscapes be described and analyzed? And how can the landscape perspective contribute to our understanding of land systems? The thesis includes three case studies in two different world regions: 1) characteristics of land use within a peri-urban gradient in Dar es Salaam, Tanzania, 2) characteristics of agricultural landscapes in Brandenburg, Germany, and 3) ecosystem service relationships at different spatial units and scales. In both regions, landscapes are investigated with hexagons as spatial units for the analysis of spatial patterns and relationships among different indicators (i.e., ESS) and conceptualize processes on a landscape level. The landscape approach in context with ecosystem services offers important perspectives regarding environmental impacts caused by land use change. Thereby, metrics integrating the ecological, economic, and social dimensions can support obtaining region-specific knowledge on landscape dynamics and transferring this knowledge to decision-makers to design targeted measures towards sustainable land management.

Building a livable city is the top objective of local governments. 'Green City' is concerned, researched, and constructed effectively in some cities around the world. The paper is to identify a green city's benefits to humans and the environment. Moreover, this study also establishes criteria of the green city according to international standards in emerging cities, especially in 5 criteria such as green space and land use, atmosphere, water resource, and energy supply. Finally, the criteria of the green city established are used for scoring and assessing Vung Tau city. Currently, Vung Tau city has 60.9 scores below a green city's standards with 65 scores; however, it can be changed by proposals in development policies to get 69.3 scores. / Việc xây dựng một thành phố đáng sống là một mục tiêu hàng đầu của các chính phủ địa phương. Thành phố xanh “Green City” đang được quan tâm, nghiên cứu, và xây dựng một cách hiệu quả tại nhiều thành phố trên thế giới. Bài báo này sẽ làm rõ ràng những chức năng mà một thành phố xanh mang lại. Ngoài ra, nghiên cứu này cũng xây dựng những tiêu chí của thành phố xanh đạt tiêu chuẩn quốc tế tại các thành phố đang phát triển, đặc biệt là 5 tiêu chí không gian xanh và sử dụng đất; giao thông; không khí; nguồn nước; nguồn năng lượng. Hơn nữa, việc ứng dụng các tiêu chí thành phố xanh cho việc chấm điểm và đánh giá Thành phố Vũng Tàu. Hiện nay, thành phố Vũng Tàu được chấm 60.9 điểm, mức điểm này ở dưới tiêu chuẩn của một thành phố xanh là 65 điểm, tuy nhiên trong tương lai gần với những chính sách phát triển phù hợp thì số điểm này có thể tăng lên đến 69.3 điểm.

Remote sensing and Geographic Information System (GIS) - an effective tool for managing naturalresources, is quite common application in establishing thematic maps. However, the application of this modern technology in natural resource management has not yet been popular in Vietnam, particularly mapping the land use/cover. Currently, land use/cover map is constructed as traditional methods and gets limitations of management counting due to time-consuming for mapping andsynthesis the status of land use/cover. Hence, information on the map is often outdated and inaccurate.The main objective of this study is to upgrade the accuracies in mapping current perennialcrops in Chu Se District, Gia Lai Province in Vietnam by interpreted NDVI index (Normalized Difference Vegetation Index) from Landsat 8-OLI (Operational Land Imager). The results of studyis satisfied the urgent of practical requirement and scientific research. There are 3 types of perennial industrial plants in the study area including rubber, coffee, and pepper, in which most coffee isgrown, with an area of over 10,000 hectares. The results also show that integration of remote sensing and GIS technology enables to map current management and distribution of perennial industrialplants timely and accurately. This application is fully consistent with the trend of the world, and in accordance with regulations of established land use/cover map, and the process could be appliedat other districts /towns or in higher administrative units. / Viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) là công cụ hữu hiệu để quản lý tài nguyên thiên nhiên, được ứng dụng khá phổ biến để thành lập các loại bản đồ. Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ hiện đại này trong lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên ở Việt Nam chưa phổ biến, nhất là công tác xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng/độ phủ đất. Việc xây dựng bản đồ hiện trạng hiện nay vẫn theo phương pháp truyền thống, thường gặp nhiều hạn chế do thời gian tổng hợp và xây dựng bản đồ hiện trạng kéo dài, dẫn đến thông tin trên bản đồ bị lạc hậu và không chính xác. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là nâng cao độ chính xác kết quả giải đoán ảnh viễn thám Landsat 8 bằng chỉ số NDVI (chỉ số khác biệt thực vật) để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất cây công nghiệp lâu năm ở huyện Chư Sê, tỉnh Gia Lai, Việt Nam. Từ đó quản lý hiện trạng sử dụng loại đất này phù hợp yêu cầu cấp bách thực tiễn sản xuất và nghiên cứu khoa học. Kết quả của nghiên cứu cho thấy có 3 loại hình cây công nghiệp trên địa bàn nghiên cứu gồm cây cao su, cà phê và hồ tiêu, trong đó cây cà phê được trồng nhiều nhất, với diện tích hơn 10.000 ha. Nghiên cứu cũng cho thấy, tích hợp công nghệ viễn thám và GIS cho phép quản lý hiện trạng và phân bố cây công nghiệp trong không gian một cách hiệu quả và nhanh chóng. Ứng dụng này hoàn toàn phù hợp với xu hướng của thế giới, đồng thời theo đúng quy định thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất, và quy trình này có thể thực hiện được ở cấp huyện/thị xã hoặc đơn vị hành chính cấp cao hơn.

The irrigated agriculture in the Lower Chenab Canal (LCC) of Pakistan is characterized by huge water utilization both from surface and groundwater resources. Need of utilization of water from five rivers in Punjab province along with accelerated population growth has forced the construction of world’s largest irrigation network. Nevertheless, huge irrigation infrastructure, together with inappropriate drainage infrastructure, led to a build-up of shal-low groundwater levels, followed by waterlogging and secondary salinization in the soil profile. Following this era, decreased efficiency of irrigation supply system along with higher food demands had increased burdens on groundwater use, which led to a drop in groundwater levels in major parts of LCC. Previous studies in the study region revealed lacking management and maintenance of irrigation system, inflexible irrigation strategies, poor linkages between field level water supply and demands. No future strategy is present or under consideration to deal with this long time emerged groundwater situation particularly under unchanged irrigation water supply and climate change. Therefore, there is an utmost importance to assess the current profile of water use in the irrigation scheme and to device some workable strategies under future situations of land use and climate change. This study aims to investigate the spatio-temporal status of water utilization and performance of irrigation system using remote sensing data and techniques (SEBAL) in combination with other point data. Different irrigation performance indicators including equity, adequacy and reliability using evaporation fraction as main input parameter are utilized. Current profiles of land use/land cover (LULC) areas are assessed and their change detections are worked out to establish realistic future scenarios. Spatially distributed seasonal net recharge, a very important input parameter for groundwater modeling, is estimated by employing water balance approaches using spatial data from remote sensing and local norms. Such recharge results are also compared with a water table fluctuation approach. Following recharge estimation, a regional 3-D groundwater flow model using FEFLOW was set up. This model was calibrated by different approaches ranging from manual to automated pilot point (PP) approach. Sensitivity analysis was performed to see the model response against different model input parameters and to identify model regions which demand further improvements. Future climate parameters were downscaled to establish scenarios by using statistical downscaling under IPCC future emission scenarios. Modified recharge raster maps were prepared under both LULC and climate change scenarios and were fed to the groundwater model to investigate groundwater dynamics. Seasonal consumptive water use analysis revealed almost double use for kharif as compared to rabi cropping seasons with decrease from upper LCC to lower regions. Intra irrigation subdivision analysis of equity, an important irrigation performance indicator, shows less differences in water consumption in LCC. However, the other indicators (adequacy and reliability) indicate that the irrigation system is neither adequate nor reliable. Adequacy is found more pronounced during kharif as compared to rabi seasons with aver-age evaporation fraction of 0.60 and 0.67, respectively. Similarly, reliability is relatively higher in upper LCC regions as compared to lower regions. LULC classification shows that wheat and rice are major crops with least volatility in cultivation from season to season. The results of change detection show that cotton exhibited maximum positive change while kharif fodder showed maximum negative change during 2005-2012. Transformation of cotton area to rice cultivation is less conspicuous. The water consumption in upper LCC regions with similar crops is relatively higher as compared to lower regions. Groundwater recharge results revealed that, during the kharif cropping seasons, rainfall is the main source of recharge followed by field percolation losses, while for rabi cropping seasons, canal seepage remains the major source. Seasonal net groundwater recharge is mainly positive during all kharif seasons with a gradual increase in groundwater level in major parts of LCC. Model optimization indicates that PP is more flexible and robust as compared to manual and zone based approaches. Different statistical indicators show that this method yields reliable calibration and validation as values of Nash Sutcliffe Efficiency are 0.976 and 0.969, % BIAS are 0.026 and -0.205 and root mean square errors are 1.23 m and 1.31 m, respectively. Results of model output sensitivity suggest that hydraulic conductivity is a more influential parameter in the study area than drain/fillable porosity. Model simulation results under different scenarios show that rice cultivation has the highest impact on groundwater levels in upper LCC regions whereas major negative changes are observed for lower parts under decreased kharif fodder area in place of rice, cotton and sugarcane. Fluctuations in groundwater level among different proposed LULC scenarios are within ±1 m, thus showing a limited potential for groundwater management. For future climate scenarios, a rise in groundwater level is observed for 2011 to 2025 under H3A2 emission regime. Nevertheless, a drop in groundwater level is expected due to increased crop consumptive water use and decreased precipitations under H3A2 scenario for the periods 2026-2035 and 2036-2045. Although no imminent threat of groundwater shortage is anticipated, there is an opportunity for developing groundwater resources in the lower model regions through water re-allocation that would be helpful in dealing water shortages. The groundwater situation under H3B2 emission regime is relatively complex due to very low expectation of rise in groundwater level through precipitation during 2011-2025. Any positive change in groundwater under such scenarios is mainly associated with changes in crop consumptive water uses. Consequently, water management under such situation requires revisiting of current cropping patterns as well as augmenting water supply through additional surface water resources.

Despite the negative effects of fossil fuels on the environment, these remain as the primary contributors to the energy sector. In order to mitigate global warming risks, many countries aim at reducing greenhouse gas emissions. Bioenergy crops are being used as a substitute for fossil fuels and short rotation forestry is a prime example. In order to examine the sustainability of energy crops for fuel, typical European short rotation forestry (SRF) biomass, willow (Salix spp.) and poplar (Populus spp.) are examined and compared to rapeseed (Brassica napus L.) in respect to various aspects of soil respiration and combustion heat obtained from the extracted products per hectare. Various approaches are used to look at an As-contaminated site not only in the field but also in a soil-column experiment that examines the fate of trace elements in SRF soils, and in an analysis using MICMAC to describe the driving factors for SRF crop production. Based on the cause-effect chain, the impacts of land-use change and occupation on ecosystem quality are assessed when land-use is changed from degraded land (grassland) to willow and poplar SRF. A manual opaque dynamic closed chamber system (SEMACH-FG) was utilized to measure CO2 emissions at a willow/poplar short rotation forest in Krummenhennersdorf, Germany during the years 2013 and 2014, and at a rapeseed site in 2014. Short rotation forest soils showed higher CO2 emission rates during the growing season than the dormant season – with a CO2 release of 5.62±1.81 m-2 s-1 for willows and 5.08±1.37 µmol CO2 m-2 s-1 for poplars in the growing season. However, during the dormant season the soil sites with willow emitted 2.54±0.81 µmol CO2 m-2 s-1 and with poplar 2.07±0.56 µmol CO2 m-2 s-1. The highest emission rates for the studied plantations were observed in July for both years 2013 and 2014, during which the highest air and soil temperatures were recorded. Correlations between soil emission of CO2 and some meteorological parameters and leaf characteristics were investigated for the years 2013 and 2014. For example, for the willow clone (Jorr) and poplar clone (Max 3), high correlations were found for each between their soil emission of CO2 and both soil temperature and moisture content. Fitted models can explain about 77 and 75% of the results for Jorr and Max 3 clones, respectively. Moreover, a model of leaf area (LA) can explain about 68.6% of soil CO2 emission for H275. Estimated models can be used as a gap-filling method, when field data is not available. The ratio between soil respiration and the combustion heat calculated from the extracted products per hectare was evaluated and compared for the study’s willow, poplar and rapeseed crops. The results show that poplar and willow SRF has a very low ratio of 183 kg CO2 GJ 1 compared to rapeseed, 738 kg CO2 GJ 1. The soil-column experiment showed that by continuing the SRF plantation at the As-contaminated site, remediation would need only about 3% of the time needed if the site was left as a fallow field. In order to understand the complex willow and poplar short rotation forestry production system, 50 key variables were identified and prioritized to describe the system as a step to enhance the success of such potentially sustainable projects. The MICMAC approach was used in order to find the direct and the indirect relationships between those parameters and to classify them into different clusters depending on their driving force and interdependency. From this, it can be summarized that in order to enhance the success of a SRF system, decision makers should be focussing on: ensuring a developed wood-fuel market, increasing farmers’ experience/training, improving subsidy regulations and recommending a proper harvesting year cycle. Finally, the impacts of land-use change and occupation on the ecosystem quality were assessed. Results show that establishing SRF plantations on degraded lands improved the ecosystem structural quality (ESQ) by about 43% and ecosystem functional quality (EFQ) by about 12%. Based on overall results, poplar and willow SRF biomass can be recommended as renewable and sustainable sources for bioenergy.

Mittels umweltpolitischer Programme von weltweit einzigartigem Ausmaß versucht China sowohl den menschlichen Druck auf die Landbedeckung zu mindern als auch eine nachhaltige Landnutzung zu fördern. Als Hotspot globaler Umweltveränderungen wurden insbesondere für die Innere Mongolei erhebliche Investitionen zur Renaturierung von Landoberflächen von der chinesischen Zentralregierung getätigt. Die Fernerkundung ist ein effektiver Ansatz für ein flächendeckendes Monitoring des Landnutzungswandels. Jedoch erschweren die limitierte Datenverfügbarkeit und das Fehlen verfügbarer Veränderungsanalysemethoden die Anwendung fernerkundlicher Techniken zum Monitoring von Landnutzung und ihrer Veränderungen. Um den Landnutzungswandel in der Inneren Mongolei verlässlich zu kartieren, wurden daher in einem ersten Schritt Möglichkeiten und Grenzen von Zeitreihen räumlich grob aufgelöster Fernerkundungsdaten für das Monitoring von Langzeitveränderungen der Landbedeckung untersucht. Im zweiten Schritt wurde ein Ansatz zur Erfassung von jährlichen Veränderungen zwischen mehreren Landnutzungsklassen entwickelt und angewandt. Die Ergebnisse zeigen, dass die chinesische Landnutzungspolitik seit dem Jahr 2000 wirksam zum Erhalt und zur Regenerierung von Waldökosystemen in der Inneren Mongolei beiträgt. Abnehmende Entwaldung und ein Zuwachs von Waldflächen sind insbesondere in jenen Regionen zu finden, in welchen die landnutzungspolitischen Maßnahmen umgesetzt wurden. Die Konvertierung von Ackerland zu Grasland wurde zumeist innerhalb anfälliger, klimatisch und topographisch ungeeigneter Gebiete beobachtet. Die vorliegende Dissertation veranschaulicht sowohl den Einfluss politischer Maßnahmen und zugrunde liegender sozio-ökonomischer Treiber auf die Landoberfläche als auch die Bedeutung von grob aufgelösten Fernerkundungsdaten und Zeitreihenanalysen für das Monitoring des Landnutzungswandels in großräumigen Gebieten. / Monitoring land use and land cover change (LULCC) support better interpretation about how land surfaces are impacted by human decisions. The overall aim of this thesis is to gain a better understanding about LULCC in Inner Mongolia using remote sensing under consideration of China’s land use policies. With the largest scale land restoration programs in the world, China aims to reduce human pressure on lands and promote sustainable land use. As a hot-spot of environmental change, Inner Mongolia received the heaviest investment from the central government for land restoration. Yet the effectiveness and consequences of China’s land use policies in Inner Mongolia remain unclear. Remote sensing is an effective tool for monitoring land use and land cover change across broad scales, yet data limitations and a lack of available change detection methods hampers the capacity of researchers to apply remote sensing techniques for LULCC monitoring. To reliably map LULCC in Inner Mongolia, the opportunities and limitations of using coarse resolution imagery time series for monitoring long-term land changes was first examined. Second, an approach detecting annual changes between multiple land categories was developed and applied in Inner Mongolia. Results indicate that China’s land use policies effectively preserved and recovered forest ecosystems in Inner Mongolia after the year 2000. The decreasing trends of deforestation and forest gain are obvious in the regions that implement China’s land use policies, which reflect the positive influence of the policy. Cropland retirement was mostly found in ecologically fragile areas where climate and topographic conditions are unsuitable for cultivation. This thesis reveals how political factors and other underlying social-economic drivers impact a country''s land surface, and highlights the values of using coarse resolution imagery and time series analysis for LULCC monitoring across large areas.

In nie dagewesener Größenordnung greift der Mensch durch die Verbrennung fossiler Energieträger und der weiträumigen Umgestaltung der Landoberfläche in die globale Umwelt ein. Klimawandel und Übernutzung natürlicher Ressourcen könnten schon in diesem Jahrhundert die Anpassungsfähigkeiten vieler ökologischer und sozialer Systeme übersteigen und somit zu Konflikten und politischer Destabilisierung führen. Vor diesem Hintergrund soll diese Studie zu einem besseren Verständnis der wichtigsten globalen Triebkräfte beitragen, die die Entwicklung der terrestrischen Biosphäre in diesem Jahrhundert prägen werden: Klimawandel und menschliche Landnutzung. Auf der Basis eines Dynamischen Globalen Vegetationsmodells werden im ersten Teil der vorliegenden Arbeit zwei große klimatische Störungen des globalen Kohlenstoffkreislaufs untersucht, die innerhalb der letzten drei Jahrzehnte beobachtet wurden. Im Fordergrund steht die Frage, wie sich die Veränderungen von Temperatur-, Niederschlags- und Strahlungsbedingungen auf pflanzliche Produktivität und Zersetzungsprozesse im Boden auswirkten. Es zeigt sich, dass vermehrte Kohlenstoffspeicherung in der Landbiosphäre den überwiegenden Teil der atmosphärischen CO2 Anomalien erklärt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der weltweit steigenden Nachfrage nach Bioenergie, die aufgrund des flächenintensiven Anbaus von Biomasse zur wichtigsten Triebkraft für zukünftige Landnutzungsänderungen werden könnte. Aus der Kombination von Vegetationsmodellierung und räumlichen Datenanalysen werden globale Bioenergiepotentiale unter Berücksichtigung verschiedener Nachhaltigkeitsanforderungen bestimmt und mögliche ökologische Auswirkungen des großräumigen Anbaus von Energiepflanzen abgeschätzt. Im Jahr 2050 könnten demnach 15-25% des weltweiten Energiebedarfs durch Bioenergie abgedeckt werden. Dafür müssten allerdings natürliche Ökosysteme in großem Umfang in Agrarland umgewandelt werden. / Human activities, primarily the combustion of fossil fuels and the global modification of the land surface, are transforming the Earth System at unprecedented scale. Climate change and the overexploitation of natural resources may soon overwhelm the adaptive capacities of many ecosystems and societies, which could lead to substantial losses in human well-being and political destabilization. In this context, it is the goal of this thesis to contribute to a better understanding of the most important global drivers that will determine the future of the land biosphere during this century: climate change and human land use. Based on a Dynamic Global Vegetation Model (DGVM), the first part of this thesis examines two large climatic disturbances of the terrestrial carbon cycle that were observed during the last three decades. These analyses focus on the effects of changes in temperature, precipitation and radiation on plant productivity and soil decomposition. Results indicate that increased carbon storage in the land biosphere explains the most part of the atmospheric CO2 anomaly. The second part of this thesis addresses the worldwide increasing demand for bioenergy that may become the most important driver of future land use change due to the large area requirements of biomass cultivation. A combination of vegetation modeling and spatial data analyses is used to assess global bioenergy potentials that consider various sustainability requirements for food security, biodiversity protection and the reduction of greenhouse gas emissions and to evaluate the environmental impacts of large-scale energy crop cultivation. The results indicate that bioenergy may provide between 15 and 25% of the global energy demand in 2050. Exploiting these potentials, however, requires the conversion of large amounts of natural vegetation into agricultural land affecting a large number of ecosystems already fragmented and degraded by land use change.