In der vorliegenden Dissertation sollten die hydrogeochemischen Prozesse herausgearbeitet werden, die für die Wasserqualitätsänderung während eines ASR Experiments in Bolivar, Südaustralien und während der Versickerung in einem künstlichen Grundwasseranreicherungsbecken in Berlin von Bedeutung waren. Reaktive Stofftransportmodellierung des ASR Experiments in Bolivar, Südaustralien zeigte, dass die hydrochemischen Veränderungen in der direkten Umgebung des Injektionsbrunnens während der Speicherphase nur durch rapide Änderungen der Sauerstoff- und Nitrat reduzierenden Bakterienmasse erklärt werden können. Die hydrochemischen Veränderungen in größerer Distanz zum Injektionsbrunnen wurden überwiegend durch Ionenaustauschprozesse und Kalzitlösung verursacht. Geochemische und hydraulische Messungen unter einem Sickerbecken in Berlin zeigten, dass die beobachteten geochemischen Änderungen im Sickerwasser mit den periodisch auftretenden wassergesättigten/wasserungesättigen Bedingungen unter dem Becken einhergehen. Während der ungesättigten Periode wird Luft unter das Becken gezogen und führt zur plötzlichen Reoxidierung von bereits in der gesättigten Periode gebildeten Eisensulfiden und zur beschleunigten Mineralisation von sedimentärem organischem Kohlenstoff. Reaktive Stofftransportmodellierung auf größerer Skale zeigte, dass allein die saisonalen Temperaturunterschiede im Infiltrationswasser für die beobachtete zeitliche und räumliche Dynamik der Redoxzonen im weiteren Abstrom des Sickerbeckens verantwortlich sind. Das Abbauverhalten der Arzneimittelsubstanz Phenazon hängt ausschließlich von der Verfügbarkeit von gelöstem Sauerstoff und damit indirekt von der Wassertemperatur im Aquifer ab. In der vorliegenden Arbeit wird deutlich, dass ein adäquates Verständnis der wasserqualitätsändernden Prozesse in künstlichen Anreicherungsystemen nur dann erreicht werden kann wenn Strömung, Transport und reaktive Prozesse, im Feld als auch in der Modellierung, simultan betrachtet werden. / In this thesis, three major studies were carried out in order to understand the key factors controlling the water quality changes that occurred during a reclaimed water Aquifer Storage and Recovery (ASR) experiment at Bolivar, South Australia and during ponded infiltration in Berlin, Germany. Multi-component reactive transport modelling of the ASR experiment suggested that during the storage phase, dynamic changes in bacterial mass have a significant influence on the local geochemistry in the vicinity of the injection well. Water quality changes further away from the injection well were mainly driven by ion exchange and calcite dissolution. Geochemical and hydraulic measurements below an artificial recharge pond in Berlin, Germany, showed that the observed dynamic changes of the hydrochemistry within the seepage water are strongly linked to the periodic saturated/unsaturated hydraulic conditions below the pond. During unsaturated conditions, atmospheric oxygen penetrates from the pond margins to the centre below the pond, leading to (i) a sudden re-oxidation of sulphide minerals that have formed previously during saturated conditions and (ii) an enhanced mineralisation of sedimentary particulate organic carbon. Reactive transport modelling showed that at larger scale, seasonal temperature changes of the infiltration water are the key control for the observed temporal and spatial redox dynamics further downstream the recharge pond. Moreover, the degradation behaviour of the pharmaceutically residue phenazone solely depends on the availability of dissolved oxygen, and thus indirectly on the water temperature within the aquifer. Overall this thesis shows that a sound understanding and analysis of the key processes affecting the water quality changes during artificial recharge of groundwater could only be achieved when flow, transport and reactive processes are considered simultaneously, both in the field and during modelling.

Die Säkularität stellt weltweit den vorherrschenden Modus staatlicher Organisation dar und impliziert eine formelle Trennung der Religion von weltlichen Sphären der Gesellschaft, allem voran der Politik. Der öffentliche Raum ist dabei idealtypisch der Rationalität vorbestimmt. Dennoch ist Religion ein weitverbreitetes Phänomen in öffentlichen städtischen Räumen säkular konstituierter Staaten, womit ihr ein Anschluss an Prozesse der gesellschaftlichen Allgemeinheit möglich wird. Anhand einer empirischen Untersuchung Guayaquils - der größten Stadt in Ecuador - wird in der Dissertation folgenden Fragen nachgegangen: (1) In welcher Form tritt das Religiöse im öffentlichen städtischen Raum in einer säkular verfassten Gesellschaft auf und wie ist dieses Auftreten jeweils bedingt? (2) Auf welche Weise nutzen religiöse Akteure den öffentlichen Raum bzw. auf welche Weise wird Religion im öffentlichen Raum genutzt? (3) Welche Konsequenzen hat eine Präsenz der Religion im, idealtypisch der Rationalität vorbehaltenen, öffentlichen Raum für die Politik? (4) Auf welche Weise wirkt sich die gleichzeitige Exposition divergierender Weltanschauungen im öffentlichen Raum auf religiöse Praxis und Religion aus? Resultierend erweist sich eine formelle Trennung von Religion und weltlicher Sphären im Rahmen der Säkularisierung als unzureichend für ein tatsächliches Verdrängen aus dem öffentlichen Raum. Religion bleibt dank historischer Kontinuität im öffentlichen Raum erhalten und strebt aktiv nach den ihm innewohnenden Profiten, welche eine Etablierung oder den Machterhalt in der Gesellschaft ermöglichen. Die Präsenz von Religion im öffentlichen Raum führt zu ihrer Verweltlichung und politischer Einflussnahme aber auch der Vereinnahmung ihrer Potentiale durch politische Akteure. Nicht zuletzt bedingt die Exposition unterschiedlicher religiöser Weltanschauungen im öffentlichen Raum ein Verschwimmen konfessioneller Grenzen und neue Formen religiöser Identität. / Secularity is the dominant mode of the organisation of states worldwide. It implies the formal separation of religion and the worldly spheres of societies, particularly the separation of the religious from the political sphere. Consequentially, public spaces are rather known as rational spheres free from religiosity. But despite this theoretical assumption, religion remains a widespread phenomena of public urban spaces in secular states, and therewith remains an essential part of societies. This thesis addresses the following questions through an empirical study in Guayaquil, the largest city of Ecuador: (1) How does the religious appear in public urban spaces of a secularised society? What are the conditions and constraints of its appearance? (2) How do religious actors make use of public spaces and how is religion being used in public spaces? (3) Which are the consequences of a religious presence in public spaces for political practices? (4) How does the co-presence of different worldviews in the same public spaces affect religious practices themselves? This thesis shows, that the formal separation of religious and worldly spheres doesn’t result in the displacement of religions out of public spaces. Rather, as a result of historical continuity, religion remains part of public spaces, benefiting from its social functions, and enabling religious communities – depending on their initial conditions – to establish themselves in society or maintain their status. The presence of religion in public spaces leads to a growing political influence of religions and an absorption of its potentials by political actors at the same time. Finally, the co-presence of different ideologies in public spaces results in a blurring of denominational boundaries and new forms of religious identity.

Natürliche Niederungsgebiete wirken als effektive Phosphor Senke. Landwirtschaftliche Nutzung und Drainage führt zur Transformation zu Phosphor Quellen. Dem Spreewald, ein Feuchtgebiet und seiner Funktionsweise als Phosphor Quelle oder –Senke, kommt im Einzugsgebiet der Spree eine wichtige Rolle zu. Die vorhandenen Kenntnisse der Phosphor Umsatzprozesse und des Phosphor Austausches zwischen den Flächen und dem Fließgewässernetz sind jedoch gering. Praktikable Ansätze zur Beschreibung des Phosphor Austauschverhaltens von Nährstoffen in den ausgedehnten Polderregionen liegen nicht vor. Anhand hydrologischer, geohydraulischer und biogeochemischer Prozessuntersuchungen in einer Polderlandschaft mit typischer Stauhaltung konnten die Phosphor Freisetzungs- und Retentionsprozesse ausgewiesen werden. Unter Nutzung verschiedener Modellansätze (geohydraulische Modellierung, Stofftransportmodellierung und Statistische Modelle) und der Berechnung von Phosphor Prozessraten werden horizontale und vertikale Phosphor Fluxe in den Flächen-Wasser Übergangszonen quantifiziert. Die Ergebnisse gehen in ein Phosphor Bilanzmodell ein, das die P-Quellen und Senkenfunktion von Polder Teilflächen (überstaut, genutzt) und des gesamten Polders in Monatsschritten abbildet. Die biogeochemischen Phosphor Umsatzprozesse sowie der horizontale und vertikale Transport werden wesentlich von den hydrologischen und den klimatischen Bedingungen gesteuert. Sie stellen die primären Einflussgrößen der P Senken oder -Quellenfunktion dar. Im Polder wird die Phosphor Netto Freisetzung der genutzten Bereiche durch eine hohe Phosphor Netto Retention in den überstauten Flächen abgemindert. Szenario Untersuchungen zeigen, dass sinkende Grabenwasserstände zu einer erheblichen Erhöhung der Phosphor Emissionen aus dem Grundwasserpfad führen. Ansteigende Phosphor Fluxe bei sinkenden Wasserständen legen ein zunehmendes Eutrophierungsrisiko in den Gräben sowie für unterhalb gelegene aquatische Systeme nahe. / Natural wetlands effectively retain phosphorus. Agricultural cultivation and drainage by ditches transform them to phosphorus sources. In the Spree catchment, the Spreewald, a large scaled lowland has a strategic importance operating as a phosphorus sink or phosphorus source. Anyhow, knowledge of its phosphorus turnover processes and the phosphorus exchange behavior between the plain and the river and ditch network are marginal. Practicable approaches to reproduce the phosphorus exchange behavior in its typical polder areas are missing. Based on process investigations in a polder area with typical weir regulation, phosphorus retention and remobilization processes are characterized. Combining different model approaches (groundwater modeling, matter transport modeling and statistical models) and calculating process rates, the horizontal and vertical phosphor fluxes in the water soil/sediment transition zones are quantified. The outcomes are used as input data for a phosphorus balance model reproducing the phosphorus source and sink character of used and rewetted polder areas and for the whole polder in monthly time steps. Results from process and transport investigations point out that biogeochemical turnover processes and horizontal or vertical phosphorus transport are driven by hydrological and climatological conditions. Net phosphorus release found in the extensive used polder areas is counteracted by significant net phosphorus retention in the rewetted parts. Scenario analyses identify decreasing ditch water levels to cause a considerable increase of phosphorus emissions from the groundwater pathway. Consequently, the increasing phosphorus fluxes at decreasing water levels provoke a growing risk for eutrophication in the ditches but also in the downstream aquatic systems.

Fererkundliches monitoring von Landnutzungswandel ist eine Grundvoraussetzung um negative Auswirkungen globaler Umweltveränderungen zu reduzieren. Verfügbare Methoden unterliegen jedoch räumlichen und zeitlichen Einschränkungen. Die Öffnung des Landsat Archivs, bessere Datenqualität, fortgeschrittene Algorithmen und Rechenkapazitäten erlauben verbessertes Verständnis von Muster-Prozess Zusammenhängen, falls diese Einschränkungen überwunden werden. Das Ziel dieser Dissertation war es, Methoden zu entwickeln und anzuwenden, die eine bessere Nutzung des Landsat Archivs ermöglichen, um Landnutzungswandel in den Karpaten seit 1985 zu quantifizieren. Das sekundäre Ziel war es zu untersuchen, wie der Zusammenbruch des Sozialismus und der Beitritt zur Europäischen Union den regional Landnutzungswandel beeinträchtigt hat. Dafür wurde zunächst ein zeitreihenbasiertes Verfahren genutzt, um mittels verbesserter zeitlicher Auflösung ein besseres Verständnis von Waldstörungsdynamiken während der Umstrukturierung von Forstbesitzverhältnissen zu erlangen. Anschliessend wurden Compositing Algorithmen entwickelt, und mittels dieser die regionalen forst- und landwirtschaftlichen Veränderungen quantifiziert. Die Ergebnisse zeigten, dass das Ende des Sozialismus zu einer drastischen Reduzierung der Waldstörungen geführt hat und gleichzeitig weitflächig Ackerland aufgegeben wurde. Insgesamt nahm die Waldfläche leicht zu aber übermäßige Störungen erfolgten in verschiedenen Gebieten, verursacht durch den kombinierten Effekt forstwirtschaftlicher Vermächtnisse, natürlicher Störungen sowie Waldbewirtschaftung. Nach dem EU-Beitritt nahmen Störungsdynamiken in den Karpaten im Vergleich zu den ersten Übergangsjahren wieder zu, was auf neuorganiserte Forstwirtschaft mit Zugang zu EU Märkten hindeuten kann. Aufgegebene Ackerflächen wurden in den letzten Jahren vermehrt wiederbewirtschaftet, wahrscheinlich bedingt durch die Agrarpolitik der EU sowie einen zunehmenden Einfluss globaler Märkte. / Remote sensing based monitoring of land change is a prerequisite to reduce the negative impacts of global environmental change. However, available monitoring methods suffer from spatial and/or temporal limitations. The opening of the Landsat archive, advancements in data quality, processing algorithms and capabilities, can improve pattern-process understanding if these limitations are overcome. The overall aim of this dissertation was first, to develop and apply methods that better utilize the rich Landsat record and to map and quantify land change in the Carpathian ecoregion since 1985. The secondary objective is to investigate how the collapse of socialism and accession to the European Union (EU) affected regional land change. First, a trajectory based change detection approach was used to investigate how increased observation frequency helps understanding how forest ownership changes affected forest disturbance dynamics. Second, compositing algorithms are developed to facilitate mapping and change detection over large areas. This allowed assessing changes in forest cover and agriculture. Results showed that overall the collapse of socialism led to drastic declines in forest disturbances and simultaneously to widespread cropland abandonment. Forest cover overall expanded but excessive harvesting prevailed in certain areas, due to combined effects of land use legacies, natural disturbances and forest management. Following the EU accession, disturbance levels increased compared to the transition years, potentially relating to a re-established forestry sector with access to EU timber markets. Abandoned cropland was recultivated throughout the Carpathians during the most recent years, likely influenced by the EU Common Agricultural Policy and increasingly by global markets. This dissertation exemplifies the value of the Landsat archive for land change research which can improve our understanding of land change globally and thus help mitigate its negative impacts.

Der Klimawandel hat weitreichende Folgen auf die Gesundheit der Menschen. Insbesondere Übertragungskrankheiten wie Dengue bekommen global gesehen eine zunehmende Bedeutung. Über die raumzeitliche Verteilung und das Umwelt-Dengue Risiko ist bisher wenig bekannt. Das Hauptziel dieser Dissertation war es daher, die Ätiologie von Dengue in einem hoch endemischen Gebiet besser zu verstehen. Es wurden räumliche Muster des Krankheitsauftretens untersucht, die anschließend in einer Umwelt-Risiko Analyse mit örtlichen Wetterdaten und Landnutzungsinformationen in Zusammenhang gebracht wurden. Zunächst wurde ein raumzeitlicher Ansatz durchgeführt, um herauszufinden, in wie weit Analysen, die verschiedene Aggregationsebenen miteinander kombinieren, zu neuen Erkenntnissen von raumzeitlichen Mustern von Dengue beitragen können. Anschließend wurde ein auf nicht-lineare zeitliche Einflüsse kontrolliertes, Poisson-generalisiertes additives Regressionsmodell genutzt, um herauszufinden, welchen Einfluss Wetterparameter auf die Verbreitung von Dengue haben. Schließlich wurden Boosted regression trees verwendet, um auf nicht-lineare Zusammenhänge und Interaktionen zwischen einzelnen Landnutzungsfaktoren und Dengue zu kontrollieren und um eine Risikokarte zu erstellen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mehr als eine geographische Ebene notwendig ist, um Krankheitscluster zu bestätigen. Minimaltemperatur, Regenmenge, und Windgeschwindigkeit waren mit der Verbreitung von Dengue im Untersuchungsgebiet assoziiert. Räumliche Dengue-Muster konnten durch Siedlungen, Wasser, gemischte Landwirtschaftsflächen, offene Flächen und stillgelegte Grünflächen erklärt werden. Dengue-Risiko ist auf der Ergebniskarte des Studiengebietes ersichtlich. Diese Dissertation liefert sowohl wertvolle Informationen für die Gesundheitspolitik in Malaysia als auch wichtige Herangehensweisen für die Entwicklung von Dengue-Kontrollmechanismen in und über die Untersuchungsregion hinaus. / Global changes to our earth system have impacts on human health; specifically vector-borne diseases such as dengue are of epidemiological importance. Dengue is a global disease burden. Little is known about the spatio-temporal distribution and environmental risk association of dengue disease. The main goal of this dissertation was to improve understanding of the etiology of dengue disease in a highly endemic region by focusing on, initially, vulnerability mapping of the disease occurrences and, next, environmental risk assessment between disease clusters and both weather and land use. First, a Spatio-temporal scan statistics approach was used to assess to what extent analyses that combine sub-district and address level data contribute to new insights into spatio-temporal dengue disease patterns to better inform health interventions. Second, a Poisson generalized additive model was used to assess the weather effects on dengue disease accounting for non-linear temporal effects. Third, a Boosted regression trees approach was used to account for nonlinearities and interactions between the land use factors and dengue disease and to generate a risk map. Results suggested that more than one geographical level was needed to confirm the disease clusters. Minimum temperature, rainfall and wind speed, were associated with the dengue cases in the study area. Spatial patterns of dengue cases could be explained by land use types, including human settlements, water bodies, mixed horticulture land, open land and neglected grassland. The predicted risk map depicted dengue risk in the study area. This dissertation provided compelling approaches that are highly valuable for dengue vector control policy advice; applicability is not confined to Malaysia but is transferable to other studies in similar settings.

Das erste Ziel dieser Arbeit ist eine umfassende Analyse der Wasserflüsse durchzuführen und Quellen und Senken des kontinentalen Niederschlags zu identifizieren. Als Analysemethode werden komplexe Netzwerke verwendet, ein Ansatz, mit dessen Hilfe das neuartige Konzept des “cascading moisture recycling'''' (CMR) eingeführt wird. CMR wird als vielfache Verdunstung von Niederschlag während des Feuchtigkeitstransports über bewaldeten Gebieten definiert. Dieses Verfahren ermöglicht es, den Anteil von CMR an der Menge des regionalen Niederschlags zu quantifizieren und Schlüsselregionen des CMR zu identifizieren. Die Analyse zeigt, dass der südliche Bereich des Amazonasbeckens nicht nur eine direkte Quelle für Niederschlag im La-Plata Becken ist, sondern auch als ``Brückenregion'''' dient, über die die verdunstete Feuchtigkeit des ganzen Amazonasbeckens auf dem Weg in die Subtropen transportiert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Neubewertung der Vulnerabilität des Amazonasregenwalds unter Umweltveränderungen unabdingbar ist. Dies ist das zweite Ziel der vorliegenden Arbeit. Durch diese Veränderungen könnten große Teile des Regenwaldes in eine Savanne umgewandelt werden. Dies würde wiederum den Niederschlag reduzieren, was sich negativ auf die Stabilität der verbleibenden Waldgebiete auswirken und ein Waldsterben verursachen kann. Für die Analyse dieser Zusammenhänge werden ebenfalls komplexe Netzwerke verwendet, um das Konzept der Ökosystem-Resilienz und CMR basierend auf Beobachtungsdaten zu kombinieren. Es werden die Schlüsselregionen, in denen Entwaldung zu einer Destabilisierung der verbleibenden Wald führt, identifiziert und die Möglichkeit eines großflächigen Absterben des Regenwaldes aufgrund von verlängerter Trockenzeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Diversität des Regenwaldes und die durch den Feuchtigkeitstransport gegebene Konnektivität der Waldgebiete eine wichtige Rolle für die Stabilität und ökologische Integrität dieses Ökosystems spielen. / The first aim of this thesis is to improve the understanding of vegetation-atmosphere interactions by means of complex network analysis of water fluxes from the sources to the sinks of rainfall in South America. This novel approach allows to introduce the concept of “cascading moisture recycling” defined as moisture recycling on the continent involving re-evaporation cycles along the way. A methodological framework is developed to quantify the importance of cascading moisture recycling and to identify key regions that sustain this process. It reveals, for instance, that the southern part of the Amazon basin is not only a direct source of rainfall for the La Plata basin as previously thought but also an intermediary region that re-distribute moisture evaporating from the entire Amazon basin towards the subtropics. This new concept lays the foundation for evaluating the vulnerability of the Amazon forest to environmental perturbations, which is the second aim of this thesis. Land-use and rainfall variability are expected to be intensified at the end of the twenty-first century and may push the south-eastern part of the Amazon forest towards a grass-dominated ecosystem. Such a forest loss would reduce local dry-season evapotranspiration and the resulting moisture supply for down-wind rainfall. In turn, this might erode the resilience of the remaining forest and lead to further forest losses. Using a complex network approach, the concepts of forest resilience and cascading moisture recycling are combined in a data-driven modeling framework. Key regions are identified where deforestation would greatly destabilize the remaining forest, as well as tipping points in dry-season intensification for large-scale self-amplified Amazon forest loss. The findings highlight the need to maintain the diversity and connectivity of forest patches in order to sustain the ecological integrity of the largest remaining tropical forest on Earth.

Biomasseplantagen und Aufforstung zur terrestrischen Kohlenstoffdioxid-Entfernung werden derzeit als Möglichkeit diskutiert um dem anthropogenen Treibhauseffekt entgegenzuwirken. Für die Bewertung solcher Maßnahmen ist ein umfassendes Verständnis ihrer Nachhaltigkeit und möglichen Konsequenzen erforderlich. In dieser Arbeit werden biogeochemische und hydrologische Auswirkungen von Biomasseplantagen und Aufforstung quantitativ und im Kontext der Planetarischen Grenzen (PG) analysiert. Simulationen mit einem globalen Vegetationsmodell zeigen, dass die Auswirkungen von Biomasseplantagen auf die Biosphäre nicht zu vernachlässigen sind und die der historischen landwirtschaftlichen Bodennutzung noch überschreiten können. Außerdem werden Szenarien zur räumlichen Verteilung von Biomasseplantagen unter Berücksichtigung von regionalen und globalen PG für biogeochemische Flüsse, Intaktheit der Biosphäre, Landnutzungswandel und Süßwassernutzung evaluiert. Unter Einhaltung regionaler PG können nur marginale Potentiale erzielt werden. Unter kompletter Ausnutzung des Risikobereichs könnten 1.4-6.9 GtC/a entzogen werden, abhängig von Biomasseverwertungs- und Kohlenstoffspeicherungseffizienzen. Die Relevanz von koevolutionärer Dynamik zwischen dem Kohlenstoffkreislauf und gesellschaftlichem Eingreifen wird mit einem konzeptionellen Modellierungsansatz im Kontext der PG aufgezeigt. Eine Fokussierung auf das Klimaproblem ohne die ganzheitliche Berücksichtigung von erdsystemischen Interaktionen kann ungewollte Überschreitung anderer PG zur Folge haben. Die Kombination von Bevölkerungswachstum und Nahrungsmittelbedarf mit der Minimierung von Kohlenstoff- und Biodiversitätsverlusten zeigt Möglichkeiten und Grenzen für terrestrische Kohlenstoffspeicherung auf. Räumliche Umverteilung in hochproduktive Regionen sowie substantielle landwirtschaftliche Produktivitätssteigerungen ermöglichen die Ernährung von 9 Milliarden Menschen sowie ein Kohlenstoffspeicherungspotential von bis zu 98 GtC. / Terrestrial carbon dioxide removal (tCDR) via afforestation or biomass plantations are discussed as options to counteract anthropogenic global warming. Therefore, it is important to understand sustainability limits and implications of tCDR in the context of Earth system dynamics. This thesis provides a model based assessment of biogeochemical and hydrological side-effects of biomass plantations and afforestation in the context of planetary boundaries (PBs), delimiting a safe operating space for humanity. Simulations with a global vegetation model indicate considerable biogeochemical and hydrological consequences of biomass plantations which are even larger than those of historical agricultural land use. Further, land use scenarios of biomass plantations are developed with a multi-objective optimisation model considering the PBs for biogeochemical flows, biosphere integrity, land system change and freshwater use. Respecting PBs yields almost zero tCDR potential. The transgression of PBs into a zone of increasing risk of feedbacks at the planetary scale can provide considerable tCDR potentials of 1.4-6.9 GtC/a, depending on efficiency of biomass conversion and carbon capture and storage. The importance of co-evolutionary dynamics of the Earth''s carbon cycle and societal interventions through tCDR is demonstrated with a conceptual modelling approach in the context of carbon-related PBs. A focus on climate change without an integrated trade-off assessment may lead to navigating the Earth system out of the safe operating space due to collateral transgression of other PBs. Integrating population growth and food demand while minimising carbon and biodiversity loss demonstrates opportunities and limitations for tCDR. Substantial improvements of crop and livestock productivities and the displacement of agricultural production into regions of high productivity yield sustainable terrestrial carbon sequestration potentials of up to 98 GtC while feeding 9 billion people.

Durch den Prozess der Urbanisierung verändert die Menschheit die Erdoberfläche in großem Ausmaß und auf unwiederbringliche Weise. Die optische Fernerkundung ist eine Art der Erdbeobachtung, die das Verständnis dieses dynamischen Prozesses und seiner Auswirkungen erweitern kann. Die vorliegende Arbeit untersucht, inwiefern hyperspektrale Daten Informationen über Versiegelung liefern können, die der integrierten Analyse urbaner Mensch-Umwelt-Beziehungen dienen. Hierzu wird die Verarbeitungskette von Vorverarbeitung der Rohdaten bis zur Erstellung referenzierter Karten zu Landbedeckung und Versiegelung am Beispiel von Hyperspectral Mapper Daten von Berlin ganzheitlich untersucht. Die traditionelle Verarbeitungskette wird mehrmals erweitert bzw. abgewandelt. So wird die radiometrische Vorverarbeitung um die Normalisierung von Helligkeitsgradienten erweitert, welche durch die direktionellen Reflexionseigenschaften urbaner Oberflächen entstehen. Die Klassifikation in fünf spektral komplexe Landnutzungsklassen wird mit Support Vector Maschinen ohne zusätzliche Merkmalsextraktion oder Differenzierung von Subklassen durchgeführt. Eine detaillierte Ergebnisvalidierung erfolgt mittels vielfältiger Referenzdaten. Es wird gezeigt, dass die Kartengenauigkeit von allen Verarbeitungsschritten abhängt: Support Vector Maschinen klassifizieren Hyperspektraldaten akkurat aber die Kartengenauigkeit wird durch die Georeferenzierung deutlich gemindert; die Versiegelungskartierung stellt die Situation am Boden gut dar, aber die Überdeckung versiegelter Flächen durch Bäume bedingt systematische Fehlschätzungen; eine Bildsegmentierung führt zu keiner Verbesserung der Klassifikationsergebnisse, bietet jedoch eine sinnvolle Möglichkeit zur effektiveren Prozessierung durch Datenkomprimierung. Auf diesem Weg ermöglicht die vorliegende Arbeit Rückschlüsse zur Verlässlichkeit von Datenprodukten, die eine Ausweitung fernerkundlicher Analysen in weniger gut dokumentierte urbane Räume voranbringt. / Urbanization is one of the most powerful and irreversible processes by which humans modify the Earth''s surface. Optical remote sensing is a main source of Earth observation products which help to better understand this dynamic process and its consequences. This work investigates the potential of airborne hyperspectral data to provide information on urban imperviousness that is needed for an integrated analysis of the coupled natural and human systems therein. For this purpose the complete processing workflow from preprocessing of the raw image to the generation of geocoded maps on land cover and impervious surface coverage is performed using Hyperspectral Mapper data acquired over Berlin, Germany. The traditional workflow for hyperspectral data is extended or modified at several points: a normalization of brightness gradients that are caused by directional reflectance properties of urban surfaces is included into radiometric preprocessing; support vector machines are used to classify five spectrally complex land cover classes without previous feature extraction or the definition of sub-classes. A detailed assessment of such maps is performed based on various reference products. Results show that the accuracy of derived maps depends on several steps within the processing workflow. For example, the support vector machine classification of hyperspectral data itself is accurate but geocoding without detailed terrain information introduces critical errors; impervious surface estimates correlate well with ground data but trees covering impervious surface below generally causes offsets; image segmentation does not enhance spectral classification accuracy of the spatially heterogeneous area but offers an interesting way of data compression and more time effective processing. Findings from this work help judging the reliability of data products and in doing so advance a possible extension of urban remote sensing approaches to areas where only little additional data exists.

Die vorliegende Dissertation beinhaltet eine detaillierte Analyse traditioneller und moderner Bioenergie, sowie deren möglicher Entwicklungspfade und Auswirkung auf Ernährungssicherheit im ländlichen Tansania. Die Arbeit bereichert die wissenschaftlichen Debatten mittels Aufzeigen von Optionen der nachhaltigen Produktion und Verbrauch von Bioenergie. Der Komplex wird in vier separaten und begutachteten Fachartikeln (drei publiziert, einer under review) bearbeitet. Alle Publikationen erzielen Aussagen für vier Einkommensgruppen auf lokaler Ebene. Für eine optimale Analyse ist die Arbeit thematisch in die Forschungsgebiete traditionelle und moderne Bioenergie unterteilt, die sich auch in den Kapiteln bzgl. des aktuellen Forschungsstandes sowie der Abfolge der Fachartikel widerspiegeln. Die erste Publikation beschäftigt sich mit traditionellem Bioenergiekonsum und der postulierten Einführung eines feuerholz-spezifischen, energetisch optimierten Kochers in dem Hauptuntersuchungsdorf Laela. Die Effekte einer Einführung von technologisch optimierten Holzkohlemeilern werden in der zweiten Publikation widergegeben. Nach diesem Fokus auf traditionelle Bioenergie analysiert der dritte Artikel die Effekte auf Nahrungsmittelsicherheit, die sich aus der angenommenen Verstromung von Pflanzenölen ergeben. Der vierte Artikel analysiert die Möglichkeiten einer erhöhten Palmölproduktion und leitet Ergebnisse für die tansanische Region Kigoma ab. Eine finale Empfehlung dieser Dissertation ist, dass die Verbreitung und Nutzung von verbesserten Kochern stark erhöht werden muss. Gleichzeitig sollten politischen Maßnahmen ergriffen werden, die Zugang und Verfügbarkeit von verlässlicher, erschwinglicher und nachhaltiger traditioneller wie moderner Bioenergie garantieren. Zudem muss die Etablierung einer effizienteren wie nachhaltigeren Holzkohle-Wertschöpfungskette vorangetrieben werden. Pflanzenölbasierte Elektrizitätsproduktion dagegen wirkt sich negativ auf die Ernährungssicherheit aus. / This PhD thesis provides a detailed analysis of the traditional and modern bioenergy situation as well as their development pathways and their respective influence on food security in case study villages in rural Tanzania. It adds to the current literature as it provides a profound understanding of how to enhance and sustain bioenergy production and consumption in terms of resource capacity and overall sustainability. For this, it comprises four peer-reviewed papers (3 published, one under review). All papers derive results for four income groups at local level. For an optimized analysis, the dissertation is thematically subdivided into the research areas of traditional and modern bioenergy which is displayed in the state of art research sections as well as the clustering of the papers. The first paper focuses on traditional bioenergy consumption and the potential introduction of a firewood-efficient stove in the major case-study village Laela. The effects of the introduction of more efficient kiln technology on resource consumption in the same village are mirrored in the second publication. After this focus on traditional bioenergy, the third paper investigates food security effects resulting out of the assumed use of vegetable oil for electrification purposes. The fourth paper analyses options for increased palm oil production and derives results for the Tanzanian region of Kigoma. The final recommendation of the thesis is that the prevalence and use of improved stoves needs to be increased substantially. Simultaneously, policy measures that foster the access to and availability of reliable, affordable and sustainable traditional as well as modern energy should be implemented. Furthermore, the establishment of a more efficient and sustainable charcoal value chain needs to be promoted. Vegetable oil based electrification, however, does not contribute towards food security.

Die Arbeit beinhalted verschiedene Studien, die die Grundwasser (GW)-Oberflächenwasser (OW)-Interaktion im Norddeutschen Tiefland untersuchen. Dabei werden zwei Ansätze verfolgt: der hydrogeologische und der limnologische Ansatz. Ersterer betrachtet die Interaktionen aus dem Blickpunkt der unterirdischen Wasserbewegung. Diese ist hauptsächlich gesteuert durch die Verteilung der hydraulische Leitfähigkeit (Sediment) und des hydraulischen Gradienten. Es ist immer noch eine Herausforderung beide Steuerungsgrößen richtig abzuschätzen. Mit neuen Ansätzen, welche auf der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Landschafskomponenten basieren (Wasserstände, Topographie, Vegetation, Nährstoffe), wurde klein- bis mesoskalige Sedimentverteilungen in einer Aue untersucht und beschrieben. Des Weiteren konnte mit einem einfachen Grundwassermodell gezeigt werden, das verschiedene Grundwasserstonckwerke (regionale Skala) die Interaktion zwischen GW und einem See beeinflussen können. Der limnologische Ansatz basiert auf der Annahme, dass Bereiche in einem See identifiziert werden können an denen Grundwasser zutritt. In der vorliegenden Arbeit, wurden eine Methode getestet, die auf der unterschiedlichen Temperatur von beiden Wasserkörpern basiert: Im Frühjahr ist das GW wärmer als das Seewasser und sollte sich an der Seeoberfläche einschichten. Mittels thermalen Luftbildaufnahmen sollten somit Grundwasserzutritte identifizierbar sein. Die Studien aber zeigten, dass dies nur unter bestimmten Voraussetzungen möglich ist und seeinterne Prozesse bei der Interpretation der Temperaturverteilung an der Seeoberfläche berücksichtigt werden müssen. Somit besteht noch ein erhöhter Forschungsbedarf bezüglich des limnologischen Ansatzes. Dennoch birgt dieser ein großes Potential, denn er eröffnet die Möglichkeit kurzfristig auf grundwasserbürtige Einträge in OW direkt an der Sediment-Wasser-Grenze zu reagieren und verschafft somit Zeit für aufwändigere hydrogeologische Untersuchungen. / The thesis constists of different studies, which are investigating groundwater-surface water interaction in North-German-Lowlands. Therefore, two different approaches were used: the hydrogeological and the limnological one. The former is based on the classical hydrogeological point of view: the subsurface water movement is mainly driven by hydraulic conductivity (sediment) and the hydraulic gradient. However, the characterisation of both is still a challange. Different methods were used to characterize small- and meso-scale sediment distributions within a lowland floodplain. These are based on the interactions of different landscape components (water level fluctuations, topography, vegetation, nutrient distributions). Furthermore, a simple groundwater model was set up to illustrate how regional groundwater flow impacts local groundwater-lake interactions. The limnological approach is based on the assumption that areas of groundwater exfiltration into a lake are detectable directly at the sediment-water interface. For this purpuse, it was assuemed that temperature differences between both water bodies could be used as follows: in spring the groundwater temperature is higher than that of lakes. Hence, the warmer groundwater float on the lake surface. That should be detectable by thermal infrared imaging. However, the studies could illustrate, that this is only true for specific conditions. Furthermore, lake internal processes need to be considered for interpreting temperature distributions at the lake surface. As a consequence, the limnological approach requires more research activities, since it gives the opportunity to initate short-term measures on groundwater inputs in surface waters. This would also guarantee larger time spans for time-consuming hydrogeological studies.