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The populations of many farmland birds have severely declined during the past years. Even (formerly) common species such as the Eurasian Skylark (Alauda arvensis) and the Northern Lapwing (Vanellus vanellus) are strongly affected. The declines were mainly caused by agricultural intensification. In response to the declines, agri-environmental schemes (AES) that integrate protection objectives into agricultural practices are a promising strategy. Until 1992 all EU member states were obliged to develop agri-environment programmes and since this time, AES are widely used. AES are often criticised for being ineffective and expensive. However, good results have been achieved with measures targeted on one bird species and used in projects advising farmers where and how to apply AES. Despite legitimate criticism, AES can help to slow down the declines of farmland bird populations, at least for a transitional period until sustainable agriculture has been established. This requires species-specific AES which are easy to implement and work well for the target species. In the German federal state of Saxony, such AES were developed and tested from 2009 to 2013 in a state-wide conservation project for ground-nesting farmland birds. Two of the studies with AES for the Skylark (study 1) and the Lapwing (study 2), which were part of scientific research, are presented here. For the Skylark, Skylark plots were tested at conventionally managed fields with winter cereals (n=10) or winter oilseed rape (n=10). Each field was divided in a test site with skylark plots and a control site without treatment. Skylark plots are unsown plots about 20 m² in size and applied in a density of about two plots per hectare. Further ten fields with winter cereals were in the same way equipped with additional tramlines that were not used for crop management. Both measures aimed to open the otherwise closed crop canopy to allow Skylarks to reach the ground and improve habitat conditions. Skylark territory mapping was carried out to reveal effects of the treatment. For the Lapwing, 61 lapwing plots were established within conventionally managed winter wheat and winter oilseed rape fields. These unsown fallow plots, mostly 1-2 ha in size, were created during autumn tillage and left bare until next summer. They were meant to provide a breeding site and a habitat for rearing the young. Lapwings and other bird species were mapped at the lapwing plots and nearby control sites. Factors influencing the success of the plots were modelled to obtain information on the design of a well-working AES. All three measures proved to be working well for the target species. At sites with skylark plots or additional tramlines, Skylark territory densities were about twice as high as at untreated control sites. The lapwing plots were also used about twice as likely as the untreated control sites. The hatching success was significantly higher, too. Particularly successful were large (>2 ha), sparsely vegetated lapwing plots at damp sites traditionally used for breeding. Other species also benefitted, especially from lapwing plots. The measures are therefore promising to provide positive effects on Skylark or Lapwing populations. They are relatively easy to implement and were repeatedly applied by the farmers involved in the project. Furthermore, synergy effects for other bird and plant species as well as for the biotope network can be expected by establishing lapwing plots at damp sites. The measures are suitable AES which, if widely adopted, have the potential to slow down, stabilise or even reverse the negative population trends. To promote these and to ensure their correct implementation, advise of farmers seems to be necessary, particularly for lapwing plots. / Bei vielen Agrarvögeln waren in den vergangenen Jahren starke Bestandsrückgänge zu verzeichnen, wobei mit Kiebitz (Vanellus vanellus) und Feldlerche (Alauda arvensis) zwei der ehemals häufigsten Arten am stärksten betroffen sind. Hauptursache hierfür ist die Intensivierung der Landwirtschaft. Eine mögliche Gegenstrategie sind nutzungsintegrierte Artenschutzmaßnahmen, mit denen versucht wird, die Belange des Artenschutzes eng in den landwirtschaftlichen Produktionsprozess einzubetten. Bedeutendstes Umsetzungsinstrument sind hierbei die EU-geförderten Agrarumweltmaßnahmen (AUM), die es seit 1992 in allen Mitgliedsstaaten gibt. Diese erwiesen sich in der Praxis jedoch oft als teuer und wenig erfolgreich. Vielversprechende Resultate wurden meist dann erzielt, wenn die Maßnahmen eng auf die Erfordernisse der Zielart(en) zugeschnitten waren und die Landwirte Beratung und Unterstützung bei der Umsetzung erhielten. Trotz aller Kritik an den AUM können diese zumindest für eine Übergangsphase auf dem Weg zu einer tatsächlich nachhaltigen Landwirtschaft helfen, die drastischen Bestandsrückgänge vieler Agrarvogelarten zu vermindern. Dazu werden aber zielartenspezifische und einfach umsetzbare Maßnahmen benötigt. Im sächsischen Bodenbrüterprojekt wurden von 2009 bis 2015 nutzungsintegrierte Artenschutzmaßnahmen entwickelt und erprobt. Zwei der projektbegleitenden wissenschaftlichen Studien zu AUM für Feldlerche (Studie 1) und Kiebitz (Studie 2) sind in der vorliegenden Arbeit zusammengefasst. Für die Feldlerche erfolgten Siedlungsdichteuntersuchungen auf konventionell bewirtschafteten Feldern mit Wintergetreide (n=10) oder Winterraps (n=10), die jeweils etwa zur Hälfte mit Feldlerchenfenstern bestellt waren, während der Restschlag als Vergleichsfläche diente. Zehn weitere Felder, ausschließlich in Wintergetreide, dienten in gleicher Weise der Erprobung der Anordnung zusätzlicher, für die Bewirtschaftung nicht benötigter Fahrgassen. Feldlerchenfenster sind ca. 20 m² große Saatlücken, die in einer Dichte von etwa zwei Fenstern je Hektar, ebenso wie die zusätzlichen Fahrgassen, die ansonsten dichten Kulturbestände öffnen und dadurch die Besiedlung durch die Zielart erleichtern. Für den Kiebitz wurden 61 Kiebitzinseln in konventionell bewirtschafteten Wintergetreide- und Winterrapsfeldern angelegt. Dies waren selbstbegrünte, meist 1-2 ha große Brachen, die bei der Herbstbestellung zwar bearbeitet, aber nicht gesät wurden. Im folgenden Frühjahr sollten die Flächen der Brut und Jungenaufzucht dienen. Die Untersuchungen beinhalteten Erfassungen der Zielart und weiterer Vogelarten auf den Kiebitzinseln und Vergleichsflächen sowie die statistische Modellierung verschiedener Faktoren für den Erfolg der Flächen. Im Ergebnis erwiesen sich alle drei Maßnahmen als erfolgreich. Auf Flächen mit Feldlerchenfenstern und zusätzlichen Fahrgassen war die Territoriendichte der Zielart etwa doppelt so hoch wie auf den Vergleichsflächen ohne Maßnahme. Die Kiebitzinseln wurden gleichfalls annähernd doppelt so oft von Kiebitzen besiedelt wie die Kontrollflächen. Der Schlupferfolg war signifikant höher. Besonders erfolgreich waren große (ca. >2 ha), spärlich bewachsene Kiebitzinseln an traditionell als Brutplatz genutzten Nassstellen. Insbesondere im Falle der Kiebitzinseln profitierten auch andere Arten. Die untersuchten Maßnahmen sind daher grundsätzlich geeignet, positive Effekte auf die Bestände von Feldlerche oder Kiebitz zu entfalten. Sie sind zudem vergleichsweise einfach umsetzbar und wurden von den am Projekt beteiligten Landwirten wiederholt realisiert. Mit der Anlage von Kiebitzinseln an Nassstellen lassen sich zudem Synergieeffekte für andere Tier- und Pflanzenarten sowie für den Biotopverbund erzielen. Die untersuchten Maßnahmen stellen damit geeignete AUM dar, die bei hinreichender Anwendung das Potenzial haben, die derzeit negativen Bestandstrends der Zielarten zu verlangsamen, zu stabilisieren oder sogar umzukehren. Zur Förderung der Umsetzung erscheint insbesondere im Fall der Kiebitzinseln eine fachliche Beratung der Landwirte unabdingbar.

1. Biodiversity loss in European agricultural landscapes is progressing rapidly despite a growing number of conservation efforts.Oneof the reasons for this is that farmers do not have enough decision-making power and do not receive adequate advice to tailor conservation measures to local conditions and regional biodiversity targets. 2. In this paper, we therefore address the potential and practical implementation of co-designing conservation measures through close collaboration between farmers and other stakeholders (e.g. other practitioners, conservation experts, agricultural advisors, scientists and policymakers). 3. Based on interviews with four researchers from ongoing European co-design - projects, one national and one European farmers’ organizations, we discuss the challenges and provide recommendations for co-design in the context of biodiversity conservation in agricultural landscapes. 4. Our aim is to reach scientists, practitioners and local decision makers working on innovative and locally adapted conservation efforts.

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Die Doktorarbeit untersucht institutionelle Aspekte von staatlichen Payments for Ecosystem Services (PES, positive Anreizinstrumente i.F.v. Zahlungen für Ökosystemleistungen) in der EU und den USA. Die Untersuchung ist zweiteilig: Zunächst werden Design und Performance von bestehenden agrarumweltpolitischen Anreizinstrumenten analysiert, welche vermehrt als PES verstanden werden. Dann wird die Relevanz des Ecosystem Services (ES) Konzeptes für die Ausgestaltung der bestehenden Instrumente identifiziert. Die generellen Forschungsfragen werden hinsichtlich institutionellem Design, institutioneller Performance und institutionellem Interplay konkretisiert und im Rahmen von fünf individuellen Veröffentlichungen beantwortet. Hinsichtlich der Anreizinstrumente werden Regeln für eine effektive Gestaltung hervorgehoben. Ferner wird herausgearbeitet, wie Anreizinstrumente mit bestehenden institutionellen Strukturen interagieren. Hinsichtlich der Politikrelevanz des ES Konzeptes wird dargelegt, dass es bisher nicht in die Umweltgesetzgebung integriert wurde, eine Integration aber fortschreitet. Der größte zukünftige Einfluss des Konzeptes wird für die Klima- und Agrarpolitik vorausgesagt, insbesondere für bestehende Zahlungsinstrumente. Generell wird aufgezeigt, dass Zielgerichtetheit und Integration von staatlichen PES wichtig sind. Für einen funktionierenden Instrumentenmix von PES und Regularien muss die jeweilige Eigentumsrechtsituation transparent gemacht werden und verschiedene Akteure müssen auf einer gemeinsamen Basis zusammenarbeiten. Demgemäß wird diskutiert, welches Potential das ES Konzept dafür bietet, die Kommunikation zwischen den Akteuren zu verbessern und neue Impulse für eine Kooperation zu geben. Schließlich wird argumentiert, dass eine systematische ES Untersuchung und Quantifizierung bessere Möglichkeiten für Zieldefinition und Monitoring bieten könnte, der Nutzen einer ökonomische Bewertung von ES aber immer sehr sorgfältig geprüft werden sollte. / The doctoral thesis identifies and analyses institutional aspects of governmental Payments for Ecosystem Services (PES) in the EU and US. The analysis is twofold: First, the design and performance of existing governmental agri-environmental payment schemes that are increasingly labelled as PES have been investigated. Second, the influence of the ecosystem services (ES) concept on such payments has been identified. The general research objectives are structured in terms of institutional design, performance, and interplay. Five individual research papers shed light on the raised issues. Regarding payment schemes, findings indicate certain design rule sets that can be crucial for environmentally effective governmental payments. Furthermore, scheme interactions with other institutional arrangements have been shown. In terms of ES concept driven policies, the identified design principles have hardly been included but their integration is proceeding. The greatest future ES impact on policy design is predicted regarding climate and agricultural policies, especially on existing payment schemes. In summary, effective targeting and integration of governmental PES have been outlined as important. To create and achieve a sound mix of PES with regulations and policies, the property rights situation, the reference point for application of the ‘provider-gets’ and ‘beneficiary-pays’ principles, and any deviations therefrom should be made transparent. Furthermore, different actors must collaborate on basis of common denominators. The potential of ES to enhance communication among actors and provide new impulses for cross-sectoral and cross-level cooperation in existing governmental payments schemes implementation has been discussed. Moreover, it has been argued that regarding governmental payments, systematic ES definition and quantification may offer the opportunity to enhance targeting, and economic valuation and monetarization of ES should be very carefully considered.

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Over the last decades, fast growing population along with urban and agricultural sprawl has drastically increased the pressure on water resources of the Federal District (DF), Brazil. Various socio-environmental problems, such as soil erosion, non-point source pollution, reservoir silting, and conflicts among water users evoked the need for more efficient and sustainable ways to use land and water. Due to the complexity of processes relevant at the scale of river basins, a prior analysis of impacts of certain land use and/or land management changes is only feasible by means of modeling. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) has been proven to be useful in this context, across the globe and for different environmental conditions. In this thesis, the SWAT model is utilized to evaluate the impact of Best Management Practices (BMPs) on catchment hydrology and sediment transport. However, model applications in tropical regions, such as the DF, are hampered by severe challenges, (i) the lack of input and control data in an adequate temporal and spatial resolution and (ii) model structural failures in representing processes under tropical conditions. The present (cumulative) thesis addresses these challenges in model simulations for two contrasting watersheds, which both are important sources of the DF’s drinking water supply, i.e. (i) the agriculture-dominated Pipiripau river basin where conflicting demands put immense pressure on the available water resources and (ii) the Santa Maria / Torto river basin, which is to large parts protected as national park and, thus, covered by native vegetation of the Cerrado biome. Perhaps one of the most challenging issues facing watershed modelers in tropical regions is the fact that rain gauge networks can usually not reflect the high spatio-temporal variability of mostly convective precipitation patterns. Therefore, an ensemble of different reasonable input precipitation data-sets was used to examine the uncertainty in parameterization and model output. Acceptable streamflow and sediment load predictions could be achieved for each input data-set. However, the best-fit parameter values varied widely across the ensemble. Due to its enhanced consideration of parameter uncertainty, this ensemble approach provides more robust predictions and hence is reasonable to be used also for scenario simulations. BMP scenarios for the Pipiripau River Basin revealed that erosion control constructions, such as terraces and small retention basins along roads (Barraginhas) are promising measures to reduce sediment loads (up to 40%) while maintaining streamflow. Tests for a multi-diverse crop rotation system, in contrast, showed a high vulnerability of the hydrologic system against any increase in irrigation. Considering the BMP implementation costs, it was possible to estimate cost-abatement curves, which can provide useful information for watershed managers, especially when BMPs are supported by Payments for Environmental Services as it is the case in the study area due to the program Produtor de Água. While for agricultural areas the model has proven to generate plausible results, the plant growth module of SWAT was found to be not suitable for simulating perennial tropical vegetation, such as Cerrado (savanna) or forest, which can also play a crucial role in river basin management. For temperate regions SWAT uses dormancy to terminate growing seasons of trees and perennials. However, there is no mechanism considered to reflect seasonality in the tropics, i.e. the phenological change between wet and dry season. Therefore, a soil moisture based approach was implemented into the plant growth module to trigger new growing cycles in the transition period from dry to wet season. The adapted model was successfully tested against LAI and ET time series derived from remote sensing products (MODIS). Since the proposed changes are process-based but also allow flexible model settings, the modified plant growth module can be seen as a fundamental improvement useful for future model application in the tropics. The present thesis shows insights into the workflow of a watershed model application in the semi-humid tropics – from input data processing and model setup over source code adaptation, model calibration and uncertainty analysis to its use for running scenarios. It depicts region-specific challenges but also provides practical solutions. Hence, this work might be seen as one further step toward robust and process-based model predictions to assist land and water resources management. / Starkes Bevölkerungswachstum, ungeplante Suburbanisierung und Landnutzungsänderungen (z.B. Intensivierung in der Landwirtschaft) verstärkten innerhalb der letzten Jahrzehnte zunehmend den Druck auf die Wasserressourcen des Bundesdistrikts Brasilien (zentralbrasilianisches Hochland), in dessen Mitte die junge Hauptstadt Brasília liegt. Damit verbundene negative Umweltauswirkungen, wie Bodenerosion, Stoff- und Sedimenteinträge in Fließgewässer und Talsperren sowie Konflikte zwischen den Wassernutzern erfordern daher dringend effektive und nachhaltige Lösungen im Land- und Wasserressourcen-management. Der Einfluss von möglichen zukünftigen Landnutzungs- und Bewirtschaftungsänderungen auf Wasserverfügbarkeit und -qualität hängt vom jeweiligen, oftmals sehr komplexen, landschaftsökologischen Prozessgefüge ab und kann nur mithilfe von prozessbasierten Simulationsmodellen quantitativ auf der Ebene von Einzugsgebieten abgeschätzt werden. Das “Soil and Water Assessment Tool” (SWAT) ist ein solches Modell. Es findet weltweite Anwendung für verschiedene Umweltbedingungen in Einzugsgebieten der Meso- bis Makroskala, um Landnutzungseffekte auf den Wasserhaushalt und den Transport von Nährstoffen, Pestiziden und Sedimenten zu prognostizieren. Seine Anwendung in tropischen Regionen, wie etwa in Zentralbrasilien, ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Das betrifft sowohl die Verfügbarkeit von Eingangs- und Referenzdaten in ausreichender raum-zeitlicher Auflösung, als auch modellstrukturelle Unzulänglichkeiten bei der Prozessabbildung. Die vorliegende kumulative Dissertation zeigt dies anhand von Modellanwendungen für zwei unterschiedliche wasserwirtschaftlich relevante Einzugsgebiete (EZG): Das landwirtschaftlich intensiv genutzte EZG des Rio Pipiripau mit aktuell besonders konfliktträchtiger Wassernutzung, und das Santa Maria/Torto-EZG, welches - geschützt als Nationalpark - durch größtenteils natürliche Vegetationsformationen der brasilianischen Savanne (Cerrado) gekennzeichnet ist. Eine der größten Herausforderungen für die Einzugsgebietsmodellierung in tropischen Regionen liegt in der Abschätzung des Gebietsniederschlages, da vorhandene Messstationsdichten oft nicht ausreichen, um die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der meist konvektiven Niederschläge zu erfassen. Mithilfe eines Ensembles verschiedener, plausibel generierter Niederschlagsreihen ist der Einfluss von Niederschlagsdaten-Unsicherheit auf die Modellparametrisierung und -vorhersage explizit berücksichtigt und untersucht worden. Zufriedenstellende Abfluss- und Sedimentfrachtsimulationen waren mit jeder der als Modelinput verwendeten Niederschlagsreihen möglich, jedoch nur bei entsprechender, z.T. stark voneinander abweichender Einstellung der Kalibrierungsparameter. Da diese umfassendere Betrachtung von Parameterunsicherheit zu robusteren Modellvorhersagen führt, wurde der Ensemble-Ansatz auch in der Simulation von Bewirtschaftungsszenarien, dem eigentlichen Modellzweck, verwendet. Die Szenariosimulationen zeigten, dass Maßnahmen zur Erosionsvermeidung (Terrassierung) und zum Sedimentrückhalt (kleine Sedimentrückhaltebecken entlang von Straßen - Barraginhas) die Sedimentfracht des Rio Pipiripau durchschnittlich um bis zu 40% reduzieren können, ohne dabei die Wasserverfügbarkeit zu beeinträchtigen. Modellszenarien mit einer vielgliedrigen Fruchtfolge auf großer Fläche verdeutlichten dagegen die hohe Vulnerabilität des Niedrigwasserabflusses in der Trockenzeit gegenüber jedweder Erhöhung der Bewässerungsmenge. Auf Grundlage von Kostenschätzungen für einzelne Maßnahmen konnten Kostenkurven zur Verringerung der Sedimentfracht und damit nützliche Informationen für das Wasserressourcen-Management abgeleitet werden, insbesondere weil eine Auswahl solcher Agrar-Umweltmaßnahmen im Pipiripau-EZG durch das Programm Produtor de Água finanziell gefördert werden sollen. Während das Modell in landwirtschaftlich genutzten Gebieten plausible Ergebnisse produzierte, wurden erhebliche Schwachstellen in der Simulation ausdauernder Vegetation (z.B. Cerrado) identifiziert. Zur Unterbrechung jährlicher Vegetationszyklen verwendet SWAT eine tageslängenabhängige Dormanzperiode. Diese ist zwar zweckmäßig zur Abbildung der Vegetationsdynamik in den gemäßigten Breiten, steuert aber nicht tropische Vegetationszyklen. Um den Wechsel zwischen Trocken- und Regenzeit in der pflanzenphänologischen Simulation in SWAT abzubilden, wurde daher im Rahmen dieser Arbeit das Pflanzenwachstumsmodul modifiziert, und zwar unter anderem durch Einbeziehung der simulierten Bodenfeuchte zur Unterbrechung der Wachstumszyklen. Das angepasste Modul wurde erfolgreich anhand von Fernerkundungsdaten (MODIS) zum zeitlichen Verlauf von Blattflächenindex und Evapotranspiration getestet. Es ist prozessbasiert und erlaubt flexible Einstellungen, so dass es als grundlegende Modellverbesserung auch für andere SWAT-Anwender von großem Nutzen sein kann. Die vorliegende Dissertation bringt neue Einsichten in verschiedene wichtige Aspekte der integrierten Modellierung tropischer Einzugsgebiete, von der Eingangsdatenaufbereitung über Quellcode-Anpassung, Modellkalibrierung und Unsicherheitsanalyse bis hin zu Szenariosimulationen. Sie veranschaulicht regionsspezifische Herausforderungen, liefert gleichzeitig aber auch praktikable Lösungen und damit einen wichtigen Beitrag für robustere prozessbasierte Modellanwendungen als Entscheidungsunterstützung im Bereich Land- und Wasserressourcenmanagement.

Over the last decades, fast growing population along with urban and agricultural sprawl has drastically increased the pressure on water resources of the Federal District (DF), Brazil. Various socio-environmental problems, such as soil erosion, non-point source pollution, reservoir silting, and conflicts among water users evoked the need for more efficient and sustainable ways to use land and water. Due to the complexity of processes relevant at the scale of river basins, a prior analysis of impacts of certain land use and/or land management changes is only feasible by means of modeling. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) has been proven to be useful in this context, across the globe and for different environmental conditions. In this thesis, the SWAT model is utilized to evaluate the impact of Best Management Practices (BMPs) on catchment hydrology and sediment transport. However, model applications in tropical regions, such as the DF, are hampered by severe challenges, (i) the lack of input and control data in an adequate temporal and spatial resolution and (ii) model structural failures in representing processes under tropical conditions. The present (cumulative) thesis addresses these challenges in model simulations for two contrasting watersheds, which both are important sources of the DF’s drinking water supply, i.e. (i) the agriculture-dominated Pipiripau river basin where conflicting demands put immense pressure on the available water resources and (ii) the Santa Maria / Torto river basin, which is to large parts protected as national park and, thus, covered by native vegetation of the Cerrado biome. Perhaps one of the most challenging issues facing watershed modelers in tropical regions is the fact that rain gauge networks can usually not reflect the high spatio-temporal variability of mostly convective precipitation patterns. Therefore, an ensemble of different reasonable input precipitation data-sets was used to examine the uncertainty in parameterization and model output. Acceptable streamflow and sediment load predictions could be achieved for each input data-set. However, the best-fit parameter values varied widely across the ensemble. Due to its enhanced consideration of parameter uncertainty, this ensemble approach provides more robust predictions and hence is reasonable to be used also for scenario simulations. BMP scenarios for the Pipiripau River Basin revealed that erosion control constructions, such as terraces and small retention basins along roads (Barraginhas) are promising measures to reduce sediment loads (up to 40%) while maintaining streamflow. Tests for a multi-diverse crop rotation system, in contrast, showed a high vulnerability of the hydrologic system against any increase in irrigation. Considering the BMP implementation costs, it was possible to estimate cost-abatement curves, which can provide useful information for watershed managers, especially when BMPs are supported by Payments for Environmental Services as it is the case in the study area due to the program Produtor de Água. While for agricultural areas the model has proven to generate plausible results, the plant growth module of SWAT was found to be not suitable for simulating perennial tropical vegetation, such as Cerrado (savanna) or forest, which can also play a crucial role in river basin management. For temperate regions SWAT uses dormancy to terminate growing seasons of trees and perennials. However, there is no mechanism considered to reflect seasonality in the tropics, i.e. the phenological change between wet and dry season. Therefore, a soil moisture based approach was implemented into the plant growth module to trigger new growing cycles in the transition period from dry to wet season. The adapted model was successfully tested against LAI and ET time series derived from remote sensing products (MODIS). Since the proposed changes are process-based but also allow flexible model settings, the modified plant growth module can be seen as a fundamental improvement useful for future model application in the tropics. The present thesis shows insights into the workflow of a watershed model application in the semi-humid tropics – from input data processing and model setup over source code adaptation, model calibration and uncertainty analysis to its use for running scenarios. It depicts region-specific challenges but also provides practical solutions. Hence, this work might be seen as one further step toward robust and process-based model predictions to assist land and water resources management. / Starkes Bevölkerungswachstum, ungeplante Suburbanisierung und Landnutzungsänderungen (z.B. Intensivierung in der Landwirtschaft) verstärkten innerhalb der letzten Jahrzehnte zunehmend den Druck auf die Wasserressourcen des Bundesdistrikts Brasilien (zentralbrasilianisches Hochland), in dessen Mitte die junge Hauptstadt Brasília liegt. Damit verbundene negative Umweltauswirkungen, wie Bodenerosion, Stoff- und Sedimenteinträge in Fließgewässer und Talsperren sowie Konflikte zwischen den Wassernutzern erfordern daher dringend effektive und nachhaltige Lösungen im Land- und Wasserressourcen-management. Der Einfluss von möglichen zukünftigen Landnutzungs- und Bewirtschaftungsänderungen auf Wasserverfügbarkeit und -qualität hängt vom jeweiligen, oftmals sehr komplexen, landschaftsökologischen Prozessgefüge ab und kann nur mithilfe von prozessbasierten Simulationsmodellen quantitativ auf der Ebene von Einzugsgebieten abgeschätzt werden. Das “Soil and Water Assessment Tool” (SWAT) ist ein solches Modell. Es findet weltweite Anwendung für verschiedene Umweltbedingungen in Einzugsgebieten der Meso- bis Makroskala, um Landnutzungseffekte auf den Wasserhaushalt und den Transport von Nährstoffen, Pestiziden und Sedimenten zu prognostizieren. Seine Anwendung in tropischen Regionen, wie etwa in Zentralbrasilien, ist jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Das betrifft sowohl die Verfügbarkeit von Eingangs- und Referenzdaten in ausreichender raum-zeitlicher Auflösung, als auch modellstrukturelle Unzulänglichkeiten bei der Prozessabbildung. Die vorliegende kumulative Dissertation zeigt dies anhand von Modellanwendungen für zwei unterschiedliche wasserwirtschaftlich relevante Einzugsgebiete (EZG): Das landwirtschaftlich intensiv genutzte EZG des Rio Pipiripau mit aktuell besonders konfliktträchtiger Wassernutzung, und das Santa Maria/Torto-EZG, welches - geschützt als Nationalpark - durch größtenteils natürliche Vegetationsformationen der brasilianischen Savanne (Cerrado) gekennzeichnet ist. Eine der größten Herausforderungen für die Einzugsgebietsmodellierung in tropischen Regionen liegt in der Abschätzung des Gebietsniederschlages, da vorhandene Messstationsdichten oft nicht ausreichen, um die hohe räumliche und zeitliche Variabilität der meist konvektiven Niederschläge zu erfassen. Mithilfe eines Ensembles verschiedener, plausibel generierter Niederschlagsreihen ist der Einfluss von Niederschlagsdaten-Unsicherheit auf die Modellparametrisierung und -vorhersage explizit berücksichtigt und untersucht worden. Zufriedenstellende Abfluss- und Sedimentfrachtsimulationen waren mit jeder der als Modelinput verwendeten Niederschlagsreihen möglich, jedoch nur bei entsprechender, z.T. stark voneinander abweichender Einstellung der Kalibrierungsparameter. Da diese umfassendere Betrachtung von Parameterunsicherheit zu robusteren Modellvorhersagen führt, wurde der Ensemble-Ansatz auch in der Simulation von Bewirtschaftungsszenarien, dem eigentlichen Modellzweck, verwendet. Die Szenariosimulationen zeigten, dass Maßnahmen zur Erosionsvermeidung (Terrassierung) und zum Sedimentrückhalt (kleine Sedimentrückhaltebecken entlang von Straßen - Barraginhas) die Sedimentfracht des Rio Pipiripau durchschnittlich um bis zu 40% reduzieren können, ohne dabei die Wasserverfügbarkeit zu beeinträchtigen. Modellszenarien mit einer vielgliedrigen Fruchtfolge auf großer Fläche verdeutlichten dagegen die hohe Vulnerabilität des Niedrigwasserabflusses in der Trockenzeit gegenüber jedweder Erhöhung der Bewässerungsmenge. Auf Grundlage von Kostenschätzungen für einzelne Maßnahmen konnten Kostenkurven zur Verringerung der Sedimentfracht und damit nützliche Informationen für das Wasserressourcen-Management abgeleitet werden, insbesondere weil eine Auswahl solcher Agrar-Umweltmaßnahmen im Pipiripau-EZG durch das Programm Produtor de Água finanziell gefördert werden sollen. Während das Modell in landwirtschaftlich genutzten Gebieten plausible Ergebnisse produzierte, wurden erhebliche Schwachstellen in der Simulation ausdauernder Vegetation (z.B. Cerrado) identifiziert. Zur Unterbrechung jährlicher Vegetationszyklen verwendet SWAT eine tageslängenabhängige Dormanzperiode. Diese ist zwar zweckmäßig zur Abbildung der Vegetationsdynamik in den gemäßigten Breiten, steuert aber nicht tropische Vegetationszyklen. Um den Wechsel zwischen Trocken- und Regenzeit in der pflanzenphänologischen Simulation in SWAT abzubilden, wurde daher im Rahmen dieser Arbeit das Pflanzenwachstumsmodul modifiziert, und zwar unter anderem durch Einbeziehung der simulierten Bodenfeuchte zur Unterbrechung der Wachstumszyklen. Das angepasste Modul wurde erfolgreich anhand von Fernerkundungsdaten (MODIS) zum zeitlichen Verlauf von Blattflächenindex und Evapotranspiration getestet. Es ist prozessbasiert und erlaubt flexible Einstellungen, so dass es als grundlegende Modellverbesserung auch für andere SWAT-Anwender von großem Nutzen sein kann. Die vorliegende Dissertation bringt neue Einsichten in verschiedene wichtige Aspekte der integrierten Modellierung tropischer Einzugsgebiete, von der Eingangsdatenaufbereitung über Quellcode-Anpassung, Modellkalibrierung und Unsicherheitsanalyse bis hin zu Szenariosimulationen. Sie veranschaulicht regionsspezifische Herausforderungen, liefert gleichzeitig aber auch praktikable Lösungen und damit einen wichtigen Beitrag für robustere prozessbasierte Modellanwendungen als Entscheidungsunterstützung im Bereich Land- und Wasserressourcenmanagement.