Industrie 4.0 und aktuelle Entwicklungen in dem Bereich der produzierenden Unternehmen erfordern hohe Anpassungsleistungen von Menschen und von Maschinen gleichermaßen. In Smart Factories werden Produktionsmitarbeiter zu Wissensarbeitern. Dazu bedarf es neben neuen, intelligenten, technischen Lösungen auch neuer Ansätze für Arbeitsorganisation, Trainings- und Qualifizierungskonzepte, die mit adaptierbaren technischen Systemen flexibel zusammenarbeiten. Das durch die EU geförderte Projekt Factory2Fit entwickelt Lösungen für die Mensch-Technik-Interaktion in automatisierten Produktionssystemen, welche eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Fähigkeiten, Kompetenzen und Präferenzen der individuellen Mitarbeiter bieten und damit gleichzeitig den Herausforderungen einer höchst kundenindividuellen Produktion gewachsen sind. Im vorliegenden Beitrag werden die grundlegenden Ziele und Ideen des Projektes vorgestellt sowie die Ansätze des Quantified-self im Arbeitskontext, die adaptive Automatisierung inklusive der verschiedenen Level der Automation sowie die spezifische Anwendung des partizipatorischen Designs näher beleuchtet. In den nächsten Arbeitsschritten innerhalb des Projektes gilt es nun, diese Konzepte um- und einzusetzen sowie zu validieren. Die interdisziplinäre Arbeitsweise sowie der enge Kontakt zwischen Wissenschafts-, Entwicklungs- und Anwendungspartnern sollten dazu beitragen, den Herausforderungen bei der Realisierung erfolgreich zu begegnen und zukunftsträchtige Smart Factory-Lösungen zu implementieren. Das Projekt Factory2Fit wird im Rahmen von Horizon 2020, dem EU Rahmenprogramm für Forschung und Innovation (H2020/2014-2020), mit dem Förderkennzeichen 723277 gefördert.

Der Klimawandel ist auf regionaler Ebene nachweisbar. Zudem gehen Forschungsergebnisse davon aus, dass sich Ereignisse wie Überflutung und Starkregen regional differenziert zukünftig noch intensivieren werden. Bereits heute belegen Schadensmeldungen in der Region Dresden einen sich aus den klimatischen Veränderungen ergebenden Handlungsbedarf in Form von Anpassungsmaßnahmen auf Gebäudeebene. Deshalb sind die Hauptziele der vorliegenden Arbeit das Aufzeigen der Verletzbarkeit von Wohngebäuden und die Erarbeitung von Vorschlägen für entsprechende Ertüchtigungen. Als Datenbasis dient zum einen die baukonstruktive Analyse typischer Beispielgebäude der Region Dresden, welche gleichzeitig die wichtigsten Baualtersstufen abbilden. Dadurch können die in der Region hauptsächlich anzutreffenden baukonstruktiven Durchformungen, Nutzungen und Charakteristiken von Wohngebäuden abgedeckt werden. Dies dient als Grundlage zur Beurteilung der Verletzbarkeit und Anpassungsfähigkeit der wichtigsten Baukonstruktionen gegenüber den Einwirkungen Überflutung und Starkregen. Zum anderen dient als Datenbasis die Dokumentation, Analyse und Interpretation abgelaufener Schadensereignisse in Bezug auf Schadensbilder und Schadensmechanismen an Gebäuden und Baukonstruktionen. Innerhalb der Verletzbarkeitsanalyse gegenüber Überflutung führt die Beschreibung von Schadenstypen, Schadensbildern und Schadensmechanismen in die Erläuterung einer Methodik zur Abschätzung von Hochwasserschäden an Gebäuden. Diese wird in der Arbeit dazu verwendet, die spezifische Verletzbarkeit der einzelnen Beispielgebäude gegenüber der Einwirkung Überflutung mit Hilfe von Wasserstand-Schaden-Beziehungen zu ermitteln. Darauf aufbauend können nun Bereiche, welche aufgrund ihrer hohen Verletzbarkeit angepasst werden sollten, eingegrenzt werden. In der Folge werden beispielhaft bautechnisch mögliche Anpassungsmaßnahmen vorgestellt, am baukonstruktiven Detail gezeigt und ihre positiven Auswirkungen auf die Wasserstand-Schaden-Beziehungen beziehungsweise auf die Verringerung der Verletzbarkeit der Beispielgebäude dargestellt.

Seit Beginn der Industrialisierung ist ein starker Anstieg der anthropogenen Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre zu verzeichnen, der zu einer Veränderung des Klimas auf der Erde führt. Schon heute sind die Auswirkungen auf die Umwelt und zahlreiche Bereiche des täglichen Lebens zu beobachten. Diese werden sich mit fortschreitendem Klimawandel noch verstärken. Auch das Bauwesen muss sich auf die sich verändernden klimatischen Einwirkungen wie beispielsweise Sommerhitze, Überflutung, Starkregen, Hagel und Wind einstellen. Für keine der genannten klimatischen Einwirkungen ist das Änderungssignal in den Klimaprojektionen so eindeutig wie für die Sommerhitze. Aus diesem Grund wird der Handlungsbedarf beim sommerlichen Wärmeschutz als besonders hoch eingeschätzt. In den westlichen Industriestaaten halten sich Erwachsene während des Sommers circa 80 % der Zeit in Innenräumen auf. Deshalb ist das Innenraumklima von entscheidender Bedeutung für die Behaglichkeit, die geistige Leistungsfähigkeit und die Gesundheit des Menschen. Wie sich der Klimawandel auf die gebaute Umwelt in Deutschland auswirkt, ist weitestgehend unerforscht. Es ist zu klären, ob nur einzelne baukonstruktive Details, die heutigen Bemessungsregeln oder sogar grundsätzliche Entwurfsprinzipien für Gebäude überdacht werden müssen. Das Ziel der Arbeit ist, eine Untersuchungsmethodik zu entwickeln, mit der die Auswirkungen des bereits beobachteten und des zu erwartenden Klimawandels auf den sommerlichen Wärmeschutz bestehender Bürogebäude beurteilt werden können. Erst dadurch lässt sich ein etwaiger Handlungsbedarf objektiv feststellen und begründen. Ein weiteres wesentliches Ziel besteht darin, beispielhafte Anpassungsmaßnahmen in Abhängigkeit der jeweiligen Baukonstruktion zu entwickeln, mit denen auch in Zukunft die sommerliche Behaglichkeit in bestehenden Bürogebäuden sichergestellt werden kann. Von besonderem Interesse ist dabei die Frage, ob baukonstruktive Maßnahmen allein in Zukunft ausreichen können oder ob zusätzlich anlagentechnische Lösungen zur technischen Kühlung unumgänglich werden. Die entwickelten Anpassungsmaßnahmen sollen die Grundlage für Gebäudekonzepte und Fassadenkonstruktionen sein, welche auch bei fortschreitendem Klimawandel die Anforderungen an die Behaglichkeit und den sommerlichen Wärmeschutz erfüllen. Des Weiteren soll eine Methode zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Klimaanpassungsmaßnahmen aufgezeigt werden. Um untersuchen zu können, inwieweit die Verletzbarkeit infolge zunehmender Sommerhitze und der entsprechende Anpassungsbedarf von der Baukonstruktion abhängen, wurden drei Bürogebäude unterschiedlicher Baualtersstufen ausgewählt und mittels dynamisch-thermischer Gebäudesimulation analysiert. Die dynamisch-thermische Gebäudesimulation ist aktuell die detaillierteste Methode zur Beurteilung des sommerlichen Wärmeschutzes. Nur mit ihr können komplexe Gebäudekonzepte oder automatisierte Systeme ausreichend genau nachgebildet werden. Zur Abbildung des bereits stattgefundenen und des projizierten Klimawandels wurden fünf Klimadatensätze verwendet, mit denen der Klimawandel von der Mitte des 20. Jahrhunderts bis zum Ende des 21. Jahrhunderts dargestellt werden kann. Die Schwachpunkte der drei untersuchten Gebäude wurden analysiert und darauf aufbauend detaillierte Anpassungsvorschläge ausgearbeitet und wiederum über Simulationen bewertet. Umfangreiche Detailzeichnungen zu den angepassten Gebäudekonzepten und Fassadenkonstruktionen sollen eine Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis erleichtern. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, den durch diese Maßnahmen erzielten Nutzen in Geldeinheiten zu bewerten. Dadurch können Klimaanpassungsmaßnahmen einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung über Investitionsrechenverfahren zugeführt werden. / Since the beginning of industrialization, a large increase of anthropogenic greenhouse gas concentrations in the atmosphere has been detected. This increase is the main cause for the observed climate change. The impacts of climate change on the environment and numerous aspects of human lives have been visible and will become more and more threatening with ongoing climate change. Civil engineering has to deal with changing climate-related hazards such as summer heat, flooding, torrential rain, hail and storm. For none of the mentioned climatic impacts on buildings, the climate change signal is as unambiguous and robust as for summer heat. Thus, actions to protect from summer overheating are highly required. During summer, adults in the Western industrialized states spend about 80 % of their time indoors. Therefore, indoor climate is of essential importance for comfort, mental performance and human health. The impacts of climate change on the built environment in Germany are rarely investigated. It has to be determined whether the building construction details, current design regulations or the design principles have to be revised. This thesis aims to develop a research methodology, which evaluates the impacts of the observed and expected climate change on the protection against summer overheating of existing office buildings. Only thus a possible need for action can be objectively determined and justified. Another major objective is the development of exemplary adaptation measures for various building construction types to ensure the comfort in existing office buildings during summer. Of particular interest is the question if it will be sufficient in the future to use only passive measures or if it will be unavoidable to install technical cooling capacities. The developed adaptation measures should be the basis for building concepts and façade constructions that are able to guarantee high comfort and an improved protection against summer overheating. Furthermore, a method to evaluate the economic efficiency of adaptation measures is demonstrated. To investigate the relationship between building construction and vulnerability, three buildings of different construction year categories have been analyzed using dynamic thermal building simulations. At present, the dynamic thermal building simulation is the most detailed method for evaluating the protection against summer overheating. This is the only method which is able to reproduce complex building concepts and automated systems in sufficient detail. In order to demonstrate the impacts of the observed and projected climate change on buildings between the middle of the 20th century and the end of the 21st century, five climate datasets have been applied. The weak points of the three investigated buildings have been analyzed. Based on this, detailed adaptation measures have been developed and evaluated by thermal building simulations. Comprehensive drawings, which show the adapted building concepts and façade details, will facilitate the application in practice. Different possibilities are demonstrated to express the achieved benefit from the adaptation measures in monetary units. Therefore, adaptation measures can be assessed by investment calculations.

Gegenwärtige Infrastrukturen für verteilte Dienste und Anwendungen, insbesondere das Internet, entwickeln sich zunehmend zu mobilen verteilten Systemen. Durch die Integration drahtloser Netze, mobiler bzw. dedizierter Endgeräte und nicht zuletzt durch die Mobilität der Benutzer steigt die Heterogenität und Dynamik der Systeme hinsichtlich der eingesetzten Endgeräte, Kommunikationstechnologien sowie Benutzeranforderungen und Anwendungssituationen. Diese Eigenschaften sind mobilen Systemen inhärent und bleiben trotz der fortschreitenden Entwicklung der Technologien bestehen. Daraus resultieren spezifische Anforderungen an Anwendungen und Dienste, denen insbesondere die Softwareentwicklung Rechnung tragen muss. In der vorliegenden Arbeit wird die Adaptivität von Softwaresystemen als wesentlicher Lösungsansatz für mobile verteilte Infrastrukturen thematisiert. Dazu werden wesentliche Mechanismen zur Adaption sowie der Überschneidungsbereich von Adaptionsmechanismen, "Context-Awareness" und Softwareentwicklung untersucht. Ziel ist es, Erkenntnisse über Basismechanismen und Grundprinzipien der Adaption zu gewinnen und diese zur systematischen Entwicklung adaptiver Anwendungen auszunutzen. Aus der Analyse des State-of-the-Art werden als erstes wichtiges Ergebnis der Arbeit wesentliche Basismechanismen zur Adaption identifiziert, umfassend klassifiziert und hinsichtlich eines Einsatzes in mobilen verteilten Infrastrukturen bewertet. Auf dieser Grundlage wird ein Meta-Modell zur systematischen Entwicklung adaptiver Anwendungen erarbeitet. Dieses erlaubt die Beschreibung adaptiver Anwendungen durch die Komposition von Basismechanismen zur Struktur- und Parameteradaption. Die Steuerung der Adaption durch Kontext und Meta-Informationen kann explizit beschrieben werden. Das Meta-Modell kann Entwickler beim Entwurf adaptiver Anwendungen unterstützen, stellt aber auch einen Ausgangspunkt für deren Analyse und Validierung sowie zur Kodegenerierung dar. Durch die explizite Beschreibung der verwendeten Adaptionsmechanismen und deren Abhängigkeiten von Kontext können Anwendungsmodelle außerdem zur Dokumentation verwendet werden. Im Rahmen der Validierung konnte die Integrierbarkeit der Basismechanismen und die flexible Anwendbarkeit des Modells zur systematischen Entwicklung adaptiver Anwendungen nachgewiesen werden.

Sehnen übertragen die Muskelkräfte und ihre Eigenschaften beeinflussen unsere Bewegungsleistungen. Infolge mechanischer Belastungen adaptieren Sehnen. Die Effekte spezifischer Parameter des mechanischen Dehnungsstimulus sowie allgemeiner Belastungsbedingungen auf die Anpassung sind bisher ungeklärt und sollen durch die vorliegende Arbeit beleuchtet werden. Das adaptive Potential wurde durch einen Vergleich der Sehneneigenschaften zwischen beiden Beinen, in Bezug auf seitenabhängige Belastungen, experimentell untersucht. Um den Effekt verschiedener interventionsinduzierter Belastungen auf die Anpassung zu bestimmen, wurde ein systematischer Review nebst Metaanalyse durchgeführt. Der Einfluss spezifischer Parameter des Dehnungsstimulus (Rate und Dauer) wurde mittels zweier Trainingsinterventionen untersucht. Der Vergleich zwischen den Achillessehneneigenschaften des dominanten und nicht dominanten Beins zeigte einen signifikanten Unterschied des Young''s Modulus (Materialeigenschaften), mutmaßlich eine Folge seitenabhängiger Alltagsbelastungen. Die Metaanalyse ermittelte hohe Effektgrößen auf die mechanischen und Materialeigenschaften sowie eine niedrige Effektgröße auf die Morphologie, mit einem signifikanten Einfluss der unterschiedlichen Belastungen. Die beiden Interventionen belegten, dass eine hohe Rate der Dehnung und eine lange Dauer keinen übergeordneten Stimulus zur Sehnenanpassung im Vergleich zu einer hohen Magnitude und niedrigen Frequenz darstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass Materialeigenschaften sensitiver gegenüber Belastungsänderungen sind und im Vergleich zur Morphologie zeitiger adaptieren. Die Interventionsresultate lassen den Schluss zu, dass eine hohe Dehnungsmagnitude, eine adäquate Dauer und repetitive Belastung essentiell für einen effektiven Stimulus sind. Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse bezüglich einer Verbesserung von Sehneneigenschaften im Kontext der athletischen Leistung sowie Verletzungsprävention und -rehabilitation. / Tendons transmit the force exerted by a muscle and their properties influence human locomotor performance. Furthermore, tendons adapt to mechanical loading. The effect of specific parameters of the mechanical strain stimulus as well as general loading conditions on tendon adaptation is not completely understood and, therefore, the focus of research in the present thesis. Adaptive responses were investigated by means of a comparison of tendon properties between both legs to assess the effect of side-dependent loading pattern. A systematic review and meta-analysis was applied to examine the influence of various intervention-induced loading conditions on the magnitude of adaption. To investigate specific parameters of the mechanical strain stimulus (rate and duration), two controlled exercise interventions were conducted. The comparison of the Achilles tendon properties between the non-dominant and dominant leg revealed a significant difference of the Young''s modulus (i.e. material properties), likely a result of side-dependent daily loading pattern. The meta-analysis revealed high intervention effect sizes on the tendon mechanical and material properties and a low effect size on the morphology, with a notable effect of the various loading conditions. The two exercise interventions showed that a higher rate of strain and longer duration did not provide a superimposed effect for tendon adaptation compared to high magnitude and low frequency. The findings indicate that the material properties seem to be more sensitive and quicker in response to changes in the loading conditions compared to the morphological properties. The results of the two interventions suggest that a high strain magnitude, an appropriate strain duration and repetitive loading are essential for an effective stimulus. These findings provide valuable information with regard to the improvement of tendon properties in the context of athletic performance as well as injury prevention and rehabilitation.

Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es, die Auswirkungen des Eindringens von Salzwasser auf den Reisanbau bei unterschiedlichen Salzgehalten zu analysieren und zu untersuchen, wie Veränderungen in den Reissortenoptionen innerhalb der nördlichen zentralen Küstenregion Vietnams dazu beitragen können, diese Auswirkungen zu reduzieren. Auf Böden mit hohem Salzgehalt, die für den Reisanbau nicht mehr geeignet sind, werden geeignetere Anpassungsstrategien gefordert, indem die Präferenz der Landwirte für verschiedene Anbaufolgen und die Faktoren, die ihre Präferenzen im Zusammenspiel mit verschiedenen Salzgehaltsstufen beeinflussen, untersucht werden. Die Studie untersuchte die Auswirkungen des Salzgehalts auf den Mittelwert und die Variabilität der Reiserträge in vier Gemeinden der Provinz und untersuchte mögliche Änderungen im Portfolio der Reissorten, die Erträge zu steigern und gleichzeitig die Ertragsvariabilität zu verringern. Außerdem wurden die Auswirkungen des Salzwassereinbruchs auf die Produktivität und die technische Effizienz der Reisfarmen im Untersuchungsgebiet bewertet. Im Gegensatz zu bestehenden Studien wurden in dieser Untersuchung die Auswirkungen der Bodenversalzung analysiert. Salztolerante Reissorten können die Erträge sichern, solange der Salzgehalt moderat ist, sind aber ungeeignet, sobald der Salzgehalt hoch ist. Dies führte zur Durchführung eines dritten methodischen Ansatzes, der mit Hilfe eines Choice-Experiments Informationen über die Präferenzen und Motivationen der Reisbauern für die Wahl zwischen dem Portfolio der lokal möglichen adaptiven und transformativen Optionen generierte. Die Adoptionsergebnisse der Befragten bei verschiedenen Versalzungsgraden wurden ebenfalls simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich der Salzgehalt negativ auf die Reiserträge auswirkt, zu einer Erhöhung der Variabilität der Erträge beiträgt und die technische Effizienz von Reis in Abhängigkeit von den Reissorten verringert. / The overall objective of this study is to analyze the impact of saltwater intrusion on rice cultivation at different salinity levels and it also explores how changes in the rice cultivar options within the north central coastal region of Vietnam can help to reduce these impacts. In soils with high salinity levels which are no longer suitable for rice cultivation, more suitable adaptation strategies are called upon through examining farmers’ preference for different crop sequences and the factors affecting their preferences in the interaction with various levels of salinity. The study investigated impacts of salinity on mean and variability of rice yields in four communes of Thua Thien Hue Province and looked at possible changes in the portfolio of rice cultivars, which would offer farmers the potential to increase yields and decrease yield variability simultaneously. I also evaluated the impact of saltwater intrusion on the productivity and technical efficiency of rice farms in the study area. Contrasting to existing studies, this research analyzed season-differentiated impact of soil salinity. Salt tolerant rice varieties can secure yields as long as salinity levels are moderate but are inappropriate once salinity becomes severe. This led to the conduct of third methodological approach that generated information about rice farmers’ preferences and motivations for choosing among the portfolio of locally feasible adaptive and transformative options using a choice experiment. The respondents’ adoption outcomes at different salinity levels were also simulated. The results showed that salinity has negative impact on rice yields, contributes to an increase in variability of yields and reduces rice technical efficiency depending on rice varieties.

The most common tool to predict future changes in species range are species distribution models. These models do, however, often underestimate potential future habitat, as they do not account for phenotypic plasticity and local adaptation, although being the most important processes in the response of tree populations to rapid climate change. Here, we quantify the difference in the predictions of future range for Norway spruce, by (i) deriving a classic, occurrence-based species distribution model (OccurrenceSDM), and (ii) analysing the variation in juvenile tree height and translating this to species occurrence (TraitSDM). Making use of 32 site locations of the most comprehensive European trial series that includes 1,100 provenances of Norway spruce originating from its natural and further beyond from its largely extended, artificial distribution, we fit a universal response function to quantify growth as a function of site and provenance climate. Both the OccurrenceSDM and TraitSDM show a substantial retreat towards the northern latitudes and higher elevations (−55 and −43%, respectively, by the 2080s). However, thanks to the species’ particularly high phenotypic plasticity in juvenile height growth, the decline is delayed. The TraitSDM identifies increasing summer heat paired with decreasing water availability as the main climatic variable that restricts growth, while a prolonged frost-free period enables a longer period of active growth and therefore increasing growth potential within the restricted, remaining area. Clear signals of local adaptation to climatic clines spanning the entire range are barely detectable, as they are disguised by a latitudinal cline. This cline strongly reflects population differentiation for the Baltic domain, but fails to capture the high phenotypic variation associated to the geographic heterogeneity in the Central European mountain ranges paired with the species history of postglacial migration. Still the model is used to provide recommendations of optimal provenance choice for future climate conditions. In essence, assisted migration may not decrease the predicted range decline of Norway spruce, but may help to capitalize on potential opportunities for increased growth associated with warmer climates.

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High mountain regions including the Andean region are very sensitive to climate change. Farmers in the central Andes of Peru are increasingly being exposed to the impacts of climate variability. This transdisciplinary research uses field laboratories, combining the farming system and the sustainable livelihood approaches, to carry out social, ecological, and financial assessments so as to identify sustainable and resilient livelihood strategies for small-scale Andean farmers. The first research step studies and characterizes farm household systems, influenced by their biophysical and socioeconomic contexts, for which two vulnerability indices were elaborated. Focused on the climate variability, the five livelihood assets and the three IPCC’s vulnerability components, these indices show the highly sensitive conditions of most communities with poor health conditions, access to infrastructure and public services. Farmers’ capacity of response is often limited by the low on-farm diversity and lack of organization. Thereafter, sustainable livelihood strategies were identified. These include on-farm intensification and non-farm labor intensification for lowland and better-access communities. In the middle-access and highland communities, where temporary migration is a common coping strategy, sustainable scenarios include an increment in diversification strategies through agrobiodiversity and a larger share of tree-based production systems. Furthermore, research step II explores local strategies to cope with agricultural droughts and evaluates, by means of natural resource assessment methods, agroforestry systems as an alternative to reduce their negative effects. Mainly affected by the increasing variation in precipitation events, farmers identify off-farm and on-farm diversification as adaptive strategies against agricultural droughts that reduce the weather dependence and covariance between livelihood activities. Among the introduction of more resistant crop and pasture varieties, the incorporation of trees in their system is desired because of their positive influence in soil moisture and crop yields. Soil moisture in agroforestry systems with eucalyptus trees is 10-20% higher than in agricultural systems during the beginning of the wet season. Differences in the soil moisture during the end of the dry season and in the potato yield are not evident between these systems, although an area without sowing reduced the agricultural output in 13-17% in agroforestry systems. Research step III seeks to maximize the efficiency of resource allocation in farm household systems by developing a linear programming optimization model. This financial assessment underpinned the need of additional off-farm activities for resource-scarcer farmers. In addition, under interest rates below 15% the model includes tree-based production systems as part of the optimal solution. However, with increasing interest rates, a higher share of land is used to cover household’s basic needs and fewer resources are available for capital accumulation activities such as forestry. Variations introduced in the model show that pasture systems are more sensitive to changes in the production outputs, whereas variation in farm worker wages and tree prices affected less the optimal solutions, making farming systems less sensitive to these market changes. Finally, the incorporation of tree-based systems have proved to be a sustainable and resilient livelihood strategy against climate variability available for particular farm household systems of the study area. / Las zonas montañosas, incluyendo la región andina son muy sensibles al cambio climático. Los agricultores de los Andes centrales del Perú están cada vez más expuestos a los efectos de la variabilidad climática. Esta investigación transdisciplinaria utiliza laboratorios de campo (field laboratories), combinando los enfoques de sistemas agrícolas y de medios de vida sostenibles, para llevar a cabo evaluaciones sociales, ecológicas y financieras con el fin de identificar estrategias sostenibles y resilientes para los agricultores andinos de pequeña escala. La primera fase de la investigación caracteriza a los sistemas agrícolas familiares, influenciados por sus contextos biofísicos y socioeconómicos, para lo cual se elaboraron dos índices de vulnerabilidad centrados en la variabilidad del clima, los cinco activos de los medios de vida y los tres componentes de la vulnerabilidad del IPCC. Estos índices muestran las condiciones de alta sensibilidad de la mayoría de las comunidades, con malas condiciones de salud y poco acceso a la infraestructura y a los servicios públicos. La capacidad de respuesta de los agricultores es a menudo limitada por la baja diversidad en las actividades agrícolas y la falta de organización. Posteriormente se identificaron las estrategias de medios de vida sostenibles. Estas incluyen la intensificación en las actividades agrícolas y la intensificación del trabajo no agrícola en las comunidades de zonas bajas y con mejor acceso. En las comunidades con menor acceso y zonas altas la migración temporal es una estrategia de afrontamiento común. Los escenarios sostenibles en estas comunidades incluyen un incremento en las estrategias de diversificación p. ej. a través de un aumento de la biodiversidad agrícola y una mayor proporción de sistemas de producción asociados con árboles. Por otra parte, la segunda fase de la investigación explora las estrategias locales para hacer frente a las sequías agrícolas y evalúa, por medio de métodos de evaluación de recursos naturales, los sistemas agroforestales como alternativa para reducir sus efectos negativos. Afectados principalmente por el aumento en la variación de las precipitaciones, los pequeños agricultores identifican a la diversificación de actividades dentro y fuera de sus parcelas agrícolas como una estrategia de adaptación frente a las sequías agrícolas que reduce la dependencia climática y la covarianza entre las actividades de subsistencia. Dentro de la introducción de variedades de cultivos y pastos más resistentes, como parte de la solución, los agricultores desean la incorporación de árboles en su sistema debido a su influencia positiva en la humedad del suelo y en los rendimientos de los cultivos. La humedad del suelo en sistemas agroforestales con árboles de eucalipto es un 10-20% mayor que en los sistemas agrícolas durante el comienzo de la estación húmeda. Las diferencias en la humedad del suelo durante el final de la estación seca y en el rendimiento de los cultivos de papa no son evidentes entre estos dos sistemas. A pesar de esto, el espacio sin siembra dejado en los sistemas agroforestales redujo la producción agrícola en un 13-17%. La tercera fase de la investigación busca maximizar la eficiencia en la asignación de recursos en los sistemas agrícolas familiares mediante el desarrollo de un modelo de optimización de programación lineal. Esta evaluación financiera respalda la necesidad de actividades adicionales no-agrícolas para agricultores con recursos más escasos. Además, con tasas de interés por debajo del 15%, el modelo siempre incluye a los sistemas de producción forestales y/o agroforestales como parte de las soluciones óptimas. Sin embargo, con el aumento de las tasas de interés, una mayor proporción de tierra se utiliza para cubrir las necesidades básicas del hogar y menos recursos están disponibles para las actividades de acumulación de capital como la silvicultura. Las variaciones introducidas en el modelo muestran que los sistemas de pastoreo son más sensibles a los cambios en los condiciones de producción. Por otro lado, la variación en los salarios de los trabajadores agrícolas y en los precios de los árboles afectan en un menor grado las soluciones óptimas, proporcionando sistemas agrícolas menos sensibles a estos cambios en el mercado. Finalmente, la incorporación de árboles en los sistemas agrícolas ha demostrado ser una estrategia de vida sostenible y resiliente a la variabilidad climática disponible para determinados sistemas agrícolas familiares de la zona de estudio. / Hochgebirgsregionen einschließlich der Andenregion sind gegenüber dem Klimawandel sehr empfindlich. Die in den zentralen Anden von Peru lebenden Bauern sind mehr und mehr den Auswirkungen durch Klimaschwankungen ausgesetzt. Diese transdisziplinäre Forschung nutzt Feldlabore, die das System der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung und Ansätze zur nachhaltigen Lebensunterhaltssicherung kombinieren, um soziale, ökologische und ökonomische Erhebungen durchzuführen, so dass nachhaltige Livelihood-Strategien für die Kleinbauern in den Anden aufgezeigt werden können. Der erste Forschungsschritt untersucht und charakterisiert die bäuerlichen Haushaltssysteme, die durch ihre biophysikalischen und sozioökonomischen Kontexte beeinflusst sind. Hierfür wurden zwei Vulnerabilitätsindizes herausgearbeitet, die Klimavariabilität und die fünf Güter des Sustainable Livelihood-Konzepts im Fokus haben, sowie die drei Vulnerabilitätskomponenten des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Diese Indizes decken die hochgradige Sensitivität für die meisten Gemeinden auf, aufgrund des schlechten Gesundheitszustandes sowie dem Mangel an Infrastruktur und öffentlichen Dienstleistungen. Die Fähigkeit der Bauern damit umzugehen, ist zumeist begrenzt durch eine geringe Diversität und fehlende Organisation auf den Farmen. Anschließend werden nachhaltige Livelihood-Strategien aufgezeigt. Diese umfassen die Intensivierung der Arbeit in der Landwirtschaft und der Arbeitskraft außerhalb der Landwirtschaft für Gemeinden im Flachland sowie besser erreichbare Gemeinden. In Hochlandgemeinden und Gemeinden die schwer zugänglich sind, ist temporäre Migration eine geläufige Bewältigungsstrategie. Nachhaltige Szenarien in diesen Gemeinden beinhalten eine höhere Anzahl an Diversifizierungsstrategien wie die Steigerung von Agro-Biodiversität und dem Anteil an baumbasierten Produktionssystemen. Forschungsschritt II untersucht lokale Strategien, um die landwirtschaftliche Dürre zu bewältigen und bewertet – mit Hilfe von Naturressourcenbewertungsverfahren – Agroforstsysteme als eine Alternative, um die negativen Auswirkungen der Trockenzeiten zu verringern. Beeinträchtigt durch zunehmende Niederschlagsschwankungen, identifizieren Bauern die Diversifizierung von landwirtschaftlichen und nicht-landwirtschaftlichen Aktivitäten als Anpassungsstrategie bei landwirtschaftliche Dürre, wodurch die Abhängigkeit vom Wetter und die Kovarianz zwischen den Aktivitäten für den Lebensunterhalt reduziert werden kann. Neben der Einführung resistenterer Kultur- und Weidepflanzen, ist die Einbeziehung von Bäumen in das System wünschenswert, aufgrund ihres positiven Einflusses auf die Bodenfeuchte und Erträge. Die Bodenfeuchte in agroforstwirtschaftlichen Systemen mit Eukalyptusbäumen ist während der beginnenden Feuchtperiode 20% höher als in landwirtschaftlichen Systemen. Die Unterschiede der Bodenfeuchte am Ende der Trockenzeit und bezüglich des Kartoffelertrags sind zwischen diesen Systemen nicht markant, obwohl eine Fläche, auf der keine Saat ausgebracht wurde, den landwirtschaftlichen Ertrag in Agroforstsystemen um 13 bis 17% mindert. Forschungsschritt III versucht die Effizienz der Ressourcenzuordnung in Farmhaushaltssystemen zu maximieren, indem ein Optimierungsmodell mit Hilfe der linearen Programmierung entwickelt wird. Diese ökonomische Erhebung unterstreicht die Notwendigkeit zusätzlicher nichtlandwirtschaftlicher Aktivitäten für ressourcenärmere Bauern. Bei Zinsraten unter 15% umfasst das Model baumbasierte Produktionssysteme als einen Teil der optimalen Lösung. Mit steigenden Zinsraten wird jedoch eine größere Bodenfläche dazu verwendet, um die Grundbedürfnisse der Haushalte zu decken und es stehen weniger Ressourcen für Aktivitäten zur Kapitalanhäufung wie Forstwirtschaft zur Verfügung. Die in das Modell involvierten Variationen zeigen, dass Weidesysteme sensibler auf Veränderungen des Produktionsausstoßes reagieren. Schwankungen bei den Löhnen der Farmer und Veränderungen der Baumpreise beeinträchtigen hingegen die optimalen Lösungen weniger. Dadurch sind die landwirtschaftlichen Systeme gegenüber Marktschwankungen weniger anfällig. Abschließend erweist sich, dass – für bestimmte Farmhaushaltssysteme im Untersuchungsgebiet – die Einbeziehung baumbasierter Systeme als nachhaltige und resiliente Livelihood-Strategie angesichts von Klimaschwankungen nützlich ist. / Regiões altomontanas, incluindo os Andes são extremamente sensíveis aos impactos das mudanças climáticas. Pequenos agricultores da região central dos Andes Peruanos estão progressivamente sendo expostos aos impactos das variações climáticas. A presente investigação transdisciplinar utiliza “field laboratories”, combinando os enfoques de sistemas rurais e dos meios de subsistência sustentáveis, visando uma avaliação social, ecológica e financeira, com intuito de se identificar estratégias resilientes e sustentáveis para os pequenos agricultores Andinos. A primeira etapa do presente estudo investiga e caracteriza os sistemas rurais, influenciados por seus contextos biofísicos e socioeconômicos, para os quais foram elaborados dois índices de vulnerabilidade focados na variabilidade climática, nos recursos dos meios de vida (cinco capitais) e nos três componentes da vulnerabilidade do IPCC. Esses índices mostram as condições altamente sensíveis da maioria das comunidades, com más condições de saúde, acesso à infra-estrutura e serviços públicos. A capacidade de resposta dos pequenos agricultores é frequentemente limitada pela baixa diversificação de actividades na exploração agricola e falta de organização. Posteriormente, foram identificadas estratégias de subsitência sustentáveis. Estas incluem a intensificação tanto do trabalho rural, quanto do não-agrícola para as comunidades de terras baixas e mais acessíveis. Para as comunidades altomontanas e com menor acesso, a migração temporária é uma estratégia de enfrentamento comum. Cenários sustentáveis para essas comunidades incluem um incremento nas estratégias de diversificação p. ex. aumentando a agrobiodiversidade e a parcela dos sistemas de produção florestais. A segunda etapa da pesquisa explora estratégias locais para lidar com as secas agrícolas e investiga, por meio de métodos de avaliação de recursos naturais, sistemas agroflorestais como alternativa para reduzir os seus efeitos negativos. Afetado principalmente pelo aumento da variação da precipitação, os agricultores identificam a diversificação tanto no trabalho rural, quanto no não-agrícola, como estratégias adaptativas contra secas agrícolas que reduzam a dependência do clima e covariância entre atividades de subsitência. Entre a introdução de culturas e de pastagens de variedades mais resistentes, a incorporação de árvores em seu sistema é desejada por conta da sua influência positiva na umidade do solo e no rendimento das culturas. A umidade do solo em sistemas agroflorestais com árvores de eucalipto é de 10-20% maior do que em sistemas agrícolas durante o início da estação chuvosa. As diferenças na umidade do solo durante o final da estação seca e na produtividade da batata não são evidentes entre estes dois sistemas. Apesar disso, o espaço sem semeadura deixado em sistemas agroflorestais reduziu a produção agrícola em 13-17%. A terceira etapa da presente investigação visa maximizar a eficiência da alocação de recursos em sistemas agrícolas familiares por meio do desenvolvimento de um modelo de otimização de programação linear. Esta avaliação financeira sustenta a necessidade de atividades não-agrícolas adicionais para agricultores com recursos escassos. Ademais, sob taxas de juros abaixo de 15%, o modelo inclui sistemas de produção florestais como parte da solução ideal. Contudo, com o aumento das taxas de juros, uma parcela maior da propriedade é usada para garantir as necessidades básicas, e portanto, menos recursos do agregado familiar estão disponíveis para atividades de acumulação de capital, tais como a silvicultura. Variações introduzidas no modelo mostram que sistemas de pastagem são mais sensíveis a mudanças nas condições de produção. Ademais, variaçãoes nos salários dos trabalhadores agrícolas e nos preços de árvores afetam menos as soluções ótimas, tornando os sistemas agrícolas menos sensíveis a estas mudanças do mercado. Por fim, a incorporação de sistemas florestais provaram ser uma estratégia de subsistência sustentável e resiliente contra a variação climática para determinados sistemas de agricultura familiar da área de estudo.

High mountain regions including the Andean region are very sensitive to climate change. Farmers in the central Andes of Peru are increasingly being exposed to the impacts of climate variability. This transdisciplinary research uses field laboratories, combining the farming system and the sustainable livelihood approaches, to carry out social, ecological, and financial assessments so as to identify sustainable and resilient livelihood strategies for small-scale Andean farmers. The first research step studies and characterizes farm household systems, influenced by their biophysical and socioeconomic contexts, for which two vulnerability indices were elaborated. Focused on the climate variability, the five livelihood assets and the three IPCC’s vulnerability components, these indices show the highly sensitive conditions of most communities with poor health conditions, access to infrastructure and public services. Farmers’ capacity of response is often limited by the low on-farm diversity and lack of organization. Thereafter, sustainable livelihood strategies were identified. These include on-farm intensification and non-farm labor intensification for lowland and better-access communities. In the middle-access and highland communities, where temporary migration is a common coping strategy, sustainable scenarios include an increment in diversification strategies through agrobiodiversity and a larger share of tree-based production systems. Furthermore, research step II explores local strategies to cope with agricultural droughts and evaluates, by means of natural resource assessment methods, agroforestry systems as an alternative to reduce their negative effects. Mainly affected by the increasing variation in precipitation events, farmers identify off-farm and on-farm diversification as adaptive strategies against agricultural droughts that reduce the weather dependence and covariance between livelihood activities. Among the introduction of more resistant crop and pasture varieties, the incorporation of trees in their system is desired because of their positive influence in soil moisture and crop yields. Soil moisture in agroforestry systems with eucalyptus trees is 10-20% higher than in agricultural systems during the beginning of the wet season. Differences in the soil moisture during the end of the dry season and in the potato yield are not evident between these systems, although an area without sowing reduced the agricultural output in 13-17% in agroforestry systems. Research step III seeks to maximize the efficiency of resource allocation in farm household systems by developing a linear programming optimization model. This financial assessment underpinned the need of additional off-farm activities for resource-scarcer farmers. In addition, under interest rates below 15% the model includes tree-based production systems as part of the optimal solution. However, with increasing interest rates, a higher share of land is used to cover household’s basic needs and fewer resources are available for capital accumulation activities such as forestry. Variations introduced in the model show that pasture systems are more sensitive to changes in the production outputs, whereas variation in farm worker wages and tree prices affected less the optimal solutions, making farming systems less sensitive to these market changes. Finally, the incorporation of tree-based systems have proved to be a sustainable and resilient livelihood strategy against climate variability available for particular farm household systems of the study area.:1 Introduction - 1 - 1.1 Introduction and justification - 1 - 1.2 Objectives and thesis statements - 2 - 1.3 Outline - 3 - 1.4 Definition of terms - 5 - 1.4.1 Vulnerability - 5 - 1.4.2 Resilience - 7 - 1.4.3 Agroforestry systems - 8 - 1.4.4 Farming system approach - 9 - 1.4.5 Farm household system - 10 - 1.4.6 Sustainable livelihood approach - 10 - 2 Framework and study site - 14 - 2.1 Theoretical framework - 14 - 2.2 Methodological framework - 18 - 2.2.1 Field laboratories - 18 - 2.2.2 Methods - 19 - 2.2.3 Methodology applied in research step I: Vulnerability in Achamayo - 21 - 2.2.4 Methodology applied in research step II: Agroforestry systems and agricultural droughts - 29 - 2.2.5 Methodology applied in research step III: Modeling small farm production systems - 33 - 2.2.6 Selection of case studies - 34 - 2.3 Study area - 35 - 2.3.1 Soils and topography - 35 - 2.3.2 Weather - 37 - 2.3.3 Agro-ecological zones and vegetation - 38 - 2.3.4 Climate change - 40 - 2.3.5 Socioeconomic characteristics - 42 - 2.3.6 Population - 43 - 2.3.7 External determinants - 71 - 2.4 Case studies - 47 - 2.4.1 Lowland communities (L) - 49 - 2.4.2 Middle access communities (M) - 50 - 2.4.3 Highland communities (H) - 51 - 3 Vulnerability in Achamayo - 53 - 3.1 Results - 53 - 3.1.1 Sustainable Livelihood Vulnerability Index (S-LVI) - 53 - 3.1.2 IPCC Livelihood Vulnerability Index (LVI-IPCC) - 68 - 3.2 Discussion - 71 - 3.2.1 Climate variability and extreme events - 71 - 3.2.2 Human capital - 71 - 3.2.3 Social capital - 71 - 3.2.4 Natural capital - 71 - 3.2.5 Physical capital - 71 - 3.2.6 Financial capital - 71 - 3.2.7 Livelihood strategies following the S-LVI and LVI-IPCC indices - 86 - 3.3 Conclusion - 92 - 4 Agroforestry systems and agricultural droughts - 95 - 4.1 Results - 96 - 4.1.1 Farmers’ experience and perception on climate variability and agricultural droughts - 96 - 4.1.2 Agricultural droughts in the farm household systems - 97 - 4.1.3 Farming forestry systems and land-use decision-making - 102 - 4.1.4 Influence of trees in the soil moisture and yield - 104 - 4.2 Discussion - 110 - 4.2.1 Climate change and agricultural droughts - 110 - 4.2.2 Farm forestry systems and land-use decision-making - 115 - 4.2.3 Influence of trees in the soil moisture and yield - 117 - 4.3 Conclusion - 121 - 5 Modeling small farm production systems: optimization of resource allocation - 123 - 5.1 Methodology - 124 - 5.1.1 Optimization Model - 126 - 5.1.2 Plan of optimization - 128 - 5.1.3 Production systems - 131 - 5.1.4 Constraints - 134 - 5.2 Results - 138 - 5.2.1 Model - 138 - 5.2.2 Interest rates - 142 - 5.2.3 Sensitivity analyses - 146 - 5.3 Discussion - 151 - 5.3.1 Cash flows - 151 - 5.3.2 Model outcomes - 152 - 5.3.3 Interest rates - 155 - 5.3.4 Sensitivity analyses - 159 - 5.4 Conclusion - 169 - 6 Synthesis - 171 - 6.1 Lessons learned - 171 - 6.1.1 Research step I - 172 - 6.1.2 Research step II - 175 - 6.1.3 Research step III - 176 - 6.2 Conclusions & outlook - 179 - 6.2.1 General conclusions - 179 - 6.2.2 Outlook - 181 - References - 185 - Appendix - 199 - / Las zonas montañosas, incluyendo la región andina son muy sensibles al cambio climático. Los agricultores de los Andes centrales del Perú están cada vez más expuestos a los efectos de la variabilidad climática. Esta investigación transdisciplinaria utiliza laboratorios de campo (field laboratories), combinando los enfoques de sistemas agrícolas y de medios de vida sostenibles, para llevar a cabo evaluaciones sociales, ecológicas y financieras con el fin de identificar estrategias sostenibles y resilientes para los agricultores andinos de pequeña escala. La primera fase de la investigación caracteriza a los sistemas agrícolas familiares, influenciados por sus contextos biofísicos y socioeconómicos, para lo cual se elaboraron dos índices de vulnerabilidad centrados en la variabilidad del clima, los cinco activos de los medios de vida y los tres componentes de la vulnerabilidad del IPCC. Estos índices muestran las condiciones de alta sensibilidad de la mayoría de las comunidades, con malas condiciones de salud y poco acceso a la infraestructura y a los servicios públicos. La capacidad de respuesta de los agricultores es a menudo limitada por la baja diversidad en las actividades agrícolas y la falta de organización. Posteriormente se identificaron las estrategias de medios de vida sostenibles. Estas incluyen la intensificación en las actividades agrícolas y la intensificación del trabajo no agrícola en las comunidades de zonas bajas y con mejor acceso. En las comunidades con menor acceso y zonas altas la migración temporal es una estrategia de afrontamiento común. Los escenarios sostenibles en estas comunidades incluyen un incremento en las estrategias de diversificación p. ej. a través de un aumento de la biodiversidad agrícola y una mayor proporción de sistemas de producción asociados con árboles. Por otra parte, la segunda fase de la investigación explora las estrategias locales para hacer frente a las sequías agrícolas y evalúa, por medio de métodos de evaluación de recursos naturales, los sistemas agroforestales como alternativa para reducir sus efectos negativos. Afectados principalmente por el aumento en la variación de las precipitaciones, los pequeños agricultores identifican a la diversificación de actividades dentro y fuera de sus parcelas agrícolas como una estrategia de adaptación frente a las sequías agrícolas que reduce la dependencia climática y la covarianza entre las actividades de subsistencia. Dentro de la introducción de variedades de cultivos y pastos más resistentes, como parte de la solución, los agricultores desean la incorporación de árboles en su sistema debido a su influencia positiva en la humedad del suelo y en los rendimientos de los cultivos. La humedad del suelo en sistemas agroforestales con árboles de eucalipto es un 10-20% mayor que en los sistemas agrícolas durante el comienzo de la estación húmeda. Las diferencias en la humedad del suelo durante el final de la estación seca y en el rendimiento de los cultivos de papa no son evidentes entre estos dos sistemas. A pesar de esto, el espacio sin siembra dejado en los sistemas agroforestales redujo la producción agrícola en un 13-17%. La tercera fase de la investigación busca maximizar la eficiencia en la asignación de recursos en los sistemas agrícolas familiares mediante el desarrollo de un modelo de optimización de programación lineal. Esta evaluación financiera respalda la necesidad de actividades adicionales no-agrícolas para agricultores con recursos más escasos. Además, con tasas de interés por debajo del 15%, el modelo siempre incluye a los sistemas de producción forestales y/o agroforestales como parte de las soluciones óptimas. Sin embargo, con el aumento de las tasas de interés, una mayor proporción de tierra se utiliza para cubrir las necesidades básicas del hogar y menos recursos están disponibles para las actividades de acumulación de capital como la silvicultura. Las variaciones introducidas en el modelo muestran que los sistemas de pastoreo son más sensibles a los cambios en los condiciones de producción. Por otro lado, la variación en los salarios de los trabajadores agrícolas y en los precios de los árboles afectan en un menor grado las soluciones óptimas, proporcionando sistemas agrícolas menos sensibles a estos cambios en el mercado. Finalmente, la incorporación de árboles en los sistemas agrícolas ha demostrado ser una estrategia de vida sostenible y resiliente a la variabilidad climática disponible para determinados sistemas agrícolas familiares de la zona de estudio.:1 Introduction - 1 - 1.1 Introduction and justification - 1 - 1.2 Objectives and thesis statements - 2 - 1.3 Outline - 3 - 1.4 Definition of terms - 5 - 1.4.1 Vulnerability - 5 - 1.4.2 Resilience - 7 - 1.4.3 Agroforestry systems - 8 - 1.4.4 Farming system approach - 9 - 1.4.5 Farm household system - 10 - 1.4.6 Sustainable livelihood approach - 10 - 2 Framework and study site - 14 - 2.1 Theoretical framework - 14 - 2.2 Methodological framework - 18 - 2.2.1 Field laboratories - 18 - 2.2.2 Methods - 19 - 2.2.3 Methodology applied in research step I: Vulnerability in Achamayo - 21 - 2.2.4 Methodology applied in research step II: Agroforestry systems and agricultural droughts - 29 - 2.2.5 Methodology applied in research step III: Modeling small farm production systems - 33 - 2.2.6 Selection of case studies - 34 - 2.3 Study area - 35 - 2.3.1 Soils and topography - 35 - 2.3.2 Weather - 37 - 2.3.3 Agro-ecological zones and vegetation - 38 - 2.3.4 Climate change - 40 - 2.3.5 Socioeconomic characteristics - 42 - 2.3.6 Population - 43 - 2.3.7 External determinants - 71 - 2.4 Case studies - 47 - 2.4.1 Lowland communities (L) - 49 - 2.4.2 Middle access communities (M) - 50 - 2.4.3 Highland communities (H) - 51 - 3 Vulnerability in Achamayo - 53 - 3.1 Results - 53 - 3.1.1 Sustainable Livelihood Vulnerability Index (S-LVI) - 53 - 3.1.2 IPCC Livelihood Vulnerability Index (LVI-IPCC) - 68 - 3.2 Discussion - 71 - 3.2.1 Climate variability and extreme events - 71 - 3.2.2 Human capital - 71 - 3.2.3 Social capital - 71 - 3.2.4 Natural capital - 71 - 3.2.5 Physical capital - 71 - 3.2.6 Financial capital - 71 - 3.2.7 Livelihood strategies following the S-LVI and LVI-IPCC indices - 86 - 3.3 Conclusion - 92 - 4 Agroforestry systems and agricultural droughts - 95 - 4.1 Results - 96 - 4.1.1 Farmers’ experience and perception on climate variability and agricultural droughts - 96 - 4.1.2 Agricultural droughts in the farm household systems - 97 - 4.1.3 Farming forestry systems and land-use decision-making - 102 - 4.1.4 Influence of trees in the soil moisture and yield - 104 - 4.2 Discussion - 110 - 4.2.1 Climate change and agricultural droughts - 110 - 4.2.2 Farm forestry systems and land-use decision-making - 115 - 4.2.3 Influence of trees in the soil moisture and yield - 117 - 4.3 Conclusion - 121 - 5 Modeling small farm production systems: optimization of resource allocation - 123 - 5.1 Methodology - 124 - 5.1.1 Optimization Model - 126 - 5.1.2 Plan of optimization - 128 - 5.1.3 Production systems - 131 - 5.1.4 Constraints - 134 - 5.2 Results - 138 - 5.2.1 Model - 138 - 5.2.2 Interest rates - 142 - 5.2.3 Sensitivity analyses - 146 - 5.3 Discussion - 151 - 5.3.1 Cash flows - 151 - 5.3.2 Model outcomes - 152 - 5.3.3 Interest rates - 155 - 5.3.4 Sensitivity analyses - 159 - 5.4 Conclusion - 169 - 6 Synthesis - 171 - 6.1 Lessons learned - 171 - 6.1.1 Research step I - 172 - 6.1.2 Research step II - 175 - 6.1.3 Research step III - 176 - 6.2 Conclusions & outlook - 179 - 6.2.1 General conclusions - 179 - 6.2.2 Outlook - 181 - References - 185 - Appendix - 199 - / Hochgebirgsregionen einschließlich der Andenregion sind gegenüber dem Klimawandel sehr empfindlich. Die in den zentralen Anden von Peru lebenden Bauern sind mehr und mehr den Auswirkungen durch Klimaschwankungen ausgesetzt. Diese transdisziplinäre Forschung nutzt Feldlabore, die das System der landwirtschaftlichen Bewirtschaftung und Ansätze zur nachhaltigen Lebensunterhaltssicherung kombinieren, um soziale, ökologische und ökonomische Erhebungen durchzuführen, so dass nachhaltige Livelihood-Strategien für die Kleinbauern in den Anden aufgezeigt werden können. Der erste Forschungsschritt untersucht und charakterisiert die bäuerlichen Haushaltssysteme, die durch ihre biophysikalischen und sozioökonomischen Kontexte beeinflusst sind. Hierfür wurden zwei Vulnerabilitätsindizes herausgearbeitet, die Klimavariabilität und die fünf Güter des Sustainable Livelihood-Konzepts im Fokus haben, sowie die drei Vulnerabilitätskomponenten des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Diese Indizes decken die hochgradige Sensitivität für die meisten Gemeinden auf, aufgrund des schlechten Gesundheitszustandes sowie dem Mangel an Infrastruktur und öffentlichen Dienstleistungen. Die Fähigkeit der Bauern damit umzugehen, ist zumeist begrenzt durch eine geringe Diversität und fehlende Organisation auf den Farmen. Anschließend werden nachhaltige Livelihood-Strategien aufgezeigt. Diese umfassen die Intensivierung der Arbeit in der Landwirtschaft und der Arbeitskraft außerhalb der Landwirtschaft für Gemeinden im Flachland sowie besser erreichbare Gemeinden. In Hochlandgemeinden und Gemeinden die schwer zugänglich sind, ist temporäre Migration eine geläufige Bewältigungsstrategie. Nachhaltige Szenarien in diesen Gemeinden beinhalten eine höhere Anzahl an Diversifizierungsstrategien wie die Steigerung von Agro-Biodiversität und dem Anteil an baumbasierten Produktionssystemen. Forschungsschritt II untersucht lokale Strategien, um die landwirtschaftliche Dürre zu bewältigen und bewertet – mit Hilfe von Naturressourcenbewertungsverfahren – Agroforstsysteme als eine Alternative, um die negativen Auswirkungen der Trockenzeiten zu verringern. Beeinträchtigt durch zunehmende Niederschlagsschwankungen, identifizieren Bauern die Diversifizierung von landwirtschaftlichen und nicht-landwirtschaftlichen Aktivitäten als Anpassungsstrategie bei landwirtschaftliche Dürre, wodurch die Abhängigkeit vom Wetter und die Kovarianz zwischen den Aktivitäten für den Lebensunterhalt reduziert werden kann. Neben der Einführung resistenterer Kultur- und Weidepflanzen, ist die Einbeziehung von Bäumen in das System wünschenswert, aufgrund ihres positiven Einflusses auf die Bodenfeuchte und Erträge. Die Bodenfeuchte in agroforstwirtschaftlichen Systemen mit Eukalyptusbäumen ist während der beginnenden Feuchtperiode 20% höher als in landwirtschaftlichen Systemen. Die Unterschiede der Bodenfeuchte am Ende der Trockenzeit und bezüglich des Kartoffelertrags sind zwischen diesen Systemen nicht markant, obwohl eine Fläche, auf der keine Saat ausgebracht wurde, den landwirtschaftlichen Ertrag in Agroforstsystemen um 13 bis 17% mindert. Forschungsschritt III versucht die Effizienz der Ressourcenzuordnung in Farmhaushaltssystemen zu maximieren, indem ein Optimierungsmodell mit Hilfe der linearen Programmierung entwickelt wird. Diese ökonomische Erhebung unterstreicht die Notwendigkeit zusätzlicher nichtlandwirtschaftlicher Aktivitäten für ressourcenärmere Bauern. Bei Zinsraten unter 15% umfasst das Model baumbasierte Produktionssysteme als einen Teil der optimalen Lösung. Mit steigenden Zinsraten wird jedoch eine größere Bodenfläche dazu verwendet, um die Grundbedürfnisse der Haushalte zu decken und es stehen weniger Ressourcen für Aktivitäten zur Kapitalanhäufung wie Forstwirtschaft zur Verfügung. Die in das Modell involvierten Variationen zeigen, dass Weidesysteme sensibler auf Veränderungen des Produktionsausstoßes reagieren. Schwankungen bei den Löhnen der Farmer und Veränderungen der Baumpreise beeinträchtigen hingegen die optimalen Lösungen weniger. Dadurch sind die landwirtschaftlichen Systeme gegenüber Marktschwankungen weniger anfällig. Abschließend erweist sich, dass – für bestimmte Farmhaushaltssysteme im Untersuchungsgebiet – die Einbeziehung baumbasierter Systeme als nachhaltige und resiliente Livelihood-Strategie angesichts von Klimaschwankungen nützlich ist.:1 Introduction - 1 - 1.1 Introduction and justification - 1 - 1.2 Objectives and thesis statements - 2 - 1.3 Outline - 3 - 1.4 Definition of terms - 5 - 1.4.1 Vulnerability - 5 - 1.4.2 Resilience - 7 - 1.4.3 Agroforestry systems - 8 - 1.4.4 Farming system approach - 9 - 1.4.5 Farm household system - 10 - 1.4.6 Sustainable livelihood approach - 10 - 2 Framework and study site - 14 - 2.1 Theoretical framework - 14 - 2.2 Methodological framework - 18 - 2.2.1 Field laboratories - 18 - 2.2.2 Methods - 19 - 2.2.3 Methodology applied in research step I: Vulnerability in Achamayo - 21 - 2.2.4 Methodology applied in research step II: Agroforestry systems and agricultural droughts - 29 - 2.2.5 Methodology applied in research step III: Modeling small farm production systems - 33 - 2.2.6 Selection of case studies - 34 - 2.3 Study area - 35 - 2.3.1 Soils and topography - 35 - 2.3.2 Weather - 37 - 2.3.3 Agro-ecological zones and vegetation - 38 - 2.3.4 Climate change - 40 - 2.3.5 Socioeconomic characteristics - 42 - 2.3.6 Population - 43 - 2.3.7 External determinants - 71 - 2.4 Case studies - 47 - 2.4.1 Lowland communities (L) - 49 - 2.4.2 Middle access communities (M) - 50 - 2.4.3 Highland communities (H) - 51 - 3 Vulnerability in Achamayo - 53 - 3.1 Results - 53 - 3.1.1 Sustainable Livelihood Vulnerability Index (S-LVI) - 53 - 3.1.2 IPCC Livelihood Vulnerability Index (LVI-IPCC) - 68 - 3.2 Discussion - 71 - 3.2.1 Climate variability and extreme events - 71 - 3.2.2 Human capital - 71 - 3.2.3 Social capital - 71 - 3.2.4 Natural capital - 71 - 3.2.5 Physical capital - 71 - 3.2.6 Financial capital - 71 - 3.2.7 Livelihood strategies following the S-LVI and LVI-IPCC indices - 86 - 3.3 Conclusion - 92 - 4 Agroforestry systems and agricultural droughts - 95 - 4.1 Results - 96 - 4.1.1 Farmers’ experience and perception on climate variability and agricultural droughts - 96 - 4.1.2 Agricultural droughts in the farm household systems - 97 - 4.1.3 Farming forestry systems and land-use decision-making - 102 - 4.1.4 Influence of trees in the soil moisture and yield - 104 - 4.2 Discussion - 110 - 4.2.1 Climate change and agricultural droughts - 110 - 4.2.2 Farm forestry systems and land-use decision-making - 115 - 4.2.3 Influence of trees in the soil moisture and yield - 117 - 4.3 Conclusion - 121 - 5 Modeling small farm production systems: optimization of resource allocation - 123 - 5.1 Methodology - 124 - 5.1.1 Optimization Model - 126 - 5.1.2 Plan of optimization - 128 - 5.1.3 Production systems - 131 - 5.1.4 Constraints - 134 - 5.2 Results - 138 - 5.2.1 Model - 138 - 5.2.2 Interest rates - 142 - 5.2.3 Sensitivity analyses - 146 - 5.3 Discussion - 151 - 5.3.1 Cash flows - 151 - 5.3.2 Model outcomes - 152 - 5.3.3 Interest rates - 155 - 5.3.4 Sensitivity analyses - 159 - 5.4 Conclusion - 169 - 6 Synthesis - 171 - 6.1 Lessons learned - 171 - 6.1.1 Research step I - 172 - 6.1.2 Research step II - 175 - 6.1.3 Research step III - 176 - 6.2 Conclusions & outlook - 179 - 6.2.1 General conclusions - 179 - 6.2.2 Outlook - 181 - References - 185 - Appendix - 199 - / Regiões altomontanas, incluindo os Andes são extremamente sensíveis aos impactos das mudanças climáticas. Pequenos agricultores da região central dos Andes Peruanos estão progressivamente sendo expostos aos impactos das variações climáticas. A presente investigação transdisciplinar utiliza “field laboratories”, combinando os enfoques de sistemas rurais e dos meios de subsistência sustentáveis, visando uma avaliação social, ecológica e financeira, com intuito de se identificar estratégias resilientes e sustentáveis para os pequenos agricultores Andinos. A primeira etapa do presente estudo investiga e caracteriza os sistemas rurais, influenciados por seus contextos biofísicos e socioeconômicos, para os quais foram elaborados dois índices de vulnerabilidade focados na variabilidade climática, nos recursos dos meios de vida (cinco capitais) e nos três componentes da vulnerabilidade do IPCC. Esses índices mostram as condições altamente sensíveis da maioria das comunidades, com más condições de saúde, acesso à infra-estrutura e serviços públicos. A capacidade de resposta dos pequenos agricultores é frequentemente limitada pela baixa diversificação de actividades na exploração agricola e falta de organização. Posteriormente, foram identificadas estratégias de subsitência sustentáveis. Estas incluem a intensificação tanto do trabalho rural, quanto do não-agrícola para as comunidades de terras baixas e mais acessíveis. Para as comunidades altomontanas e com menor acesso, a migração temporária é uma estratégia de enfrentamento comum. Cenários sustentáveis para essas comunidades incluem um incremento nas estratégias de diversificação p. ex. aumentando a agrobiodiversidade e a parcela dos sistemas de produção florestais. A segunda etapa da pesquisa explora estratégias locais para lidar com as secas agrícolas e investiga, por meio de métodos de avaliação de recursos naturais, sistemas agroflorestais como alternativa para reduzir os seus efeitos negativos. Afetado principalmente pelo aumento da variação da precipitação, os agricultores identificam a diversificação tanto no trabalho rural, quanto no não-agrícola, como estratégias adaptativas contra secas agrícolas que reduzam a dependência do clima e covariância entre atividades de subsitência. Entre a introdução de culturas e de pastagens de variedades mais resistentes, a incorporação de árvores em seu sistema é desejada por conta da sua influência positiva na umidade do solo e no rendimento das culturas. A umidade do solo em sistemas agroflorestais com árvores de eucalipto é de 10-20% maior do que em sistemas agrícolas durante o início da estação chuvosa. As diferenças na umidade do solo durante o final da estação seca e na produtividade da batata não são evidentes entre estes dois sistemas. Apesar disso, o espaço sem semeadura deixado em sistemas agroflorestais reduziu a produção agrícola em 13-17%. A terceira etapa da presente investigação visa maximizar a eficiência da alocação de recursos em sistemas agrícolas familiares por meio do desenvolvimento de um modelo de otimização de programação linear. Esta avaliação financeira sustenta a necessidade de atividades não-agrícolas adicionais para agricultores com recursos escassos. Ademais, sob taxas de juros abaixo de 15%, o modelo inclui sistemas de produção florestais como parte da solução ideal. Contudo, com o aumento das taxas de juros, uma parcela maior da propriedade é usada para garantir as necessidades básicas, e portanto, menos recursos do agregado familiar estão disponíveis para atividades de acumulação de capital, tais como a silvicultura. Variações introduzidas no modelo mostram que sistemas de pastagem são mais sensíveis a mudanças nas condições de produção. Ademais, variaçãoes nos salários dos trabalhadores agrícolas e nos preços de árvores afetam menos as soluções ótimas, tornando os sistemas agrícolas menos sensíveis a estas mudanças do mercado. Por fim, a incorporação de sistemas florestais provaram ser uma estratégia de subsistência sustentável e resiliente contra a variação climática para determinados sistemas de agricultura familiar da área de estudo.:1 Introduction - 1 - 1.1 Introduction and justification - 1 - 1.2 Objectives and thesis statements - 2 - 1.3 Outline - 3 - 1.4 Definition of terms - 5 - 1.4.1 Vulnerability - 5 - 1.4.2 Resilience - 7 - 1.4.3 Agroforestry systems - 8 - 1.4.4 Farming system approach - 9 - 1.4.5 Farm household system - 10 - 1.4.6 Sustainable livelihood approach - 10 - 2 Framework and study site - 14 - 2.1 Theoretical framework - 14 - 2.2 Methodological framework - 18 - 2.2.1 Field laboratories - 18 - 2.2.2 Methods - 19 - 2.2.3 Methodology applied in research step I: Vulnerability in Achamayo - 21 - 2.2.4 Methodology applied in research step II: Agroforestry systems and agricultural droughts - 29 - 2.2.5 Methodology applied in research step III: Modeling small farm production systems - 33 - 2.2.6 Selection of case studies - 34 - 2.3 Study area - 35 - 2.3.1 Soils and topography - 35 - 2.3.2 Weather - 37 - 2.3.3 Agro-ecological zones and vegetation - 38 - 2.3.4 Climate change - 40 - 2.3.5 Socioeconomic characteristics - 42 - 2.3.6 Population - 43 - 2.3.7 External determinants - 71 - 2.4 Case studies - 47 - 2.4.1 Lowland communities (L) - 49 - 2.4.2 Middle access communities (M) - 50 - 2.4.3 Highland communities (H) - 51 - 3 Vulnerability in Achamayo - 53 - 3.1 Results - 53 - 3.1.1 Sustainable Livelihood Vulnerability Index (S-LVI) - 53 - 3.1.2 IPCC Livelihood Vulnerability Index (LVI-IPCC) - 68 - 3.2 Discussion - 71 - 3.2.1 Climate variability and extreme events - 71 - 3.2.2 Human capital - 71 - 3.2.3 Social capital - 71 - 3.2.4 Natural capital - 71 - 3.2.5 Physical capital - 71 - 3.2.6 Financial capital - 71 - 3.2.7 Livelihood strategies following the S-LVI and LVI-IPCC indices - 86 - 3.3 Conclusion - 92 - 4 Agroforestry systems and agricultural droughts - 95 - 4.1 Results - 96 - 4.1.1 Farmers’ experience and perception on climate variability and agricultural droughts - 96 - 4.1.2 Agricultural droughts in the farm household systems - 97 - 4.1.3 Farming forestry systems and land-use decision-making - 102 - 4.1.4 Influence of trees in the soil moisture and yield - 104 - 4.2 Discussion - 110 - 4.2.1 Climate change and agricultural droughts - 110 - 4.2.2 Farm forestry systems and land-use decision-making - 115 - 4.2.3 Influence of trees in the soil moisture and yield - 117 - 4.3 Conclusion - 121 - 5 Modeling small farm production systems: optimization of resource allocation - 123 - 5.1 Methodology - 124 - 5.1.1 Optimization Model - 126 - 5.1.2 Plan of optimization - 128 - 5.1.3 Production systems - 131 - 5.1.4 Constraints - 134 - 5.2 Results - 138 - 5.2.1 Model - 138 - 5.2.2 Interest rates - 142 - 5.2.3 Sensitivity analyses - 146 - 5.3 Discussion - 151 - 5.3.1 Cash flows - 151 - 5.3.2 Model outcomes - 152 - 5.3.3 Interest rates - 155 - 5.3.4 Sensitivity analyses - 159 - 5.4 Conclusion - 169 - 6 Synthesis - 171 - 6.1 Lessons learned - 171 - 6.1.1 Research step I - 172 - 6.1.2 Research step II - 175 - 6.1.3 Research step III - 176 - 6.2 Conclusions & outlook - 179 - 6.2.1 General conclusions - 179 - 6.2.2 Outlook - 181 - References - 185 - Appendix - 199 -