Der Einfluss des Menschen verändert die Erdoberfläche in gravierendem Maße. Die Anwendung von Landnutzungsmodellen ist etabliert, um derartige Prozesse zu analysieren und um Handlungsempfehlungen für Entscheidungsträger zu geben. Landnutzungsmodelle stehen unter dem Einfluss von Unsicherheiten, welche beim Interpretieren der Ergebnisse berücksichtigt werden müssen. Dennoch gibt es wenige Ansätze, die unterschiedliche Unsicherheitsquellen mit ihren Interdependenzen untersuchen und ihre Auswirkungen auf die projizierte Änderung der Landschaft analysieren. Aus diesem Grund ist das erste Ziel dieser Arbeit einen systematischen Ansatz zu entwickeln, der wesentliche Unsicherheitsquellen analysiert und ihre Fortentwicklung zur resultierenden Änderungskarte untersucht. Eine andere Herausforderung in der Landnutzungsmodellierung ist es, die Eignung von Projektionen abzuschätzen wenn keine Referenzdaten vorliegen. Bayes’sche Netze wurden als eine vielseitige Methode identifiziert, um das erste Ziel zu erreichen. Darüber hinaus wurden die Modellierungsschritte „Definition der Modellstruktur“, „Auswahl der Eingangsdaten“ und „Weiterverarbeitung der Daten“ als wesentliche Unsicherheitsquellen identifiziert. Um das zweite Ziel zu adressieren wurde eine Auswahl an Maßzahlen entwickelt. Diese quantifizieren Unsicherheit mit Hilfe einer projizierten Änderungskarte und ohne den Vergleich mit Referenzdaten. Mit diesen Maßzahlen ist es zusätzlich möglich zwischen quantitativer und räumlicher Unsicherheit zu unterscheiden. Vor allem in räumlichen Anwendungen wie der Landnutzungsmodellierung ist diese Möglichkeit wertvoll. Dennoch kann auch ein absolut sicheres Modell gleichzeitig ein falsches und nutzloses Modell sein. Deswegen wird ein Ansatz empfohlen, der die Beziehung zwischen Unsicherheit und Genauigkeit in bekannten Zeitschritten schätzt. Die entwickelten Ansätze geben wichtige Informationen um die Eignung von modellierten Entwicklungspfaden der Landnutzung zu verstehen. / Human influence has led to substantial changes to the Earth’s surface. Land change models are widely applied to analyze land change processes and to give recommendations for decision-making. Land change models are affected by uncertainties which have to be taken into account when interpreting their results. However, approaches which examine different sources of uncertainty with regard to their interdependencies and their influence on projected land change are rarely applied. The first objective of this thesis is therefore to develop a systematic approach which identifies major sources of uncertainty and the propagation to the resulting land change map. Another challenge in land change modeling is the estimation of the reliability of land change predictions when no reference data are available. Bayesian Belief Networks were identified as a useful technique to reach the first objective. Moreover, the modeling steps of “model structure definition”, “data selection” and “data preprocessing” were detected as relevant sources of uncertainty. To address the second research objective, a set of measures based on probabilities were developed. They quantify uncertainty by means of a single predicted land change map without using a reference map. It is additionally possible to differentiate uncertainty into its spatial and quantitative components by means of these measures. This is especially useful in spatial applications such as land change modeling. However, even a certain model can be wrong and therefore useless. Therefore, an approach is suggested which estimates the relationship between disagreement and uncertainty in known time steps to use this relationship in future time steps. The approaches give important information for understanding the reliability of modeled future development paths of land change.

Die Nutzung von terrestrischen Ökosystemen zur Befriedigung der Grundbedürfnisse der Menschheit hat tiefgreifende Auswirkungen auf das Erdsystem und führte zur Ausprägung von anthropogen dominierten Landsystemen. Diese sind von hoher Komplexität, da sie aus einer Vielzahl von unterschiedlichsten Einflussfaktoren angetriebenen Landnutzungsveränderungen hervorgegangen sind. Aktuelle Forderungen nach einer nachhaltigen zukünftigen Landnutzung erfordern ein fundiertes und integratives Verständnis dieser Komplexität. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der raum-zeitlichen Muster und Determinanten des Landsystemwandels, insbesondere der Landnutzungsintensität, in Europa zwischen 1990 und 2010 zu erlangen. Europa ist ein interessantes Studiengebiet, da es jüngst starke Landnutzungsveränderungen erlebte und seine Heterogenität zu einer Vielfalt von Landsystemen und Landsystemveränderungen führte. Das Ziel der Arbeit wurde durch (i) die Kartierung von Intensitätsmustern und deren Veränderungen in Forst- und Agrarsystemen sowie der Ermittlung der dafür einflussreichsten räumlichen Determinanten und (ii) die Kartierung und Charakterisierung archetypischer Muster und Entwicklungsverläufe von Landsystemen untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten einen deutlichen Ost-West-Unterschied in Landsystemmustern und -veränderungen in Europa, mit intensiv genutzten und intensivierenden Regionen vor allem in Westeuropa. Dennoch wurde Europa vor allem durch relativ stabile Landsystemmuster gekennzeichnet und (De-)Intensivierungstrends waren nur von untergeordneter Bedeutung. Intensitätsmuster und -veränderungen waren stark an Standortbedingungen gebunden, vor allem an edaphische, klimatische, und länderspezifische Besonderheiten. Diese Arbeit erweitert das Verständnis des Landsystemwandels in Europa und kann zur Entwicklung wissenschaftlicher und politikbezogener Maßnahmen sowie zur Erreichung einer nachhaltigeren Landnutzung in Europa beitragen. / The utilisation of terrestrial ecosystems to satisfy the basic needs of humankind has profound impacts on the Earth System and led to the development of human-dominated land systems. These are substantially complex as they evolved from a multitude of land-change pathways driven by a variety of influential factors. Current calls for a more sustainable future land-use require a sound and integrative understanding of this complexity. The main goal of this thesis is to better understand the spatio-temporal patterns and the determinants of land-system change in Europe between 1990 and 2010, especially with regard to land-use intensity. Europe serves as an interesting study region as it recently experienced a period of marked land-use change, and since its large environmental, political, and socio-economic heterogeneity resulted in a diversity of land systems and land-change pathways. Land-system changes in Europe were examined by (i) mapping patterns and changes in forestry and agricultural intensity and identifying the most influential spatial determinants related to these changes, and (ii) mapping and characterising archetypical patterns and trajectories of land systems considering both land-use extent and intensity indicators. Results revealed a distinct east-west divide in Europe’s land-system patterns and change trajectories, with intensively used and intensifying regions particularly located in Western Europe. However, Europe was mainly characterised by relatively stable land-systems patterns with (de-) intensification trends being only of minor importance. Land-use intensity levels and changes were strongly related to site conditions, especially with regard to soil and climate, as well as to country-specific characteristics. By fostering the understanding of land-system change, this thesis has the potential to contribute to scientific and policy-related actions that address current efforts to guide future land systems in Europe to a more sustainable use.

Trifft herabfallender Regen auf Waldflächen, so wird dieser Niederschlag umverteilt zu Interzeption, Stammabfluss, durchfallenden und abtropfenden Niederschlag. Besonders hohe Stammablaufmengen im Kronenzentrum und markante Abtropfstellen am Kronenrand einzelner Baumarten lassen sich zudem nur erklären, wenn am jeweiligen Messplatz unter Baumkronen eine weitere Niederschlagskomponente zugelassen wird, mit der laterale Wasserbewegungen innerhalb der expliziten Einzelbaumkrone beschrieben und bilanziert werden (lateraler [Zu- oder Ab-]Fluss). Ziel dieser Arbeit war es deshalb, der niederschlagsabhängigen und kleinräumigen Dynamik dieser Umverteilung im Wald am Beispiel der Baumarten Buche (Fagus sylvatica L.) und Fichte (Picea abies (L.) Karst.) durch Aufnahmen und Auswertungen in zwei Mischbeständen beider Baumarten nachzugehen. Wiederholende Niederschlagsaufzeichnungen einzelner Regenereignisse wurden hierzu in Relation zur jeweiligen Freilandniederschlagsmenge, zur Art der Messplatzüberschirmung im Kronendach und zur Distanz des Messplatzes zum ihn dominierenden Baum varianz- und regressionsanalytisch untersucht und um Ergebnisse aus Stammablaufanalysen und Streumodellen ergänzt. Auf dieser Basis konnten Kausalmodelle zur Schätzung des Unterkronenniederschlages mit hoher Güte hergeleitet werden, die im Detail ein baumartspezifisches räumliches Verhalten der einzelnen Niederschlagskomponenten beim Passieren der Baumkrone belegen. Neben den Besonderheiten, die sich bei Messungen in Bestandeslücken einstellen, ergeben sich so z.B. in der Vegetationsperiode je nach Messplatzposition und Freilandniederschlagsmenge Unterschiede im Niederschlag unter beiden Baumartenkronen von bis zu 35 % des Freilandniederschlages je Einzelereignis und zwar stets zugunsten der Buchenüberschirmung. Am Stammfuss von Buchen kann darüber hinaus zusätzliches Wasser durch den Stammabfluss eingetragen werden. Hierfür notwenige Wassermengen können plausibel aus dem nachgewiesenen lateralen Wasserabfluss im inneren Kronendrittel von Buchen gedeckt werden. Über ein räumlich konkretes Interzeptionsmodell, kombiniert mit Blattflächenschätzungen für Einzelbäume konkreter Dimension, konnte ein räumliches LAI-Modell für Buchen abgeleitet werden, dass höchste LAI-Werte im Kronenzentrum annimmt. Da der Bestandesniederschlag hinsichtlich Niederschlagsmenge, Bestockung, Belaubungszustand und zum räumlich konkreten Messplatz unter der einzelnen Baumkrone veränderlich ist, wird die gewissenhaftere Berücksichtigung dieser Einflussvariablen angeregt und der bisher häufig praktizierten pauschalen Aufteilung des Niederschlages in einzelne Niederschlagskomponenten auf Basis von Flächen- und Messphasendurchschnittswerten widersprochen. / Forests redistribute the precipitation falling on their canopy into interception, stemflow, drip or direct throughfall. Extremely high amounts of stemflow in the centre of the crown and distinct drip points along the crown edge of certain tree species can only be explained by admitting an additional precipitation component at these measurement locations that describes and captures the lateral movement of water within the individual tree crown (lateral in- or outflow). The aim of this study was therefore to analyse these precipitation-dependent, small-scale dynamics of precipitation redistribution in forests using field-measurements from two mixed stands of European beech (Fagus sylvatica L.) and Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.). Periodic measurements of individual precipitation events were examined in relation to the respective gross precipitation, the type of canopy above a plot and the distance of a plot to its dominant sheltering canopy tree using variance and regression analysis, and complemented with stemflow analyses and litterfall models. Using this dataset, causal models for the high-precision estimation of throughfall were derived, showing tree species-specific pathways of the individual precipitation components through the tree crown. Apart from the particularities of measurements in canopy gaps, differences in throughfall between spruce and beech during the vegetation period amount to up to 35 % of gross precipitation per event, in favour of the beech canopy and depending on plot location. At the stem base of beech trees additional water can reach the forest floor via stemflow. The amount of water required to generate this stemflow can plausibly be explained by means of the verified lateral water flow in the inner third of beech crowns. Using a spatially explicit interception model combined with LAI estimates for specific individual trees, a spatial LAI model was developed for beech, showing maximal LAI values in the crown centre. As the net forest precipitation is sensitive with respect to precipitation amount, stand type, foliage status and the spatially explicit plot location below an individual tree crown, this study recommends the consideration of these influential factors and contradicts the commonly practiced blanket partitioning of precipitation into individual components based on spatial and temporal averages.

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Trifft herabfallender Regen auf Waldflächen, so wird dieser Niederschlag umverteilt zu Interzeption, Stammabfluss, durchfallenden und abtropfenden Niederschlag. Besonders hohe Stammablaufmengen im Kronenzentrum und markante Abtropfstellen am Kronenrand einzelner Baumarten lassen sich zudem nur erklären, wenn am jeweiligen Messplatz unter Baumkronen eine weitere Niederschlagskomponente zugelassen wird, mit der laterale Wasserbewegungen innerhalb der expliziten Einzelbaumkrone beschrieben und bilanziert werden (lateraler [Zu- oder Ab-]Fluss). Ziel dieser Arbeit war es deshalb, der niederschlagsabhängigen und kleinräumigen Dynamik dieser Umverteilung im Wald am Beispiel der Baumarten Buche (Fagus sylvatica L.) und Fichte (Picea abies (L.) Karst.) durch Aufnahmen und Auswertungen in zwei Mischbeständen beider Baumarten nachzugehen. Wiederholende Niederschlagsaufzeichnungen einzelner Regenereignisse wurden hierzu in Relation zur jeweiligen Freilandniederschlagsmenge, zur Art der Messplatzüberschirmung im Kronendach und zur Distanz des Messplatzes zum ihn dominierenden Baum varianz- und regressionsanalytisch untersucht und um Ergebnisse aus Stammablaufanalysen und Streumodellen ergänzt. Auf dieser Basis konnten Kausalmodelle zur Schätzung des Unterkronenniederschlages mit hoher Güte hergeleitet werden, die im Detail ein baumartspezifisches räumliches Verhalten der einzelnen Niederschlagskomponenten beim Passieren der Baumkrone belegen. Neben den Besonderheiten, die sich bei Messungen in Bestandeslücken einstellen, ergeben sich so z.B. in der Vegetationsperiode je nach Messplatzposition und Freilandniederschlagsmenge Unterschiede im Niederschlag unter beiden Baumartenkronen von bis zu 35 % des Freilandniederschlages je Einzelereignis und zwar stets zugunsten der Buchenüberschirmung. Am Stammfuss von Buchen kann darüber hinaus zusätzliches Wasser durch den Stammabfluss eingetragen werden. Hierfür notwenige Wassermengen können plausibel aus dem nachgewiesenen lateralen Wasserabfluss im inneren Kronendrittel von Buchen gedeckt werden. Über ein räumlich konkretes Interzeptionsmodell, kombiniert mit Blattflächenschätzungen für Einzelbäume konkreter Dimension, konnte ein räumliches LAI-Modell für Buchen abgeleitet werden, dass höchste LAI-Werte im Kronenzentrum annimmt. Da der Bestandesniederschlag hinsichtlich Niederschlagsmenge, Bestockung, Belaubungszustand und zum räumlich konkreten Messplatz unter der einzelnen Baumkrone veränderlich ist, wird die gewissenhaftere Berücksichtigung dieser Einflussvariablen angeregt und der bisher häufig praktizierten pauschalen Aufteilung des Niederschlages in einzelne Niederschlagskomponenten auf Basis von Flächen- und Messphasendurchschnittswerten widersprochen. / Forests redistribute the precipitation falling on their canopy into interception, stemflow, drip or direct throughfall. Extremely high amounts of stemflow in the centre of the crown and distinct drip points along the crown edge of certain tree species can only be explained by admitting an additional precipitation component at these measurement locations that describes and captures the lateral movement of water within the individual tree crown (lateral in- or outflow). The aim of this study was therefore to analyse these precipitation-dependent, small-scale dynamics of precipitation redistribution in forests using field-measurements from two mixed stands of European beech (Fagus sylvatica L.) and Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.). Periodic measurements of individual precipitation events were examined in relation to the respective gross precipitation, the type of canopy above a plot and the distance of a plot to its dominant sheltering canopy tree using variance and regression analysis, and complemented with stemflow analyses and litterfall models. Using this dataset, causal models for the high-precision estimation of throughfall were derived, showing tree species-specific pathways of the individual precipitation components through the tree crown. Apart from the particularities of measurements in canopy gaps, differences in throughfall between spruce and beech during the vegetation period amount to up to 35 % of gross precipitation per event, in favour of the beech canopy and depending on plot location. At the stem base of beech trees additional water can reach the forest floor via stemflow. The amount of water required to generate this stemflow can plausibly be explained by means of the verified lateral water flow in the inner third of beech crowns. Using a spatially explicit interception model combined with LAI estimates for specific individual trees, a spatial LAI model was developed for beech, showing maximal LAI values in the crown centre. As the net forest precipitation is sensitive with respect to precipitation amount, stand type, foliage status and the spatially explicit plot location below an individual tree crown, this study recommends the consideration of these influential factors and contradicts the commonly practiced blanket partitioning of precipitation into individual components based on spatial and temporal averages.