Die Ergebnisse aus den beiden Dauerfeldversuchen verdeutlichen, dass die mineralische N Düngung wie erwartet den größten Einfluss auf die Höhe der THG Emissionen hat. Die höchsten THG Minderungspotenziale zeigten sich folglich in der Reduktion der mineralischen N Düngung, insbesondere wenn die N Düngung oberhalb des standortspezifischen Ertragsoptimums liegt. Die Anpassung der Fruchtfolge kann zur Erhöhung der Bodenkohlenstoff-Vorräte beitragen und letztendlich die THG Emissionen mindern, allerdings bedarf diese These weiterer Untersuchungen. Die Ergebnisse haben weiterhin gezeigt, dass mit dem Aufbau organischer Bodensubstanz durch Stalldung erhebliche Potenziale zur THG-Minderung verbunden sind. Je nach methodischem Ansatz zur Berücksichtigung von Bodenkohlenstoff-Veränderungen ergaben sich allerdings große Unterschiede in den THG-Bilanzen und letztendlich auch in den ermittelten THG-Minderungspotenzialen. Die Entwicklung eines einheitlichen wissenschaftlichen Verfahrens zur Berücksichtigung von Bodenkohlenstoff-Veränderungen wird deshalb empfohlen. Die Ergebnisse aus der Fallstudie haben gezeigt, dass die THG Minderung in der landwirtschaftlichen Praxis eine Veränderung der Ackerflächenverhältnisse erfordert. In diesem Zusammenhang ist der Anbau emissionsintensiver Fruchtarten mit einer intensiven mineralischen N Düngung wie beispielsweise Winterraps zu reduzieren und durch den Anbau emissionsarmer Fruchtarten zu ersetzen. Im untersuchten landwirtschaftlichen Betrieb erwiesen sich Mais mit organischer N Düngung sowie der Anbau von Leguminosen als besonders emissionsarm. In der vorliegenden Arbeit konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass ein positiver Beitrag der ackerbaulichen Bodennutzung zur THG Minderung nicht zwangsläufig mit höheren Kosten für den Landwirtschaftsbetrieb verbunden sein muss, wenn bei der betriebswirtschaftlichen Optimierung die THG Emissionen angebauter Fruchtarten berücksichtigt werden. / The aim of this study was to analyze the potential for reducing greenhouse gas (GHG) emissions in different land use systems on sandy soils in the Brandenburg region in Germany, based on two long-term field experiments at Thyrow and Groß Kreutz and an on farm case study. The calculations of the GHG balances are based on the LCA standard and the German emission report guidelines. There is currently no scientific consensus on how soil organic carbon changes are to be included in GHG balances. Therefore, different approaches to include soil organic carbon changes in GHG calculations from long-term field experiments were examined. The results of the long-term field experiments showed that mineral nitrogen fertilization had the greatest influence on GHG emissions. The reduction of mineral nitrogen fertilization consequently showed the biggest GHG reduction potential especially if nitrogen fertilization was above the local level. The adaptation of crop rotations may increase soil organic carbon content and thereby mitigate GHG emissions, but this hypothesis requires further research. An increase of soil organic carbon stocks by organic fertilization was shown for the use of farmyard manure. Although this had a high GHG reduction potential, there were large differences between the analytical approaches. This highlights the need to develop standardized scientific methods for assessing GHG emissions from cropping systems. The results of the case study showed that changing the proportions of different crop species can be used for GHG reduction. In particular, the reduction of crops with high mineral nitrogen demand, e.g. oilseed rape, and the substitution with crops having low GHG emissions is recommended. Maize, receiving high rates of organic fertilizer, as well as legumes showed low GHG emissions on the evaluated farm. Furthermore, this study elaborates the potential economic benefit for agricultural enterprises with regards to the correlation of GHG reduction and an optimized crop rotation.

Ziel der Arbeit ist die Gesamtbilanzierung der Treibhausgasemissionen eines Anbausystems unter Bewässerung auf einem Sandboden. Die dazu aufgestellte Treibhausgasbilanz basiert auf langjährigen Datenreihen zu Erträgen und Corg-Vorräten eines Dauerfeldversuchs sowie auf zweijährigen im Feldversuch durchgeführten N2O-Messungen. Die durchgeführten Untersuchungen zum Einfluss der Bewässerung auf die Corg-Vorräte zeigen, dass der Einsatz von mineralischem Stickstoffdünger und Bewässerung auf einem leichten Standort unter den klimatischen Bedingungen Nord-Ost-Deutschlands positive Effekte hat. Die N2O-Emissionen eines Sandbodens unter den klimatischen Bedingungen Brandenburgs sind sehr niedrig. Die Applikation von mineralischem Stickstoffdünger hat nur schwache und Bewässerung hat aufgrund der der hohen Bodendurchlüftung des Sandbodens keine Effekte auf die Höhe der N2O-Emissionen. Die direkten und indirekten Emissionen aus dem Maschinen- und Betriebsmitteleinsatz erhöhen sich bei Bewässerung und steigender Stickstoffdüngung deutlich. Bei den indirekten Treibhausgasemissionen nehmen die Emissionen der Herstellung des mineralischen Stickstoffdüngers einen bedeutenden Anteil der Gesamttreibhausgasemissionen ein. Bewässerung führt durch den erhöhten Dieselverbrauch hauptsächlich zu einer Erhöhung der direkten Emissionen. Unter Bewässerung kann jedoch ein Teil der Emissionen durch zunehmende Corg-Vorräte kompensiert werden. Somit sind in einigen Fällen die Gesamttreibhausgasemissionen pro Hektar bei Bewässerung geringer als ohne Bewässerung. Die aus Stickstoffdüngung und Bewässerung resultierenden Ertragserhöhungen führen dazu, dass die Gesamttreibhausgasemissionen bezogen auf die Ertragseinheit in den meisten bewässerten Varianten deutlich geringer sind als in den unbewässerten. Daraus lässt sich ableiten, dass Bewässerung auf einem Sandboden zu einer Verminderung der Treibhausgasemissionen beitragen kann. / The aim of this work is the estimation of the net greenhouse gas emissions by a greenhouse balance for an irrigated cropping system on a sandy soil in north-east Germany under various nitrogen fertilizer intensities. The balances are based on data of yields and SOC stocks of an irrigated long term field experiment as well as on results of N2O-measurements over two years. The results of the analysis of the long term response of irrigation and nitrogen fertilization have shown that irrigation and mineral nitrogen fertilization led to significant increases in yields and harvest residues. The increased carbon inputs from above ground harvest residues had positive effects on the SOC stocks. The results of N2O measurements indicated that N2O emissions from a sandy soil are very low. Mineral nitrogen fertilization had only marginal effects. Irrigation showed no effects on the amount of N2O emissions. On the one hand the analysis of the prepared greenhouse gas balances showed that irrigation and increased nitrogen fertilization lead to a strong increase of direct and indirect emissions from machinery and maintenance resource use. The indirect emissions of nitrogen fertilizer production took up a main part of the net greenhouse gas emissions. Irrigation mainly increased greenhouse gas emissions of fuel use and fuel production as well as the emissions of the machinery production. On the other hand the increasing SOC stocks especially in the fertilized variants under irrigation led to a compensation of a huge part of the additional emissions. Thus, in many cases the net greenhouse gas emissions per unit area was lower under irrigation. Due to the increased yields under irrigation the net greenhouse gas emissions per unit yield were lower than that under non-irrigated conditions.

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.

Stickstoffdüngung und Bodenbewirtschaftung sind die Hauptquellen für Treibhausgase aus Anbausystemen. Dennoch sind diese Maßnahmen in Ackerbaubetrieben unerlässlich. In Anbetracht der Notwendigkeit, rasch Maßnahmen gegen den Klimawandel zu ergreifen, ist es notwendig Minderungspotentiale und Kosten in diesen Betrieben zu ermitteln und vergleichen. Es wurden Fallstudien in den USA, in Brasilien und in Deutschland durchgeführt, wobei jeweils eine Kultur in jeder Region untersucht wurde. Wissenschaftliche Literatur und Fokusgruppen mit lokalen Experten wurden genutzt, um realistische Ergebnisse zu generieren, die den lokalen Kontext abbilden. Diese Arbeit zeigt, dass die Wirtschaftlichkeit der Minderungsstrategien von dem betrachteten Zeithorizont abhängt, der sich aus der Kohlenstoffdynamik im Boden ergibt. Kurzfristig bieten Strategien, die die Kohlenstoffbindung fördern, ein größeres Minderungspotenzial, was jedoch langfristig nicht zutrifft. Kurzfristig wurden in Brasilien und den USA die geringsten Minderungskosten durch die Optimierung der Stickstoffdüngung erreicht. Diese Kosten sind negativ, was bedeutet, dass die Anwendung dieser Strategien, nicht nur ihre Emissionen, sondern auch ihre Kosten senken würden. Weitere kosteneffiziente Strategien waren die Verringerung der Bodenbearbeitungsintensität und Zwischenfrüchte, die in allen Fällen mit vergleichbaren Minderungskosten durchführbar waren und die Kohlenstoffbindung fördern. Der Einsatz von Hemmstoffen schließlich, der in den USA und in Brasilien möglich war, hatte die höchsten Minderungskosten. Langfristig betrachtet stiegen die Minderungskosten von Strategien mit Kohlenstoffbindung an und waren ähnlich hoch oder höher als bei Strategien ohne Kohlenstoffbindung. Da in allen Fällen dieselbe Methodik angewandt wurde, sind die Ergebnisse vergleichbar. Darüber hinaus sind die Ergebnisse zwar spezifisch für den Kontext, in dem sie berechnet wurden, sie liefern jedoch Erkenntnisse für ähnliche Regionen. / Nitrogen fertilization and soil management are the main sources of greenhouse gases from cropping systems. Yet these operations are essential on arable farms. Considering the need to take quick action against climate change, it is necessary to understand which mitigation potentials and cost can be attained in these farms and how they compare. Case studies in the USA, Brazil and in Germany were conducted, assessing one crop in each region. Scientific literature and focus groups with local experts were used to generate realistic results which depict the local context. This thesis identified that the economics of the mitigation strategies depended on the time horizon considered, which results from the carbon dynamics in the soil. In the short term, strategies promoting carbon sequestration offer a larger mitigation potential, yet this is not valid in the long term. In the short term, the lowest mitigation costs were attained by optimizing the nitrogen rate, feasible in the USA and Brazil. These costs are indicated to be negative, implying that adopting the strategy would not only lower emissions, but also reduce their costs. The next most cost efficient strategies were the reduction of the tillage intensity and cover crops, which were feasible in all cases with comparable mitigation costs and promote carbon sequestration. Lastly, the adoption of inhibitors, feasible in the USA and in Brazil, had among the highest mitigation costs. Assuming the long term, the mitigation costs of strategies with carbon sequestration increased, becoming similar to or higher than strategies without carbon sequestration. By applying the same methodology in each case, the results are comparable. Moreover, while the findings are specific to the context in which they were calculated, they provide insights for similar regions.

Diese Arbeit ist ein Beitrag zur Entwicklung einer Strategie für die eine CO2 sparende zu- künftige Landwirtschaft, in der nur geringe Emissionen von Treibhausgasen entstehen, die Stromerzeugung vor Ort aus natürlichen Ressourcen erfolgt, eine maximale Ausnutzung der Sonnenenergie genutzt wird, und der Konflikt zwischen der Nutzung der verfügbaren Ressourcen für Nahrungsmittel und Treibstoff Produktion vermieden wird. Alle Versuche in der Arbeit wurden in den Jahren 2005 -2009 auf der Öko-Farm (TOSOLY) der UTA (Fundación para la Producción Agropecuaria Tropical Sostenible Capitulo Kolumbien - UTA) unter der Leitung von Dr. TR Preston (Präsident ) und MSc Lylian Rodríguez (Director) durchgeführt. / This thesis is a contribution to the strategy that should underpin all future farming systems: namely the need to “de-carbonize” the system, by reducing emissions of greenhouse gases, generating electricity locally from natural resources, making maximum use of solar energy and ensuring there is no conflict between use of available resources for both food and fuel production. All the experiments described in the thesis were carried out in the period 2005 -2009 at the ecological farm (TOSOLY) of the UTA Foundation (Fundación para la Producción Agropecuaria Tropical Sostenible Capitulo Colombia – UTA) of which the principals are Dr T R Preston (President) and MSc Lylian Rodríguez (Director).