Growing populations, continued economic development, and limited natural resources are critical factors affecting sustainable development. These factors are particularly pertinent in developing countries in which large parts of the population live at a subsistence level and options for sustainable development are limited. Therefore, addressing sustainable land use strategies in such contexts requires that decision makers have access to evidence-based impact assessment tools that can help in policy design and implementation. Ex-ante impact assessment is an emerging field poised at the science-policy interface and is used to assess the potential impacts of policy while also exploring trade-offs between economic, social and environmental sustainability targets. The objective of this study was to operationalise the impact assessment of land use scenarios in the context of developing countries that are characterised by limited data availability and quality. The Framework for Participatory Impact Assessment (FoPIA) was selected for this study because it allows for the integration of various sustainability dimensions, the handling of complexity, and the incorporation of local stakeholder perceptions. FoPIA, which was originally developed for the European context, was adapted to the conditions of developing countries, and its implementation was demonstrated in five selected case studies. In each case study, different land use options were assessed, including (i) alternative spatial planning policies aimed at the controlled expansion of rural-urban development in the Yogyakarta region (Indonesia), (ii) the expansion of soil and water conservation measures in the Oum Zessar watershed (Tunisia), (iii) the use of land conversion and the afforestation of agricultural areas to reduce soil erosion in Guyuan district (China), (iv) agricultural intensification and the potential for organic agriculture in Bijapur district (India), and (v) land division and privatisation in Narok district (Kenya). The FoPIA method was effectively adapted by dividing the assessment into three conceptual steps: (i) scenario development; (ii) specification of the sustainability context; and (iii) scenario impact assessment. A new methodological approach was developed for communicating alternative land use scenarios to local stakeholders and experts and for identifying recommendations for future land use strategies. Stakeholder and expert knowledge was used as the main sources of information for the impact assessment and was complemented by available quantitative data. Based on the findings from the five case studies, FoPIA was found to be suitable for implementing the impact assessment at case study level while ensuring a high level of transparency. FoPIA supports the identification of causal relationships underlying regional land use problems, facilitates communication among stakeholders and illustrates the effects of alternative decision options with respect to all three dimensions of sustainable development. Overall, FoPIA is an appropriate tool for performing preliminary assessments but cannot replace a comprehensive quantitative impact assessment, and FoPIA should, whenever possible, be accompanied by evidence from monitoring data or analytical tools. When using FoPIA for a policy oriented impact assessment, it is recommended that the process should follow an integrated, complementary approach that combines quantitative models, scenario techniques, and participatory methods. / Bevölkerungswachstum und wirtschaftliche Entwicklung in Kombination mit begrenzt verfügbaren, natürlichen Ressourcen sind kritische Faktoren für eine nachhaltige Entwicklung. Diese Situation ist besonders in Entwicklungsländern anzutreffen, in denen große Teile der Bevölkerung am Existenzminimum leben und es oft wenig Spielraum für eine nachhaltige Entwicklung gibt. Entscheidungsträger fragen daher verstärkt wissenschafts-basierte Instrumente zur Vorab- (ex-ante) Folgenabschätzung (Impact assessment) für die Konzeption und Umsetzung nachhaltiger Strategien nach. So genannte ex-ante Methoden zielen hierbei auf die Beurteilung der zukünftigen Folgen von Szenarien (z.B. alternative Politikmaßnahmen) und Konflikte zwischen ökonomischen, sozialen und ökologischen Nachhaltigkeitszielen ab. Ziel dieser Arbeit war es, die Folgenabschätzungen von Landnutzungsszenarien auf die nachhaltige Entwicklung in Entwicklungsländern zu ermöglichen. Eine besondere Schwierigkeit stellt dabei die oft mangelhafte Verfügbarkeit von Daten dar, die quantitative Analysen bzw. den Einsatz von computergestützten Modellen meist nur sehr begrenzt möglich macht. Um mit diesen Schwierigkeiten umzugehen, wurde die ursprünglich für die Europäische Union entwickelte ‚Framework for Participatory Impact Assessment‘ (FoPIA)-Methode an die Bedingungen in Entwicklungsländern angepasst und in fünf regionalen Fallstudien angewendet. Die analysierten Landnutzungsszenarien umfassten dabei (i) alternative Raumplanungsmaßnahmen zur kontrollierten Stadt-Land-Entwicklung in Yogyakarta, Indonesien; (ii) die Umsetzung von boden- und wasserkonservierenden Maßnahmen zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktion im Oum Zessar Wassereinzugsgebiet, Tunesien; (iii) Landumwandlung und Aufforstungsmaßnahmen zur Eindämmung von Bodenerosion in Guyuan, China; (iv) landwirtschaftliche Intensivierung und Potenziale des ökologischen Landbaus in Bijapur, Indien; sowie (v) Landteilung und -privatisierung in Narok, Kenia. Die angepasste FoPIA Methode wurde in drei konzeptionelle Schritte unterteilt: (i) die Szenarienentwicklung, (ii) die Spezifikation des Nachhaltigkeitskontexts, und (iii) die Szenariofolgenabschätzung. Ein neuer methodischer Ansatz lag in der Entwicklung alternativer Landnutzungsszenarien mit regionalen Akteuren und auf der Ableitung von Handlungsempfehlungen für zukünftige Landnutzungsstrategien. Für die Szenario-folgenabschätzung wurde primär das Wissen regionaler Experten und Akteure genutzt und durch quantitative Daten, sofern verfügbar, ergänzt. Auf der Grundlage der in den fünf Regionen gewonnenen Erkenntnisse lässt sich schlussfolgern, dass die angepasste FoPIA Methode dazu geeignet ist, eine Szenariofolgenabschätzung zu strukturieren und ein hohes Maß an Transparenz zu gewährleisten. Sie ermöglicht kausale Zusammenhänge von Landnutzungsproblemen zu diagnostizieren, die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Akteuren und Experten zu verbessern sowie mögliche Konflikte zwischen ökonomischen, sozialen und ökologischen Nachhaltigkeitszielen zu erkennen und darzustellen. Insgesamt sollte die FoPIA Methode jedoch nicht als isolierte Methode zur Folgenabschätzung verstanden werden, sondern, sofern die Datenverfügbarkeit dies zulässt, durch weiterführende Analysen ergänzt werden. Für die Anwendung der FoPIA Methode im Rahmen der Politikfolgenabschätzung wird ein integrierter, komplementärer Ansatz empfohlen, der quantitative Modelle, Szenariotechniken und partizipative Methoden kombiniert.

Die Landwirtschaft liefert einen Großteil der Nahrungsmittel und Rohstoffe für den menschlichen Verbrauch und wird aufgrund globaler Dynamiken des Bevölkerungswachstums, Änderungen der Ernährungszusammensetzung und Auswirkungen des Klimawandels herausgefordert. Gleichzeitig hat die intensive landwirtschaftliche Produktion oft erhebliche Auswirkungen auf die Leistungen und Funktionen von Ökosystemen. Agrarökosystemmodelle können verwendet werden, um Auswirkungen der Landwirtschaft über verschiedene zeitliche und räumliche Skalen zu quantifizieren. Globale Bewertungen werden jedoch durch die begrenzte Verfügbarkeit von Daten einzelner agronomischer Maßnahmen und dem Wissen über die damit verbundenen biophysikalischen und biogeochemischen Prozesse erschwert. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, das Verständnis über Anforderungen an Daten von landwirtschaftlichen Produktionssystemen und deren Anwendungsmethoden in globalen Modellierungsstudien zu erweitern. Darüber hinaus zielt diese Doktorarbeit darauf ab die Arten, räumliche Ausdehnung, Umweltwirkung und Potenziale von unterschiedlichen Bewirtschaftungsmethoden auf globalem Ackerland abzuschätzen. Die Ergebnisse der ersten Studie zeigen, inwiefern die Aggregation von rasterzellenbasiert simulierten Ernteerträgen zu national und globalen Durchschnittserträgen mit vier unterschiedlichen Datenprodukten zu Unsicherheiten von ~10 % führen kann. Der zweite Forschungsartikel präsentiert eine Klassifikation von sechs Bodenbearbeitungssystemen, deren Kartierung und ermittelten Merkmale zur Parametrisierung in globalen Agrarökosystemmodell verwendet werden können. Zuletzt werden mit Hilfe des globalem Modells LPJml5.0- tillage-cc die biophysikalischen Auswirkungen von Zwischenfruchtanbau im Vergleich zu Schwarzbrache auf die Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserdynamiken abgeschätzt. Die Ergebnisse der Thesis zeigen Potenziale von und Trade-offs zwischen ackerbaulichen Bewirtschaftungsmethoden und deren globaler Modellierung auf. / Agricultural production provides a major share of food, feed, fiber, and fuel for anthropogenic usage, and is challenged by projected increasing demand due to dynamics of population growth, changes in dietary compositions, and climate change impacts. At the same time, intensive agricultural production practices have environmental externalities, which negatively affect ecosystems’ services and functions. Agroecosystem models can be used to quantify impacts of cropland use across various temporal and spatial scales, but global assessments are hampered by the limited availability of land management data and of knowledge regarding associated biophysical and biogeochemical processes and functions. The objective of the thesis is to increase the understanding of agricultural management data requirements and implications for their usages in global modeling studies. Further, the thesis aims to identify types, spatial distribution, as well as to estimate impacts, and potentials of cropland management practices to support sustainable development. In the first study, it was assessed in which way the application of different harvested crop area datasets for the national and global aggregation of modeled crop yield outputs from the grid cell to country and global scale, induces average uncertainty of ~10 % to the results. The second study presents a global classification of six soil management systems whereas the derived mapping and characteristics can be used for parameterization across a range of intensity levels in global land use modeling studies. In the third study different cropland management practices were assessed using LPJml5.0-tillage-cc, with a modified code for the representation of cover crops growing as grass on cropland between two consecutive main crop growing seasons. The thesis’ findings reveal potential and trade-offs of land management practices and their impact assessment using global agroecosystem models.