Diese Arbeit beschäftigt sich mit Aerial Rivers („luftgetragenen Flüssen“), den bevorzugten Wegen des Flusses von Feuchte in der Atmosphäre. Ziel ist es, die Voraussetzung für deren Integration in aktuelle Paradigmen der Wasserwirtschaft zu schaffen. Im Mittelpunkt der Arbeit stehen Amazonien und die angrenzenden Gebiete, also Regionen der Erde, in denen sich derzeit der Landnutzungswandel mit am schnellsten vollzieht. Aus theoretischer Sicht wird das Wissen über die Verbindung zwischen Aerial Rivers und Oberflächenflüssen erweitert. Mit Hilfe eines Algorithmus zur Verfolgung des atmosphärischen Feuchtigkeitstransports werden die Auswirkungen von entferntem Landnutzungswandel in Windrichtung auf die Niederschlagsmenge einer Zielregion quantifiziert. Die räumliche Heterogenität des Einflusses der gesamten Quellevapotranspirationsfläche (precipitationsehed) auf die/den empfangene/n Niederschlagsmenge/Oberflächenabfluss der Zielregion wird untersucht und führt zur Identifizierung der „Most Influential Precipitationshed“ (MIP), der für Managementzwecke relevantesten Teilfläche. Ein Aerial River-Managementbeispiel für Santa Cruz (Bolivien) zeigt, dass die strategische Wiederaufforstung im MIP sowohl die Niederschlagsmenge als auch den empfangenen Oberflächenabfluss erhöht und 22%-59% des zukünftigen Wasserbedarfszuwachses einer schnell wachsenden Stadt decken kann. Weiterhin werden sozio-technische Regime entlang von Aerial Rivers, die zu Extremereignissen wie Megadürren beitragen können, mit Hilfe der sozialwissenschaftlichen Methode der Multi-Level-Perspektive (MLP) untersucht. Ursachen wie Bodenpolitik und Marktinterventionen in Brasilien und Bolivien steuern weit entfernte kolumbianische Energieregime und deren Wandel. Aerial Rivers sind also zentral für zukünftiges Gewässermangement einschließlich Wasserkraft; ihr Management erfordert jedoch eine ganzheitliche Betrachtung der gesellschaftlichen Schnittstellen über administrative Grenzen und Sektoren hinweg. / Aerial rivers are the preferential pathways of moisture flows in the atmosphere. They connect the atmosphere, the water system, and the land system. This thesis aims to provide knowledge for integration of aerial rivers into management of these systems. It focuses on Amazonia and adjacent areas, which collectively experience some of the most rapid land use change on the planet. This thesis further develops three key aspects (theoretical, technical, and societal) of knowledge concerning aerial rivers. From a theoretical aspect, it advances the knowledge of connection between aerial rivers and surface rivers. Using a moisture tracking algorithm, the impact from upwind land use change via aerial rivers on target regions’ runoff reception is quantified. Spatial heterogeneity in the influence of the precipitationshed on runoff reception of the target region is found, implying a need to determine the most influential precipitationshed (MIP) for management purposes. From a technical aspect, the work demonstrates an aerial river management example for a rapidly growing city. It is shown that strategic reforestation in the MIP can increase both rainfall and runoff reception and secure 22%-59% of a rapidly growing city’s future water needs. Finally, the work explores the societal aspect of aerial river management. Socio-technical regimes along aerial rivers contributing to extreme events of mega-drought were traced through the social scientific method of multi-level perspective. It reveals that the source regimes such as land policy and market interventions in Brazil and Bolivia govern remote Colombian energy regimes and their transitions through aerial rivers. These findings show that aerial rivers are relevant and viable options for the development of future water resources - including hydropower - but their management will require a holistic consideration of the various societal interfaces as they cross jurisdictional boundaries and sectors.

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

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Die Wasserknappheit wird aufgrund des Klimawandels voraussichtlich häufiger und intensiver auftreten, wodurch die Wasserkonkurrenz zunimmt und die Nahrungsmittelproduktion gefährdet wird. Höhere Temperaturen und längere Dürren können auch die Wasserverfügbarkeit der Tierhaltung beeinflussen. In Folge dessen kann es zu einer Verringerung des Futterangebots und damit zu einer Beeinträchtigung der Produktion kommen. Auch aus diesem Grund sind nachhaltige und resiliente Produktionssysteme erforderlich, um den Nahrungsmittelbedarf einer wachsenden Bevölkerung zu decken. Auf Pflanzenproduktion und Tierhaltung entfallen 72 % der weltweit entnommenen Wassermenge. Der Löwenanteil des Wasserbedarfs in der Tierhaltung besteht bei der Futtermittelproduktion. Weiterhin wird Wasser für die Trinkwasserbereitstellung sowie für die Reinigung und die Kühlung der Ställe benötigt. Tierproduktionssysteme müssen zukünftig mit betrieblichen Maßnahmen die Wasserressourcen besser ausnutzen. Die Steigerung der Wasserproduktivität in der Pflanzenproduktion und der Tierhaltung durch eine integrierte Bewirtschaftung und Steuerung der eingesetzten Wasserressourcen sind hierfür von entscheidender Bedeutung. Die Wasserproduktivität beschreibt das Verhältnis von Output zu Input: das Verhältnis von Output (z. B. kg Milch) zu produktivem Wasserinput (z. B. m³ Transpiration). Das Wasserinput umfasst den direkten Wassereinsatz und den indirekten Wassereinsatz, z.B. für zugekaufte Futtermittel. Die Ermittlung der Wasserproduktivität wird vor allem bei der Bewertung von landwirtschaftlichen Maßnahmen zur Verbesserung des Niederschlags- und technischen Wassereinsatzes in der Tier- und Pflanzenproduktion benötigt. Zur Steigerung der Wasserproduktivität und auch um die Umweltwirkungen der Tierhaltungssysteme zu verringern, bedarf es einheitlicher Methoden. Im Jahr 2019 hat die Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) mit dem Livestock Environmental Assessment and Performance (LEAP) Partnership Richtlinien für die Bewertung der Wassernutzung in Tierproduktionssystemen und zugehöriger Lieferketten veröffentlicht. Zielsetzung ist die Ermittlung der Wasserflüsse auf betrieblicher Ebene, um einerseits die Wasserproduktivität zu ermitteln und andererseits den Beitrag der Tierhaltung zu einer möglichen Wasserknappheit zu bewerten. In dieser kumulativen Dissertationen werden die Ergebnisse der ersten Anwendung dieser Leitlinien der FAO in landwirtschaftliche Betriebe in Brasilien vorgestellt. In referierten Fachzeitschriften wurden bereits drei Originalarbeiten veröffentlicht. Im Rahmen der drei Veröffentlichungen wurde die Wasserproduktivität wurde für 115 Betriebe (Schweine-, Geflügel- und Milchviehbetriebe) im Einzugsgebiet des Lajeado Tacongava in Südbrasilien berechnet, wobei die Auswirkungen der Viehzucht auf die Wasserknappheit bewertet wurden. Die Ergebnisse der ersten und zweiten bereits veröffentlichten Originalarbeiten zeigen den großen Einfluss von Futtermitteln auf die Wasserproduktivität tierischer Erzeugnisse. Die Ergebnisse unterstreichen daher die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen Pflanzenproduktion und Tierhaltung. Die Niederschlagswasserproduktivität der Futterproduktion muss verbessert werden, um das Management der Tierernährung zu optimieren. Darüber kann eine höhere Wasserproduktivität der Tierhaltung insgesamt erreicht werden. In Milchviehbetrieben zeigen die Ergebnisse, dass die Wasserproduktivität direkt von den Indikatoren für eine höhere Milchproduktivität des Betriebs abhängt, unabhängig von der Art des Produktionssystems, und unterstreichen die Bedeutung der Bewertung dieses Indikators WP auf Betriebsebene. Die dritte Veröffentlichung standen die Umweltauswirkungen der Wassernutzung der Tierhaltung im Fokus. Die Bewertung der Auswirkungen der Wassernutzung ergab eine geringe Wasserknappheit im untersuchten Wassereinzugsgebiet. Die Wasserknappheit ist nicht alarmierend, selbst bei den Szenarien mit geringerer Verfügbarkeit von Wasser. Die Produktion von Schweinen wies den größten „Fußabdruck der Wasserknappheit“ im Wassereinzugsgebiet auf, gefolgt von der Milch- und Geflügelproduktion. Diese Dissertation trägt dazu bei, das Wissen über die Wasserflüsse, die Wasserproduktivität der Schweine- und Geflügelproduktion und die Milchproduktion in verschiedenen Produktionssystemen auf betrieblicher Ebene zu erweitern. Es sind die ersten Berechnungen der Wasserproduktivität dieser Tierproduktionssysteme in brasilianischen Betrieben und die erste Bewertung der Auswirkungen der Wasserknappheit in der Tierproduktion in einem brasilianischen Einzugsgebiet. Zudem wurde das Land Brasilien damit in die internationale wissenschaftliche Diskussion zu diesem Thema eingeführt. Die LEAP-Richtlinien der FAO wurden in dieser ersten Studie in Brasilien erfolgreich angewandt. Auf der Grundlage der Ergebnisse wird eine breite Anwendung der Leitlinien empfohlen, um die Berechnung von zuverlässigen und vergleichbaren Ergebnissen zu gewährleisten und die Entscheidungsfindung von Regierung, Wirtschaft und Gesellschaft im Hinblick auf eine resiliente und nachhaltige landwirtschaftliche Produktionssysteme zu unterstützen. / Water shortages caused by persistent and severe droughts and changes in rainfall patterns are expected to be more frequent and intense due to climate change, increasing water competition and posing food production at risk. Therefore, sustainable and resilient food systems are needed to meet the demand of a growing population. Plant production and animal husbandry account for 72% of the water withdrawn worldwide. Most water consumed in livestock production is for animal feed production. Water is also needed to provide drinking water and to clean and cool the stables. In this context, increasing agriculture and livestock water productivity (WP) is crucial, along with integrated management and governance of water resources. WP describes the ratio of output (e.g. kg milk) to water input (e.g. m³ evapotranspiration). Water input includes direct (e.g. water intake) and indirect (e.g., water for purchased feed) water use. WP calculations are used primarily in evaluating agricultural measures to improve rainfall and technical WP in livestock and crop production. Consistent methods are needed to increase WP and also to reduce the water-related environmental impact of livestock systems. Recently, the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), through the Livestock Environmental Assessment and Performance (LEAP) Partnership, launched reference guidelines for assessing water use in livestock production systems and supply chains. The FAO LEAP guidelines aim to understand the water flows on a farm scale and evaluate the contribution of livestock activities to water scarcity, supporting the identification of opportunities to reduce the potential water use impacts in this sector. This cumulative thesis presents the results of the first application of the FAO LEAP guidelines on farms located in Brazil. Three original publications were published in peer-reviewed journals. The WP was calculated based on primary data collected on 115 farms (pig, poultry and dairy) located within the Lajeado Tacongava watershed in southern Brazil, where the water scarcity impact associated with livestock production was assessed. The results of the first two original papers published show the high influence of feed production on the WP of animal products. Therefore, the results emphasize the need for close cooperation between feed production and livestock production to improve WP. Rainfall WP of feed production can be improved to optimize animal nutrition management. In addition, higher livestock WP can be achieved. In dairy farms, results indicate that WP is directly dependent on dairy productivity indicators of the farm, regardless the type of production system, and reinforce the importance of assessing this indicator on a farm scale. In the third publication, the environmental impact of water use in livestock production was investigated. The water scarcity impact assessment demonstrated a low water scarcity in the watershed and it is not alarming even in the driest water flow scenarios. Pig production presented the highest water scarcity footprint in the watershed, followed by dairy farming and poultry production. This dissertation contributes to the advancement of knowledge on the water flows, WP of pig, poultry and milk produced under different production systems on farm scale, which are the first WP benchmarks for these animal production systems in Brazilian farms. It also introduced Brazil to the international scientific discussion on this topic. Some suggestions of potential improvements for the guidelines are presented in this study. The FAO LEAP guidelines were successfully applied in its first study in Brazil. Based on the results of this study, the guidelines’ widespread use is recommended to ensure reliable and comparable results to support government, business and society decision-making toward a more resilient and sustainable food supply chain.

Wasser ist eine der wichtigsten Ressourcen. Jedoch schätzt man, dass sich das globale Wasserdefizit schon im Jahr 2030 auf ca. 40 Prozent belaufen wird. Klimawandel, veränderte Lebensweisen, und Bevölkerungswachstum verstärken das Nachfrage-Angebot-Defizit. Als Konsequenz leiden immer mehr Regionen unter Wasserknappheit. Eine reduzierte Wassernachfrage bedingt durch verstärktes Wassersparen kann das Problem verringern. Das Ziel dieser Dissertation ist es daher, zu einem besseren Verständnis der sozio-demographischen und psychologischen Determinanten von Wassersparverhalten beizutragen. Basierend auf drei Datensätzen aus Deutschland und Jordanien wurden die verschiedenen Facetten von Wassersparverhalten und deren Determinanten beleuchtet. Das Verhältnis zwischen Wassersparen und Umwelteinstellung, einem latenten Konstrukt, das kooperative, prosoziale und sogar moralische Tendenzen widerspiegelt, wurde konzeptionell untersucht. Zusätzlich wurde Wassersparen in Deutschland als ein Repräsentant für moralisches Verhalten verwendet. In diesem Zusammenhang wurden Umwelteinstellung und der Persönlichkeitsfaktor Ehrlichkeit-Bescheidenheit auf ihr Vermögen hin verglichen, moralisches Verhalten vorherzusehen. Eine ausführliche Analyse zur Bewertung einer Kampagne zur Förderung des Wassersparbewusstseins hat detaillierte Informationen zu ihren tatsächlichen Effekten gezeigt. Eine weitere Analyse hat sich auf die Determinanten von Wassersparverhalten in Jordanien konzentriert. Die Ergebnisse zeigen, dass Wassersparverhalten nicht durch Alter, Bildungsgrad und Einkommen beeinflusst wird, sondern eher durch die Ausprägung der Umwelteinstellung. Diese Dissertation liefert wertvolle Informationen für Forscher und Politiker. Die detaillierte Untersuchung von verschiedenen Wasserspardeterminanten birgt großes Potenzial für ein verbessertes Wassermanagement. / Water is one of the most important resources. However, the global water deficit was estimated to reach about 40% by 2030. Climate change, changing lifestyles, and population growth increase the supply and demand gap further. As a consequence, more and more regions experience water scarcity. In that context, reduced household water demand due to enhanced water conservation could alleviate the problem or, at least, reduce the pressure on water resources. Thus, this thesis aims to contribute to a better understanding of the socio-demographic and psychological determinants of water conservation behavior. Based on three distinct datasets from Germany and Jordan, the manifold facets of water conservation and its determinants were examined. From a conceptual perspective, the relationship between water conservation and environmental attitude, a latent construct representing cooperative, prosocial, and even moral tendencies, were investigated. Furthermore, water conservation in Germany was used as a proxy for moral behavior. In that respect, environmental attitude and the personality factor Honesty-Humility were compared in order to determine, which factor constitutes the better predictor of moral behavior. Using original data from Jordan, a comprehensive impact evaluation of a water conservation awareness campaign revealed detailed information on its actual effects. Another analysis focused on a wide variety of water conservation determinants in Jordan. The results indicate that water conservation does not differ with respect to age, education, and income, but rather with different levels of environmental attitude. This thesis provides valuable information for researchers and policy makers alike. The detailed examination of various water conservation determinants offer a great potential for an improved management of household water demand.

Diese Arbeit ist die erste systematische Analyse des globalen Bewässerungsbedarfs für die Bioenergieproduktion des 21. Jahrhundert. In der aktuellen Literatur finden sich diesbezüglich Prognosen von 128,4–9000 km3 yr−1. Die Zahlen hängen stark von den gewählten Parametern und Annahmen sowie den angewandten Methoden und Modellen ab. In systematischen Simulationen für die wichtigsten Parameter mit dem globalen Vegetationsmodell LPJmL, ergeben sich zwei mögliche Pfade um die Erwärmung auf 1.5°C zu begrenzen. Entweder müssten hocheffiziente Bioenergiesysteme entwickelt werden oder es müsste eine unbegrenzte Plantagenfläche bewässert werden dürfen, ohne dabei den Wasserbedarf der Ökosysteme zu berücksichtigen. Letzteres führt zu einem Interessenkonflikt, bei dem die Biomasseproduktion zur Klimarettung auf der einen Seite und der Schutz von Ökosystemen auf der anderen Seite stehen. Ein weiteres Dilemma wird sichtbar, wenn man den Wasserstress, der sich aus der zusätzlichen Bewässerung ergäbe, mit dem in einer durch ungebremsten Klimawandel um 3°C erwärmten Welt ohne Bioenergie vergleicht: In beiden Szenarien könnte (im Vergleich zu heute) der Wasserstress bis zum Ende des 21. Jahrhunderts stark steigen. Tatsächlich ergäbe sich im Bioenergie-Szenario aber sogar potenziell mehr Wasserstress als im Klimawandel-Szenario. Nachhaltiges Wassermanagement als Kombination aus Wasserentnahmebeschränkungen gemäß den Anforderungen von Flussökosystemen und verbessertem Wassermanagement auf agrarischen Nutzflächen hätte das Potenzial, diesen zusätzlichen Wasserstress zu begrenzen, wäre jedoch auf globaler Ebene schwierig zu etablieren. Diese Arbeit bestätigt, dass Bioenergieplantagen neben den Negativemissionen, die sie liefern sollen, auch zu unerwünschten Nebenwirkungen in anderen Dimensionen des Erdsystems führen könnten. / This thesis provides a first systematic assessment of 21st century global irrigation water demands for bioenergy production, for which the current body of literature projects a range of 128.4–9000 km3 yr−1. The numbers strongly depend on the parameters and assumptions chosen as well as methodologies and models applied. Systematic simulations for the identified key parameters in the dynamic global vegetation model LPJmL yield that even with optimal bioenergy plantation locations, 1.5°C can only be reached in scenarios with highly efficient bioenergy systems or strong irrigation expansion without withdrawal limitations. As a result of the large irrigation requirements, a conflict of interest arises between producing sufficient biomass and protecting environmental flows. A further dilemma is delineated by a comparison of the water stress resulting from the additional irrigation needed to limit climate change and the water stress in a 3°C warmer world without bioenergy. In both scenarios, the global area and the number of people experiencing water stress would increase severely by the end of the 21st century. The bioenergy scenario shows even higher water stress than the case of unmitigated climate change. Sustainable water management, as a combination of water withdrawal restrictions according to environmental flow requirements and improved on-field water management, has the potential to limit this additional water stress. But it would be a challenge to establish such strategies on a global scale. This work confirms that in order to provide large amounts of negative emissions, BECCS might lead to undesired deterioration of our environment and impacts for humanity. It further highlights the dilemma of rising water stress regardless whether climate change or climate change mitigation via irrigated bioenergy become a reality.