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Klimawandel und Biodiversitätsverlust sowie Verstädterung und demografischer Wandel haben tiefgreifende Auswirkungen auf Städte und ihre Ökosysteme und damit auf die Lebensbedingungen der Mehrheit der Menschheit. Die Geschwindigkeit des Wandels und die Dringlichkeit der Folgen macht Umweltmonitoring zu einem potentiell interessanten Tool für nachhaltige und resiliente Stadtentwicklung. Der erste Artikel gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Fernerkundung in Bezug auf Stadtökologie und zeigt, dass Fernerkundung relevant für nachhaltige Stadtplanung ist. Es bestehen jedoch bestehen Mängel, da viele Studien nicht direkt umsetzbar sind. Der zweite Artikel zeigt, dass eine wachsende Stadt Möglichkeiten für den Ausbau der grünen Infrastruktur bieten kann. Im dritten Artikel wird untersucht, wie sich die städtische Dichte auf die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen der grünen Infrastruktur auswirkt. Es wird gezeigt, dass eine hohe Siedlungsdichte nicht zwangsläufig zu einem geringeren Biodiversitätspotenzial oder einer geringeren Kühlkapazität führt. Allerdings sind dicht bebaute Gebiete mit geringer Vegetationsbedeckung besonders auf grüne Infrastruktur angewiesen. Der vierte Artikel befasst sich mit der Frage, wie naturbasierte Lösungen durch eine bessere Vernetzung der Beteiligten gestärkt werden können. Auf der Grundlage einer gezielten Literaturrecherche über Informationstechnologie zur Unterstützung sozial-ökologischer Systeme wird ein Instrument zur Entscheidungshilfe entwickelt. Dieses kombiniert ökologische und soziale Indikatoren, um Klimawandeladaption in Übereinstimmung mit den sozio-ökologischen Bedingungen entwickeln zu können. Der fünfte Artikel bietet eine grundsätzliche Perspektive zur Unterstützung der städtischen Nachhaltigkeit, die auf dem ökologischen-Trait Konzept basiert. Zusammen bieten die fünf Artikel Wege für die Fernerkundungswissenschaft und die angewandte Raumplanung für nachhaltige und resiliente Entwicklungen in Städten. Climate change and biodiversity loss, as well as urbanisation and demographic change, are major global challenges of the 21st century. These trends have profound impacts on cities and their ecosystems and thus on the living conditions of the majority of humanity. This raises the need for timely environmental monitoring supporting sustainable and resilient urban developments. The first article is an overview of the state of the art of remote sensing science in relation to urban ecology. The review found that remote sensing can contribute to sustainable urban policy, still insufficiencies remain as many studies are not directly actionable. The second article shows that a growing city can provide opportunities for an increase in green infrastructure. Here, remote sensing is used for long-term analysis of land-use in relation to urban forms in Berlin. The third article examines how urban density affects ecosystem service provision of urban green infrastructure. It is shown that residential density does not necessarily lead to poor biodiversity potential or cooling capacity. However, dense areas with low vegetation cover are particularly dependent on major green infrastructure. The fourth article explores ways to reinforce nature-based solutions by better connecting and informing stakeholders. Based on a focussed literature review on information technology supporting urban social-ecological systems, a decision support tool is developed. The tool combines indicators based on ecological diversity and performance with population density and vulnerability. This way, climate change adaptation can be developed in accordance with socio-ecological conditions. The concluding fifth article offers an outlook on a larger framework in support of urban sustainability, based on the ecological trait concept. Together the five research papers provide pathways for urban remote sensing science and applied spatial planning that can support sustainable and resilient developments in cities.

Klimawandel und Bodendegradation üben Druck auf die Nahrungsmittelproduktion sowie auf die Fähigkeit des Bodens zur Minderung des Klimawandels beizutragen aus. Bodendegradation hat negative Auswirkungen auf die Bodenqualität. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Effekte von landwirtschaftlich getriebener Bodendegradation, vor allem durch Pflügen und dem Umgang mit Ernterückständen. Es wird ein Überblick über das Thema Bodendegradation gegeben, gefolgt von Erweiterung des globalen Ökosystemmodells Lund-Potsdam-Jena-managed-Land (LPJmL) um eine detaillierte Prozessabbildung von Pflugpraktiken und Effekten von Ernterückständen. Diese ermöglicht die Analyse der Effekten von landwirtschaftlichen Managements auf die Anpassung und Minderung des Klimawandel. Das Modell kann die Effekte von naturerhaltender landwirtschaftlicher Bewirtschaftung (im Englischen bekannt als Conservation Agriculture) auf Kohlenstoffvorräte im Boden und CO2 Emissionen simulieren. Im letzten Teil wird die historische Dynamik der Entwicklung von Bodenkohlenstoff (engl.: Soil Organic Carbon – SOC) und die Effekte von Annahmen zum zukünftigen Management unter unterschiedlichen Klimaszenarien gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die historische Umwandlung von natürlicher Vegetation zu landwirtschaftlicher Fläche bis zu 215 Pg SOC im Boden verloren gegangen sind. Bis zum Ende des Jahrhunderts könnten weitere 38 Pg SOC zusätzlich verloren gehen, wird die heutige landwirtschaftliche Fläche nicht nachhaltig bewirtschaften. Die Bewirtschaftung mit dem Pflug zeigt einen geringen Einfluss auf die Kohlenstoffvorräte des Bodens, während die Wahl der Behandlung von Ernterückständen erheblich Einfluss hat. Die Rückführung von Ernterückständen hat positive Einflüsse auf Bodenwassergehalt und Ernteproduktivität, mit regionalen Unterschieden. Insgesamt zeigen 46% der heute Landwirtschaftsfläche das Potenzial zur Steigerung des Bodenkohlenstoff, während mindestens 52% Kohlenstoff im Boden verlieren könnten. Climate change and increasing soil degradation put pressure on the global food production systems and the ability of land for climate change mitigation. Additionally, soil degradation has negative implications on soil quality. This thesis analyzes the effects of agricultural-driven global soil degradation, in particular tillage and residue management. At first, a review the state of knowledge on global soil degradation is provided. Soil organic carbon (SOC) decline is one of the major forms of soil degradation on cropland and a useful indicator of the status of soil degradation. Secondly, to study the effects of different pathways of agricultural management on biophysical and biogeochemical flows, the global ecosystem model Lund-Potsdam-Jena managed Land (LPJmL) is extended by a detailed representation of tillage practices and residue management. This improvement of LPJmL allows for the analysis of management-related effects on agricultural mitigation of climate change adaption and the reduction of environmental impacts. The model can simulate the effects of conservation practices on SOC stocks and CO2 emissions. And third, SOC development and the effects of different management assumptions under climate change is analyzed. This shows that approximately 215 Pg SOC was lost due to the historical conversion of natural land to cropland and up to 38 Pg SOC could be additionally lost on already existing cropland until the end of the century if cropland is not managed sustainably. The type of tillage system has small effects on the SOC stocks, while the choice of crop residue treatment is shown to be the main driver governing SOC development. Returning residues to the soil slows the decline of SOC, and positively affects soil moisture and crop productivity, with regional differences. In total, up to 46% of todays’ cropland shows the potential for SOC increase, while at least 52% of cropland today will undergo further SOC loss as a form of soil degradation.

Climate change poses a challenge for the production of crops in the twenty-first century due to alterations in environmental conditions. In Central Europe, temperature will be increased and precipitation pattern will be altered, thereby influencing soil moisture content, physiological plant processes and crop development in agricultural areas, with impacts on crop yield and the chemical composition of seeds. Warming and drought often occur simultaneously. The combination of multiple abiotic stresses can be synergistic, leading to additive negative effects on crop productivity. To date, little information is available from multi-factor experiments analyzing interactive effects of warming and reduced precipitation in an arable field. In addition, one major issue of studying climate change effects on crop development in the long-term is that weather conditions can vary strongly between years, e.g., with hot and dry summers in comparison to cool and wet ones, which directly affects soil moisture content and indirectly affects crop development. Thus, considering yearly weather conditions seems to be important for the analyses of climate change effects on aboveground biomass and harvestable yield of crops. The aim of the present work was to identify single and combined effects of soil warming (+2.5 °C), reduced summer precipitation amount (-25%), and precipitation frequency (-50%) on crop development, ecophysiology, aboveground biomass and yield as well as on yield quality of wheat, barley, and oilseed rape grown in the Hohenheim Climate Change (HoCC) field experiment. This thesis presents novel results from the HoCC experiment in the long-term perspective. Thus, aboveground biomass and yield data (2009-2018) of the three crops were analyzed with regard to their inter-annual variability, including annual fluctuations in weather conditions.This thesis consists of three publications. In the first and second publication a field experiment within the scope of the HoCC experiment was conducted with spring barley (Hordeum vulgare L. cv. RGT Planet) and winter oilseed rape (Brassica napus L. cv. Mercedes) in 2016 and 2017. The objective was to investigate the impacts of soil warming, altered precipitation pattern and their interactions on biomass production and crop yield. In addition, it was examined, whether the simulated climate changes affecting barley photosynthesis and the seed quality compounds of oilseed rape. In the third publication, long-term plant productivity data of wheat, barley, and oilseed rape were evaluated, including aboveground biomass and yield data from the field experiment in 2018 with winter wheat (Triticum aestivum L. cv. Rebell). Der Klimawandel stellt aufgrund veränderter Umweltbedingungen eine Herausforderung für den Anbau von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen im 21. Jahrhundert dar. In Mitteleuropa steigt die Temperatur an und die Niederschlagsmuster verändern sich, wodurch die Bodenfeuchte, die physiologischen Pflanzenprozesse und die Pflanzenentwicklung in landwirtschaftlichen Gebieten beeinflusst werden. Dies wirkt sich auf den Ernteertrag und die chemische Zusammensetzung der Erträge aus. Häufig treten Erwärmung und Trockenheit gleichzeitig auf. Dabei kann sich das Vorkommen mehrerer abiotischer Stressoren synergistisch auswirken und zu additiv negativen Effekten auf die Pflanzenproduktivität führen. Bisher liegen nur wenige Informationen aus multifaktoriellen Experimenten vor, welche die Wechselwirkungen von Erwärmung und Trockenheit in einem landwirtschaftlichen Feld untersuchen. Darüber hinaus ist es wichtig die Auswirkungen des Klimawandels auf die Entwicklung von Nutzpflanzen in Langzeitstudien zu untersuchen, da die Wetterbedingungen zwischen den Jahren stark variieren können, z. B. mit heißen und trockenen Sommern im Vergleich zu kühlen und nassen, mit direkter Auswirkung auf die Bodenfeuchte und indirekter Wirkung auf die Entwicklung der Pflanzen. Demzufolge scheint eine Berücksichtigung der jährlichen Wetterbedingungen wichtig zu sein, wenn die Folgen des Klimawandels auf die oberirdische Biomasse und den Ernteertrag von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen abgeschätzt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es im Rahmen des Hohenheim Climate Change (HoCC) Feld-Experimentes die Folgen der drei Faktoren Bodenerwärmung (+2,5°C), reduzierter Sommer Niederschlagsmenge (-25 %) und Niederschlagshäufigkeit (-50 %) einzeln oder in Kombination auf die Parameter Pflanzenentwicklung, Ökophysiologie, oberirdische Biomasse, Ertrag und Ertragsqualität von Weizen, Gerste und Raps zu untersuchen. In dieser Arbeit werden neue Ergebnisse aus dem Langzeit - HoCC-Experiment präsentiert. Dazu wurden Daten von 2009-2018 zu oberirdischer Biomasse und Ertrag der drei Kulturen hinsichtlich ihrer zwischenjährlichen Variabilität analysiert und jährliche Schwankungen in den Witterungsbedingungen berücksichtigt. Die Dissertation besteht aus drei Publikationen. In der ersten und zweiten Veröffentlichung wurde im Rahmen des HoCC Experimentes in den Jahren 2016 und 2017 ein Feldversuch mit den Nutzpflanzen Sommergerste (Hordeum vulgare L. cv. RGT Planet) und Winterraps (Brassica napus L. cv. Mercedes) durchgeführt. Ziel war es, die Auswirkungen einer Bodenerwärmung, veränderten Niederschlagsmustern und deren Wechselwirkungen auf die Biomasseproduktion und den Ernteertrag zu untersuchen. Darüber hinaus wurde untersucht, ob sich die simulierten Klimaänderungen auf die Photosynthese von Gerste sowie auf die Inhaltsstoffe von Rapssamen auswirken. In der dritten Veröffentlichung wurden Langzeit - Produktivitätsdaten von Weizen, Gerste, und Raps ausgewertet, darunter oberirdische Biomasse und Ertragsdaten aus dem HoCC Feldversuch von 2018 mit Winterweizen (Triticum aestivum L. cv. Rebell).

Agricultural activities are responsible for a substantial share of anthropogenic greenhouse gases. At the same time, agricultural production must feed a growing world population under a changing climate. In the case of wheat, the use of nitrogen (N) fertilizers is needed in order to insure grain yield and quality. Nevertheless, its use is associated with reactive N losses, which are detrimental for the environment and human health. Among the gaseous N species emitted after N fertilization we find nitrous oxide (N2O), a potent greenhouse gas, and ammonia (NH3) that after its deposition can be oxidized to N2O. Chemical compounds such as nitrification and urease inhibitors (NIs and UIs, respectively) are a useful tool, able to raise the fertilizer nitrogen use efficiency, by retarding the nitrification of ammonium based fertilizer in the case of NIs and by retarding the hydrolysis of urea in the case of UIs. A side benefit of the use of NIs is the reduction of N2O emissions. The use of UIs reduces the NH3 volatilization. One of the most used NIs in Europe is 3,4-dimethylpyrazol phosphate (DMPP) which can be applied with ammonium sulfate nitrate (ASN). The relatively new NI, 3,4-dimethylpyrazol succinic acid (DMPSA), acts similarly to DMPP but has a different time of action and can be applied to several fertilizers, unlike DMPP. N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT) is an effective UI that provenly reduces NH3 volatilization by inhibiting the urease enzyme. In a two-year field experiment with winter wheat several fertilizer strategies were tested, including splitting strategies, use of NIs and reduction of N amount. Reducing N amount reduces the amount of soil mineral N, which is the substrate for N2O producing microbiological processes, nitrification and denitrification. Splitting of N fertilizer might reduce soil mineral N as well because N fertilizer applications are better suited to the physiological needs of the wheat plants. Applying NIs in splitting schemes may further mitigate emissions. The relationship between N amount and N2O losses in a wheat production system was investigated by applying lower and higher N amounts than the recommended N application rate. Use of DMPP was able to reduce N2O emissions in both years, not only on an annual basis (by 21 %: 3.1 vs 2.5 kg N2O-N ha-1 a-1 average for both years) but also during winter, when up to 18 % of total annual emissions occurred. A change of the soil microbial community due to DMPP could be the reason for the reduction of winter emissions 8 to 12 months after DMPP application. An economic assessment of N fertilizer amount showed that DMPP applied with suboptimal N fertilizer amounts can maintain yield and at the same time decrease yield scaled N2O emissions compared to an optimal N fertilizer rate without NI. Using CAN together with the NI DMPSA reduced N2O emissions only during the vegetation period. On an annual basis, DMPSA did not significantly reduce N2O emissions. Because DMPSA and DMPP were applied with different N fertilizers with different ammonium and nitrate shares, a direct comparison between these two NIs cannot be made. A traditional threefold split fertilization did not reduce annual emissions compared to a single application of ASN or CAN. Nevertheless, the use of DMPP in twofold split applications reduced annual emissions significantly by 33 % and increased protein content by 1.6 %. Because N2O flux peaks were not as high as expected after N fertilization during the first year, a short experiment investigating the effect of soil moisture, N and C application on N2O fluxes was conducted. A C limitation of the field was found, which explained high N2O emission events when C was available, e.g. after rewetting of dry soil and incorporation of straw after harvest. In this context we tested the removal of wheat straw – which should reduce the organic substrate supply for denitrifiers – as a possible mitigation strategy. Nevertheless, the removal of straw had no effect on N2O emissions. Furthermore, the effect of DMPP on microorganisms was studied in an incubation experiment: the copy number of bacterial amoA genes (nitrifiers) was lowered by the use of DMPP, while the number of archaeal amoA genes was increased by DMPP. Gene copy number of denitrifiers was unaffected by DMPP, nevertheless, soil respiration was reduced when DMPP was applied. It seems as DMPP has an inhibiting effect on heterotrophic organisms, nevertheless, the investigated variables did not support this hypothesis, so that further investigation is needed. The effect of NBPT and straw residues on NH3 and N2O emissions was studied in a two-week incubation experiment with a slightly alkaline soil. NBPT reduced NH3 volatilization and N2O fluxes from urea fertilization almost completely. Incorporation of straw residues significantly increased N2O emissions. In a further four-week incubation experiment, the effect of NBPT in two concentrations and DMPP was studied. A higher NBPT concentration as the recommended rate, reduced NH3 emissions by 53 %; DMPP on the other hand increased NH3 volatilization by 70 %. Regarding N2O, DMPP reduced emissions to the same level as the unfertilized control; NBPT only shifted the emission peak so that by the end of the experiment no difference in the cumulative N2O emission was found between urea and NBPT treatments. These results show that UI can lead to a reduction of N2O emissions, but the ammonium formed by the urea hydrolysis should be used by crops, otherwise it serves as a substrate for N2O production in soils. In the final incubation experiment, the combined application of a NI (DMPSA) and a UI (NBPT) was studied. Lower concentrations than the recommended doses were applied in order to assess synergistic effects. The combined application of DMPSA and NBPT did not lead to synergistic effects in the analyzed variables (soil urea amount, soil mineral N, ammonia volatilization, soil respiration and N2O emission). The higher the NBPT concentration, the slower urea was hydrolyzed and the higher the reduction in NH3 volatilization. A third of DMPSA application rate was enough to reduce N2O emissions; however, the use of NI increased NH3 losses. Our results highlight the importance of annual datasets when assessing mitigation strategies for N2O. For wheat production, a reduction of the N fertilizer amount when a NI is used should be taken into consideration. When elite wheat cultivars are grown split application with NI fertilizers could ensure high protein content and simultaneously reduce N2O emission. Urea fertilizer should be applied with NI and UI so that NH3 volatilization and N2O emission is reduced. Nevertheless, long-term effects of these compounds on soil microbiology must be monitored to avoid unseen ecotoxicological effects. Since some of these compounds or their metabolites might be absorbed by plants and end up in food and feed more research is needed to protect consumers. Landwirtschaftliche Aktivitäten sind für einen erheblichen Teil der anthropogenen Treibhausgase verantwortlich. Gleichzeitig muss die landwirtschaftliche Produktion eine wachsende Weltbevölkerung in einem sich verändernden Klima ernähren. Bei Weizen ist der Einsatz von Stickstoffdünger (N) erforderlich, um den Ertrag und die Qualität des Getreides zu sichern. Der Einsatz von Stickstoffdüngern ist jedoch mit reaktiven N-Verlusten verbunden, die sich nachteilig auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit auswirken. Zu den gasförmigen N-Spezies, die nach der N-Düngung freigesetzt werden, gehören Distickstoffmonooxid (N2O), ein starkes Treibhausgas, und Ammoniak (NH3), das nach seiner Deposition zu N2O oxidiert werden kann. Chemische Substanzen wie Nitrifikations- und Ureaseinhibitoren (NI bzw. UI) sind ein wirksames Mittel, um die N-Nutzungseffizienz von Düngemitteln zu erhöhen, indem sie die Nitrifikation von Ammonium-basierten Düngemitteln - im Fall von NI - und die Harnstoffhydrolyse - im Fall von UI - verzögern. Ein positiver Nebeneffekt der Anwendung von NI ist die Minderung der N2O-Emissionen. Durch den Einsatz von UI wird die NH3-Volatilisierung reduziert. Einer der in Europa am häufigsten verwendeten NI ist 3,4-Dimethylpyrazolphosphat (DMPP), das zusammen mit Ammonsulfatsalpeter (ASS) eingesetzt werden kann. Der relativ neue NI, 3,4-Dimethylpyrazolbernsteinsäure (DMPSA), wirkt ähnlich wie DMPP, hat aber einen späteren Wirkzeitpunkt und kann im Gegensatz zu DMPP mit mehreren Düngemitteln angewendet werden. N-(n-Butyl)-thiophosphorsäuretriamid (NBPT) ist ein wirksamer UI, der nachweislich die NH3-Volatilisierung durch Hemmung des Enzyms Urease reduziert. In einem zweijährigen Feldversuch mit Winterweizen wurden verschiedene Düngestrategien getestet, darunter Splitting-Strategien, die Verwendung von NI und die Reduzierung der N-Menge. Die Verringerung der N-Menge reduziert die mineralischen N-Gehalte in Böden, die das Substrat für die mikrobiellen N2O-Quellprozesse Nitrifikation und Denitrifikation darstellen. N-Splitting kann die mineralischen N-Gehalte in Böden ebenfalls verringern, da die N-Düngung besser auf die physiologischen Bedürfnisse der Weizenpflanzen abgestimmt ist. Die Anwendung von NI-Düngern im Rahmen von Splitting-Strategien kann die Emissionen weiter verringern. Der Zusammenhang zwischen der N-Menge und den N2O-Verlusten in einem Weizenanbausystem wurde untersucht, indem niedrigere und höhere N-Mengen als die empfohlene N-Menge ausgebracht wurden. Der Einsatz von DMPP konnte die N2O-Emissionen in beiden Jahren nicht nur auf Jahresbasis reduzieren (um 21 %: 3,1 gegenüber 2,5 kg N2O-N ha-1 a-1 im Durchschnitt beider Jahre), sondern auch im Winter, in dem bis zu 18 % der gesamten Jahresemissionen auftraten. Eine Veränderung der mikrobiellen Bodengemeinschaft durch DMPP könnte der Grund für den Rückgang der N2O-Emissionen 8 bis 12 Monate nach DMPP-Anwendung sein. Eine wirtschaftliche Bewertung der N Düngermenge zeigte, dass DMPP mit suboptimalen N-Düngermengen ausgebracht, im Vergleich mit einer optimalen N-Düngung ohne NI den Ertrag aufrechterhalten und gleichzeitig die ertragsbezogenen N2O-Emissionen verringern kann. Der Einsatz von Kalkammonsalpeter (KAS) zusammen mit dem NI DMPSA reduzierte die N2O-Emissionen nur während der Vegetationsperiode. Auf Jahresbasis reduzierte DMPSA die N2O-Emissionen nicht signifikant. Da DMPSA und DMPP mit unterschiedlichen N-Düngemitteln ausgebracht wurden, die unterschiedlichen Ammonium- und Nitratanteilen aufwiesen, ist ein direkter Vergleich zwischen diesen beiden NIs nicht möglich. Eine herkömmliche dreifach gesplittete Applikation verringerte die jährlichen Emissionen im Vergleich zu einer einmaligen Anwendung von ASS oder KAS nicht. Die Verwendung von DMPP in einer zweifachen Splitapplikation reduzierte die jährlichen Emissionen jedoch deutlich um 33 % und erhöhte den Proteingehalt des Weizenkorns um 1,6 %. Da die Höchstwerte der N2O-Flüsse nach der N-Düngung im ersten Jahr vergleichsweise gering waren, wurde ein Kurzexperiment durchgeführt, in dem die Auswirkungen von Bodenfeuchte, N- und C-Verfügbarkeit auf die N2O-Flüsse untersucht wurden. Es wurde eine C-Limitierung des Bodens festgestellt, was die hohe N2O-Emissionen erklärte, wenn C mikrobiell verfügbar war, z. B. nach Wiederbefeuchtung von trockenem Boden und nach Einarbeitung von Stroh nach der Ernte. In diesem Zusammenhang wurde die Abfuhr von Weizenstroh – das das organische Substratangebot für Denitrifikanten reduzieren sollte – als eine mögliche Minderungsstrategie getestet, sie hatte jedoch keine Auswirkungen auf die N2O-Emissionen. Darüber hinaus wurde die Wirkung von DMPP auf die mikrobielle Gemeinschaft in einem Inkubationsversuch untersucht: Die Kopienzahl der bakteriellen amoA-Gene (Nitrifikanten) wurde durch den Einsatz von DMPP verringert, während die Zahl der amoA-Gene von Archaeen durch DMPP erhöht wurde. Die Anzahl der Genkopien von Denitrifikanten wurde durch DMPP nicht beeinflusst, jedoch wurde die Bodenatmung durch DMPP verringert. Es ist anzunehmen, dass DMPP eine hemmende Wirkung auf heterotrophe Organismen hat, jedoch haben die untersuchten Variablen diese Hypothese nicht bestätigt, so dass weitere Untersuchungen erforderlich sind. Die Wirkung von NBPT und Strohresten auf die Emission von NH3 und N2O wurde in einem zweiwöchigen Inkubationsexperiment mit einem Boden mit leicht alkalischen pH-Wert untersucht. NBPT reduzierte die NH3-Volatilisierung und N2O-Flüsse aus der Harnstoffdüngung fast vollständig. Die Einarbeitung von Strohrückständen erhöhte die N2O-Emissionen erheblich. In einem weiteren vierwöchigen Inkubationsversuch wurde die Wirkung von zwei unterschiedlichen NBPT-Konzentrationen sowie von DMPP untersucht. Eine höhere NBPT-Konzentration als die empfohlene Rate reduzierte die NH3-Emissionen um 53 %; DMPP hingegen erhöhte die NH3-Volatilisierung um 70 %. In Bezug auf N2O reduzierte DMPP die Emissionen auf das gleiche Niveau wie in der ungedüngten Kontrolle; NBPT verschob lediglich die Emissionsspitze, so dass am Ende des Versuchs kein Unterschied in der kumulativen N2O-Emission zwischen den Behandlungen mit Harnstoff und NBPT festgestellt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass UI zu einer Verringerung der N2O-Emissionen führen kann, aber das nach Harnstoffhydrolyse gebildete Ammonium von Kulturpflanzen genutzt werden muss, da es sonst als Substrat für die N2O-Bildung in Böden genutzt wird. Im letzten Inkubationsversuch wurde die kombinierte Anwendung eines NI (DMPSA) und eines UI (NBPT) untersucht. Es wurden niedrigere Konzentrationen als die empfohlenen Dosen verwendet, um synergistische Effekte zu evaluieren. Die kombinierte Anwendung von DMPSA und NBPT führte nicht zu synergistischen Effekten (Harnstoffmenge und mineralischer Stickstoff im Boden, NH3-Volatilisierung, Bodenatmung und N2O-Emission). Je höher die NBPT-Konzentration, desto langsamer wurde der Harnstoff hydrolysiert und desto stärker wurde die NH3-Volatilisierung reduziert. Ein Drittel der empfohlenen DMPSA-Aufwandsmenge reichte aus, um die N2O-Emissionen zu verringern; die Verwendung von NI erhöhte jedoch die NH3-Verluste. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung ganzjähriger Datensätze bei der Bewertung von Minderungsstrategien für N2O. Beim Weizenanbau sollte eine Verringerung der N-Düngermenge beim Einsatz von NI in Betracht gezogen werden. Beim Anbau von Elite-Weizensorten kann eine gesplittete N-Gabe mit NI einen hohen Proteingehalt bei gleichzeitiger Minderung der N2O-Emission gewährleisten. Harnstoffdünger sollte mit NI und UI ausgebracht werden, so dass die NH3-Volatilisierung und die N2O-Emission verringert werden. Dennoch müssen die langfristigen Auswirkungen dieser Verbindungen auf die mikrobielle Gesellschaft von Böden untersucht werden, um unvorhergesehene ökotoxikologische Auswirkungen zu vermeiden. Da einige dieser Verbindungen oder ihre Metaboliten von Pflanzen aufgenommen werden und in Lebens- und Futtermittel gelangen könnten, ist weitere Forschung zum Schutz der Verbraucher erforderlich.

Phosphate (P) is used extensively in agriculture. This has led to a reliance on P imports. Meanwhile, the framework for fertilization with digestate and manure in the European Union has become more stringent in recent years. Therefore, nutrients should be recovered as fertilizer to reduce dependencies, redistribute nutrient and amplify the product portfolio of biogas plants. Current nutrient recovery processes have in common that they are post digestion treatments of digestate, which neglect the phosphate behavior during digestion. It is necessary to closely evaluate P behavior during AD to optimize post digestion treatments of digestate by using digestion as a pretreatment for digestate. Therefore, it was the overall objective of this work to evaluate the turnover of P during anaerobic digestion in laboratory scale batch and continuous digestion systems. In laboratory experiments with batch reactor systems three different manures, namely pig, dairy and chicken manure were digested. Activated sludge served as inoculum. A set of 120 mL batch digesters were filled and individual bottles were opened after defined times and discarded afterwards until the last reactors were opened on day 30. The results showed that H2O-P and NaHCO3-P decreased over the digestion period by up to 40.1 %. Meanwhile, NaOH-P increased. Overall, it could be concluded that anaerobic digestion leads to a mineralization of P. The mineralization was especially profound during the first few days after the substrate was mixed with the inoculum, concluding that the ions in the inoculum played a significant role in this mineralization. In effect, AD reduces immediate plant availability but increases slow-release fertilization effects. During the batch experiments it was found that for a defined measurement wavelength for digestate the absorbance spectrum of digestate extracts needed to be analyzed and a drying temperature needed to be determined for sample treatment. For the evaluation of these two aspects samples were dried at 50°C and at 105°C and freeze dried. These samples and undried digestate were extracted by Hedley fractionation. The coloring agent was added to the extracts and the spectra between 600 nm and 1100 nm were measured. The spectral lines showed two peaks (709 nm and 889 nm). The lower wavelength proved to be more stable at low absorbance, making this the better wavelength for analysis. The analysis of the Hedley extracts showed that drying increases the H2O-P and NaHCO3-P fraction by up to 70 %. The samples were rinsed with preceding solvent to increase accuracy. Overall, the adapted method achieved higher accuracy for H2O-P, NaHCO3-P than the former method. The adapted fractionation was used for the analysis of samples during experiments in continuously stirred tank reactors. Chicken and dairy manure were each co-digested with straw and the parameters OLR and temperature were varied. The results showed that OLR had a negative correlation with H2O-P, which decreased by up to 50.49 %. Meanwhile, HCl-P increased significantly in chicken manure digestate, showing a positive correlation with OLR. It was proven that temperature has a minor effect on P transformation with a slightly higher mineralization of P under thermophilic conditions. Especially the high calcium concentration in chicken manure dominated the P turnover during the digestion, which can also be seen in the positive correlation of OLR with HCl-P as well as a high Pearson correlation coefficient above 0.85 for calcium and phosphate in chicken manure digestion. The results of this work have proven that P changes its chemical composition significantly during anaerobic digestion. The parameters of the digestion process had a decisive effect on the final composition with OLR and substrate composition being the major drivers. The results further showed that gas production and high P solubility are in conflict because for increased H2O-P OLR needs to be reduced. Future work should focus specifically on the combination of this anaerobic digestion and post-digestion treatments for cost effective recovery. This can play a key role for future profitability of biogas projects. Phosphat (P) wird in großem Umfang in der Landwirtschaft verwendet. Das hat zu Anhängigkeiten von P importen geführt. Gleichzeitig wurde der rechtliche Rahmen zur Düngung mit Gärrest und Gülle in der Europäischen Union in den letzten Jahres strenger. Daher sollten Nährstoffe aus Gärresten zurückgewonnen werden um die Abhängigkeiten zu reduzieren, Nährstoffe neu zu verteilen und das Produktportfolie von Biogasanlagen zu erweitern. Bei derzeitigen Verfahren zur Nährstoffrückgewinnung handelt es sich um Nachbehandlungen von Gärresten, die das Verhalten von Phosphat während der Vergärung vernachlässigen. Es ist erforderlich, das P-Verhalten während der anaeroben Vergärung genau zu untersuchen, um die Nachbehandlung von Gärresten zu optimieren, indem die Vergärung als Vorbehandlung genutzt wird. Daher war die Gesamtzielsetzung dieser Arbeit die P Umwandlung während der anaeroben Vergärung in Batch- und kontinuierlichen Vergärungssystemen im Labormaßstab zu analysieren. In Laborexperimenten mit Batch-Reaktorsystemen wurden drei verschiedene tierische Exkremente, Schweine-, Rinder- und Hühnermist, vergoren. Belebtschlamm diente als Inokulum. Mehrere 120 mL Batch-Fermenter wurde gefüllt und einzelne Reaktoren wurden nach bestimmten Zeiten geöffnet und anschließend verworfen, bis die letzten Reaktoren am dreißigsten Tag geöffnet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass H2O-P und NaHCO3-P während der Vergärungszeit um bis zu 40,1 % abnahmen. Gleichzeitig stieg NaOH-P an. Insgesamt ließ sich feststellen, dass die anaerobe Vergärung zu einer Mineralisierung von P führte. Die Mineralisierung war in den ersten Tagen nach der Vermischung des Substrats mit dem Inokulum besonders ausgeprägt, was darauf schließen lässt, dass die Ionen im Inokulum eine wichtige Rolle bei dieser Mineralisierung spielten. Daraus resultiert, dass AD die unmittelbare Pflanzenverfügbarkeit verringert, aber die Langzeitdüngewirkung erhöht. Bei den Batch-Versuchen wurde festgestellt, dass für eine definierte Messwellenlänge für Gärreste das Absorptionsspektrum von Gärrestextrakten analysiert und eine Trocknungstemperatur für die Probenbehandlung bestimmt werden muss. Zur Beurteilung dieser beiden Aspekte wurden Proben bei 50C und 105°C getrocknet und gefriergetrocknet. Anschließend wurden diese Proben und ungetrocknete Gärreste durch Hedley-Fraktionierung extrahiert. Die Indikatorlösung wurde den Extrakten zugesetzt und die Spektren zwischen 600 nm und 1100 nm gemessen. Die Spektrallinien zeigten zwei Maxima (709 nm und 889 nm). Die niedrigere Wellenlänge war bei geringen Konzentrationen stabiler, weshalb diese die bessere Wellenlänge zur Analyse war. Die Analyse der Hedley-Extrakte zeigte, dass die Trocknung den Anteil an H2O-P und NaHCO3-P um bis zu 70 % erhöht. Hinzu kommt, dass die Proben mit dem vorherigen Lösungsmittel gespült wurden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Insgesamt erzielte die angepasste Methode eine höhere Genauigkeit für H2O-P, NaHCO3-P als die frühere Methode. Die angepasste Fraktionierung wurde für die Analyse von Proben bei Versuchen in kontinuierlich gerührten Tankreaktoren verwendet. Hühnerkot und Rindergülle wurden jeweils mit Stroh co-fermentiert und die Parameter Faulraumbelastung und Temperatur wurden variiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Faulraumbelastung eine negative Korrelation mit H2O-P hatte, das um bis zu 50,49 % abnahm. Gleichzeitig stieg der HCl-P-Gehalt in Gärresten aus Hühnerkot signifikant an und zeigte eine positive Korrelation mit der Faulraumbelastung. Es wurde nachgewiesen, dass die Temperatur einen geringen Einfluss auf die P-Umwandlung hat, wobei die P-Mineralisierung unter thermophilen Bedingungen etwas höher war. Insbesondere die hohe Kalziumkonzentration in Hühnerkot dominierte den P-Umsatz während der Vergärung, was sich auch in der positiven Korrelation der Faulraumbelastung mit HCl-P, sowie einem hohen Pearson-Korrelationskoeffizienten von über 0,85 für Kalzium und Phosphat in Hühnerkot zeigte. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass P seine chemische Zusammensetzung während der anaeroben Vergärung erheblich verändert. Die Parameter des Vergärungsprozesses haben einen entscheidenden Einfluss auf die endgültige Zusammensetzung, wobei die Faulraumbelastung und die Substratzusammensetzung die wichtigsten Faktoren waren. Die Ergebnisse zeigten außerdem, dass Gasproduktion und hohe P-Löslichkeit in Konflikt stehen, da für eine erhöhte H2O-P Konzentration die Faulraumbelastung reduziert werden muss. Zukünftige Arbeiten sollten sich speziell auf die Kombination dieser anaeroben Vergärung und Nachbehandlungen für eine kosteneffiziente Rückgewinnung konzentrieren. Dies kann eine Schlüsselrolle für die künftige Rentabilität von Biogasprojekten spielen.

One of the most essential challenges of the twenty-first century is to realize sustainability in everyday behavior. Daily, partly unconscious decisions influence environmental sustainability. Such everyday choices are increasingly shifted toward digital environments, as digital technologies are ubiquitous in a wide variety of everyday contexts. This yields the great potential to positively influence the users’ behavior toward more environmental sustainability when interacting with digital technologies, for example, through the use of digital nudging. But besides these benefits, research indicates that interacting with digital technologies can lead to a specific form of stress, also known as technostress, that can cause adverse health outcomes. Individuals increasingly suffer from – or are at risk of – mental health issues like depression or burnout. This demonstrates that it is essential to ensure a sustainable interaction with digital technologies that is both environmentally friendly and healthy, especially for the mind. Addressing individuals’ interaction with digital technologies requires a broad understanding from all perspectives. The Human-Computer-Interaction (HCI) framework represents a guiding structure for studying the interaction of humans with digital technologies. Along with the guiding structure of the HCI framework, the seven research articles included in this dissertation aim to contribute to sustainable interaction with digital technologies. The focus is on two outcomes resulting from the interaction: First, fostering pro-environmental behavior and, second, maintaining mental health. After an introductory first chapter, Chapter 2 focuses on the outcome of fostering pro-environmental behavior when interacting with digital technologies using digital nudging. Chapter 2.1 contributes to a deeper understanding of the effectiveness of DNEs in different behavioral contexts (HCI perspective context) that influence the individuals’ pro-environmental behavior (e.g., e-commerce shopping behavior). Chapters 2.2 and 2.3 zoom in on two of the behavioral contexts described in Chapter 2.1 to investigate and test the design and effectiveness of specific DNEs in an e-commerce shop and a smart home app (HCI perspective technology) through online experiments. While prior research concentrated on the effectiveness of different “feedback nudge features” (FNFs) (e.g., different update frequencies), Chapter 2.4 investigates the influence of 25 identified FNFs on user satisfaction in a smart home app through a card sorting approach followed by an online survey based on the Kano model (HCI perspective human). Chapter 3 puts focuses on the outcome of maintaining mental health when interacting with digital technologies, thus avoiding technostress. Chapter 3.1 concentrates on the role of the organization in preventing technostress among their employees (HCI perspective context). It introduces and characterizes 24 primary and secondary technostress prevention measures and determines the relevance of primary prevention measures in reducing different sources of technostress (technostress creators). Out of the 24 technostress prevention measures, two specific measures (“adopt a stress-sensitive digital workplace design” and “use gamification”) are addressed in Chapters 3.2 and 3.3. Through a large-scale online survey, Chapter 3.2 derives an understanding of the characteristic profiles of technologies used at the digital workplace, their interplay, and how they influence technostress (HCI perspective technology). Chapter 3.3 focuses on the individual’s appraisal (HCI perspective human) of a demanding situation when interacting with digital technologies. After conducting an online experiment, Chapter 3.3 finds that the integration of gamification elements (e.g., points or levels) in digital technologies can reduce the individual’s threat appraisal. Lastly, Chapter 4 discusses the results of the seven included research articles and provides an outlook for future research. In summary, this dissertation aims to provide research and practice with new insights into creating a sustainable interaction with digital technologies to foster pro-environmental behavior and maintain mental health. Die nachhaltige Gestaltung des Lebens eine der zentralen Herausforderung des einundzwanzigsten Jahrhunderts. Alltägliche, teils unterbewusste Entscheidungen haben Einfluss auf die ökologische Nachhaltigkeit. Diese Entscheidungen werden durch die Allgegenwärtigkeit digitaler Technologien zunehmend in digitalen Umgebungen getroffen. Dies birgt das Potenzial, die Entscheidungen und somit das Verhalten der Nutzer:innen bei der Interaktion mit digitalen Technologien, beispielsweise durch Digital Nudging, positiv in Richtung ökologischer Nachhaltigkeit zu beeinflussen. Doch neben diesen Vorteilen zeigt die Forschung, dass die Interaktion mit digitalen Technologien eine spezifische Form von Stress, bekannt unter dem Begriff Technostress, auslösen kann, die zu negativen gesundheitlichen Folgen führen kann. Immer mehr Menschen leiden unter psychischen Krankheiten wie Depressionen oder Burnout oder sind akut gefährdet, diese zu entwickeln. Das zeigt, dass eine nachhaltige Interaktion mit digitalen Technologien sowohl umweltfreundlich als auch gesund, insbesondere für die Psyche, sein sollte. Das erfordert zunächst ein umfassendes Verständnis für die Problematik und muss deshalb aus allen relevanten Perspektiven betrachtet werden. Das Human-Computer-Interaction (HCI) Framework stellt eine Struktur für die Untersuchung der Interaktion von Menschen mit digitalen Technologien bereit. Das Framework stellt einen ganzheitlichen Ansatz zur Strukturierung und Klassifizierung der Forschung entlang der drei verschiedenen Perspektiven dar. Orientiert an dieser Struktur zielen die sieben Forschungsartikel dieser Dissertation darauf ab, einen Beitrag zur nachhaltigen Interaktion mit digitalen Technologien zu leisten. Dabei liegt der Fokus auf den beiden Ergebnissen der Förderung des umweltfreundlichen Verhaltens und der Aufrechterhaltung der psychischen Gesundheit. Nach dem einleitenden ersten Kapitel fokussiert Kapitel 2 die Förderung eines umweltfreundlichen Verhaltens bei der Interaktion mit digitalen Technologien durch die Verwendung von Digital Nudging. Durch eine strukturierte Literaturanalyse und der anschließenden Entwicklung eines Frameworks trägt Kapitel 2.1 zu einem tieferen Verständnis und einem Überblick der Effektivität von DNEs in verschiedenen Verhaltenskontexten (HCI Perspektive Kontext), die umweltfreundliches Verhalten bestimmen (z.B. Einkaufsverhalten), bei. In den Kapiteln 2.2 und 2.3 werden zwei der in Kapitel 2.1 betrachteten Kontexte vertieft und sowohl das Design als auch die Effektivität spezifischer DNEs in einem E-Commerce-Shop (Kapitel 2.2) und einer Smart Home App (Kapitel 2.3) in Online-Experimenten untersucht (HCI Perspektive Technologie). Kapitel 2.4 konzentriert sich das gut erforschte und wirksame DNE „Feedback“ zur Förderung von energiesparendem Verhalten. Während sich bisherige Forschung auf die Effektivität verschiedener „Feedback Nudge Features“ (FNFs) konzentriert (z.B. unterschiedliche Aktualisierungsfrequenzen), wird in Kapitel 2.4 der Einfluss von 25 identifizierten FNFs auf die Nutzerzufriedenheit mit Hilfe eines Card Sortings und einer Online-Befragung basierend auf dem Kano Modell untersucht (HCI Perspektive Mensch). In Kapitel 3 liegt der Schwerpunkt auf dem Ziel der Aufrechterhaltung der psychischen Gesundheit und somit der Vermeidung von Technostress. Kapitel 3.1 konzentriert sich auf die Rolle der Organisation bei der Prävention von Technostress bei Mitarbeiter:innen (HCI Perspektive Kontext). Basierend auf einer Delphi-Studie werden 24 primäre und sekundäre Technostress-Präventionsmaßnahmen vorgestellt und charakterisiert, sowie deren Relevanz zur Vermeidung von Technostress eingeschätzt. Von den 24 Maßnahmen werden zwei spezifische Maßnahmen („Gestaltung eines stresssensiblen digitalen Arbeitsplatzes" und „Einsatz von Gamification“) in Kapitel 3.2 und 3.3 behandelt. Kapitel 3.2 trägt durch eine groß angelegte Umfrage zu einem Verständnis für die Charakteristika der am digitalen Arbeitsplatz eingesetzten Technologien und deren Einfluss auf Technostress bei (HCI Perspektive Technologie). Kapitel 3.3 konzentriert sich auf das Individuum und dessen Wahrnehmung einer potenziellen Technostress-Situation bei der Interaktion mit digitalen Technologien (HCI Perspektive Mensch). Durch ein Online-Experiment zeigt sich, dass die Integration von Gamification-Elementen in digitalen Technologien die bedrohende Wahrnehmung der gegebenen Situation des Einzelnen reduzieren kann. Zusammenfassend zielt diese Dissertation darauf ab, Forschung und Praxis mit neuen Erkenntnissen zu einer nachhaltigen Interaktion von Menschen mit digitalen Technologien zu bereichern, die sowohl umweltfreundliches Verhalten fördert als auch die psychische Gesundheit aufrechterhält und somit zu den aktuellen Nachhaltigkeitsbemühungen beiträgt.

In dieser kumulativen Dissertation werden Forschungsarbeiten zur digitalen Transformation in verschiedenen Geschäftsbereichen vorgestellt und diskutiert. Sie erörtert die Chancen und Herausforderungen, denen sich Unternehmen bei der Einführung von Technologien, z. B. mobilen Anwendungen, gegenüberste-hen. Zusätzlich wird die Nutzung neuartiger Geschäftsmodelle aus der Perspek-tive der Technologieakzeptanz untersucht. Mit einem spezifischen Blick auf tech-nische Lösungen werden in dieser Dissertation Probleme bei der Entwicklung mobiler Anwendungen und deren Prozesse untersucht und Implikationen aufge-zeigt. Diese Dissertation bereichert den Wissensstand zur mobilen Applikations-Entwicklung und zum Phänomen des digitalen Wandels auf Unternehmens- und Individualebene. Basierend auf den Limitationen der enthaltenen Artikel wird eine Forschungsagenda abgeleitet, die die Grundlage für weitere Untersuchungen im Bereich der digitalen Transformation sowie der mobilen Anwendungsentwicklung bildet. Wissenschaftler können diese Agenda für ihre zukünftigen Forschungs-projekte nutzen. This cumulative dissertation presents and discusses research on digital trans-formation in several business areas. It discusses the chances and challenges businesses face when introducing technologies, e.g., mobile applications. Also, the usage of new technology-accelerated business models is investigated from a technology acceptance perspective. With a specific look at technical solutions, this dissertation examines challenges in mobile application development and their processes and presents implications. This dissertation enriches the body of knowledge of mobile app development and the phenomenon of digital transfor-mation, both on a business and individual level. Based on the limitations of the contained paper, a research agenda is derived that lays the foundation for fur-ther tailored investigations in the field of digital transformation as well as mobile application development. Researchers can use this agenda for their further re-search projects.

Die Anzahl der unterernährten Menschen in der Welt steigt seit 2017 wieder an. Der Klimawandel wird den Druck auf die Landwirtschaft und die Ernährungssicherheit weiter erhöhen, insbesondere für kleinbäuerliche und von Subsistenzwirtschaft geprägte Agrarsysteme in den Tropen. Um die Widerstandsfähigkeit der Ernährungssysteme und die Ernährungssicherheit zu stärken, bedarf es eines Klimarisikomanagements und Klimaanpassung. Dies kann sowohl die Antizipation als auch die Reaktion auf die Auswirkungen der globalen Erwärmung ermöglichen. Eine zentrale Rolle spielen in dieser Hinsicht landwirtschaftliche Modelle. Sie können die Reaktionen von Pflanzen auf Veränderungen in den Klimabedingungen quantifizieren und damit Risiken identifizieren. Diese Dissertation demonstriert anhand dreier in Peru, in Tansania und in Burkina Faso durchgeführten Fallstudien, wie statistische Ertragsmodelle das Klimarisikomanagement und die Anpassung in der tropischen Landwirtschaft unterstützen können. Während die erste Studie zeigt, wie Klimaanpassungsbestrebungen unterstützt werden können, werden in Studie zwei und drei statistische Modelle genutzt, um Ertrags- und Produktionsvorhersagen zu erstellen. Die Ergebnisse können dazu beitragen, Frühwarnsysteme für Ernährungsunsicherheit zu unterstützen. In den drei Veröffentlichungen werden neue Ansätze statistischer Ertragsmodellierung auf verschiedenen räumlichen Ebenen vorgestellt. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der Weiterentwicklung von bisherigen Ertragsvorhersagen, insbesondere in Bezug auf unabhängige Modellvalidierungen, eine stärkere Berücksichtigung von Wetterextremen und die Übertragbarkeit der Modelle auf andere Regionen. The number of undernourished people in the world has been increasing since 2017. Climate change will further exacerbate pressure on agriculture and food security, particularly for smallholder and subsistence-based farming systems in the tropics. Anticipating and responding to global warming through climate risk management is needed to increase the resilience of food systems and food security. Crop models play an indispensable role in this regard. They allow quantifying crop responses to changes in climatic conditions and thus identify risks. This dissertation demonstrates how statistical crop modelling can inform climate risk management and adaptation in tropical agriculture in the case studies of Peru, Tanzania and Burkina Faso. While the first study shows how statistical crop models can support climate adaptation, studies two and three provide yield and production forecasts. The results can contribute to supporting early warning systems on food insecurity. The three publications present novel approaches of statistical yield modelling at different spatial scales. A particular focus is on further developing existing yield forecasts, especially with regard to independent rigorous model validations, improved consideration of weather extremes, and the transferability of the models to other regions.

The Arctic Ocean is undergoing a major transition from a year-round sea ice cover to ice-free summers with global consequences. Sea ice thickness is at the center of the ongoing changes because the thickness regulates key processes of the Arctic climate system and in the last six decades, the mean thickness has more than halved. With the most scientific attention on the increased melting and delayed freezing of Arctic sea ice, dynamic thickness change caused by sea ice deformation has remained less studied. Dynamic thickness change alters the sea ice thickness through colliding floes that raft or form pressure ridges or floes breaking apart resulting in leads. Because sea ice grows faster in open water and under thin ice, new ice formation is enhanced in those leads compared to the surrounding ice during the growth season. Because thinner ice is easier to break and move, the ongoing thinning of Arctic sea ice may result in more ridges and leads, which, in turn, could increase ice thickness in winter. However, our limited quantitative understanding of dynamic thickness change has hampered any robust prediction if and to which extent such increased dynamic thickening in winter could mitigate summer thinning in the warming Arctic. To address this gap, we need more robust estimates of the current magnitude as well as a better understanding and representation of the different processes in state-of-the-art sea ice models. Thus, the overarching goal of this thesis is to resolve and quantify dynamic thickness change and to link it to the corresponding sea ice deformation. I focus on the freezing period addressing the following research questions: (1) How large is the dynamic contribution to the mean sea ice thickness in different dynamic regimes? (2) How is deformation shaping the ice thickness distribution? (3) How can high-resolution microwave synthetic aperture radar (SAR) satellite data be used to estimate dynamic thickness change? I answer them in two regional case studies: a unique month-long deformation event during the closing of a polynya north of Greenland and in the Transpolar Drift along the drift track of the Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) expedition. The combination of available high-resolution electromagnetic (EM) induction sounding ice thickness data and high-resolution deformation data offer unique research opportunities to study the highly localized and intermittent dynamic thickness changes. My results show that dynamic thickness change plays an important role in both convergent and divergent drift regimes. Studying the polynya closing event reveals that convergence can locally double the thickness of young, thin (<1 m) ice and restore the mean thickness of 2 m of the surrounding multi-year ice within one month. In more divergent regimes like the Transpolar Drift, new ice formation in leads contributes 30% to the sea ice mass balance. There are indicators that this fraction may increase in a more seasonal Arctic sea ice cover. Besides the mean changes, I show how deformation shapes the ice thickness distribution (ITD) with a particular focus on the transfer of observational results into modeling concepts. I identify the ice that participates in ridging, show that the current ridging parameterization in state-of-the-art models is not able to reproduce the observed changes in the shape of the ITD, and suggest an updated parameterization that relates the shape of the ITD proportionally to the observed deformation. Lastly, I demonstrate that SAR-derived deformation can successfully be used to describe sea ice dynamics and to estimate the dynamic contribution to the ice thickness on regional scales. In conclusion, this dissertation substantially advances our understanding of dynamic thickness change with robust and quantitative estimates. The high-resolution EM ice thickness data with simultaneously collected high-resolution deformation data provide an excellent opportunity to deepen our process understanding and to evaluate and improve the modeling of the dynamic processes shaping the ITD. With the increasing availability of SAR data in the Arctic and the presented deformation datasets and methods, new opportunities are opening up to derive dynamic thickness change on Arctic-wide scales and to study the temporal trends in dynamic thickness change over the last decade.

Die Kartierung der städtische Oberflächenmaterialien ist aufgrund der komplexen räumlichen Muster eine Herausforderung. Daten von bildgebenden Spektrometern können hierbei durch die feine und kontinuierliche Abtastung des elektromagnetischen Spektrums detaillierte spektrale Merkmale von Oberflächenmaterialien erkennen, was mit multispektralen oder RGB-Bildern nicht mit der gleichen Genauigkeit erreicht werden kann. Bislang wurden in zahlreichen Studien zur Kartierung von städtischen Oberflächenmaterialien Daten von flugzeuggestützten abbildenden Spektrometern mit hoher räumlicher Auflösung verwendet, die ihr Potenzial unter Beweis stellen und gute Ergebnisse liefern. Im Vergleich zu diesen Sensoren haben weltraumgestützte abbildende Spektrometer eine regionale oder globale Abdeckung, eine hohe Wiederholbarkeit und vermeiden teure, zeit- und arbeitsaufwändige Flugkampagnen. Allerdings liegt die räumliche Auflösung der aktuellen weltraumgestützten abbildenden Spektroskopiedaten bei etwa 30 m, was zu einem Mischpixelproblem führt, welches mit herkömmlichen Kartierungsansätzen nur schwer zu bewältigen ist. Das Hauptziel dieser Studie ist die Kartierung städtischer Materialien mit bildgebenden Spektroskopiedaten in verschiedenen Maßstäben und die gleichzeitige Nutzung des Informationsgehalts dieser Daten, um die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Oberflächenmaterialien zu erfassen sowie das Mischpixelproblem zu berücksichtigen. Konkret zielt diese Arbeit darauf ab, (1) photovoltaische Solarmodule mit Hilfe von luftgestützten bildgebenden Spektroskopiedaten auf der Grundlage ihrer spektralen Merkmale zu kartieren; (2) die Robustheit der Stichprobe von städtischen Materialgradienten zu untersuchen; (3) die Übertragbarkeit von städtischen Materialgradienten auf andere Gebiete zu analysieren. Mapping urban surface materials is challenging due to the complex spatial patterns. Data from imaging spectrometers can identify detailed spectral features of surface materials through the fine and continuous sampling of the electromagnetic spectrum, which cannot be achieved with the same accuracy using multispectral or RGB images. To date, numerous studies in urban surface material mapping have been using data from airborne imaging spectrometers with high spatial resolution, demonstrating the potential and providing good results. Compared to these sensors, spaceborne imaging spectrometers have regional or global coverage, high repeatability, and avoid expensive, time-consuming, and labor-intensive flight campaigns. However, the spatial resolution of current spaceborne imaging spectroscopy data (also known as hyperspectral data) is about 30 m, resulting in a mixed pixel problem that is challenging to handle with conventional mapping approaches. The main objective of this study is to perform urban surface material mapping with imaging spectroscopy data at different spatial scales, simultaneously explore the information content of these data to detect the chemical and physical properties of surface materials, and take the mixed-pixel problem into account. Specifically, this thesis aims to (1) map solar photovoltaic modules using airborne imaging spectroscopy data based on their spectral features; (2) investigate the sampling robustness of urban material gradients; (3) analyze the area transferability of urban material gradients.