In the studied Kagera region (NW Tanzania), smallholder banana-coffee-based farming systems developed over hundreds of years. To this day, they traditionally consist of four components: the older and younger homegardens (kibanja and kikamba in the local Bantu language), woodland (kabira), and grassland (rweya). The management of organic farm waste has played an essential role in maintaining soil fertility, diversity, and agricultural productivity in these agroforestry systems. However, rapid population growth since Tanzania’s independence in the 1960s, an influx of refugees in the 1990s, and accompanying environmental degradation have shaped large parts of the study region. As a result, farm sizes, crop yields, and food security have declined, soils and farming systems have degraded, and impoverishment has increased. The overall objective of this study was to investigate whether degraded homegardens can be transformed back into multifunctional, sustainable, and fertile agroforestry systems through sustainable organic farm waste management. Organic farm waste embraced crop and tree residues, kitchen and food waste including cooking ash (as inorganic residue), livestock manure and urine, animal bones, as well as human faeces and urine. The objective was subdivided into three targets and related research foci: (1) to understand the status quo of organic farm waste management in the research area, (2) to evaluate modification options for sustainable banana-coffee-based systems, and (3) to evaluate an optimisation of organic farm waste management to increase agricultural production. An interview of 150 smallholder households on the current availability and uses of organic farm waste was conducted (1). The survey encompassed geographical variables, economic data, and household and agricultural information relating to the Water-Soil-Waste Nexus and the Water-Energy-Food Nexus. A farm household typology was constructed to categorise the farm households according to their biomass production and use of organic farm waste. Five focus group discussions were held in a local farmer field school to evaluate training on sustainable land use management (2). The farmer field school had trained about 750 farm households in de-graded banana-coffee-based farming systems in the last two decades. Also here, a typology construction of trained farm households was created. Both typologies were compared to each other. Nutrient cycles of the homegardens of trained and untrained farm house-holds were calculated (3) using the following scenarios: S0: business as usual; S1: the use of 80% of the available human urine; S2: the incorporation of 0.5 t yr-1 of the herbaceous legume species Crotalaria grahamiana into the soil; S3: the production of 5 m3 yr-1 of CaSa-compost (human excreta and biochar) and its application on 600 m2 of land; and S4: a combination of S1, S2, and S3. Results revealed that integrated organic farm waste management still plays a key role in farm nutrient and soil fertility management in these farming systems, but to a lower extent than in the past (status quo). Smallholder farmers that apply organic farm waste to their fields – using in situ, pit, ring-hole, and mixed composting techniques – have higher yields. However, the knowledge on waste management – traditionally passed on from generation to generation – has declined. Today, only one-third of these households earn a reasonable living from their agricultural products. Female-led households with a high age-dependency ratio and farmers with problematic socio-economic backgrounds continue to be the most vulnerable to food insecurity. In comparison, the implementation of training on sustainable land-use management has considerably improved farmers’ livelihoods. Successfully implemented knowledge on sustainable soil and farm nutrient management, including the modification of composting techniques, afforestation, selection of appropriate crop and tree species, improved labour allocation and time management, agricultural record-keeping, as well as gender-responsive communication and decision-making, has led to a transition: from degraded agricultural to multifunctional agroforestry systems. However, also here, one-third of the trained farmers has hardly transformed at all and has remained vulnerable to difficulties with food security, income diversification, and access to education. Comparing the nutrient balance between the homegardens of untrained and trained households, the homegardens of trained households are more likely to have a positive nutrient balance than those of untrained ones. Although untrained households would improve the nutrient balance under all management scenarios, their nutrient balances do not actually turn positive, especially not for nitrogen. Besides, nutrient cycles in the homegardens of all households remain ‘open’ because farmers currently import nutrients from the surrounding area, e.g., through fodder from the grassland. To overcome this dependency, short-term nutrient deficiencies might be alleviated with a precise application of mineral fertiliser and by fostering zero grazing. However, limited access to mineral fertiliser, labour-intensive manure collection and compost production against a background of land scarcity, labour shortage, prolonged dry seasons, and socio-economic imbalances, remain major challenges. To conclude, action needs to be taken and supporting policies and regulations need to be developed, e.g., on the safe use of organic farm waste and wastewater in smallholder agriculture to contribute towards achieving key Sustainable Development Goals of the United Nations. The relevant goals are Goal 2 (Zero hunger), Goal 7 (Affordable and clean energy), and Goal 15 (Life on land). None of the un-trained smallholder households lives under the conditions that these goals intend to prescribe. Only one-third of the trained farming households is one step closer to achieving these targets. To counteract this, a roadmap may serve as a starting point for future initiatives to develop coherent policies and science-based guidelines.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 298 / Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme haben eine lange Tradition in Ostafrika. In der Kagera-Region im Nordwesten Tansanias entwickelten sich über Jahrhunderte hinweg ertragreiche Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme in kleinbäuerlicher Landwirtschaft. Die Böden der Hausgärten waren durch die kontinuierliche Zugabe von kompostierten organischen Abfällen dunkel, humusreich und fruchtbar. Jedoch verlor dieses nachhaltige Agroforstsystem in der Kagera-Region in den letzten 50 Jahren zunehmend an Bedeutung. Die Gründe dafür waren in erster Linie der rasche Anstieg der Bevölkerung seit der Unabhängigkeit Tansanias in den 1960er-Jahren sowie der Zustrom von Flüchtlingen in den 1990er-Jahren. Beides führte zu einer Erhöhung der Nachfrage nach Nahrungsmitteln, Baumaterial und Brennholz, die noch immer wichtigste Energiequelle zum Kochen mit einhergehender Degradierung, massiver Entwaldung sowie nachlassender Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit und das Auslassen notwendiger Brachzeiten und Gründungen. Infolgedessen wurden den Böden über fünf Jahrzehnte mehr Nährstoffe entzogen als zugefügt, was zu einer Abnahme der Bodenfruchtbarkeit führte. Die Ernteerträge aller ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen sind zurückgegangen und die Böden sowie die Vegetation der Hausgärten sind teilweise stark degradiert. Seitdem sind die Ernährungssicherheit und der Wohlstand der lokalen Bevölkerung sowie die für Tansanias Wirtschaft wichtigen Exporte von Bananen (Musa L.) und Kaffee (Coffea canephora L. var. robusta) aus der Kagera-Region gefährdet. Ziel dieser Dissertation war es, zu untersuchen, ob der jetzigen Degradierung der Hausgärten, die für die Ernährungssicherung der Bevölkerung entscheidend sind, durch eine erneute, stärkere und nachhaltige Einbindung organischer Abfälle entgegengewirkt werden kann und so wie einst multifunktionale, nachhaltige und fruchtbare Agroforstsysteme entstehen können. Dieses Ziel wurde in drei untergeordnete Ziele unterteilt: (1) das Verständnis des Ist-Zustandes des organischen Abfallmanagements im Forschungsgebiet, (2) die Untersuchung von Modifikationsmöglichkeiten für nachhaltige Bananen-Kaffee-basierte Agrarforstsysteme sowie (3) die Evaluierung der Optimierungsmöglichkeiten des organischen Abfallmanagements zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion. Für jedes Ziel wurde eine Forschungsfrage entwickelt: (1) Inwieweit werden die organischen Abfälle bereits genutzt (Ist-Zustand) und kann abgeschätzt werden, ob das momentane Abfallmanagement ausreicht, um die Bodenfruchtbarkeit und die Produktion von Nahrungsmitteln und Energieträgern zu erhöhen und damit die Armut zu reduzieren; (2) Ob und wie das derzeitige Management organischer Abfälle verbessert werden könnte, um die Bodenfruchtbarkeit und die Biomasseproduktion zu erhöhen; (3) Ob und wie negative Nährstoffbilanzen in positive umgewandelt werden können, wenn das organische Abfallmanagement in den Anbausystemen optimiert und verbessert in den landwirtschaftlichen Stoffkreislauf integriert werden würde. Zur Beantwortung der ersten Frage wurden 150 kleinbäuerliche Haushalte zu ihrer aktuellen landwirtschaftlichen Produktion, der Verfügbarkeit und Aufbereitung von organischen Abfällen sowie deren Verwendung im Anbau der wichtigsten ein- und mehrjährigen Kulturpflanzen befragt. Die Befragung umfasste geografische und ökonomische Daten sowie haushaltsbezogene und landwirtschaftliche Informationen in Bezug auf den Wasser-Boden-Abfall-Nexus und den Wasser-Energie-Nahrungsmittel-Nexus. Mit den erhobenen Daten wurde eine expertenbasierte Typologie der befragten Haushalte erstellt, um diese nach ihrer Biomasseproduktion sowie der Nutzung von organischen Abfällen zu kategorisieren. Bezüglich der zweiten Frage wurden fünf Fokusgruppendiskussionen mit den Ausbildern und Ausbilderinnen einer lokalen Bauernschule durchgeführt, die in den vergangenen zwei Jahrzehnten mehr als 700 kleinbäuerliche Haushalte in nachhaltiger Landwirtschaft schulten. Dabei wurde ebenfalls eine expertenbasierte Typologie der geschulten Haushalte erstellt. Beide Haushaltstypologien wurden hingehend ihrer Biomasseproduktion, organischen Abfallnutzung und Wohlstandes miteinander verglichen. Im Rahmen der dritten Fragestellung wurden die Nährstoffkreisläufe der Hausgärten von geschulten und nicht geschulten Bauernhaushalten analysiert. Dabei wurden folgende Szenarien berücksichtigt: S0: der normale Betrieb ohne Änderungen (Ist-Zustand); S1: die Nutzung von 80 % des verfügbaren menschlichen Urins; S2: die Einarbeitung von 0,5 Tonnen pro Jahr der krautigen Leguminosenart Crotalaria grahamiana in den Boden; S3: die Produktion von jährlich 5 Kubikmetern CaSa-Kompost, bestehend aus menschlichen Ausscheidungen und Biokohle, und dessen Ausbringung auf 600 Quadratmetern in den Hausgärten; und S4: eine Kombination aus S1, S2 und S3. Entsprechende Daten wurden der Literatur entnommen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einbindung organischer Abfälle auch in degradierten Bananen-Kaffee-basierten Anbausystemen noch immer eine Schlüsselrolle im Nährstoff- und Bodenfruchtbarkeitsmanagement spielt, jedoch zu einem niedrigeren Ausmaß als noch vor 50 Jahren. An Bedeutung verlor dabei auch die traditionelle Weitergabe des Wissens über Kompostierung durch erschwerte sozio-ökonomische Bedingungen. Generell wurde festgestellt, dass Kleinbauernfamilien, die organische Abfälle auf ihren Feldern ausbringen, höhere landwirtschaftliche Erträge erzielen. Das Potenzial zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit wird dabei jedoch aktuell nicht vollständig ausgeschöpft, und nur ein Drittel der herkömmlichen kleinbäuerlichen Haushalte erzielt einen den Lebensumständen annähernd angemessenen Lebensunterhalt (Ist-Zustand). Ein weiteres Drittel der ungeschulten Haushalte nutzt organische Dünger zu einem geringeren Ausmaß und erzielt deswegen und wegen weiterer Schwächen im landwirtschaftlichen Management geringere Ernteerträge. Sie sind damit stärker armutsgefährdet als die erstgenannte Gruppe. Jedoch sind v. a. Haushalte, die von alleinerziehenden Frauen geführt werden (ebenfalls ein Drittel der befragten Haushalte), am stärksten von Ernährungsunsicherheit und Armut betroffen. Dabei spielen problematische, sozio-ökonomische Hintergründe eine erschwerende Rolle. Um das Ausmaß dieser Armutsspirale zu verringern, entwickelte eine lokale Bauernschule eine umfangreiche Ausbildung im Bereich nachhaltiger Landwirtschaft. Die erfolgreiche Implementierung der Ausbildung in die eigene Produktion hat die Lebensgrundlage von mindestens einem Drittel der geschulten Bauernhaushalte deutlich verbessert. Erfolgreich umgesetztes Wissen haben dazu geführt, dass degradierte Bananen-Kaffee-basierte Anbausysteme sich zunehmend zu multifunktionalen Agroforstsystemen entwickeln. Hierdurch hat sich nur für ein Drittel der ausgebildeten Bauern bereits die Lage signifikant verbessert. Ein weiteres Drittel befindet sich noch in dem Transformationsprozess. Ihre Erträge bleiben jedoch unter denen der ersten Gruppe. Die dritte Gruppe innerhalb der geschulten Bauernhaushalte konnte das erworbene Wissen wiederum nicht oder nur kaum in die Praxis umsetzen. Diese Gruppe bleibt in Bezug auf Ernährungssicherheit, Einkommens-diversifizierung und Zugang zu Bildung stark vulnerabel. Im Vergleich der Nährstoffbilanzen der Hausgärten zwischen den geschulten und den ungeschulten Bauernhaushalten zeigen erstere eher eine positive Nährstoffbilanz als letztere. Obwohl sich die Nährstoffbilanzen der Felder ungeschulter Haushalte unter allen Managementszenarien verbessern würden, würden sie jedoch noch negativ bleiben, insbesondere für Stickstoff. Darüber hinaus sind die Nährstoffkreisläufe in den Hausgärten aller Familien nicht geschlossen, da ein Großteil der Nährstoffe aus der Umgebung importiert wird, z. B. durch die Verwendung von Futtermittel aus dem umliegenden Grasland.:List of figures 7 List of tables 13 Abbreviations and acronyms 17 Units 20 Abstract 21 Zusammenfassung 23 1 Introduction 29 1.1 Problem identification and structure of this thesis 29 1.2 Study area 31 1.2.1 Environment 31 1.2.2 History and development of agriculture 37 1.2.3 Social, economic, and ecological challenges 44 1.3 Objectives 46 1.4 Research questions 47 1.4.1 The status quo of organic farm waste management 48 1.4.2 The transition towards multifunctionality 49 1.4.3 The optimisation of farm waste management 50 1.5 List of publications 53 2 Status quo of organic farm waste management 55 Highlights 55 Graphical abstract 56 Abstract 56 Keywords 57 2.1 Introduction 57 2.2 Background 59 2.2.1 The development of banana-coffee-based farming systems in Karagwe 59 2.2.2 The traditional role of organic farm waste 62 2.3 Materials and methods 63 2.3.1 Study area 63 2.3.2 Methods 65 2.4 Results 67 2.4.1 Farm household typology 67 2.4.2 Status quo of the farm waste management 72 2.4.3 Today's gender roles in agriculture 75 2.5 Discussion 78 2.6 Conclusions and recommendations 81 2.7 Declaration of competing interest 82 2.8 Acknowledgements 82 2.9 References 83 3 Traditional and adapted composting practices 91 Abstract 91 3.1 Introduction 92 3.1.1 Banana-coffee-based farming systems in the highlands of Tanzania 95 3.1.2 Composting practices 98 3.1.3 Traditional: In-situ and pit composting 100 3.1.4 Adapted: On-surface composting 101 3.2 Case studies 102 3.2.1 Traditional composting in the Kagera region 102 3.2.2 On-surface composting in the Morogoro region 104 3.3 Discussion 107 3.4 Conclusion 109 3.5 References 110 4 Transition towards multifunctional farming systems 115 Graphical abstract 115 Highlights 116 Abstract 116 Keywords 117 4.1 Introduction 117 4.2 Materials and methods 120 4.2.1 Study area 120 4.2.2 CaSa-compost 120 4.2.3 Data collection 121 4.2.4 Data analysis 124  4.3 Results 125 4.3.1 Group A: Successful farm households 126 4.3.2 Group B: Moderate successful farm households 134 4.3.3 Group C: Failing farm households 136 4.3.4 Remaining challenges and bottlenecks 138 4.4 Discussion 139 4.5 Conclusions and recommendations 143 4.6 Acknowledgements 144 4.7 References 145 5 Optimised nutrient management 155 Abstract 155 Keywords 156 5.1 Introduction 157 5.2 Materials and methods 158 5.2.1 Study area 158 5.2.2 Data 160 5.3 Results 175 5.4 Discussion 181 5.4.1 Methodology 181 5.4.2 Results 181 5.5 Conclusions and recommendations 186 5.6 Appendix A 188 5.7 References 192 6 Synthesis 199 6.1 Summary and discussion of the results 199 6.1.1 The status quo of organic farm waste management 199 6.1.2 The modification of traditional farm waste management 203 6.1.3 The optimisation of farm waste management 206 6.2 Relevance to the Sustainable Development Goals (SDGs) 208 6.3 Outline of a roadmap for the implementation of the SDG target 2.4 211 6.4 Limitations 215 6.5 Concluding discussion and recommendations 215 7 References 221 8 Appendix 233 8.1 Data set of smallholder farm households 233 Abstract 234 Keywords 235 8.1.1 Specifications table 235 8.1.2 Value of the data 237 8.1.3 Data description 237 8.1.4 Experimental design, materials, and methods 238 Ethics statement 240 Declaration of competing interest 240 Acknowledgments 240 References 240 8.2 Survey data 243 8.2.1 Meta data 243 8.2.2 Geographical data 245 8.2.3 Household information 251 8.2.4 Agricultural information 257 8.2.5 Economic data and Water-Energy-Food (WEF) Nexus 285 8.2.6 Gender-specific distribution of tasks within the farming family 298

Die Ernährungssicherheit ist bedroht, unter anderem durch den Klimawandel. Eine Zunahme der Wetterextreme kann zu deutlichen Ertragseinbußen führen. Deshalb ist eine Quantifizierung des Klimaeinflußes auf die Landwirtschaft nötig um eine rechtzeitige Anpassung zu ermöglichen. Die vorliegende Dissertation schlägt daher Verbesserungen für Ertragsmodelle in Bezug auf Klimaextreme vor. Der erste Teil ist eine Metastudie zur Strukturierung von Wissen. Eine neue Methode wird zum Aufbau eines enzyklopädischen Netzwerks verwendet. Dieses erlaubt Vorschläge zur Modellverbesserung abzuleiten. Zwei davon, Ozonschäden und extreme Temperaturen, werden folgend behandelt. Der zweite Teil behandelt Ertragseinbußen durch Ozon. Das Ertragsmodell LPJmL wird um Ozonstress erweitert und damit globale Ertragseinbußen bei Weizen und Soja abgeschätzt. Wasserdargebot, Temperatur und CO2-Konzentration werden berücksichtigt, im Gegensatz zu früheren Abschätzungen. Laut Analyse kann Ozon zu Ernteeinbußen von bis zu 50% führen. Der dritte Teil behandelt Schäden durch hohe Temperaturen. Es wird untersucht, inwieweit neun Modelle die Effekte von Hitze auf Mais, Soja und Weizen in den USA abbilden. Das Modellkollektiv kann beobachtete Verluste quantitativ reproduzieren und legt Wasserstress als Ursache dafür nahe. Erhöhte CO2-Konzentrationen können laut Modellen die Ernteeinbußen nicht verringern, im Gegensatz zu gegenwärtigen Überzeugungen. Der vierte Teil enthält ein statistisches Modell, mit dem der Anteil des Wetters an globalen Ertragsschwankungen berechnet wird – unter Berücksichtigung von Hitze- und Froststress. Dieser Anteil wird bei Mais, Soja und Weizen global auf 15-42% beziffert. Weitere Ergebnisse zeigen über 50% Vorhersagekraft des Modells bereits zwei Monate vor der Ernte. Die vorliegende Arbeit stellt die negativen Einflüsse von Ozon und Hitze für die Landwirtschaft und damit die Ernährungssicherheit heraus. Die Vorteile der Anwendung mehrerer Modelltypen werden hervorgehoben. / Agricultural production and thus food security are under pressure, in particular by climate change. Climate extremes are likely to increase and may diminish harvests. Hence it is decisive to quantify such impacts. Consequently, this thesis aims at improving crop models with respect to climate extremes. The first part is a meta-study for structuring knowledge on crop physiology. A novel method is used to build a network-based encyclopedia. This allows for deducing improvement suggestions for crop models. Two of these suggestions (ozone and extreme temperatures) are treated in the following. The second part analyses crop losses from ozone damage. The crop model LPJmL is enhanced by ozone stress and used to simulate global historical wheat and soybean yield losses. Crop water status, temperature and CO2 are considered as modulators of ozone damage – an improvement over previous global assessments. The analysis indicates that ozone can cause yield losses up to occasional 50%. The third part treats effects of high temperatures on yields. It is assessed to what extent nine crop models can reproduce effects of heat on maize, soybean and wheat yields in the US. The model ensemble simulates observed yield losses in the correct quantities and suggests that they stem from water stress. It is hypothesized that future US yields could suffer from heat losses even under elevated CO2, contrary to current convictions. The fourth part describes a statistical model to assess the global share of weather-driven yield variability, considering heat and frost stress. The influence of weather on yield variability of maize, wheat and soybeans is quantified as 15-42% globally. Results also suggest a yield forecasting capacity of more than 50% two months before harvest in several countries. This thesis underlines the negative influence of ozone and high temperature stress on agricultural production and, consequently, food security. The benefits of using diverse types of models are highlighted.

Humans are simultaneously facing challenges as climate change, epidemics and scarcity of food and water. It is estimated that by 2021 over 690 million of people will face hunger; by 2050 the global population will increase up to 10 billion with 68% of the population living in urban areas. By providing 30% of self-sufficient food in 2030, urban agriculture will be a practical concept to face these challenges. The work studies the role of agricultural land as a critical part for a resilient city. Parameters related to food production are also explored. As study case, this work aims to investigate the current food security of the Ho Chi Minh city (HCMC), offering productive green solutions at different scales from land-use planning, urban design to green roofs. For a production of 6.7 kg/day of vegetables a day, the costs of are approximately $10,000 for nearly 5.6 square meters of land; this points out A-Go-Gro technology as an effective measure for vertical farming. For example, 0.18 ha of green space can produce 2 tons of vegetables per day in the Lake View settlement (district 2 in HCMC). Moreover, due to green roofs, stormwater volumes directed into the sewer system are decreased by 65% and the penetration of electromagnetic radiation is reduced by 99.4%. / Loài người đang đồng thời đối mặt với những thách thức như biến đổi khí hậu, dịch bệnh, khan hiếm thực phẩm và nước. Ước tính đến năm 2021 có hơn 690 triệu người đói và đến năm 2050 dân số toàn cầu tăng lên gần 10 tỷ người, với 68% sống ở khu vực thành thị. Được sử dụng để tự cung tự cấp 30% lương thực vào năm 2030, nông nghiệp đô thị là một khái niệm hiệu quả cho những thách thức. Bài báo là nghiên cứu đất nông nghiệp như một phần quan trọng cho một thành phố có khả năng phục hồi. Các thông số liên quan đến sản xuất lương thực được nghiên cứu. Bài báo cũng tìm hiểu an ninh lương thực của thành phố Hồ Chí Minh hiện nay. Hơn nữa, bài báo đưa ra các giải pháp phủ xanh hiệu quả trên các quy mô khác từ quy hoạch sử dụng đất, thiết kế đô thị đến mái nhà xanh tại các hộ gia đình. Với chi phí 10.000 USD và gần 5,6 mét vuông đất trồng 6,7 kg rau mỗi ngày, công nghệ A-Go-Gro là một biện pháp hữu hiệu cho canh tác theo chiều dọc. Như vậy 0,18 ha không gian xanh có thể sản xuất 2 tấn rau mỗi ngày tại khu dân cư Lake View ở quận 2. Hơn nữa, bằng cách làm mái nhà xanh, nước mưa giảm đến 65% vào hệ thống cống và sự xâm nhập bức xạ điện từ giảm 99,4%.

Die Landwirtschaft ist heute der wichtigste Treiber der globalen Degradation von Ökosystemen. Es existiert jedoch wenig konkretes Wissen, wie Ökosysteme zu schützen sind und gleichzeitig die Nahrungsproduktion für die wachsende Weltbevölkerung gesichert werden kann. In dieser Dissertation untersuche ich Optimierungsmöglichkeiten im landwirtschaftlichen Wassermanagement. Ich quantifiziere praxisorientierte Verbesserungen der Regenwassernutzung und Optimierungen von Bewässerungssystemen, unter Einhaltung der „environmental flow requirements“ (EFRs). Um diese komplexen Interaktionen zu untersuchen, entwickle ich ein agro-hydrologisches Modell auf Basis detaillierter, mechanistischer Prozessabbildung weiter. Erstens, 39% der derzeitigen Wasserentnahmen für Bewässerung sind nicht nachhaltig und somit auf Kosten der Ökosysteme. Zweitens, solche lokalen Wasserentnahmegrenzen legen nahe, dass die globale Grenze für den menschlichen Wasserverbrauch deutlich niedriger liegt, als bisher angenommen (2800 vs 4000 km3yr-1). Drittens, die Implementierung von EFRs würde die landwirtschaftliche Produktion erheblich beeinträchtigen, mit >20% in stark bewässerten Gebieten. Verbesserte Nutzung des Niederschlagswassers und die Optimierung von Bewässerungssystemen, können die weltweite Nahrungsmittelproduktion allerdings um rund 40% nachhaltig steigern - ausreichend, um die Nahrungsmittellücke der wachsenden Weltbevölkerung bis 2050 zu halbieren. Zusammenfassend stellt diese Arbeit die erste umfassende und systematische Einschätzung globaler Potentiale der nachhaltigen Intensivierung der Landwirtschaft aus der Wasserperspektive dar. Die in dieser Arbeit vorgebrachten innovativen und quantitativen Erkenntnisse legen nahe, dass das Potential der diskutierten Interventionen höhere politische Aufmerksamkeit erfahren sollte. Meine Ergebnisse können eine konkretere Diskussion zur Umsetzung der Sustainable Development Goals untermauern. / Agriculture is today''s most important driver of ecosystem degradation across scales. However, there is little evidence on how to attain the historic twin-challenge of maintaining environmental integrity while producing enough food for a growing world population. In this thesis, I assess opportunities in agricultural water management to reconcile future food needs with environmental limits to water use. I explore solution-oriented ways to improve rainfed and irrigation systems alike, while safeguarding environmental flows (EFRs). To study complex interactions quantitatively, I advanced a state-of-the-art global modeling framework based on detailed, mechanistic process representation. First, a systematic upscaling of EFRs to global coverage indicates that 39% of current freshwater withdrawals for irrigation are unsustainable and occur at the cost of ecosystems. Second, accounting for EFRs indicates that the planetary boundary for freshwater use might be notably lower (2800 vs. 4000 km3yr-1) than expected. Third, maintaining EFRs would significantly affect food production, cutting >20% of total kcal production across intensely irrigated areas. Fourth, improving irrigation systems in combination with optimizing the use of precipitation water, provides effective and accessible measures to compensate for adverse impacts from protecting EFRs and climate change. Such integrated interventions could sustainably intensify global food production (+40% kcal) to the degree sufficient to halve the global food gap by 2050. In conclusion, this thesis provides the first comprehensive and systematic assessment of hitherto largely unquantified water opportunities in sustainable intensification of agriculture. While requiring corroboration by finer-scale research, the innovative quantitative foundation provided in this thesis suggests that farm water management merits a rise in political attention, and it can inform a more comprehensive discussion of related SDG target interactions.

Die Anzahl der unterernährten Menschen in der Welt steigt seit 2017 wieder an. Der Klimawandel wird den Druck auf die Landwirtschaft und die Ernährungssicherheit weiter erhöhen, insbesondere für kleinbäuerliche und von Subsistenzwirtschaft geprägte Agrarsysteme in den Tropen. Um die Widerstandsfähigkeit der Ernährungssysteme und die Ernährungssicherheit zu stärken, bedarf es eines Klimarisikomanagements und Klimaanpassung. Dies kann sowohl die Antizipation als auch die Reaktion auf die Auswirkungen der globalen Erwärmung ermöglichen. Eine zentrale Rolle spielen in dieser Hinsicht landwirtschaftliche Modelle. Sie können die Reaktionen von Pflanzen auf Veränderungen in den Klimabedingungen quantifizieren und damit Risiken identifizieren. Diese Dissertation demonstriert anhand dreier in Peru, in Tansania und in Burkina Faso durchgeführten Fallstudien, wie statistische Ertragsmodelle das Klimarisikomanagement und die Anpassung in der tropischen Landwirtschaft unterstützen können. Während die erste Studie zeigt, wie Klimaanpassungsbestrebungen unterstützt werden können, werden in Studie zwei und drei statistische Modelle genutzt, um Ertrags- und Produktionsvorhersagen zu erstellen. Die Ergebnisse können dazu beitragen, Frühwarnsysteme für Ernährungsunsicherheit zu unterstützen. In den drei Veröffentlichungen werden neue Ansätze statistischer Ertragsmodellierung auf verschiedenen räumlichen Ebenen vorgestellt. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der Weiterentwicklung von bisherigen Ertragsvorhersagen, insbesondere in Bezug auf unabhängige Modellvalidierungen, eine stärkere Berücksichtigung von Wetterextremen und die Übertragbarkeit der Modelle auf andere Regionen. / The number of undernourished people in the world has been increasing since 2017. Climate change will further exacerbate pressure on agriculture and food security, particularly for smallholder and subsistence-based farming systems in the tropics. Anticipating and responding to global warming through climate risk management is needed to increase the resilience of food systems and food security. Crop models play an indispensable role in this regard. They allow quantifying crop responses to changes in climatic conditions and thus identify risks. This dissertation demonstrates how statistical crop modelling can inform climate risk management and adaptation in tropical agriculture in the case studies of Peru, Tanzania and Burkina Faso. While the first study shows how statistical crop models can support climate adaptation, studies two and three provide yield and production forecasts. The results can contribute to supporting early warning systems on food insecurity. The three publications present novel approaches of statistical yield modelling at different spatial scales. A particular focus is on further developing existing yield forecasts, especially with regard to independent rigorous model validations, improved consideration of weather extremes, and the transferability of the models to other regions.