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Die Transformation des Energiesystems macht aufgrund zunehmend dezentraler, fluktuierender Stromeinspeisungen durch Wind- und PV-Anlagen, regelbare Stromproduzenten dringend erforderlich. Biogasanlagen können einen substanziellen Beitrag leisten, indem der Anlagenbetrieb flexibilisiert und somit bedarfsgerecht Strom bereitgestellt wird. Durch technische Anpassungen der Anlage, wie beispielsweise dem Ausbau der Gasspeicherkapazitäten und der BHKW-Leistung, lassen sich kurzfristige Schwankungen ausgleichen. Um das Stromerzeugungspotential über längere Zeiträume verlagern zu können, ist jedoch eine angepasste Fütterungsstrategie unabdingbar. Die Steuerung der Biogasproduktion birgt in der praktischen Umsetzung einige Herausforderungen. Einerseits ist die Konversion von Biomasse in Biogas ein komplexer Vorgang und zudem individuell für jede Biogasanlage zu betrachten. Bisher entwickelte Modelle nutzen daher Parameter zu sämtlichen charakteristischen Prozessphasen und Einflussgrößen, um die anaerobe Fermentation modellieren zu können. Demgegenüber steht die oftmals rudimentäre Ausstattung der Biogasanlagen mit Messtechnik, sodass entsprechende Parameter nicht zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modellbasierte prädiktive Regelung des Biogasanlagenbetriebes entwickelt, die eine dem Bedarf angepasste Stromproduktion ermöglicht. Dabei wurde der Anspruch gefasst, besonders praxistaugliche Modelle zu entwickeln um erstmals einen erfolgreichen Einsatz auf nahezu allen Biogasanlagen mit keinen oder nur wenigen Anpassungen an der vorhandenen Messtechnik zu erlauben. Alle Untersuchungen, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wurden auf Basis eines Reallabors, dem „Unterer Lindenhof“, durchgeführt. Dieses umfasst sowohl eine Praxisbiogasanlage als auch einen Energieverbrauch, der einem Dorf mit ca. 125 Einwohnern entspricht. In einem ersten Schritt wurden Prognosemodelle evaluiert, die den Strombedarf des Reallabors über 48 Stunden im Voraus vorhersagen sollen. Dabei wurden vier Modelle aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse untersucht, ein TBATS und drei unterschiedliche ARIMA-Modelle. Über eine Evaluation von jeweils 366 Prognosen zeigten alle vier Modelle mit durchschnittlichen MAPE-Werten von 13-16 % ausreichend gute Resultate um einen Sollwert zur Orientierung des Biogasanlagenbetriebes zu liefern. Zusätzliche Untersuchungen ergaben zudem, dass die Prognose auch über einen Zeitraum von bis zu 14 Tagen erfolgen kann, ohne stärke Einbußen hinsichtlich der Prognosequalität. In einem weiteren Schritt wurde ein Modell zur Simulation der Biogasproduktion entwickelt. Dieses basiert ebenfalls auf der Zeitreihenanalyse, konkret auf einem Regressionsmodell. Damit unterscheidet es sich maßgeblich von bisherigen Entwicklungen in diesem Bereich, die in den meisten Fällen auf dem komplexen ADM1 beruhen. Sehr vorteilhaft erweist sich, dass das entwickelte Simulationsmodell lediglich historische Daten der letzten vier Wochen von der Biogasproduktion und der dosierten Menge an festen Substraten, unabhängig ihrer Zusammensetzung, als Inputparameter benötigt. Die Simulation der Biogasproduktion über 48 Stunden im Voraus erfolgt basierend auf Korrelationen, die die beiden Datensätze aufweisen. Eine Evaluation des Modells über 366 Simulationen ergab einen durchschnittlichen MAPE von 14-18 %. Dabei wurden die Daten von beiden Fermentern der Praxisbiogasanlage genutzt, die als eigenständige Systeme betrachtet werden können und damit die Adaptierbarkeit des Modells verdeutlichten. In einem dritten Schritt wurde die Fütterungsplanung zur bedarfsorientierten Biogasproduktion entwickelt. Für jeweils 48 Stunden im Voraus wurden 1500 randomisierte Fütterungspläne berechnet. Dabei wurden einige wenige Limitierungen vorgenommen, wie die maximale Substratmenge, die technisch in der Praxisbiogasanlage umsetzbar ist. Die aus den Fütterungsplänen voraussichtlich resultierende Biogasmenge konnte mittels des Simulationsmodells berechnet werden. Über einen Abgleich mit dem gewünschten Biogasbedarfsprofil konnte die Simulation mit den geringsten Abweichungen ermittelt und der zugehörige Fütterungsplan ausgewählt und umgesetzt werden. Die gesamte modellbasierte prädiktive Regelung wurde in einem praktischen Versuch im Reallabor „Unterer Lindenhof“ eingesetzt und eingehend geprüft. Über einen Zeitraum von 36 Tagen konnte ein durchschnittlicher MAPE von unter 20 % im Abgleich von der realen Biogasproduktion zu dem gewünschten Biogasbedarf erreicht werden. Dabei wurde in dem Testzeitraum der Biogasbedarf von dem prognostizierten Strombedarf des Reallabors abgeleitet. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die entwickelte modellbasierte prädiktive Regelung eine bedarfsgerechte Stromproduktion auf einer großtechnischen Biogasanlage ermöglicht und aufgrund der erstmals sehr praxistauglichen Modelle eine Adaption auf nahezu jede Biogasanlage erlaubt. The transformation of the energy system requires controllable producers due to increasingly decentralised, fluctuating electricity generation from wind turbines and photovoltaics. Biogas plants can make a substantial contribution here by making plant operation more flexible and thus providing electricity as needed. Technical adjustments, such as the expansion of gas storage capacities and CHP output, can compensate for short-term fluctuations. However, in order to be able to shift the potential of electricity generation over longer periods of time, an adapted feed-in strategy is essential. The control of biogas production poses several challenges in practical implementation. First, the conversion of biomass into biogas is a complex process and must be considered individually for each biogas plant. Models developed so far use parameters for all characteristic process phases and influencing variables in order to be able to model anaerobic digestion. In contrast, biogas plants are often only rudimentarily equipped with measurement technology, so that corresponding parameters are not available. In this work, a model-predictive control of biogas plant operation was developed to enable demand-driven electricity generation. The aim was to develop models that are particularly well suited for practical use. Thus, for the first time, a successful application on almost all biogas plants could be possible without or with only minor adaptations to the existing measurement technology. All studies carried out in this thesis are based on a real-world laboratory, the "Unterer Lindenhof". This includes a practical biogas plant as well as an electrical consumption corresponding to that of a village with about 125 inhabitants. In a first step, forecasting models were evaluated to predict the electricity demand of the real-world laboratory over 48 hours in advance. Four models from the field of time series analysis were examined, one TBATS and three different ARIMA models. In an evaluation of 366 forecasts each, all four models performed sufficiently well to provide a set point for biogas plant operation, with average MAPE values of 13-16 %. Further investigations showed that forecasts can also be carried out over a period of up to 14 days without significant losses in forecast quality. In a further step, a model was developed to simulate biogas production. This is also based on time series analysis, or more precisely on a regression model. Thus, it differs significantly from previous developments in this field, which are mostly based on the complex ADM1. It turns out to be very advantageous that the developed simulation model uses as input parameters only historical data of the last four weeks of biogas production and the amount of solid substrates fed in, without considering their composition. The simulation of biogas production over 48 hours in advance is based on correlations resulting from these two data sets. An evaluation of the model over 366 simulations resulted in an average MAPE of 14-18 %. Data from both digesters of the biogas plant were used, which can be considered as independent systems, demonstrating the adaptability of the model. In a third step, the feeding schedule was developed for demand-based biogas production. For each 48 hours in advance, 1500 randomised feeding schedules were calculated. Some constraints were imposed, such as the maximum amount of substrate that is technically possible in the biogas plant. The biogas production expected from the feeding schedules could be calculated using the simulation model. By comparing the simulation with the desired biogas demand profile, the simulation with the least deviations could be determined and the appropriate feeding plan selected and implemented. The entire model predictive control system was used and thoroughly tested in a field trial at the real-world laboratory "Unterer Lindenhof". Over a period of 36 days, an average MAPE of less than 20 % was achieved in comparison between the real biogas production and the desired biogas demand. During the test period, the biogas demand was derived from the predicted electricity demand of the real-world laboratory. The investigations carried out show that the model-predictive control system developed enables demand-oriented electricity generation on full-scale and that, due to the models being very close to practice for the first time, adaptation to almost all biogas plants is possible.

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).

The topic of this dissertation deals with rice production, the predominant source of daily nourishment for more than half of the worlds population. Rice production is directly affected by global climate change through aggravating climatic conditions, but is also one of the major sources of greenhouse gases (GHG) in the agricultural sector. The latter aspect is investigated in 4 publications by assessing the factors contributing to emissions, the quantification of GHG emissions across different scales, and possible mitigation of GHG emissions. In totality, these studies aim at bridging the gap between field measurements to national extrapolations in view of both GHG inventories and future mitigation programs. In terms of methodologies, the publications compiled in the following chapters represent a broad spectrum ranging from field measurements to meta-analysis, but they all deal with the emission of methane (CH4) which is generated in rice fields due to the unique feature of ‘semi-aquatic’ soils. The publications based on newly conducted field measurements also a nitrous oxide (N2O) which is a potent GHG emitted typically emitted from rice fields in low quantities. Chapter 2 (Vo et al. 2018) compiles field measurements from the Vietnamese Mekong River Delta (MRD) which accounts for more than 50% of the country’s rice production. Emission factors (EFs) are used to estimate total emissions associated with the area of rice production. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) has given the default EFs that are based on global averages as Tier 1 approach. However, the IPCC guidelines encourage national reporting institutions to conduct field measurements of GHG emissions and to determine country-specific EFs as the basis of the Tier 2 approach. Tier 2 further accounts for the fact that emissions may also be highly variable within a given country by requesting for disaggregation of EF at a sub-national scale. Therefore, the most recent GHG inventories for Vietnam are based on region-specific EFs under the IPCC Tier 2 approach, which is implemented using national activity data (i.e., national average cultivation period of rice and harvested area). In Chapter 2, we developed the specific EFs for different hydrological sub-zones and growing seasons in the MRD to achieve disaggregated EFs that could be used for the National Communications submitted to the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC). Due to the distinct bio-physical condition and cropping cycle, the results show the lowest emissions in the saline sub-zone. While alluvial, acid sulfate soils had intermediate levels, the highest emissions were found in the deep flood sub-zone. In Chapter 3 (Vo e al. 2018), we expanded the geographical scope of the GHG assessment to the entire country. This meta-analysis of CH4 data covers 73 cropping seasons at 36 field sites across the rice-growing areas of Vietnam under the IPCC’s baseline conditions (i.e., continuously flooded, no organic amendments) in the three main cropping seasons. As an output of this study, a structured database contained the location and season of each measurement as well as site-specific bio-physical factors and crop management at the site scale. In the next step, we developed disaggregated EFs for different zones and cropping seasons across the country that can be used for future reporting commitments of Vietnam as part of a more accurate Tier 2 assessment. The calculated EFs were generally higher than the IPCC defaults and the values used for Vietnam’s 3rd National Communications for the North, Central, and South Vietnam. Chapter 4 (Vo et al. 2023) has to be seen in the context of Vietnam’s climate change policy that aims at reducing GHG emissions from rice production. Mitigation in rice production will be crucial for Vietnam because CH4 from rice accounts for about 15 % of the national GHG which is more than the entire transport sector even without considering CO2 and N2O emissions along the rice value chain. Previous studies have assessed the potential practices by changes in farming practices, namely water, nutrient, and straw management, and almost uniformly concluded that Alternate Wetting and Drying (AWD) is the most promising strategy for achieving a sizable mitigation of GHG emissions. Given the intense rainy season in southeast Asia, however, the precipitation is often too high to implement this water regime and will not provide any economic benefit from water saving. In turn, it is important to consider other mitigation strategies such as the selection of low-emitting cultivars. We conducted a field screening of 20 rice varieties that was expanded by assessing the interactive effect of variety selection and AWD. An experimental layout with 120 plots (based on 3 replicates) was required to assess this interaction of variety and water management in the field using the closed chamber method to collect air samples followed by lab analysis (using a gas chromatograph) to quantify the CH4 and N2O concentrations. The results of this study confirmed that GHG emissions from rice fields are dominated by CH4 emissions whereas N2O emissions were negligible. Compared with IPCC default values, the data set from two dry seasons yielded higher emissions under a baseline of continuous flooding (EF = 2.96 kg CH4 ha-1 d-1) and lower Scaling Factors (SF) of AWD (SF = 0.4). Chapter 5 (Asch et al. 2023) deals with the agronomic aspects of both AWD and variety selection and their implications on the economic viability of future mitigation efforts. While AWD is more efficient in reducing CH4 emissions than variety selection, this water management practice resulted in a slight yield decrease in our field study. Given the limited applicability of AWD, the selection of varieties is a much more adaptable approach and is also beneficial in terms of farmers’ adoption because it does not require any crop management changes. However, this strategy could also impact profits since the lowest-emitting variety may not have the highest rice yields. In the context of future mitigation programs in the MRD, the dry season allows good control of the water table, so AWD should be the core of any mitigation effort. Variety selection on the other hand should be targeted in those seasons and locations that do not allow draining the fields. In turn, low-emitting varieties should become an integral part of future mitigation programs to supplement AWD within a systematic out scaling. In terms of economic trade-offs for the farmers, we assumed a scenario with compensation derived from the still premature carbon markets. The potential profit increments are very low and not attractive if distributed to farmers directly, but may collectively be used for investments in rural development by government agencies for benefitting farmers indirectly, e.g. by improving the irrigation infrastructure. Das Thema dieser Dissertation befasst sich mit dem Reisanbau, der wichtigsten Quelle für die tägliche Ernährung von mehr als der Hälfte der Weltbevölkerung. Die Reisproduktion ist durch die Verschärfung der klimatischen Bedingungen direkt vom globalen Klimawandel betroffen, ist aber auch eine der Hauptquellen von Treibhausgasen (THG) im Agrarsektor. Der letztgenannte Aspekt wird in vier Veröffentlichungen untersucht, in denen die Faktoren, die zu den Emissionen beitragen, die Quantifizierung der Treibhausgasemissionen in verschiedenen Skalen und mögliche Maßnahmen zur Verringerung der Treibhausgasemissionen bewertet werden. Insgesamt zielen diese Studien darauf ab, die Lücke zwischen Feldmessungen und nationalen Hochrechnungen sowohl im Hinblick auf THG-Inventare als auch auf künftige Minderungsprogramme zu schließen. Die in den folgenden Kapiteln zusammengetragenen Veröffentlichungen weisen ein breites methodisches Spektrum auf, das von Feldmessungen bis hin zu Meta-Analysen reicht. Sie befassen sich jedoch alle mit der Emission von Methan (CH4), das in Reisfeldern aufgrund der einzigartigen Eigenschaft "semiaquatischer" Böden entsteht. Die Veröffentlichungen, die auf neu durchgeführten Feldmessungen beruhen, befassen sich zudem auch mit Lachgas (N2O), einem potenten Treibhausgas, das von Reisfeldern in der Regel jedoch nur in geringen Mengen emittiert wird. Kapitel 2 (Vo et al. 2018) umfasst Feldmessungen aus dem vietnamesischen Mekong-Flussdelta (MRD), auf das mehr als 50 % der Reisproduktion des Landes entfallen. Zur Schätzung der Gesamtemissionen im Zusammenhang mit der Reisanbaufläche werden Emissionsfaktoren (EF) verwendet. Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) hat die Standard-EFs, die auf globalen Durchschnittswerten basieren, als Tier-1-Ansatz festgelegt. Die IPCC-Leitlinien ermutigen jedoch die nationalen Berichterstattungsinstitutionen, Feldmessungen der THG-Emissionen durchzuführen und länderspezifische EFs als Grundlage des Tier-2-Ansatzes zu bestimmen. Tier 2 trägt außerdem der Tatsache Rechnung, dass die Emissionen innerhalb eines Landes sehr unterschiedlich sein können, indem es eine Aufschlüsselung der EF auf subnationaler Ebene fordert. Daher basieren die jüngsten Treibhausgasinventare für Vietnam auf regionsspezifischen Treibhausgasemissionen für Reis im Rahmen des Tier 2 Ansatzes, der unter Verwendung nationaler Aktivitätsdaten (d. h. der durchschnittlichen nationalen Anbauperiode von Reis und der geernteten Fläche) umgesetzt wird. In Kapitel 2 haben wir die spezifischen EFs für verschiedene hydrologische Unterzonen und Wachstumsperioden in der MRD entwickelt, um disaggregierte EFs zu bestimmen, die für die bei der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen eingereichten nationalen Mitteilungen verwendet werden können. Aufgrund der unterschiedlichen biophysikalischen Bedingungen und Anbauzyklen zeigen die Ergebnisse die geringsten Emissionen in der salzhaltigen Unterzone. Schwemmlandböden und saure Sulfatböden wiesen mittlere Werte auf, während die höchsten Emissionen in der Unterzone mit tiefen Überschwemmungen zu finden waren. In Kapitel 3 (Vo e al. 2018) haben wir den geografischen Umfang der THG-Bewertung auf das gesamte Land ausgeweitet. Diese Meta-Analyse der CH4-Daten umfasst 73 Anbausaisons an 36 Feldstandorten in den Reisanbaugebieten Vietnams unter den IPCC-Basisbedingungen (d. h. kontinuierlich überflutet, keine organischen Ergänzungen) in den drei Hauptanbausaisons. Das Ergebnis dieser Studie war eine strukturierte Datenbank, die den Ort und die Jahreszeit jeder Messung sowie die standortspezifischen biophysikalischen Faktoren und die Pflanzenbewirtschaftung auf Standortebene enthielt. Im nächsten Schritt entwickelten wir disaggregierte EFs für verschiedene Zonen und Anbausaisonen im ganzen Land, die für künftige Berichterstattungsverpflichtungen Vietnams als Teil einer genaueren Tier-2-Bewertung verwendet werden können. Die berechneten EFs waren im Allgemeinen höher als die IPCC-Vorgaben und die Werte, die für Vietnams dritte nationale Mitteilungen für Nord-, Zentral- und Südvietnam verwendet wurden. Kapitel 4 (Vo et al. 2023) ist im Zusammenhang mit der vietnamesischen Klimaschutzpolitik zu sehen, die auf eine Verringerung der Treibhausgasemissionen aus der Reisproduktion abzielt. Eine Reduzierung der Emissionen im Reisanbau wird für Vietnam jedoch von entscheidender Bedeutung sein, da CH4 aus dem Reisanbau etwa 15 % der nationalen THG-Emissionen ausmacht, was mehr ist als die Emissionen des gesamten Verkehrssektors, selbst wenn man die CO2- und N2O-Emissionen entlang der Reiswertschöpfungskette nicht berücksichtigt. Frühere Studien haben Änderungen der Anbaupraktiken, insbesondere des Wasser-, Nährstoff- und Strohmanagements, bewertet und sind fast einheitlich zu dem Schluss gekommen, dass Alternate Wetting and Drying (AWD) die vielversprechendste Strategie ist, um eine beträchtliche Verringerung der THG-Emissionen zu erreichen. Angesichts der intensiven Regenzeit in Südostasien sind die Niederschläge jedoch oft zu hoch, um dieses Bewässerungsregime umzusetzen, und bieten keinen wirtschaftlichen Nutzen durch Wassereinsparungen. Im Gegenzug ist es wichtig, andere Minderungsstrategien in Betracht zu ziehen, wie etwa die Auswahl von Reissorten mit geringen Emissionen. Wir haben ein Feldscreening von 20 Reissorten durchgeführt, das durch die Bewertung der interaktiven Wirkung von Sortenwahl und Bewässerung erweitert wurde. Eine Versuchsanordnung mit 120 Parzellen (basierend auf 3 Replikaten) war erforderlich, um diese Wechselwirkung von Sorte und Wassermanagement auf dem Feld zu bewerten. Dabei wurden Luftproben mit der ‚‘closed chamber‘ Methode gesammelt und anschließend im Labor (mit einem Gaschromatograph) analysiert, um die CH4- und N2O-Konzentrationen zu quantifizieren. Die Ergebnisse dieser Studie bestätigten, dass die Treibhausgasemissionen aus Reisfeldern von den CH4-Emissionen dominiert werden, während die N2O-Emissionen vernachlässigbar waren. Im Vergleich zu den IPCC-Standardwerten ergab der Datensatz aus zwei Trockensaisons höhere emisssionen unter einer Basislinie mit kontinuierlicher Überflutung (EF = 2,96 kg CH4 ha-1 d-1) und niedrigere Skalierungsfaktoren der AWD (SF = 0,4). Kapitel 5 (Asch et al. 2023) befasst sich mit den agronomischen Aspekten sowohl von AWD als auch der Sortenwahl und deren Auswirkungen auf die wirtschaftliche Tragfähigkeit zukünftiger Minderungsbemühungen. Während AWD bei der Verringerung der CH4-Emissionen effizienter ist als die Sortenwahl, führte dieses Wassermanagementverfahren in unserer Feldstudie zu einem leichten Ertragsrückgang. Bedingt durch die begrenzte Anwendbarkeit von AWD ist die Sortenauswahl ein vielseitigerer Ansatz, der auch für die Landwirte von Vorteil ist, da er keine Änderungen in der Bewirtschaftung erfordert. Diese Strategie könnte sich jedoch auch negativ auf die Gewinne auswirken, da die Sorte mit den geringsten Emissionen nicht unbedingt die höchsten Reiserträge liefert. Im Rahmen künftiger Programme zur Eindämmung des Klimawandels im MRD ermöglicht die Trockenzeit eine gute Kontrolle des Grundwasserspiegels, so dass AWD den Kern jeder Eindämmungsmaßnahme bilden sollte. Andererseits sollte die Sortenauswahl auf die Jahreszeiten und Standorte ausgerichtet sein, die keine Drainierung der Felder zulassen. Emissionsarme Sorten sollten daher ein integraler Bestandteil künftiger Minderungsprogramme sein, um AWD im Rahmen eines systematischen Outscaling zu ergänzen. Was die wirtschaftlichen Konsequenzen für die Landwirte betrifft, so sind wir von einem Szenario ausgegangen, bei dem die Ausgleichszahlungen von den bisher noch nicht funktions-fähigen Kohlenstoffmärkten stammen. Der zusaetzliche Gewinn ist jedoch sehr gering, so dass es nicht sinnvoll ist, wenn sie direkt an die Landwirte verteilt werden. Das Geld könnte aber insgesamt für Investitionen in die ländliche Entwicklung durch staatliche Stellen verwendet werden, und damit den Landwirten indirekt zugute kommen, z. B. durch Verbesserung der Bewässerungsinfrastruktur.

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.

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.

Biogas is a renewable energy source with main advantages compared to other renewable energy sources. The advantages include the use of organic waste as a substrate, local power and heat production, rural job creation, the possibility of a flexible gas production and a product which can easily stored and transported in a gas grid or on the roof of a digester. However, the development of the biogas sector is highly dependent on the costs of producing gas, electricity and heat. The production costs are higher than the costs for other energy sources. Growth of the biogas sector is therefore only possible if there is political promotion for biogas as there was in Germany through the EEG. Nowadays, due to the reduction of bonus payments in the EEG 2017 and EEG 2021 in Germany as well as the lack of policy promotion in several other countries, lower production costs based on a higher efficiency are essential to help the biogas sector grow further. In order to achieve higher efficiency and to tap the full potential of biogas, the efficiency has to be determined, which is done in this thesis. The input methane potential is determined using 6 different methods. These methods are compared on the basis of an investigation of 33 German agricultural BPs as well as one German and one US BP using food waste as feedstock. The four methods based on the batch test show a high sensitivity. Unfortunately, they also show efficiencies greater than 100% for most BPs, clearly indicating an underestimation of the degradable potential. Only for the US BP can an efficiency less than 70% be reported. This result is probably based on the lack of heating system corresponding to the lack of promotion of heat recovery in the US. The CE according to the BMP method also reveals an average efficiency of 95% for the German BPs. The values of the two gross calorific value-based methods show efficiencies below 100%, but with low sensitivity. The results of these methods can be used to determine the further potential of a bioeconomic process and to compare the biogas process with other industrial processes. There are several impact factors that affect the accuracy of the efficiency measurements. The installed meters are not frequently calibrated at most BPs. Also, some meters are almost completely missing, as only few BPs in Germany have a gas flow meter. Thus, assumptions and calculations are required to determine the efficiency. In the developed method, the gas flow must be calculated from the amount of the power production, the calorific value, the gas quality, the CHP unit efficiency and the conversion loss at the transformer. The last two values must be assumed, even if the database is small. Another important parameter is the feeding mass. It is measured by the German BPs, but in some cases, the data quality is low. For example, different crops are mixed in the silos and measurement of each substrate is not possible. This leads to measurement errors shown by the organic dry matter mass balance, which has a residual value of up to 24%, while only 11% can be occur based on water incorporation into the ODM. Another factor having an impact is the sampling. The results of a monthly sampling throughout the year show a fluctuation in the DM/ODM values. To investigate the accuracy of the methods used to determine the SMP of the substrate, the biochemical methane potential test is examined in detail. The BMP consists of the used inoculum, the substrate, the digestion system and the calculation. The impact of the used inoculum and the digestion system is investigated by using different inocula in one digestion system as well as by using the same inoculum in multiple digestion systems. The inocula used in this thesis are well-known and have been used in interlaboratory tests for several years. Thus, outliners were excluded. A CV of 4.8% can be reported between the different inocula, which is lower than reported in most other publications before. The use of different digestion systems shows a higher CV of up to 12.8%. For the inoculum and the digestion system, the deviation varies strongly and no clear correlation can be identified. Therefore, a correction of this effect is not possible. The biological yield efficiency of 21 of the investigated BPs is in the range of 100 ± 12.8%. This reveals the need of stricter rules for the digestion system. All digestion systems used in this thesis are described in the German guideline VDI 4630. The calculations were also done according to the German guideline VDI 4630. An influence can be neglected. However, if the results of a measurement with already dried gas are compared with the results of a calculation according to VDI 4630, which is based on the measurement with wet gas, a discrepancy can be found. Although, the CV using only one digestion system and one inoculum is only 1-7%. A comparison of the efficiency of different BPs by using the same inoculum and digestion system is hence recommended. Biogas ist eine erneuerbare Energie, die gegenüber anderen erneuerbaren Energien eine Vielzahl von Vorteilen bietet. So können z.B. organische Abfälle zur Energieproduktion genutzt und eine dezentrale Stromversorgung ermöglicht werden, die zusätzlich Arbeitsplätze außerhalb der Städte generiert. Des Weiteren kann Biogas flexibel und dauerhaft produziert und an der Biogasanlage oder im Gasnetz gelagert werden, um anschließend beim Verbraucher umgewandelt zu werden. Der Nachteil von Biogas ist, dass die Produktionskosten im Vergleich zu fossilen Energieträgern sehr hoch sind. Daher rentiert sich die Produktion von Biogas nur, wenn Zuschüsse vom Staat geleistet werden oder wenn durch eine CO2-Steuer die fossilen Energieträger entsprechend der langfristigen Folgen ihrer CO2-Emissionen verteuert würden. Dies ist der vorrangige Grund dafür, dass der Ausbau von Biogas im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien in vielen Ländern bisher gering ist. In Deutschland wird die Biogasbranche durch das EEG gefördert, doch im Zuge des EEG 2012, EEG 2017 und EEG 2021 sind die Bonuszahlungen deutlich reduziert worden, was den weiteren Ausbau der Produktion zum Erliegen gebracht hat und einen Rückbau der Anlagen in den kommenden Jahren wahrscheinlich macht. Um dies zu verhindern sowie einen Ausbau in anderen Ländern zu fördern, ist eine Verringerung der Produktionskosten beispielsweise mittels höherer Effizienz notwendig. Um die Effizienz zu steigern und Optimierungspotential zu entdecken, ist der erste Schritt, eine solche Effizienz zunächst zu definieren und eine robuste Methode zur Bestimmung dieser festzulegen. Eine solche Methode sollte in dieser Arbeit entwickelt und anschließend ihre Genauigkeit bestimmt werden anhand von 35 Biogasanlagen in Deutschland und einer Biogasanlage in den USA. Vier der untersuchten Methoden beruhen auf Ergebnissen aus Batch-Tests. Für diese Methoden konnte eine hohe Sensitivität ermittelt werden. Jedoch wurden für die meisten Biogasanlagen biologische Ausbeuteeffizienzen von mehr als 100% errechnet, was physikalisch nicht plausibel ist und auf eine Unterschätzung des Biogaspotentials der Substrate schließen lässt. Die beiden Methoden, die auf Heizwerten basieren, zeigen hingegen eine geringe Sensitivität, dafür jedoch Effizienzen kleiner als 100%. Die Ergebnisse der beiden Methoden können in Zukunft für die Abschätzung des Potentials weiterer Bioökonomieprozesse sowie zum Vergleich mit anderen Industrieprozessen genutzt werden. Eine Vielzahl von Parametern beeinflusst die Genauigkeit der Effizienzbestimmung, darunter die geringe Häufigkeit der Kalibrierung oder das Fehlen von Messgeräten. Am Beispiel des Biogasertragstests wurde die Genauigkeit der verwendeten Methoden zur Bestimmung des spezifischen Methanertrags untersucht. Die Hauptbestandteile des Biogasertragstests sind das verwendete Inokulum, das zu untersuchende Substrat, der Versuchsaufbau und die Auswertung. Die Einflüsse des Inokulums und des Versuchsaufbaus wurden in der vorliegenden Arbeit genauer untersucht. Dazu wurden sechs Inokula in einem Versuchsaufbau und jeweils ein Inokulum in unterschiedlichen Versuchsaufbauten untersucht. Es wurden Inokula verwendet, die schon bei mehreren Ringversuchen Verwendung fanden und daher bekannt war, dass verlässliche Ergebnisse mit diesen zu erzielen sind. Dies führte zu einem Variationskoeffizienten von 4,8% zwischen den Methanerträgen bei Verwendung verschiedenen Inokula. Dieser Variationskoeffizient (CV) ist geringer als der CV, der in den meisten anderen Publikationen berichtet wird. Bei der Verwendung unterschiedlicher Systeme, die alle nach der deutschen Richtlinie VDI 4630 zulässig sind, zeigte sich hingegen eine Abweichung der Ergebnisse von 12,8%. In beiden Fällen konnten keine eindeutigen Zusammenhänge zwischen den Inokula und den Systemen bei der Untersuchung von unterschiedlichen Substraten festgestellt werden, sodass eine Korrektur der Ergebnisse nicht möglich ist. Aus 34 untersuchten Anlagen haben 21 eine biologische Ausbeuteeffizienz, die im Bereich von 100% ± 12,8% liegt. Dies verdeutlicht, dass der Messfehler aufgrund des verwendeten Systemaufbaus bereits größer ist als der Unterschied in der Effizienz der meisten Biogasanlagen. Folglich sind striktere Regeln zur Verwendung der Systeme von Nöten. Aufgrund des geringen internen Variationskoeffizienten (1-7%) bei der Verwendung von einem Versuchsaufbau für den Biogasertragstest und einem Inokulum, ist es anzuraten, bei zukünftigen Untersuchungen immer den gleichen Versuchsaufbau und das gleiche Inokulum zu verwenden. Die hieraus gemessene Effizienz der Anlagen kann problemlos untereinander verglichen werden.

Summary Barley (Hordeum vulgare L.) is the fourth major cereal crop in the world, and it accounts for 8% of the total cereal production in Ethiopia based on cultivation location. Farmers may face unpredictable rainfall and drought stress patterns, such as terminal drought, in which rainfall ends before crops reach physiological maturity, posing a challenge to crop production. Furthermore, climate change is expected to reduce crop production/yield due to increases in carbon dioxide (CO2) and ozone (O3) concentrations, temperatures, and extreme climate events such as floods, storms, and heatwaves, highlighting the importance of taking action to develop climate-resilient cultivars and secure future crop production. Against this background, a meta-analysis study was conducted to synthesize and summarize to assess the overall effect of elevated CO2 (eCO2), and its interaction with nitrogen (N) and temperature on barley grain yield and yield components. A climate chamber experiment was carried out to identify the impacts of projected CO2 enrichment (eCO2) on a set of landraces and released cultivars of Ethiopian barley. The crop-climate modeling approach was used to simulate future climate change and to identify the impacts of climate change on selected barley genotypes and study locations in Ethiopia. Furthermore, adaption options were simulated and identified. Publication I, aimed to answer how eCO2 and its interaction with N and temperature affects barley yield at a global level. Peer-reviewed primary literature (published between 1991-2020) focusing on barley yield responses to eCO2, temperature, and N were searched on different search engines. The response of five yield variables of barley was synthesized and summarized using a meta-analysis technique. Different experimental factors which might affect the estimation of the response of barley yield to eCO2 were calculated. The results revealed that eCO2 increased barley yield components such as vegetative biomass (23.8%), grain number (24.8%), and grain yield (27.4%) at a global level. Barley vegetative biomass and grain yield were increased under the combination of eCO2 with the higher N level (151-200 kg ha-1) compared to the lower levels. Grain number and grain yield were increased when eCO2 combined with temperature level (21-25°C) this response was not evident. The response of barley to eCO2 was different among genotypes and experimental conditions. Publication II, the genetic diversity of Ethiopian barley was screened under eCO2 enrichment in a controlled exposure experiment. The experiment was conducted at the Institute of Landscape and Plant Ecology, the University of Hohenheim in 2019. A total of 30 (15 landrace and 15 released cultivars) were grown under two levels of CO2 concentration (400 and 550 ppm) in climate chambers. Plant-development-related measurements and water consumption were recorded once a week and yield was measured at the final harvest. A significant increment in plant height by 9.5 and 6.7%, vegetative biomass by 7.6 and 9.4%, and grain yield by 34.1 and 40.6% in landraces and released cultivars, respectively were observed due to eCO2. The effect of eCO2 was genotype-dependent, for instance, the response of grain yield in landraces ranged from -25% to +122%, while it was between -42% to 140% in released cultivars. The water-use efficiency of vegetative biomass and grain yield significantly increased by 7.9 and 33.3% in landraces, with 9.5 and 42.9% improvement in released cultivars, respectively under eCO2. Comparing the average response of landraces versus released Ethiopian barley cultivars, the highest percentage yield change due to eCO2 was recorded for released cultivars. However, higher actual yields under both levels of CO2 were observed for landraces. Publication III, Current and future climate change, its impact on Ethiopian barley production, and adaptation options were simulated using the DSSAT-CERES-Barley model. Climate change scenarios were set up over 60 years using Representative Concentration Pathways (4.5 and 8.5), and five Global Climate Models. The changes in Ethiopian climate and barley production were calculated from the baseline period (1981-2010). Different sowing dates, sowing densities, and fertilizer levels were tested as climate change impact mitigation strategies in a sensitivity analysis. The analysis of a crop-climate model revealed an increasing trend of temperature (1.5 to 4.9 °C) and a mixed trend of rainfall (-61.4 to +86.1%) in the barley-producing locations of Ethiopia. The response of two Ethiopian barley cultivars was simulated under different climate change scenarios and a reduction of yield up to 98% was recorded for cv. Traveler while cv. EH-1493 exhibited a reduction of up to 63%. Even though a similar trend was observed for most of the studied locations, cv. EH-1493 showed a yield gain of up to 14.7% at Holeta. The sensitivity analysis on potential adaptation options indicated that the negative effects of climate change could be mitigated by earlier sowing dates, with a 25% higher sowing density and a 50% higher fertilizer rate than the current recommendation. The results of the present dissertation show the change in the Ethiopian climate and its impact on barley production. Barley production could benefit from eCO2; however, the response varied among genotypes, additional stress, and experimental condition. A reduction of barley grain yield under different climate change scenarios was observed mainly due to increasing temperature. However, the reduction could be minimized through different adaptation options. The information from the current dissertation could be used to identify agro-economic implications of CO2 enrichment and climate variability on yield regarding appropriate genotype selection and adaptation of regional cropping systems (e.g., management and breeding strategies). Further experimental studies assessing crop production, nutritional quality, and adaptation options under multifactor climate conditions should be carried out to increase basic understanding and identify genotypes for future breeding programs. Zusammenfassung Gerste (Hordeum vulgare L.) ist die viertwichtigste Getreideart der Welt und macht in Äthiopien, gemessen an der Anbaufläche, 8 % der gesamten Getreideproduktion aus. Die Landwirte sind möglicherweise mit unvorhersehbaren Niederschlägen und Trockenstressmustern konfrontiert, wie z. B. Dürre im Endstadium, bei der die Niederschläge aufhören, bevor die Pflanzen ihre physiologische Reife erreichen, was eine Herausforderung für die Pflanzenproduktion darstellt. Darüber hinaus wird erwartet, dass der Klimawandel die Pflanzenproduktion und erträge aufgrund des Anstiegs der Kohlendioxid (CO2) und Ozonkonzentration (O3), der Temperaturen und extremer Klimaereignisse wie Überschwemmungen, Stürme und Hitzewellen verringern wird. Vor diesem Hintergrund wurde eine Meta-Analyse durchgeführt, um die Gesamtwirkung von erhöhtem CO2 (eCO2) und dessen Wechselwirkung mit Stickstoff (N) und Temperatur auf den Ertrag und die Ertragskomponenten von Gerste zusammenzufassen und zu bewerten. Es wurde ein Klimakammerexperiment durchgeführt, um die Auswirkungen der prognostizierten CO2-Anreicherung (eCO2) auf eine Reihe von Landsorten und freigegebenen Sorten äthiopischer Gerste zu ermitteln. Der Ansatz der Kulturpflanzen-Klimamodellierung wurde verwendet, um den zukünftigen Klimawandel zu simulieren und die Auswirkungen des Klimawandels auf ausgewählte Gerstengenotypen und Studienstandorte in Äthiopien zu ermitteln. Darüber hinaus wurden Anpassungsmöglichkeiten simuliert und identifiziert. In der Publikation I, wurde untersucht, wie eCO2 und seine Wechselwirkung mit N und Temperatur den Gerstenertrag auf globaler Ebene beeinflussen. Es wurde in verschiedenen Suchmaschinen nach begutachteter Primärliteratur (veröffentlicht zwischen 1991-2020) gesucht, die sich mit den Auswirkungen von eCO2, Temperatur und Stickstoff auf die Gerstenerträge befasst. Die Reaktionen von fünf Ertragsvariablen bei Gerste wurden mit Hilfe einer Meta-Analyse zusammengefasst und ausgewertet. Es wurden verschiedene experimentelle Faktoren berechnet, die die Schätzung der Reaktion des Gerstenertrags auf eCO2 beeinflussen könnten. Die Ergebnisse zeigten, dass eCO2 die Ertragskomponenten von Gerste wie vegetative Biomasse (23,8%), Kornzahl (24,8%) und Kornertrag (27,4%) auf globaler Ebene erhöhte. Die vegetative Biomasse und der Kornertrag der Gerste wurden durch die Kombination von eCO2 mit einem höheren Stickstoffgehalt (151-200 kg ha-1) im Vergleich zu den niedrigeren Werten gesteigert. Die Kornzahl und der Kornertrag nahmen zu, wenn eCO2 mit dem Temperaturniveau (21-25°C) kombiniert wurde, wobei diese Reaktion nicht offensichtlich war. Die Reaktion der Gerste auf eCO2 war je nach Genotyp und Versuchsbedingungen unterschiedlich. Publikation II, Die genetische Vielfalt der äthiopischen Gerste wurde unter eCO2-Anreicherung in einem kontrollierten Expositionsversuch untersucht. Das Experiment wurde im Institut für Landschafts- und Pflanzenökologie der Universität Hohenheim im Jahr 2019 durchgeführt. Insgesamt 30 (15 Landsorten und 15 freigesetzte Sorten) wurden unter zwei CO2-Konzentrationen (400 und 550 ppm) in Klimakammern angebaut. Wöchentlich wurden pflanzenentwicklungsbezogene Messungen und der Wasserverbrauch aufgezeichnet und der Ertrag bei der Schlussernte gemessen. Eine signifikante Zunahme der Pflanzenhöhe um 9,5 bzw. 6,7 %, der vegetativen Biomasse um 7,6 bzw. 9,4 % und des Kornertrags um 34,1 bzw. 40,6 % bei den Landsorten und den freigesetzten Sorten wurde aufgrund von eCO2 beobachtet. Die Auswirkung von eCO2 war genotypabhängig, so reichte die Reaktion des Kornertrags bei Landsorten von -25% bis +122%, während sie bei freigegebenen Sorten zwischen -42% und +140% lag. Die Wassernutzungseffizienz der vegetativen Biomasse und des Kornertrags stieg bei den Landsorten signifikant um 7,9 bzw. 33,3 %, bei den freigesetzten Sorten um 9,5 bzw. 42,9 % unter eCO2. Vergleicht man die durchschnittliche Reaktion von Landsorten und freigesetzten äthiopischen Gerstensorten, so wurde die höchste prozentuale Ertragsänderung aufgrund von eCO2 bei den freigesetzten Sorten festgestellt. Allerdings wurden bei beiden CO2-Konzentrationen höhere tatsächliche Erträge bei Landsorten beobachtet. Publikation III, Der gegenwärtige und zukünftige Klimawandel, seine Auswirkungen auf die äthiopische Gerstenproduktion und Anpassungsmöglichkeiten wurden mit dem DSSAT-CERES-Barley-Modell simuliert. Es wurden Szenarien des Klimawandels über 60 Jahre mit repräsentativen Konzentrationspfaden (4.5 und 8.5) und fünf globalen Klimamodellen erstellt. Die Veränderungen des äthiopischen Klimas und der Gerstenproduktion wurden ausgehend von der Basisperiode (1981 - 2010) berechnet. In einer Sensitivitätsanalyse wurden verschiedene Aussaattermine, Aussaatdichten und Düngemittelmengen als Strategien zur Minderung der Auswirkungen des Klimawandels getestet. Die Analyse eines Kulturpflanzen-Klimamodells ergab einen steigenden Trend der Temperatur (1,5 bis 4,9 °C) und einen gemischten Trend der Niederschläge (-61,4 bis +86,1 %) in den Gerstenanbaugebieten Äthiopiens. Die Reaktion von zwei äthiopischen Gerstensorten wurde unter verschiedenen Szenarien des Klimawandels simuliert, und es wurde eine Ertragsminderung von bis zu 98 % für cv. Traveler, während cv. EH-1493 einen Rückgang von bis zu 63 % aufwies. Obwohl für die meisten untersuchten Standorte ein ähnlicher Trend beobachtet wurde, zeigte cv. EH-1493 in Holeta einen Ertragszuwachs von bis zu 14,7 %. Die Sensitivitätsanalyse zu möglichen Anpassungsoptionen ergab, dass die negativen Auswirkungen des Klimawandels durch frühere Aussaattermine, eine um 25 % höhere Aussaatdichte und eine um 50 % höhere Düngermenge als die derzeitige Empfehlung gemildert werden könnten. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation zeigen den Wandel des äthiopischen Klimas und seine Auswirkungen auf die Gerstenproduktion. Die Gerstenproduktion könnte von eCO2 profitieren; die Reaktion war jedoch je nach Genotyp, zusätzlichem Stress und Versuchsbedingungen unterschiedlich. Eine Verringerung des Gerstenkornertrags unter verschiedenen Szenarien des Klimawandels wurde vor allem aufgrund der steigenden Temperatur beobachtet. Dieser Rückgang konnte jedoch durch verschiedene Anpassungsoptionen minimiert werden. Die Informationen könnten genutzt werden, um die agrarökonomischen Auswirkungen der CO2-Anreicherung und der Klimavariabilität auf den Ertrag im Hinblick auf eine geeignete Genotypauswahl und die Anpassung regionaler Anbausysteme (z. B. Management- und Zuchtstrategien) zu ermitteln. Weitere experimentelle Studien zur Bewertung der Pflanzenproduktion, der Nährstoffqualität und der Anpassungsoptionen unter multifaktoriellen Klimabedingungen sollten durchgeführt werden, um das grundlegende Verständnis zu verbessern und Genotypen für künftige Züchtungsprogramme zu identifizieren.

Facing the consequences of global warming and climate change, the reduction of greenhouse gas emissions is one of the most prior tasks of todays society and policymakers. To achieve this, energy generation is currently transformed towards a reduced utilization of fossil fuels and its replacement through an increased expansion of renewable energy sources. In this context, one challenge will be to spare land resources and diminish potential land use conflicts, in particular between food and energy production. An approach to accomplish this, can be the utilization of production-integrated technologies such as agrivoltaic systems (AV). Agrivoltaic systems are photovoltaic systems specifically adapted for its application in combination with agricultural production. For this, AV systems are installed above or on agricultural fields with certain technical adaptions, enabling agricultural production to be continued. First described in 1981, this approach was taken up in the early 2000s with first AV pilot systems being developed. In first experiments in South-France it has been shown, that through the combined utilization of agricultural land for food and energy production, AV can contribute to an increment of total land productivity. While electrical yields can be increased with an increasing density of the photovoltaic modules mounted above, the proportion of light available for the plants grown underneath and consequently also agricultural yields are reduced. The aim of the present work was to examine, whether the results from these first experiments on crop production under AV can also be transferred to conditions in more moderate climates and also account for crops other than the so far investigated ones. The following four research objectives were defined: 1.) To what extent is plant-available radiation reduced by the solar panels of the AV system? 2.) How does this effect parameters of aerial and soil climate? 3.) How do the cultivated crops respond to the altered cropping conditions with regard to plant growth and development? 4.) Which consequences does this have regarding the yields and the chemical composition of the investigated crop-species? In order to examine these research objectives, a field experiment has been established underneath an experimental AV pilot facility in Southwest-Germany, near Lake Constance. Four different types of crops (grass clover, potatoes, celery and winter wheat) have been selected and cultivated underneath the AV system and on an adjacent reference area for comparison within a two-year experiment. Various microclimatic parameters were recorded in a high-resolution monitoring including all investigated crops on both sites. Crop growth and development was monitored in regular intervals during vegetation period. The harvestable yields of both experimental sites, including crop-specific yield components, were recorded and partially supplemented with an analysis of chemical compounds. The results show, that crop production under an APV system is affected in several ways. Under the given climatic conditions, losses in harvestable yields as a consequence of a reduction of crop-available radiation are most likely. Exceptional years such as 2018 suggest however, that cultivation under AV can have advantages for crop production, in particular under dry and hot climatic conditions. In order to fully exploit this potential, the application of the APV thus seems to be most suitable for more dry climatic regions, whereby innovations and developments in AV technology as well as an improved water management can facilitate a further optimization. Regardless of this, potential conflicts of interest with regard to land use cannot be ruled out and require the integration of agrivoltaics in the existing legislation. Um der Erderwärmung und dem damit einhergehenden Klimawandel entgegen zu wirken, ist die Reduktion der Treibhausgasemissionen eines der vordringlichsten Ziele der aktuellen politischen Zielsetzung und zugleich gesamtgesellschaftliche Aufgabe. Als ein Baustein zum Erreichen dieses Ziels wird die Energieerzeugung sukzessive durch eine reduzierte Nutzung fossiler Energieträger und einen zugleich verstärkten Ausbau erneuerbarer Energiequellen umgestellt, um langfristig zu einer Reduktion der Treibhausgasemissionen beizutragen. Eine Herausforderung hierbei ist, die mit diesem Ausbau einhergehenden Flächenverluste auf ein Mindestmaß zu reduzieren und mögliche Flächenkonflikte, insbesondere zwischen Energieund Nahrungsmittelproduktion, zu vermindern. Eine mögliche Maßnahme, um dies auch auf landwirtschaftlichen Flächen zu erreichen, kann die Nutzung produktionsintegrierter Technologien wie der Agri-Photovoltaik (APV) sein. Die Agri-Photovoltaik beschreibt speziell entwickelte Photovoltaikanlagen, welche über oder auf landwirtschaftlichen Nutzflächen installiert werden und durch spezifische technische Modifikationen eine Weiterführung der landwirtschaftlichen bzw. ackerbaulichen Produktion unter der Anlage ermöglichen. Erstmals im Jahr 1981 beschrieben, wurde dieser Ansatz Anfang der 2000er Jahre aufgegriffen und erste APV-Pilotanlagen entwickelt. In ersten Versuchen in Südfrankreich konnte dabei gezeigt werden, dass durch die kombinierte Nutzung der landwirtschaftlichen Flächen für die Energieund Nahrungsmittelproduktion, die APV zu einer Steigerung der Flächenproduktivität beitragen kann. Während die Stromerträge mit steigender Dichte der Photovoltaikmodule zunahmen, sanken zugleich der Anteil des für die Pflanzen verfügbaren Lichts und damit auch die landwirtschaftlichen Erträge. Ziel der vorliegenden Arbeit war zu untersuchen, wie sich diese Ergebnisse aus ersten Anbauversuchen unter APV-Anlagen auch auf die Anbaubedingungen in gemäßigteren Klimaten sowie auf weitere landwirtschaftliche Kulturen übertragen lassen. Die folgenden vier Versuchsfragen wurden definiert: 1.) In welchem Umfang wird die pflanzenverfügbare Sonneneinstrahlung durch die Solarpanele der APV-Anlage reduziert? 2.) Inwiefern werden dabei auch luft- und bodenklimatische Parameter beeinflusst? 3.) Wie reagieren die angebauten Kulturarten auf die veränderten Anbaubedingungen im Hinblick auf das Pflanzenwachstum und die Pflanzenentwicklung? 4.) Welche Folgen hat dies auf die landwirtschaftlichen Erträge sowie die ausgewählten Qualitätsparameter? Zur Untersuchung dieser Versuchsfragen wurde im Jahr 2016 auf einer Praxisfläche ein landwirtschaftlicher Feldversuch unter einer APV-Pilotanlage im Südwesten Deutschlands, Nahe des Bodensees, angelegt. Um die Auswirkungen auf verschiedene Kulturarten zu untersuchen, wurden für den Versuch vier verschiedene Kulturarten (Kleegras, Kartoffeln, Sellerie und Winterweizen) ausgewählt und in zwei Versuchsjahren unter der Anlage sowie aufeiner nahegelegenen Vergleichsfläche ohne APV-Anlage angebaut. In einem engmaschigen, alle Kulturen auf beiden Flächen umfassenden Monitoring wurden verschiedene mikroklimatische Parameter erfasst. Die Pflanzenentwicklung wurde während der Vegetationsperiode in regelmäßigen Abständen bonitiert. Auf beiden Versuchsflächen wurden die Ernteerträge und kulturspezifische Ertragsparameter erfasst und in Teilen durch eine Analyse der Inhaltsstoffe ergänzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die APV-Anlage einen deutlichen Einfluss auf die Bewirtschaftung unter der Anlage hat. Unter den gegebenen klimatischen Bedingungen sind dabei Ertragseinbußen infolge der verminderten Sonneneinstrahlung am wahrscheinlichsten. Ausnahmejahre wie das Jahr 2018 zeigen jedoch, dass der Anbau unter einer Anlage insbesondere unter trockenen und heißen Bedingungen Vorteile für die pflanzenbauliche Nutzung haben kann. Um dieses Potential voll auszuschöpfen bietet sich die Anwendung der APV insbesondere für trockenere Klimaregionen an, wobei eine Weiterentwicklung der APVTechnik sowie ein verbessertes Wassermanagement dazu beitragen können, dieses weiter zu optimieren. Ungeachtet dessen sind etwaige Zielkonflikte im Hinblick auf die Flächennutzung nicht auszuschließen und bedürfen der expliziten Regelungen zur Agri-Photovoltaik in der vorhandenen Gesetzgebung.