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

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.

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

Hidden hunger affects two billion people worldwide, particularly children and pregnant women. Human health and well-being are dependent on the quality and quantity of food consumed, particularly of plant-based foods. Plants source their nutrients from the soil. Essential nutrients for both, plants and humans, therefore, predominantly originate from the soil. Very little is known about the influence of environmental factors (e.g. soil types and abiotic factors, such as weather), or farm management choices (e.g. fertilisation or agrobiodiversity), on nutrient concentrations of edible crop parts. The main aim of this thesis was, therefore, to analyse the effects of soil fertility, farm management, and abiotic factors such as drought, on the quantity (yields) and quality (nutrient concentrations) of essential macro- (Mg, P, S, K, Ca) and micronutrients (Fe, Zn, Mn and Cu), of the edible parts of three East African staple food crops, i.e. maize (Zea mays L.), cassava (Manihot esculenta} Crantz), and matooke (East African Highland Banana (Musa acuminata Colla)), and discuss the resulting implications for food and nutrition security. Two research areas were selected in East Africa, one with a high fertility soil (Kapchorwa, Uganda - Nitisol) and one with a low fertility soil (Teso South, Kenya – Ferralsol). In each region, 72 households were randomly selected, and leaf and edible crop parts, and soil samples collected on three fields per household, organised by distance (closest, mid-distance, and farthest field). Maize and cassava were collected in Teso South, maize and matooke were collected in Kapchorwa. Yields, fertilizer usage and species richness (SR) and diversity (SD) were recorded per field. The total nutrient concentrations were measured in all samples collected (soils and plant parts). A drought occurring in the second rain season of 2016 provided the opportunity to analyse water stress effects on crop quantity and quality (Chapter 2). Edible part samples and yields collected in both seasons were compared. Soil chemical and physical properties, together with farm management variables, were compared to edible part nutrient concentrations and yields using a Canonical Correspondence Analysis (CCA) (Chapter 3). To understand the strength of association between the measurements routinely done by agronomists (leaf measurement) and nutritionists (edible part measurement), samples of each crop were collected, and were compared to each other and to yields, using a bivariate linear mixed model (Chapter 4). During the severe drought, nutrient concentrations in Kapchorwa decreased significantly from normal to drought season in both crops. In contrast, during the moderate drought in Teso South, nutrient concentrations increased significantly in both crops. Lacking nutrient phloem mobility is suggested to play a vital role in mobilisation of micronutrients (Fe, Mn, and Cu), as shown by their decreased concentration under severe drought in the yields of both crops in Kapchorwa (Chapter 2). Soil type had a very strong effect on food nutrient concentrations. Maize grain nutrient concentrations and yields, for example, were significantly higher for all nutrients measured on higher fertility soils. Maize grain had the highest correlations with soil factors. In contrast, corresponding correlations to management factors were much weaker (Chapter 3). Concerning the comparison of nutrient concentrations in different plant parts, low phloem mobile nutrients Ca, Mn, Fe, Zn, and Cu showed the largest differences in correlations between leaves and edible parts. In the same comparison, perennial crops (matooke and cassava) showed lower correlations between leaves and edible parts, than annual crops (maize) (Chapter 4). Environmental factors, such as drought impacted food nutrient concentrations. Severe drought caused a potential “double-burden” for consumers, decreasing both yields and nutrient concentrations, particularly of micronutrients. Considering food nutrient concentrations, apart from yield, as response variables in agronomic trials (e.g. fertilisation or soil improvement strategies) would contribute towards discounting the notion that crops growing on fertile soils always produce healthy and high-quality foods. Leaves may provide information on plant health, however, do not provide enough information to gauge both yields and food quality, particularly regarding micronutrients. The results also showed that measuring the edible part is vital to assessing food quality, particularly due to the observed effects of nutrient mobility, affecting particularly micronutrients and Ca. Ending hunger and improving food and nutrition security for all, particularly when confronted with global change issues such as degrading soils and a changing climate, requires a collaborative effort by all disciplines concerned. Weltweit leiden zwei Milliarden Menschen an verborgenem Hunger. Die Qualität und die Quantität der konsumierten Nahrung, besonders die der pflanzlichen Nahrung, beeinflusst die Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen. Pflanzen nehmen ihre Nährstoffe aus dem Boden auf. Folglich stammen die essentiellen Makro- und Mikronährstoffe für Pflanzen und damit auch für den Menschen überwiegend aus dem Boden. Es bestehen große Wissenslücken, inwieweit Umweltfaktoren (z.B. abiotische Faktoren wie Bodentyp und Wetter) und das betriebliche Management, die Nährstoffkonzentration im essbaren Pflanzenteil beeinflussen. Das Forschungsziel dieser Arbeit war, den Einfluss der Bodenfruchtbarkeit, des Betriebsmanagements sowie abiotischer Faktoren auf die Erträge (Quantität) und die Nährstoffkonzentrationen (Qualität, essentielle Makro- (Mg, P, S, K, Ca), und Mikronährstoffen (Fe, Zn, Mn, Cu)) dreier ostafrikanischer Grundnahrungsmittel, und zwar Mais (Zea mays L.), Maniok (Manihot esculenta Crantz) und Matooke (ostafrikanische Hochlandbanane (Musa acuminata Colla)), zu analysieren und daraus resultierende Implikationen für die Nahrungs- und Ernährungssicherung zu diskutieren. Zwei Forschungsgebiete mit unterschiedlicher Bodenfruchtbarkeit wurden in Ostafrika ausgewählt (hohe Bodenfruchtbarkeit: Kapchorwa, Uganda – Nitisole; niedrige Bodenfruchtbarkeit: Teso South, Kenia – Ferralsole). Auf landwirtschaftliche Betrieben wurden Proben der Blätter, der essbaren Pflanzenteile und Bodenproben gesammelt, und deren Nährstoffkonzentrationen gemessen. Mais- und Maniokproben wurden in Teso South gesammelt. Mais- und Matookeproben wurden in Kapchorwa gesammelt. Erträge, Düngeaufwand, Artenreichtum und -diversität wurden je Feld gemessen. Eine eingetretene Dürre in der zweiten Regenperiode 2016 ermöglichte es, die Ertragsquantität und -qualität unter Trockenstress zu analysieren (Kapitel 2). Einflüsse der Bodenchemie und Bodenphysik sowie des betrieblichen Managements wurden mit den Nährstoffkonzentrationen im essbaren Pflanzenteil und den Erträgen unter Anwendung der Kanonischen Korrespondenz-Analyse (CCA) ermittelt (Kapitel 3). Die Nährstoffgehalte der Blätter und der essbaren Pflanzenteile wurden mit den Erträgen durch ein bivariates lineares gemischtes Modell verglichen, um damit die Ergebnisse der gängigen Messmethoden der Agrar- (Blätter) und Ernährungswissenschaften (essbare Pflanzenteile) zu vergleichen, Unterschiede zu identifizieren, und Implikationen für die Nahrungs- und Ernährungssicherung abzuleiten (Kapitel 4). Die Nährstoffgehalte in der intensiven Dürreperiode in Kapchorwa hatten, verglichen mit der normalen Regenzeit, in beiden Pflanzen signifikant abgenommen. Konträr dazu hatten die Nährstoffgehalte in Teso South während der moderaten Dürre in beiden Pflanzen signifikant zugenommen. Die niedrigen Mikronährstoffkonzentrationen im essbaren Pflanzenteil während der intensiven Dürreperiode (Fe, Mn und Cu) lassen darauf schließen, dass die niedrige Nährstoffmobilität im Phloem hierfür verantwortlich war (Kapitel 2). Auch der Bodentyp hatte einen starken Effekt auf die Nährstoffkonzentrationen im essbaren Pflanzenteil. Die Konzentrationen aller gemessenen Nährstoffe im Maiskorn sind auf den fruchtbareren Böden signifikant höher als auf nährstoffärmeren Böden. Die Nährstoffkonzentrationen im Maiskorn korrelierten am stärksten mit den Bodeneigenschaften und am wenigsten mit Managementfaktoren. Der Vergleich der Nährstoffkonzentrationen zwischen Blättern und essbaren Pflanzenteilen zeigten, dass die wenig phloemmobilen Nährstoffe (Ca, Mn, Fe, und Cu) die größten Korrelationsunterschiede aufweisen. Die mehrjährigen Pflanzen (Matooke und Maniok) zeigten dabei eine niedrigere Korrelation zwischen den Pflanzenteilen als die einjährige Pflanze (Mais) (Kapitel 4). Umweltfaktoren, wie zum Beispiel die starke Dürre führte zu Nährstoff- (besonders die der Mikronährstoffe) und Ertragseinbußen, welches damit eine doppelte Belastung der Bevölkerung bedeutete. Würden in agrarwissenschaftlichen Versuchen neben den Erträgen die Nährstoffkonzentrationen des essbaren Teils der Pflanze erhoben werden, könnte man der gängigen Annahme, dass nur auf fruchtbaren Böden gesunde und qualitativ hochwertige Nahrung produziert wird, relativieren. Die Analyse der Blätter gibt Auskunft über die Pflanzengesundheit und den Ertrag, erlaubt aber keine Rückschlüsse über die Ertragsqualität, vor allem nicht in Bezug auf Mikronährstoffe und Ca. Umwelt- und Managementfaktoren haben einen bedeutenden Einfluss auf die Nährstoffkonzentrationen und könnten damit die Nahrungs- und Ernährungssicherheit erheblich beeinflussen. Eine Steigerung der Nahrungs- und Ernährungssicherheit und damit ein Ende des weltweiten Hungerns, gerade auch im Kontext wachsender Herausforderungen einhergehend mit der Klimakrise und einer zunehmenden Bodendegradierung, verlangen einen kollaborativen Einsatz aller beteiligten Disziplinen.

Cassava is an important staple food crop in Africa, Asia and Americas, serving as food, raw material, feed, and source of livelihoods. However, cassava has poor post-harvest physiological stability, deteriorates rapidly, has high toxic cyanogenic contents and poor physicochemical properties. Foam mat drying was considered as a technique to combat these challenges. First, a comparison of the different properties of variants of cassava based on colour was made from the perspective of sustainability. Afterwards, an optimization of the foaming process was conducted for two varieties (white-fleshed and yellow-fleshed) of cassava using various foaming variables. Optimal variables were not different between both varieties. Foaming reduced cyanogenic toxicity and retained carotenoids in cassava significantly, but also had significant influence on colour. The foams developed had asymmetrical distribution in air bubble diameter, while foam powder microstructure showed close association between the hydrocolloids and starch. Furthermore, an optimization of the drying conditions of optimal cassava foams was conducted based on temperature and foam thickness. Drying kinetics (moisture removal ratio, diffusivity, dying rate) of the cassava foams and the effect of various drying conditions on selected physicochemical properties of cassava foam powder was researched. Two falling rates were found during drying, Diffusivity was significantly affected by temperature but not foam thickness. The cassava foam powders had acceptably low cyanogenic contents, and had high retention of carotenoids. Foam powder microstructure did not change significantly with temperature, but yellow cassava foam powder had higher coalescence. Maniok ist ein wichtiges Grundnahrungsmittel in Afrika, Asien und Amerika und dient als Nahrung, Rohstoff, Futtermittel und Lebensgrundlage. Maniok hat jedoch eine geringe physiologische Stabilität nach der Ernte, verdirbt schnell, hat einen hohen Gehalt an toxischen Cyanogenen und schlechte physikalisch-chemische Eigenschaften. Als eine Technik, um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde die Schaummattentrocknung in Betracht gezogen. Zunächst wurde ein Vergleich der unterschiedlichen Eigenschaften von Maniokvarianten nach Farbe unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit vorgenommen. Anschließend wurde eine Optimierung des Schäumungsprozesses für zwei Manioksorten (weißfleischig und gelbfleischig) unter Verwendung verschiedener Schäumungsvariablen durchgeführt. Optimale Variablen waren zwischen beiden Sorten nicht unterschiedlich. Schäumen reduzierte die cyanogene Toxizität und hielt Carotinoide in Maniok signifikant zurück, hatte aber auch einen signifikanten Einfluss auf die Farbe. Die entwickelten Schäume wiesen eine asymmetrische Verteilung des Luftblasendurchmessers auf, während die Mikrostruktur des Schaumpulvers eine enge Verbindung zwischen den Hydrokolloiden und der Stärke zeigte. Darüber hinaus wurde eine Optimierung der Trocknungsbedingungen optimaler Maniokschäume basierend auf Temperatur und Schaumdicke durchgeführt. Es wurde die Trocknungskinetik (Feuchtigkeitsentfernungsverhältnis, Diffusivität, Abtötungsrate) der Maniokschäume und der Einfluss verschiedener Trocknungsbedingungen auf ausgewählte physikalisch-chemische Eigenschaften von Maniokschaumpulver untersucht. Während des Trocknens wurden zwei Fallgeschwindigkeiten festgestellt. Die Diffusivität wurde signifikant von der Temperatur, jedoch nicht von der Schaumdicke beeinflusst. Die Maniokschaumpulver wiesen akzeptabel niedrige cyanogene Gehalte auf und hatten eine hohe Retention von Carotinoiden. Die Mikrostruktur des Schaumpulvers änderte sich mit der Temperatur nicht signifikant, aber gelbes Maniokschaumpulver wies eine höhere Koaleszenz auf.

The Cerrado biome in Brazil covers about 200 million ha and is a global biodiversity hotspot. Over the last decades, the Cerrado biome underwent and is still undergoing an excessive expansion in agriculture. Deforestation and replacement of the natural Savannah vegetation by cropland and pasture contributes to serious environmental problems, including soil degradation and altered water cycles. The integrated crop-livestock-forestry (ICLF) system is currently promoted as a measure for sustainable intensification. It improves the use of cultivated areas, recovers previously degraded land, and could be a strategy for adapting agriculture to climate change. Despite being considered a key indicator of how integrated systems affect ecological processes, soil moisture (SM) dynamics in literature have not been consistently analyzed, and continuous observation of seasonal SM dynamics are mostly unaddressed. Since SM of complex ecosystems is influenced by numerous factors, several additional parameters need to be considered to create a comprehensive understanding of the interlinked processes, such as radiation, rainfall, and biomass. The objective of this cumulative PhD thesis was to investigate SM dynamics and aboveground grass biomass under different land use systems in the Cerrado biome of Central West Brazil. In the first study, photosynthetically active radiation (PAR) received at grass canopy level, SM, AGBM between the tree rows, and seasons in a mature ICLF system were investigated. Across the seasons, a distinct gradient was observed with SM being lower close to the tree rows than in the space between them. During winter, SM in the topsoil decreased to critical values, and dropped to the permanent wilting point next to the tree rows. During spring and summer, incident PAR was lower close to the trees than at the center point, while during autumn and winter, when PAR is generally lower, it was more evenly distributed between the tree rows. Aboveground grass biomass (AGBM) showed a distinct distribution within the ICLF system with maximum values in the center and about 50% of the biomass close to the tree rows. The results suggest that, restrictions in AGBM accumulation shifted among seasons between water limitations in winter and light limitations during summer. In the second study, the seasonal and spatial variability of SM of Cerrado soils under four different land use systems was investigated under consideration of soil physical characteristics and grass biomass. In rainy and dry season, SM in the upper 100 cm of the soil was highest in the integrated crop-livestock (ICL) system, followed by the continuous pasture (COP), and lowest in the land use systems including trees, ICLF and Cerrado. Whereas in COP and in ICL, water was mainly taken up from the upper 30 cm, in ICLF, the strongest soil moisture depletion was observed between a soil depth of 40 and 100 cm. Although in the Cerrado SM in the topsoil was lower than in the other land use types, water was conserved below 60 cm depth. Both integrated systems improved soil properties, such as bulk density and soil organic carbon compared to COP, and increased biomass productivity was observed, demonstrating the benefits of the integrated systems over the traditional grazing system. The results suggest that ICLF systems show increased evapotranspiration compared to conventional pasture and other integrated systems without trees. In the third study, the effects of the presence of eucalyptus trees on the seasonal pasture and animal performance in ICLF systems 8 years after establishment were investigated. Forage morphology, production, and nutritive value plus performance of Nellore heifers in two ICLF systems with varying in trees density, were evaluated and compared with a grass-only pasture. In both ICLF systems, the forage nutritive values were improved compared with a grass-only pasture. Nevertheless, grass biomass and accumulation rate were higher in the grass-only pasture. By the 8th year, the ICLF systems were unable to support both forage and animal production equivalent to a grass-only pasture, due to the high impact of the Eucalyptus trees on radiation received at the grass canopy and on soil moisture. Improved soil characteristics and forage nutritive values compared to grass-only pastures, and the potential restoration of natural ecosystem functions regarding water recycling into the atmosphere, demonstrated the benefits of ICLF systems and highlight their potential to contribute to sustainable agricultural intensification. However, high water consumption by trees poses a risk to grass productivity during the dry season and thus, the system may consequently not be used for grazing all year round. Therefore, research on management options mitigating the impact of drought on grass productivity is needed. As the impact of the trees on the system is highly dependent on their age, these studies should consider the entire life cycle of the system. Das Cerrado Biom in Brasilien umfasst etwa 200 Millionen ha und gilt als globaler Biodiversitätshotspot. Seit einigen Jahrzehnten dehnt sich die Landwirtschaft innerhalb des Bioms exzessiv aus. Die Abholzung der natürlichen Savannenvegetation trägt zu schwerwiegenden Umweltproblemen, u.a. Bodendegradierung und veränderte Wasserkreis-läufe bei. Das ICLF (integrated crop-livestock-forestry) System, welches Pflanzenbau, Viehzucht und Forstwirtschaft integriert, wird derzeit als vielversprechende Maßnahme zur nachhaltigen Intensivierung vorangebracht. Es verbessert die Nutzung von Anbauflächen, rehabilitiert zuvor degradierte Flächen und könnte eine Strategie zur Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel sein. Ein wesentlicher Vorteil von ICLF-Systemen wird der Bodenerhaltung zugeschrieben. Obwohl die Dynamik der Bodenfeuchte (BF) ein wichtiger Indikator dafür ist, wie integrierte Systeme ökologische Prozesse beeinflussen, wurde sie in der Literatur nicht konsequent analysiert. Des Weiteren wird die jahreszeitliche Bodenfeuchtedynamik meist nicht durch kontinuierliche Beobachtungen berücksichtigt. Das Ziel dieser kumulativen Dissertation war es, die Bodenfeuchtedynamik und die oberirdische Grasbiomasse (GB) unter verschiedenen Landnutzungssystemen im Cerrado Biom mit besonderem Fokus auf ICLF-Systeme zu untersuchen. In der ersten Studie wurden die auf der Grasebene ankommende photosynthetisch aktive Strahlung (PAR), BF und oberirdische GB zwischen den Baumreihen zu verschiedenen Jahreszeiten in einem ICLF-System untersucht. Die BF nahe der Baumreihen war niedriger als im Bereich zwischen den Baumreihen. Während des Winters sank die BF im Oberboden auf kritische Werte und fiel in der Nähe der Baumreihen bis auf den permanenten Welkepunkt. Die Strahlung war im Frühjahr und Sommer in der Nähe der Bäume niedriger als im Bereich zwischen den Baumreihen, während sie im Herbst und Winter bei generell niedrigerer Strahlung gleichmäßiger zwischen den Baumreihen verteilt war. Die oberirdische GB zeigte eine deutlich unterschiedliche Verteilung innerhalb des ICLF-Systems mit Maximalwerten im Bereich zwischen den Baumreihen und etwa 50 % weniger Biomasse direkt neben den Baumreihen. In der zweiten Studie wurde die saisonale und räumliche Variabilität der BF von Cerrado Böden unter vier verschiedenen Landnutzungssystemen und unter Berücksichtigung der bodenphysikalischen Eigenschaften und der oberirdischen GB untersucht. In der Regen- und Trockenzeit war die Bodenfeuchte in den oberen 100 cm des Bodens im integriertes System ohne Bäume (ICL) am höchsten, gefolgt von kontinuierlich Weide (COP), und am niedrigsten in den Landnutzungssystemen mit Bäumen, ICLF und Cerrado. Obwohl im Cerrado die Bodenfeuchte im Oberboden geringer war als in den anderen Landnutzungssystemen, blieb Wasser unterhalb von 60 cm Tiefe erhalten. Beide integrierten Systeme verbesserten die Bodeneigenschaften, wie z.B. die Lagerungsdichte und den Gehalt von organischem Kohlenstoff im Boden im Vergleich zu COP. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ICLF-Systeme eine erhöhte Evapotranspiration im Vergleich zu herkömmlichen Weiden und anderen integrierten Systemen ohne Bäume aufweisen. In der dritten Studie wurden die Auswirkungen von Eukalyptusbäumen auf die saisonale Produktion und Qualität von Grünfutter und die Nutztierleitung in ICLF-Systemen, 8 Jahre nach der Etablierung untersucht. Grünfuttermorphologie, -produktion und -nährwert sowie die Leistungsparameter von Färsen der Rasse Nellore in zwei ICLF-Systemen mit unterschiedlicher Baumdichte, wurden bewertet und mit einer reinen Grasweide verglichen. In beiden ICLF-Systemen waren die Nährwerte des Futters (höheres Rohprotein und Verdaulichkeit) im Vergleich zu einer reinen Grasweide höher. Andererseits waren die Grasbiomasse und die Akkumulationsrate bei der reinen Grasweide höher. Im achten Jahr erzielten die ICLF-Systeme daher nicht mehr die gleiche Weidequalität und Nutztierleistung einer reinen Grasweide. Diese Leistungseinbußen waren auf den negativen Einfluss der Eukalyptusbäume auf die Beschattung der Grasschicht und Bodenfeuchte, insbesondere im Winter, zurückzuführen. ICLF-Systeme zeigten verbesserte Bodeneigenschaften und Futternährwerte im Vergleich zu reinen Grasweiden, sowie die potenzielle Wiederherstellung natürlicher Ökosystemfunktionen im Hinblick auf die Rückführung von Wasser in die Atmosphäre. Sie zeigen ein hohes Potenzial, zu einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Intensivierung beizutragen. Der hohe Wasserverbrauch der Bäume stellt jedoch ein Risiko für die Grasproduktivität während der Trockenzeit dar, so dass das System folglich nicht das ganze Jahr über beweidet werden kann. Daher ist die Untersuchung von Managementoptionen, die die Auswirkungen von Trockenheit auf die Grasproduktivität abmildern, notwendig. Da der Einfluss der Bäume auf das System stark von ihrem Alter abhängt, sollten diese Studien den gesamten Lebenszyklus des Systems berücksichtigen.

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

The goal of the bioeconomy is a fundamental transition of both the economy and society towards sustainability. Replacing fossil resources by biomass for the provision of food, feed, fibre and fuel/energy (the 4F’s) will result in a substantial increase in demand for agricultural products. The consequent intensification of agricultural production, however, needs to be achieved while alleviating the societal challenges of the 21st century. The bioeconomy provides a knowledge-based, cross-sectoral and systemic pathway to increase agricultural production that involves all relevant stakeholders in the sustainability transition. This interdisciplinary thesis investigated the contribution that three selected bioeconomic approaches can make to the sustainable intensification of agricultural production, encompassing the growing urban population on the demand side and the numerous smallholder family farmers in countries of the global South on the supply side. The first study develops the ‘Integrated Renewable Energy Potential Assessment’ (IREPA) approach that involves smallholder farmers in planning and selection of renewable energy (RE) technologies for implementation into their agricultural systems. The bottom-up potential assessment, participatory learning and action research and multi-criteria decision analysis supported the smallholders in two case studies in rural South Africa and India in the identification of locally appropriate RE technologies. The second study uses IREPA to explore smallholders’ perception of agricultural RE production. Social, environmental, technical, institutional and economic factors are analysed to identify drivers of and barriers to RE implementation into smallholder agricultural systems. Mainly environmental factors, in particular climate change impacts, motivate smallholders to produce RE, while social factors (social cohesion, gender aspects, well-being, food and water security) determine the actual change. The barrier of high upfront investment costs can be eliminated by falling RET prices, the development of novel rural RE business models and institutional support. In addition, growing smartphone penetration rates in rural areas and open-access online information enables do-it-yourself RET operation and maintenance. Integrated approaches and such insights are crucial for the targeted formulation of agricultural development policies and stakeholder involvement in the sustainability transition towards a bioeconomy. The third study investigates the characteristics of urban gardening in Germany and its potential to encourage sustainable consumer behaviour, based on a review of 657 urban gardening project websites and an online survey involving 380 project participants. The results reveal multiple social, environmental and economic benefits of urban gardens for sustainable city development. The diverse gardener communities actively promote sustainable consumer behaviour by (unintentionally) applying several methods known to encourage pro-environmental behaviour. Hence, urban gardens are transformative spaces that involve the growing urban population in the societal transition towards a bioeconomy. In the context of sustainable intensification of biomass production in rural areas, the fourth study investigates the contribution of environmental service assessment and monetization in agricultural systems, using the example of the perennial biomass crop miscanthus for biofuel production. The valorisation makes environmental services - such as soil fertility improvement, carbon sequestration, water and air purification – tangible. This can incentivise payments to farmers for the provision of these public goods. Enhancing and utilising environmental services through nature-based solutions is a promising pathway to sustainable intensification, providing a shift from input-based towards process-based agricultural production. Finally, it can be concluded that integrated approaches which connect different production systems, disciplines and stakeholders are central for the development of the bioeconomy: - The integration of sustainable technologies, such as RE, into agricultural systems requires case-based research and participation of local stakeholders in project planning, decision making and targeted policy formulation. - The integration of the growing urban population in the sustainability transition can be supported by urban gardening because it promotes sustainable consumer behaviour. - The integration of nature-based solutions into agricultural systems enhances environmental service provision and supports the shift from input-based towards process-based agricultural systems. The approaches discussed in this thesis can support the sustainable intensification of agriculture, serve to re-connect the perspectives of rural producers and urban consumers, and enable the involvement of large portions of society in the sustainability transition towards the bioeconomy. Die Bioökonomie strebt die Nachhaltigkeitstransformation von Wirtschaft und Gesellschaft an, wobei fossile Ressourcen durch Biomasse ersetzt werden. Dadurch steigt der Bedarf an landwirtschaftlichen Produkten als Nahrungs- und Futtermittel sowie für die stoffliche und energetische Nutzung. Die dafür notwendige Intensivierung der landwirtschaftlichen Produktion muss aber auch zur Lösung der gesellschaftlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts beitragen. Die Bioökonomie bietet eine wissensbasierte, sektorübergreifende und systemische Herangehensweise zur nachhaltigen Intensivierung unter Einbezug aller relevanter Akteure. Diese interdisziplinäre Dissertation untersucht und entwickelt drei bioökonomische Ansätze weiter, um die Bereitstellung landwirtschaftlicher Produkte zu steigern und die wachsende urbane Bevölkerung nachfrageseitig und die zahlreichen Kleinbauern in Ländern des Globalen Südens angebotsseitig einzubeziehen. In der ersten Studie wurde der Ansatz der ‚Integrierten Bewertung des Potenzials erneuerbarer Energien‘ (IREPA) entwickelt, um erneuerbare Energien (EE) in kleinbäuerliche Agrarsysteme unter Einbezug der Kleinbauern in die Projektplanung und Entscheidungsfindung zu integrieren. Mittels bottom-up Bewertung des EE-Potentials, partizipativer Lern- und Aktionsforschung sowie Multikriterienanalyse wurden in zwei Fallstudien in Südafrika und Indien Kleinbauern dabei unterstützt geeignete EE-Technologien zu ermitteln. In der zweiten Studie wurden soziale, ökologische, technische, institutionelle und wirtschaftliche Hindernisse und Treiber für die Implementierung von EE in kleinbäuerliche Agrarsysteme identifiziert. Ökologische Faktoren, wie Folgen des Klimawandels, motivieren Kleinbauern dazu erneuerbare Energien zu produzieren, während soziale Faktoren (wie soziale Strukturen, Gender-Aspekte, Wohlbefinden, Nahrungs- und Wasser Versorgung) entscheidend für die Umsetzung sind. Sinkende Preise von EE-Technologien, neue Geschäftsmodelle im ländlichen Raum sowie institutionelle Unterstützung beseitigen das Hindernis hoher Investitionskosten. Zunehmende Smartphone-Verbreitung bietet Zugang zu Informationen, was Eigenbau und Betrieb von EE-Technologien ermöglicht. Integrative Ansätze und Einblicke wie diese sind entscheidend für die Formulierung zielgerichteter, landwirtschaftlicher Entwicklungsstrategien und die Einbindung relevanter Akteure in die Nachhaltigkeitstransformation zur Bioökonomie. Die dritte Studie untersuchte urbane Gartenprojekte in Deutschland und deren Potential zur Förderung eines nachhaltigen Konsumentenverhaltens, mittels Analyse der Webseiten von 657 urbanen Gartenprojekten und online Umfrage mit 380 Projektteilnehmer*innen. Urbane Gärten bieten soziale, ökologische und wirtschaftliche Vorteile für eine nachhaltige Stadtentwicklung. Diverse, soziale Gartengemeinschaften fördern nachhaltiges Konsumentenverhalten, da (unbeabsichtigt) mehrere Methoden angewandt werden, die bekanntermaßen umweltfreundliches Verhalten fördern. Urbane Gärten sind transformative Räume und beziehen die wachsende urbane Bevölkerung in den gesellschaftlichen Wandel zur Bioökonomie ein. Die vierte Studie untersuchte die Bewertung und Monetarisierung von Umweltdienstleistungen und den Beitrag dieses Ansatzes zur Förderung der nachhaltigen Intensivierung am Fallbeispiel der mehrjährigen Biomassepflanze Miscanthus für die Biokraftstoffproduktion. Die Monetarisierung macht Umweltdienstleistungen, wie Bodenfruchtbarkeit, CO2-Sequestrierung, Wasser- und Luftreinigung, greifbar und schafft Anreize Landwirte für die Bereitstellung dieser Gemeingüter zu vergüten. Die Förderung von Umweltdienstleistungen mittels naturbasierter Lösungen ist ein aussichtsreicher Ansatz für eine Prozess-basierte, anstelle einer Input-basierten Intensivierung der Agrarproduktion. Letztendlich lässt sich aus diesen vier Studien schließen, dass integrative Ansätze, die Verbindungen zwischen Produktionssystemen, Disziplinen und beteiligten Akteuren schaffen, von zentraler Bedeutung für die Entwicklung der Bioökonomie sind: - Die Integration nachhaltiger Technologien, wie EE, in Agrarsysteme erfordert fallbezogene Forschungsansätze. Die Perspektiven lokaler Akteure bilden eine wichtige Grundlage für Projektplanung und Entscheidungsfindung sowie die Entwicklung bioökonomischer Politikstrategien. - Die Integration der wachsenden urbanen Bevölkerung in die Nachhaltigkeitstransformation wird durch das urbane Gärtnern unterstützt, indem es ein nachhaltiges Konsumentenverhalten fördert. - Die Integration naturbasierter Lösungen in Agrarsysteme steigert deren Umweltdienstleistungen und unterstützt so den Wandel von der Input-basierten zur Prozess-basierten Landwirtschaft. Diese drei Ansätze können wichtige Beiträge zur nachhaltigen Intensivierung leisten und durch die (Wieder-)Verbindung ländlicher Produzenten und urbaner Verbraucher, diese großen Bevölkerungsgruppen in die Nachhaltigkeitstransformation zur Bioökonomie einbeziehen.