This thesis was motivated by the need to advance the knowledge on the variability and dynamics of energy fluxes in lakes and reservoirs, as well as about the physical processes that regulate the fluxes at both the air and water side of the air-water interface. In the first part, I re-examine how mechanical energy, resulting from its major source – the vertical wind energy flux - distributes into the various types of water motions, including turbulent flows and surface and internal waves. Although only a small fraction of the wind energy flux from the atmosphere is transferred to the water, it is crucial for physical, biogeochemical and ecological processes in lentic ecosystems. Based on extensive air- and water-side measurements collected at two small water bodies (< 10 km2), we estimated the energy fluxes and energy content in surface and in internal waves. Overall, the estimated energy fluxes and energy content agree well with results reported for larger water bodies, suggesting that the energetics driving the water motions in enclosed basins is similar, independently of the basin size. Our findings highlight the importance of the surface waves that receive the largest fraction of the wind energy flux, which strongly nonlinearly increases for wind speeds exceeding 3 m s-1. We found that the existing parameterization of the wave height as a function of wind speed and fetch length did not reproduce the measured wave amplitude in lakes. On average, the highest energy content was observed in basin-scale internal waves, together with high-frequency internal waves exhibiting seasonal variability and varies among the aquatic systems. During our analysis, we discovered the diurnal variability of the energy dissipation rates in the studied lake, suggesting biogenic turbulence generation, which appears to be a widespread phenomenon in lakes and reservoirs. In the second part of the thesis, I addressed current knowledge gaps related to the bulk transfer coefficients (also known as the drag coefficient, the Stanton number and the Dalton number), which are of a particular importance for the bulk estimation of the surface turbulent fluxes of momentum, sensible and latent heat in the atmospheric boundary layer. Their inaccurate representation may lead to significant errors in flux estimates, affecting, for example, the weather and climate predictions or estimations of the near-surface current velocities in lake hydrodynamic models. Although the bulk transfer coefficients have been extensively studied over the past several decades (mainly in marine and large-lake environments), there has been no systematic analysis of measurements obtained at lakes of different size. A significant increase of the transfer coefficients at low wind speeds (< 3 m s-1) has been observed in several studies, but, to date, it has remained unexplained. We evaluated the bulk transfer coefficients using flux measurements from 31 lakes and reservoirs. The estimates were generally within the range reported in previous studies for large lakes and oceans. All transfer coefficients increased substantially at low wind speeds, which was found to be associated with the presence of gusts and capillary waves (except the Dalton number). We found that the Stanton number is systematically higher than the Dalton number. This challenges the assumption made in the Bowen-ratio method, which is widely used for estimating evaporation rates from micrometeorological measurements. We found that the variability of the transfer coefficients among the lakes could be associated with lake surface area. In flux parameterizations at lake surfaces, it is recommended to consider variations in the drag coefficient and the Stanton number due to wind gustiness and capillary wave roughness while the Dalton number could be considered as constant at all wind speeds. In the third part of the thesis, I address the key drivers of the near-surface turbulence that control the gas exchange in a large regulated river. As all inland waters, rivers are an important natural source of greenhouse gases. The effects of the widespread alteration and regulation of river flow for human demands on gas exchange is largely unknown. In particular, the near-surface turbulence in regulated rivers has been rarely measured and its drivers have not been identified. While in lakes and reservoirs, near-surface turbulence is mainly related to atmospheric forcing, in shallow rivers and streams it is generated by bottom friction of the gravity-forced flow. The studied large regulated river represents a transition between these two cases. Atmospheric forcing and gravity were the dominant drivers of the near-surface turbulence for a similar fraction of the measurement period. Based on validated scalings, we derived a simple model for estimating the relative contributions of wind and bottom friction to near-surface turbulence in lotic ecosystems with different flow depths. Large diel variability in the near-surface energy dissipation rates due to flow regulation leads to the same variability in gas exchange. This suggests that estimates of gas fluxes from rivers are biased by measurements performed predominantly during daytime. In addition, the novelty in all the analyses described above is the use of the turbulent surface fluxes measured directly by the eddy-covariance technique – at the moment of writing, the most advanced method. Overall, this thesis is of a potential interest for a broad range of scientific disciplines, including limnology, micrometeorology and open channel hydraulics.

The growing numbers of breeding rooks (Corvus frugilegus) in the city of Landau (Rhineland- Palatinate, Germany) increase the potential for conflict between rooks and humans, which is mainly associated with noise and faeces. Therefore, the aim of this work is a better understanding of the breeding tree selection of the rook in order to develop options for action and management in the future. Part I of this thesis provides general background information on the rook and includes mapping of the rookeries in the Anterior Palatinate and South Palatinate including Landau in the year 2020. That mapping revealed that the number of rural colonies has decreased, while the number of urban colonies has increased in the study area in the last few years. In line with current literature, tree species and tree size were important criteria for breeding tree selection. However, the mapping showed that additional factors must be important as well. Therefore, as rooks seem to often breed along traffic axes, Part II of this thesis examines how temperature, artificial light and noise, which are all linked to traffic axes, affect the breeding tree selection of the rook in the city of Landau. The following three hypotheses are developed: (1) manually selected breeding trees (Bm) have a warmer microclimate than manually selected non-breeding trees (Nm) or randomly selected non-breeding trees (Nr), (2) Bm are exposed to a higher light level than Nm or Nr and (3) Bm are exposed to a higher noise level than Nm or Nr. To test these hypotheses, 15 Bm, 13 Nm and 16 Nr are investigated. The results show that Bm were exposed to more noise than both types of non-breeding trees (μBm, noise = 36.52481 dB, μNm, noise = 31.27229 dB, μNr, noise = 29.17417 dB) where the difference between Bm and Nr was significant. In addition, there was a tendency for Bm to be exposed to less light (μBm, light = 0.356 lx) than Nm (μNm, light = 0.4107692 lx) and significantly less light than Nr (μNr, light = 1.995 lx), while temperature did not differ between the groups (μBm, temp = 16.90549 °C, μNm, temp = 16.93118 °C, μNr, temp = 17.28639 °C). This study shows for the first time that rooks prefer trees which are exposed to low light levels and high noise levels, i.e. more intense traffic noise, for breeding. It can only be speculated that the cause of this is lower enemy pressure at such sites. The fact that temperature does not seem to have any influence on breeding tree selection may be due to only small temperature differences at nest height, which might be compensated by breeding behaviour. Consequently, in the long term one management approach could be to divert traffic from inner-city areas, especially schools and hospitals, to bypasses. If tree genera suitable for rooks, such as plane trees, are planted along the bypasses, those sites could provide suitable alternative habitats to inner-city breeding locations, which become less attractive for breeding due to noise reduction. In the short term in addition to locally implemented repellent measures the most effective approach is to strengthen rook acceptance among the population. However, further research is needed to verify the results of this thesis and to gain further insights into rook breeding site selection in order to develop effective management measures.

Die Biodiversität von Vertebraten nimmt weltweit rapide ab, wobei Amphibien die am stärksten gefährdete Wirbeltiergruppe darstellen. In der EU sind 21 von 89 Amphibienarten bedroht. Die intensiv genutzte europäische Agrarlandschaft ist eine der Hauptursachen für diese Rückgänge. Da die Agrarlandschaft einen bedeutenden Lebensraum für Amphibien darstellt, kann die Exposition zu Pestiziden negative Auswirkungen auf Amphibienpopulationen haben. Derzeit erfordert die europäischen Risikobewertung von Pestiziden für Vertebraten spezifische Ansätze für Fische hinsichtlich der aquatischen Vertebratentoxizität und für Vögel sowie Säugetiere in Bezug auf die terrestrische Vertebratentoxizität. Die besonderen Eigenschaften von Amphibien werden jedoch nicht berücksichtigt. Daher war das übergeordnete Ziel dieser Arbeit, die ökotoxikologischen Effekte von Pestiziden auf mitteleuropäische Froschlurche zu untersuchen. Dazu wurden Effekte auf aquatische und terrestrische Amphibienstadien sowie auf deren Reproduktion untersucht. Anschließend wurden in dieser Arbeit in Erwartung einer Risikobewertung von Pestiziden für Amphibien mögliche regulatorische Risikobewertungsansätze diskutiert. Für die untersuchten Pestizide und Amphibienarten wurde festgestellt, dass die akute aquatische Toxizität von Pestiziden mit dem bestehenden Ansatz der aquatischen Risikobewertung auf der Grundlage von Fischtoxizitätsdaten abgedeckt werden kann. Jedoch wurden bei terrestrischen Juvenilen nach dermaler Exposition zu umweltrealistischen Pestizidkonzentrationen sowohl letale als auch subletale Effekte beobachtet, die mit keinem verfügbaren Risikobewertungsansatz erfasst werden können. Daher sollten Pestizide vor der Zulassung auch auf eine potenzielle terrestrische Toxizität mit Hilfe von Risikobewertungsinstrumenten geprüft werden. Darüber hinaus müssen die Auswirkungen von Bei- und Hilfsstoffen von Pestiziden bei einer zukünftigen Risikobewertung besonders berücksichtigt werden, da sie die Toxizität von Pestiziden gegenüber aquatischen und terrestrischen Amphibienstadien erhöhen können. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die chronische Dauer einer kombinierten aquatischen und terrestrischen Exposition die Reproduktion von Amphibien negativ beeinflusst. Gegenwärtig können solche Effekte von der bestehenden Risikobewertung nicht erfasst werden, da Daten aus Feldszenarien, die die Auswirkungen mehrerer Pestizide auf die Reproduktion von Amphibien abbilden, zu selten sind, um einen Vergleich mit Daten anderer terrestrischer Wirbeltiere wie Vögel und Säugetiere zu ermöglichen. In Anbetracht dieser Erkenntnisse sollten sich zukünftige Untersuchungen nicht nur mit akuten und letalen Effekten, sondern auch mit chronischen und subletalen Effekten auf Populationsebene befassen. Da sich die Exposition gegenüber Pestiziden negativ auf Amphibienpopulationen auswirken kann, sollte ihr Einsatz noch sorgfältiger überlegt werden, um einen weiteren Rückgang der Amphibien zu vermeiden. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit die dringende Notwendigkeit einer protektiven Pestizidrisikobewertung für Amphibien, um Amphibienpopulationen in Agrarlandschaften zu erhalten und zu fördern.

Bäche gehören zu den gefährdetsten Ökosystemen, da sie diversen anthropogenen Stressoren ausgesetzt sind, wobei Pestizide für landwirtschaftliche Bäche am relevantesten erscheinen. Aufgrund der Diskrepanz zwischen modellierten und gemessenen Pestizid-konzentrationen ist Monitoring nötig um zukünftige Risikobewertungen und Zulassungen zu verbessern. Festzustellen ob biotische Stressreaktionen über große räumliche und zeitliche Skalen ähnlich sind, ist nötig um Schwellenwerte zum Schutz vor Stressoren abzuschätzen. Diese Doktorarbeit beginnt mit einem Überblick über Pestizideintrittspfade in Bäche, sowie dem momentanen Stand des Pestizidmonitorings gefolgt von der Zielsetzung der Doktorarbeit. In Kapitel 2 werden Ergebnisse aus Schöpfproben von Routinemonitoring mehrerer Länder analysiert um die häufigsten Pestizidmischungen zu identifizieren. Diese Mischungen werden von wenigen Pestiziden gebildet, wobei Herbizide dominieren. Die nachgewiesenen Mischungen unterscheiden sich regional, da Nachweisgrenzen und Stoffumfang variieren. Aktuelles Routinemonitoring umfasst bisher keine Probenahmen während durch Starkregenereignisse hervorgerufene Pestizidspitzen, die wahrscheinlich Pestizidmischungen beeinflussen. In Kapitel 3 werden Sammelraten für 42 Pestizide bei der Benutzung von Passiv-sammlern vorgestellt und Empfehlungen zum Monitoring von feldrelevanten Pestizidspitzen gegeben. Damit konnte in Kapitel 4 ein Pestizidgradient in einer osteuropäischen Region aufgestellt werden in der die Landwirtschaftsintensität von niedrig bis hoch reicht. Dabei wurden Regenereignisse beprobt und eine Vielzahl von Pestiziden analysiert. Dies führte zu vielen gleichzeitig nachgewiesenen Pestiziden, von denen ein bis drei die Pestizidtoxizität bestimmten. Diese zeigte jedoch keinen Zusammenhang zur landwirtschaftlichen Intensität. Durch Mikrokosmenexperimente wurde in Kapitel 5 die Stressantwort von Pilzgemeinschaften, den Hyphomyceten, und deren assoziierter Ökosystemfunktion des Laubabbaus untersucht. Effekte einer feldrelevanten Fungizidmischung wurde über drei biogeographische Regionen sowie drei aufeinanderfolgende Zyklen von mikrobieller Laubkolonisation und -abbau untersucht. Trotz anfänglich unterschiedlichen Gemeinschaften waren Stressantworten sowie Erholungen in den untersuchten Regionen ähnlich, was auf ein generelles Muster hindeutet. Insgesamt trägt diese Doktorarbeit zum verbesserten Verständnis von Vorkommen und Konzentrationen von Pestizidmischungen, deren Monitoring sowie ihren Auswirkungen auf eine Ökosystemfunktion bei. Wir konnten zeigen, dass die abgeschätzten Pestizidtoxizitäten potentiell Nichtzielorganismen und somit ganze Ökosystem beeinflussen. Routinemonitoring unterschätzt diese Gefahr bisher jedoch wahrscheinlich. Effekte, welche Verluste in Biodiversität sowie Funktionen hervorrufen, können verringert werden indem zugelassene Pestizide mit anhaltendem Monitoring neu bewertet werden und die Datenlage zu Pestizidwirkungen verbessert wird.

Der Verlust der Biodiversität wird sowohl auf einer globalen Skala als auch für die anthropogen geformten Landschaften, die heute fast 50% der terrestrischen Landfläche ausmachen, festgestellt. Auf den landwirtschaftlichen Anbauflächen werden Pestizide, biologisch aktive Chemikalien, ausgebracht um Schädlinge, Krankheiten und Unkräuter zu kontrollieren. Um die Auswirkung der Pestizide auf die Biodiversität zu verstehen ist die Quantifizierung der verbliebenen semi-natürlichen Strukturen wie Feldsäume und Hecken, die Organismen in Agrarlandschaften als Habitat dienen, eine Voraussetzung. Für eine Abschätzung ihrer potentiellen Pestizidexposition ist zudem die Anwesenheit der Organismen in diesen Habitaten und in den Feldkulturen notwendig. Im vorliegenden Text stelle ich Studien für Tiergruppen wie Amphibien, Fledermäuse und Motten vor, die bisher nicht in der Risikobewertung für Pestizide berücksichtigt worden sind. Für alle Gruppen wurde dargelegt, dass sie sowohl in der Agrarlandschaft leben als auch potentiell mit Pestiziden in Kontakt kommen und daher ein Risiko angezeigt ist. Für die Risikobetrachtung sind auch Informationen zur Empfindlichkeit der Organismen notwendig und hier werden neue Daten für Pflanzen, Amphibien und Bienen vorgestellt. Effekte die bis auf die Gemeinschaftsebene wirksam waren, wurden für die Auswirkungen von Herbizid, Insektizid und Dünger in einem natürlichen System betrachtet. Das Ergebnis nach drei Behandlungsjahren waren vereinfachte Pflanzengemeinschaften mit geringerer Artenzahl und einer reduzierten Anzahl von Blütenpflanzen. Die Abnahme an Blüten stellt ein Beispiel eines indirekten Effekts dar und war für die Effekte eines Herbizids auf den scharfen Hahnenfuß besonders auffällig. Subletale Herbizideffekte für Pflanzen hatten einen Einfluss auf daran fressende Raupen was durch eine Verminderung der Nahrungsqualität erklärbar ist. Für Feldsäume realistische Insektizidmengen reduzierten die Bestäubung der weißen Lichtnelke durch Motten um 30%. Diese indirekten Effekte durch Veränderungen im Nahrungsnetz spielen eine kritische Rolle für das Verständnis des Rückgangs von verschiedenen Organismengruppen, allerdings werden sie bisher nicht in die Risikobewertung von Pestiziden mit einbezogen. Der aktuelle intensive Pestizideinsatz in der Landwirtschaft und ihre hohe Toxizität könnten zu einer chemisch fragmentierten Landschaft führen in der Population nicht mehr verbunden sind und damit deren Größe und genetische Struktur beeinflussen. Die Modellierung von möglichen Pestizideffekten als Kosten für die Anwanderung von Amphibien zu Fortpflanzungsgewässern in Weinbergen in Rheinland-Pfalz zeigte die Isolation der untersuchten Populationen an. Eine erste Validierung für den Grasfrosch bestätigte die Modellvorhersagen für einige Populationen. Für den terrestrischen Bereich der Risiko-bewertung ist eine Vielzahl von Richtlinien vorhanden oder wird aktuell entwickelt oder verbessert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten zeigen, dass vor allem die reproduktiven Blütenstadien von Pflanzen sehr empfindlich sind und ihr Risiko unterschätz ist. Die Erholung von Arthropodenpopulationen nach Pestizideffekten muss auf Landschafts-ebene neu bemessen werden und eine Risikobewertung für Amphibien für die Zulassung wird vorgeschlagen. Die Etablierung und Anpassung von Risikobewertungssystemen ist allerdings ein zeitaufwändiger Prozess und daher stellt die Entwicklung von Risikomanagementmaßnahmen eine pragmatische Alternative mit unmittelbaren Auswirkungen dar. Künstliche Gewässer der Agrarlandschaft sind wichtige Nahrungsgebiete für Fledermäuse und ihre Anlage würde negative Auswirkungen des Pestizideinsatzes abschwächen. Die Einbindung von direkten und indirekten Effekten für alle Organismengruppen in eine Risikobewertung in der auch der Landschaftsmaßstab und Pestizidmischungen betrachtet werden wird viel Entwicklungszeit benötigen. Die Etablierung von Modellandschaften in der Managementmaßnahmen und integrierter Pflanzenschutz auf größerer Skala angewendet werden, würde es uns jedoch erlauben die Auswirkungen von Pestiziden in einem realistischen Szenario zu untersuchen und Ansätze für die Landwirtschaft der Zukunft zu entwickeln.