Modelling the consequences of land-use change on landscape pattern and biodiversity

In den nächsten zehn bis zwanzig Jahren wird in Deutschland mit einem flächenhaften Brachfallen von landwirtschaftlichen Flächen auf marginalen Standorten gerechnet. Die Auswirkungen von solchen Landnutzungsänderungen auf die Landschaft sind vielfältig und wenig untersucht. Vor diesem Hintergrund diskutiert und präsentiert die vorliegenden Arbeit Möglichkeiten zur modellgestützten Darstellung der Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf das Landschaftsmuster (1) und die Biodiversität (2).Zur Darstellung von Landnutzungsänderungen auf das Landschaftsmuster (Aufgabe 1) wurde das Modell PAGE (Pattern Generator) entwickelt. PAGE disaggregiert vorhanden Landnutzungsszenarien auf höheren Ebenen (z.B. Landkreisebene) bis auf den einzelnen Standort und stellt die Ergebnisse in Form von digitalen Landnutzungskarten zur Verfügung. Die Disaggregierung erfolgt nach deterministischen Regeln und basiert auf einer von der naturräumlichen Ausstattung abhängigen Eignungsbewertung für die landwirtschaftliche Nutzung. Um den eher konzeptionell geprägtem Gegenstand Biodiversität quantitativ beschreiben zu können (Aufgabe 2) wurde das modellgestützte Indikatorsystem BAT (Biodiversity Assessment Tool) entwickelt. In BAT werden drei Aspekte von Biodiversität beleuchtet: Komposition, Struktur und Funktion. Biodiversität wird dabei überwiegend auf der Lebensraumebene (Biotopeben) betrachtet. Sieben ausgewählte Indikatoren kombinieren Methoden zur Bestimmungen von Landschaftsmaßen mit ökologisch-funktionellen Ansätzen. Als Indikatoren wurden gewählt: Anteil naturnaher Flächen, Vielfalt naturnaher Biotoptypen, Flächendichte, durchschnittliche Flächengröße, Vernetzung naturnaher Flächen, Hemerobie und Anteil ungestörter Flächene. Als Repräsentant für die Arteneben wird zusätzlich der Anteil an potentiellen Storchhabitaten ermittelt. Alle Indikatoren werden auf Rasterbasis für definierte Analyseumgebungen mit einheitlichem Flächenbezug mit Hilfe der Moving Window Methode berechnet. Durch eine Koppelung der beiden Modelle können die Auswirkungen von konkreten, ökonomisch begründeten Landnutzungsszenarien dargestellt werden. Zusätzlich werden mit Hilfe von Szenarienbündeln, die Landnutzungsänderungen von 0 100% berücksichtigen, die Reaktion der Biodiversität als Funktion der Intensität einer Landnutzungsänderungen ( Response Funktionen ) erforscht. In einer Fallstudie in drei Landkreisen in Brandenburg und dem Bundesland Brandenburg zeigte sich ein räumlich und funktionell sehr differenzierte Bild. Als Reaktion auf eine angenommen Teilliberalisierung der Agrarmärkte fallen bis zu 50% aller Ackerflächen, vor allem in Niederungsgebieten und auf den trockenen, armen Standorten aus der Nutzung. Unter der Annahmen von naturnahe Grünlandtypen als Folgenutzung profitieren diese Bereiche von einer Erhöhung des Anteils naturnaher Biotope, einer Erhöhung der Biotopvernetzung und der Entstehung von großflächigen naturnahen Biotopkomplexen. Zur Informationsverdichtung werden die Ergebnisse von der Rasterebene (25m) auf Gemeinde-, Landkreis- und Bundeslandebene aggregiert und mit Hilfe einer hirarchischen Cluster Biodiverstitätklassen ausgewiesen. Insgesamt hat sich das hier präsentierte indikatorgestützte, räumlich explizite Verfahren auf Biotopebene sehr als Methode zum Monitoring von Biodiversität in verschiedenen Zeit- und Raumebene bewährt und kann für landschaftsökologische Fragestellungen empfohlen werden.In the upcoming decades Germany is expected to face a partial abandonment of agricultural areas as a consequence of decreasing subsidies and market prices for agricultural products. The impacts of such land use changes are manifold and less investigated. This thesis discusses and presents methods, how the impact of land-use changes on landscape pattern (1) and biodiversity (2) can be assessed by landscape models. For task (1) the model PAGE (Pattern Generator) was developed. PAGE disaggregates scenarios about future land use on higher levels (e.g. district level) and produces digital land-use maps of future landscapes. PAGE uses deterministic rules which are based on a suitability assessment of the landscape for agricultural use. Task (2) is complex to solve, since biodiversity is more a concept than a quantitative value. The Biodiversity Assessment Tool (BAT) uses an indicator based approach, which assess biodiversity mainly on the ecosystem level considering three aspects of biodiversity: composition, structure and function. The seven selected indicators combine the technology of landscape metrics with an ecological and functional approach. The indicators are: fraction, richness, patch density, mean patch size, and connectivity of natural and semi-natural ecosystems as well as the degree of internal (hemeroby) and external disturbances. The species level is represented by a calculation of the fraction of potential habitats for the white stork (ciconia ciconia). All indicators are calculated raster-based with a moving window analysis neighbourhood. By coupling both models the impacts of scenario based land-use changes on biodiversity can be assessed. A broadened approach which considers sets of scenarios with land-use changes form 0-100% allows to investigate the general relationship between biodiversity and land-use by means of so called response functions. A case study in the state of Brandenburg showed a very heterogeneous picture in the response to land-use changes. Up to 50% of all arable fields fall abandoned as a consequence of a partly liberation of the European agro-markets. Abandonment appeared mainly in wet lowland areas and on poor and sandy soils. If semi-natural grasslands would be the successor of arable land biodiversity in most of these areas will increase, namely the fraction, the connectivity and the patch size of semi-natural areas. For a aggregation of information the results were aggregated from the raster size (25m) to the community, district and state level and classified into biodiversity classes by hierarchical cluster process. The indicator based approach to assess biodiversity on the ecosystem level has proofed to be very suitable for the monitoring of biodiversity in a broad range of scales in time and space, particularly in investigations of landscapes and land-use