Die Zielsetzung dieser Arbeit war die Entwicklung eines neuen Ökosystemmodells, um die biogeochemische Prozessbeschreibung im pelagischen Teil des European Reagional Seas Ecosystem Models (ERSEM) anhand eines umfassenden Datensatzes aus mehreren Mesokosmosexperimenten zu testen und weiterzuentwickeln. Dabei wurde insbesondere die Beschreibung der Primärproduktion hinsichtlich Photosynthese, Chlorophyll- und Nährstoffdynamik sowie die Destruentendynamik unter Berücksichtigung von freien und schwebstoffassoziierten Bakterien und einer dynamisch variierenden Substratqualität neu formuliert. Der Vergleich zwischen den Mesokosmosmessdaten und den Simulationsergebnissen zeigt, dass das neue Modell in der Lage ist, die in den Mesokosmosexperimenten beobachtete Dynamik von Chlorophyll und den partikulären Fraktionen von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphat sowie die der gelösten anorganischen Nährstoffe bei unterschiedlichen Licht-, Temperatur- und Nährstoffregimes in den meisten Fällen sowohl qualitativ als auch quantitativ exakt abzubilden. <dt.>
The central goal of this thesis was to develop a new ecosystem model to improve the biogeochemical dynamics in the pelagic part of the European Reagional Seas Ecosystem Model (ERSEM). For that purpose the model was validated against a comprehensive dataset derived from several mesocosm experiments. The description of primary production was reformulated focussing on photosynthesis, chlorophyll- and nutrient dynamics. Further on the dynamics of decomposers were reformulated considering free and particle associated bacteria as well as dynamic varying substrate quality. The comparison between mesocosm measurements and simulation results shows that the new model is able to convincingly simulate plankton dynamics observed in the mesocosm experiments under different regimes of light, temperature and nutrients. In most cases, chlorophyll concentrations as well as the particulate fractions of carbon, nitrogen, and phosphorus and the dissolved inorganic nutrients are reproduced exactly, both qualitatively and quantitatively. <engl.>
In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Formulierung und Analyse allgemeiner mathematischer Modelle entwickelt. In allgemeinen Modellen werden die Wechselwirkungen zwischen den Zustandsvariablen nicht festgelegt, sondern mit allgemeinen Gleichungen beschrieben. Trotz ihrer Allgemeinheit können solche Modelle im Rahmen der lokalen Bifurkationstheorie analysiert werden. Neben dem allgemeinen Ansatz wird ein konkretes Verfahren für die effiziente Berechnung von Hopf Bifurkationen vorgestellt (das Resultantenverfahren). Ich illustriere die Vorteile der allgemeinen Modellierung mit der Anwendung allgemeiner Modelle auf ökologische Fragestellungen. Die Betrachtung eines allgemeinen Modells für ökologische Nahrungsketten zeigt eine neue Lösung für das bekannte ökologische Anreicherungsparadoxon. Des Weiteren wird gezeigt, dass chaotische Parameterbereiche im Allgemeinen in ökologischen Modellen mit mehr als drei trophischen Stufen auftreten. Die allgemeine Untersuchung von Nahrungsnetzen zeigt, dass sich viele Nahrungsnetze äquivalent zu Nahrungsketten verhalten. Für viele Anwendungen ist es deshalb ausreichend solche Nahrungsnetze als Nahrungsketten zu modellieren. <dt.>
In this thesis a new approach to the formulation and analysis of general models is presented. In general models the interaction between state variables is not restricted to specific functional forms. Instead they are described by general functions. This approach is used to formulate and study models of general food chains and food webs. This work illustrates that general models can be analysed in the framework of local bifurcation theory. In order to compute bifurcations efficiently a mathematical technique, the method of resultants, is derived. Application of the method of resultants and the general modelling approach reveals a new, general solution to the famous paradox of enrichment. Furthermore, the investigation of general models prove that chaotic parameter regions generally exist in systems with more than three trophic levels. The investigation of ecological food webs shows that a large class of food webs behaves qualitatively similar to food chains. Finally, it is shown that the strong form of the famous competitive-exclusion principle only occurs because of certain degeneracies that exist in simple ecological models. <engl.>
