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The role of tree diversity for individual tree growth, crown architecture and branch demography
(2012)
In the light of the concurrent loss of biodiversity, biodiversity and ecosystem functioning (BEF) research attracted a great deal of attention and emerged as one of the important fields of research in ecology. Since important ecological interactions such as competition occur between individuals, the understanding of individual tree growth was considered to be fundamental for forest related BEF research. Individual tree growth is determined by the above- and belowground interactions of a tree individual with its local neighbourhood. To obtain a deeper understanding of BEF relationships, I broadened the focus from individual tree growth (usually measured as diameter or biomass increment) to the arrangement and dynamics of the above-ground modules of trees in dependence of their local neighbourhood. More precisely, the main objective of the present thesis was to analyse the impact of tree diversity on individual tree growth, crown architectural and branch demographic variables. Thereby I considered crown architectural variables as important indicators of the competition for light. In addition, crown architectural variables impacted ecosystem services such as erosion control. Furthermore, the results of the present thesis contributed to the current discussion on species coexistence theories, which may be differentiated by two opposing views: one that relies on neutral processes and one that implicates a role for meaningful differences in the ecological strategy (niche) of co-occurring species. The studied forest ecosystems were the subtropical broad-leaved evergreen forests of southeast China, which have been under high human pressure due to a long history of intensive land-use. The area is of particular interest for BEF research due to the high species richness of woody plants, including many, yet poorly studied species, and due to the rough terrain with steep slopes, which cause severe soil erosion. The present thesis combines three observational with two experimental studies, applying the local neighbourhood approach along an age gradient from tree saplings to mature trees. In the Gutianshan National Nature Reserve (GNNR), I conducted two observational studies on permanent plots which were chosen according to a space-for-time substitution design. The aim of the first study was to reveal the effects of diversity (species richness, functional diversity) together with other biotic and abiotic variables on morphological growth parameters (crown area, crown displacement and stem inclination) of target trees of four tree species (Castanea henryi, Castanopsis eyrei, Quercus serrata and Schima superba). In the second study, the same target trees together with their neighbours were used to analyse the relation between stand related functional diversity and the horizontal and vertical structure of the canopy. The third study was conducted in a young secondary broad-leaved evergreen forest. Using two target species (Castanopsis fargesii and Quercus fabri), the role of diversity, intra- vs. inter-specific competition and the mode of competition (symmetric vs. asymmetric) on the target individuals was tested by analysing five-year radial growth increments. The two other studies were carried out in an experimentally established plantation, using saplings of four tree species (C. henryi, Elaeocarpus decipiens, Q. serrata and S. superba), which were planted in monoculture, twoand four-species combinations and in three densities. The fourth study focused on mechanisms of coexistence and the role of species richness, species composition, species identity and density on sapling growth. The fifth study tested the effect of sapling density and identity on the througfall kinetic energy, which represents a measure for the erosive power of rain. It was found that functional diversity does affect crown architectural and canopy related parameters of forests in the GNNR. However, no effects of species richness on radial-growth were detected in the younger forest. Since I also did not find strong effects of species richness on saplings in the experimental plantation, diversity effects may evolve at a later age stage. The importance of the diversity effect may be related reversely to that of species identity in an age gradient of forest stands. The findings suggest that different mechanisms of coexistence operate simultaneously but that their relative importance may shift through the life stages of trees. During the sapling stage, species-specific differences in growth and architectural traits support niche theory. In older forest stands, no species-specific differences in growth parameters could be detected. However, I did find effects of functional diversity on horizontal canopy structure. I conclude that mechanisms of coexistence may not only change with forest stand age, but may also differ for distinct traits. The present thesis, being the first to apply the local neighbourhood approach with regard to crown architecture and branch demography within the BEF field of research, stresses the importance of this individual based approach. Although the observed forest systems are very complex, crown architectural and canopy structural variables were found to be affected by diversity. The finding that the degree of erosive power of rain could be elucidated by crown architectural variables, encourages further studies to reveal possible relations between biodiversity and other ecosystem functions or services, which might be mediated by crown architectural and canopy structural variables.
In den Jahren 2006 und 2007 wurden auf dem Gebiet der Lüneburger Heide nach einer Vorstratifizierung im Rahmen ausgedehnter Feldforschung Umweltdaten für die stark bedrohte Spinnenart Eresus kollari Rossi 1846 und die eurytope Spinnenart Trochosa terricola Thorell 1856 erhoben. Ziel der Arbeit war es, die Habitatbindung beider Arten zu beschreiben und Heidepflegemaßnahmen vor allem für erstere zu benennen, um zu ihrem dauerhaften Erhalt beizutragen. Außerdem sollten beide Arten auf dem gleichen Standort in ihren Habitatansprüchen verglichen werden. Mit Hilfe der vorliegenden Untersuchungen konnte die spezifische Habitatbindung von E. kollari in der Lüneburger Heide beschrieben werden. Heidepflegemaßnahmen, die dazu führen, dass die organische Auflage des Bodens gering, die Temperatur auf Höhe der Röhren der Tiere (in 10 cm Tiefe) hoch und die Heidebedeckung gleichzeitig relativ groß ist, entsprechen den ermittelten Mikrohabitatansprüchen der Art Eresus kollari. Der Nischenvergleich der stenotopen Art E. kollari mit der eurytopen Art T. terricola zeigte, dass die beiden Arten sich hinsichtlich ihrer Habitatparameter nur in den drei Faktoren ‚Bedeckungsgrad Bäume‘, ‚Dicke der organischen Auflage‘ und ‚Bedeckungsgrad Gräser‘ unterschiedlich verhalten. Dabei stellt sich der Reaktionsraum von E. kollari wie eine Teilmenge desjenigen von T. terricola dar. Unter diesem Aspekt kann E. kollari nicht nur als Leitart sondern auch als Schirmart in der Lüneburger Heide dienen. Pflegemaßnahmen wie kontrolliertes Brennen und Schoppern, variabel in Zeit und Raum angewandt, erscheinen vor dem Hintergrund der Ergebnisse der Habitateignungsmodellierung als besonders geeignet, um langfristig die Mikrohabitatansprüche für E. kollari (aber auch für T. terricola) zu sichern. Angesichts des geringen Ausbreitungspotentials von E. kollari werden vielleicht manche geeignete Lebensräume nicht besiedelt. Ein Monitoring sowie (Wieder-) Besiedlungsexperimente auf geeignet erscheinenden Flächen sollten daher für den dauerhaften Erhalt der Art im norddeutschen Raum in naher Zukunft ausgeführt werden.
Stoffstromnetzbasierte Optimalplanung des Ressourceneinsatzes industrieller Produktionssysteme
(2011)
Die Steigerung ihrer Ressourceneffizienz ist heute für viele Unternehmen des produzierenden Gewerbes sowohl aus Gründen des Umweltschutzes als auch zur Steigerung ihrer Wettbewerbsfähigkeit ein wichtiges Anliegen. Als ein in vielfältiger Hinsicht geeignetes Planungsinstrument für das industrielle Energie- und Stoffstrommanagement hat sich in den letzten Jahren die in den 1990er Jahren entwickelte Methode der Stoffstromnetze erwiesen. Ihr Manko besteht hauptsächlich darin, dass bislang keine automatische Suche nach Systemkonfigurationen mit optimalem Ressourcenverbrauch möglich ist. Gängige Optimierungsmethoden des Operations Research wie die mathematische Programmierung sind hierfür prinzipiell geeignet. Aufgrund ihres hohen Abstraktionsniveaus lassen sie sich jedoch nur schwer in betriebliche Planungsprozesse, insbesondere in mittelständischen Unternehmen, einbinden. Daher wird in dieser Arbeit eine neuartige Methode für die Optimalplanung industrieller Produktionssysteme entwickelt, die die Vorteile der Stoffstromnetze mit denen der Parameteroptimierung verbindet: die stoffstromnetzbasierte Optimalplanung. Als formale Schnittstelle zwischen Stoffstromanalyse und Operations Research wird durch die Einbettung eines Stoffstromnetzes in ein Parameteroptimierungsproblem das stoffstromnetzbasierte Optimierungsproblem (SSNOP) definiert. Dabei wird deutlich, dass aus der methodischen Integration nur dann ein sinnvolles Planungswerkzeug resultiert, wenn auch die jeweiligen Modellierungsparadigmen von Stoffstromanalyse und Optimalplanung miteinander verschmolzen werden. Das SSNOP ermöglicht daher nicht nur die angestrebte Erweiterung des Stoffstrommanagements um den Aspekt der automatischen Systemoptimierung. Es induziert darüber hinaus einen Perspektivwechsel von der traditionell eher beschreibenden zu einer entscheidungsorientierten Stoffstromanalyse. Nur durch die systematische Berücksichtigung der Freiheitsgrade eines Produktionssystems in Form von vorhandenen oder potenziellen Handlungs- und Gestaltungsspielräumen entstehen Stoffstrommodelle, die gleichzeitig als Optimierungsmodelle einsetzbar sind. Weiterhin werden in dieser Arbeit konkrete Lösungsansätze für das SSNOP untersucht. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des eingebetteten Stoffstromnetzes gibt es zwei Möglichkeiten für die Optimierung: Einerseits die algebraische Reformulierung als mathematisches Programm, welches anschließend mit analytischen Optimierungsalgorithmen gelöst werden kann, andererseits die Anwendung direkter Suchalgorithmen im Rahmen einer simulationsbasierten Optimierung. Weiterhin wird ein Optimierungsmodul für eine stoffstromnetzbasierte Stoffstromanalysesoftware konzipiert, welches beide Lösungsansätze integriert. Mittels numerischer Experimente wird schließlich die Eignung verschiedener direkter Optimierungsalgorithmen zur Lösung des SSNOP untersucht.
Als Fallstudie wird im ersten Paper der Einsatz der Szenarioanalyse als ein zentrales Element des Forschungsdesigns im Projekt „Sustainable University“ beleuchtet. Mit einem formalen Ansatz wurden Szenarien zum zukünftigen Umfeld der Hochschullandschaft entwickelt. Dieses Paper zeigt detailliert die notwendigen Denkschritte bei der Szenarioentwicklung auf und hilft zu verstehen, an welchen Punkten Integrationsschritte in Bezug auf Wissensarten und Perspektiven unterstützt und geleistet werden und somit auch (soziale) Lernprozesse gefördert werden können. Ferner werden die konkreten Ergebnisse der Szenarioanalyse vorgestellt und diskutiert. Zur Untersuchung von Lerneffekten wird die Methode der Szenarioanalyse in einen formalen Bildungskontext transferiert. Das zweite Paper leistet einen konzeptionellen Beitrag. Einleitend werden spezifische individuelle Kompetenzen diskutiert, die aus der Perspektive der Bildung für eine nachhaltige Entwicklung zum Umgang mit dem Klimawandel als komplexes Nachhaltigkeitsproblem und zu einer aktiven Teilnahme an Transformationsprozessen der Gesellschaft wichtig sind. Die Kompetenzen, wie proaktives Denken, der Umgang mit Unsicherheiten und unterschiedlichen Wissensbeständen sowie das vernetze Denken konnten hier beschrieben werden. Anschließend werden zwei Forschungsmethoden, der Syndromansatz und die Szenarioanalyse, für den Kontext der formalen Bildung nutzbar gemacht, und es wird theoretisch abgeleitet, wie in diesen Lernsettings die eingangs identifizierten Kompetenzen gefördert werden können. Die Szenarioanalyse bietet beispielsweise beim Denkschritt der Entwicklung von Zukunftsprojektionen großes Potential für Reflexionsprozesse oder die Integration von Wissen und Perspektiven zur Förderung der Kompetenz des proaktiven Denkens in Alternativen. Die diskursive Bewertung von Konsistenzen während der Szenarioerstellung birgt ähnliches Potential zur Förderung des vernetzten Denkens. Im dritten Paper wird ein Messinstrument für die Kompetenz des vernetzen Denkens (systems thinking) entwickelt. Es leistet einen empirischen Beitrag zur Lehr-Lernforschung, respektive zur Kompetenzmessung im Bereich der BNE. Dieses Instrument erfasst mit Hilfe eines Similarity Judgment Tests (SJT) den Grad der Vernetzung von Konzepten eines bestimmten Kontextes, in dem konkreten Fall von Aspekten des Klimawandels. In einer prä-post-Studie wurden zwei Kontroll und zwei Versuchsgruppen, die an dem zuvor genannten Lernsetting im Rahmen von Seminaren an der Leuphana Universität Lüneburg teilgenommen haben, empirisch begleitet. Auch wenn keine statistisch signifikanten Veränderungen des vernetzten Denkens der Teilnehmenden nachgewiesen werden konnten, bedeutet das nicht, dass die zuvor abgeleiteten Einflüsse der Szenarioanalyse widerlegt sind. Hier sind weitere Studien und die Weiterentwicklung des Messinstruments nötig. Zudem wurde nur ein Teil möglicher Einflüsse auf die Kompetenzentwicklung untersucht. Für die Szenarioanalyse als Lernsetting lässt sich schlussfolgern, dass zum einen der Moderation von Reflexions- und Diskussionsprozessen während unterschiedlicher Phasen eine sehr wichtige Rolle zukommt und sie einen wesentlichen Einfluss auf Lernprozesse hat. Zum anderen ist den Phasen, in denen Lernen stattfinden kann, genügend Zeit einzuräumen, so dass transdisziplinäre oder interdisziplinäre Forschungsprozesse mit der Methode Szenarioanalyse auch das Potential für Lernprozesse entfalten können. So kann mit Hilfe der Szenarioanalyse ein Setting geschaffen werden, in dem individuelle mentale Modelle und Handlungsmuster hinterfragt und Kompetenzen im Umgang mit komplexen Problemen gefördert werden, und somit individuelles und soziales Lernen für eine nachhaltige Entwicklung stattfinden kann.
Der Klimawandel wird die Gesellschaft in Zukunft immer stärker beeinflussen. In der Arbeit wird untersucht, wie die direkten Auswirkungen und die daran anschließenden Klimaschutz- und Anpassungsmaßnahmen regionale Konfliktsituationen verändern können. Untersucht werden bisherige Konflikte des Tourismussektors mit anderen nicht-touristischen Akteursgruppen sowie mögliche Konfliktpotenziale durch den Klimawandel am Beispiel der Destinationen Schwarzwald und schleswig-holsteinische Nordseeküste. Qualitative Experteninterviews geben Hinweise darauf, dass besonders die Mitigations- und Anpassungsmaßnahmen, die sonst eher als Konfliktlösung eine Rolle spielen, ein bedeutendes und bisher unterschätztes Konfliktpotenzial bergen. Formelle Verfahren, aber auch eine zusätzliche informelle Beteiligung werden von den Akteuren vor Ort als Konfliktregelungsmechanismen befürwortet.