Die Gattung Daphnia nimmt eine zentrale Position im pelagischen Nahrungsnetz vieler Standgewässern (Seen, Talsperren) ein. Aufgrund hoher Filtrierleistungen sind Daphnien für das integrierte Gewässermanagement, z.B. im Rahmen einer Nahrungskettenmanipulation (Biomanipulation), von großem Interesse. Ihre relativ einfache Kultivierbarkeit machte sie außerdem zu einen weit verbreiteten Modellorganismus limnologischer Grundlagenforschung. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein umfassendes Modellsystem für die Gattung Daphnia zu entwickeln, das wesentliche Kenntnisse der Ökologie von Daphnia miteinander verknüpft, um eine Vernetzung des Wissens zu realisieren. Bestehende Modellansätze konnten diese Aufgabe nur unzureichend erfüllen, weil sie in der Regel einem "Problem-orientierten Ansatz" folgen und somit sehr unterschiedliche inhaltliche Ausrichtungen und verschiedene Modellstrukturen aufweisen. Eine Kopplung bzw. ein direkter Vergleich dieser Modelle ist deshalb in der Regel schwierig. Dieses Modellsystem wurde entwickelt, um ein Instrument zur Synthese des vorhandenen Prozesswissens bereitzustellen, und nicht, um ein spezifisches, abgegrenztes Problem zu bearbeiten; es steht somit diametral zu existierenden Ansätzen. Aus diesem Grunde wird der gewählte Ansatz als ein "Spezies-orientierter Ansatz" bezeichnet. Drei Eigenschaften charakterisieren diesen Ansatz. (i) Das Modellsystem umfasst mehrere hierarchische Ebenen biologischer Organisation, wobei der Schwerpunkt auf den Ebenen des Individuums und der Population liegt. Interaktionen zwischen diesen Organisationsebenen sind ausgeprägt und in Feld- und Laborstudien gut belegt, in existierenden Modellen aber noch unzureichend miteinander verknüpft. (ii) Da eine quantitative Interpretation der Ergebnisse beabsichtigt ist, wurden die Modellausgaben einer umfangreichen Validation an unabhängigen und bereits publizierten Daten unterzogen. (iii) Das Modellsystem zeichnet sich durch einen geschachtelten Aufbau aus (nested design), wodurch eine einfache Erweiterbarkeit des Modells oder auch die separate Anwendung bestimmter Modellkomponenten gewährleistet ist. / The scope of this thesis was to develop a comprehensive model system of the genus Daphnia, a key organism in the pelagic food web of lakes and reservoirs and a widely used model organism in experimental and theoretical ecology. Although its central role in applied and basic research in aquatic ecology is obvious, there are still fundamental problems in modelling the observed dynamics of Daphnia (for details see chapter 2). Therefore, a basic motivation of this work was to use scientific results obtained in independently conducted research for developing a model that brings these results into context. Instead of following a "problem-oriented" paradigm applicable to a single, well defined problem or scientific hypothesis, the underlying concept of the emerging model system was considered to be "species-oriented". Thus, various relevant processes are included into the framework in order to simulate the dynamics of daphnids displayed on different levels of biological organization. To facilitate its application to various problems in ecological research on the genus Daphnia, the model system fulfills the following three important properties: (1) model outputs are thoroughly validated on experimental data in order to guarantee sound quantitative outputs of the model system (2) the system spans over different levels of biological organization with special emphasis laid upon the individual level and the population level (3) the model´s architecture follows a nested design with a defined individual level model that is integrated into a population level model The whole model system is able to describe an individual´s development over time on basis of physiological properties of the organism and, furthermore, how these individual level processes interact with the dynamics on the population level. Due to its nested design, applications of separate submodels (e.g. the individual-level model) are possible.

Despite their important ecosystem benefits for terrestrial and marine flora and fauna and the human livelihood mangrove forests suffer a high loss rate mainly due to human activity. Aside from these impacts, natural forest disturbances exist more commonly in mangroves compared to other forests as a direct consequence of their exposed coastal location. Within this thesis I investigate the influence of natural disturbance regimes on the mangrove forest dynamics focusing in particular on the ecological role of disturbances, disturbance patterns, forest structure, succession behavior and long-term vulnerability evaluation. The study areas were set in the Indian River Lagoon in Florida (USA) and in Can Gio an UNESCO Biosphere Reserve (Vietnam). In addition, theoretical simulation studies were carried out to complement the field studies. Thereby, in our study at the Indian River Lagoon site I investigated the ecosystem response to hurricane events of an artificially impounded mangrove forest. In Can Gio, the suitability of lightning strike – caused gaps for setting a homogenous plantation into more natural-like state according to species composition and forest structure was analyzed. Finally, a theoretical simulation study was carried out to compare lightning strike and hurricane events regarding their homogenization and heterogenization effects on the spatio-temporal forest structure. The findings of the field study in the Indian River Lagoon indicate that hurricane events had a severe impact on forest areas in higher successional stages by creating open patches, whereas areas in lower successional stages remained largely undisturbed. Furthermore, the impoundment determines the species selection of the post-hurricane succession by favoring flooding-tolerant species. However, regeneration was found to be impaired by the artificially high inundation regime at some disturbed patches. The lightning-strike disturbances enhance the species composition in the monospecific plantation in Can Gio by providing a sufficient light regime for entering seeds to establish. In addition, lightning-strike gaps increased the plantation structure complexity. Regenerating lightning-strike gaps remained as “green islands” within windthrow sites in the plantation due to their low stature and provided seeds for surrounding disturbed areas thereby accelerating their recolonization. The results of the simulation analysis of a theoretical landscape showed that in the simulated highly complex natural mature forests all disturbance regimes entail homogenization on the spatial structure compared to an undisturbed scenario. The hurricane scenario showed an increased temporal variation of the forest dynamics whereas lightning-strike gaps were not able to contribute to additional heterogeneity in the simulated area, despite of having the same tree mortality probability during disturbances. The interaction of the large-scale impoundment in the Indian River Lagoon and medium-sized hurricane events is characterized by partially impeded post-hurricane regeneration. In contrast, small-scaled lightning strikes influenced the regeneration of medium-sized windthrow sites positively within the homogenous plantation. We therefore suggest management activities aimed at creating small clearances within the plantation in Can Gio to simulate additional small-scale disturbances in order to facilitate heterogenization of the plantation structure. Natural disturbances are found to be able to enhance the species diversity and the interactions of ecological processes. In particular, where sustainable management strategies focused on maintaining ecosystem services especially in restored sites or plantations act as a supportive part. Natural disturbances are an integral component of mangrove forests and fulfill specific ecological functions. However, our findings indicate that these disturbances, on top of altered environmental conditions associated with climate change and direct human impacts, might jeopardize the natural development in unnatural forest structures as on plantations or restored sites. This thesis gives an extensive overview about the effect of various disturbances in different mangrove forest systems, including semi-natural forests and strongly modified plantations, on species composition and forest structure. Field studies and simulation analyses contribute in equal parts to the results of the thesis.

NetLogo has become a standard platform for agent-based simulation, yet there appears to be widespread belief that it is not suitable for large and complex models due to slow execution. Our experience does not support that belief. NetLogo programs often do run very slowly when written to minimize code length and maximize clarity, but relatively simple and easily tested changes can almost always produce major increases in execution speed. We recommend a five-step process for quantifying execution speed, identifying slow parts of code, and writing faster code. Avoiding or improving agent filtering statements can often produce dramatic speed improvements. For models with extensive initialization methods, reorganizing the setup procedure can reduce the initialization effort in simulation experiments. Programming the same behavior in a different way can sometimes provide order-of-magnitude speed increases. For models in which most agents do nothing on most time steps, discrete event simulation—facilitated by the time extension to NetLogo—can dramatically increase speed. NetLogo’s BehaviorSpace tool makes it very easy to conduct multiple-model-run experiments in parallel on either desktop or high performance cluster computers, so even quite slow models can be executed thousands of times. NetLogo also is supported by efficient analysis tools, such as BehaviorSearch and RNetLogo, that can reduce the number of model runs and the effort to set them up for (e.g.) parameterization and sensitivity analysis.

L’étude des interactions entre les plantes au sein de couverts hétérogènes pourrait permettre une meilleure utilisation des associations variétales de blé, car nous manquons de connaissances sur la manière dont les complémentarités, synergies et compétitions entre variétés affectent leurs performances dans ces conditions. Notre étude s'est focalisée sur la compréhension de l'impact de la compétition pour la lumière sur l'architecture aérienne du blé, en couplant une analyse expérimentale et une approche par modélisation. Nous avons dans un premier temps, caractérisé la plasticité de l’architecture aérienne en réponse à la modification de la densité de semis, pour 20 génotypes contrastés de blé tendre. Ainsi, nous avons déterminé que le nombre d’axes par plante était le trait le plus plastique pour tous les génotypes. Nous avons ensuite développé un modèle individu-centré représentant le développement du blé du semis à la floraison. Ce modèle est composé de deux parties : une partie descriptive du développement foliaire basée sur un modèle existant (ADEL-blé) et une partie plus mécaniste où nous avons intégré une régulation du tallage par la ressource lumineuse. Cette régulation du tallage se fait selon deux hypothèses simples : (1) la plante arrête d'émettre des talles dès que le Green Area Index (GAI) de son voisinage atteint une valeur seuil et (2) une talle meurt si la quantité de lumière qu'elle intercepte est inférieure à un seuil critique. La dynamique de tallage simulée par le modèle sur une large gamme de densité de semis est proche de la dynamique de tallage observée expérimentalement. Nous avons également caractérisé expérimentalement la plasticité de l’architecture aérienne de huit génotypes de blé en réponse à la compétition dans différentes associations variétales binaires. Ces analyses ont révélé des réponses assez différentes de celles mesurées en culture pure, soulignant la spécificité de certaines interactions entre plantes de génotypes différents. Ces essais ont confirmé que les associations contribuaient généralement à une augmentation de la production, en particulier dans des itinéraires techniques économes en intrants. Nous avons montré que des associations variétales comprenant des génotypes avec des hauteurs différentes permettaient d’avantager fortement le génotype haut sans trop pénaliser le génotype court. Ce travail a permis de développer un formalisme simplifié des processus régulant le tallage, qui va permettre d'explorer et optimiser les complémentarités/compétitions entre variétés dans des peuplements multi-variétaux. A terme le modèle pourra être couplé à des modèles génétiques pour mieux décrire l'impact de l'interaction plate-plante dans la valeur sélective des individus dans des populations hétérogènes. / The understanding of the interactions between plants within heterogeneous crops could allow for a more efficient use of wheat varietal mixtures, as there is a gap of knowledge on the complementarity, synergy and competition that develop among varieties within these systems. Our study is focused on competition for light, and its impact on the above ground architecture of wheat, coupling experimental analysis and model development. We first characterized the plasticity of the aerial architecture in response to different sowing densities, for 20 contrasting genotypes of winter wheat. The number of axes per plant was shown to be the most plastic trait for all genotypes. We developed an individual-based model representing wheat growth, from the sowing to flowering. The model is composed of two parts: a descriptive part of the foliar development based on the ADEL-wheat model and a mechanistic part which accounts for the regulation of tillering by light. Tillering is regulated by two simple hypotheses: (1) tillering stops when a critical value of local Green Area Index (GAI) is reached, (2) a tiller dies if the amount of intercepted light falls below a critical threshold. A realistic tillering dynamics was simulated by our model over a wide range of sowing densities, with a good fit with experimental data. We also experimentally characterized the plasticity of plant architecture for eight wheat genotypes observed in various two-components varietal mixtures. Contrasted plastic responses were observed when compared to those expressed in pure stands, underlining the specificity of certain plant-plant interactions. These experiments confirmed that the cultivar mixtures generally contribute to an overyielding, particularly in low-input agriculture . Finally, our results revealed that variety mixtures including genotypes with different heights may provide an advantage to the taller genotype with limited tradeoff on the short genotype. This work contributed to the development of a simplified formalism for tillering process, allowing to explore and optimize complementarities / competitions between plants within variety mixtures. Ultimately, the model could be coupled with a genetic model, in order to better describe the impact of plant-to-plant interactions in the selective value of individuals in heterogeneous populations.

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Le caribou forestier est une espèce menacée au Canada, la principale hypothèse au déclin des populations étant l’intensification de la prédation provoquée par les perturbations anthropiques du paysage. Afin de faire face à cette situation, il est nécessaire d’étudier et comprendre l’impact de l’environnement sur les interactions prédateur-proies entre le caribou et le loup, ainsi qu’avec l’orignal, qui est sa principale proie alternative. Pour cela, cette thèse présente la conception d’un modèle centré sur l’individu des déplacements de ces trois espèces en fonction de leur environnement, dont résulteront les interactions prédateur-proies. Afin de permettre l’application de ce modèle sur de longues périodes, et donc pour un environnement changeant, une méthodologie a été développée, qui s’articule atour de deux aspects principaux. Tout d’abord, la notion de niveaux d’émergence est introduite, permettant d’ordonner les comportements observables du système selon leurs interdépendances, afin de choisir comme trait du modèle un com- portement correspondant au domaine d’applicabilité visé. Ordonner les comportements selon leurs niveaux d’émergence permet également d’identifier la redondance entre les patrons, qui peut être à l’origine d’un phénomène de sur-apprentissage lorsqu’ils sont utilisés lors de la calibration. Dans un second temps, un nouveau protocole pour la calibration et la validation du ou des traits choisis à l’aide des niveaux d’émergence, nommé réplication de système basé sur l’individu (Individual Based System Replication - IBSRtion) est également présenté. Ce protocole met l’emphase sur la modélisation directe, contrairement au principal protocole existant, la modélisation orientée patrons (Pattern Oriented Modelling - POM), et permet une approche empirique en générant artificiellement des données non disponibles ou ne pouvant être récoltées par des études de terrains. IBSRtion a également l’avantage de pouvoir être intégrée dans POM, afin de contribuer à la création d’une méthodologie universelle pour la conception de modèles centrés sur l’individu. Le processus de conception de ce modèle aura entre autre permis de faire une synthèse des connaissances et d’identifier certaines lacunes. Une étude visant à palier le manque de connaissances satisfaisantes sur les réponses comportementales à court-terme des proies face au risque de prédation a notamment permis d’observer que celles-ci sont une combinaison de comportements chroniques et éphémères, et que les mécanismes qui en sont à l’origine sont complexes et non-linéaires. Le résultat de ce travail est un modèle complexe utilisant de nombreux sous-modèles, et calibré de façon empirique, applicable à une grande variété d’environnements. Ce modèle a permis de tester l’impact de l’enfeuillement sur les relations prédateur-proies. Des simulations ont été effectuées pour différentes quantités d’enfeuillement, suivant deux configurations spatiales différentes. Les résultats de simulation suggèrent que des plans d’aménagement considérant également l’habitat de l’orignal pourraient être bénéfiques pour le caribou forestier, car ils permettraient d’améliorer la ségrégation spatiale entre les deux espèces, et donc entre le caribou et le loup. En le couplant avec un module de naissances et de morts naturelles ainsi qu’un modèle d’évolution du paysage, ce modèle permettra par la suite d’évaluer l’impact de plans d’aménagement forestier sur la viabilité des populations de caribou forestier. / Forest-dwelling woodland caribou are considered threatened in Canada. The main hypothesis to the decrease of populations is the intensification of predation provoked by anthropogenic perturbations in the landscape. To deal with this situation, it is necessary to study and to understand the impact of the environment on the predator-prey interactions between the caribou and the wolf, and with the moose, its main alternative prey. In this perspective, this thesis presents the design of an individual-based model of displacements of these three species with respect to their environment, from which the predator-prey interactions will result. To allow for the application of this model for long periods of time, i.e. for changing environments, a methodology has been developed, which is based on two key points. First, the notion of levels of emergence is introduced, allowing to order the different observable comportments of the system according to their inter-dependencies, to help with choosing a trait of the model corresponding to the intended domain of applicability. Ordering the comportments according to their levels of emergence also permits to identify redundancy between patterns, which can lead to over-fitting when they are used for calibration. Second, a new methodology for calibration and validation of the trait(s) chosen by means of the levels of emergence framework is also presented, named Individual Based System Replication (IBSRtion). This protocol emphasizes forward modelling, contrary to the main existing methodology, Pattern Oriented Modelling (POM), and allows to use an empirical approach by artificially generating data that are unavailable or that cannot be obtained by means of field studies. IBSRtion can also be integrated into POM, to contribute to the establish- ment of a universal methodology for the design of individual based models. The design process of this model allowed for a synthesis of existing knowledge and to point out some gaps. More specifically, a study conducted to deal with the lack of sufficient information on the short-term response of prey to predation risk allowed to observe that their behavioural responses to prior presence of predators are a combination of chronic and ephemeral behaviours, and that the mechanisms that produce them are complex and non-linear. The outcome of this work is a complex model, using many sub-models, and calibrated in an empirical fashion, that can be applied to a wide variety of environments. This model allowed to test the impact of the encroachment of deciduous trees on predator-prey relations. Simulations have been run for different quantities of encroachment, according to two different spatial configurations. Simulation results suggest that management plans taking into account the moose’s habitat might benefit woodland caribou, because they could increase spatial segregation between the two species, and thus between caribou and wolf. Coupling this model with a module of birth and natural death, along with a model of landscape transformation, would allow the assessment of the impact of different forest management plans on the viability of woodland caribou populations.

Cette thèse est consacrée à la modélisation mathématique de l'hématopoïèse et des maladies sanguines. Plusieurs modèles traitant d'aspects différents et complémentaires de l'hématopoïèse y sont étudiés.Tout d'abord, un modèle multi-échelle de l'érythropoïèse est analysé, dans lequel sont décrits à la fois le réseau intracellulaire, qui détermine le comportement individuel des cellules, et la dynamique des populations de cellules. En utilisant des données expérimentales sur les souris, nous évaluons les rôles des divers mécanismes de retro-contrôle en réponse aux situations de stress.Ensuite, nous tenons compte de la distribution spatiale des cellules dans la moelle osseuse, question qui n'avait pas été étudiée auparavant. Nous décrivons l'hématopoïèse normale à l'aide d'un système d'équations de réaction-diffusion-convection et nous démontrons l'existence d'une distribution stationnaire des cellules. Puis, nous introduisons dans le modèle les cellules malignes. Pour certaines valeurs des paramètres, la solution "disease-free" devient instable et une autre solution, qui correspond à la leucémie, apparaît. Cela mène à la formation d'une tumeur qui se propage dans la moelle osseuse comme une onde progressive. La vitesse de cette propagation est étudiée analytiquement et numériquement. Les cellules de la moelle osseuse échangent des signaux qui régulent le comportement cellulaire. Nous étudions ensuite une équation integro-différentielle qui décrit la communication cellulaire et nous prouvons l'existence d'une solution du type onde progressive en utilisant la théorie du degré topologique et la méthode de Leray et Schauder. L'approche multi-agent est utilisée afin d'étudier la distribution des différents types de cellules dans la moelle osseuse.Finalement, nous étudions un modèle de type "Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamics" du traitement de la leucémie par l'AraC. L'AraC agit comme chimiothérapie et induit l'apoptose de toutes les cellules proliférantes, saines et malignes. La pharmacocinétique donne accès à la concentration intracellulaire d'AraC. Cette dernière, à son tour, détermine la dynamique des populations cellulaires et, par conséquent, l'efficacité de différents protocoles de traitement. / This PhD thesis is devoted to mathematical modelling of haematopoiesis and blood diseases. We investigate several models, which deal with different and complementary aspects of haematopoiesis.The first part of the thesis concerns a multi-scale model of erythropoiesis where intracellular regulatory networks, which determine cell choice between self-renewal, differentiation and apoptosis, are coupled with dynamics of cell populations. Using experimental data on anemia in mice, we evaluate the roles of different feedback mechanisms in response to stress situations. At the next stage of modelling, spatial cell distribution in the bone marrow is taken into account, the question which has not been studied before. We describe normal haematopoiesis with a system of reaction-diffusion-convection equations and prove existence of a stationary cell distribution. We then introduce malignant cells into the model. For some parameter values the disease free solution becomes unstable and another one, which corresponds to leukaemia, appears. This leads to the formation of tumour which spreads in the bone marrow as a travelling wave. The speed of its propagation is studied analytically and numerically. Bone marrow cells exchange different signals that regulate cell behaviour. We study, next, an integro-differential equation which describes cell communication and prove the existence of travelling wave solutions using topological degree and the Leray-Schauder method. Individual based approach is used to study distribution of different cell types in the bone marrow. Finally, we investigate a Physiologically Based Pharmacokinetics-Pharmacodynamics model of leukaemia treatment with AraC drug. AraC acts as chemotherapy, inducing apoptosis of all proliferating cells, normal and malignant. Pharmacokinetics provides the evolution of intracellular AraC. This, in turn, determines cell population dynamics and, consequently, efficacy of treatment with different protocols.

Le but de cette thèse est de développer des outils statistiques permettant d'initialiser et de calibrer les modèles de microsimulation dynamique stochastique, en partant de l'exemple du modèle SimVillages (développé dans le cadre du projet Européen PRIMA). Ce modèle couple des dynamiques démographiques et économiques appliquées à une population de municipalités rurales. Chaque individu de la population, représenté explicitement dans un ménage au sein d'une commune, travaille éventuellement dans une autre, et possède sa propre trajectoire de vie. Ainsi, le modèle inclut-il des dynamiques de choix de vie, d'étude, de carrière, d'union, de naissance, de divorce, de migration et de décès. Nous avons développé, implémenté et testé les modèles et méthodes suivants: * un modèle permettant de générer une population synthétique à partir de données agrégées, où chaque individu est membre d'un ménage, vit dans une commune et possède un statut au regard de l'emploi. Cette population synthétique est l'état initial du modèle. * un modèle permettant de simuler une table d'origine-destination des déplacements domicile-travail à partir de données agrégées. * un modèle permettant d'estimer le nombre d'emplois dans les services de proximité dans une commune donnée en fonction de son nombre d'habitants et de son voisinage en termes de service. * une méthode de calibration des paramètres inconnus du modèle SimVillages de manière à satisfaire un ensemble de critères d'erreurs définis sur des sources de données hétérogènes. Cette méthode est fondée sur un nouvel algorithme d'échantillonnage séquentiel de type Approximate Bayesian Computation.

Das Schutzziel in der Ökotoxikologie ist die Population. Un­ter­suchungen zur Wirkung von subletalen Konzentrationen einer Umweltchemikalie auf Populationsebene, zum Beispiel mit künst­lichen Fließgewässersystemen (Mikrokosmen) können aussagekräftigere Beiträge zur ökotoxikologischen Bewertung einer Umweltchemikalie liefern. Außerdem können bei solchen Untersuchungen mögliche indirekte Effekte erfaßt werden. Über die Reaktion von Fließgewässer-Biozönosen gegenüber Um­welt­chemikalien ist relativ wenig bekannt. Die überwiegende Zahl der Untersuchungen zur Abschätzung des Ge­fähr­dungs­po­tentials von Umweltchemikalien wurde mit Testsystemen für Lebensgemeinschaften in stehenden Gewässern untersucht. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse dieser Tests auf Fließgewässer-Lebensgemeinschaften ist meist nicht gegeben. Daher ist es notwendig Testsysteme zu etablieren, mit denen die Wirkung von Umweltchemikalien auf Fließgewässer-Le­bens­ge­mein­schaf­ten untersucht werden kann. In einem Gewächshaus wurden fünf Fließrinnen etabliert, mit denen die physikalisch-chemischen Bedingungen in einem Bach simuliert werden können. Im Ge­gensatz zu Untersuchungen einer komplexen Le­bens­ge­mein­schaft mit hoher Variabilität, wie sie sich beispielsweise durch das Einbringen von na­tür­lich­em Sediment aus Fließgewässern einstellt, wurde in diesen Experimenten die Wirkung von Che­mikalien auf eine einfache Lebensgemeinschaft untersucht. Die Le­bens­ge­mein­schaft in den Fließrinnen bestand deshalb aus wenigen, aus­ge­wählten Arten. Untersucht wurden die Kon­zen­tra­tionen 0,6, 6, 60 und 600 µg/l (Terbutryn) und 0,05, 0,5, 5 und 50 µg/l (Fenoxycarb). Gegenstand der vorliegenden Arbeit waren die Untersuchungen mit Gammarus fossarum. In einem akuten Toxizitätstest wurde die LC50 von Terbutryn für adulte und juvenile Gammariden ermittelt. In den Fließ­rin­nen­ex­perimenten mit Terbutryn und Fenoxycarb wurden po­pu­la­tions­relevante Pa­ra­meter der Gammaridenpopulationen untersucht. Ob und in welchem Um­fang sich Effekte, die mit den Stan­dard­tests gemessen wurden, auf bestimmte öko­toxi­ko­lo­gi­sche End­punkte der Population auswirken, kann nicht immer unmittelbar abgeleitet werden. Eine Möglichkeit wäre die aufwendige Durchführung von Po­pu­la­tionsexperimenten mit einfachen oder komplexeren Mo­dell­öko­systemen über eine lange Zeit. Eine andere Möglichkeit ist die Nutzung mathematischer Modelle zur Beschreibung der Populationsdynamik. Das begleitend zu den Untersuchungen entwickelte individuenbasierte Re­pro­duk­tions­modell GamMod bildet die Populationsdynamik einer ab­ge­schlos­senen Population von Gammarus fossarum in künstlichen Fließgewässersystemen ab. Es wird die Struktur und Dy­na­mik des realen Systems (Populationsdynamik) unter Ein­beziehung der Kenntnisse des Reproduktionszyklus modelliert. Mo­dell­szenarien sollen Aus­sagen über den Einfluß der Än­der­ung einer Variablen bezüglich der Populationsdynamik liefern.

The general aim of my dissertation was to investigate the role of plant interactions in driving population dynamics. Both theoretical and empirical approaches were employed. All my studies were conducted on the basis of metabolic scaling theory (MST), because the complex, spatially and temporally varying structures and dynamics of ecological systems are considered to be largely consequences of biological metabolism. However, MST did not consider the important role of plant interactions and was found to be invalid in some environmental conditions. Integrating the effects of plant interactions and environmental conditions into MST may be essential for reconciling MST with observed variations in nature. Such integration will improve the development of theory, and will help us to understand the relationship between individual level process and system level dynamics. As a first step, I derived a general ontogenetic growth model for plants which is based on energy conservation and physiological processes of individual plant. Taking the mechanistic growth model as basis, I developed three individual-based models (IBMs) to investigate different topics related to plant population dynamics: 1. I investigated the role of different modes of competition in altering the prediction of MST on plant self-thinning trajectories. A spatially-explicit individual-based zone-of-influence (ZOI) model was developed to investigate the hypothesis that MST may be compatible with the observed variation in plant self-thinning trajectories if different modes of competition and different resource availabilities are considered. The simulation results supported my hypothesis that (i) symmetric competition (e.g. belowground competition) will lead to significantly shallower self-thinning trajectories than asymmetric competition as predicted by MST; and (ii) individual-level metabolic processes can predict population-level patterns when surviving plants are barely affected by local competition, which is more likely to be in the case of asymmetric competition. 2. Recent studies implied that not only plant interactions but also the plastic biomass allocation to roots or shoots of plants may affect mass-density relationship. To investigate the relative roles of competition and plastic biomass allocation in altering the mass-density relationship of plant population, a two-layer ZOI model was used which considers allometric biomass allocation to shoots or roots and represents both above- and belowground competition simultaneously via independent ZOIs. In addition, I also performed greenhouse experiment to evaluate the model predictions. Both theoretical model and experiment demonstrated that: plants are able to adjust their biomass allocation in response to environmental factors, and such adaptive behaviours of individual plants, however, can alter the relative importance of above- or belowground competition, thereby affecting plant mass-density relationships at the population level. Invalid predictions of MST are likely to occur where competition occurs belowground (symmetric) rather than aboveground (asymmetric). 3. I introduced the new concept of modes of facilitation, i.e. symmetric versus asymmetric facilitation, and developed an individual-based model to explore how the interplay between different modes of competition and facilitation changes spatial pattern formation in plant populations. The study shows that facilitation by itself can play an important role in promoting plant aggregation independent of other ecological factors (e.g. seed dispersal, recruitment, and environmental heterogeneity). In the last part of my study, I went from population level to community level and explored the possibility of combining MST and unified neutral theory of biodiversity (UNT). The analysis of extensive data confirms that most plant populations examined are nearly neutral in the sense of demographic trade-offs, which can mostly be explained by a simple allometric scaling rule based on MST. This demographic equivalence regarding birth-death trade-offs between different species and functional groups is consistent with the assumptions of neutral theory but allows functional differences between species. My initial study reconciles the debate about whether niche or neutral mechanisms structure natural communities: the real question should be when and why one of these factors dominates. A synthesis of existing theories will strengthen future ecology in theory and application. All the studies presented in my dissertation showed that the approaches of individual-based and pattern-oriented modelling are promising to achieve the synthesis.