Aufbauend auf dem agrarökonomischen, dynamischen Optimierungsmodell MAgPIE, zeigen die hier vorgestellten Forschungsergebnisse, dass die Governance-Leistung einen bedeutenden Einfluss auf den technologischen Fortschritt und das Wachstum der Flächenproduktivität hat, insbesondere für in der Entwicklung begriffene Regionen wie Lateinamerika, Afrika südlich der Sahara, Südasien und Südostasien. Dies wirkt sich wiederum auf die Landnutzungsdynamik aus, einschließlich der Ausdehnung von Ackerflächen und der Entwaldung. Neben Umweltauswirkungen beeinflusst die Governance-Leistung auch Lebensmittelpreise und das Handelsverhalten, und damit die Existenzgrundlagen vieler Menschen. Darüber hinaus legt die Dissertation nahe, dass sich das globale Produktivitätswachstum trotz unterschiedlicher sozioökonomischer Bedingungen wahrscheinlich fortsetzen wird. Die Größenordnung der Wachstumsrate unter den jeweiligen Bedingungen variiert jedoch, je nach verwendeten Produktivitätsindizes. Unterschiede in den sozioökonomischen Gegebenheiten führen zu einer Zunahme des Produktivitätswachstums im Ackerbau, was tiefgreifende Auswirkungen auf die Anbaufläche und die Lebensmittelpreise hat. Nicht zuletzt zeigen die Ergebnisse der Dissertation, dass die Liberalisierung des Agrarhandels negative Auswirkungen des Klimawandels auf das landwirtschaftliche Angebot abfedern kann, den Anstieg der Lebensmittelpreise im Zuge von erheblichen klimabedingten Ertragseinbußen begrenzen und die Ausdehnung der Anbauflächen im globalen Maßstab verringern kann. In bestimmten Regionen kann es aufgrund von veränderten Handelsmustern zu einer Ausdehnung der Anbauflächen kommen. In Zusammenschau der Ergebnisse aus den Einzelstudien vertieft die vorliegende Dissertation das Verständnis für potenzielle Zielkonflikte und Synergien von wirtschaftspolitischen Optionen, die darauf abzielen, die Produktionskapazitäten im landwirtschaftlichen Sektor der steigenden Nachfrage entsprechend auszubauen. / Building upon an agro-economic dynamic optimization model known as MAgPIE, this dissertation fseeks to enhance representation of the economic factors in the model. The research findings reveal that governance performance has a significant impact on technological progress and land productivity growth, especially for developing regions, such as Latin America, Sub-Saharan Africa, South Asia, and Southeast Asia. This, in turn, exerts impacts on land dynamics, including cropland expansion and deforestation. Aside from environmental impacts, governance performance affects livelihoods, as it influences food prices and trade patterns. Moreover, the dissertation suggests that global productivity growth is likely to continue, despite differences in possible socioeconomic conditions. However, the magnitude of the growth rate under each set of conditions will vary, according to different productivity indices. Differences in socioeconomic conditions lead to a spread in productivity growth in the crop sector, which will have profound implications for cropland expansion and food prices. Last but not least, the dissertation argues that liberalizing agricultural trade can buffer negative impacts from climate change on agricultural supply, limit increasing food prices in a scenario of high-end climate impacts on crop yields, and reduce cropland expansion on the global scale, though it may induce cropland expansion in certain regions due to changes in trade patterns. Synthesizing the findings from the individuals studies of which it is comprised, the dissertation is intended to enhance understanding of the trade-offs and synergies of economic options for agricultural outputs to keep pace with increasing demand and, thereby, contribute to the core discussion among agricultural economists on food production and its economic and environmental impacts.

Bodendegradation ist ein wachsendes Problem von Pakistan, die Biomasse Verlust verursacht und hat einen schlechten Einfluss auf die Wirtschaft des Landes. Nordöstlich von der Provinz Punjab, die berühmt für die Reisanbau ist, leidet auch mit diesem Problem. Zusammen mit einigen anderen Gründen, sind institutionelle Aufbau in den Regionen und der Landnutzungsänderungen der Hauptgründe für diesen Abbau. Obwohl das Land ist, die privaten Eigentümern, aber wegen der Störung der bestehenden Eigentumsrechte und die jüngste Stadterweiterung in der Region hat interfamiliären Konflikte zwischen Grundbesitzern im Zusammenhang mit Entfremdung Land provoziert. Diese Konflikte haben ein Potenzial von gefährden ländlichen Setup und der landwirtschaftlichen Produktion des Landes. Das Ziel der Studie ist es, diese Konflikte Ansatz, den Schwerpunkt auf die Notwendigkeit des institutionellen Wandels für die Nutzung von landwirtschaftlichen degradierten Flächen und mögliche Governance-Struktur für Land Umwandlung in Pakistan. Die Organe der Sustainability Framework von Hagedorn et al (2002) wird verwendet werden, und einige politische Empfehlungen gehen abgeleitet werden. / Land degradation is a growing problem of Pakistan, which causes biomass loss and has a bad effect on the economy of the country. Northeast of Punjab province, which is famous for the rice cultivation, is also suffering with this problem. Along with some other reasons, institutional setup in the regions and the land-use change are the main reasons of this degradation. Although the land is owned by private owners, but because of the malfunctioning of existing property rights and the recent urban expansion in region has provoked interfamily conflicts between landowners related to land alienation. These conflicts have a potential of jeopardising rural setup and agriculture production of the country. The aim of the study is to approach these conflicts, focus on the need of institutional change for the use of agricultural degraded lands and possible governance structure for land conversion in Pakistan. The Institutions of Sustainability Framework of Hagedorn et al (2002) will be employed and some policy recommendations are going to be derived

Eine der drängendsten Fragen des 21. Jahrhunderts ist die Sicherstellung der Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung unter Berücksichtigung zukünftiger klimatischer und umweltpolitischer Aspekte. In dieser Doktorarbeit werden die wichtigsten, für eine höhere Nahrungsmittelproduktion erforderlichen Prozesse, wie Intensivierung, Flächenausdehnung und Handel, sowie deren Interaktionen mit der Umwelt näher untersucht. Diese Prozesse fließen in das globale, ökonomische Landnutzungsmodell MAgPIE ("Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment") ein. Das Modell simuliert räumlich expliziten Landnutzungswandel und untersucht damit verbundene Vorgänge und Einflüsse, wie die landwirtschaftliche Produktion, internationaler Handel, Produktionskosten, Emissionen und Wassermangel. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Bedeutung des Wechselspiels zwischen Intensivierung und Flächenausdehnung. Regionen, wie Afrika, der Mittlere Osten, Südasien und China benötigen hohe Investitionen in technischen Fortschritt um der wachsenden Nachfrage standzuhalten. Zunehmende Handelsliberalisierung reduziert das Bedürfnis zur Produktivitätssteigerung mit Ausnahme von Lateinamerika, wo aufgrund komparativer Vorteile der Landwirtschaft höhere Produktivitätssteigerungen und stärkere Flächenausdehnungen beobachtet werden. Bezüglich drohenden Wassermangels hat eine Handelsöffnung in den meisten Fällen positive Auswirkungen, da wasserarme Regionen aufgrund vermehrter Importe Wasser sparen können. Dies trifft jedoch nicht auf Australien, Japan und Teile Zentralasiens zu, die durch erhöhte Exporte ihre knappen Wasserressourcen stärker beanspruchen. Die Einbindung von Regeln zum Waldschutz in einen globalen Emissionshandel könnte weitere Entwaldung verhindern. Gleichermaßen würde ein geringerer Konsum von tierischen Produkten in entwickelten Ländern zu einer geringeren Ausbeutung der Wasserressourcen in wasserknappen Gebieten führen. / One of the most prevailing questions in the 21st century is how to provide enough food for a growing population under increasing environmental and climatic constraints. In this thesis, I will examine the most important processes behind higher food production, like intensification, cropland expansion, and international trade, and its interaction with the environment. The processes are implemented in the global economic land use model MAgPIE ("Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment"), which simulates spatially-explicit land use and land use change. Moreover, it examines procedures related to agricultural production, trade, production costs, greenhouse gas emissions, and water scarcity. Results of the thesis reveal the importance of the interplay between intensification and cropland expansion. Countries in Africa, the Middle East and South and East Asia require high investments in technological change to cope with future demand. Trade liberalisation lowers required yield improvements but leads to additional deforestation, especially in Latin America due to comparative advantages in agriculture. In terms of water scarcity, an opening of trade has foremost positive implications since water-scarce regions can save water through imports. This does not hold for Australia, Japan, and Central Asia, which additionally strain their water resources due to higher exports. Appropriate policies on international level can diminish the impact on environment and climate. The inclusion of avoided deforestation into a global emission trading scheme would be able to prevent deforestation. Similarly, policies reducing the consumption of animal products in developed countries would lower the pressure on water resources in water-scarce regions.

Land ist eine begrenzte Ressource, und die steigende Nachfrage nach Lebensmitteln, Futtermitteln und Holz treibt den Wettbewerb zwischen verschiedenen Landnutzungsarten voran. Landnutzungsmodelle, die Landnutzungsmuster optimieren und negative Kompromisse zwischen verschiedenen Landnutzungen minimieren, können bei der Bewertung solcher Landkonkurrenzdynamiken helfen. Angesichts des langen Planungshorizonts der Forstwirtschaft ist die Modellierung der Dynamik des Forstsektors in einem einzigen Modell eine Herausforderung. Diese Dissertation zeigt, dass zwischen Land- und Forstwirtschaft auf feinen räumlichen Skalen (halbe Grad Gitterauflösung) ein Wettbewerb um Land besteht, und die Berücksichtigung eines dynamischen Forstsektors in einem rekursiven dynamischen Modell wie MAgPIE verbessert die Bewertung der Landnutzung und der damit verbundenen Emissionen. Die Speicherung von Kohlenstoff in seit langem bestehenden Infrastrukturen wie städtischen Gebäuden könnte eine zusätzliche Option zur Abschwächung des Klimawandels sein und gleichzeitig Hotspots der biologischen Vielfalt und Grenzwälder vor der Umwandlung in andere Landnutzungsformen schützen, zusätzlich zu den bereits gut verstandenen und quantifizierten landbasierten Abschwächungsoptionen. Auf diese Weise wird nicht nur Kohlenstoff über lange Zeiträume in den Holzstädten der Zukunft gespeichert, sondern es wird auch dazu beigetragen, Emissionen aus der Produktion von Zement und Stahl für den Bau von Infrastrukturen in der Zukunft zu vermeiden. Auf der COP26 wurde eine Erklärung zum Ende der Entwaldung bis 2030 abgegeben. Eine mögliche Politik zur Umsetzung dieser Erklärung vor Ort wäre das Verbot der Ausdehnung landwirtschaftlicher Flächen auf bewaldete Flächen. Dies würde bedeuten, dass nicht bewaldete Flächen in einem noch nie dagewesenen Ausmaß in landwirtschaftliche Flächen umgewandelt würden. / Land is a limited resource and the increasing demand for food, feed and timber drives competition between different land use types. Land-use models, which optimize land-use patterns and minimize negative trade-offs across land uses, can assist in assessing such land competition dynamics. Given the long planning horizon of forest management and competition for land with agriculture, modeling forestry sector dynamics in a single model is challenging. The Inclusion of a dynamic forest sector in the Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment (MAgPIE) helps in answering the overarching research question: What is the role of forestry in future land use? This dissertation shows that competition for land exists between agriculture and forestry on fine spatial scales (half degree grid resolution), and the consideration of a dynamic forestry sector in a recursive dynamic model like MAgPIE improves the assessment of land-use and its associated emissions. Understanding how production of roundwood influences the competition for land would help in quantifying how wood can be produced for timber cities of the future. Storing carbon in long-standing infrastructure like urban buildings could be an additional mitigation option, whilst protecting biodiversity hotspots and frontier forests from being converted to other land uses, on top of already well understood and quantified land-based mitigation options. This way, not only carbon is stored over long time spans in timber cities of the future, it also helps in avoiding emissions from production of cement and steel for construction of infrastructure in the future. Additionally, A declaration to end deforestation by 2030 was made at COP26. A potential policy implementing this declaration on the ground would be to prohibit the expansion of agricultural land into forested land. This would mean that non-forested land will be converted at unprecedented levels into agricultural land.

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.