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Climate change is a major threat to biodiversity and ecologists have identified necessary adaptation strategies. However, little research has been conducted so far on the economics of climate adaptation for biodiversity conservation. Three challenges arise from an economic perspective: How to (1) assess the impact of climate change on the cost-effectiveness of conservation, (2) consider the increasing uncertainty, and (3) evaluate conservation policy instruments under climate change. Addressing these challenges provides a thus far largely unexplored perspective on the economics of biodiversity conservation. This perspective relies on novel methodologies and provides policy-relevant insights.
In this thesis, these challenges are addressed in eight articles. Chapter 2 presents a novel economic evaluation framework to assess policy instruments for climate adaptation. Specific criteria are developed, their relevance for different strategies is assessed and suitable instruments identified.
Chapters 3 and 4 have a methodological focus as two climate-ecological-economic (CEE) models are developed. Chapter 3 presents an applied model integrating detailed sub-models able to assess the cost-effective spatio-temporal allocation of conservation measures. In chapter 4, methods from operations research are developed further to identify optimal time series of reserve networks. In both chapters, cost-effective conservation plans are identified in case study applications.
In chapter 5, CEE modelling is applied to examine the role of uncertainties regarding future climatic conditions. It is found that a trade-off between expected performance and robustness emerges in the case study in the future.
In chapters 6 to 8, CEE modelling is used to assess policy instruments under climate change. Chapter 6 examines an agri-environment scheme: cost-effectiveness requires flexibility in adapting the timing of conservation measures due to species’ adaptations and changes in costs. Chapter 7 examines two versions of land purchase: a “no sale” policy which prohibits sales for ecological reasons and a “sale” policy to enhance spatial flexibility for adaptation. A new trade-off is identified: while “no sale” mainly increases habitat permanence of expanding habitat types, “sale” improves the outcome for increasingly threatened habitat types. Chapter 8 is novel in its comparative analysis of two policy instruments considering spatial and management flexibility in a case study. It is found that in the case study, conservation contracts are more cost-effective than land purchase, but that the relative suitability switches when the conservation agency is able to capture producer rents.
Finally, chapter 9 uses the results of chapters 3 and 5 to develop an innovative teaching tool for students to learn about cost-effective biodiversity conservation under climate change.
The existence of large deposit of crude oil in the Nigerian Niger-Delta accords the region a strategic position in the country’s economy. However, activities associated with the oil and gas industry have resulted in extensive and in some instances indelible damages on the ecosystems. The destructive effect of hydrocarbon on bionetwork necessitated this study that aimed at evaluating the potential of adopting microbial and biosurfactant technology as tools for bioremediation. The research involved gas chromatography monitoring of hydrocarbon degradation in polluted soil, microbiological/molecular identification of hydrocarbon degraders and the evaluation of biosurfactant production by indigenous bacteria. The performance of four treatments involving; co-treatment with mixed bacterial consortium and close-to-nature surfactants (Bioversal QF and Bioversal UK), treatments with mixed bacteria culture, single bacteria culture and treatment with close-to-nature surfactants only were evaluated for the mineralization of hydrocarbons contained in 500g of 2% crude oil contaminated soil supplemented with Na2HPO4*2H2O, KH2PO4 and NH4Cl as nutrient sources over a period of 20 weeks. Six indigenous biosurfactant producing and/or hydrocarbon degrading bacteria strains were isolated namely: Pseudomonas aeruginosa, Bacillus sp, Achromobacter sp, Stenotrophonas sp, Lysinibacillus sp. and Delftia sp. Molecular characterization of sequenced polymerase chain reaction products of these cultured bacteria using Nucleotide Basic Local Alignment Search Tool confirmed close relationships ranging from 98.83% to 100% with those on the NCBI databank. Co-treatment with mixed bacteria culture and Bioversal UK/Bioversal QF yielded synergetic impact that enhanced 73.35% and 71.52% degradation of total petroleum hydrocarbon respectively. Treatments with close-to-nature surfactants and with mix bacterial culture recorded 53.61% and 54.58%. The use of single bacteria strains resulted in the mineralization of 46% - 62.26% total petroleum hydrocarbon while their use as a consortium yielded 54%. Liquid chromatography-Mass spectrometry assessment of extracellular polymeric substances produced by cultured bacteria strains indicated the presence of rhamnolipids (L-rhamnosyl-3-hydroxydecanoyl-3-hydroxydecanoic acid with a mass of 504.654 Da) and lipopeptides (2-(Hydroxymethyl) phenyl 6-O-palmitoyl-β-D-glucopyranoside with a mass of 524.687 Da). Extracellular polymeric substances produced yielded emulsion index ranging from 70.70% to 75% and 39% to 65% with crude oil and heptane respectively. EPS yields ranging from 1.34 g/ml to 1.5 g/ml were recorded.
Vor dem Hintergrund der EG WRRL besteht ein großer Bedarf an effektiven Maßnahmen zur Gewässerentwicklung. Das Belassen und der Einbau von Holz haben hierfür durch die Aktivierung fließgewässertypischer Prozesse ein großes Potenzial. Ziel war es daher, Handlungsempfehlungen für das Belassen und den naturnahen Einsatz von Holz in Tieflandbächen zu entwickeln. Diese basieren auf Grundlage des aktuellen Wissensstandes und eigenen Untersuchungen zu offenen Fragen. In den eigenen Untersuchungen wurden Holz- bzw. Maßnahmenstrecken mit unveränderten bzw. holzfreien Kontrollstrecken in Tieflandbächen und –flüssen verglichen, hauptsächlich hinsichtlich ökologischer Zustandsbewertung des Makrozoobenthos und der Fische, der Gewässerstruktur und der Holzmengen bzw. der Holzdynamik. Die eigenen Untersuchungen zeigten:
1. Die Wirkungszusammenhänge zwischen Holz und Organismen des Makrozoobenthos waren auch in der Zustandsbewertung nach EG WRRL feststellbar. Holz führte unabhängig von Gewässertyp und –größe zur Verbesserung der Strukturgüte und des ökologischen Zustands beim Makrozoobenthos. Die Zustandsbewertung wurde in 45 % der untersuchten Strecken (N = 31) soweit verbessert, dass der „gute“ und sogar „sehr gute“ ökologische Zustand erreicht wurde.
2. Eingebaute Strömungslenker aus Holz können den natürlichen Eintrag nicht vollständig ersetzen. Strömungslenker erzielten nur teilweise Verbesserungen der Gewässerstruktur und des ökologischen Zustands. In den 7 untersuchten Strecken wurde die Tiefenvariabilität im Längsprofil durch die Bildung von Kolken gesteigert. Sinuosität, Querprofil, Sohlsubstrat und der ökologische Zustand des Makrozoobenthos und der Fische wurden aber nur kaum beeinflusst.
3. Der Einbau von Holz beeinflusst die Dynamik und Retention von Driftholz und führt zu einer Steigerung der Holzmenge in einer Gewässerstrecke. In einer 400 m langen Strecke eines Tieflandflusses mit Strömungslenkern aus Holz und natürlichem Holzeintrag wurde die eingebaute Holzmenge durch die zusätzliche Retention von Driftholz nach vier Jahren bereits um 60 % im Volumen und um 240 % in der Holzoberfläche erhöht. Der kontinuierliche Austrag von Holz aus der Strecke wurde durch neuen Eintrag und die Retention in der Strecke kompensiert.
In den Handlungsempfehlungen für die Praxis wurde herausgearbeitet, dass die Förderung des natürlichen Holzeintrags prinzipiell Priorität gegenüber dem Einbau von Holz hat. Für drei Restriktionsgrade von gering bis hoch wurden Empfehlungen für einen möglichst naturnahen Holzeinsatz entwickelt, der zudem natürlichen Holzeintrag berücksichtigt. Grundlage der Empfehlungen sind Angaben zum Holzvolumen, dem Deckungsgrad, der Anzahl an Stämmen sowie dem Verbauungsgrad von Holzeinbauten und deren Lage zur Fließrichtung. Ergänzt werden die Angaben durch die Kategorisierung von 6 Grundtypen natürlicher Holzstrukturen.
Objective of the Transregional Collaborative Research Centre (CRC/TR) 38 was the study of structures and processes of the initial ecosystem development. It was assumed that the initial phase is characterized by less structured and therefore less heterogeneous ecosystems. Thus, analysis of young ecosystems in their initial stages should provide better insights into ecosystem functioning. Following this basic concept, the idea of the CRC/TR 38 was to analyze the establishment of new structures and processes which lead to a growing structuring and in consequence to a growing complexity and heterogeneity in an artificially created watershed. Further, with the help of this step-by-step development of the ecosystem it was aimed to learn from occurring feedbacks, which appear between old and newly emerging structures and patterns in order to better understand also the behavior of more mature systems. Special emphasis was placed on the spatial and temporal dynamics of both evolving structures and related processes and their interactions. In summary, the CRC/TR 38 was able to identify a number of structures and processes that are considered to be relevant and specific for young systems.
Insgesamt wurden in verschiedenen Forschungsvorhaben sowohl auf ehemaligen Truppenübungsplätzen als auch in der Bergbaufolgelandschaft systematisch Laufkäfer erfasst und untersucht. Insgesamt wurden 333 Jahresfänge aus 14 verschiedenen Bergbaufolgelandschaften, von 8 verschiedenen ehemaligen Truppenübungsplätzen und weiteren Vergleichsflächen ausgewertet. Die Ergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen. In der Niederlausitz sind gestörte Landschaften (Bergbaufolgelandschaften, ehemalige Truppenübungsplätze) reich an Laufkäferarten. Ein sehr hoher Anteil der nachgewiesenen Arten gehört zu brandenburg- und/oder deutschlandweit seltenen oder gefährdeten Arten. Bei diesen Arten handelt es sich insbesondere um stenotope Spezialisten früher Sukzessionsstadien. Unter den nachgewiesenen Arten befinden sich deutschlandweit extrem seltene Arten und Wiederfunde von in Brandenburg bereits als verschollen eingestuften Arten. Die in der Bergbaufolgelandschaft repräsentativ vorhandenen Biotoptypen (Sandoffenflächen, Sandtrockenrasen, Ackerunkrautfluren, Ruderalfluren) wurden im Wesentlichen durch alle potentiell in Brandenburg möglichen Arten besiedelt. Eine Nichtbesiedlung der Bergbaufolgelandschaft durch prinzipiell geeignete Arten konnte nicht festgestellt werden. Die Flächengröße hatte auf der Makroskala keine wesentliche Bedeutung für die Erklärung der Artenzahlen. Dadurch unterscheidet sich dieser „Inseltyp“, als insulärer Extremstandort in der Kulturlandschaft, sowohl von realen Inseln, als auch von durch Fragmentierung entstandenen terrestrischen Habitatinseln, auf denen oft die Flächengröße und die Isolation der Inseln eine große Rolle für die Erklärung der Artenzahlen der Laufkäfer spielten. Hier sollten weitere Untersuchungen ansetzen, und insbesondere die Frage klären ob und welchen Einfluss Habitatheterogenität bzw. –diversität, bzw. die die Umgebung der Bergbaufolgelandschaften auf die Artenzahlen haben. Die Besiedlung durch Laufkäfer erfolgt vor allem in den ersten Jahren nicht zufällig erfolgt, da dieselben Pionierarten (xerobionte, mittelgroße Arten mit hohem Dispersionsvermögen und Präferenz zu offenen Sandstellen) sowohl bei primären als auch bei sekundären Sukzessionsvorgängen das Gros der Individuen und der Biomasse stellen. Die Artenzusammensetzungen der spezifischen Zönosen wird zumindest in den ersten Jahren allerdings sehr stark durch „zufällige“ Besiedlungsprozesse und die direkte Umgebung geprägt. Strukturelle Parameter der Vegetation hatten sowohl bei der primären als auch bei der sekundären Sukzession die höchste Bedeutung für die Erklärung der Artenzahlen der Laufkäfer. Die „structural diversity hypothesis“ wird nach den vorliegenden Ergebnissen deutlich besser unterstützt als die „taxonomic diversity hypothesis“. Die Ergebnisse werden in Bezug auf die Anwendbarkeit weiterer ökologische Hypothesen überprüft: microhabitat specialisation hypothesis“ „hunting efficiency hypothesis“ „enemy-free space hypothesis“. Zwischen der primären und der sekundären Sukzession der Laufkäferzönosen konnten keine wesentlichen Unterschiede herausgearbeitet werden. Die Ergebnisse werden vor allen in Bezug auf Artenzahlen, Artenzusammensetzung, Diversität, Biomassen, Größenklassen, Flügelausbildung, ökolo. Typen dargestellt und diskutiert. Die wichtigsten Ergebnisse waren: Die Artenzahlen wiesen in den ersten 10 Jahren stets ein deutliches Maximum auf. Dieses Maximum lässt sich sehr gut mit dem von Wilson (1969) beschriebenen non-interactive equilibrium in Übereinstimmung bringen. Anschließend erfolgt mit zunehmender Vegetationsbedeckung eine Abnahme der Artenzahlen in Übereinstimmung mit dem interactive equilibrium. Eine Wiederzunahme der Artenzahlen in noch späteren Sukzessionsstadien konnte mit dem vorliegenden Datenmaterial innerhalb der Untersuchungszeiträume nicht festgestellt werden. Im Verlauf der primären und sekundären Sukzession lassen sich deutlich zwei Biomassemaxima unterscheiden, von denen eins in den ersten 10 Jahren der Sukzession auftritt und durch hohe Aktivitätsdichten insgesamt und die Eudominanz einer Pionierart hervorgerufen wird. Das erste Biomassemaximum ist zeitlich vor dem Maximum der Artenzahlen der Laufkäfer in den Zönosen einzuordnen und tritt im non-interactive equilibrium auf. Ein zweites Maximum der Biomassen tritt erst nach fortgeschrittener Bewaldung auf und wird durch die allmähliche Einwanderung und schließlich der Dominanz großer Waldarten mit hohen individuellen Biomassen hervorgerufen. Die Sukzessionsabfolge der dominanten Arten der frühen Sukzessionsstadien wird nach den vorliegenden Ergebnissen durch verschiedene Parameter die Vegetationsbedeckung determiniert, die mit den Aktivitätsdichten hochkorreliert waren. Andere (v.a. bodenkundliche) Umweltvariablen waren von untergeordneter Bedeutung.
Analyse der Heteropterengemeinschaften von süßen und brackigen Gewässern auf küstennahen Düneninseln
(2002)
Auf den ostfriesischen Düneninseln wurden zwischen 1979 und 1994 etwa 250 süße und brackige aquatische Lebensräume auf die Artenzusammensetzungen von aquatilen Heteropteren untersucht. 32 Arten der Nepomorpha und 11 Arten der Gerromorpha wurden nachgewiesen, das entspricht 64 bzw.73 % der Arten des angrenzenden Festlandes. Nach eingehender faunistischer Analyse wurden Muster von Artenzusammensetzungen und deren Veränderungen unter Berücksichtigung verschiedener Umweltvariablen zu Vegetation, Gewässerchemie und Topographie mit Hilfe von diversen Gradientenanalysen untersucht. Bildung und Veränderungen verschiedener Muster von Artenzusammensetzungen sind im Hinblick auf die räumliche Skala der Gewässersysteme der Inselgruppe im wesentlichen abhängig von Gewässergröße, Salinität, Beschattung, Gesamtdeckung der Vegetation, Sediment sowie Gewässertiefe und relativer Lage auf den Inseln, Hydrophytenbedeckung, Salinität, Sediment sowie Gewässertiefe für die kleinere Betrachtungsebene der Gewässersysteme einzelner Inseln. Aspekte der Störung, interspezifischer Interaktionen, Kolonisationsdynamik und Arten-Areal Beziehungen werden im einzelnen diskutiert. Ergänzend erfolgt ein Vergleich mit anderen aquatischen Tiergruppen und eine kurze Diskussion naturschutzfachlicher Aspekte.
Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung erneuerbarer Energieträger am Beispiel des Landes Brandenburg
(2004)
Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines energiewirtschaftlichen Modells, um künftige Entscheidungen zum Ausbau der regenerativen Energieträger nach unterschiedlichen, sich teilweise widersprechenden Kriterien treffen zu können. Das Modell ist für die strom- und wärmeseitige Energiebereitstellung anwendbar. Neben der Berücksichtigung aller energiewirtschaftlicher Aspekte wurde in den Modellrechnungen jeweils der gesamte Lebenszyklus „life cycle“ einer Anlage erfasst. In dem Modell sind Berechnungen sowohl mit frei wählbaren Schwerpunktsetzungen, wie beispielsweise vorhandenes Potenzial, ökologische Aspekte und Wertschöpfung als auch Rechenoperationen ohne jede Wichtung möglich. Die Funktionsfähigkeit des Modells wurde anhand der Kennzahlen für das Land Brandenburg nachgewiesen. Bei den Schlussfolgerungen aus den Modellrechnungen konnten eindeutige Aussagen und Empfehlungen für den künftigen Einsatz der jeweiligen regenerativen Energieträger getroffen werden.
30 sampling sites at 5 mining areas and reference sites in Lower Lusatia were studied for succession of Collembola. The study took place from 2001 to 2004. Two chronosequences were chosen, one for afforestation sites and one for sites with free succession. Additional data about some soil parameters (pH, organic matter content, water content, water capacity, conductivity, phosphate, ammonium and nitrate) are also given. Most soil parameters increase with age and/or vegetation development. Only pH decreases after melioration whereas no correlations were found for phosphate. At all study sites, 13.733 specimens, distributed across 84 species were identified with Mesaphorura macrochaeta and Parisotoma notabilis as most abundant species. Succession was studied on different levels. On the level of species and ecological groups, succession is from meadow species to forest species, but on the level of specimens and ecological groups, succession is from meadow species over eurotopic species to forest species. A model for species succession is offered on the level of specimens, presented separately for the epigaeic and the endogaeic community. Both successional developments could be divided into five parts: For the epigaeic community, the 1st stage is defined as sites without vegetation. Species found here are Pseudoanurophorus alticolus, Schoetella ununguiculata, Bourletiella pruinosa and Brachystomella parvula. At the 2nd stage, already some sparse vegetation can be found. Some sites are also covered densely by moss. Here, Cryptopygus thermophilus, Isotoma anglicana and Lepidocyrtus cyaneus are found fort he first time. The 3rd stage is defined as sites with dense vegetation, generally Calamagrostis epigejos dominated sites. Oldest sites have already some shrubs made of young pines or are clearings in young woodland. Several species are found here for the first time in notable dominances: Entomobrya lanuginosa, Entomobrya multifasciata, Lepidocyrtus lignorum, Isotoma viridis, Lepidocyrtus lanuginosus, Sminthurinus aureus, Sphaeridia pumilis and Tomocerus flavescens. The fourth stage is made up by afforestations up to 43 years on reclamation sites. 5 more species are found here: Entomobrya nivalis, Neanura muscorum, Orchesella flavescens, Paratullbergia macdougalli and Tomocerus vulgaris. The 5th stage would be the climax stage, an old oak forest. It is probably not comparable to a true primeval forest, but the type of forest typical for today’s mining sites. Only 2 species were found here: Micraphorura absoloni and Entomobrya corticalis. For the endogaeic community, data is even more based on statistical evidence. Succession of the endogaeic community is more dependent on soil parameters and succession of microflora. Generally, succession is from Mesaphorura atlantica on acidic sites and Proisotoma minuta on sites with higher pH to a Mesaphorura macrochaeta community, followed by a Parisotoma notabilis dominated community. Older afforested sites are dominated by Isotomiella minor and old oak forest on undisturbed sites by Folsomia penicula. Duration of the single successional stages depends on parameters like pH, moisture, vegetational structure and availability of certain fungi as basic food resource.