The need to develop sustainable resource management strategies for semi-arid and arid rangelands is acute as non-adapted grazing strategies lead to irreversible environmental problems such as desertification and associated loss of economic support to society. In such vulnerable ecosystems, successful implementation of sustainable management strategies depends on well-founded under-standing of processes at different scales that underlay the complex system dynamic. There is ample evidence that, in contrast to traditional sectoral approaches, only interdisciplinary research does work for resolving problems in conservation and natural resource management. In this thesis I combined a range of modeling approaches that integrate different disciplines and spatial scales in order to contribute to basic guidelines for sustainable management of semi-arid and arid range-lands. Since water availability and livestock management are seen as most potent determinants for the dynamics of semi-arid and arid ecosystems I focused on (i) the interaction of ecological and hydro-logical processes and (ii) the effect of farming strategies. First, I developed a grid-based and small-scaled model simulating vegetation dynamics and inter-linked hydrological processes. The simulation results suggest that ecohydrological interactions gain importance in rangelands with ascending slope where vegetation cover serves to obstruct run-off and decreases evaporation from the soil. Disturbances like overgrazing influence these positive feedback mechanisms by affecting vegetation cover and composition. In the second part, I present a modeling approach that has the power to transfer and integrate ecological information from the small scale vegetation model to the landscape scale, most relevant for the conservation of biodiversity and sustainable management of natural resources. I combined techniques of stochastic modeling with remotely sensed data and GIS to investigate to which ex-tent spatial interactions, like the movement of surface water by run-off in water limited environments, affect ecosystem functioning at the landscape scale. My simulation experiments show that overgrazing decreases the number of vegetation patches that act as hydrological sinks and run-off increases. The results of both simulation models implicate that different vegetation types should not only be regarded as provider of forage production but also as regulator of ecosystem functioning. Vegetation patches with good cover of perennial vegetation are capable to catch and conserve surface run-off from degraded surrounding areas. Therefore, downstream out of the simulated system is prevented and efficient use of water resources is guaranteed at all times. This consequence also applies to commercial rotational grazing strategies for semi-arid and arid rangelands with ascending slope where non-degraded paddocks act as hydrological sinks. Finally, by the help of an integrated ecological-economic modeling approach, I analyzed the relevance of farmers’ ecological knowledge for longterm functioning of semi-arid and arid grazing systems under current and future climatic conditions. The modeling approach consists of an ecological and an economic module and combines relevant processes on either level. Again, vegetation dynamics and forage productivity is derived by the small-scaled vegetation model. I showed that sustainable management of semi-arid and arid rangelands relies strongly on the farmers’ knowledge on how the ecosystem works. Furthermore, my simulation results indicate that the projected lower annual rainfall due to climate change in combination with non-adapted grazing strategies adds an additional layer of risk to these ecosystems that are already prone to land degradation. All simulation models focus on the most essential factors and ignore specific details. Therefore, even though all simulation models are parameterized for a specific dwarf shrub savanna in arid southern Namibia, the conclusions drawn are applicable for semi-arid and arid rangelands in general. / Nachhaltige Managementstrategien für semi-aride und aride Beweidungsgebiete sind äusserst bedeutend, da ein nicht nachhaltiges Management sehr schnell zu irreversiblen Umweltproblemen und damit verbundenem Verlust der ökonomischen Prosperität führt. Obwohl Wasserverfügbarkeit und Viehmanagement als die bedeutendsten Faktoren für die Dynamik semi-arider und arider Ökosysteme angesehen werden, ist deren Einfluss und Interaktion nicht genügend erforscht. Ziel der Dissertation war, das Wissen über diese Prozesse zu erweitern, um grundsätzliche Richtlinien für die nachhaltige Nutzung semi-arider und arider Beweidungsgebiete zu erstellen. Hierfür habe ich in dieser Arbeit, die aus drei aufeinander aufbauenden Teilen besteht, mehrere Modellierungstechniken kombiniert. Für den ersten Teil meiner Arbeit habe ich ein gitterbasiertes und kleinskaliges Modell entwickelt, welches die Vegetationsdynamik und damit verbundene hydrologische Prozesse wie Oberflächenabfluss und Evaporation simuliert. Da Entscheidungen zur nachhaltigen Nutzung von Resourcen auf der Landschaftsebene getroffen werden, stelle ich im zweiten Teil der Arbeit eine neue Methode vor, mit deren Hilfe man diese kleinskaligen ökologischen Informationen auf die Landschaftsebene übertragen kann. Um zu untersuchen wie Oberflächenabfluss das Funktionieren von Ökosystemen auf Landschaftsebene beeinflusst, habe ich Techniken der stochastischen Modellierung mit Techniken der Fernerkundung und GIS kombiniert.. Die Ergebnisse beider Simulationsmodelle implizieren, dass öko-hydrologische Interaktionen in Beweidungsgebieten mit ausgeprägter Topographie von Bedeutung sind. Verschiedene Vegetationstypen sollten nicht nur als Futterquelle für die Weidetiere betrachtet werden, sondern auch bezüglich ihrer Bedeutung als Regler der Ökosystemfunktion. Vegetationsbestände mit einem hohen Bedeckungsgrad an perennierender Vegetation können Oberflächenabfluss aus degradierten benachbarten Gebieten abfangen. Störungen wie Überweidung beeinflussen diesen positiven Rückkopplungsmechanismus negativ, indem sie Vegetationsbedeckung und -zusammensetzung verändern. Im letzten Teil der Arbeit habe ich mit Hilfe eines ökologisch-ökonomischen Simulationsmodells die Bedeutung des ökologischen Verständnisses der Farmer für ein langfristiges Funktionieren von semi-ariden und ariden Beweidungssystemen unter aktuellen und prognostizierten klimatischen Bedingungen untersucht. Auch hier wird die Vegetationsdynamik und – produktivität beider Module mit Hilfe des kleinskaligen Vegetationsmodells abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein nachhaltiges Management semi-arider und arider Savannen sehr stark vom Verständnis der Farmer für die Funktionsweise des Ökosystems abhängt. Des Weiteren weist das Modell darauf hin, dass ein durch den prognostizierten Klimawandel reduzierter Jahresniederschlag in Kombination mit nicht-angepassten Beweidungsstrategien ein hohes Risiko für diese Ökosysteme darstellt. Meine Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis grundlegender Prozesse der Ökosystemdynamik einer ariden Zwergstrauchsavanne im südlichen Namibia bei. Da sich alle drei Simulationsmodelle auf grundlegende Faktoren konzentrieren und spezifische Details ignorieren, können die Schlussfolgerungen auch auf andere semi-aride und aride Beweidungsgebiete übertragen werden.

Drylands cover about 40% of the earth’s land surface and provide the basis for the livelihoods of 38% of the global human population. Worldwide, these ecosystems are prone to heavy degradation. Increasing levels of dryland degradation result a strong decline of ecosystem services. In addition, in highly variable semi-arid environments changing future environmental conditions will potentially have severe consequences for productivity and ecosystem dynamics. Hence, global efforts have to be made to understand the particular causes and consequences of dryland degradation and to promote sustainable management options for semi-arid and arid ecosystems in a changing world. Here I particularly address the problem of semi-arid savanna degradation, which mostly occurs in form of woody plant encroachment. At this, I aim at finding viable sustainable management strategies and improving the general understanding of semi-arid savanna vegetation dynamics under conditions of extensive livestock production. Moreover, the influence of external forces, i.e. environmental change and land reform, on the use of savanna vegetation and on the ecosystem response to this land use is assessed. Based on this I identify conditions and strategies that facilitate a sustainable use of semi-arid savanna rangelands in a changing world. I extended an eco-hydrological model to simulate rangeland vegetation dynamics for a typical semi-arid savanna in eastern Namibia. In particular, I identified the response of semi-arid savanna vegetation to different land use strategies (including fire management) also with regard to different predicted precipitation, temperature and CO2 regimes. Not only environmental but also economic and political constraints like e.g. land reform programmes are shaping rangeland management strategies. Hence, I aimed at understanding the effects of the ongoing process of land reform in southern Africa on land use and the semi-arid savanna vegetation. Therefore, I developed and implemented an agent-based ecological-economic modelling tool for interactive role plays with land users. This tool was applied in an interdisciplinary empirical study to identify general patterns of management decisions and the between-farm cooperation of land reform beneficiaries in eastern Namibia. The eco-hydrological simulations revealed that the future dynamics of semi-arid savanna vegetation strongly depend on the respective climate change scenario. In particular, I found that the capacity of the system to sustain domestic livestock production will strongly depend on changes in the amount and temporal distribution of precipitation. In addition, my simulations revealed that shrub encroachment will become less likely under future climatic conditions although positive effects of CO2 on woody plant growth and transpiration have been considered. While earlier studies predicted a further increase in shrub encroachment due to increased levels of atmospheric CO2, my contrary finding is based on the negative impacts of temperature increase on the drought sensitive seedling germination and establishment of woody plant species. Further simulation experiments revealed that prescribed fires are an efficient tool for semi-arid rangeland management, since they suppress woody plant seedling establishment. The strategies tested have increased the long term productivity of the savanna in terms of livestock production and decreased the risk for shrub encroachment (i.e. savanna degradation). This finding refutes the views promoted by existing studies, which state that fires are of minor importance for the vegetation dynamics of semi-arid and arid savannas. Again, the difference in predictions is related to the bottleneck at the seedling establishment stage of woody plants, which has not been sufficiently considered in earlier studies. The ecological-economic role plays with Namibian land reform beneficiaries showed that the farmers made their decisions with regard to herd size adjustments according to economic but not according to environmental variables. Hence, they do not manage opportunistically by tracking grass biomass availability but rather apply conservative management strategies with low stocking rates. This implies that under the given circumstances the management of these farmers will not per se cause (or further worsen) the problem of savanna degradation and shrub encroachment due to overgrazing. However, as my results indicate that this management strategy is rather based on high financial pressure, it is not an indicator for successful rangeland management. Rather, farmers struggle hard to make any positive revenue from their farming business and the success of the Namibian land reform is currently disputable. The role-plays also revealed that cooperation between farmers is difficult even though obligatory due to the often small farm sizes. I thus propose that cooperation needs to be facilitated to improve the success of land reform beneficiaries. / Semiaride (halbtrockene) Savannen bedecken große Teile der Erdoberfläche und sichern die Lebensgrundlage von vielen Millionen Menschen. Die häufigste Form der Landnutzung in diesen Trockengebieten ist die Produktion von Vieh in extensiver Weidelandbewirtschaftung. In Folge klimatischer Veränderungen und als Konsequenz aus der teils intensiven Beweidung dieser Trockengebiete kommt es häufig zur Degradierung derselben in Form einer Zunahme von ‚unerwünschter‘ holziger Vegetation auf Kosten von futterverwertbaren Gräsern. Dieser als Verbuschung bezeichnete Prozess hat schwere negative Auswirkungen auf die betroffenen Ökosysteme und ist die Ursache für einen zunehmenden Rückgang der ökonomischen Leistungsfähigkeit der betroffenen Betriebe. In meiner Dissertation befasse ich mich mit den Auswirkungen von Klimawandel und politischen Veränderungen auf die Savannenvegetation im südlichen Afrika und auf die Möglichkeiten für die Nutzung dieser Ökosysteme in Form von Viehwirtschaft. Hierbei möchte ich sowohl das allgemeine Verständnis der ökologischen Zusammenhänge verbessern, als auch Strategien für die nachhaltige Nutzung der Savannen identifizieren und bewerten. Da nicht nur ökologische, sondern auch ökonomische und politische Einflussfaktoren, wie zum Beispiel die umfangreichen Landumverteilungen im Rahmen der Bodenreform im südlichen Afrika auf die tatsächliche Landnutzung wirken, habe ich im Rahmen der Dissertation zudem untersucht, nach welchen Umwelt und Kapitalvariablen sich die Farmer, welche Ihr Land im Rahmen der Bodenreform zugeteilt bekommen haben, bei Ihren Entscheidungen richten. Methodisch verwende ich verschiedene Simulationsmodelle, welche zur Untersuchung der langfristigen Veränderungen von verschiedensten Szenarien (Klimawandel, Landnutzung) geeignet sind. Hierbei habe ich teilweise bestehende Modelle angepasst, aber auch ein neues Modell, welches zur Befragung von Farmern in Namibia verwendet wurde, entwickelt. Meine Dissertation führt im Wesentlichen zu vier Erkenntnissen: Erstens, zeigen meine Ergebnisse, welche große Bedeutung die spezifischen ökologischen Eigenschaften der Bäume und Sträucher in semiariden Savannen für die Vorhersage der Entwicklung dieser Systeme unter Klimawandel hat. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere die Sensitivität der Keimlinge gegenüber Trockenheit und Feuer eine entscheidende Rolle spielt. Daraus folgt die zweite wesentliche Erkenntnis: Feuer eignet sich in herausragender Weise, um halbtrockene Savannen vor der Verbuschung zu bewahren. Drittens haben die Rollenspiele mit Farmern in Namibia gezeigt, dass deren Entscheidungen im Wesentlichen von finanziellen Schwierigkeiten und nicht von Umwelteinflüssen getrieben werden. Dennoch zeigten meine Ergebnisse, dass diese Farmer mit Ihrem derzeitigen Verhalten wahrscheinlich nicht zur weiteren Degradierung der Savannenvegetation beitragen. Die vierte, und mit am bedeutendste Erkenntnis aus meiner Arbeit ist, dass konservative Beweidungsstrategien mit geringen und konstanten Viehdichten notwendig sind um semiaride Savannen dauerhaft in ökologisch und ökonomisch nachhaltiger Weise zu Nutzen.

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