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

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

Wälder spielen global eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Weltklimas, da sie aktiv Kohlenstoff speichern und binden. Trotz der Bemühungen durch internationale Programme nehmen die Waldschäden weiter zu. Entwaldung und Walddegradierung sind zwei unterschiedliche Prozesse, die sich auf die globalen Wälder auswirken. Entwaldung ist eine klar definierte Umwandlung oder Abholzung der Waldflächen, während Degradierung subtiler, vorübergehend und variabel sein kann und daher schwer zu detektieren ist. Walddegradierung wird im Allgemeinen als eine funktionale Verringerung der Fähigkeit von Wäldern Ökosystemleistungen zu erbringen identifiziert. Sie wird nicht als Veränderung der Landbedeckung oder Entwaldung klassifiziert. Daraus folgt keine deutliche Verringerung der Waldfläche, sondern eher eine Abnahme der Qualität und des Zustands. Diese Veränderung kann, wie die Entwaldung dennoch mit einer signifikanten Verringerung der oberirdischen Biomasse und damit miterheblichen Treibhausgasemissionen verbunden sein. Die Schätzungen der Kohlenstoffemissionen aus Waldstörungen liegen zwischen 12 und 20 % aller weltweit emittierten Emissionen. Durch eine fehlende einheitliche Definition oder Methode zur Quantifizierung der Degradation, der Vielzahl an Einflussfaktoren und der Unsicherheit bei der Schätzung der Biomasse variieren die Werte stark. Die von der Walddegradierung betroffene Fläche könnte in der Tat viel größer sein als die der Entwaldung, die ohnehin jedes Jahr auf eine Fläche von etwa der Größe Islands geschätzt wird. Die REDD+-Mechanismen zur Finanzierung von Emissionsreduktionen zur Minderung des Klimawandels erfordern robuste, transparente und skalierbare Methoden zur Quantifizierung der Walddegradierung, zusammen mit der Erfassung der damit verbundenen Treibern. Da die Degradierung oft der Entwaldung vorausgeht, kann ein schnelles Monitoring mit einer Beurteilung der Waldschäden und ihren Treibern ein wichtiges Frühwarnsystem sein. Nur so können Maßnahmen frühzeitig ergriffen werden, die die Wälder schützen und sowohl der Natur und der Biodiversität als auch dem Lebensunterhalt, der Gesundheit und dem Wohlbefinden von Millionen von Menschen auf der ganzen Welt zugute kommen. In dieser Arbeit werden Methoden für konsistente, reproduzierbare, skalierbare und satellitengestützte Indikatoren zur Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Arten von Walddegradation um zukünftige Risiko- und Politikszenarien zu unterstützen. Global forests play a crucial role in regulating global climate by actively storing and sequestering carbon. Despite efforts to mitigate climate through international efforts, human-caused forest disturbance and forest-related greenhouse gas emissions continue to rise. Deforestation and forest degradation are two different processes affecting global forests. Deforestation is a clearly defined conversion or removal of forest cover, while degradation can be more subtle, temporary, variable, and therefore difficult to detect. Forest degradation is generally identified as a functional reduction in the capacity of forests to provide ecosystem services, that does not qualify as a change in land cover or forest clearing. That means no clear reduction of the forest area, but rather a decrease in quality and condition. This change, like deforestation can still be associated with significant reductions in above-ground biomass and therefore considerable greenhouse gas emissions. Estimates of carbon emissions from forest degradation and disturbance range anywhere from 12-20% of all emissions emitted globally with values varying widely because of a lack of uniform definition or method for quantifying degradation, the broad number of influencing factors, and uncertainty in biomass estimates. The area affected by forest degradation could in fact be much larger than that of deforestation, which is already estimated to be an area about the size of Iceland every year. The REDD+ mechanisms of financing emissions reductions to mitigate climate change require robust, transparent and scalable methods for quantifying degradation, along with a quantification of associated direct drivers. Furthermore, as degradation often precedes deforestation, timely monitoring and assessment of forest degradation and changes in drivers can provide crucial early warning to engage interventions to keep forests intact, benefitting nature and biodiversity as well as the livelihoods, health and well-being of millions of people around the world. This research proposes methods for consistent, repeatable and scalable satellite-derived indicators for identifying and quantifying different types of forest degradation and its causes to inform future risk and policy scenarios.

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.

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

Die Regionalvermarktung durch Regionalinitiativen ist vielfach eine Erfolgsgeschichte, in deren Folge sich auch regionales Lebensmittel-Marketing im Lebensmittel-Einzelhandel etabliert hat. Voll entwickelte Regionalinitiativen folgen dem ���dualen Modell���, sind gleichzeitig Netzwerk und Unternehmen. Der Nachhaltigkeit der Produkte kommt in vielen Konzepten eine h��here Bedeutung zu. Was macht nachhaltige regionale Wertsch��pfungsorganisationen erfolgreich? Zur Beantwortung dieser Frage werden in dieser Arbeit - aufbauend auf Theoriegrundlagen zu Innovation und Kooperation, Sozialkapital und Netzwerken, kleinen und mittleren Unternehmen sowie regionaler Governance - drei regionale Fallstudien-Projekte sowie ein Referenzprojekt untersucht, deren Entwicklungsprozesse analysiert und visualisiert. Neben der Akteurs- und Handlungstheorie werden Begriffe systemischer Theorien zur Erkl��rung genutzt. In diesem Zuge werden 70 Erfolgsfaktoren als Elemente dieser Systeme hergeleitet, identifiziert und beschrieben, die acht Ebenen eines qualitativen System-Modells nachhaltiger regionaler WSO zugeordnet werden; dessen Aufbau wird in dieser Arbeit systematisch dargestellt. Diese Erfolgsfaktoren und das System-Modell werden f��r vertiefende Analysen genutzt, deren weitere Ergebnisse beschrieben. In der Diskussion werden Anregungen zur gezielten Weiterentwicklung nachhaltiger regionaler Wertsch��pfungsorganisationen formuliert. Regional and local food-marketing, driven by regional initiatives of farmers and other activists, are a success story, which has been followed up by regional marketing-strategies in retail markets. Fully developed regional initiatives are ���dual models���; they are networks as well as enterprises. Sustainability of production plays a big role in many initiatives and in a growing market. But what makes ���sustainable regional value-adding organizations��� successful? The answer to this question in this study has been built on theories of innovation and cooperation, networks and social capital, small and medium enterprises and regional governance. The development-processes of three case-study- and one reference-project have been intensively analysed and partly visualized, explained with patterns of actors- as well as systems-theory. In this process 70 success factors have been deduced, identified and described as elements of these systems, which have been assigned to eight levels of an qualitative system-model. Both, success factors and the system-model, have been used and testet for some deeper studies, the findings are displayed here. In the discussion suggestions for the further development of sustainable regional value-adding organizations are made.

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.