Previous research has shown a close relationship between the terrestrial and aquatic carbon (C) cycles, namely that part of the C fixed via terrestrial net primary production (NPP) is exported to inland waters. In turn, it has been demonstrated that once in the freshwater system C can not only be transported laterally as dissolved organic carbon (DOC), particulate organic carbon (POC) and dissolved inorganic carbon (DIC) but is also mineralized and evaded back to the atmosphere as CO2, or buried in sediments. A number of hotspot areas of aquatic CO2 evasion have been identified but there are considerable gaps in our knowledge, particularly associated with understanding and accounting for the temporal and spatial variation of aquatic C fluxes at regional to global scales, which we know from local scale studies, to be substantial. In this thesis, three important regional hotspots of LOAC activity were identified, where significant gaps in our understanding remain.For the boreal region, an empirical model is developed to produce the first high resolution maps of boreal lake pCO2 and CO2 evasion, providing a new estimate for total evasion from boreal lakes of 189 (74–347) Tg C yr-1, which is more than double the previous best estimate. The model is also used along with future projections of terrestrial NPP and precipitation, to predict future lake CO2 evasion under future climate change and land-use scenarios, and it is found that even under the most conservative scenario CO2 evasion from boreal lakes may increase 38% by 2100. For the Amazon Basin, the ORCHILEAK land surface model driven by a newly developed wetland forcing file, is used to show that the export of C to and CO2 evasion from inland waters is highly interannually variable; greatest during wet years and lowest during droughts. However, at the same time overall net ecosystem productivity (NEP) and C sequestration is highest during wet years, partly due to reduced decomposition rates in water-logged floodplain soils. Furthermore, it is shown that aquatic C fluxes display greater variation than terrestrial C fluxes, and that this variation significantly dampens the interannual variability in NEP of the Amazon basin by moderating terrestrial variation. Finally, ORCHILEAK is applied to the Congo Basin to investigate the evolution of the integrated aquatic and terrestrial C fluxes from 1861 to the present day, and in turn to 2099 under a future climate and land-use scenario. It is shown that terrestrial and aquatic fluxes increase substantially over time, both over the historical period and into the future, and that these increases are largely driven by atmospheric CO2. The proportion of terrestrial NPP lost to the LOAC also rises from 3% in 1861 to 5% in 2099 and this trend is driven not only by atmospheric CO2 but also by climate change. This is in contrast to the boreal region where the proportion of NPP exported to inland waters is predicted to remain relatively constant, and to the Amazon, where a decrease has been predicted, due to differences in projected climate change. / L’état de l’art dans le domaine a montré qu’il y avait un lien étroit entre les cycles du carbone terrestre et aquatique :en effet, une partie du carbone fixé par photosynthèse (productivité primaire brute) est transférée vers les milieux aquatiques continentaux pour être ensuite transporté latéralement sous forme de carbone organique dissous (COD), de carbone organique particulaire (COP), de carbone inorganique dissous (CID). Durant ce transfert latéral, le carbone peut être minéralisé puis réémis vers l’atmosphère sous forme de CO2 ou enfoui dans les sédiments. Cependant, nous sommes encore loin de bien comprendre et surtout de quantifier les variations temporelles et spatiales des flux de carbones à l’échelle régionale et globale, même si les études faites à l’échelle locale nous montrent qu’elles sont importantes. Au cours de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur 3 grandes régions pour lesquelles la connaissance des flux de carbone le long du continuum aquatique reliant les écosystèmes terrestres aux océans étaient encore très parcellaire.Pour la région boréale, un modèle empirique a été développé afin de produire les premières cartes à haute résolution de pCO2 et d’émission de CO2 pour les lacs boréaux. Les résultats du modèle nous ont permis de contraindre les émissions totales de CO2 pour les lacs boréaux à 189 (74-347) Tg C an-1, soit plus du double des estimations précédentes. Ce modèle a ensuite été couplé aux projections de production primaire brute terrestre et de précipitations afin de prédire les émissions de CO2 pour ces lacs pour différents scénarios de changement climatique et d’occupation des sols. Les résultats montrent que même en prenant le scénario le plus conservatif, les émissions de CO2 des lacs boréaux augmenteraient de 38% d’ici 2100.Pour le bassin de l’Amazone, le modèle d’écosystème terrestre ORCHILEAK, paramétré par de nouvelles donnés de forçage des zones humides, a été utilisé pour démontrer que l’export de carbone terrestre vers les réseaux fluviaux ainsi que les émissions de CO2 ont une très grande variabilité interannuelle :émissions élevées lors des années à forte précipitation et basses lors des années sèches. Cependant, la productivité nette de l’écosystème (PNE) Amazone et la fixation nette de carbone à l’échelle du bassin sont plus élevées lors des années humides, en partie dû au taux de décomposition de carbone organique réduit lorsque les sols sont saturés en eau. De plus, les résultats montrent que les flux de carbone des systèmes aquatiques ont une plus grande variabilité que les flux terrestres, ce qui atténue considérablement la variabilité interannuelle de la PNE du bassin de l'Amazone.Pour finir, nous avons appliqué ORCHILEAK au bassin du Congo afin d’étudier l’évolution intégrée des flux de carbone terrestres et aquatiques de 1861 à nos jours, ainsi que de projeter leur devenir au cours du 21eme siècle selon les scénarios de changement climatiques et de changement d’occupation des sols. Nous avons montré que les flux terrestres et aquatiques augmentent de façon significative durant la période historique et dans le futur, cette augmentation étant largement induite par l’augmentation du CO2 atmosphérique et, dans une moindre mesure, par le changement climatique. En particulier, la proportion de la productivité primaire brute terrestre exportée vers le continuum aquatique passe de 3% en 1861 à 5% en 2099. Ce résultat contraste avec ceux obtenu pour la région boréale où cette proportion reste relativement constante et pour l’Amazone où c’est une baisse qui est en fait prédite. Ces différences s’expliquent par des trajectoires de changement climatique distinctes pour ces 3 régions. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Doctoral thesis abstract Assessment of climate change impacts on selected ecosystem services in the Czech Republic: Application of land use scenarios MSc Eliška Lorencová Climate and land use change are recognized as the greatest global environmental problems. Both considerably impact delivery of crucial ecosystem services, such as carbon sequestration, water flow regulation, erosion control, and food and fibre production. By combining future projections of ALARM scenarios (for years 2020, 2050 and 2080) with modelling of ecosystem services, the study aims to evaluate climate change impact on selected ecosystem services (carbon storage and sequestration, erosion control and sediment retention) in the Czech Republic. This study provides quantitative as well as spatially explicit analysis of the impacts on selected ecosystem services in the Czech Republic. Performed ecosystem service assessment indicates that spatial distribution of provision of ecosystem services, such as carbon storage and sequestration, sediment retention reflects the projected future land use changes. In case of carbon sequestration, SEDG scenario shows the lowest carbon sequestration rates accounting for 37,029.6 Gg C within the period 2000-2080. Stable vegetation cover is one of the factors that play important role in amount of sediment...

The method framework for quantifying the carbon emissions and removals from land, plants and products for cotton is developed in this study, which is feasible for most cotton supply chains. Collected defaults and suggested sources for required data inputs are provided. Current data gaps are defined, including the knowledge gap found in the storage time of cotton in the product pool, which requires further investigation in the future. Based on the quantification results of IKEA's case in 2019, there is a net 2.9 kg carbon stock increase per kg purchased cotton on average, equivalently offsetting 10.2% of global warming potential caused by cotton lint production emissions. Analysis results indicate that land-based carbon removals can be a cost-effective approach to achieve climate mitigation for cotton corporations. The amount of removed carbon can be greatly improved by avoiding emissions from land use change, adopting a higher level of conservation tillage to improve mineral soil carbon sequestration, and increasing carbon storage time in products to enlarge the climate benefit of cotton products carbon removals. Based on case study results, the carbon removals potential of global cotton production is estimated to be 5.4 Mt CO2-eq in 2019 and projected to reach 6.2 Mt CO2-eq in2029, which can mitigate over 0.01% of the GWP caused by the total worldwide anthropogenic emissions. Though this climate mitigation is relatively small, it breaks out the general cognition of agriculture carbon removals and provides us preliminary insight into cotton carbon sequestration capability and its potential.

Wald weist gegenüber anderen Landnutzungen meist die günstigeren Wasserrückhalteigenschaften auf. Diese sind jedoch begrenzt. Ob zusätzlicher Wald in einem Einzugsgebiet zur Reduktion eines Hochwassers führt, hängt ab von der Vorwitterung, den Eigenschaften des Bodens, auf dem die Aufforstung etabliert wurde, Dauer und Intensität des hochwasserauslösenden Niederschlagsereignisses und Lage und Größe der Aufforstungsfläche im betrachteten Einzugsgebiet. Weiterhin spielt das Waldmanagement, welches in dieser Arbeit nur am Rande diskutiert wurde, eine bedeutende Rolle. Bei der Umwandlung einer anderen Landnutzung in Wald sind noch nicht alle Prozesse, die den Wasserrückhalt betreffen, ausreichend untersucht und beschrieben. Dies gilt besonders für die Änderungen in der hydraulischen Architektur der Böden. Es wurde dargestellt, dass aufwachsende Wälder schon nach wenigen Jahren die Porenverteilung besonders in den oberen Bodenhorizonten verändern. Obwohl experimentelle Felduntersuchungen besonders durch die Suche nach geeigneten Teststandorten schwierig sind, wären weitere Messergebnisse von anderen Böden mit anderen Baumarten hier wünschenswert. Eine modellhafte Beschreibung einer Landnutzungsänderung hin zu Wald in Bezug auf den Hochwasserrückhalt ist demnach mit hohen Unsicherheiten behaftet. Modelle bleiben dennoch die einzige Möglichkeit, Auswirkungen von Landnutzungsänderungen mit vertretbarem Aufwand quantifizierend abzuschätzen. Allgemein gilt bei der Anwendung hydrologischer Modelle zur Prognose von Auswirkungen veränderter Landnutzungen, dass bislang wenig quantitativ verwertbares Wissen über Änderungen im Boden besteht. Weder der Zielzustand noch der Verlauf der Transformation können hier sicher prognostiziert werden. Vernachlässigt man aber solche Prozesse, dürfen bei einer Ergebnisdiskussion auch nur die berücksichtigten Prozesse angeführt werden. Die Weiterentwicklung der Modelle mit gezielter paralleler Datenerhebung ist hier unabdingbar. Die zunehmenden Fragestellungen hinsichtlich veränderter Landnutzungssysteme erfordern auch innovative Formen der Parametrisierung und Kalibrierung der Modelle. Der zunehmende Grad an Prozessabbildungen in den Modellen darf die Parametrisierbarkeit nicht unmöglich machen. Eine adäquate Prozessabbildung ist jedoch der Schlüssel für die szenarienfähige Modellierung. Die Kommunikation der Ergebnisse muss deshalb eine hohe Transparenz mit der Benennung aller bekannten Unsicherheiten aufweisen, da Entscheidungen in der Landnutzung Konsequenzen über sehr lange Zeiträume hinweg nach sich ziehen. Die qualifizierte Prognose von Landnutzungsänderungen ist eine disziplinübergreifende Aufgabe. Hier wirken soziologische, ökonomische und ökologische Prozesse zusammen, deren Resultat die zukünftige Landnutzung ist. Eine weitere wichtige Schlussfolgerung der vorliegenden Arbeit ist daher, dass für die Umsetzung von Maßnahmen, zur Erhöhung des Wasserrückhaltes, wie hier der Aufforstung, ein breiter wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Konsens herrschen muss. Es braucht integrierte Ansätze zur disziplinübergreifenden Beschreibung von Auswirkungen veränderter Landnutzung. Trotz aller Unsicherheiten bei der wissenschaftlichen Beweisführung wird erwartet, dass bis zur Umsetzung der Hochwasserrisiko-Managementpläne „nachhaltige Flächennutzungen“ zur „Verbesserung des Wasserrückhaltes“ definiert sind. Besonders für die politischen Entscheidungsträger ist zur Entwicklung geeigneter Steuerelemente festzuhalten, das Hochwasserschutzmaßnahmen in der Fläche ihre hauptsächliche Wirkung nicht am Punkt der Implementierung entfalten, sondern erst weiter flussabwärts. Daher sind die bisherigen Förderinstrumente der EU-Agrarflächenförderung für den Hochwasserschutz in der Fläche nahezu nicht anwendbar. Es gilt hier sektorales Denken zu überwinden. Unterschiedliche Ansprüche an Landnutzungssysteme sind durch Lösungsansätze auszubalancieren, die die unterschiedlichen Landschaftsfunktionen berücksichtigen, von denen Wasserrückhalt ein Teil sein kann. Andere Schutzziele wie Naturschutz, Bodenschutz, Ziele der Wasserrahmenrichtlinie, Fragen eines ästhetischen Landschaftsbildes und nicht zuletzt Fragen der wirtschaftlichen Ansprüche an die einzelnen Flächen spielen hier eine wichtige Rolle. Bei der Entwicklung begründeter Zukunftsszenarien ist diese transdisziplinäre Herangehensweise unbedingt zu empfehlen. Hochwasserschutz kann aber nicht die Aufgabe haben, Hochwasserereignisse vollkommen auszuschließen. Schon heute ist bekannt, dass das Ausbleiben kleiner und mittlerer Hochwässer ökologische Konsequenzen hat. Vielmehr könnte in Gebieten, wie dem hier untersuchten, eine Erhöhung des Waldanteils dazu beitragen, die anthropogenen Störungen zu reduzieren und den Wasserrückhalt dahingehend zu erhöhen, dass hochwasserverschärfende Eingriffe in den Einzugsgebieten zurückgebaut werden.:Inhalt Erklärung des Promovenden 3 Danksagung 4 1 Einführung 6 1.1 Hintergrund und Motivation 6 1.2 Zielsetzung 8 1.3 Struktur 9 2 Zusammenfassende Darstellung der Publikationsinhalte 11 2.1 Vorstellung des Modells AKWA-M® 11 2.2 Einfluss des Waldes auf bodenhydraulische Eigenschaften 12 2.3 Bildung begründeter Waldmehrungsszenarien 13 2.4 Exkurs: Politischer Vollzug in sächsischen Hochwasserentstehungsgebieten 14 2.5 Synthese 15 3 Schlussfolgerungen 16 4 Literatur 18 Anhänge: Anhang 1: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A., DITTRICH I. (2007): Identification and model based assessment of the potential water retention caused by land-use changes, Advances in Geosciences 11: 49–56. Anhang 2: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A. (2009): Land-use effects on flood generation – considering soil hydraulic measurements in modelling, Advances in Geosciences 21: 99–107. Anhang 3: WAHREN A., FEGER K.H. (2010): Model-Based Assessment of Forest Land Management on Water Dynamics at Various Hydrological Scales – A Case Study, in: Bredemeier, M.; Cohen, S.; Godbold, D.L.; Lode, E.; Pichler, V.; Schleppi, P. (Eds.): Forest Management and the Water Cycle - An Ecosystem-Based Approach, Ecological Studies 212, Springer: 453-469 Anhang 4: WAHREN A., FRANK S., WALTHER P., SCHMIDT W., FEGER K.H. (2011): Erstellung eines Leitfadens für Ausgleichsmaßnahmen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in den Hochwasserentstehungsgebieten Sachsens, Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 55: 155-165. Anhang 5: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H. (2012): Potentials and limitations of natural flood retention by forested land in headwater catchments: evidence from experimental and model studies, J. Flood Risk Management 5, 321–335. / Forests show, compared to other land uses, in many cases good water retention potential. This is however limited. Whether additional forest area in a catchment leads to a reduction of flooding depends on the pre-event atmospheric conditions, the soil characteristics at the afforested site, the duration and intensity of the rain storm event, and location and size of the afforested area. Further, the forest management, which is only briefly discussed in this thesis, plays an important role. Many water retention related processes occurring during the transformation of a landuse into forest are not yet sufficiently investigated an described. This applies especially to the changes in the hydraulic architecture of the soil. It was shown that after a few years growing forests have already changed the pore distribution, especially in the upper soil horizons. However, further research under different soil and tree type would be desirable. Therefore, a model-based description of land use change towards forest with regard to flood retention comprises uncertainties which should be taken into consideration. Nevertheless, models are the only possibility to assess land use change effects with justifiable expenditure. In general, the application of hydrological models comprised sparse useful information about changes in the soil due to a changed land use. Neither the target state nor the progression of the transformation can be predicted with certainty. Further development of models with parallel observations and data gathering is essential. With increasing number of questions regarding modified land use systems, a need arises for innovative forms of parameterisation and model calibration. The increasing degree of process mapping in models may make parameterability difficult, however, adequate process mapping is the key to scenario capable modelling. The communication of results must therefore include a high degree of transparency in the definition of all known uncertainties, because decisions have long lasting consequences. A qualified prediction of land use changes is a cross-disciplinary task. Ecological, economical, and sociological processes together form the future land use distribution. An important conclusion from this thesis is that the implementation of measures targeting increased water retention requires must result in a consensus with society and economics. Integrated approaches and transdisciplinary assessment of impacts of land use modifications are needed. Although, the uncertainties in model-based land use change assessment are high, there is a need for the definition of “sustainable land use” and “increase of water retention” for the flood risk management plans. Adapted land use as a component of integrated flood risk management has a major constraint: the benefits of water retention in the landscape are mostly not directly noticeable at the place where a measure is implemented. This is highly important for stakeholders and decision makers. However, given that most of the land available for afforestation is a private property, it may be necessary to provide subsidies to encourage landowners to increase the percentage of forested land. Competitive land use system requirements need to be balanced with approaches dealing with different landscape functions. Water retention is part of this functioning. Other protection aims like nature protection, soil protection, aims of the Water Framework Directive, aesthetic land use pattern but also the agrar-economic production play an important role. Well-founded future land use scenarios should use this transdisciplinary view. Finally, it is also important to keep in mind that floods belong to a healthy river runoff regime. Floods are an important part of the natural hydrological cycle, and therefore the goal of watershed management should not be to eliminate them entirely. Additional forest can help to re-establish the natural water retention potential in anthropogenically disturbed river basins and to decrease the human-made contribution to flood generation.:Inhalt Erklärung des Promovenden 3 Danksagung 4 1 Einführung 6 1.1 Hintergrund und Motivation 6 1.2 Zielsetzung 8 1.3 Struktur 9 2 Zusammenfassende Darstellung der Publikationsinhalte 11 2.1 Vorstellung des Modells AKWA-M® 11 2.2 Einfluss des Waldes auf bodenhydraulische Eigenschaften 12 2.3 Bildung begründeter Waldmehrungsszenarien 13 2.4 Exkurs: Politischer Vollzug in sächsischen Hochwasserentstehungsgebieten 14 2.5 Synthese 15 3 Schlussfolgerungen 16 4 Literatur 18 Anhänge: Anhang 1: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A., DITTRICH I. (2007): Identification and model based assessment of the potential water retention caused by land-use changes, Advances in Geosciences 11: 49–56. Anhang 2: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A. (2009): Land-use effects on flood generation – considering soil hydraulic measurements in modelling, Advances in Geosciences 21: 99–107. Anhang 3: WAHREN A., FEGER K.H. (2010): Model-Based Assessment of Forest Land Management on Water Dynamics at Various Hydrological Scales – A Case Study, in: Bredemeier, M.; Cohen, S.; Godbold, D.L.; Lode, E.; Pichler, V.; Schleppi, P. (Eds.): Forest Management and the Water Cycle - An Ecosystem-Based Approach, Ecological Studies 212, Springer: 453-469 Anhang 4: WAHREN A., FRANK S., WALTHER P., SCHMIDT W., FEGER K.H. (2011): Erstellung eines Leitfadens für Ausgleichsmaßnahmen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in den Hochwasserentstehungsgebieten Sachsens, Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 55: 155-165. Anhang 5: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H. (2012): Potentials and limitations of natural flood retention by forested land in headwater catchments: evidence from experimental and model studies, J. Flood Risk Management 5, 321–335.

<p dir="ltr">The Temperate Plains ecoregion of Indiana has experienced significant agricultural development since the 19th century, which has left streams vulnerable to impacts such as sedimentation and nutrient accumulation. This thesis describes first the accuracy of the USDA Cropland Data Layer (CDL) in land cover change, and second, the relationships between agricultural and forested land covers and stream biological integrity. I first employed the CDL to review land cover change, particularly relating to agriculture and forest, for the area of interest between 2010 and 2020. I determined that the CDL improved in accuracy for the area of interest in the chosen timeframe for non-agricultural and non-forest land cover. I concluded that the CDL was best used as a supplement to primary-source land cover measures. Next, I calculated the fish Index of Biotic Integrity (IBI) scores for 20 sampled agricultural and forested streams in North-Central Indiana. I also assessed the stream habitats at all sites using the Qualitative Habitat Evaluation Index (QHEI) and percent cultivated crops in drainage basin areas for all streams. Forested streams had significantly higher QHEI scores than agricultural streams (median = 62 and 40.4, respectively). No other relationships were statistically different, including IBI and land cover category, which may have been due to the small sample size (n = 20). I concluded that future studies may build on these findings by controlling for agricultural drainage types or using precise measures of forested land cover.</p>

Hydrology and water quality are affected by land use and climate changes. Mississippi’s diverse agro–ecosystem comprises of a range of land use land cover (LULC) including agriculture, forest, wetlands, urban, and grasslands. The objectives of this study were to investigate the impacts of various factors such as Best Management Practices (BMPs), wetlands, LULC, and climate changes on water quality and quantity. The hydrologic and water quality responses to dynamic LULC input in Soil and Water Assessment Tool (SWAT) were evaluated. Results showed that agricultural and forest expansion were major drivers of hydrologic and water quality changes in Big Sunflower River Watershed (BSRW), with agricultural expansion increasing runoff, sediments, and nutrients and forest expansion reducing these variables. The results showed that the integration of dynamic LULC and agricultural management operations in SWAT enables a more realistic representation of agricultural watersheds. Similarly, this study investigated the effects of wetland area changes overtime on surface and groundwater. Results demonstrated that 26% increase in wetland areas, reduced streamflow, sediments, total nitrogen, and total phosphorus by 2%, 37%, 13%, and 4% respectively as well as increased groundwater storage by 90 mm in selected sub–watershed. This highlighted the importance of preservation and restoration of wetlands to enhance the agro–ecosystem resilience to LULC change. Likewise, the effectiveness of BMPs in reducing sediment yield from critical areas within BSRW was assessed. Results demonstrated that BMPs reduced sediments by up to 50%, suggesting their usefulness in mitigating high sediment yield from agricultural areas. This study also assessed the impacts of climate change on streamflow and sediment loads and the role of waterbodies in mitigating those impacts. Results depicted a significant increase in future streamflow and sediment loads due to potential increase in precipitation and temperature. When waterbodies were simulated, projected change in annual streamflow was < 1%. However, the projected annual sediment loads reduced substantially by 44–46%, highlighting the role of waterbodies on watershed resilience to climate change. Overall, this dissertation study provides insights about the complex interactions between LULC, climate, anthropogenic activities, and water resources that can help to develop watershed management strategies to promote agricultural sustainability.

Es gibt zwei Hauptpfade, über die der Mensch die terrestrische Biosphäre verändert: 1) direkt durch Landnutzungswandel (LNW) und 2) indirekt durch Klimawandel (KW), welcher seinerseits zu Ökosystemveränderungen führt. Die vorliegende Dissertation unternimmt den Versuch, die vom Menschen über beide diese Pfade verursachten Veränderungen konsistent und quantitativ zu bestimmen. Die Analyse basiert auf einem integrierten Indikator für makro-skalige Veränderungen der biogeochemikalischen Eigenschaften und der Ökosystemstruktur. Große Verschiebungen bei diesen grundlegenden Bausteinen der Biosphäre bedeuten ein Risiko für komplexere Ökosystemeigenschaften, da sie möglicherweise lange bestehende biotische Interaktionen unterbrechen. Die Arbeit stützt sich auf Simulationen mit dem dynamischen globalen Vegetations-, Agrar- und Hydrologiemodell LPJmL, um zu bestimmen, wie biogeochemische Eigenschaften und die Ökosystemstruktur auf historischen LNW und KW reagiert haben. Für die Zukunftsprojektionen wird LPJmL mit einer großen Anzahl an Klima- und Landnutzungsszenarien angetrieben. Laut den Simulationsergebnissen haben sich schwere Ökosystemveränderungen durch LNW und KW von lediglich 0,5% um 1700 auf 25-31% der Landoberfläche heute ausgedehnt. Landnutzung war in der Vergangenheit der wichtigste anthropogene Treiber schwerer Ökosystemveränderungen. Für das 21. Jahrhundert zeigen die Ergebnisse, dass KW voraussichtlich in allen außer den ambitioniertesten Mitigationsszenarien den Platz als Haupttreiber schwerer Ökosystemveränderungen übernehmen wird. Einige Landnutzungsszenarien nehmen an, dass zukünftige Effizienzsteigerungen trotz Bevölkerungswachtum eine Verringerung der landwirtschaftlichen Fläche ermöglichen. Doch auch verminderte LNW-Auswirkungen werden wahrscheinlich nicht ausreichen, um die Zunahme von Klimafolgen zu kompensieren, so dass die vom Menschen verursachte Transformation der Biosphäre in diesem Jahrhundert wahrscheinlich unabhängig vom Szenario wachsen wird. / There are two major pathways of human interference with the terrestrial biosphere: 1) directly through land use change (LUC) and 2) indirectly through anthropogenic climate change (CC) which in turn drives ecosystem change. This dissertation presents an attempt to assess human-induced biosphere change through both these pathways in a consistent and quantitative way. The analysis is based on an integrated indicator of macro-scale changes in biogeochemical characteristics and ecosystem structure. Large shifts in these basic building blocks of the biosphere are taken to indicate a risk to more complex ecosystem properties as they potentially disrupt long-standing biotic interactions. This dissertation relies on simulations with the dynamic global vegetation, agriculture and hydrology model LPJmL to quantify how biogeochemical characteristics and ecosystem structure have responded to historical LUC and CC. For future projections LPJmL is driven by a large number of CC and LUC scenarios, using the same indicator to measure the impact on the biosphere. Simulation results show that major impacts on the biosphere from CC and LUC have expanded from merely 0.5% of the land surface in 1700 to 25-31% of the land surface today. Land use has been the main anthropogenic driver causing major ecosystem change in the past. For the future, results show that CC is expected to take over as the main anthropogenic driver of major ecosystem change during this century in all but the most ambitious climate mitigation scenarios. Despite a growing world population, some land use scenarios project that future efficiency improvements will allow for a reduction of agricultural land and hence a reduction of the impact of LUC on the terrestrial biosphere. Yet, results also show that reduced LUC impacts will likely not be able to compensate for the increase in CC impacts, and human-induced transformation of the biosphere is likely to grow during this century regardless of the considered scenario.

Land ist eine begrenzte Ressource, und die steigende Nachfrage nach Lebensmitteln, Futtermitteln und Holz treibt den Wettbewerb zwischen verschiedenen Landnutzungsarten voran. Landnutzungsmodelle, die Landnutzungsmuster optimieren und negative Kompromisse zwischen verschiedenen Landnutzungen minimieren, können bei der Bewertung solcher Landkonkurrenzdynamiken helfen. Angesichts des langen Planungshorizonts der Forstwirtschaft ist die Modellierung der Dynamik des Forstsektors in einem einzigen Modell eine Herausforderung. Diese Dissertation zeigt, dass zwischen Land- und Forstwirtschaft auf feinen räumlichen Skalen (halbe Grad Gitterauflösung) ein Wettbewerb um Land besteht, und die Berücksichtigung eines dynamischen Forstsektors in einem rekursiven dynamischen Modell wie MAgPIE verbessert die Bewertung der Landnutzung und der damit verbundenen Emissionen. Die Speicherung von Kohlenstoff in seit langem bestehenden Infrastrukturen wie städtischen Gebäuden könnte eine zusätzliche Option zur Abschwächung des Klimawandels sein und gleichzeitig Hotspots der biologischen Vielfalt und Grenzwälder vor der Umwandlung in andere Landnutzungsformen schützen, zusätzlich zu den bereits gut verstandenen und quantifizierten landbasierten Abschwächungsoptionen. Auf diese Weise wird nicht nur Kohlenstoff über lange Zeiträume in den Holzstädten der Zukunft gespeichert, sondern es wird auch dazu beigetragen, Emissionen aus der Produktion von Zement und Stahl für den Bau von Infrastrukturen in der Zukunft zu vermeiden. Auf der COP26 wurde eine Erklärung zum Ende der Entwaldung bis 2030 abgegeben. Eine mögliche Politik zur Umsetzung dieser Erklärung vor Ort wäre das Verbot der Ausdehnung landwirtschaftlicher Flächen auf bewaldete Flächen. Dies würde bedeuten, dass nicht bewaldete Flächen in einem noch nie dagewesenen Ausmaß in landwirtschaftliche Flächen umgewandelt würden. / Land is a limited resource and the increasing demand for food, feed and timber drives competition between different land use types. Land-use models, which optimize land-use patterns and minimize negative trade-offs across land uses, can assist in assessing such land competition dynamics. Given the long planning horizon of forest management and competition for land with agriculture, modeling forestry sector dynamics in a single model is challenging. The Inclusion of a dynamic forest sector in the Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment (MAgPIE) helps in answering the overarching research question: What is the role of forestry in future land use? This dissertation shows that competition for land exists between agriculture and forestry on fine spatial scales (half degree grid resolution), and the consideration of a dynamic forestry sector in a recursive dynamic model like MAgPIE improves the assessment of land-use and its associated emissions. Understanding how production of roundwood influences the competition for land would help in quantifying how wood can be produced for timber cities of the future. Storing carbon in long-standing infrastructure like urban buildings could be an additional mitigation option, whilst protecting biodiversity hotspots and frontier forests from being converted to other land uses, on top of already well understood and quantified land-based mitigation options. This way, not only carbon is stored over long time spans in timber cities of the future, it also helps in avoiding emissions from production of cement and steel for construction of infrastructure in the future. Additionally, A declaration to end deforestation by 2030 was made at COP26. A potential policy implementing this declaration on the ground would be to prohibit the expansion of agricultural land into forested land. This would mean that non-forested land will be converted at unprecedented levels into agricultural land.

Der Bezirk Xilingol wurde als geeignetes Beispiel ausgewählt, weil es zu einem großen Flächenanteil von Grassteppe bedeckt ist und fast alle Phasen der Umweltpolitik Chinas durchlaufen hat. Es wurden zwei deutlich voneinander abgrenzbare Phasen identifiziert, von 1975 bis 2000 und von 2000 bis 2015. Während der ersten Phase, bis 2000, war Landdegradation der dominante Landnutzungswandelprozess, der 11.4 % der Gesamtfläche betraf. In dieser Phase war die menschliche Einflussnahme der Hauptfaktor in acht Landkreisen, die sich ändernden Wasserverhältnisse war es in sechs Landkreisen. Während der zweiten Phase, ab 2000, setzte ein spürbare Erholung des Zustandes auf 12 % des Gesamtgebietes ein, während die Degradation jedoch weiter voranschritt und zusätzliche 9,5 % des Landes veränderte. Während dieser Phase wurde die Städtebildung zum dominanten Treiber für die Landdegradierung in sieben Landkreisen, während der Einfluss menschlicher Störungen und der Wasserverfügbarkeit wieder zurückging. Nach der Identifizierung der Haupttreiber für die Landdegradation, wurde die komplexe Beziehung zwischen verschiedenen Treibern und der Grassteppen-Degradation untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Beziehung zwischen dicht bedeckter, moderat bedeckter, und spärlich bedeckter Grassteppe und die Dichte des Schafbesatzes für die Degradationsdynamik in der Grassteppe verantwortlich waren. In dieser Arbeit wurden die Methoden der Clusteranalyse, der Partial-Order-Theorie, und der Hasse Diagramme eingesetzt, um die Haupttreiber der Landdegradation auf Landkreisebene zu identifizieren. Dann wurde ein Ansatz aus dem maschinellen Lernen, XGBoost (eXtreme Gradient Boosting) verwendet, um die Dynamik der Grassteppen-Degradation vorauszusagen. Darüber hinaus wurde SHAP (SHapley Additive exPlanations) eingesetzt, um das von XGBoost erstellte Black-Box-Modell zu in seine Bestanteile zu zerlegen und für jedes Degradations-Pixel in der Karte den Haupttreiber zu extrahieren. / The aims of this thesis are to gain an integrated and systematic understanding of the processes and determinants of land degradation on the Mongolian Plateau. Xilingol was chosen as a suitable example, mainly since it is covered by vast grassland, and has experienced almost all ecological policies that have been implemented in China. Two distinct phases were identified in this region: 1975-2000 and 2000-2015. During the first phase (up to 2000), land degradation was the dominant land use change process, accounting for 11.4% of the total area. During this phase, human disturbance was the major driver in eight counties, whereas the water condition was the dominant driver in six counties. During the second phase (post-2000), land restoration increased (12.0% of the total area), whereas degradation continued, resulting in a further 9.5% of degraded land. During this phase, urbanisation became the dominant driver of land degradation in seven counties, while effects resulting from human disturbance and water availability decreased after 2000. After identifying the major drivers of degradation, the complex relationships between drivers and grassland degradation were captured. The results indicated that the distance to dense, moderately dense grass and sparse grass and sheep density were responsible for the grassland degradation dynamics. In this thesis, a clustering method, partial order theory and Hasse diagram techniques were first used to identify the major drivers of land degradation at the county level. Subsequently, an approach from machine learning, XGBoost (eXtreme Gradient Boosting), was used to predict the dynamics of grassland degradation. Moreover, SHAP (SHapley Additive exPlanations) values were used to open up the black box model, and the primary driver was extracted for each pixel showing degradation.

In response to recent decentralization in Ethiopia, we investigated the status of and pressure exerted on Awash National Park (ANP), vis-a- vis Park resources, observed land use and land cover changes, causes of park-related conflicts, use and management role of stakeholders at federal, regional and local level and the impact of policy on sustainable resources conservation through a comparative framework of before (pre-1995) and after decentralization (post-1995). We used a combination of two black and white aerial photographs of 1975 and 1986, a satellite image of 2006, field observation, information from local communities and Geographic Information System (GIS) to generate the land use and land cover profile. We selected a total of 210 respondents by stratified random sampling, and group discussion participants and key informants using the purposive sampling technique. Direct observed participation of stakeholders, household questionnaire, and interview with key informants and focus group discussions were used to collect data. Our results showed a declining scattered bushland by a rate of 20.61km2 per year between 1972 and 1986. On the other hand, Shrub encroachment increased by 32.2 % between 1972 and 1986 and by 10.3 % (77.4 km2) during the entire study period. Grassland was the largest cover type in the area between 1986 and 2006 and expanded by 14.2 % (106.4 km2) between 1972 and 1986. The majority of respondents highlighted that the most important drivers of the observed LULC changes pre-1995 were the combined effects of the land reform policy and changes in Park boundary (size of the Park). Population growth was reported to be the main driving factor for LULC change pre-and post-1995. The continuing existence of the area as a national Park receives unreserved support from most pastoral and agro-pastoral communities. From the data we conclude that overall, decentralization in Ethiopia was not effective in terms of improving the status of Awash National Park. We recommend action should be taken in terms of reducing human and livestock pressure and to prevent and solve interest-based conflicts between stakeholder / Environmental Sciences / Ph. D. (Environmental Sciences)