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This thesis covers four topics based on the intersection of the fields of entrepreneurship and development economics: (a) African small business development, including SME policies; (b) the process of structural change in Sub-Saharan Africa; (c) the special role of agriculture in modern African development; (d) relationship between institutions and entrepreneurship in developing and developed countries in the world. Chapter 1 introduces the research problem, the research framework, and the main strands of literature that served as the basis for this work, and then gives an overview of each chapter and its main conclusions. Chapter 2 deals with different aspects related to SME development in Sub-Saharan Africa and how SMEs could be embedded into the process of structural change using Ghana and South Africa as a case study. Chapter 3 deals with one of the directions of the economic development process in the Sub-Saharan African region and uncovers the questions about the importance of the agricultural sector in that region and the impact of climate change on crop yields. Chapter 4 provides new insight into the structural change process in Ghana over 1990 and 2018 by studying the pace and pattern, and also seeks answers to what sector plays a key driver of economic performance between 1990 and 2018 and how the direction and pattern of structural change in Ghana coincides with the overall trend in Africa. The evidence from Chapter 3 and Chapter 4 suggests that for sustainable economic development in the future for Africa, it needs to promote several sectors and not only one. Chapter 5 explores the relationship between formal institutions and entrepreneurship based on the sample of efficiency-driven countries (refer to developing) and innovation-driven countries (refer to developed). This chapter contributes to the existed literature by examining the entrepreneurial activities at early and mature stages which makes it possible to reveal how different quality of institutional dimensions have the different effect on a business that has started recently and a business that has existed for several years.

Ethiopia is a major beekeeping country located in northeast Africa where several evolutionary lineages of Apis mellifera contact. A unique practice of honey bee colony marketing which involves broad agro-ecological zones (AEZs) is a developing trend in the northern part of the country such as Tigray region in association with apicultural development. Several studies based on classical morphometry on the Ethiopian honey bee subspecies classification debated from the unique Apis mellifera simensis to five others. Moreover, the genetic diversity, adaptation, gene flow and inter-relationships of the honey bees between AEZs were not disentangled – a challenge for planning sustainable apicultural development and conservation. Therefore, this study was conducted to elucidate the honey bees of Ethiopia in a context of apicultural transformation using integrated methods: morphometrics, genetics, colony market survey and metadata analyses on beekeeping development. The results of geometric morphometric analyses confirmed that Ethiopian honey bees represented by Apis mellifera simensis references belong to a separate lineage (Y) compared to A, O, M and C, and the present sample belonged to Y. This supported the hypothesis of five major honey bee lineages of the honey bee Apis mellifera. Similarly, a maximum likelihood phylogenetic tree analysis based on the mitochondrial COI-COII showed that most of the Ethiopian honey bees belong to lineage Y. However, a substantial proportion of the samples from the northern part of the country clustered with lineage O, which support the hypothesis that there is close contact between Y and O. Both geometric morphometry and classical morphometry differentiated the Ethiopian honey bees from all references including A. m. monticola, A. m. scutellata, A. m. jementica, A. m. adansonii but grouped with A. m. simensis. Genetically, five DraI haplotypes (COI-COII) were found to be randomly distributed across AEZs, indicating a substantial gene flow. Consequently, the level of genetic differentiation among the Ethiopian honey bee subpopulations defined by local areas and AEZs was generally low based on r7-frag nuclear marker, which is identified to be associated with adaptation to habitat elevation in East African honey bees. Similarly, nucleotide diversity consistently decreased with increasing elevation – indicating a reduced effective population size in the highlands. Results obtained from colony market survey showed that the honey bee swarms are reproduced in a few highlands and re-distributed throughout the region. Colony buyers have preferences of color and AEZ of origin of the honey bees, which led to a one-way flow and eroded the overall level of genetic differentiation. However, a marked differentiation was detected between the highland and lowland honey bees in relic communities where an allelic length polymorphism was observed as a signature of local adaptation. Altogether, Ethiopian honey bees belong to the lineage Y and subspecies A. m. simensis, and are characterized by a high level of gene flow enhanced by colony marketing; but a conserved signature of local adaptation to higher elevations was identified in less disturbed communities. Further studies based on genome-wide analyses and field experiments, focusing on undisturbed communities, can provide more insights into adaptation, admixture and management implications. Sustainable bee breeding and extension services that enable local beekeeping without colony trade and transportation will help to promote apiculture and genetic conservation. Äthiopien ist ein Land mit vielfältigen Ökosystemen im Nordosten Afrikas, in denen viele evolutionäre Linien von Apis mellifera zusammenkommen. In der Region Tigray (im Norden von Äthiopien) werden Honigbienenvölker auf zentralen Märkten gehandelt. Mehrere Studien zur Klassifikation der Unterarten von äthiopischen Honigbienen auf der Grundlage der klassischen Morphometrie stellten unterschiedliche Hypothesen über die Anzahl dieser Unterarten auf. Darüber hinaus war der Mangel an Informationen über genetische Vielfalt, Anpassung und Genfluss eine Herausforderung für die Planung einer nachhaltigen Entwicklung der Imkerei. Ziel dieser Doktorarbeit war es, diese Honigbienen und den Handel mit ihnen auf der Grundlage von Morphometrie, Genetik und Marktuntersuchungsanalysen in einen Zusammenhang zu stellen. Die Ergebnisse bestätigten, dass äthiopische Honigbienen, die durch Apis mellifera simensis-Referenzen repräsentiert werden, von den Linien A, O, M und C morphologisch unterschieden werden können und zu der Linie Y gehören, was die Hypothese von fünf großen Honigbienen-Linien unterstützt. In ähnlicher Weise zeigte die mitochondriale COI-COII-Analyse, dass die meisten äthiopischen Honigbienen der Linie Y angehören. Ein erheblicher Anteil der Proben aus dem nördlichen Teil des Landes gruppierte sich jedoch mit der Linie O, was die Hypothese eines engen Kontaktes zwischen den Linien Y und O stützte. Hinsichtlich der Unterarten unterschieden die geometrische Morphometrie und die klassische Morphometrie die äthiopischen Honigbienen von allen Referenzen einschließlich A. m. monticola, A. m. scutellata, A. m. jementica, A. m. adansonii, aber gruppierten mit A. m. simensis. Genetisch wurden fünf DraI-Haplotypen identifiziert, die zufällig über die agro-ecological zones (AEZs) verteilt waren, was auf einen erheblichen Genfluss hinweist. Folglich war die genetische Differenzierung der äthiopischen Proben insgesamt gering. Die Abnahme der Nukleotiddiversität in den Subpopulationen von A. mellifera in höher gelegenen Habitaten deutet auf eine reduzierte effektive Populationsgröße im Hochland hin. Die Markterhebung ergab, dass sich die Honigbienenvölker in einigen Hochländern vermehren und durch die Vermarktung in der gesamten Region von Tigray verteilt werden. Eine Ursache hierfür ist, dass die Käufer die Farbe und die AEZ der Herkunft bevorzugen. Dies führte zu einem unidirektionalen Fluss von genetischem Material und verringert die genetische Differenzierung. In lokalen, ungestörten Gebieten konnte jedoch eine deutliche Differenzierung zwischen der Hochland- und der Tieflandhonigbiene festgestellt werden. Dabei wurde ein Allellängenpolymorphismus als Zeichen der lokalen Anpassung beobachtet. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass äthiopische Honigbienen der Linie Y und der Unterart A. m. simensis zugehörig sind. Ein hoher Genfluss zwischen Subpopulationen wird durch Koloniemarketing verstärkt; aber eine konservierte Signatur der lokalen Anpassung an höhere Lagen wurde in ungestörten Gebieten identifiziert. Weitere Forschungen auf der Grundlage genomweiter Analysen und Feldexperimente, die sich auf die ungestörten lokalen, Gebiete konzentrieren, können weitere Einblicke in Anpassung, Durchmischung und Management liefern. Nachhaltige Bienenzucht und Beratungsdienste, die eine lokale Imkerei ohne Völkerhandel ermöglichen, werden zur Förderung der Imkerei und der genetischen Erhaltung beitragen.

In this dissertation, I study the local economic impacts of natural disasters. I use night light emissions captured by satellites as a proxy for local economic activity to bring the analysis of economic impacts of natural extremes to a finer spatial scale. In doing so, this thesis bridges a gap between the international economic literature on natural disasters and their economic impacts, and the more case study oriented or geographically confined studies on natural extremes in the fields of natural hazards and remote sensing. Using a variety of approaches and methods, I discuss how light emissions can help us understand how natural extremes affect the economies they impact. I illustrate the method with a case study of Hurricane Katrina, for which I show how the effects of the destruction of this event can be observed from space. Combined with a growing literature that makes use of night light data to proxy economic development, these findings suggest that night light data can provide a way forward for studying local economic dynamics in response to natural hazards. Moreover, night light data serve as an independently and objectively measured proxy for economic statistics that are not available at the local level in most parts of the world, hence opening up research possibilities in areas for which no data is available otherwise. In the second main chapter of this thesis, I expand this approach and turn to a global analysis in which I show worldwide adverse local impacts of natural hazards and signs of relocation of economic activity across space. I do so for a global panel of 0.5° grid cells, spanning roughly 55 by 55 kilometers at the equator. I show that these dynamics take place within countries, further strengthening the case for studying disaster impacts at this spatial scale, and opening avenues for research into spatial spillover effects between regions within countries. In the second half of this thesis, I discuss a -- at the time of writing -- relatively new suite of satellite data, with which I produce results that place findings in the literature in a different perspective. In a global panel of earthquakes between 2012 and 2016, I find no consistent relationship between changes in night light intensity and the occurrence of heavy earthquakes. This finding holds at the spatial level of the analysis of weather extremes in Chapter 2, and at the resolution of night light data – roughly 500 by 500 meters at the equator. To dive deeper, in my final chapter I conduct a detailed comparative case study on a major earthquake in Japan. Findings of this chapter indicate that night light intensity does not consistently reflect adverse impacts, even in municipalities for which adverse economic impacts and widespread destruction were recorded. Concluding, light emissions do not always reflect adverse impacts from earthquakes. Researchers should therefore be cautious when contributing to this rapidly growing literature. The work in this thesis contributes to this ongoing debate and suggests ways forward.

Der Schutz der biologischen Vielfalt ist eine gesellschaftlich sehr wichtige Aufgabe, deren Bedeutung in den letzten Jahrzehnten zunehmend auch politisch erkannt wird. Nationale wie globale Zielsetzungen, den Verlust der biologischen Vielfalt aufzuhalten und eine positive Trendwende zu erreichen, wurden bislang allerdings verfehlt. Als wichtige Ursachen für den Verlust der Artenvielfalt werden sowohl der Landnutzungswandel als auch Klimaveränderungen gesehen. Landnutzungsintensivierungen haben insbesondere seit der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts zu einem zunehmenden Rückgang der Artenvielfalt in der Agrarlandschaft geführt. Die Ursachen für diesen Rückgang sind vielfältig. Sie umfassen eine Abnahme der Nahrungsgrundlage vieler Arten, u.a. durch den Einsatz von Herbiziden und Insektiziden, und den Verlust von geeigneten Fortpflanzungs- und Nahrungshabitaten durch einen Rückgang der Strukturvielfalt und des Anteils naturnaher Habitate. Seit Ende des 20. Jahrhunderts rückt zunehmend auch der Klimawandel als Einflussgröße für den Rückgang der Artenvielfalt in den Fokus. Einhergehend mit steigenden Temperaturen wurden bereits Verschiebungen von Verbreitungsgrenzen und Veränderungen in der Phänologie von Arten beobachtet. Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts werden neben weiter steigenden Temperaturen die Zunahme von Hitzewellen und extremen Niederschlagsereignissen, eine Veränderung der Niederschlagsverhältnisse und ein weiterer Anstieg des Meeresspiegels erwartet. Zwischen Klima und Landnutzung gibt es vielfältige Wechselwirkungen und sich gegenseitig verstärkende Effekte - auch in ihrer Wirkung auf einzelne Arten und die biologische Vielfalt. Hier gilt es, Methoden zur Erfassung und Bewertung von Auswirkungen landnutzungs- und klimawandelbedingter Umweltveränderungen zu entwickeln und aufzuzeigen, durch welche Maßnahmen negative Auswirkungen auf die Artenvielfalt vermieden oder vermindert werden können. Akteure zur Umsetzung solcher Maßnahmen sind einerseits der behördliche und ehrenamtliche Naturschutz. Andererseits ist gerade in der Agrarlandschaft auch die Einbindung von Landwirten entscheidend, um möglichst dauerhafte und großflächige Wirkungen zu erzielen. Ein Weg der Einbindung von Landwirten in naturschutzfachliche Maßnahmenprogramme führt über die lebensmittelerzeugenden Unternehmen, die Abnehmer ihrer Produkte sind. Solche Unternehmen, gerade aus der Biobranche, suchen zunehmend nach Möglichkeiten, ihren Kunden transparent und glaubwürdig zu kommunizieren, was ihre Zulieferlandwirte für den Erhalt und die Förderung der Artenvielfalt leisten. Flächendeckende Vor-Ort-Erfassungen von Arten sind dabei aber sowohl aus Kosten- als auch aus Zeitgründen unrealistisch. Einfache Modelle bzw. Indikatorensets, die die Artenvielfalt auf landwirtschaftlichen Flächen valide abbilden und dabei zeiteffizient und praxisnah in der Datenerhebung und Anwendung sind, werden daher dringend benötigt, fehlen aber bislang. Auf Basis solcher Modelle können auch Maßnahmen für die Betriebsebene und deren Potenzial zur Steigerung der Artenvielfalt abgeleitet werden. Im Hinblick auf Auswirkungen des Klimawandels auf Tierarten fehlen derzeit vor allem auf regionaler Ebene Einschätzungen über die Empfindlichkeit von Artengemeinschaften gegenüber den projizierten Klimaänderungen und darüber, wie sich klimabedingte Arealverschiebungen auf die Zusammensetzung regionaler Artengemeinschaften auswirken könnten. Solche Einschätzungen braucht es aber, um den naturschutzfachlichen Handlungsbedarf für Anpassungsstrategien und -maßnahmen zu identifizieren und zu konkretisieren. Zu entsprechenden Anpassungsmaßnahmen gibt es bereits eine Reihe von Empfehlungen, die allerdings häufig unspezifisch bleiben, so dass vielen Praktikern unklar ist, welche Maßnahmen Priorität haben und wie diese konkret umgesetzt werden sollen und können. Daher ist es erforderlich, solche allgemeinen Maßnahmenempfehlungen für die jeweilige regionale Ebene unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit der dort vorkommenden Arten und möglicher klimabedingter Ein- und Abwanderungsprozesse zu konkretisieren. Vor dem Hintergrund dieser Wissenslücken war das Ziel der vorliegenden Arbeit, einen Beitrag dazu zu leisten, Auswirkungen landnutzungs- und klimawandelbedingter Umweltveränderungen auf Tierarten auf der regionalen bzw. lokalen Ebene zu ermitteln und zu bewerten, um darauf aufbauend geeignete und für die jeweilige Ebene hinreichend konkrete naturschutzfachliche Maßnahmen zur Verminderung negativer Auswirkungen ableiten zu können. Dazu wurde exemplarisch für einzelne Regionen, Lebensräume und Tierartengruppen untersucht, 1) anhand welcher Indikatorensets und Modelle sich die Artenvielfalt auf der Ebene landwirtschaftlicher Betriebe praxistauglich, zeiteffizient und valide abbilden lässt, 2) an welchen Kriterien eine Empfindlichkeit von Tierarten gegenüber klimatischen Veränderungen auf naturräumlicher Ebene festgemacht werden kann, 3) wie sich ein klimawandelbedingter Turnover in Artengemeinschaften eines Naturraums abschätzen lässt, 4) welche Maßnahmen zum Erhalt und zur Förderung der Artenvielfalt basierend auf den Ergebnissen solcher Analysen auf lokaler und regionaler Ebene abgeleitet werden können, 5) welche Synergien sich im Hinblick auf Maßnahmen zur Verringerung negativer Auswirkungen von Klimawandel und Landnutzung ergeben und welche Grenzen die entwickelten Methoden zur Einschätzung solcher Auswirkungen aufweisen. Hinsichtlich der Auswirkungen landnutzungsbedingter Umweltveränderungen auf Tierarten wurde untersucht, ob und wie sich die Artenvielfalt und mögliche Veränderungen durch die Landnutzung oder durch Naturschutzmaßnahmen auf der Ebene landwirtschaftlicher Betriebe mit Hilfe von einfach handhabbaren Modellen und Indikatorensets abbilden lassen. Dazu wurden in umfangreichen Literaturstudien mögliche Einflussvariablen identifiziert, die für die Artenvielfalt von Tagfaltern auf Rainen und die Artenvielfalt von Vögeln in Hecken sowie auf Äckern von Bedeutung sein können. Auf sieben über Deutschland verteilten landwirtschaftlichen Betrieben wurden sowohl Daten zu diesen möglichen Einflussvariablen erhoben als auch Erfassungen der Artengruppen Tagfalter und Vögel durchgeführt. Durch multiple lineare Regressionsanalysen wurden aus dem Set der möglichen Einflussvariablen anhand der auf den Betrieben erhobenen Daten diejenigen identifiziert, die die Artenvielfalt von Tagfaltern und Vögeln am besten vorhersagen. Bei Tagfaltern auf Rainen sind dies die Heterogenität der umgebenden Landschaft, der Mahdzeitpunkt, die Breite, Länge und das Gräser-Kräuter-Verhältnis des Rains sowie die Bewirtschaftungsart angrenzender Felder. Für die Artenvielfalt von Vögeln in Hecken wurden die Variablen Länge und Breite der Hecke, die Anzahl der Gehölzarten, das Vorkommen von Höhlen/Totholz, das Vorhandensein von Dornsträuchern sowie die Breite des angrenzenden Krautsaums als wichtigste Einflussfaktoren zur Vorhersage der Artenvielfalt ermittelt. Ein Modell zur Vorhersage der Artenvielfalt von Vögeln auf Äckern wurde verworfen, da die Ergebnisse deutlich von der Datenlage der Stichprobe geprägt waren und nur zum Teil den Erkenntnissen aus der zuvor durchgeführten Literaturstudie entsprachen. Die aus den Modellergebnissen ableitbaren Maßnahmen für die Betriebsebene beziehen sich auf die jeweils bedeutsamen Einflussfaktoren - z.B. das Mahdregime bzw. den Mahdzeitpunkt bei Rainen und die Anlage oder Verbreitung von Krautsäumen zwischen Hecken und den an diese angrenzenden Feldern - und betreffen sowohl die Optimierung vorhandener Strukturen als auch die Neuanlage von Landschaftselementen. Diese stellen einen Baustein im Spektrum sinnvoller Maßnahmen auf landwirtschaftlichen Betrieben dar und sollten durch weitere flankiert werden. Dazu ist eine gesamtbetriebliche Perspektive wichtig, die die betriebs- und landschaftsraumspezifischen Voraussetzungen einbindet. Zur Unterstützung hierbei kann einerseits landwirtschaftliche Beratung, andererseits aber auch eine vom Landwirt selbst bedienbare naturschutzfachliche Managementsoftware dienen. In eine solche Software (MANUELA - Managementsystem Naturschutz für eine nachhaltige Landwirtschaft) wurden die in der vorliegenden Arbeit entwickelten Modelle bereits implementiert und ergänzen dort bereits vorhandene Tools, zum Beispiel zur Ermittlung und Bewertung der Pflanzenartenvielfalt auf Äckern, aber auch zum Landschaftsbild und zum Biotopverbund. Hinsichtlich der Auswirkungen klimawandelbedingter Umweltveränderungen wurde untersucht, an welchen Kriterien sich eine Empfindlichkeit von Tierarten gegenüber solchen Umweltveränderungen auf naturräumlicher Ebene festmachen lässt und welche Eigenschaften eine Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen erschweren. Mit Hilfe einer auf solchen Kriterien basierenden Empfindlichkeitsanalyse wurde ermittelt, wie viele Tierarten in den naturräumlichen Regionen „Harz“ und „Lüneburger Heide und Wendland“ eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber klimawandelbedingten Umweltveränderungen aufweisen. Dabei wurden Vertreter der Artengruppen Brutvögel, Amphibien, Reptilien, Heuschrecken, Tagfalter und Libellen mit einbezogen. Eine voraussichtlich erhöhte Empfindlichkeit gegenüber spezifisch klimawandelbedingten Umweltveränderungen lässt sich bei jeweils ca. 39% der untersuchten Tierarten in den naturräumlichen Regionen „Harz“ und „Lüneburger Heide und Wendland“ feststellen. Dabei scheinen insgesamt mehr Arten negativ von einer Abnahme der Sommerniederschläge betroffen zu sein als von einer Erhöhung der Temperaturen. Weiterhin wurde ermittelt, wie klimabedingte Veränderungen der Zusammensetzung von Vogellebensgemeinschaften in einem Naturraum abgeschätzt und Prognosen über mögliche klimabedingte Zu- und Abwanderungen von Arten getroffen werden können. Dazu wurde der Artenpool des Naturraums Lüneburger Heide mit den Artenpools zukünftig klimaanaloger Räume verglichen. Zukünftig klimaanaloge Räume sind Gebiete, die gegenwärtig klimatische Verhältnisse aufweisen, die zukünftig für das Untersuchungsgebiet projiziert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Mehrzahl der Vogelarten die für den Zeitraum 2071-2100 erwarteten Klimabedingungen im Naturraum Lüneburger Heide vermutlich tolerieren kann, die Artenvielfalt insgesamt aber möglicherweise abnehmen wird. Viele der potenziell aus dem Naturraum abwandernden Arten sind an Feuchtgebiete als Lebensraum gebunden. Zur Verringerung negativer klimawandelbedingter Auswirkungen auf Tierarten können zum einen derzeitige Gefährdungsursachen und Stressoren minimiert werden, um die Habitatverfügbarkeit und qualität zu erhöhen und die Resilienz sowie das Anpassungspotenzial von Arten zu stärken. Als prioritäre Maßnahmen sind je nach naturräumlicher Region die folgenden anzusehen: Maßnahmen zum Schutz und zur Wiederherstellung von Feuchtlebensräumen, Maßnahmen zur Verhinderung von Nährstoffeinträgen bzw. Eutrophierung und zur Extensivierung landwirtschaftlicher Nutzung, Maßnahmen zur Erhöhung der Konnektivität in der Landschaft und zur Verringerung des Landschaftsverbrauchs, Maßnahmen zur Offenhaltung von Lebensräumen und Maßnahmen zur naturnahen Waldrandgestaltung bzw. Waldbewirtschaftung. Zum anderen kann zur Verringerung negativer klimawandelbedingter Auswirkungen auf Tierarten die Konnektivität in der Landschaft gefördert und der Erhalt und die Schaffung von Biotopverbundstrukturen gestärkt werden, um den Arten eine Anpassung durch die Verschiebung ihrer Verbreitungsareale zu ermöglichen. Besonders auf überregionale Biotopverbundmaßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel angewiesen sind in beiden naturräumlichen Regionen Arten des Offenlandes, in der naturräumlichen Region „Lüneburger Heide und Wendland“ zusätzlich auch Arten der Gewässer. Da viele der derzeitigen Gefährdungsursachen potenziell klimaempfindlicher Arten nutzungsbezogen sind und auch direkte oder indirekte Folge landwirtschaftlicher Nutzung sein können, sind Synergien zwischen Maßnahmen zur Verminderung negativer Auswirkungen von Landnutzungs- und Klimawandeleinflüssen offenkundig. Dies betrifft auch die Stärkung des Biotopverbunds. Hier spielen Raine und Hecken in der Agrarlandschaft eine wichtige Rolle - auch vor dem Hintergrund des Klimawandels, da viele der auf Biotopverbund als Anpassungsmaßnahme angewiesenen Arten Bewohner des Offenlandes sind. Ein besonderes Gewicht kommt im Hinblick auf den Klimawandel dem Schutz bzw. der Renaturierung und Schaffung von Feuchtlebensräumen zu. Diese werden bislang nur zum Teil durch die Modelle zur Abschätzung der Artenvielfalt auf landwirtschaftlichen Betrieben abgedeckt, so dass in der Erweiterung der Modelle um die Lebensräume Feuchtgrünland und Grünland im Allgemeinen eine mögliche Weiterentwicklung der vorliegenden Arbeit zu sehen ist. Da ein Großteil der Fläche Deutschlands landwirtschaftlich genutzt wird, kommt der Landwirtschaft bei der Bewahrung der Artenvielfalt eine Schlüsselrolle zu. Die vermehrte Integration naturschutzfachlicher Ziele in die Landbewirtschaftung kann daher wesentlich zum Erhalt und zur Förderung der Artenvielfalt beitragen, nicht nur im Hinblick auf landnutzungsbezogene sondern auch auf klimawandelbezogene Einflüsse. Die vorliegende Arbeit liefert dazu wichtige Ansätze. The conservation of biodiversity is a task of great importance for society. In recent decades, political awareness for biodiversity issues has risen, yet, global as well as national objectives to halt the loss of biodiversity have failed. Important causes of biodiversity loss include land use change as well as climatic changes. From the second half of the twentieth century, agricultural intensification has increasingly led to a decline of farmland biodiversity. This decline is caused by a multitude of factors, particularly a loss of semi-natural habitats and structural diversity as well as a shortage of food supply due to a usage of herbicides and insecticides. Since the end of the twentieth century, climatic changes have increasingly become apparent as another threat to biodiversity. Along with increasing temperatures, shifts of distribution ranges as well as in the phenology of species have already been observed. By the end of the 21st century, further increasing mean temperatures, an increase of hot extremes, a decrease of cold periods, a shift in annual precipitation regimes and a further rise of sea levels can be expected. Climate and land use interact in a variety of ways - as do their effects on species and overall biodiversity. Thus, methods to capture and evaluate the effects of land use and climatic changes on species, and measures to prevent or mitigate the impacts, are greatly needed. Important stakeholders for the implementation of such measures are nature conservation authorities and organisations. However, protecting farmland biodiversity also requires the involvement of farmers to ensure sustainable and long-term effects. One way to involve farmers in nature conservation programs is to address the food companies they supply their products to. Food companies, especially from the organic sector, are increasingly looking for ways to transparently and credibly communicate to their customers how farmers (the suppliers) preserve and enhance biodiversity on their land. As company-wide biodiversity surveys of species in the field are not feasible, easy-to-use models and indicator sets projecting biodiversity on farmland, in both a sound and time-efficient way, are greatly needed. Such models could also help to identify and allocate nature conservation measures for a given farm and assess what biodiversity enhancement potentials are associated with which measure. Regarding climate change impacts on animals, assessments on regional levels evaluating the sensitivity of animals towards such changes are largely missing. So too are estimations on how distribution shifts might alter regional species communities. However, such information is greatly needed to identify and specify appropriate adaptation strategies and measures. While recommendations for such adaptation strategies and measures already exist, they are mostly vague making it difficult for stakeholders to prioritise and implement them. Thus, it is necessary to specify general recommendations for given regions that take into account the climate sensitivity of the region’s species as well as alterations in the region’s species community. Considering these knowledge gaps, the objective of this dissertation was to contribute to the assessment and evaluation of impacts of land use and climate change on animals on a regional and local level and, based on these assessments, derive measures suitable to aid in the mitigation of negative impacts. Single regions, habitats and animal species groups were therefore investigated in order to assess; 1. which indicator sets and models are suitable to project biodiversity on a farm level in a practical, time-efficient and sound way; 2. which criteria indicate a sensitivity of animals towards climatic changes within an ecoregion; 3. how climate change induced turnovers in species communities within an ecoregion can be estimated; 4. which measures to preserve and enhance biodiversity can be derived based on such analyses for the local and regional level; 5. which synergies exist between measures for mitigating the negative impacts of land use and climate change and what are the limitations of the methods for the assessment of such impacts. With respect to the impacts of land use on animals, I investigated if and how biodiversity and possible changes caused by land use or nature conservation measures can be projected with farm level based easy-to-use models and indicator sets. Therefore, I identified possible predictor variables effecting the species numbers of butterflies on field margins and birds in hedgerows and on arable fields. This was accomplished on the basis of an extensive literature review. Subsequently, the possible predictor variables, as well as butterflies and birds, were recorded on seven farms throughout Germany. By means of multiple linear regression analyses based upon the data recorded on the farms, variables were identified that best predicted the species numbers of butterflies and birds. In terms of butterflies, these variables included the landscape heterogeneity of the surroundings, the time of mowing, the width, length and the grass-herb-ratio of the margin as well as the management of the adjacent field. For birds in hedgerows, the variables length and width of a hedgerow, the number of woody species, the presence of tree holes, the presence of thorny shrubs, and the width of the herbaceous margin bordering the hedgerow were identified as the best predictors for species numbers. The model for predicting bird species numbers on arable fields was rejected as the results were significantly influenced by the examined sample and were only partly compatible with the results of the literature review. Measures for the farm level are related to the predictor variables of the models in question, e.g. recommendations for the time of mowing of field margins or, for hedgerows, the establishment or extension of herbaceous margin strips between the hedgerow and bordering fields. These measures concern the improvement of existing landscape elements as well as the establishment of new ones. They should be seen as one component within a set of adequate measures for farms that ought to be accompanied by others. Therefore, a whole-farm perspective is needed which integrates farm specifics as well as specific landscape preconditions. To support this process, assistance by farm consultants may be reasonable but so too is GIS-based management software which aids farmers in addressing nature conservation issues. The models of this dissertation have already been implemented in such management software, MANUELA (Managementsystem Naturschutz für eine nachhaltige Landwirtschaft - Management System Nature Conservation for a Sustainable Agriculture). Within this software, the models complement other nature conservation tools, e.g. one that assesses the diversity of plant species on arable fields and others that evaluate landscape aesthetics or the connectivity of habitats. With respect to the impacts of climatic changes on animals, I examined which criteria are relevant for evaluating the sensitivity of species towards these changes. Based on these criteria, I investigated how many animal species from the ‘Harz’ and ‘Lüneburger Heide und Wendland’ ecoregions are probably sensitive towards climatic changes projected for the end of the 21st century. These sensitivity analyses included Red List species of breeding birds, reptiles, amphibians, dragonflies and damselflies, grasshoppers and crickets, and butterflies. About 39% of the examined species are probably sensitive towards these climatic changes. Overall, more species seem to be affected by a decrease of summer precipitation than by an increase of mean temperatures. In addition, I assessed how climate change induces turn-overs in bird communities of a given region can be estimated. Hence, the species pool of the ‘Lüneburger Heide’ ecoregion was compared to species pools of future climatically analogous regions. Future climatically analogous regions are regions which currently have similar climatic conditions to the ones projected for the study area in the future. The results of these analyses show that the majority of species in the ‘Lüneburger Heide’ are probably able to tolerate the climatic conditions projected for 2071-2100 but that bird species richness, in general, may decline. Species that might potentially leave the regional species community in the course of climate change were often associated with inland wetland habitats. To mitigate negative climate change induced impacts on animals, current non-climatic stressors can be reduced in order to increase habitat availability and quality and to strengthen the resilience and adaptation potential of species. Measures of high priority in this regard - depending on the respective region - include: measures for maintaining and promoting wetlands, measures for reducing eutrophication and for the extensification of agriculture, measures for increasing habitat connectivity and reducing land consumption, measures for the preservation of open landscapes, and measures for a nature-oriented forest management. In addition to reducing non-climatic stressors, habitat connectivity should be increased in order to help species to adapt to climatic changes by shifting their distribution ranges. In both examined ecoregions, most of the potential climate-sensitive species, which depend on an increased habitat connectivity for the adaptation to climatic changes, live in open land. Within the ‘Lüneburger Heide und Wendland’ ecoregion, additional emphasis in this regard should be put on waterbodies. As many of the current non-climatic stressors impacting potentially climate-sensitive species are related to land use, synergies between measures mitigating negative impacts of land use and climate change are obvious. This is also true for the strengthening of habitat connectivity. Here, field margins and hedgerows play an important role - especially as many of the species that depend on habitat connectivity to adapt to climatic changes live in open land. In light of climate change, a special emphasis has to be put on the maintenance and restoration of grassland and wetlands. So far, grassland and wetlands are only partly covered by the models for the assessment of biodiversity on farmland. An inclusion of these habitats into the MANUELA model toolbox is, therefor, a possible future development. As a large part of Germany is covered by agriculture, farmers have a key role in preserving biodiversity. Integrating nature conservation objectives into farm management is therefore very beneficial not only with regard to mitigating possible impacts of land use but also of climate change. This dissertation provides important approaches for this task.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) As Redes de Baixa Potência e com Perdas (LLNs, do inglês Low-power and Lossy Networks) ganharam destaque na comunidade científica devido ao paradigma tecnológico da Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things). A Força-Tarefa de Engenharia da Internet (IETF, do inglês Internet Engineering Task Force) que dedica esforços em propor novos padrões para a Internet, se refere às LLNs como redes que se integram à Internet, ou seja, que constituem a IoT. O encaminhamento e a entrega de pacotes em LLNs representam um desafio em termos de confiabilidade e eficiência energética. Para tanto, um protocolo de roteamento foi projetado pela IETF: o Protocolo de Roteamento para Redes de Baixa Potência e com Perdas (RPL, do inglês Routing Protocol for LLNs). Visando estabelecer caminhos estáveis sobre enlaces com perdas, o RPL considera os custos obtidos de métricas para a tomada de decisão de roteamento.Dentre as quais, a Contagem de Transmissão Esperada (ETX, do inglês Expected Transmission Count) é a métrica mais empregada, em razão da confiabilidade. Porém, os nós intermediários (em que se formam os gargalos) ainda são prejudicados devido a rápida exaustão das baterias, motivando, assim, uma investigação mais aprofundada em eficiência de roteamento. Nesses termos, buscou-se neste trabalho aumentar o tempo de operação desses nós, partindo da hipótese de que o consumo estimado de energia da interface de rede, convertido para custo de métrica, poderia estender o tempo de vida das LLNs e aumentar a entrega de pacotes. Esses objetivos foram alcançados com diversos experimentos realizados em diferentes cenários simulados, que findaram em uma nova métrica de roteamento. Para tanto, este documento apresenta a Potência Média da Interface de Rede (NIAP, do inglês Network Interface Average Power), uma alternativa promissora à métrica ETX, que contribui para o balanceamento de carga, prolonga o tempo de operação dos nós intermediários e aumenta a taxa de entrega de pacotes em LLNs. Low-power and Lossy Networks (LLNs) have gained prominence in the scientific community due to the technological paradigm of the Internet of Things (IoT). The IETF (Internet Engineering Task Force) which dedicates efforts to propose new standards for the Internet, refers to LLNs as networks that integrate with the Internet, i.e., IoT. The routing and packet delivery in LLNs represent a challenge in terms of reliability and energy efficiency. Thus, a routing protocol was designed by the IETF: the RPL (Routing Protocol for LLNs). To establish stable paths across lossy links, RPL considers the costs obtained from metrics for routing decision making. Among these, ETX (Expected Transmission Count) is the most widely used, due to reliability. However, intermediate nodes (where bottlenecks arise) are still harmed due to the rapid exhaustion, thus prompting routing efficiency further investigation. In these terms, this work sought to increase the operation time of these nodes, based on the hypothesis that the estimated energy consumption of the network interface, converted to metric cost, could extend the lifetime of LLNs and increase the packet delivery. These objectives were achieved with several experiments performed in different simulated scenarios, which ended in a new routing metric. Therefore, this document presents the NIAP (Network Interface Average Power), a promising alternative to the ETX metric, which contributes to load balancing, extends the operation time of intermediate nodes, and increases the packet delivery ratio in LLNs.

Climate variability causes the hydroological system to be dynamic on a range of time scales. Putting strain on the system in the past through flood and drought situations. The effects of current climate variability may be exacerbated by anthropogenic global warming. The first attempt was to validate 16 satellite-based precipitation products (SPPs) comprising satellite, gauge and reanalysis datasets. The datasets were validated with the precipitation data from 11-gauge reference stations across Nigeria from 2000–2012. This became important after it was discovered that accurate and timely precipitation data for the study area was lacking. The Kling–Gupta efficiency (KGE) was used to test the product for correlation, bias and variability. The results revealed that the substantial SPP reliability varies spatially and temporally. It was discovered that all the SPPs performed better over part of central Nigeria during the dry season. When the real-time and adjusted satellite-based products were compared, the results showed that the adjusted products had a better KGE score. The Assessment also showed that the reliability of integrated multi-satellite retrievals for Global Precipitation Mission (IMERG) products was consistent with that of their predecessor Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) multi-satellite precipitation analysis (TMPA). Finally, the best overall scores were obtained from multi-source weighted-ensemble precipitation (MSWEP) v.2.2 and IMERG-F v.6. Both products are therefore suggested for further hydrological studies.Secondly, the Standard Precipitation Index (SPI) and the Standard Precipitation and Evapotranspiration Index (SPEI) were used to evaluate the drought situation across Nigeria between 1981-2019 to determine the strength and pattern of drought in the study area. SPI evaluates drought based solely on precipitation. SPEI, in contrast to SPI, considers both temperature and precipitation, partially accounting for the effects of global warming and climate change. The Assessment of the level of agreement between SPI and SPEI at various timescales, i.e. (3,6 and 12 months), revealed a high correlation of r=0.94. The Assessment revealed that there were intense drought episodes between 1982 to 1984. Several drought types were present across the study area and in all the timescales. The highest intensity was determined to have occurred in 1983. However, the last extreme drought event was determined in 2016. As a result, it was determined that the frequency of severe and extreme drought has recently reduced. However, the frequency of moderate droughts persists, especially at the 3-months timescales. According to the results of this study, there is generally a satisfactory agreement between SPI and SPEI ratings in the study area. Thirdly, the climatic influence on evapotranspiration (ET), a critical climate indicator in studying climate change due to its contribution to the hydrologic cycle and the energy balance, was assessed. The Assessment was to reveal the influence of climatic variables such as temperature, precipitation, solar radiation, and wind against evapotranspiration changes to determine their impacts on ET across Nigeria using the Mann–Kendall (MK) trend test estimator for trend detection. The MK results showed that solar radiation and temperature had more influence on the ET of the study area in terms of their correlation and magnitude.In conclusion, natural climate change is more prevalent despite anthropogenic activities’ large expanse of land use change. Solar radiation and temperature are the prominent factors exacerbating evapotranspiration in the study area. Additionally, the study area’s limited precipitation duration experience in the Sahel and Sudan Savannah ecological region aggravates hydroecological degradation.; La variabilité du climat a un effet sur le système hydrologique sur différentes échelles de temps. Il a été mis à rude épreuve dans le passé par des situations d'inondation et de sécheresse. La première tentative a été de valider 16 produits de précipitation par satellite (SPP) comprenant des données satellitaires, des jauges et des données de réanalyse. Les ensembles de données ont été validés avec les données de précipitation de 11 stations de référence à travers le Nigeria de 2000 à 2012. Ceci est devenu important après qu'il ait été découvert que les données de précipitation précises et opportunes pour la zone d'étude faisaient défaut. L'efficacité de Kling-Gupta (KGE) a été utilisée pour tester la corrélation, le biais et la variabilité du produit. Les résultats ont révélé que la fiabilité substantielle du SPP varie dans l'espace et dans le temps. Il a été découvert que tous les SPP sont plus performants sur une partie du centre du Nigeria pendant la saison sèche. Lorsque les produits satellitaires en temps réel et ajustés ont été comparés, les résultats ont montré que les produits ajustés avaient un meilleur score KGE. L'évaluation a également montré que la fiabilité des récupérations multi-satellites intégrées pour les produits IMERG (Global Precipitation Mission) était cohérente avec celle de leur prédécesseur TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), l'analyse multi-satellites des précipitations (TMPA). Enfin, les meilleurs résultats globaux ont été obtenus avec les produits multi-source weighted-ensemble precipitation (MSWEP) v.2.2 et IMERG-F v.6.Deuxièmement, l'Indice Standard de Précipitation (SPI) et l'Indice Standard de Précipitation et d'Evapotranspiration (SPEI) ont été utilisés pour évaluer la situation de sécheresse à travers le Nigeria entre 1981-2019 afin de déterminer la force et le modèle de sécheresse dans la zone d'étude. L'indice SPI évalue la sécheresse en se basant uniquement sur les précipitations. Le SPEI, contrairement au SPI, prend en compte à la fois la température et les précipitations, rendant partiellement compte des effets du réchauffement global et du changement climatique. L'évaluation du niveau de concordance entre SPI et SPEI à différentes échelles de temps, c'est-à-dire (3,6 et 12 mois), a révélé une corrélation élevée de r=0.94. L'évaluation a révélé qu'il y a eu des épisodes de sécheresse intense entre 1982 et 1984. Plusieurs types de sécheresse étaient présents à travers la zone d'étude et dans toutes les échelles de temps. L'intensité la plus élevée a été déterminée comme ayant eu lieu en 1983. Cependant, le dernier épisode de sécheresse extrême a été déterminé en 2016. Par conséquent, il a été déterminé que la fréquence des sécheresses sévères et extrêmes a récemment diminué. Cependant, la fréquence des sécheresses modérées persiste, surtout aux échelles de temps de 3 mois. Selon les résultats de cette étude, il existe généralement une concordance satisfaisante entre les cotes SPI et SPEI dans la zone d'étude. Troisièmement, l'influence climatique sur l'évapotranspiration (ET), un indicateur climatique critique dans l'étude du changement climatique en raison de sa contribution au cycle hydrologique et au bilan énergétique, a été évaluée. L'évaluation visait à révéler l'influence des variables climatiques telles que la température, les précipitations, le rayonnement solaire et le vent sur les changements de l'évapotranspiration afin de déterminer leurs impacts sur l'ET à travers le Nigeria en utilisant l'estimateur du test de tendance de Mann-Kendall (MK) pour la détection des tendances. Les résultats de MK ont montré que le rayonnement solaire et la température avaient plus d'influence sur l'ET de la zone d'étude en termes de corrélation et de magnitude.En conclusion, le changement climatique naturel est plus prévalent malgré la grande étendue des activités anthropiques de changement d'utilisation des terres.

The land area of the Earth greatly influences climate dynamics through biogeophysical and biogeochemical processes. These processes concern, respectively, the exchange of energy and water, and the exchange of greenhouse gasses (GHGs) such as CO2, CH4 and N2O, between land systems and the atmosphere. By using the Earth’s land surface, humans have greatly altered it – leading to significant environmental impacts. Historically, climate change has mostly been caused by fossil fuel combustion. Land use, land-use change and forestry (LULUCF) have caused an estimated 34% of cumulative anthropogenic CO¬2 emissions since 1750. At the same time, agriculture is responsible for about 13% of global GHG emissions in the form of non-CO2 GHG emissions. The importance of land and land use in climate dynamics means that land has a role in preventing dangerous climate change. First, it is essential to significantly reduce the 23% of annual GHG emissions from the agriculture, forestry and other land use (AFOLU) sector to make ambitious climate targets feasible. Second, land is key to various techniques to remove carbon from the atmosphere (so-called negative emissions or carbon dioxide removal (CDR)). In this thesis, a large portfolio of land-based mitigation measures is assessed in the context of different land-use futures. In addition, detailed analysis are provided on two key land-based mitigation measures: afforestation, and peatland protection and restoration. In addition to climate, land is central to many other sustainable development issues and environmental challenges. For example, it is essential for the provision of resources such as food, energy and water, as well as to sustain terrestrial biodiversity, as also recognized in the Sustainable Development Goals and the planetary boundaries. A useful approach to study different dimensions of sustainable development and environmental change is the nexus concept which recognizes that components of a system are inherently interconnected and must be investigated and managed in an integrated, holistic manner. In this thesis, the water-land-energy-food-climate (WLEFC) nexus is addressed, taking into account trade-offs and synergies between these different systems in achieving multiple goals. Scenario analysis can be used to explore the role of land use in climate change and climate change mitigation, and for other societal goals related to the WLEFC nexus. An important ambition of the scientific community is to develop scenarios that achieve both climate and other environmental and sustainability goals such as the PBs and the SDGs. In this thesis, we use exploratory scenarios that investigate how the future might develop under pre-defined assumptions, as well as normative scenarios that aim for pre-defined targets and describe pathways that could achieve these goals. Examples of targets are stabilizing global warming, nature protection or limits to water extraction. These scenarios are developed using the IMAGE integrated assessment model framework.

Contemplating the Meuse or any other river of the world, one may wonder about the journey of rain in becoming river. This fascinates hydrologists, as they develop theories to understand movement, storage and release of water through the landscape across climates. These theories are translated to hydrological models, which describe the complex reality in a simpler way. Models are then used to predict the hydrological cycle for the nearby or long-term future. This thesis aims to assist the Dutch Ministry of Infrastructure and Water Management in improving the reliability of hydrological modeling of the Meuse basin for operational and policy applications. Using in-situ and remote-sensing data, the value of representing additional processes in models is explored, as well as the creative use of additional data to improve hydrological predictions. First, water balance data is used to identify the potential presence of intercatchment groundwater flows (Chapter 3). These underground flow paths cross topographic catchment boundaries and mainly play a role in headwater catchments (< 500 km2) of the Meuse basin, which are underlain by productive aquifers. Representing this flux as a preferential threshold-initiated process improves low and high flow model performance and increases the consistency between modeled and remote-sensing estimates of actual evaporation. Besides the importance of quantifying the long-term hydrological partitioning of precipitation into streamflow, evaporation and potentially intercatchment groundwater flows, another key element of the hydrological response is the amount of water available in the root-zone of vegetation. The temporal dynamics of root-zone soil moisture control how much more water can be stored in the soil and how much water is available for transpiration. In Chapter 4, meaningful estimates of root-zone soil moisture are inferred from satellite observations of near-surface soil moisture, by establishing a link between the catchment-scale root-zone storage capacity and the Soil Water Index. Interestingly, hydrological models with different internal process representations of root-zone soil moisture, evaporation, snow and total storage at the catchment scale may lead to a similar aggregated streamflow response (Chapter 5). This discrepancy implies that models are not necessarily providing the right answers for the right reasons, as they cannot simultaneously be close to reality and different from each other. To circumvent the uncertainty of process representation, which is inherent to hydrological science, the use of multiple model structures is advocated for operational and policy applications. Nonetheless, testing the consistency between modeled hydrological behavior and independent remote-sensing data can foster model developments and lead to creating better models. Finally, we move beyond the use of historical in-situ and remote-sensing data to predict long-term hydrological behavior of the Meuse basin under projected global warming (Chapter 6). If environmental conditions change, it is likely to also assume ecosystem adaptation in response to climate change and a potential natural and/or anthropogenic shift in dominant species across the landscape. Non-stationarity in the representation of hydrological systems is introduced in a process-based model with three hydrological response units to account for the spatial variability of hydrological processes. More specifically, we adapt the root-zone storage capacity parameter using the information contained in the projected climate data. This is an important step forward in the great challenge of hydrological predictions under change. Despite data uncertainties and a lack of data at the required temporal and spatial resolutions, many possibilities are at hand with what is currently available to develop new theories, test and improve hydrological models. Requiring creativity, this is a beautiful challenge to further unravel the mysteries of the hydrological landscape.

Os avanços tecnológicos na área da Internet das Coisas têm vindo a criar cada vez mais soluções na área da agricultura. Estas soluções são bastante importantes para a vida, uma vez que conduzem à poupança do recurso mais precioso, a água, sendo esta necessidade de poupar água uma preocupação mundial. A dissertação propõe a criação de um sistema Internet das Coisas, baseado numa rede de sensores e actuadores interligados que monitorizam automaticamente a qualidade da água da chuva que é armazenada dentro de um tanque, a fim de ser utilizada para irrigação. O principal objectivo é promover a sustentabilidade, reutilizando a água da chuva para sistemas de irrigação, em vez da água que normalmente está disponível para outras funções, tais como outras produções ou mesmo tarefas domésticas. Foi desenvolvida uma aplicação móvel, para o Android, para que o utilizador possa controlar e monitorizar o seu sistema, em tempo real. Na aplicação é possível visualizar os dados que traduzem a qualidade da água inserida no tanque, bem como realizar algumas acções sobre os actuadores implementados, tais como iniciar/parar o sistema de rega e despejar a água em caso de má qualidade da água. O sistema implementado traduz uma solução simples com um elevado nível de eficiência e testes e resultados obtidos, dentro do ambiente possível. The technological advances in the area of Internet of Things have been creating more and more solutions in the area of agriculture. These solutions are quite important for life, as they lead to the saving of the most precious resource, water, being this need to save water a concern worldwide. The dissertation proposes the creation of an Internet of Things system, based on a network of sensors and interconnected actuators that automatically monitors the quality of the rainwater that is stored inside a tank, in order to be used for irrigation. The main objective is to promote sustainability by reusing rainwater for irrigation systems, instead of water that is usually available for other functions, such as other productions or even domestic tasks. A mobile application was developed, for Android, so that the user can control and monitor his system, in real time. In the application it is possible to visualize the data that translate the quality of the water inserted in the tank, as well as perform some actions on the implemented actuators, such as start/stop the irrigation system and pour the water in case of poor water quality. The implemented system translates a simple solution with a high level of efficiency and tests and results obtained, within the possible environment

An increasing number of countries have begun putting focus on developing a bioeconomy strategy. The bioeconomy provides a new concept with the aim to design a sustainable economy, which is knowledge-based and based on the use of biological resources. This entails on the one hand higher production of biomass and on the other tighter networks of traditional, national and international institutions. Institutional networks are pivotal for the sustainable production and use of biological resources, as well for the development of innovative biological processes and principles to exploit the potential of biomass. This thesis explores three pivotal aspects needed to take advantage of the considerable untapped potential of the bioeconomy. The first case study aims to identify the determinants of the persisting low maize yields in northern Ghana, despite the introduction of a fertilizer subsidy program. The policy is largely regarded as an instrument to increase crop productivity and contribute to food security. The second empirical study explores the role of female-led market institutions in Ghana. Marketing is central to the development of the bioeconomy and as such, trader organizations have a key role to play the value chain. The third case study investigates, taking sugarcane as a case study example, how well Brazil, the world’s leader in sugarcane production, is positioned to realize the shift from a fossil-based to a bio-based economy (bioeconomy). The two case study countries Ghana and Brazil were chosen because of their comparable net primary productivity and pedo-climatic conditions, and because of their different stages in the realization of the bioeconomy. Two components are pivotal to the success of the bioeconomy: biomass and knowledge. Based on two case studies in Ghana, this thesis investigates first the efforts to increase maize productivity in the Guinea savanna and secondly explores the role of collective action groups as central actors to address the sustainability dimension of the bioeconomy. Brazil has successfully implemented pivotal aspects of the bioeconomy, especially in the sugarcane sector. For this reason it lends itself well to analyze the role of institutions and networks in the development of new processes and products. This study adopts a mixed methods approach to address three key aspects of the development of the bioeconomy: production, marketing, and the overall innovation system. Data collection and analysis included qualitative and quantitative methods from various disciplines. The findings are presented in three papers, which this cumulative thesis is composed of. The first paper adopts a multidisciplinary approach. A household survey, in-depth interviews, and focus group discussions served to gather data on the socio-economic challenges of maize production in the Guinea savanna. Additionally, soil and fertilizer samples were analyzed to identify natural constraints and potential governance challenges. The results from this paper show that both socio-economic and biophysical parameters contribute to an improved understanding of site-specific challenges, resulting in low maize productivity in the Guinea savanna of Ghana. The second paper explores the role of female-led market associations across regions, ethnicities, and market typologies throughout Ghana. For this study a qualitative approach was chosen with participant observation and in-depth open-ended interviews conducted with traders, both in and out of leadership positions. The results could not empirically confirm the prevailing discourse on the monopolizing power of female-led market associations. The study rather finds that traders’ collective action provides vital safety-net measures for asset-poor women engaging in risky market activity. However, the public perception is challenging female trader agencies. The third paper analyzes the role of institutions and focuses on the innovation networks in the sugarcane sector in Brazil. The study combines the novel concept of ‘biomass value-webs’ with the established National Innovation System concept. For data collection, in-depth interviews and Net-Maps as a participatory tool were applied. The results illustrate the importance of innovation networks for Brazil to become a front-runner in the future bioeconomy. In particular, it emphasizes the importance of integrating national and international private sector organizations, and the need for incentives to foster collaboration with knowledge institutions. Based on these findings, one can conclude that strengthening the efforts to tailor site-specific solutions that consider the inter-disciplinary nature of crop production, marketing and development of processes is crucial to the bioeconomy. Overall, more attention to innovation networks is required to master the challenges of the bioeconomy and take full advantage of its opportunities. Eine steigende Anzahl an Ländern hat damit begonnen, eine eigene Bioökonomiestrategie auszuarbeiten. Die Bioökonomie stellt ein neuartiges ökonomisches Konzept dar, das zum Ziel hat, ein nachhaltiges, wissensbasiertes Wirtschaftssystem zu schaffen, das auf der Nutzung biologischer Ressourcen basiert. Auf der einen Seite beinhaltet dieses Konzept eine höhere Produktion von Biomasse. Gleichzeitig ist es auf engere Kollaborationen zwischen nationalen und internationalen Institutionen angewiesen. Institutionelle Netzwerke sind wichtig für die nachhaltige Produktion und Nutzung biologischer Ressourcen sowie die Entwicklung innovativer biologischer Prozesse und Prinzipien. Diese Dissertation betrachtet drei Schlüsselaspekte, um das erhebliche noch ungenutzte Potential der Bioökonomie zu erschließen. Die erste Fallstudie hat zum Ziel, die Gründe für die andauernd niedrigen Maiserträge trotz der Einführung eines Düngersubventionsprogramms in Nordghana zu erforschen. Diese Politikmaßnahme wird weithin als Instrument betrachtet, Getreideproduktivität zu erhöhen und zur Ernährungssicherheit beizutragen. Die zweite empirische Studie untersucht die Rolle von traditionellen Marktfrauenverbänden in Ghana. Marketing ist ein zentraler Aspekt in der Entwicklung der Bioökonomie, weswegen Handelsorganisationen eine Schlüsselrolle innerhalb der Wertschöpfungskette spielen. Die dritte Fallstudie nimmt Zuckerrohr als Beispiel dafür, wie sich Brasilien als der Weltmarktführer in der Zuckerrohrproduktion positioniert, um den Wandel von einem fossilen zu einem biobasierten Wirtschaftssystem zu vollziehen. Die zwei Länder Ghana und Brasilien wurden als Fallbeispiele gewählt, weil sie eine vergleichbare Nettoprimärproduktivität und vergleichbare pedo-klimatische Bedingungen aufweisen, sich jedoch auf unterschiedlichen Stufen in der Realisierung der Bioökonomie befinden. Zwei Faktoren sind zentral für eine erfolgreiche Entwicklung der Bioökonomie: Biomasse und Wissen. Basierend auf zwei Fallstudien in Ghana untersucht diese Dissertation zuerst die Bemühungen, die Maisproduktivität in der Guinea-Savanne zu erhöhen, und zum zweiten die Rolle von gemeinschaftlich handelnden Gruppen als zentrale Akteure für die Nachhaltigkeit der Bioökonomie. Brasilien hat wichtige Aspekte einer Bioökonomie bereits erfolgreich implementiert, speziell im Zuckerrohrsektor. Deshalb bietet es sich an, in diesem Kontext die Rolle von Institutionen und Netzwerken in der Entwicklung neuer Prozesse und Produkte zu analysieren. Diese Studie setzt qualitative wie auch quantitative Methoden ein, um die drei wesentlichen Aspekte in der Entwicklung der Bioökonomie – Produktion, Marketing und das gesamte Innovationssystem – zu adressieren. Die Datenerhebung und -analyse beinhalten Methoden aus verschiedenen Disziplinen. Die Ergebnisse werden in drei Artikeln dargestellt, die gemeinsam diese kumulative Dissertation bilden. Der erste Artikel arbeitet mit einem interdisziplinären Ansatz. Eine Haushaltsumfrage, Tiefeninterviews und Fokusgruppendiskussionen wurden genutzt, um Daten zu den sozioökonomischen Herausforderungen in der Maisproduktion in der Guinea-Savanne zu erheben. Zusätzlich wurden Boden- und Düngerproben analysiert, um natürliche Einschränkungen und gegebenenfalls bestehende ordnungspolitische Herausforderungen zu identifizieren. Die Ergebnisse dieses Artikels zeigen, dass sowohl sozioökonomische wie auch biophysikalische Parameter eine Rolle spielen für ein verbessertes Verständnis standortsspezifischer Herausforderungen, die zu geringer Maisproduktivität in der Guinea-Savanne Ghanas, führen. Der zweite Artikel untersucht – über Regionen, Ethnien und Marktformen hinweg – die Rolle von Marktfrauenverbänden. Für diese Studie wurde ein qualitativer Ansatz gewählt, der teilnehmende Beobachtung und offene Tiefeninterviews mit Händlerinnen beinhaltet. Dieser Artikel konnte den vorherrschenden Diskurs zur Monopolmacht von Marktfrauenverbänden in Ghana nicht empirisch belegen. Die Studie zeigt vielmehr, dass das kollektive Handeln von Marktfrauen zur Schaffung von Sicherheitsnetzen für vermögensschwache Frauen, die an riskanten Marktaktivitäten teilhaben, beiträgt. Der öffentliche negative Diskurs stellt die Marktfrauenverbände jedoch vor Herausforderungen. Der dritte Artikel analysiert die Rolle von Institutionen und ist fokussiert auf Netzwerke im Zuckerrohrsektor in Brasilien. Diese Studie verbindet das innovative Konzept von „Biomass Value-Webs“ mit dem des „Nationalen Innovationssystems“. Zur Datenerhebung wurden Tiefeninterviews sowie – als partizipative Methode – Net-Maps angewandt. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Innovationsnetzwerken für Brasilien, wenn es ein Vorreiter der künftigen Bioökonomie werden möchte. Sie betonen besonders die Notwendigkeit, nationale und internationale Organisationen des Privatsektors zu integrieren und Anreize zur Zusammenarbeit mit Wissensinstitutionen zu schaffen. Basierend auf diesen Ergebnissen kommt diese Dissertation zu der Schlussfolgerung, dass standortspezifische Lösungen unter Beachtung der Multidisziplinarität von Nutzpflanzenproduktion, Marketing und der Entwicklung von Innovationsprozessen entscheidend sind für den Erfolg der Bioökonomie und gestärkt werden sollten. Schließlich sollte auch Innovationsnetzwerken mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden, um den Herausforderungen der Bioökonomie zu begegnen und um das Potenzial der Bioökonomie bestmöglich auszuschöpfen.