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

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

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

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.