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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.

The vocational training course program “Agriculture in Responsibility for our common World” organised within the frame of the Banat Green Deal Project “GreenERDE” (Education and Research in the context of the digital and ecological transformation of agriculture in the Banat Region and Baden-Württemberg - towards resource efficiency and resilience) and delivered between June 2021 and May 2022 targets the knowledge and experience transfer to the farmer community in the Banat Region, Romania and other parts of the world. Current and future challenges, such as the ecological conversion and digital transformation of agricultural production, but also social, economic and cultural aspects haven been addressed transcending prevailing patterns. The innovative and relevant knowledge originating from practice, experiments, research or development projects throughout Europe and other continents is presented in a training format for interested participants. Das im Rahmen des Banat Green Deal Projekts „GreenERDE“ (Bildung und Forschung im Kontext der digitalen und ökologischen Transformation des Agrarbereichs im Banat und Baden-Württemberg - auf dem Weg zu Ressourceneffizienz und Resilienz) von Juni 2021 bis Mai 2022 durchgeführte Fortbildungsprogramm „Landwirtschaft in Verantwortung für unsere gemeinsame Welt“), zielt auf den Wissens- und Erfahrungstransfer unter Landwirten und anderen interessirten Personen in der Banat-Region, Rumänien und anderen Teilen der Welt ab. Aktuelle und zukünftige Herausforderungen, wie die ökologische Umstellung und die digitale Transformation der landwirtschaftlichen Produktion, aber auch soziale, wirtschaftliche und kulturelle Aspekte wurden jenseits vorherrschender Muster adressiert. Das innovative und relevante Wissen aus Praxis, Forschungs- oder Entwicklungsprojekten in ganz Europa und anderen Kontinenten wird in einem Trainingsformat für interessierte Teilnehmer präsentiert.

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.

Resource-efficient perennial cultivation systems are considered promising sources of sustainably produced biomass to meet the growing demand of a future European bioeconomy. They require fewer agricultural procedures than annual systems, contribute to an increase in soil carbon sequestration and can be productive on marginal land. In Europe, the C4 grass miscanthus is the most prominent and best researched perennial crop for lignocellulosic biomass production. Recently, wild plant mixtures (WPM) have been suggested as a more diverse alternative system. Perennial cultivation systems have already been the subject of multiple sustainability assessments, with life cycle assessment (LCA) being the method most commonly used. This method aims to provide a holistic depiction of the environmental performance of a system. However, two challenges are usually encountered. First, results of agricultural LCAs very much depend on site- and management-specific characteristics. Parameters such as biomass yield, quantity of fertiliser applied and carbon sequestered can vary considerably, impairing the applicability of the method. Second, most of these studies focus on greenhouse gas emissions only. Land use impacts on biodiversity are commonly neglected, casting doubt on the comprehensiveness that LCA is trying to achieve. This thesis aims to advance the applicability and comprehensiveness of LCA of perennial cultivation systems. For this purpose, it focuses on three aspects relevant to the assessment of such systems, each of which was addressed by a dedicated research question: 1) How can the conducting and application of LCAs of perennial cultivations systems be simplified? 2) Which methodological approaches are best suited for the consideration of carbon sequestration and storage in LCAs of perennial cultivation systems? 3) How can land use impacts of perennial cultivation systems on biodiversity best be incorporated into the LCA framework? These questions were answered by applying the LCA method to perennial cultivation systems in three case studies, using specific approaches for the inclusion of sensitivity analysis and the evaluation of carbon sequestration and storage. In addition, information on the biodiversity impacts of perennial crop cultivation was collated by means of a meta-analysis which compared species richness and abundance in annual and perennial crop cultivation systems. Due to the variability of agricultural systems, the life cycle inventory phase can be quite intricate. Thus, the conducting of an LCA can be substantially simplified by focusing on a few relevant inputs and outputs only. In this thesis a global sensitivity analysis was used to identify the most important inventory parameters in the greenhouse gas assessment of miscanthus cultivation: carbon sequestration, biomass yield, length of the cultivation period, nitrogen and potassium fertiliser application, and the distance over which the harvested biomass is transported. Focusing on these inventory parameters, a simplified model was developed. It allows farmers and SME active in miscanthus-based value chains easy access to customised LCA results. This thesis includes a detailed analysis of the relevance of carbon sequestration and storage in the sustainability assessment of perennial cultivation systems. It was found that the quantity and in particular the permanence of carbon sequestered through the cultivation of perennial crops are critical for their favourability in terms of global warming impacts. Two alternative methodological approaches for the quantification of carbon sequestered were tested within two of the case studies – a simple carbon model and an allometric approach. In addition, the handling of the uncertain permanence of the carbon storage was reflected upon. The approaches were compared with regard to their suitability for use by typical LCA practitioners. It was concluded that allometric models should be used for the quantification of carbon sequestered and the corresponding amount accounted for as delayed emissions. This combination provides a manageable approach for the accounting of benefits from carbon sequestration and storage, and also prevents their overestimation. Established impact assessment methods such as ReCiPe2016 suggest characterisation factors for the incorporation of land use impacts on biodiversity into LCA. These factors use relative species richness as an indicator and assume a higher species richness in perennial than annual cultivation systems. This thesis includes a critical review of these characterisation factors, drawing on the results of the meta-analysis comparison of species richness in annual arable crops and perennial rhizomatous grasses. The meta-study did not confirm a higher number of species in perennial rhizomatous grasses than in annual arable crops. It was concluded that LCA studies on perennial cultivation systems need to be cautious in their application of the land use characterisation factors suggested in present-day impact assessment methods. Criticisms of the approach include the application of one single characterisation factor for diverse perennial cultivation systems such as WPM and miscanthus and the sole focus on species richness. In future, LCA research should focus on context-specific adjustment options for land use characterisation factors to ensure an adequate representation of biodiversity impacts in agricultural LCAs. Finally, the current focus on species richness in biodiversity impact assessment needs to be reassessed. Mehrjährige Anbausysteme werden als vielversprechende Quellen für nachhaltig produzierte Biomasse für eine europäische Bioökonomie betrachtet. Diese Systeme nutzen Ressourcen effizient und benötigen weniger Kulturmaßnahmen als einjährige Anbausysteme. Sie können zu einer verstärkten Kohlenstoffsequestrierung im Boden beitragen und auf marginalem Land angebaut werden. Miscanthus ist das meist untersuchte mehrjährige Anbausystem für die Bereitstellung lignocellulose-haltiger Biomasse in Europa. In den letzten Jahren wurden zunehmend auch mehrjährige Wildpflanzenmischungen (WPM) als alternative Systeme vorgeschlagen. Mehrjährige Anbausysteme wurden im Rahmen zahlreicher Studien bereits Nachhaltigkeitsbewertungen unterzogen. Meist wird hierfür die Methode der Ökobilanzierung (LCA) verwendet. Diese zielt auf eine ganzheitliche Darstellung der Umweltauswirkungen eines Systems ab. Dabei treten oftmals zwei Schwierigkeiten auf: Einerseits hängen die Resultate von agrarischen LCAs stark von Standort- und Management-spezifischen Charakteristika ab. Parameter wie der Biomasseertrag, die Menge der eingesetzten Düngemittel sowie des sequestrierten Kohlenstoffs variieren beträchtlich. Dies erschwert die Anwendbarkeit der LCA sowie der Nutzung der Resultate. Anderseits beschränken sich die Studien zumeist auf die Untersuchung der Treibhausgasemissionen. Durch Landnutzung bedingte Biodiversitätsauswirkungen werden oftmals vernachlässigt, wodurch die Ganzheitlichkeit des Ansatzes in Frage gestellt wird. Ziel dieser Arbeit ist es, die Anwendbarkeit und Ganzheitlichkeit von LCAs mehrjähriger Anbausysteme zu fördern. Hierzu wurde das Augenmerk auf drei relevante Aspekte der Bewertung dieser Systeme gelegt: 1) Wie kann die Durchführung und Anwendung von LCA mehrjähriger Anbausystemen vereinfacht werden? 2) Welche methodischen Herangehensweisen eignen sich für die Betrachtung von Kohlenstoffsequestrierung und –speicherung in LCAs mehrjähriger Anbausysteme? 3) Welche Herangehensweisen eignen sich für die Abbildung landnutzungsbedingter Biodiversitätsauswirkungen in LCAs mehrjähriger Anbausysteme? Um diese Fragen zu beantworten, wurde die LCA-Methode im Rahmen dreier Fallstudien auf mehrjährige Anbausysteme angewandt. Dabei wurden verschiedene Herangehensweisen zur Durchführung von Sensitivitätsanalysen und der Bewertung der Kohlenstoffsequestrierung genutzt. Zusätzlich wurden Informationen über Biodiversitätsauswirkungen mehrjähriger Anbausysteme zusammengefasst. Hierzu wurde eine Meta-Analyse durchgeführt, in welcher der Artenreichtum in ein- und mehrjährigen Anbausystemen verglichen wurde. Bedingt durch die Variabilität von Agrarsystemen kann die Erstellung einer Sachbilanz (LCI) aufwendig sein. Durch die Fokussierung auf wenige wesentliche Parameter kann die Durchführung einer LCA stark vereinfacht werden. In dieser Arbeit wurden mithilfe einer globalen Sensitivitätsanalyse die wichtigsten Parameter für die Erstellung eines Treibhausgas-Assessments des Miscanthusanbaus identifiziert: Kohlenstoffsequestrierung, Biomasseertrag, Dauer der Anbauperiode, Stickstoff- und Kaliumgabe und die Transportdistanz des Ernteguts. Basierend auf diesen Parametern wurde ein vereinfachtes Modell entwickelt. Landwirte sowie Unternehmen, die Teil von Miscanthus-basierten Wertschöpfungsketten sind, bekommen somit einen einfachen Zugang zu individuell anpassbaren LCA Resultaten. Die Bedeutung der Kohlenstoffsequestrierung für die Nachhaltigkeitsbewertung von mehrjährigen Anbausystemen wurde in dieser Arbeit detailliert analysiert. Quantität und vor allem Dauerhaftigkeit der Kohlenstoffspeicherung während des Anbaus mehrjähriger Pflanzen sind zentrale Faktoren für die Vorzüglichkeit dieser Systeme in Bezug auf die Auswirkungen auf die globale Erwärmung. Zwei Herangehensweisen zur Quantifizierung der Kohlenstoffspeicherung wurden im Rahmen zweier Fallstudien getestet – ein einfaches Kohlenstoffmodell sowie eine allometrische Abschätzung. Ergänzend wurde der Umgang mit einer fraglichen Dauerhaftigkeit der Kohlenstoffspeicherung kritisch reflektiert. Die Herangehensweisen wurden im Hinblick auf ihre Eignung für die Nutzung durch LCA-Anwender verglichen. Es wurde empfohlen, allometrische Modelle für die Quantifizierung der Kohlenstoffspeicherung heranzuziehen und die resultierende Kohlenstoffmenge als zeitlich verzögerte Emission zu erfassen. Diese Kombination stellt ein handhabbares Vorgehen für die Betrachtung von Vorteilen aus der Kohlenstoffsequestrierung dar und verhindert deren Überbewertung. Etablierte Wirkungsabschätzungsmethoden (LCIA-Methoden) wie ReCiPe2016 beinhalten Charakterisierungsfaktoren (CF) für die Berücksichtigung landnutzungsbedingter Biodiversitätsauswirkungen. Diese nutzen den relativen Artenreichtum einer Landnutzung als Indikator und gehen von einem höheren Maß an Artenreichtum in mehrjährigen als in einjährigen Anbausystemen aus. In der Meta-Studie konnten für die mehrjährigen Anbausysteme keine signifikant höheren Artenzahlen nachgewiesen werden. Daher wird empfohlen, die in den etablierten LCIA-Methoden vorgeschlagenen CF für die Bewertung mehrjähriger Anbausysteme nur vorsichtig zu nutzen. Die Nutzung eines einzigen CF für diverse mehrjährige Anbausysteme wie Miscanthus und WPM sowie der starke Fokus auf den Indikator Artenreichtum stellen Defizite dar. Zukünftig sollte auf eine kontext-abhängige Anpassung der CF hingewirkt werden, um eine adäquate Darstellung der Biodiversitätsauswirkungen in agrarischen LCAs zu ermöglichen. Abgesehen hiervon sollte der Fokus auf die Verwendung des Artenreichtums als Biodiversitätsindikator überdacht werden.

In 2016, 2.01 billion tonnes of solid waste were generated worldwide. The volume of waste is expected to grow to 3.40 billion tonnes by 2050. Worldwide, most solid waste is disposed of in landfills or dumps. Due to improper treatment and disposal of solid waste, nearly 1.6 billion tonnes of CO2 equivalents of greenhouse gas emissions were generated worldwide in 2016. This amount is expected to rise to 2.6 billion tonnes of CO2 equivalents per year by 2050. It will therefore become increasingly important in the future not only to treat waste sustainably, but also to use it as an alternative to fossil fuels. Different waste-to-energy concepts are used, particularly for the treatment of OFMSW. As an alternative to the previously dominant biogas production, intensive research is currently being carried out into technologies for the recycling of organic residual materials, including so-called bio-electric systems (BES). In contrast to biogas production, this technology enables the treatment of a wide range of wastes to produce different end products, e.g. electrical energy, hydrogen or methane, can be preferred in BES depending on the selected process parameters. Despite numerous advances in research, considerable additional optimization is still required in order to be able to use the systems in large-scale power generation. In order to use solid organic waste in BES systems, fermentative digestion is required to convert the organic components into dissolved short-chain organic acids (Volatile Fatty Acids (VFA)) and alcohols. In the course of the investigations, the solid waste residues were first digested to acid-rich hydrolysate in a hydrolysis reactor at pH-values of 5.5 and 6.0. However, this hydrolysate also contains particles that are inert to a subsequent degradation step leading to technical process disturbances. These inert particles can be removed by means of a membrane filtration step; a particle-free permeate is produced, which can be fed to the BES reactors. Within the scope of the present work, the basics of the utilization of OFMSW via microbial digestion, membrane filtration and utilization in BES should be investigated. Lab-scale BES reactors were developed and batch tests were carried out. The vegetable waste residues from hydrolysis could be efficiently converted into hydrolysate. At a pH value of 6.0, higher organic acid concentrations were achieved than at pH 5.5. At pH 6.0, based on the added organic dry matter, these were approx. 350 g kg-1 (oDMadded) and at pH 5.5 approx. 215 g kg-1 oDMadded. Likewise, the concentration of chemical oxygen demand (COD) of the hydrolysate at pH 6.0 was 21.85 % higher than at pH 5.5. However, the COD degradation rates in the AF used were insufficient because the inert particles present in the hydrolysate could not be completely microbially degraded. The subsequent integration of ceramic cross-flow membrane filtration into the two-stage system produced a particle-free permeate and significantly the increased microbial degradability. Clear differences could be shown depending on the substrate used (plant waste and grass/maize silage). The filtration step resulted in a significant improvement of the specific methane yield of permeate by 40% (vegetable waste) and 24.5% (grass/maize silage) compared to hydrolysate; proof that inert particles were separated efficiently. Finally, the process liquids hydrolysate and permeate produced by the hydrolysis of maize silage and the subsequent membrane filtration were fed to the anode chamber of two mixed-culture BES reactors. The investigations showed that all organic acids in both process liquids could be completely degraded in the BES. The highest COD (87%) and TOC degradation rates (88%) were achieved with permeate. However, the hydrolysate with added acetic acid yielded the highest current density of 470 µA/cm². Increasing the pH-value of the process liquids from 5.75 to 6.8 also significantly improved the current production and degradation rates. In this batch studies, relatively low Coulomb efficiencies of less than 10% were achieved due to the use of a mixed cultures. The promising results show that at high pH-values (pH 6.0) in hydrolysis organic residues can be efficiently converted into a hydrolysate with high concentrations of organic acids and that the system can be further optimized by coupling membrane filtration. The utilization of the permeate in BES enables, a sustainable production of bioenergy and platform chemicals with permeate enables, depending on the BES reactor configuration. In summary, it was described for the first time that the combination of the fermentative biomass degradation process with filtration via ceramic membranes and the use of permeate in BES systems is possible. Im Jahr 2016 fielen weltweit 2,01 Milliarden Tonnen an festen Abfällen an. Es wird erwartet, dass das Abfallaufkommen bis 2050 auf 3,40 Milliarden Tonnen anwächst. Weltweit werden die festen Abfälle überwiegend über Deponien oder Müllhalden entsorgt. Aufgrund unsachgemäßer Behandlung und Entsorgung wurden weltweit in 2016 nahezu 1,6 Milliarden Tonnen CO2-Äquivalente an Treibhausgasemissionen verursacht, mit weiter steigender Tendenz. Die nachhaltige Verwertung der Abfälle und deren Nutzung zur Energiegewinnung wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Insbesondere zur Behandlung der organischen Bestandteile des Hausmülls (Organic Fraction of Municipal Solid Waste (OFMSW)) kommen unterschiedliche Waste-to-Energy-Konzepte zum Einsatz. Alternativ zur bisher dominierenden Biogasgewinnung wird derzeit intensiv an neuen Technologien geforscht, u.a. an sogenannten bio-elektrischen Systemen (BES). In BES interagieren exo-elektrogene Mikroorganismen, die als Biofilm auf Elektroden aufwachsen, mit diesen und ermöglichen die Konversion gelöster organischer Verbindungen zu unterschiedlichen Endprodukten, z.B. elektrische Energie, Wasserstoff oder Methan. Trotz zahlreicher Fortschritte in der Forschung besteht noch erheblicher zusätzlicher Optimierungsbedarf, um die Systeme im technischen Maßstab einsetzen zu können. Um feste organische Abfälle in BES-Systemen einsetzten zu können, bedarf es zunächst eines fermentativen Aufschlusses zur Überführung der organischen Bestandteile in gelöste kurzkettige organische Säuren (VFA) und Alkohole. Dieses Hydrolysat enthält jedoch auch Partikel, die gegen einen nachfolgenden Abbauschritt inert sind und zu technischen Prozessstörungen führen können. Diese inerten Partikel können mithilfe eines Membranfiltrationsschritts entfernt werden; es entsteht ein partikelfreies Permeat, welches den BES-Reaktoren zugeführt werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten die Grundlagen der Verwertung von OFMSW über mikrobiellen Aufschluss, Membranfiltration und Verwertung in BES untersucht werden. Dazu wurden BES-Reaktoren im Labormaßstab entwickelt und Batch-Tests durchgeführt. Die pflanzlichen Reststoffe konnten fermentativ effizient in Hydrolysat überführt werden. Bei einem pH-Wert von 6,0 wurde höhere organischen Säurekonzentrationen und -erträge erreicht als bei pH 5,5. Die gebildete Gesamtmasse der kurzkettigen organischen Säuren betrugen bei pH 6,0, bezogen auf die zugeführte organische Trockenmasse, ca. 350 g kg-1 (oDMadded) und bei pH 5,5 ca. 215 g kg-1 oDMadded. Ebenso war die Konzentration an Chemischem Sauerstoffbedarfs (CSB) des Hydrolysats bei pH 6,0 um 21,85 % höher als bei pH 5,5. Die CSB-Abbauraten im genutzten Festbettreaktor waren jedoch unzureichend, da die im Hydolysat enthaltenen inerten Partikel nicht vollständig mikrobiell abgebaut werden konnten. Durch die anschließende Integration einer keramischen Cross-Flow- Membranfiltration in das zweistufige System konnte ein partikelfreies Permeat erzeugt werden und die mikrobielle Abbaubarkeit erheblich gesteigert werden. Dabei konnten deutliche Unterschiede in Abhängigkeit des eingesetzten Substrats (Pflanzenabfälle und Gras-/Maissilage) aufgezeigt werden. Durch den Filtrationsschritt konnte eine signifikante Verbesserung der spezifischen Methanausbeute von Permeat um 40% (pflanzliche Abfälle) und 24,5% (Gras-/Maissilage) im Vergleich zu Hydrolysat erreicht werden; ein Beleg dafür, dass inerte Partikel effizient abgetrennt wurden. Schließlich wurden die aus Maissilage erzeugte Prozessflüssigkeit Hydrolysat und dass durch die Membranfiltration gewonnene Permeat der Anodenkammer zweier BES-Reaktoren, die mit einer Mischkultur angeimpft waren, zugeführt. Die Untersuchungen zeigten, dass alle organischen Säuren in beiden Prozessflüssigkeiten im BES vollständig abgebaut werden können. Die höchsten CSB- (87%) und TOC-Abbauraten (88%) wurden mit Permeat erreicht. Das Hydrolysat mit zugesetzter Essigsäure ergab hingegen die höchste Stromdichte von 470 µA/cm². Die Erhöhung des pH-Wertes der Prozessflüssigkeiten von 5,75 auf 6,8 verbesserte auch die Produktions- und Abbauraten deutlich. In diesen Batchstudien wurden aufgrund der Verwendung von Mischkulturen relativ niedrige Coulomb-Wirkungsgrade von weniger als 10% erreicht. Die vielversprechenden Ergebnisse zeigen, dass bei hohen pH-Werten von 6,0 in der Hydrolyse organische Reststoffe effizient in ein Hydrolysat mit hohen Konzentrationen an organischen Säuren überführt werden können und mit der Kopplung einer Membranfiltration das System weiter optimiert werden kann. Die Verwertung des Permeats in BES ermöglicht, je nach Konfiguration der Reaktoren, eine nachhaltige Erzeugung von Bioenergie- und Plattformchemikalien. Zusammenfassend wurde erstmalig beschrieben, dass die Kombination des fermentativen Biomasse-Abbauprozesses mit der Filtration über keramische Membranen und Nutzung des Permeats in BES-Systemen möglich ist.

This cumulative PhD thesis investigates the expansion of rubber (Hevea brasiliensis Müll. Arg.) plantations and the ensuing multiple impacts on biodiversity and the supply of ecosystem services (ESS) in a mountainous watershed in Xishuangbanna Prefecture, Southwestern China. In recent decades, the study area, the Nabanhe Reserve, saw the expansion of rubber plantations and the loss of extensive forest areas, which led to a substantial decline in ESS. Workshops with regional stakeholders resulted in the development of three future land use scenarios for Nabanhe Reserve (2015 – 2040), varying in their degree of rubber expansions, management options and reforestations efforts. In the first study, the InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs) modeling framework was used to analyze the impact of these rubber expansion scenarios on selected ESS: sediment retention, water yield, habitat quality, and carbon sequestration. In addition, a model for assessing potential rubber yields was developed and implemented in ArcGIS. The analysis also included different statistical weighting methods to include rankings for the preference of ESS from three contrasting stakeholder groups (prefecture administration, tourists, off-site citizens). The study concludes that the integrated ESS indices would be overestimated without the inclusion of the stakeholder groups. The second study introduced a new method to identify potential tipping points in the supply of ESS. Here, time-series data derived from InVEST have been combined with a sequential, data-driven algorithm (R-method) to identify potential tipping points in the supply of ESS within two contrasting scenarios of rubber expansion in Nabanhe Reserve. The tipping point analysis included hydrological, agronomical, and climate-regulation ESS, as well as multiple facets of biodiversity. The model results showed regime shifts indicating potential tipping points, which were linked to abrupt changes in rubber yields, in both scenarios and at varying spatial scales. The study concludes that sophisticated land use planning may provide benefits in the supply of ESS at watershed scale, but that potential trade-offs at sub-watershed scales should not be neglected. The third study focused on modeling hydrological ESS (water yield and sediment export) in Nabanhe Reserve under multiple scenarios of land use and climate change in order to assess how both drivers influence the supply of these ESS. Three rubber expansion scenarios were analyzed in combination with multiple climate change scenarios using the InVEST modeling framework. Simulation results showed that the effect of land use and land management decisions on water yield in Nabanhe Reserve are relatively minor (4% difference in water yield between land use scenarios), when compared to the effects that future climate change will exert on water yield (up to 15% increase or 13% decrease in water yield compared to the baseline climate). Changes in sediment export were more sensitive to land use change (15% increase or 64% decrease) in comparison to the effects of climate change (up to 10% increase). The study concludes that in the future, particularly dry years may have a more pronounced effect on the water balance in Nabanhe Reserve as the higher potential evapotranspiration increases the probability for periods of water scarcity, especially in the dry season. In conclusion, the studies showed detrimental consequences induced by rubber expansions for all assessed ESS, with the exception of rubber yields. Further continuing the trend of rubber expansions in the study area is not the best option in terms of integrated ESS supply on a landscape scale. Land use planning alternatives, such as rubber expansions restricted to suitable areas only, in combination with reforestation efforts at less suitable locations, may be used to keep crucial environmental functions intact. Policy regulations at the local level, if properly assessed with spatial models and integrated stakeholder feedback, have the potential to buffer the typical trade-off between agricultural intensification and environmental protection. The implementation of these regulations might still pose a considerable challenge. The methods introduced in this Dissertation can easily be transferred to regions facing comparable land use situations, as InVEST and a large amount of the utilized spatial datasets are freely available. Die vorgelegte Doktorarbeit befasst sich mit der Ausweitung von Kautschukplantagen (Hevea brasiliensis Müll. Arg.) und den daraus folgenden vielfältigen Auswirkungen auf Biodiversität und die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen (ÖSD) in einem bergigen Wassereinzugsgebiet in der Präfektur Xishuangbanna im Südwesten Chinas. In den vergangenen Jahrzehnten kam es im Untersuchungsgebiet, dem Nabanhe-Reservat, zu einer rasanten Ausweitung von Kautschukplantagen und dem Verlust weitläufiger Waldflächen und Ökosystemdienstleistungen. Aus Workshops mit regionalen Interessenvertretern entstanden drei Landnutzungsszenarien für die Zukunft des Nabanhe-Reservats (2015 – 2040), die sich hinsichtlich des Ausmaßes der Kautschukausweitung, verschiedener Managementoptionen und Wiederaufforstungsstrategien unterscheiden. In der ersten Fallstudie wurde das Model InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-Offs) verwendet, um die Auswirkungen der Landnutzungsszenarien auf vier ausgewählte ÖSD zu analysieren: Sedimentretention, Wasserertrag, Habitat-Qualität und Kohlenstoffbindung. Zusätzlich wurde ein Modell zur Abschätzung potenzieller Kautschukerträge entwickelt und in ArcGIS implementiert. Weiterhin wurden verschiedene statistische Gewichtungsmethoden benutzt, um die Präferenzen dreier kontrastierender Interessengruppen (Präfektur-Administration, Touristen, Externe Bürger) in der Auswertung der ÖSD Ergebnisse miteinzubinden. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die integrierten ÖSD Indizes ohne die Einbeziehung der Interessengruppen überbewertet würden. Die zweite Studie stellt eine neue Methode zur Identifikation potenzieller Kipp-Punkte (KP) in der Bereitstellung von ÖSD vor. Hierbei werden Zeitreihendaten von InVEST mit einem sequenziellen, datengetriebenen Algorithmus (R-Methode) kombiniert, um potenzielle KP in der Bereitstellung von ÖSD innerhalb zweier gegensätzlicher Landnutzungsszenarios abzuleiten. Die KP-Analyse umfasste hydrologische, agronomische und klimaregulierende ÖSD sowie mehrere Facetten der Artenvielfalt. Die Modellergebnisse zeigten in beiden Landnutzungsszenarien auf unterschiedlichen räumlichen Skalen Regimeverschiebungen, die auf potenzielle KP hindeuteten und aus abrupten Veränderungen der Kautschukerträge hervorgingen. Verbesserungen in der Bereitstellung von ÖSD können mit Hilfe von gut geplanten Landnutzungsstrategien auf der Skalenebene von Wassereinzugsgebieten erreicht werden. Potenzielle Trade-Offs auf kleineren Skalenebenen sollten jedoch auch beachtet werden. Die dritte Studie befasste sich mit der Modellierung hydrologischer ÖSD (Wasserertrag und Sedimentretention) im Nabanhe-Reservat unter verschiedenen Landnutzungs- und Klimawandelszenarien, um zu beurteilen, wie beide Faktoren die Bereitstellung dieser ÖSD beeinflussen. Drei Landnutzungsszenarien wurden in Kombination mit mehreren Klimawandel-Szenarien mit Hilfe von InVEST analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Auswirkungen von Landnutzungs- und Landmanagemententscheidungen auf den Wasserertrag im Nabanhe-Reservat relativ gering sind (ein Unterschied von 4% im Wasserertrag zwischen den Landnutzungsszenarien), insbesondere wenn man sie mit den Auswirkungen des bevorstehenden Klimawandels vergleicht (eine 15% Zunahme oder 13% Abnahme des Wasserertrags verglichen mit dem Baseline-Klima). Sedimentexportwerte reagierten sensitiver auf Landnutzungsänderungen (15% Zunahme oder 64% Abnahme) im Vergleich zu den Auswirkungen des Klimawandels (bis zu 10% Zunahme). Die Studie kommt zu dem Schluss, dass sich in Zukunft besonders trockene Jahre stärker auf den Wasserhaushalt im Nabanhe-Reservat auswirken könnten, da die höhere potenzielle Evapotranspiration die Wahrscheinlichkeit für Zeiten der Wasserknappheit erhört, was insbesondere in der Trockenzeit eintreten könnte. Zusammenfassend zeigten die Studien nachteilige Folgen der Kautschukausweitung in Bezug auf alle betrachteten ÖSD mit Ausnahme der Kautschukerträge. Auf Landschaftsebene ist die zusätzliche Ausweitung von Kautschukflächen nicht die beste Option im Hinblick auf die integrierte ÖSD Bereitstellung. Alternativen der Landnutzungsplanung, wie z.B. die Kautschukausweitung auf geeignete Flächen zu beschränken und andere Flächen wieder aufzuforsten, können genutzt werden, um wichtige Umweltfunktionen zu erhalten. Politische Regelungen auf lokaler Ebene haben das Potenzial den typischen Zielkonflikt zwischen landwirtschaftlicher Intensivierung und Umweltschutz zu mildern, sofern sie mit räumlich expliziter Modellierung und dem Feedback von Interessengruppen ausgewertet werden. Die Umsetzung solcher Regelungen könnte jedoch eine beträchtliche Herausforderung darstellen. Die in dieser Dissertation vorgestellten Methoden können leicht auf Regionen mit vergleichbaren Landnutzungssituationen übertragen werden, da sowohl InVEST als auch der Großteil der verwendeten räumlichen Datensätze frei verfügbar sind.

Die Endlichkeit der fossilen Ressourcen sowie der Klimawandel stellen die globale Gesellschaft vor große Herausforderungen und erfordern eine umfassende Transformation des aktuellen Wirtschaftssystems. In dieser Transformation, die auch als Bioökonomie bezeichnet wird, nimmt der Übergang von einer fossil-basierten zu einer bio-basierten Rohstoffversorgung eine wichtige Rolle ein. Die landwirtschaftliche Produktion ist in diesem Zusammenhang ein wichtiger Rohstofflieferant, die bereits durch eine starke Nutzungskonkurrenz um die knappe Fläche gekennzeichnet ist, die weitere Produktionssteigerungen für die Bioökonomie erschweren. Ökonomische Modelle können in diesem Kontext als wertvolle Methode zu Analyse der Bioökonomie agieren, mit denen einerseits die Wechselwirkungen von verschiedenen Nutzungspfaden abgebildet werden und die andererseits mit einer entsprechenden Szenarienentwicklung auch die Unsicherheit adressieren können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Potentialabschätzung verschiedener landwirtschaftlicher Biomassen für die Bioökonomie und die Analyse der damit verbundenen Auswirkungen auf die landwirtschaftlichen Produktionsstrukturen in Baden-Württemberg. In Kapitel 2 wird das Potential von Grünland als Biogassubstrat analysiert, das in Zukunft eine bedeutende Rolle für die Bioökonomie spielen kann. Aufgrund des aufwändigeren Ernteverfahrens und teilweise ungünstiger Produktionsbedingungen hat Grünland höhere Produktionskosten gegenüber ackerbürtiger Biogassubstrate. Die Berücksichtigung der iLUC Faktoren mit hohen Preisen für THG-Emissionen kann die relative Vorzüglichkeit des Grünlandes soweit verbessern, dass es mit der Produktion von Ackerland konkurrenzfähig ist, auch wenn Silomais aus vielfacher Hinsicht oft das vorzüglichere Biogassubstrat ist, wie das Kapitel 3 anhand einer Standortmodellierung für Biogasanlagen in Baden-Württemberg zeigt. In den Kapiteln 4 und 5 wird das Potential von Stroh zur energetischen und stofflichen Verwertung analysiert . Diese Untersuchungen basieren auf der Verknüpfung von EFEM mit dem techno-ökonomischen Standortoptimierungsmodell BIOLOCATE. Die Ergebnisse zeigen anschaulich die Wechselwirkung zwischen den Skaleneffekten und den steigenden Rohstoffbereitstellungskosten. So sinken mit zunehmender Anlagengröße einerseits die durchschnittlichen Investitionskosten, andererseits steigen die Rohstoffkosten, weil die Transportentfernungen zunehmen und eine steigende Biomassenachfrage höhere Marktpreise zur Folge hat. Die Ergebnisse zeigen auch, dass Stroh grundsätzlich mit der Bereitstellung von regionaler Bioenergie und als Rohstoff für stoffliche Wertschöpfungsketten einen Beitrag zur Bioökonomie leisten kann. Allerdings hat selbst die Nutzung von Nebenprodukten Auswirkungen auf die Anbaustrukturen. In Kapitel 6 werden die Auswirkungen von gesamtwirtschaftlichen Expansionspfaden der Bioökonomie auf die landwirtschaftlichen Produktionsstrukturen in Baden-Württemberg untersucht. Hierfür werden die Ergebnisse einer iterativen Modellkopplung zwischen dem Agrarsektormodell ESIM und dem Energiesektormodell TIMES-PanEU von vier Bioökonomieszenarien mithilfe von EFEM von nationaler Ebene auf regionale und einzelbetriebliche Ebene herunterskaliert. Die Ergebnisse zeigen, dass Betriebe mit vornehmlich extensiven Produktionsverfahren wie der Mutterkuhhaltung durch ungünstige Produktionsbedingungen keinen Nutzen aus der Expansion der Bioökonomie ziehen können werden, während insbesondere große Ackerbaubetriebe in fruchtbaren Regionen überdurchschnittlich profitieren würden. Grundsätzlich legen die Ergebnisse Grenzen bei der Mobilisierung von zusätzlichem Biomassepotential offen. Dies begründet sich in der hohen Anbauintensität der landwirtschaftlichen Produktion in Deutschland, aufgrund dessen die Ausweitung einer Produktion aufgrund der Nutzungskonkurrenz andere Produktionen einschränkt. Für Grünland zeigen die Ergebnisse, dass der Rückgang der grünlandbasierten Rinderhaltung und nachteilige ökonomische Rahmenbedingungen zu einer signifikanten Menge an ungenutztem Grünland führen können. Grünland stellt sich so als vielversprechende Ressource zur Biomasseproduktion für die Bioökonomie dar, da es neben der Rohstoffbereitstellung auch wichtige Ökosystemdienstleitungen (z. B. Artenvielfalt) liefern kann. Hierfür müssten allerdings politische Rahmenbedingungen etabliert werden, die die ökologischen Leistungen entsprechend fördern. Abschließend wird in Kapitel 7 weiterer Forschungsbedarf aufgezeigt, der die Weiterentwicklung des methodischen Ansatzes beinhaltet. Diese umfassen einerseits eine Erweiterung um gesamtwirtschaftliche Modelle, um Wechselwirkungen mit der stofflichen Nutzung detaillierter abzubilden. Andererseits ist Integration von ökologischen Aspekten für die ganzheitliche Analyse im Rahmen der Bioökonomie notwendig. The finite nature of fossil resources and climate change pose major challenges to the global society and require a comprehensive transformation of the current economic system. One important aspect of this transformation, also known as bioeconomy, is the transition from a fossil-based to a bio-based supply of raw materials. In this context, agricultural production represents an important supplier of raw materials, which in Germany is already characterized by a strong competition for the scarce land. The scarce land is a major challenge of the expansion of the use of agricultural biomass for the bioeconomy. Accordingly, the derivation of the potential of agricultural biomass for bioeconomy requires consideration of the tradeoffs between various utilization paths. In this context, economic models can be valuable methods, which on one hand are able to depict the trade-offs of different value chains and can, on the other hand, incorporate the uncertainty by developing suitable scenarios. The aim of this thesis is the evaluation of the potential of different agricultural biomasses for the bioeconomy and to analyze the associated effects on agricultural production structures in Baden-Wuerttemberg. In chapter 2 the potential of grassland as a biogas substrate is evaluated, which might be important for the bioeconomy in the future. Due to the more complex harvesting process and partly unfavorable production conditions, grassland has higher production costs compared to arable biogas substrates. The consideration of iLUC Factors with high prices for GHG emissions could improve the competitiveness of grassland to such an extent that it is competitive with the production of biogas substrates on arable land. However, silage maize is often the more favorable biogas substrate in many respects, as chapter 3 shows by means of a site modeling for biogas plants in Baden-Wuerttemberg. In chapter 4 and 5 the potential of straw for energetic and material use is analyzed. These investigations are based on the combination of EFEM with the techno-economic location optimization model BIOLOCATE. The results clearly show the interaction between the economies of scale and the rising raw material supply costs. On the one hand, the average investment costs decrease with increasing plant size, but on the other hand the raw material costs increase, because the transport distances increase and an increasing demand for biomass results also in higher market prices. Additionally, the results show that straw can make a fundamental contribution to the bioeconomy by providing regional bioenergy and as feedstock for material value chains. However, even the use of by-products can have effects on cultivation structures and thus, reduce the production of agricultural biogas substrates, among other things. In Chapter 6 the effects of macroeconomic expansion paths of the bioeconomy on agricultural production structures in Baden-Wuerttemberg are investigated. For this purpose, the results of an iterative model coupling between the agricultural sector model ESIM and the energy sector model TIMES-PanEU of four bioeconomic scenarios are scaled down from national level to regional and farm level using EFEM. The results show different impacts on farm types and thus illustrate the advantages of a differentiated analysis of the expansion of the bioeconomy. Therefore, farms with mainly extensive production methods such as suckler cow husbandry do not profit from the expansion of the bioeconomy due to unfavorable production conditions, while especially large arable farms in fertile regions would benefit disproportional more than the average. Basically, the results reveal limits to the mobilization of additional biomass potential. The reason for this is the already high cultivation intensity of agricultural production in Germany, in which the expansion of one production restricts production of another due to competition for the limited agricultural land. For grassland, the results show that the decline in grassland-based cattle farming and unfavorable economic conditions can lead to a significant increase of unused grassland. Grassland thus presents itself as a promising resource for biomass production for the bioeconomy, as it can provide important ecosystem services (e.g. biodiversity) in addition to the provision of raw materials. However, a political framework has to be established that promotes ecological services accordingly. Finally, in chapter 7 additional research needs are identified, which include further development of the methodological approach. These comprise an extension of the analysis by macroeconomic models to integrate interactions with the material use in a more detailed way. Furthermore, an integration of ecological parameters is necessary for a holistic analysis in the context of bioeconomy.

This thesis is a contribution to the research project “Regional Climate Change,” funded by the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG – Forschergruppe 1695 Regionaler Klimawandel). The projects objective was to learn about the vulnerability and sensitivity of typical land systems in Southwest Germany and identify suitable strategies for adaptation. The doctoral work contributes with empirical and methodological insights of farmers likely management adaptations in light of the farm managerial challenges arising from climate and structural change in Germany. The agricultural structure in Germany has strongly changed in the last 60 years. Where before numerous small-scale and labor-intensive farms were observed, it is now the place where fewer and highly mechanized farms contribute to agricultural production. The ongoing agricultural structural change in Germany is characterized by a trend in which many farms exit the agricultural sector, and the remaining --growth-oriented-- farmers take over the land, reorganize their farm business, and expand their operations. Nevertheless, this trend of farm growth, which is expected to continue in the future, poses significant challenges at the farm management level: Decisions on machinery use and acquisition play a crucial role in shaping the farm cost structure, and represent a critical element for maintaining competitiveness. Particularly for the expansion efforts, farm managers face a highly complex decision-making process to acquire the proper machinery capacities for field operations. Moreover, an additional factor will need to be considered for adequate decision-making: Climate change developments and the uncertainties associated with this process will likely increase the complexity of the farmers decision-making regarding the best reorganizational strategies towards farms expansion. Changes in the natural conditions for crop growth and development will likely result in management adaptations, e.g., changing the timing for fieldwork operations or changing land-use patterns. An analysis of the complex interactions and interdependencies between the environment and the farm system, on the one hand, and the resources and production possibilities available to the farm manager in the course of farm expansion on the other hand, require adequate tools of analysis. This work analyzes three dimensions of farm machinery management in the context of climate change and agricultural structural change. The first element of analysis corresponds to an examination of the sensibility of land-use and machinery investment decisions to climate change scenarios with the agent-based MPMAS model constructed for Central Swabian Jura in Southwest Germany. The Central Swabian Jura MPMAS model is a constitutive part of the bioeconomic modeling system MPMAS_XN. The MPMAS_XN system integrates the agricultural economic agent-based software MPMAS and the plant-soil modeling software Expert-N (XN) into a fully coupled system. The assessment of the sensibility and responsiveness of the MPMAS component revealed complex adaptation responses of land-use and machinery investment decisions as a result of shifted timing in fieldwork operations (e.g., harvesting or fertilization tasks). The second element of analysis corresponds to an examination of economies of size arising from farm machinery use and acquisition decisions in arable farms that follow a typical crop rotation practiced in Germany. For the analysis, a whole-farm multiperiod mathematical program implemented in the agent-based software MPMAS was employed. Optimizations were run and evaluated at a broad range of farm sizes and two distinctive distributions of availability of fieldwork days estimated for Southwest Germany. The results allowed observing patterns of optimal farm machinery demand and cost curves for several evaluated farm sizes and distributions of available fieldwork days distributions. The third main element of this work corresponds to a methodological contribution to the MPMAS_XN model system. Within this element, the implementation, functioning, and potential of an external theory-based MPMAS module are presented. The external module represents dynamics for joint machinery investments among simulated farm agents and serves as an enhancing methodological contribution for analyzing and representing farm machinery management in the agent-based software MPMAS. Diese Arbeit ist ein Beitrag zum von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt „Regionaler Klimawandel“, dessen Ziel es war die Verwundbarkeit und Sensitivität typischer Landsysteme in Südwestdeutschland zu untersuchen und geeignete Anpassungsstrategien zu identifizieren. Diese Doktorarbeit liefert empirische und methodische Erkenntnisse über die wahrscheinlichen Managementanpassungen der Landwirte und Landwirtinnen angesichts der Herausforderungen der Betriebsführung, die sich aus dem Klima- und Strukturwandel in Deutschland ergeben. Die Agrarstruktur in Deutschland hat sich in den letzten 60 Jahren stark verändert. Wo früher zahlreiche kleine und arbeitsintensive Betriebe beobachtet wurden, tragen heute weniger, dafür aber hochmechanisierte Betriebe zur landwirtschaftlichen Produktion bei. Dieser anhaltende landwirtschaftliche Strukturwandel in Deutschland kennzeichnet sich dadurch, dass viele Betriebe den Agrarsektor verlassen und die verbleibenden, wachstumsorientierten Landwirte und Landwirtinnen die Produktion übernehmen, ihre Betriebe neu organisieren und ihre Tätigkeiten ausweiten. Dieser Wachstumstrend, der sich voraussichtlich in Zukunft fortsetzen wird,hat erhebliche Herausforderungen auf der Ebene des Betriebsmanagements zur Folge: Entscheidungen über den Einsatz und die Anschaffung von Maschinen spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Betriebskostenstruktur und sind daher ein zentrales Element für die Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit. Insbesondere bei den Expansionsbemühungen stehen die BetriebsleiterInnen vor einem hochkomplexen Entscheidungsprozess, um die passenden Maschinenkapazitäten für den Feldeinsatz zu erwerben. Neben dem Erwerb und der optimalen Nutzung von Maschinen muss ein zusätzlicher Faktor für eine angemessene Entscheidungsfindung berücksichtigt werden: Die Entwicklung des Klimawandels und die mit diesem Prozess einhergehenden Unsicherheiten werden die Komplexität der Entscheidungsfindung hinsichtlich der besten Umstrukturierungsstrategien für die Expansion der landwirtschaftlichen Betriebe vermutlich weiter erhöhen. Dadurch entstehenden Änderungen der natürlichen Bedingungen für Pflanzenwachstum und -entwicklung wird wahrscheinlich mit Anpassungen des Managements begegnet, z.B. durch Verschiebung derFeldarbeitszeitpunkte oder durch Veränderung der Landnutzungsmuster. Eine Analyse der geschilderten komplexen Wechselwirkungen und Abhängigkeiten, einerseits zwischen Umwelt und landwirtschaftlichen Systemen, andererseits zwischen Ressourcen und Produktionsmöglichkeiten, die den Verantwortlichen zur Betriebserweiterung zur Verfügung stehen, erfordert geeignete Analysewerkzeuge. Diese Arbeit analysiert drei Dimensionen des Landmaschinenmanagements im Kontext des Klimawandels und des landwirtschaftlichen Strukturwandels. Im ersten Analyseelement wird die Sensibilität von Landnutzungs- und Maschineninvestitionsentscheidungen in Bezug auf verschiedene Klimawandelszenarien untersucht. Diese Analyse wird mit dem agentenbasierten MPMAS Modell durchgeführt, das für die mittlere Schwäbischen Alb in Südwestdeutschland erstellt wurde. Das MPMAS- Modell ist ein wesentlicher Bestandteil des bioökonomischen Modellierungssystems MPMAS_XN. Das MPMAS_XN Modellierungssystem integriert die agrarökonomische, agentenbasierte MPMAS Software und die Pflanzen-Boden-Modellierungssoftware Expert-N (XN) in ein vollständig gekoppeltes System. Die Bewertung der Sensibilität und Reaktionsfähigkeit der MPMAS Komponente zeigt komplexe Anpassungsreaktionen von Landnutzungs- und Maschineninvestitionsentscheidungen als Ergebnis eines verschobenen Zeitplans bei Feldarbeiten (z. B. Ernte- oder Düngungsaufgaben). Im zweiten Schritt befasst sich die vorliegende Arbeit mit einer Untersuchung der Skaleneffekte, die sich aus den Kaufentscheidungen und dem Einsatz von Landmaschinen in Ackerbetrieben ergeben, in denen eine für Deutschland übliche Fruchtfolge angebaut wird. Für die Analyse wird ein in der agentenbasierten Software MPMAS implementiertes mathematisches Mehrperiodenprogramm für den gesamten landwirtschaftlichen Betrieb verwendet. Optimierungen werden in einem breiten Spektrum von Betriebsgrößen und zwei unterschiedlichen Verteilungen der Verfügbarkeit von Feldarbeitstagen, die für Südwestdeutschland geschätzt werden, durchgeführt und bewertet. Die Ergebnisse ermöglichen die Beobachtung von Mustern der optimalen Nachfrage nach landwirtschaftlichen Maschinen sowie der Kostenkurven für die betrachteten Betriebsgrößen und Verteilungen der verfügbaren Feldarbeitstage. Der dritte Hauptteil dieser Arbeit stellt einen methodischen Beitrag zum MPMAS_XN Modellsystem dar. In diesem Element werden die Implementierung, Funktionsweise und das Potenzial eines externen und theoretisch aufgebauten MPMAS-Moduls vorgestellt. Dieses externe Modul repräsentiert die Dynamik, die sich aus gemeinsamen Maschineninvestitionen zwischen simulierten Computer-Agenten ergibt und dient als verbesserter methodischer Beitrag zur Analyse und Darstellung des Landmaschinenmanagements in der Agentenbasierte Software MPMAS.

Maize (Zea mays L.) is a moderately salt-sensitive species, its sensitivity to NaCl being mainly associated with the accretion of toxic sodium in shoots for example leading to the sodium-induced damage of leaf chloroplasts. However, less attention has been paid to the effects of chloride (Cl-). The work described in this dissertation therefore aims at elucidating the physiological adaptations of maize plants to Cl- salinity. It involves four research questions: 1) how do sensitive maize plants respond to Cl- salinity with regard to crop yield and plant performance; 2) how are the translocation and tissue storage patterns of Cl- correlated with tolerance to Cl- salinity; 3) how do osmotic stress and Cl- stress impact biomass, chlorophyll content, and nitrate reductase activity (NRA); 4) does sensitivity to Cl- salinity differ between maize and faba bean plants? Soil pot experiments and hydroponic culture experiments in the greenhouse have shown that maize is able to withstand Cl- salinity by being a shoot excluder. The relevant genotypic difference is believed to be based on its ability to undertake Cl- root-to-shoot translocation. The resistance mechanism of the genotype ES-metronom, which is a more Cl- -tolerant variety, has been attributed to its more efficient shoot exclusion of Cl-,whereas that of the genotype P8589, which is a more Cl- -sensitive variety has been ascribed to the preferable sequestration of Cl- away from the young photosynthetic tissues, such as into old leaf blades, and Cl- movement in roots possibly to achieve Cl- dilution. In the mildly tolerant genotype LG30215, osmotic stress does not interfere with NRA but slows down mass flow, which probably reduces NO3- transport to leaf tissues, whereas excess Cl- indirectly inhibits NRA through the antagonistic limitation of NO3- uptake. In comparison with maize, faba bean plants are more sensitive to Cl- salinity rather than to sodium toxicity. Mais (Zea mays L.) ist eine moderat salzempfindliche Spezies, deren NaCl-Sensitivität vorwiegend mit der Anreicherung von Natrium im Spross verbunden ist. Diese Anreicherung führt unter anderem zu einer Schädigung der Blattchloroplasten. Bisher wurde den Auswirkungen von Cl- jedoch weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit, die physiologischen Anpassungen von Maispflanzen an Cl- -Überschuss aufzuklären. Dazu werden vier Fragestellungen verfolgt: 1) wie reagieren sensitive Maispflanzen auf Cl- -Salinität im Hinblick auf Physiologie und Ertrag? 2) Korreliert die Translokation und das Einlagerungs-Muster im Pflanzengewebe mit der Toleranz gegenüber Cl-? 3) Wie wirkt sich osmotischer Stress und Cl- Stress auf die Biomasse, den Chlorophyllgehalt und die Nitratreduktaseaktivität (NRA) aus? 4) Wie unterscheiden sich Mais und Ackerbohne in ihrer Cl--Sensitivität? Gewächshausversuche in Boden und Hydrokultur zeigen, dass Mais der Cl- -Salinität standhalten konnte, da Mais die Verlagerung von Cl- in den Spross weitgehend unterdrückt. Der genotypische Unterschied hängt vermutlich mit der Wurzel-zu-Spross Translokation von Cl- zusammen. Die Resistenz im moderat Cl- -toleranten Genotypen ES-Metronom war auf eine effizientere Vermeidung der Verlagerung von Cl- in den Spross zurückzuführen, während der moderat Cl- -sensitive Genotyp P8589 Cl- vorwiegend außerhalb von jungen, fotosynthetisch aktiven Blättern, wie zum Beispiel den alten Blattspreiten einlagerte oder in die Wurzeln verlagerte, um einen Cl- -Verdünnungseffekt zu erzielen. In dem moderat Cl- -toleranten Genotypen LG30215 trat durch osmotischen Stress keine Hemmung der NRA, aber eine Verlangsamung des Massenflusses auf, welcher vermutlich den NO3--Transport zu den Blättern reduzierte, während Cl- eine indirekte Hemmung der NRA durch die antagonistische Limitierung der NO3--Aufnahme verursachte. Im Vergleich zu Mais ist die Ackerbohne sensitiver gegenüber Cl- -Salinität als zu Natriumsalinität.

Rubber plantation has been rapidly expanded in Montane Mainland South East Asia in past decades. Limited by long-term monitoring data availability, the impacts of environmental change on rubber trees carbon stock development still not fully understood. Against global warming background, in order to better facilitate regional forest management, we applied synergetic approach combining field survey and modelling tools to improve predictions of dynamic carbon stock changes. The trade-off analysis regarding to rubber carbon stock and latex production optimization was further discussed in view of sustainable rubber cultivation. The first study explored the impact of regional land-use changes on landscape carbon balances. The Naban River Watershed National Nature Reserve (NRWNNR), Xishuangbanna, China, was selected as a case study location. Carbon stocks were evaluated using the Rapid Carbon Stock Appraisal (RaCSA) method based on tree, plot, land use and landscape level assessments of carbon stocks, integrating field sampling with remote sensing and GIS technology. The results showed that rubber plantations had larger time-averaged carbon stocks than non-forest land use types (agricultural crops, bush and grassland) but much lower than natural forest. During 23 years (1989-2012), the whole landscape of the nature reserve (26574 ha) gained 0.644 Tg C. Despite rubber expansion, the reforestation activities conducted in NRWNNR were able to enhance the carbon stocks. Regional evaluation of the carbon sequestration potential of rubber trees depends largely on the selection of suitable allometric equations and the biomass-to-carbon conversion factor. The second study developed generic allometric equations for rubber trees, covering rotation lengths of 4-35 years, within elevation gradient of 621-1,127 m, and locally used rubber tree clones (GT1, PRIM600, Yunyan77-4) in mountainous South Western China. Allometric equations for aboveground biomass (AGB) estimations considering diameter at breast height (DBH), tree height, and wood density were superior to other equations. We also tested goodness of fit for the recently proposed pan-tropical forest model. The results displayed that prediction of AGB by the model calibrated with the harvested rubber tree biomass and wood density was more accurate than the results produced by the pan-tropical forest model adjusted to local conditions. The relationships between DBH and height and between DBH and biomass were influenced by tapping, therefore biomass and C stock calculations for rubber have to be done using species-specific allometric equations. Based on the analysis of environmental factors acting at the landscape level, we noticed that above- and belowground carbon stocks were mostly affected by stand age, soil clay content, aspect, and planting density. The results of this study provide reference for reliable carbon accounting in other rubber-cultivated regions. In the last study, we explored how rubber trees growth and production response to climate change and regional management strategies (cultivation elevation, planting density). We applied the process-based Land Use Change Impact Assessment tool (LUCIA) calibrated with detailed ground survey data to model tree biomass development and latex yield in rubber plantations at the tree, plot and landscape level. Model simulation showed that during a 40-year rotation, lowland rubber plantations (< 900m) grew quicker and had larger latex yield than highland rubber (≧900m). High planting density rubber plantations showed 5% higher above ground biomass than those at low- and medium-planting density. The mean total biomass and cumulative latex yield per tree over 40 years increased by 28% and 48%, respectively, when climate change scenarios were modelled from baseline to highest CO2 emission scenario (RCP 8.5). The same trend of biomass and latex yield increase with climate change was observed at plot level. Denser plantations had larger biomass, but the cumulative latex production decreased dramatically. The spatially explicit output maps produced during modelling could help maximize carbon stock and latex production of regional rubber plantations. Overall, rubber-based system required for appropriate monitoring scale in both temporal aspect (daily-, monthly-, and yearly-level) and in spatial aspect (pixel-, land use-, watershed-, and landscape- level). The findings from present study highlighted the important application of ecological modelling tools in nature resources management. The lessons learned here could be applicable for other rubber-cultivated regions, by updating with site-specific environmental variables. The significant role of rubber tree not limited in its nature latex production, it also lies in its great carbon sequestration potential. Our results here provided entry point for future developing comprehensive climate change adaption and mitigation strategies in South East Asia. By making use of interdisplinary cooperation, the sustainable rubber cultivation in Great Mekong Regions could be well realized. In den vergangenen Jahrzehnten wurde der Kautschukanbau in den Bergregionen des südostasiatischen Festlandes rasch ausgebaut. Die Auswirkungen von Umweltveränderungen auf die Entwicklung des Kohlenstoffbestandes von Kautschukbäumen sind durch die eingeschränkte Verfügbarkeit von Langzeit-Monitoring-Daten noch nicht vollständig geklärt. Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung und um die regionale Waldbewirtschaftung zu unterstützen, haben wir einen synergetischen Ansatz angewandt, der Feldmessungen und Modellierungswerkzeuge kombiniert, um die Vorhersage dynamischer Veränderungen der Kohlenstoffbestände zu verbessern. Die Kosten-Nutzen Abwägung für einen nachhaltigen Kautschukanbau bezüglich der Kautschuk-Kohlenstoffvorräte und der Optimierung der Latexproduktion wird im Weiteren diskutiert. Die erste Studie untersuchte die Auswirkungen regionaler Landnutzungsänderungen auf die Kohlenstoffbilanz der Landschaft. Das Naban River Watershed National Nature Reserve (NRWNNNR), Xishuangbanna, China, wurde als Fallstudienstandort ausgewählt. Die Bewertung der Kohlenstoffvorräte erfolgte mit der Rapid Carbon Stock Appraisal (RaCSA)-Methode. Diese basiert auf der Bewertung von Kohlenstoffvorräten auf dem Niveau von Bäumen, Grundstücken, Landnutzung und Landschaft, mit Einbindung von Feldprobennahme verbunden mit Fernerkundung und GIS-Technologie. Die Ergebnisse zeigten, dass Kautschukplantagen einen größeren zeitgemittelten Kohlenstoffvorrat hatten als nicht-forstliche Landnutzungsarten (Ackerland, Busch- und Grünland), aber viel weniger als natürliche Wälder. Während 23 Jahren (1989-2012) gewann das gesamte Gebiet des Naturschutzgebietes (26574 ha) 0,644 Tg C hinzu. Trotz Ausdehnung der Kautschukanbauflächen konnten die Aufforstungsaktivitäten in NRWNNR die Kohlenstoffvorräte erhöhen. Die regionale Bewertung des Kohlenstoffsequestrierungspotenzials von Kautschukbäumen hängt wesentlich von der Auswahl geeigneter allometrischer Gleichungen und des Biomasse-Kohlenstoff-Umwandlungsfaktors ab. Die zweite Studie entwickelte allgemeine allometrische Gleichungen für Kautschukbäume, basierend auf Daten aus Kautschukplantagen mit Umtriebszeiten von 4-35 Jahren, Höhenlagen von 621-1.127 m und lokal verwendeten Kautschukbaumklonen (GT1, PRIM600, Yunyan77-4) im bergigen Südwesten Chinas. Allometrische Gleichungen zur Berechnung der oberirdischen Biomasse (AGB), welche den Durchmesser in Brusthöhe (DBH), Baumhöhe und Holzdichte berücksichtigten, waren anderen Gleichungen überlegen. Wir haben auch die Anpassungsgüte des kürzlich vorgeschlagene pan-tropische Waldmodell getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Vorhersage der AGB durch das mit der destruktiv bestimmten Biomasse und der Holzdichte kalibrierte Modell genauer war als die Ergebnisse des pan-tropischen Waldmodells, das an die lokalen Bedingungen angepasst wurde. Die Beziehungen zwischen DBH und Höhe, und DBH und Biomasse wurden durch die Anzapfung der Bäume beeinflusst. Aufgrund dessen müssen Biomasse- und C-Bestandsberechnungen für Kautschuk mit artspezifischen allometrischen Gleichungen durchgeführt werden. Basierend auf der Analyse von Umweltfaktoren, die auf Landschaftsebene wirken, stellten wir fest, dass die ober- und unterirdischen Kohlenstoffvorräte vor allem durch das Bestandsalter, den Tongehalt des Bodens, die Hanglage und die Pflanzdichte beeinflusst wurden. Die Ergebnisse dieser Studie liefern Anhaltspunkte für eine zuverlässige Kohlenstoffbilanzierung in anderen Kautschukanbaugebieten. In der letzten Studie haben wir untersucht, wie Kautschukbäume auf den Klimawandel und regionalen Managementstrategien (Anbauhöhe, Pflanzdichte) reagieren. Wir setzten das prozessbasierte Land Use Change Impact Assessment Tool (LUCIA) ein, das mit detaillierten Bodenuntersuchungsdaten kalibriert wurde, um die Entwicklung der Baumbiomasse und den Latexertrag in Kautschukplantagen auf Baum-, Parzelle- und Landschaftsebene zu modellieren. Die Modellsimulation zeigte, dass während einer 40-jährigen Rotationzeit die Flachland-Kautschukplantagen (< 900m) schneller wuchsen und eine höhere Latexausbeute hatten als die Hochland-Kautschukplantagen (≧900m). Kautschukplantagen mit hoher Pflanzdichte zeigten eine um 5% höhere oberirdische Biomasse als solche mit niedriger und mittlerer Pflanzdichte. Der durchschnittliche Gesamtertrag an Biomasse und der kumulative Latexertrag pro Baum stieg in 40 Jahren um 28% bzw. 48%, wenn die Klimaszenarien vom Basisszenario bis zum höchsten CO2-Emissionsszenario (RCP 8. 5) durchsimuliert wurden. Dieser Trend der Zunahme der Biomasse- und Latexausbeute mit verstärktem Klimawandel wurde auch auf der Ebene der Parzelle beobachtet. Dichtere Plantagen hatten eine größere Biomasse, aber die kumulative Latexproduktion ging drastisch zurück. Die während der Modellierung erstellten räumlich expliziten Output-Karten könnten helfen, die Kohlenstoffvorräte und die Latexproduktion regionaler Kautschukplantagen zu maximieren. Allgemein ist für ein angemessenes Monitoring ein Kautschuk-basiertes System erforderlich, das sowohl in zeitlicher Hinsicht (Tages-, Monats- und Jahresebene) als auch in räumlicher Hinsicht (Pixel-, Landnutzungs-, Wassereinzugs- und Landschaftsebene) geeignet ist. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie verdeutlichen die Bedeutung ökologischer Modellierungswerkzeuge im Naturressourcenmanagement. Die hier gemachten Erfahrungen könnten auch auf andere Kautschukanbaugebiete übertragen werden, indem sie mit standortspezifischen Umweltvariablen aktualisiert werden. Die bedeutende Rolle des Kautschukbaums ist nicht nur auf dieHerstellung von Naturlatex beschränkt, sondern liegt auch in seinem großen Potenzial zur Kohlenstoffbindung. Unsere Ergebnisse lieferen den Ausgangspunkt für die künftige Entwicklung umfassender Strategien zur Anpassung an den Klimawandel und zur Eindämmung des Klimawandels in Südostasien. Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit könnte der nachhaltige Kautschukanbau in den Großen Mekong-Regionen realisiert werden.