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Ausgewählte Veröffentlichungen

Flowchart of a structured search for suitable optimization methods

A review of multi-criteria optimization techniques for agricultural land use allocation.

Kaim, A., Cord, A.F., Volk, M. (2018). Environ. Modell. Softw. 105, 79-93

DOI: 10.1016/j.envsoft.2018.03.031

The paper reviews optimization techniques for multi-criteria land use allocation problems with a focus on agricultural landscapes. The review also addresses constraint handling, stakeholder integration and trade-off analysis. Furthermore, a structured guideline for selecting appropriate optimization methods is proposed.
Overview of the four-step regression analysis in the study

Revealing preferences for urban green spaces: a scale-sensitive hedonic pricing analysis for the city of Leipzig.

Liebelt, V., Bartke, S., Schwarz, N., (2018). Ecol. Econ. 146 , 536 – 548

DOI: 10.1016/j.ecolecon.2017.12.006

The value of urban green spaces (UGS) is recognized as an important issue for real estate developers as much as for urban planners, since UGS influence housing prices and the attractiveness of locations and neighborhoods. Decisions related to UGS are made on different spatial scales, which have not yet been distinguished in hedonic studies. The purpose of this paper is to investigate the scale dependency of UGS values based on revealed preferences. We propose to apply a stepwise scale-sensitive hedonic pricing analysis to residential rental units in Leipzig, Germany

Optimizing the allocation of agri-environment measures to navigate the trade-offs between ecosystem services, biodiversity and agricultural production    .

Verhagen, W., van der Zanden, E.H., Strauch, M., van Teeffelen, A.J.A., Verburg, P.H., (2018). Environ. Sci. Policy 84 , 186 - 196

DOI: 10.1016/j.envsci.2018.03.013

For the intensively-used Kromme Rijn area in the Netherlands, we optimized the allocation of agri-environment measures (linear elements, organic farming and set-aside) with regard to four objectives: (1) pasture production, (2) orchard production, (3) habitat suitability for the Great Crested Newt and (4) landscape aesthetics. The study illustrates trade-offs among the objectives but also reveals a remarkable potential for improving each of the different objectives at the same time and identifies priority areas for implementing agri-environment measures. This is the first application of CoMOLA , a tool for Constrained Multi-objective Optimization of Land use Allocation developed at our department.
The four major research objectives of studies on ES relationships.

Towards systematic analyses of ecosystem service trade-offs and synergies: main concepts, methods and the road ahead.

Cord, A., B. Bartkowski, M. Beckmann, A. Dittrich, K. Hermans, A. Kaim, N. Lienhoop, K. Locher-Krause, J. Priess, C. Schröter-Schlaack, N. Schwarz, R. Seppelt, M. Strauch, T. Vaclavik & M. Volk (2017). Ecosystem Services.

DOI: 10.1016/j.ecoser.2017.07.012

This paper emerged from a series of monthly meetings (“Journal Club”, held between June 2015 and March 2016) among 15 colleagues from the departments CLE and OEKON and tells you most of the things that you might want to know about ecosystem services relationships. By synthesizing the growing body of literature on this topic, we identify four main study objectives of such analyses, describe the key concepts, including viewpoints of different disciplines, and highlight the major challenges that need to be addressed. To help guiding researchers towards more systematic analyses of ES trade-offs and synergies, we conclude with an outlook on suggested future research priorities.
Study area location in South America

Spatio-temporal change of ecosystem services as a key to understand natural resource utilization in Southern Chile. Regional Environmental Change.

Locher-Krause, K.E., S. Lautenbach & M. Volk (2017). Regional Environmental Change.

DOI: 10.1007/s10113-017-1180-y

This study quantifies six ecosystem services linked to forest ecosystems over six temporal periods in Southern Chile. Our results show a high spatial and temporal variability of ecosystem service supply in the three main geomorphological units. A strong increase of plantation production (Coastal Range and Central Valley) as well as of forest recreation services over time (Coastal and Andes ranges) was observed. Our recommendations for landscape management are (i) an increase of buffer strips to reduce diffuse emissions into the rivers and to enhance ecological connectivity, (ii) an increase of protected areas in the Central Valley, and (iii) a rethinking of the role of exotic forest plantations.
Conceptual Flow Paths of Water between the Most Important Spatial Objects in SWAT+. AQU, aquifer; CHA, channel; HRU, hydrologic response unit; LSU, landscape unit; PND, pond; RES, reservoir; LAT, lateral flow; OVB, overbank flow; RHG, recharge; SUR, surface runoff; TOT, total flow.

Introduction to SWAT+, a completely restructured version of the Soil and Water Assessment Tool.

Bieger, K., J.G. Arnold, H. Rathjens, M.J. White, D.D. Bosch, P.M. Allen, M. Volk & R. Srinivasan (2017). Journal of the American Water Resources Association 53(1).

DOI: 10.1111/1752-1688.12482

This paper presents SWAT+, a completely restructured version of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). It is expected to improve code development and maintenance; support data availability, analysis, and visualization; and enhance the model’s capabilities in terms of the spatial representation of elements and processes within watersheds. The most important change is the implementation of landscape units and flow and pollutant routing across the landscape. Also, SWAT+ offers more flexibility than SWAT in defining management schedules, routing constituents, and connecting managed flow systems to the natural stream network. The restructured model version was applied to the Little River Experimental Watershed (Georgia).
Location and current land cover in the Mulde watershed in Saxony (Germany) overlaid with the soli-climate regions and the soil texture zones used by the LPJ-GUESS model. The map shows in addition the location of the Free State of Saxony in central Europe as well as the names of the most important urban areas

Trade-offs between plant species richness and carbon storage in the context of afforestation – Examples from afforestation scenarios in the Mulde Basin, Germany.

Lautenbach, S., A. Jungandreas, J. Blanke, V. Lehsten, S. Mühlner, I. Kühn & M. Volk (2017). Ecological Indicators 73: 139-155.

DOI: 10.1016/j.ecolind.2016.09.035

This study investigates possible trade-offs between carbon storage and plant biodiversity caused by afforestation in Saxony. Six afforestation scenarios with total forest cover ranging from 27.7% to 46% were generated in the Mulde river basin in Saxony with regard to different forest types. While afforestation had overall positive effects both on plant species richness and carbon storage, a number of locations were identified for which afforestation would lead to a decrease in plant species richness. Spatial planning should therefore avoid afforestation at these locations.
NDVI time series derived from the hyperspectral sensor system, multispectral sensor system, MODIS Aqua and Terra, as well as Sentinel-2A processed with ATCOR 2/3.

Validating MODIS and Sentinel-2 NDVI Products at a Temperate Deciduous Forest Site Using Two Independent Ground-Based

Lange, M., Dechant B., Rebmann, C., Vohland, M., Cuntz, M., Doktor, D. (2017). Sensors.

DOI: 10.3390/s17081855

A validation site for Sentinel-2 satellite products was established in central Germany. Automatic multispectral and hyperspectral sensor systems were installed in parallel with an existing eddy covariance flux tower, providing spectral information of the vegetation present at high temporal resolution. Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) values from ground-based hyperspectral and multispectral sensors were compared with NDVI products derived from Sentinel-2A and Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). High correlations and similar phenological patterns between in situ and satellite-based NDVI time series demonstrated the reliability of satellite-based phenological metrics. Sentinel-2-derived metrics showed better agreement with in situ measurements than MODIS-derived metrics. Dynamic filtering with the best index slope extraction algorithm was nevertheless beneficial for Sentinel-2 NDVI time series despite the availability of quality information from the atmospheric correction procedure.
outdoor recreation

Priorities to advance monitoring of ecosystem services using Earth observation.

Cord, A.F., Brauman, K.A., Chaplin-Kramer, R., Huth, A., Ziv, G., Seppelt, R. (2017): Trends Ecol. Evol.

DOI: 10.1016/j.tree.2017.03.003

In this opinion article, we introduce a novel framework showing how Earth observation together with socioeconomic information and model-based analysis can support assessments of ecosystem service supply, demand, and benefit. The paper also proposes five priorities to advance the capabilities of Earth observation-based monitoring of ecosystem services (e.g., in the context of the SDGs).

PLS coefficients spectra for the VNIR model (left column) and the VNIR part of the full range model (right column).

Estimation of photosynthesis traits from leaf reflectance spectra: correlation to nitrogen content as the dominant mechanism.

Dechant, B., Cuntz, M., Vohland, M., Schulz, E., Doktor, D. (2017): Remote Sens. Environ.

DOI: 10.1016/j.rse.2017.05.019

We tested the performance of estimating two important photosynthesis traits, the maximum carboxylation capacity and the maximum electron transport rate, from in-situ leaf reflectance spectra. Approaches used that are applicable on larger spatial scales and showed that both parameters can be estimated from leaf reflectance measurements with good accuracy even for a large number of tree species and varying light environments. Detailed analysis with regard to prediction performances led to the conclusion that the correlation to Nitrogen content per area was the dominating mechanism on which models based.
Spatial distribution and persistence of land cover changes over the whole study periods (1985–2011).

Expanding temporal resolution in landscape transformations: Insights from a landsat-based case study in Southern Chile.

Locher-Krause, K.E., Volk, M., Waske, B., Thonfeld, F., Lautenbach, S. (2017): Ecol. Indic.

DOI: 10.1016/j.ecolind.2016.12.036

Understanding temporal and spatial dimensions of land cover dynamics is a critical factor to link ecosystem transformation to land and environmental management. Our analysis underlines the importance of expanding temporal resolution in land cover/use change studies to guide sustainable ecosystem management strategies as increase landscape connectivity and integrate landscape planning to economic activities.

The foundation of the conceptual framework

Harmonizing Biodiversity Conservation and Productivity in the Context of Increasing Demands on Landscapes.

Seppelt R, Beckmann M, Ceauşu S, et al (2016): BioScience.

DOI: 10.1093/biosci/biw004

Biodiversitätsschutz und landwirtschaftliche Produktion werden oft als gegenseitig Ziele gesehen. Wir argumentieren, dass die Harmonisierung zwischen Erhaltung der biologischen Vielfalt und der Pflanzenproduktion verbessert werden kann und stellen dafür einen allgemeinen konzeptionellen Rahmen vor.
Index of natural potentials for the expansion of cropland

Addressing future trade-offs between biodiversity and cropland expansion to improve food security.

Delzeit, R., Zabel, F., Meyer, C., Václavík, T. (2016): Reg. Envir. Chang.

DOI: 10.1007/s10113-016-0927-1

This study addresses trade‐offs between providing sufficient food in the future and sustaining biodiversity by investigating (1) how global expansion of cropland might affect food production and prices, (2) where environmental conditions favor cropland expansion under changing climate, and (3) whether potential conversion to cropland would affect areas of high biodiversity or conservation importance.

Work flow of the analyses

Mapping pollination typeswith remote sensing.

Feilhauer, H., Doktor, D., Schmidtlein, S., Skidmore, A. K., (2016): J. Veg.Sci.

DOI: 10.1111/jvs.12421

Bestäubung eine ist eine ökosystemare Dienstleistung, die auch auf lokaler räumlicher Skala variiert. Für ein besseres Verständnis der entsprechenden ökosystemaren Funktionen bietet sich eine Quantifizierung und räumliche Abbildung der Bestäubungstypen an. Hierfür wurde eine Stichprobe der Artenzusammensetzung von Gefäßpflanzen (100 Plots) sowie fernerkundliche hyperspektrale Befliegungsdaten erhoben und Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt. Bestäubungstypen und optische Eigenschaften (LAI, Trockenmasse) waren bis zu R2=0,813 korreliert; die räumliche Verteilung der Bestäubungstypen konnte statistisch mit einem RSME von < 10,5% modelliert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass Bestäubungstypen in der Tat in einer Beziehung zu Kronendachreflektanzen stehen, die eine räumliche Abbildung mit Fernerkundungsdaten erlaubt. Die Übertragbarkeit auf andere Ökosysteme muss aber noch getestet werden.
Potential distribution and connectivity of the sand lizard (Lacerta agilis) in the city of Cologne.

Coupling Satellite Data with Species Distribution and Connectivity Models as a Tool for Environmental Management and Planning in Matrix-Sensitive Species.

Rödder, D., Nekum, S., Cord, A.F. & Engler, J.O. (2016): Environmental Management.

DOI: 10.1007/s00267-016-0698-y

Während anthropogene Habitatfragmentierung bei vielen Arten zunehmend die Konnektivität zwischen Populationen stört, werden kleinräumige Habitate, die als potenzielle verknüpfende Korridore dienen könnten, im Allgemeinen bei der Umweltplanung nicht ausreichend berücksichtigt. In dieser Studie verwenden wir aus multispektralen Satellitendaten abgeleitete feinskalige potentielle Konnektivitätsmodelle (PCMs) zur Quantifizierung von räumlich expliziten Lebensraumkorridoren für Matrix-sensitive Arten. Als Fallstudie dienen uns Populationen der Zauneidechse (Lacerta agilis L.) im Großraum Köln.
Study area with localities of geocaches and aggregated land cover data from the Urban Atlas project

Geocaching data as an indicator for recreational ecosystem services in urban areas: exploring spatial gradients, preferences and motivations.

A.F. Cord, F. Roeßiger, N. Schwarz (2015): Landscape and Urban Planning.

DOI: 10.1016/j.landurbplan.2015.08.015

Diese Studie beschäftigt sich mit der weltweit verbreiteten Outdoor-Aktivität ‘Geocaching’ (, bei der die Teilnehmer mit Hilfe von GPS-fähigen Geräten versteckte Container aufspüren. In unserer Analyse konzentrierten wir uns auf die Region Leipzig und analysierten die Lagekoordinaten von Geocaches in Kombination mit einer Online-Umfrage unter den aktiven Mitgliedern dieser Community. Es zeigte sich, dass – während Geocacher ganz unterschiedliche Motivationen für die Ausübung dieses Hobbies haben – Geocachingdaten im urbanen Raum tatsächlich als Indikator für Ökosystemdienstleistungen dienen können, da Grünflächen und das Erleben von Natur eine wichtige Rolle spielen.

Assessing ecosystem services for informing land-use decisions: a problem-oriented approach.

Förster, J., J. Barkmann, R. Fricke, S. Hotes, M. Kleyer, S. Kobbe, D. Kübler, C. Rumbaur, M. Siegmund-Schultze, R. Seppelt, J. Settele, J. Spangenberg, V. Tekken, T. Václavík, H. Wittmer (2015): Ecology & Society

DOI: 10.5751/ES-07804-200331

Das GLUES-Team hat Erfahrungen für eine anwenderorientierte Erfassungen von Ökosystemleistungen publiziert. Zusammen mit den Projekten SuLaMa, LEGATO, INNOVATE, und SuMaRiO, ist die Publikation im Rahmen einer Special Issue des unter Future Earth angesiedelten Programme on Ecosystem Change and Society (PECS) erschienen.

Cover Journal of Applied Ecology

Effects of land use on plant diversity – A global meta-analysis

K. Gerstner, C. F. Dormann, A. Stein, A. Manceur, R. Seppelt (2014): Journal of Applied Ecology.

DOI: 10.1111/1365-2664.12329

Pflanzendiversität ist global gefährdet durch Landnutzung, jedoch auf lokaler bis regionaler Skala sind Studienergebnisse nicht eindeutig. Unsere Meta-Analyse zu Landnutzungseffekten auf Pflanzenreichtum zeigt, dass direkte und indirekte Effekte von Landnutzung sehr unterschiedlich sind u. zu lokalem Verlust u. sogar Anstieg führen können. Wir fanden wichtige Kovariablen zu spezifischen Landnutzungsklassen u., dass Landnutzungseffekte generell zw. Biomen differieren, was auf einen Zusammenhang mi.der Größe des Artenpools hinweist.
Cover: Methods in Ecology and Evolution

Separating the effects of changes in land cover and climate: a hydro-meteorological analysis of the past 60 yr in Saxony, Germany.

Renner, M., K. Brust, K. Schwärzel, M. Volk & C. Bernhofer (2014): Hydrology and Earth System Sciences.

DOI: 10.5194/hess-18-389-2014

Die Ergebnisse der auf einem Budyko-Verfahren basierenden Studie zeigen deutliche Effekte der Klimaerwärmung auf die Gebietsverdunstung und den Wasserhaushalt in ganz Sachsen. Hauptursache für Änderungen des Wasserhaushalts war allerdings die industrielle Luftverschmutzung. So konnte für die Kammlagen der Mittelgebirge das durch Luftverschmutzung hervorgerufene Waldsterben als entscheidender Faktor erkannt werden.
Typical strip-pattern of cultivated and fallowed fields; note the erosion marks on the fallows

Impacts of agricultural land-use dynamics on erosion risks and options for land and water management in Northern Mongolia.

J. A. Priess, C. Schweitzer, O. Batkhishig, T. Koschitzki, D. Wurbs (2014): Environ Earth Sci.

DOI: 10.1007/s12665-014-3380-9

Nomadische Viehwirtschaft wird in der Mongolei seit über einem Jahrtausend erfolgreich betrieben. Für die gegenwärtige Landnutzung wurden jedoch Erosionsrisiken von 2–4 Mg ha-1 Jahr-1 für beweidete Steppe und 4–9 Mg ha-1 Jahr-1 für Ackerflächen berechnet. Szenarienrechnungen ergaben zusätzliche Herausforderungen für Wasser- und Bodenmanagement durch bis zu 30 prozentige Abnahme aber vor allem durch bis zu 7-fache Zunahme der Erosionsrisiken für die nächsten Jahre, verursacht durch Landnutzungs- und Klimawandel.

glUV: a global UV-B radiation data set for macroecological studies.

Beckmann, M., Václavík, T., Manceur, A. M., Šprtová, L., von Wehrden, H., Welk, E., Cord, A. F. (2014): Methods in Ecology and Evolution.
DOI: 10.1111/2041-210X.12168

Welchen Einfluss Temperatur und Niederschläge auf die globale Verteilung von Tier- und Pflanzenarten haben, steht im Fokus vieler Forschungsvorhaben. Eine andere wichtige Komponente der Klimaforschung wird dagegen oft vernachlässigt: Die UV-B-Strahlung. Landschaftsökologen des UFZ haben Daten der Weltraumbehörde NASA zur UV-B-Belastung so aufbereitet, dass sie zur Erforschung des Einflusses von UV-B-Strahlung auf Organismen genutzt werden können. Der Datensatz (global UV-B dataset for macroecology: glUV) steht zum Download unter zur Verfügung.

Accounting for geographical variation in species–area relationships improves the prediction of plant species richness at the global scale.

Gerstner, K., Dormann, C.F., Václavík, T., Kreft, H., Seppelt, R., (2013): Journal of Biogeography.

DOI: 10.1111/jbi.12213

Art-Areal Beziehungen werden oft angewandt, um Artenreichtum auf einer gegebenen Fläche vorherzusagen und abzuschätzen, wieviel Arten durch Habitatverlust verloren gehen. Eine bedeutende Rolle hat die Funktion, die diese Beziehung beschreibt. Viele Wissenschaftler nehmen jedoch an, dass die Beziehung weltweit durch eine einzige Funktion beschrieben werden kann. Wir zeigen, dass Art-Areal Beziehungen besser regional als global parametrisiert werden.

Mapping global land system archetypes.

Václavík, T., Lautenbach, S., Kuemmerle, T., Seppelt, R. (2013): Global Environmental Change.

DOI: 10.1016/j.gloenvcha.2013.09.004

Mapping global land system archetypes provides a new representation of global land systems based on more than 30 high-resolution datasets on land-use intensity, environmental conditions and socioeconomic indicators. This approach advances our under-standing of the global patterns of human-environment interactions and of the environmental and social conditions associated with different types of land use.


Identifying trade-offs between ecosystem services, land use, and biodiversity: a plea for combining scenario analysis and optimization on different spatial scales

Seppelt, R., Lautenbach, S., Volk, M., (2013): Current Opinion in Environmental Sustainability.

DOI: 10.1016/j.cosust.2013.05.002

Dies ist eine kurze und pointierte Zusammenstellung der Anwendungen von Optimierungsalgorithmen zur Quatifizierung von Landnutzungs-trade-offs in multifuktionalen Landschaften. Konzepte für die Zusammenführung von Szenarien Analysen und Optimierung werden vorgestellt und für regionale aber auch globale Anwendungen diskutiert.

The impact of Best Management Practices on simulated streamflow and sediment load in a Central Brazilian catchment:

Strauch, M., Lima, J.E.F.W. , Volk, M., Lorz, C., Makeschin, F., (2013): J. Environ. Manage.

DOI: 10.1016/j.jenvman.2013.01.014

In ausgewählten Flusseinzugsgebieten Brasiliens werden Agrarumweltmaßnahmen (z.B. Terrasen und Sedimentrückhaltebecken) durch 'Payments for Environmental Services' gefördert. Die Studie quantifiziert anhand von prozessbasierten Szenario-simulationen die (Kosten-)Effektivität solcher Maßnahmen bezüglich Sedimentrückhalt und Abflussdargebot.
Global map of pollination benefits

A new multi-scale approach for monitoring vegetation using remote sensing-based indicators in laboratory, field and landscape

Lausch, A. et al. (2012) Environmental Monitoring and Assessment.

DOI: 10.1007//s10661-012-2627-8

Fernerkundung ist ein wichtiges Tool zur Untersuchung von Mustern auf unterschiedlichen raum-zeitlichen Skalen. Unterschiedliche räumliche, spektrale und zeitliche Auflösungen von Fernerkundungsdaten als auch differenzierte sensorspezifische Aufnahmecharakteristika von Fernerkundungssensoren erschweren eine vergleichende Analyse sowie effektive Untersuchungen zum Up- und Downscaling von Daten und Prozessuntersuchungen. Das Paper präsentiert ein neues methodisches Framework zur Kombination von hyperspektralen Fernerkundungsdaten auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen unter Nutzung des “One Sensor at Different Scales” (OSADIS) Ansatzes für die Plot- Lokale und Regionale Skalenebene.
Global map of pollination benefits

Spatial and temporal trends of global pollination benefit

Lautenbach, S. et al. (2012) PlosONE e35954.

DOI: 10.1371/journal.pone.0035954

Basierend auf global hoch aufgelösten Daten der Landnutzung und Zeitreihen für Anbaumengen und Produzentenpreise bestäuberabhängiger Kulturen konnte eine Zunahme der Bestäuberleistung aufgezeigt werden und räumliche Hotspots identifiziert werden.
Map of analysed cities with thermal climatic zones by the FAO

Exploring indicators for quantifying surface urban heat islands of European cities with MODIS land surface temperatures

Schwarz, N. et al. (2011) Remote Sensing of Environment, 115, 3175-3186.

DOI: 10.1016/j.rse.2011.07.003

Diese erste europaweite Analyse von Fernerkundungsdaten zur Identifizierung von urbanen Hitzelinseln von 263 Städten zeigte zum einen, wie klassische Indikatoren zur Bestimmung von Hitzeinseln eingesetzt werden können. Zum anderen wurde geschlussfolgert, dass zur Sicherstellung der Vergleichbarkeit von Städten parallel mehrere Indikatoren für urbane Hitzeinseln verwendet werden sollten.
Methodology flowchart

Using precipitation data ensemble for uncertainty analysis in SWAT streamflow simulation

Strauch, M., Bernhofer, C., Koide, S., Volk, M., Lorz, C., Makeschin, F. (2012) Journal of Hydrology 414-415, 413-424.

DOI: 10.1016/j.jhydrol.2011.11.014

Die Studie zeigt, dass Ensemble-Modellierung mit multiplen Niederschlagseingangsdaten die Aussagewahrscheinlichkeit von hydrologischen Simulationsergebnissen insbesondere in Gebieten mit geringer Datenverfügbarkeit beträchtlich erhöhen kann.