Martin Schmidt

• For millennia, humans have affected landscapes all over the world. Due to horizontal expansion, agriculture plays a major role in the process of fragmentation. This process is caused by a substitution of natural habitats by agricultural land leading to agricultural landscapes. These landscapes are characterized by an alternation of agriculture and other land use like forests. In addition, there are landscape elements of natural origin like small water bodies. Areas of different land use are beside each other like patches, or fragments. They are physically distinguishable which makes them look like a patchwork from an aerial perspective. These fragments are each an own ecosystem with conditions and properties that differ from their adjacent fragments. As open systems, they are in exchange of information, matter and energy across their boundaries. These boundary areas are called transition zones. Here, the habitat properties and environmental conditions are altered compared to the interior of the fragments. This changes the abundanceFor millennia, humans have affected landscapes all over the world. Due to horizontal expansion, agriculture plays a major role in the process of fragmentation. This process is caused by a substitution of natural habitats by agricultural land leading to agricultural landscapes. These landscapes are characterized by an alternation of agriculture and other land use like forests. In addition, there are landscape elements of natural origin like small water bodies. Areas of different land use are beside each other like patches, or fragments. They are physically distinguishable which makes them look like a patchwork from an aerial perspective. These fragments are each an own ecosystem with conditions and properties that differ from their adjacent fragments. As open systems, they are in exchange of information, matter and energy across their boundaries. These boundary areas are called transition zones. Here, the habitat properties and environmental conditions are altered compared to the interior of the fragments. This changes the abundance and the composition of species in the transition zones, which in turn has a feedback effect on the environmental conditions. The literature mainly offers information and insights on species abundance and composition in forested transition zones. Abiotic effects, the gradual changes in energy and matter, received less attention. In addition, little is known about non-forested transition zones. For example, the effects on agricultural yield in transition zones of an altered microclimate, matter dynamics or different light regimes are hardly researched or understood. The processes in transition zones are closely connected with altered provisioning and regulating ecosystem services. To disentangle the mechanisms and to upscale the effects, models can be used. My thesis provides insights into these topics: literature was reviewed and a conceptual framework for the quantitative description of gradients of matter and energy in transition zones was introduced. The results of measurements of environmental gradients like microclimate, aboveground biomass and soil carbon and nitrogen content are presented that span from within the forest into arable land. Both the measurements and the literature review could not validate a transition zone of 100 m for abiotic effects. Although this value is often reported and used in the literature, it is likely to be smaller. Further, the measurements suggest that on the one hand trees in transition zones are smaller compared to those in the interior of the fragments, while on the other hand less biomass was measured in the arable lands’ transition zone. These results support the hypothesis that less carbon is stored in the aboveground biomass in transition zones. The soil at the edge (zero line) between adjacent forest and arable land contains more nitrogen and carbon content compared to the interior of the fragments. One-year measurements in the transition zone also provided evidence that microclimate is different compared to the fragments’ interior. To predict the possible yield decreases that transition zones might cause, a modelling approach was developed. Using a small virtual landscape, I modelled the effect of a forest fragment shading the adjacent arable land and the effects of this on yield using the MONICA crop growth model. In the transition zone yield was less compared to the interior due to shading. The results of the simulations were upscaled to the landscape level and exemplarily calculated for the arable land of a whole region in Brandenburg, Germany. The major findings of my thesis are: (1) Transition zones are likely to be much smaller than assumed in the scientific literature; (2) transition zones aren’t solely a phenomenon of forested ecosystems, but significantly extend into arable land as well; (3) empirical and modelling results show that transition zones encompass biotic and abiotic changes that are likely to be important to a variety of agricultural landscape ecosystem services.…
• Seit Jahrtausenden werden Landschaften weltweit maßgeblich durch den Menschen gestaltet. Insbesondere die Landwirtschaft hat durch Fragmentierung, der teilweisen Umwandlung natürlicher Lebensräume in landwirtschaftlich genutzte Flächen, großen Einfluss, so dass Agrarlandschaften entstanden. Diese zeichnen sich durch einen Wechsel von agrarischer und anderer Nutzung, wie beispielsweise Forst, aus. Hinzu kommen Flächen, die auf eine natürliche Entstehung zurückzuführen sind, wie etwa Kleingewässer. Kleinere und größere Flächen der unterschiedlichen Nutzung liegen als Flicken bzw. Fragmente nebeneinander. Durch die physische Differenzierbarkeit der Flächennutzung aus der Vogelperspektive werden Agrarlandschaften oft auch als Flickwerk (“Patchwork”) bezeichnet. Diese Fragmente sind Ökosysteme, die sich in ihren Eigenschaften voneinander unterscheiden. Die Fragmente als Ökosysteme sind offene und komplexe Systeme und stehen im Austausch mit angrenzenden Fragmenten. Die Bereiche, in denen der Austausch von Stoffen, Energie undSeit Jahrtausenden werden Landschaften weltweit maßgeblich durch den Menschen gestaltet. Insbesondere die Landwirtschaft hat durch Fragmentierung, der teilweisen Umwandlung natürlicher Lebensräume in landwirtschaftlich genutzte Flächen, großen Einfluss, so dass Agrarlandschaften entstanden. Diese zeichnen sich durch einen Wechsel von agrarischer und anderer Nutzung, wie beispielsweise Forst, aus. Hinzu kommen Flächen, die auf eine natürliche Entstehung zurückzuführen sind, wie etwa Kleingewässer. Kleinere und größere Flächen der unterschiedlichen Nutzung liegen als Flicken bzw. Fragmente nebeneinander. Durch die physische Differenzierbarkeit der Flächennutzung aus der Vogelperspektive werden Agrarlandschaften oft auch als Flickwerk (“Patchwork”) bezeichnet. Diese Fragmente sind Ökosysteme, die sich in ihren Eigenschaften voneinander unterscheiden. Die Fragmente als Ökosysteme sind offene und komplexe Systeme und stehen im Austausch mit angrenzenden Fragmenten. Die Bereiche, in denen der Austausch von Stoffen, Energie und Informationen stattfindet, sind deren Übergangszonen. Durch den Austausch verändern sich die vorherrschenden Eigenschaften der jeweils angrenzenden Fragmente in den Übergangszonen. Stoffflüsse beeinflussen dabei die in den Übergangszonen lebenden Organismen und können die Artenzusammensetzung und Population verändern. Gleichwohl hat dies Rückkopplungseffekte auf die Flüsse von Stoffen, Informationen und Energie selbst. In der Forschung ist bereits viel über die Auswirkungen auf Organismen in den Übergangszonen bekannt, insbesondere für bewaldete Gebiete. Weniger beforscht sind abiotische Effekte, insbesondere die graduellen Veränderungen von Stoffen und Energie in der Übergangszone. Diese sind jedoch eng verwoben in die Prozesse, die zu regulierenden und bereitstellenden Ökosystemleistungen wie beispielsweise landwirtschaftlichen Erträgen oder Kohlenstoffspeicherung beitragen. Darüber hinaus gibt es wenig Forschung zu den Übergangszonen von nicht-bewaldeten Übergangszonen, wie etwa Äckern. In der vorliegenden Arbeit präsentiere ich die Ergebnisse einer Literaturrecherche und einen Ansatz zur quantitativen Beschreibung von Stoff- und Energieflüssen in Übergangszonen. Darüber hinaus analysiere ich Messungen eben jener abiotischen Effekte in Übergangszonen. Sowohl die Messungen als auch die Auswertung der Literatur ergab, dass viele Autoren die Übergangszone in Bezug auf Umweltgradienten und deren Einfluss auf Ökosystemleistungen mit 100 m überschätzen. Sie ist oft kleiner. Die Messungen ergaben außerdem, dass Bäume in der Übergangszone kleiner sind und dadurch vermutlich weniger Kohlenstoff speichern als vergleichbare Bäume im Inneren dieser Fragmente. An Wald angrenzende Ackerkulturen zeigen ebenfalls einen geringeren Aufwuchs an Biomasse. Im Boden genau an der Grenze zwischen Wald- und Ackerfragmenten waren sowohl Stickstoff als auch Kohlenstoff erhöht. Einjährige Messungen in Brandenburg ergaben, dass das Mikroklima in der Übergangszone im Vergleich zum Inneren der Fragmente ebenfalls verändert war. Um genauer zu verstehen, was die Ertragsminderung in der ackerbaulichen Übergangszone induziert, wurde ein Modellierungsansatz entwickelt. Die Beschattung durch einen virtuellen Wald wurde im agrarischen Simulationsmodell MONICA als Variable benutzt, um eine potentielle Ertragsminderung zu simulieren. Ein Minderertrag in der Übergangszone konnte auf diese Weise nachgewiesen und mit einer verminderten Solarstrahlung in Verbindung gebracht werden. Die simulierten Ergebnisse wurden anschließend für die Beispielregion Brandenburg für die gesamte landwirtschaftlich genutzte Fläche skaliert. Insbesondere in drei Punkten trägt diese Arbeit zum wissenschaftlichen Fortschritt bei: 1) Übergangszonen sind sehr wahrscheinlich kleiner als bislang in der wissenschaftlichen Literatur angenommen; 2) Übergangszonen sollten ganzheitlich, über die Grenze zwischen Wald und Feld hinweg betrachtet werden; 3) Messungen und Modellierung zeigen einen Zusammenhang zwischen Mikroklima, Stoffdynamik und Ökosystemleistungen in Übergangszonen von Agrarlandschaften.…