Automatische Melksysteme (AMS) sind in weiten Teilen Europas bereits sehr verbreitet und werden von verschiedenen Herstellern weltweit angeboten. Die Gewährleistung einer hohen Milchqualität ist eine der Hauptanforderungen beim Übergang vom konventionellen zum automatischen Melken. Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss des mechanischen Stresses, der durch mehrere AMS-Elemente induziert wird, auf die Milchqualität zu untersuchen. Dafür wurden zwei Labor-Melkstände (LMP) mit den melktechnischen Hauptkomponenten zweier AMS entwickelt und die Versuche unter standardisierten Laborbedingungen durchgeführt. Für die Analyse der Effekte einzelner technischer Komponenten oder Einstellungen wurden verschiedene Modifikationen vorgenommen, die zum Teil von den realen Einsatzbedingungen in der Praxis abweichen. Zur Bewertung der Milchqualität wurden folgende Merkmale herangezogen: freie Fettsäuren (FFA), Fett-, Eiweiß-, Laktose- und Harnstoffgehalt, Zellzahl, pH, und Gefrierpunkt. Für einen Teil der Untersuchungen konnte darüber hinaus auch das Fettsäureprofil in der Milch analysiert werden. Der Einfluss der folgenden Komponenten wurde analysiert: Das Pulsationsverhältnis, LMP, die Melkbecher, die Auslegung der LMP-Technik, und die Durchflussrate. Allgemeine Korrelationen zwischen einzelnen technischen Elementen und der Milchqualität festgestellt, signifikante Ergebnisse wurden eindeutig beim FFA- und Fettgehalt beobachtet. Die seit einiger Zeit routinemäßig bestimmbaren Fettsäureprofile bieten einen aussichtsreichen Ansatz für Ursache-Wirkung-Analysen in neuer Qualität. Die nachgewiesenen Signifikanzen in den Änderungen von Eiweiß- und Laktosegehalt sowie des Gefrierpunktes bedürfen tiefergehender Betrachtungen und kausaler Analysen. Insgesamt wurde deutlich, dass mechanische Belastungen von Milch bereits auf dem Weg vom Kuheuter zum Milchsammeltank zu Veränderungen chemischer und physikalischer Produkteigenschaften führen, auch wenn hier unter Laborbedingungen gearbeitet wurde. / Automatic milking systems (AMS) have been common in large parts of Europe and are offered by various manufacturers worldwide. Ensuring high milk quality is one of the primary requirements when transition from conventional milking to AMS. The aim of the present thesis was to investigate whether the mechanical stress induced by multiple AMS elements and settings affect the parameters of cow milk. To this end, two laboratory milking parlors (LMP) were developed to imitate an actual AMS. Under standardized laboratory conditions, the main milking technical components were installed by two different AMS companies for the analysis of the effects of single technical elements or settings on milk parameters. The following parameters were used to evaluate milk quality: free fatty acids (FFA), fat, protein, lactose, urea, somatic cell count (SCC), pH, and freezing point (FP). For some of the investigations, the milk fatty acid profile (MFAP) was also analyzed. The influence of following components: pulsation ratio, LMP, teat cup, the layout of the LMP technique, and flow rate was analysed. General correlations were identified between singular technical elements and milk quality, significant results were observed clearly on FFA and fat content. Milk fatty acid profiles (MFAP) have been routinely determinable for some time now and can offer an interesting approach for cause-and-effect analyses of a new quality. The demonstrated significances in the changes of protein and lactose content as well as freezing point require deeper consideration and causal analysis. Overall, it became clear that mechanical stresses on milk already lead to changes in chemical and physical product properties on the way from the cow's udder to the milk collection tank, even if the work was carried out under laboratory conditions.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Lichtbedingungen auf den Ertrag und die nutritive Qualität der Versuchspflanze Persicaria odorata untersucht. Die Experimente wurden unter praxisnahen Bedingungen im Gewächshaus (Sonnenlicht) und Klimakammern (Dreiband-Leuchtstoffröhren) unter Berücksichtigung eines breiten Inhaltsstoffspektrums, mehreren Versuchsreihen, Lichtmodifizierungen anhand von Zusatzbestrahlungen mit LEDs und Überdeckungen mit photoselektiven Folien sowie dem Anwenden verschiedener statistischer Auswertungsverfahren durchgeführt. Die Tageslichtsumme beeinflusste das Pflanzenwachstum positiv. Beispielsweise wurde die Frischmasse bei einem Anstieg der Tageslichtsumme um 1% mit gleichbleibender spektralen Lichtzusammensetzung um 0,96% (Gewächshaus) bzw. 0,64% (Klimakammer) erhöht. Versuche mit monochromatischen LEDs zeigten, dass spektralbereichsabhängige Erhöhungen der Tageslichtsumme die Biomassesteigerungen verstärkten. Den deutlichsten Effekt im Hinblick auf die Frischmassebildung hatte das kurzwellige Blaulicht (443 nm). Bezüglich der Inhaltsstoffe zeigte insbesondere das kurzwellige Grünlicht (515 nm) einen positiven Effekt. Dieser Spektralbereich wird jedoch durch die traditionell in Gewächshäusern eingesetzten Natriumhochdrucklampen kaum emittiert. Auch sind die bisher häufig eingesetzten Bestrahlungen mit Blau- und Rotlicht in kontrollierten Anbausystemen zwar wichtig für den Aufbau von Biomasse, jedoch nicht optimal im Hinblick auf den Nährwert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Belichtung im Gartenbau sorgfältig ausgewählt werden sollte, jedoch während strahlungsschwachen Monaten eine effektive Möglichkeit ist, den Ertrag und die nutritive Qualität von P. odorata deutlich erhöhten. Durch Modifikationen der Lichtbedingungen ist es möglich den Ertrag und Nährwert pflanzlicher Erzeugnisse zu steigern und dadurch die Versorgungslage mit gesundheitsfördernden bzw. essentiellen pflanzlichen Inhaltsstoffen zu verbessern. / This thesis examined the impact of light conditions on the nutritive quality of the test plant Persicaria odorata. Experiments took place in a greenhouse (sunlight) and climate chamber (fluorescent tube) and under consideration of a wide range of nutritive compounds, several test series, different light modifications and the use of various statistically evaluation procedures. This thesis demonstrates that varying light conditions increase nutritive value and yield under realistic conditions. Increasing the day light integral by 1% improved the fresh mass of 0,96% (greenhouse) and 0,64% (climate chamber). Experiments with monochromatic LEDs proved a high increase of biomass by spectral range dependent enhancements of the day light integral. For example, in the greenhouse, fresh mass was mostly affected by short wave blue radiation (443 nm). Additionally, the day light integral influenced the accumulation of nutrients. Higher contents of polyphenols and flavonoids in the climate chamber and the reactions on additional monochromatic LEDs proved again that it is more effective to increase day light integral by a specific enhancement of certain spectral ranges. The highest increases were achieved by supplementing spectral ranges that are not included in the emission spectrum of commonly used high pressure sodium lamps. Results also indicate that controlled agriculture’s frequently used lighting systems which emit blue and red light can improve plant growth, but it is not optimal regarding the nutritive quality. Adding short wave green light (515 nm) could increase biomass and improve the nutritive quality considerably. This thesis demonstrates that additional lighting in horticulture is an effective method to improve yield and nutritive quality of herbal vegetables in light deprived northern regions. By altering the emission spectrum of traditional artificial lighting systems, it is possible to increase yield and simultaneously improve the nutritive value of vegetables.

Simulationsmodelle sind ein etabliertes Instrument zur Analyse von Auswirkungen exogener Schocks in komplexen Systemen. Die in jüngster Zeit gestiegene verfügbare Rechenleistung und -geschwindigkeit hat die Entwicklung detaillierterer und komplexerer Simulationsmodelle befördert. Dieser Trend hat jedoch Bedenken hinsichtlich der Unsicherheit solcher Modellergebnisse aufgeworfen und daher viele Nutzer von Simulationsmodellen dazu motiviert, Unsicherheiten in ihren Simulationen zu integrieren. Eine Möglichkeit dies systematisch zu tun besteht darin, stochastische Elemente in die Modellgleichungen zu integrieren, wodurch das jeweilige Modell zu einem Problem (mehrfacher) numerischer Integrationen wird. Da es für solche Probleme meist keine analytischen Lösungen gibt, werden numerische Approximationsmethoden genutzt. Die derzeit zur Quantifizierung von Unsicherheiten in Simulationsmodellen genutzt en Techniken, sind entweder rechenaufwändig (Monte Carlo [MC] -basierte Methoden) oder liefern Ergebnisse von heterogener Qualität (Gauß-Quadraturen [GQs]). In Anbetracht der Bedeutung von effizienten Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheit im Zeitalter von „big data“ ist es das Ziel dieser Doktorthesis, Methoden zu entwickeln, die die Näherungsfehler von GQs verringern und diese Methoden einer breiteren Forschungsgemeinschaft zugänglich machen. Zu diesem Zweck werden zwei neuartige Methoden zur Quantifizierung von Unsicherheiten entwickelt und in vier verschiedene, große partielle und allgemeine Gleichgewichtsmodelle integriert, die sich mit Agrarumweltfragen befassen. Diese Arbeit liefert methodische Entwicklungen und ist von hoher Relevanz für angewandte Simulationsmodellierer. Obwohl die Methoden in großen Simulationsmodellen für Agrarumweltfragen entwickelt und getestet werden, sind sie nicht durch Modelltyp oder Anwendungsgebiet beschränkt, sondern können ebenso in anderen Zusammenhängen angewandt werden. / Simulation models are an established tool for assessing the impacts of exogenous shocks in complex systems. Recent increases in available computational power and speed have led to simulation models with increased levels of detail and complexity. However, this trend has raised concerns regarding the uncertainty of such model results and therefore motivated many users of simulation models to consider uncertainty in their simulations. One way is to integrate stochastic elements into the model equations, thus turning the model into a problem of (multiple) numerical integration. As, in most cases, such problems do not have analytical solutions, numerical approximation methods are applied. The uncertainty quantification techniques currently used in simulation models are either computational expensive (Monte Carlo [MC]-based methods) or produce results of varying quality (Gaussian quadratures [GQs]). Considering the importance of efficient uncertainty quantification methods in the era of big data, this thesis aims to develop methods that decrease the approximation errors of GQs and make these methods accessible to the wider research community. For this purpose, two novel uncertainty quantification methods are developed and integrated into four different large-scale partial and general equilibrium models addressing agro-environmental issues. This thesis provides method developments and is of high relevance for applied simulation modelers who struggle to apply computationally burdensome stochastic modeling methods. Although the methods are developed and tested in large-scale simulation models addressing agricultural issues, they are not restricted to a model type or field of application.

Die Studie erforscht institutionalle Arrangements, die auf eine Privatisierung des Agrarlands in der Republik Georgien abzielen, deren Formalisierung der Eigentumsrechte den letzten Schritt der Agrarreformen darstellen, und speziell, wie sich die Durchsetzung des Rechts auf Privateigentum entwickelt hat. Laut Schätzungen ist bisher nur ca. ein Drittel des Landes registriert. Das Ziel der Analyse dient dem Verständnis, wie sich politische Reformen, die eine Privatisierung des Agrarlands beabsichtigen, auf den Landbesitz allgemein und die Agrarproduktion im Besonderen auswirken. Anhand von zwei der führenden landwirtschaftlichen Exportprodukte – Haselnuss und Wein –, verfolgt die Studie methodologisch einen abduktiven Forschungsansatz, der von Triangulation geleitet ist. Die Ergebnisse basieren auf einer Umfrage, Fokusgruppen-Interviews mit Agrarproduzenten sowie Interviews mit Leitern verarbeitender Betriebe, Repräsentanten der Regierung sowie Experten. Die Ergebnisse zeigen einerseits, dass Nutzungs- und später Eigentumsrechte konstant kraft einer ‚property rule’ durchgesetzt wurden, und somit einen Status quo gesichert haben, der besonders die Mitglieder ehemaliger einflussreicher (lokaler) Regierungskreise begünstigt hat; demgegenüber haben die Reformen kontinuierlich Unsicherheit unter der Landbevölkerung erzeugt – indem die Durchsetzung privater Eigentumsrechte von einer ‚property rule’ hin zu einer ‚liability rule’ verändert worden ist –, während die erforderlichen Kosten zur (Wieder-)Erlangung der Besitzansprüche zunehmend den ehemaligen Rechtsinhabern aufgebürdet worden ist. Die Ergebnisse lassen eine potentielle Umverteilung in Form konzentrierten Landbesitzes vermuten, während die Mehrheit der Betriebe künftig auf die Durchsetzung von Landnutzungsrechten vertrauen darf, um ihre Subsistenzwirtschaft fortzuführen. / This study focuses on the institutional change of agricultural land privatization in the Republic of Georgia, where the formalization of private property rights forms the last step of the agrarian land reforms, and specifically how people’s entitle-ment to land has been protected over time. It is estimated that so far only about a third of the land has been registered. The aim of the analysis is to understand how political reforms targeting land privatization have affected land ownership, and to show the effects on agricultural production. By focussing on two leading export products of Georgian agriculture – hazelnut and wine – the study methodologi-cally follows an abductive research strategy led by the principles of triangulation. It is based on survey data, focus groups interviews with agrarian producers as well as interviews with processors, government representatives and experts. The results reveal, on the one hand, that by constantly enforcing use and then owner-ship rights according to a property rule maintained a status-quo which has mainly favored former influential (local) government circles; in contrast, the reforms have persistently generated insecurity to rural neighborhoods – by changing the enforcement of people’s private ownership rights from a property rule to a liabil-ity rule –, while the emerging costs to (re-)claim ownership were increasingly shifted to the former right holders who can hardly raise the required financial means. The results suggest a re-distribution of land in the form of a rising concen-tration of land ownership, while the majority of agricultural producers may rely on the granting of use-rights to proceed with their subsistence farming in the fu-ture.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit drei relevanten Aufgabebereichen einer Zentralbank und untersucht die makroökonomische Prognose, die Analyse der Geldpolitik in einem makroökonomischen Modell und die Analyse des Währungssystems. Jedes dieser Phänomene wird mit Hilfe des passenden Modells nach Nichtlinearitäten untersucht. Der erste Teil der Dissertation zeigt, dass nichtlineare rekurrente neuronale Netze, eine Methode aus dem Bereich Maschinelles Lernen, die Standard-Methoden übertreffen können und präzise Vorhersagen der Inflation in 1 bis 12 Monaten liefern können. Der zweiter Teil analysiert eine nichtlineare Formulierung der monetären Taylor-Regel. Anhand der Schätzung eines nichtlinearen DSGE Modells wird gezeigt, dass die Taylor-Regel in den USA asymmetrisch ist. Die Zentralbank ergreift stärkere Maßnahmen, wenn die Inflation höher ist als die Zielinflation, und reagiert weniger wenn die Inflation niedriger als die Zielinflation ist. Gleicherweise ist die Reaktion der monetären Politik stärker bei zu geringem Produktionswachstum als bei zu hohem. Der dritte Teil der Dissertation formuliert ein theoretisches Modell, das für eine Analyse der digitalen dezentralen Währungen verwendet werden kann. Es werden die Bedingungen bestimmt, unter denen der Wettbewerb zwischen der Währung der Zentralbank und den digitalen Währungen einige Beschränkungen für die Geldpolitik darstellt. / This thesis addresses three topics that are relevant for the central bank policy design. It analyzes forecasting of the macroeconomic time series, accurate monetary policy formulation in a general equilibrium macroeconomic model and monitoring of the novel developments in the monetary system. All these issues are analyzed in a nonlinear framework with the help of a macroeconomic model. The first part of the thesis shows that nonlinear recurrent neural networks – a method from the machine learning literature – outperforms the usual benchmark forecasting models and delivers accurate inflation predictions for 1 to 12 months ahead. The second part of the thesis analyzes a nonlinear formulation of the Taylor rule. With the help of the nonlinear Bayesian estimation of a DSGE model it shows that the Taylor rule in the US is asymmetric. The central bank reacts stronger to inflation when it is above the target than when it is below the target. Similarly, the reaction to the output growth rate is stronger when the output growth is too weak than when it is too strong. The last part of the thesis develops a theoretical model that is suitable for the analysis of decentralized digital currencies. The model is used to derive the conditions, under which the competition between digital and fiat currencies imposes restrictions on the monetary policy design.

Allgemeine Gleichgewichtsmodelle (Computable General Equilibrium (CGE) models) werden oft genutzt, um Erkenntnisse über die gesamtwirtschaftlichen Auswirkungen bildungspolitischer Maßnahmen zu gewinnen. Eine Literaturrecherche zur Integration des Bildungs- und Ausbildungssystems in CGE-Modellen zeigt klare Limitationen bisheriger Studien bezüglich der Darstellung des Bildungs- und Ausbildungssystems und identifiziert damit eine wichtige Forschungslücke, der sich diese Dissertation widmet. Vor diesem Hintergrund ist das Hauptziel dieser Dissertation die Entwicklung eines neuartigen Ansatzes zur Einbeziehung der anerkannten Bildungs- und Berufsbildungssysteme in CGE-Modellen, einschließlich aller potenziellen Verbindungen zwischen diesen beiden Systemen. Das entwickelte Modell ermöglicht die Akkumulation von Arbeitskräften entsprechend der Veränderungen der Anzahl der Absolventen und Schulabbrecher eines integrierten Bildungs- und Ausbildungssystems. Es handelt sich um ein rekursiv-dynamisches Ein-Land-CGE-Modell (STAGE-Edu), das die mittel- bis langfristigen gesamtwirtschaftlichen Effekte verschiedener Bildungs- und Ausbildungspolitiken abbildet. Der Sudan gehört zu den Ländern der unteren mittleren Einkommensklasse, die bezüglich der Förderung der menschlichen Entwicklung vor zahlreichen Herausforderungen stehen. Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Dissertation verschiedene bildungspolitische Maßnahmen analysiert und deren Auswirkungen auf das Wirtschaftswachstum und die Humankapitalbildung im Sudan bewertet. Der entwickelte Modellierungsrahmen leistet einen wichtigen Beitrag zur gesamtwirtschaftlichen Darstellung der durch Bildung und Ausbildung bewirkten menschlichen Entwicklung sowie der drauf abzielenden politischen Maßnahmen. STAGE-Edu bietet politischen Entscheidungsträgern ex-ante Erkenntnisse bezüglich der potenziellen Auswirkungen von Maßnahmen zur Verbesserung der Arbeitsqualifikation und letztlich zur Erhöhung des Lebensstandards der Bevölkerung. / Computable General Equilibrium (CGE) models have been widely used to generate insights into the economy-wide implications of education policy measures. A literature review on incorporating the education and training system in CGE models reveals explicit limitations of previous studies depicting vocational education and training system, hence, identifying a significant research gap, which shall be addressed in this dissertation. Against this background, the main objective of this dissertation is to develop a novel approach to incorporate the acknowledged education and vocational training systems in CGE models, including all potential exiting bridges between these two systems. The developed model enables labor force accumulation according to changes in the number of graduates and dropouts from an integrated education and training system. It is a recursive-dynamic single-country CGE model (STAGE-Edu), which depicts the medium- to long-run economy-wide effects of various education and training policies. The Sudan is one of the lower-middle-income countries that face numerous challenges in accelerating human development. For this reason, in the dissertation at hand different education and training policy measures are analyzed and their implications on economic growth and human capital accumulation in the Sudan are assessed. The developed modeling framework contributes to the field of economy-wide depiction of human development triggered by education and training as well as related policy measures. STAGE-Edu provides policymakers with ex-ante insights on potential impacts of measures for enhancing labor skills and ultimately for improving the livelihood of the population.

Bioporen werden von Regenwürmern und Pfahlwurzeln geformt und gelten als präferentieller Weg für das Wurzelwachstum in tiefere Bodenbereiche. Jedoch ist bislang unklar, ob dem bioporennahen Unterboden eine besondere Funktion für das Wurzelwachstum, die Nährstoffakquise und den Zugang in den bulk-Boden zukommt. In diesem Bereich fehlt es an einer Quantifizierung von Wurzelwachstum und die Messung von Wurzelaktivität. Mit speziell angefertigtem Beprobungswerkzeug wurde der bioporennahe Unterboden großlumiger, nahezu vertikal verlaufender Bioporen (Durchmesser >5 mm) in kleinteiligen Abständen in 0-2, 2-4 und 4-8 mm auf die Wurzellänge [cm], den Wurzeldurchmesser [mm], die Gesamt-C- und -N-Gehalte [%] (Ct, Nt) sowie den pH-Wert untersucht. Neben der Untersuchung von Bioporen im Feld wurde in Gefäßversuchen der Einfluss des Regenwurms und der Pfahlwurzel auf das Wurzelwachstum separat betrachtet. Für die Untersuchungen wurden Sommergerste, Sommerraps und Ackerbohne eingesetzt zur Abbildung verschiedener Wurzelsysteme. Die Ergebnisse zeigten einen deutlich ausgeprägten lateral abnehmenden Gradienten der Ct- und Nt-Gehalte im Feldversuch. In den Gefäßversuchen gab es keine Unterschiede zwischen den Bioporentypen in den Ct- und Nt-Gehalten. Die Wurzeln wuchsen hauptsächlich im Bioporenlumen und in 0-2 mm, geringer in 2-4 und 4-8 mm des bioporennahen Unterbodens. Der pH-Wert war in der Wurmpore höher als im bulk-Boden. Sommerraps und Ackerbohne zeigten anhand Wurzel-induzierter pH-Wertänderung eine deutliche Stoffwechselaktivität in der Wurzelprägung, während in der Wurmprägung keine signifikante pH-Wertveränderung für die drei Kulturarten sichtbar wurde. Die verminderte laterale Wurzelausdehnung im bioporennahen Unterboden deutet auf ein begrenztes Potenzial der Bioporen als Zugangsweg zum Explorieren des bulk-Bodens hin. Ein erhöhtes Wurzelwachstum in den ersten 2 mm des bioporennahen Unterbodens weist auf eine Verankerung der Wurzeln und eine Nährstoffaufnahme hin. / Biopores are formed by earthworms and taproots and are considered a preferential pathway for root growth into deeper soil layers. However, it is unclear to date whether the biopore sheath has a specific function for root growth, nutrient acquisition and access into the bulk soil. There is a lack of literature on the quantitative measurement of root growth and the measurement of actual root activity in the biopore sheath. Using sampling tools specially made for this type of investigation, the biopore sheath of large-sized, nearly-vertical biopores (diameter >5 mm) were sampled at small-scale intervals in 0-2, 2-4 and 4-8 mm and analyzed for root length [cm], root diameter [mm], total C- and N-contents [%] (Ct, Nt), and pH. In addition to the study of biopores in the field, the influence of earthworm or taproot on root growth was considered separately in pot experiments. Spring barley, spring oilseed rape and faba bean were used for the investigations in order to be able to map different root systems. The results showed a clearly pronounced laterally decreasing gradient of Ct- and Nt-contents in the field experiment. There were no differences between the biopore types in Ct- and Nt-contents in the pot experiments. Roots grew mainly in the biopore and in 0-2 mm, less in 2-4 and 4-8 mm of the biopore sheath. The pH value was higher in the worm type biopore than in the bulk soil. Based on root-induced pH change, spring oilseed rape and faba bean showed significant metabolic activity in root type biopore, while no significant pH change was found in worm type for the three crop species. The laterally decreasing root elongation from biopore surface towards bulk soil is pointing towards a limited potential of biopores as an access path to explore the bulk soil. Increased root growth in the first 2 mm of the biopore sheath indicates root anchorage and nutrient uptake.

Das deklarative Gedächtnis beruht auf Wechselwirkungen zwischen dem medialen Temporallappens (MTL) und Neokortex. Aufgrund der verteilten Natur neokortikaler Netzwerke bleiben zelluläre Ziele und Mechanismen der Gedächtnisbildung im Neokortex jedoch schwer fassbar. Im sechsschichtigen Säugetier-Neokortex konvergieren die Top-Down-Inputs auf Schicht 1 (L1). Wir untersuchten, wie Top-Down-Inputs von MTL die neokortikale Aktivität während der Gedächtnisbildung modulieren. Wir haben zunächst ein Kortex- und Hippocampus-abhängiges Lernparadigma angepasst, in dem Tiere gelernt haben, direkte kortikale Mikrostimulation und Belohnung zu assoziieren. Neuronen in den tiefen Schichten des perirhinalen Kortex lieferten monosynaptische Eingaben in L1 des primären somatosensorischen Kortex (S1), wo die Mikrostimulation vorgestellt wurde. Die chemogenetische Unterdrückung der perirhinalen Inputs in L1 von S1 störte die Gedächtnisbildung, hatte jedoch keinen Einfluss auf die Leistung der Tiere nach abgeschlossenem Lernen. Dem Lernen folgte das Auftreten einer klaren Subpopulation von Pyramidenneuronen der Schicht 5 (L5), die durch hochfrequentes Burst-Feuern gekennzeichnet war und durch Blockieren der perirhinalen Inputs zu L1 reduziert werden konnte. Interessanterweise zeigte ein ähnlicher Anteil an apikalen Dendriten von L5-Pyramidenneuronen ebenfalls eine signifikant erhöhte Ca2+-Aktivität während des Gedächtnisabrufs bei Expertentieren. Wichtig ist, dass die Störung der dendritischen Ca2+-Aktivität das Lernen beeinträchtigte, was darauf hindeutet, dass apikale Dendriten von L5-Pyramidenneuronen eine entscheidende Rolle bei der Bildung des neokortikalen Gedächtnisses spielen. Wir schließen daraus, dass MTL-Eingaben das Lernen über einen perirhinalen vermittelten Gating-Prozess in L1 steuern, der sich in einer erhöhten dendritischen Ca2+-Aktivität und einem Burst-Firing in pyramidalen L5-Neuronen manifestiert. / Declarative memory relies on interactions between the medial temporal lobe (MTL) and neocortex. However, due the distributed nature of neocortical networks, cellular targets and mechanisms of memory formation in the neocortex remain elusive. In the six-layered mammalian neocortex, top-down inputs converge on its outermost layer, layer 1 (L1). We examined how layer-specific top-down inputs from MTL modulate neocortical activity during memory formation. We first adapted a cortical- and hippocampal-dependent learning paradigm, in which animals learned to associate direct cortical microstimulation and reward, and characterized the learning behavior of rats and mice. We next showed that neurons in the deep layers of the perirhinal cortex not only provide monosynaptic inputs to L1 of the primary somatosensory cortex (S1), where microstimulation was presented, but also actively reflect the behavioral outcome. Chemogenetic suppression of perirhinal inputs to L1 of S1 disrupted early memory formation but did not affect animals’ performance after learning. The learning was followed by an emergence of a distinct subpopulation of layer 5 (L5) pyramidal neurons characterized by high-frequency burst firing, which could be reduced by blocking perirhinal inputs to L1. Interestingly, a similar proportion of apical dendrites (~10%) of L5 pyramidal neurons also displayed significantly enhanced calcium (Ca2+) activity during memory retrieval in expert animals. Importantly, disrupting dendritic Ca2+ activity impaired learning, suggesting that apical dendrites of L5 pyramidal neurons have a critical role in neocortical memory formation. Taken together, these results suggest that MTL inputs control learning via a perirhinal-mediated gating process in L1, manifested by elevated dendritic Ca2+ activity and burst firing in L5 pyramidal neurons. The present study provides insights into cellular mechanisms of learning and memory representations in the neocortex.

Um das 1,5°C Ziel zu verhindern, müssen bis 2020 die globalen anthropogenen CO2 Emissionen Sektor-übergreifend ihren Spitzenwert erreichen und bis 2050 auf Netto-Null-Emissionen sinken. Der AFOLU Sektor hat einen Anteil von 23% an den globalen Treibhausgasemissionen (THGE). Neben der Möglichkeit THGE zu vermeiden, bietet die Implementierung von Klimaschutzmitigation auch Synergien um die Ernährungssicherheit, Nährstoff- und Wassereffizienz zu verbessern sowie Landdegradation umzukehren. Eine kritische Bedeutung hat die Abholzung von tropischen Waldflächen durch die mehr als ein Drittel der Emissionen im Bereich des AFOLU entsteht. Vor diesem Hintergrund werden vorliegend, mit Fokus auf die Abholzung in der tropischen Zone, die indirekten Auslöser der THGE innerhalb des AFOLU untersucht. Diese Auslöser werden zunächst auf einer globalen Skala analysiert, wobei die Rolle der Variabilität von Preisveränderungen international gehandelter Waren und weiterer sozio-ökonomischer Indikatoren auf regionale Waldumwandlungsprozesse betrachtet wird. Anschließend analysiert diese Arbeit den Aspekt des Waldverlustes im Zusammenhang mit politischer Instabilität und bewaffneten Konflikten. Zudem werden regionale Lösungen zur Mitigation in weiteren Sektoren adressiert. Insbesondere wird die Möglichkeit zur THGE-Einsparung in silvopastoralen Systemen untersucht um das Zusammenspiel zwischen intensiver Viehbewirtschaftung und der Kohlenstofffixierung besser zu verstehen. Darüber hinaus werden regionale Lösungen mit Hilfe von Basisorganisationen bzw. gemeindebasierten Initiativen (CBI) zur THGE-Einsparung in den Bereichen Energie, Nahrungsmittel, Transport und Abfall erforscht. Diese Arbeit liefert vielfältige Beiträge zum Verständnis der indirekten Auslöser von Abholzung und den damit verbundenen THGE innerhalb der tropischen Zone, sowie zur Förderung lokaler Lösungen für die sektorübergreifende THG-Minderung. / Global anthropogenic CO2 emissions from different sectors must peak in 2020 and reach net zero by 2050 in order to reach the 1.5°C target. The AFOLU sector represents 23% of global greenhouse gas (GHG) emissions. In addition to its mitigation potential, the implementation of solutions in this sector also holds the synergistic potential of enhancing climate change adaptation, improving food security, nutrient and water efficiency, and reverting land degradation. Tropical deforestation is of particular importance within the AFOLU sector, representing over a third of its emissions. Against this backdrop, this thesis examines the underlying drivers of GHG emissions in the AFOLU sector, with a particular emphasis on tropical deforestation. These drivers are explored, firstly, at a global scale by addressing the role that changes in price of internationally-traded commodity products and other socio-economic variables exert on regional forest conversion. Secondly, this work examines the relationship between tree cover loss and a very under-researched driver of tropical deforestation, namely extreme political instability and armed conflict. Motivated by the urgency of climate change impacts, this thesis also explores local solutions for climate change mitigation across different sectors. In particular, the GHG mitigation role of silvopastoral systems, a type of agroforestry system, is examined to further understand the interplay between livestock intensification and carbon sequestration. In addition, more broad, local-scale solutions are examined across the energy, food, transport, and waste sectors by addressing the GHG mitigation potential of grassroots organizations, also known as community-based initiatives (CBIs). This thesis provides manifold contributions, not only to further understand some of the underlying drivers of deforestation and associated GHG emissions in the tropics, but also towards the advancement of local solutions for GHG mitigation across sectors.

Die Arbeit liefert ein umfassendes Verständnis der (1) Auswirkungen auf Landnutzung und Treibhausgas (THG)-emissionen im Zusammenhang mit der deutschen Milchproduktion im Zeitraum von 2000 bis 2015 und bis 2030, (2) Unsicherheiten hinsichtlich der Bewertung der THG-emissionen der Milchproduktion und (3) Bewertung der Anwendbarkeit des zugrundeliegenden Modells für andere Länder als Deutschland. Landnutzung stellt die Anbaufläche von Futter für bestimmte Milchleistungen dar. Die Arbeit konzentrierte sich auf die Landnutzungsänderung zwischen Grün- und Ackerland durch Änderung der Milchkuhrationen. Ein Ökobilanz-Modell wurde entwickelt, um die Auswirkungen der Entwicklung der deutschen Milchproduktion und -leistung (typische Rationen unter deutschen Bedingungen) bis 2030 für drei Weidesysteme (ohne Weide, Halbtags- und Ganztagsweide) zu simulieren. THG-emissionen wurden für die gesamte Produktionskette berechnet, beginnend mit dem Pflanzenbau. Eingangsdaten für Ökobilanz-Studien von Lebensmitteln werden von Variabilität und Unsicherheiten beeinflusst. Ein systematischer Ansatz (Kombination aus lokaler und globaler Sensitivitätsanalyse) wurde verwendet, um wesentliche Eingangsparameter für die Bewertung der THG-emissionen der Milchproduktion zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden drei Rationen, welche die Weidesysteme im Jahr 2030 repräsentieren, ausgewählt. Die lokale Sensitivitätsanalyse diente der Identifikation der einflussreichsten Parameter, die globale der Identifikation der wichtigsten Parameter. Die USA dienen der Prüfung der Anwendbarkeit des Modells für andere Länder. Produktionssystem, verfügbare Daten und IPCC Tier-Methoden werden mit dem deutschen System und zugehörigen Daten verglichen. Diese Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse zur künftigen Intensivierung der Milchproduktion sowie zu Klimaschutzpotenzialen in Abhängigkeit der Fütterungsstrategie. Darüber hinaus trägt sie zur Verringerung der Unsicherheiten künftiger Studien zur Milchproduktion bei. / This thesis provides an comprehensive understanding of: (1) impacts on land use and greenhouse gas (GHG) emissions related to the German milk production in the period from 2000 to 2015 and further until 2030, (2) uncertainties with regard to the assessment of GHG emissions of milk production and (3) evaluation of applicability of the underlying life cycle assessment (LCA) model for countries other than Germany. Land use represents the acreage needed to provide sufficient feed for certain milk yields. This research focusses on land use change between grassland and cropland as an effect of changing dairy cow diets. A LCA model, which reflects typical dairy cow diets under German conditions, was developed to simulate the impact of the German development of milk production and yield until 2030 for three grazing systems (zero-, restricted and unrestricted grazing). GHG emissions have been calculated for the whole production chain, beginning with crops cultivation. Input parameter of LCA studies of food products are affected by variability and uncertainty. A systematic approach (combining local and global sensitivity analysis) was used to identify essential input parameters for the assessment of GHG emissions of milk production. Three diets representing the grazing systems in the year 2030 were selected for this purpose. Local sensitivity analysis was used to identify the most influential parameters, global sensitivity analysis was used to identify the parameters which are most important. The United States of America are taken as example to verify the applicability of the LCA model for other countries. Production system, available data, and IPCC tier methods were compared with the German system and data. This thesis provides important insights on future intensification of milk production along with climate change mitigation potentials depending on the feeding strategy. Moreover, it contributes to the reduction of uncertainties of future LCA studies of milk production.