Diversity, local uses and availability of medicinal plants and wild yams in the Mahafaly region of south-western Madagascar

Short summary: This study was undertaken to assess the diversity of plant resources utilized by the local population in south-western Madagascar, the social, ecological and biophysical conditions that drive their uses and availability, and possible alternative strategies for their sustainable use in the region. The study region, ‘Mahafaly region’, located in south-western Madagascar, is one of the country’s most economically, educationally and climatically disadvantaged regions. With an arid steppe climate, the agricultural production is limited by low water availability and a low level of soil nutrients and soil organic carbon. The region comprises the recently extended Tsimanampetsotsa National Park, with numerous sacred and communities forests, which are threatened by slash and burn agriculture and overexploitation of forests resources. The present study analyzed the availability of wild yams and medicinal plants, and their importance for the livelihood of the local population in this region. An ethnobotanical survey was conducted recording the diversity, local knowledge and use of wild yams and medicinal plants utilized by the local communities in five villages in the Mahafaly region. 250 households were randomly selected followed by semi-structured interviews on the socio-economic characteristics of the households. Data allowed us to characterize sociocultural and socioeconomic factors that determine the local use of wild yams and medicinal plants, and to identify their role in the livelihoods of local people. Species-environment relationships and the current spatial distribution of the wild yams were investigated and predicted using ordination methods and a niche based habitat modelling approach. Species response curves along edaphic gradients allowed us to understand the species requirements on habitat conditions. We thus investigated various alternative methods to enhance the wild yam regeneration for their local conservation and their sustainable use in the Mahafaly region. Altogether, six species of wild yams and a total of 214 medicinal plants species from 68 families and 163 genera were identified in the study region. Results of the cluster and discriminant analysis indicated a clear pattern on resource, resulted in two groups of household and characterized by differences in livestock numbers, off-farm activities, agricultural land and harvests. A generalized linear model highlighted that economic factors significantly affect the collection intensity of wild yams, while the use of medicinal plants depends to a higher degree on socio-cultural factors. The gradient analysis on the distribution of the wild yam species revealed a clear pattern for species habitats. Species models based on NPMR (Nonparametric Multiplicative Regression analysis) indicated the importance of vegetation structure, human interventions, and soil characteristics to determine wild yam species distribution. The prediction of the current availability of wild yam resources showed that abundant wild yam resources are scarce and face high harvest intensity. Experiments on yams cultivation revealed that germination of seeds was enhanced by using pre-germination treatments before planting, vegetative regeneration performed better with the upper part of the tubers (corms) rather than the sets of tubers. In-situ regeneration was possible for the upper parts of the wild tubers but the success depended significantly on the type of soil. The use of manure (10-20 t ha¹) increased the yield of the D. alata and D. alatipes by 40%. We thus suggest the promotion of other cultivated varieties of D. alata found regions neighbouring as the Mahafaly Plateau.

Atomistic-continuum modeling of ultrafast laser-induced melting of silicon targets

In this work, we present an atomistic-continuum model for simulations of ultrafast laser-induced melting processes in semiconductors on the example of silicon. The kinetics of transient non-equilibrium phase transition mechanisms is addressed with MD method on the atomic level, whereas the laser light absorption, strong generated electron-phonon nonequilibrium, fast heat conduction, and photo-excited free carrier diffusion are accounted for with a continuum TTM-like model (called nTTM). First, we independently consider the applications of nTTM and MD for the description of silicon, and then construct the combined MD-nTTM model. Its development and thorough testing is followed by a comprehensive computational study of fast nonequilibrium processes induced in silicon by an ultrashort laser irradiation. The new model allowed to investigate the effect of laser-induced pressure and temperature of the lattice on the melting kinetics. Two competing melting mechanisms, heterogeneous and homogeneous, were identified in our big-scale simulations. Apart from the classical heterogeneous melting mechanism, the nucleation of the liquid phase homogeneously inside the material significantly contributes to the melting process. The simulations showed, that due to the open diamond structure of the crystal, the laser-generated internal compressive stresses reduce the crystal stability against the homogeneous melting. Consequently, the latter can take a massive character within several picoseconds upon the laser heating. Due to the large negative volume of melting of silicon, the material contracts upon the phase transition, relaxes the compressive stresses, and the subsequent melting proceeds heterogeneously until the excess of thermal energy is consumed. A series of simulations for a range of absorbed fluences allowed us to find the threshold fluence value at which homogeneous liquid nucleation starts contributing to the classical heterogeneous propagation of the solid-liquid interface. A series of simulations for a range of the material thicknesses showed that the sample width we chosen in our simulations (800 nm) corresponds to a thick sample. Additionally, in order to support the main conclusions, the results were verified for a different interatomic potential. Possible improvements of the model to account for nonthermal effects are discussed and certain restrictions on the suitable interatomic potentials are found. As a first step towards the inclusion of these effects into MD-nTTM, we performed nanometer-scale MD simulations with a new interatomic potential, designed to reproduce ab initio calculations at the laser-induced electronic temperature of 18946 K. The simulations demonstrated that, similarly to thermal melting, nonthermal phase transition occurs through nucleation. A series of simulations showed that higher (lower) initial pressure reinforces (hinders) the creation and the growth of nonthermal liquid nuclei. For the example of Si, the laser melting kinetics of semiconductors was found to be noticeably different from that of metals with a face-centered cubic crystal structure. The results of this study, therefore, have important implications for interpretation of experimental data on the kinetics of melting process of semiconductors.

Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients

In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren. Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren. WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin. Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.

Water loss management strategies for developing countries

Diese Arbeit beschäftigt sich mit nicht in Rechnung stellbaren Wasserverlusten in städtischen Versorgungsnetzen in Entwicklungsländern. Es soll das Wissen über diese Verluste erweitert und aufgezeigt werden, ob diese auf ein ökonomisch vertretbares Maß reduziert werden können. Die vorliegende Doktorarbeit untersucht solche unberechneten Wasserverluste und versucht, neben der Quantifizierung von Leckagen auch Entscheidungswerkzeuge für ein verbessertes Management der Versorgungsnetze in Entwicklungsländern zu erarbeiten. Als Fallstudie dient Harare, die Hauptstadt von Simbabwe. Wasserverluste in Verteilungsnetzen sind unvermeidbar, sollten aber auf ein ökonomisch tragbares Niveau reduziert werden, wenn ein nachhaltiger Betrieb erreicht werden soll. Wasserverluste können sowohl durch illegale und ungenehmigte Anschlüsse oder durch Undichtigkeiten im Verteilnetz, als auch durch mangelhafte Mess- und Berechnungssysteme entstehen. Es sind bereits viele Ansätze zur Verringerung von Verlusten in Wasserverteilsystemen bekannt geworden, entsprechend existieren dazu auch zahlreiche Methoden und Werkzeuge. Diese reichen von computergestützten Verfahren über gesetzliche und politische Vorgaben sowie ökonomische Berechnungen bis hin zu Maßnahmen der Modernisierung der Infrastruktur. Der Erfolg dieser Anstrengungen ist abhängig von der Umsetzbarkeit und dem Umfeld, in dem diese Maßnahmen durchgeführt werden. Die Bewertung der Arbeitsgüte einer jeden Wasserversorgungseinheit basiert auf der Effektivität des jeweiligen Verteilungssystems. Leistungs- und Bewertungszahlen sind die meist genutzten Ansätze, um Wasserverteilsysteme und ihre Effizienz einzustufen. Weltweit haben sich zur Bewertung als Indikatoren die finanzielle und die technische Leistungsfähigkeit durchgesetzt. Die eigene Untersuchung zeigt, dass diese Indikatoren in vielen Wasserversorgungssystemen der Entwicklungsländer nicht zur Einführung von Verlust reduzierenden Managementstrategien geführt haben. Viele durchgeführte Studien über die Einführung von Maßnahmen zur Verlustreduzierung beachten nur das gesamte nicht in Rechnung stellbare Wasser, ohne aber den Anteil der Leckagen an der Gesamthöhe zu bestimmen. Damit ist keine Aussage über die tatsächliche Zuordnung der Verluste möglich. Aus diesem Grund ist ein Bewertungsinstrument notwendig, mit dem die Verluste den verschiedenen Ursachen zugeordnet werden können. Ein solches Rechenwerkzeug ist das South African Night Flow Analysis Model (SANFLOW) der südafrikanischen Wasser-Forschungskommission, das Untersuchungen von Wasserdurchfluss und Anlagendruck in einzelnen Verteilbezirken ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass das SANFLOW-Modell gut zur Bestimmung des Leckageanteiles verwendet werden kann. Daraus kann gefolgert werden, dass dieses Modell ein geeignetes und gut anpassbares Analysewerkzeug für Entwicklungsländer ist. Solche computergestützte Berechnungsansätze können zur Bestimmung von Leckagen in Wasserverteilungsnetzen eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Künstlichen Neuronalen Netzen (Artificial Neural Network – ANN), die trainiert und dann zur Vorhersage der dynamischen Verhältnisse in Wasserversorgungssystemen genutzt werden können. Diese Werte können mit der Wassernachfrage eines definierten Bezirks verglichen werden. Zur Untersuchung wurde ein Mehrschichtiges Künstliches Neuronales Netz mit Fehlerrückführung zur Modellierung des Wasserflusses in einem überwachten Abschnitt eingesetzt. Zur Bestimmung des Wasserbedarfes wurde ein MATLAB Algorithmus entwickelt. Aus der Differenz der aktuellen und des simulierten Wassernachfrage konnte die Leckagerate des Wasserversorgungssystems ermittelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem angelernten Neuronalen Netzwerk eine Vorhersage des Wasserflusses mit einer Genauigkeit von 99% möglich ist. Daraus lässt sich die Eignung von ANNs als flexibler und wirkungsvoller Ansatz zur Leckagedetektion in der Wasserversorgung ableiten. Die Untersuchung zeigte weiterhin, dass im Versorgungsnetz von Harare 36 % des eingespeisten Wassers verloren geht. Davon wiederum sind 33 % auf Leckagen zurückzuführen. Umgerechnet bedeutet dies einen finanziellen Verlust von monatlich 1 Millionen Dollar, was 20 % der Gesamteinnahmen der Stadt entspricht. Der Stadtverwaltung von Harare wird daher empfohlen, aktiv an der Beseitigung der Leckagen zu arbeiten, da diese hohen Verluste den Versorgungsbetrieb negativ beeinflussen. Abschließend wird in der Arbeit ein integriertes Leckage-Managementsystem vorgeschlagen, das den Wasserversorgern eine Entscheidungshilfe bei zu ergreifenden Maßnahmen zur Instandhaltung des Verteilnetzes geben soll.

German consumers' attitudes and preferences with regard to organic food and food from different origins

In dieser Studie geht es darum, ein umfassendes Bild bezüglich der Konsumenteneinstellungen, Präferenzen und Zahlungsbereitschaften für ökologisch produzierte Lebensmittel und Lebensmittel verschiedener Herkünfte in Deutschland zu erhalten. Obwohl die regionale Herkunft von Lebensmitteln nicht offiziell und einheitlich geregelt ist und keiner Zertifizierung unterliegt wie die ökologische Produktion von Lebensmitteln, zeigen nationale und internationale Studien gleichermaßen, dass Konsumenten bereit sind, mehr für regionale als für ökologisch produzierte Lebensmittel zu bezahlen. Zur Erreichung des Forschungsziels wurde ein Kaufexperiment in Kombination mit einer Konsumentenbefragung, bestehend aus Fragen zum generellen Einkaufsverhalten, zu Einstellungen gegenüber regionalen und ökologisch produzierten Lebensmitteln und zu soziodemographischen Informationen durchgeführt. Im Kaufexperiment wurden die Attribute Produktherkunft, Produktionsweise und Preis anhand vier verschiedener Produkte (Äpfel, Butter, Mehl und Steaks) untersucht. Die Befragung, einschließlich des Experimentes, war durch Interviewer eines Marktforschungsinstituts initiiert, computergestützt und von den Konsumenten selbständig zu erledigen. Das Ziel war es 80 Konsumenten in jedem der acht Befragungsorte in verschiedenen Regionen Deutschlands zu befragen. Zur Auswertung des Experiments wurden RPL-Modell geschätzt, die die Konsumentenpräferenzen für die zu untersuchenden Produktattribute aufzeigen und die Berechnung von Zahlungsbereitschaften ermöglichen. Für die Gesamtheit der Konsumenten war die regionale Herkunft von Lebensmitteln wichtiger als die ökologische Produktion. Außerdem wurden Produktalternativen, die aus der Region stammen, immer stärker präferiert als Produkte aus Deutschland, aus einem Nachbarland und einem außereuropäischen Land. Weiterhin zeigte die Studie, dass Konsumentenpräferenzen produkt- und regionsspezifisch sind. Folglich wird empfohlen, in zukünftigen Studien unterschiedlich Produkte bzw. Produktgruppen und Konsumenten verschiedener Regionen einzubeziehen. Die zunehmenden Präferenzen und Zahlungsbereitschaften der Konsumenten für regionale Lebensmittel deuteten sowohl in dieser Dissertation als auch in vielen anderen nationalen und internationalen Studien darauf hin, dass es ein großes Potential für einen regionalen Lebensmittelmarkt gibt. Aus diesem Grund wird Produzenten und Vermarktern von ökologischen sowie konventionellen Produkten empfohlen, verstärkt in die Entwicklung von regionalen Versorgungsketten zu investieren.

Assessing trends in land use change in the Borana rangeland Ethiopia as one cause of greenhouse gas emissions and carbon sequestration variations

Landnutzungsänderungen sind eine wesentliche Ursache von Treibhausgasemissionen. Die Umwandlung von Ökosystemen mit permanenter natürlicher Vegetation hin zu Ackerbau mit zeitweise vegetationslosem Boden (z.B. nach der Bodenbearbeitung vor der Aussaat) führt häufig zu gesteigerten Treibhausgasemissionen und verminderter Kohlenstoffbindung. Weltweit dehnt sich Ackerbau sowohl in kleinbäuerlichen als auch in agro-industriellen Systemen aus, häufig in benachbarte semiaride bis subhumide Rangeland Ökosysteme. Die vorliegende Arbeit untersucht Trends der Landnutzungsänderung im Borana Rangeland Südäthiopiens. Bevölkerungswachstum, Landprivatisierung und damit einhergehende Einzäunung, veränderte Landnutzungspolitik und zunehmende Klimavariabilität führen zu raschen Veränderungen der traditionell auf Tierhaltung basierten, pastoralen Systeme. Mittels einer Literaturanalyse von Fallstudien in ostafrikanischen Rangelands wurde im Rahmen dieser Studie ein schematisches Modell der Zusammenhänge von Landnutzung, Treibhausgasemissionen und Kohlenstofffixierung entwickelt. Anhand von Satellitendaten und Daten aus Haushaltsbefragungen wurden Art und Umfang von Landnutzungsänderungen und Vegetationsveränderungen an fünf Untersuchungsstandorten (Darito/Yabelo Distrikt, Soda, Samaro, Haralo, Did Mega/alle Dire Distrikt) zwischen 1985 und 2011 analysiert. In Darito dehnte sich die Ackerbaufläche um 12% aus, überwiegend auf Kosten von Buschland. An den übrigen Standorten blieb die Ackerbaufläche relativ konstant, jedoch nahm Graslandvegetation um zwischen 16 und 28% zu, während Buschland um zwischen 23 und 31% abnahm. Lediglich am Standort Haralo nahm auch „bare land“, vegetationslose Flächen, um 13% zu. Faktoren, die zur Ausdehnung des Ackerbaus führen, wurden am Standort Darito detaillierter untersucht. GPS Daten und anbaugeschichtlichen Daten von 108 Feldern auf 54 Betrieben wurden in einem Geographischen Informationssystem (GIS) mit thematischen Boden-, Niederschlags-, und Hangneigungskarten sowie einem Digitales Höhenmodell überlagert. Multiple lineare Regression ermittelte Hangneigung und geographische Höhe als signifikante Erklärungsvariablen für die Ausdehnung von Ackerbau in niedrigere Lagen. Bodenart, Entfernung zum saisonalen Flusslauf und Niederschlag waren hingegen nicht signifikant. Das niedrige Bestimmtheitsmaß (R²=0,154) weist darauf hin, dass es weitere, hier nicht erfasste Erklärungsvariablen für die Richtung der räumlichen Ausweitung von Ackerland gibt. Streudiagramme zu Ackergröße und Anbaujahren in Relation zu geographischer Höhe zeigen seit dem Jahr 2000 eine Ausdehnung des Ackerbaus in Lagen unter 1620 müNN und eine Zunahme der Schlaggröße (>3ha). Die Analyse der phänologischen Entwicklung von Feldfrüchten im Jahresverlauf in Kombination mit Niederschlagsdaten und normalized difference vegetation index (NDVI) Zeitreihendaten dienten dazu, Zeitpunkte besonders hoher (Begrünung vor der Ernte) oder niedriger (nach der Bodenbearbeitung) Pflanzenbiomasse auf Ackerland zu identifizieren, um Ackerland und seine Ausdehnung von anderen Vegetationsformen fernerkundlich unterscheiden zu können. Anhand der NDVI Spektralprofile konnte Ackerland gut Wald, jedoch weniger gut von Gras- und Buschland unterschieden werden. Die geringe Auflösung (250m) der Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NDVI Daten führte zu einem Mixed Pixel Effect, d.h. die Fläche eines Pixels beinhaltete häufig verschiedene Vegetationsformen in unterschiedlichen Anteilen, was deren Unterscheidung beeinträchtigte. Für die Entwicklung eines Echtzeit Monitoring Systems für die Ausdehnung des Ackerbaus wären höher auflösende NDVI Daten (z.B. Multispektralband, Hyperion EO-1 Sensor) notwendig, um kleinräumig eine bessere Differenzierung von Ackerland und natürlicher Rangeland-Vegetation zu erhalten. Die Entwicklung und der Einsatz solcher Methoden als Entscheidungshilfen für Land- und Ressourcennutzungsplanung könnte dazu beitragen, Produktions- und Entwicklungsziele der Borana Landnutzer mit nationalen Anstrengungen zur Eindämmung des Klimawandels durch Steigerung der Kohlenstofffixierung in Rangelands in Einklang zu bringen.

Cognitive Component Skills of Reading Comprehension in Developing Readers

Die Fähigkeit, geschriebene Texte zu verstehen, d.h. eine kohärente mentale Repräsentation von Textinhalten zu erstellen, ist eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche schulische und außerschulische Entwicklung. Es ist daher ein zentrales Anliegen des Bildungssystems Leseschwierigkeiten frühzeitig zu diagnostizieren und mithilfe zielgerichteter Interventionsprogramme zu fördern. Dies erfordert ein umfassendes Wissen über die kognitiven Teilprozesse, die dem Leseverstehen zugrunde liegen, ihre Zusammenhänge und ihre Entwicklung. Die vorliegende Dissertation soll zu einem umfassenden Verständnis über das Leseverstehen beitragen, indem sie eine Auswahl offener Fragestellungen experimentell untersucht. Studie 1 untersucht inwieweit phonologische Rekodier- und orthographische Dekodierfertigkeiten zum Satz- und Textverstehen beitragen und wie sich beide Fertigkeiten bei deutschen Grundschüler(inne)n von der 2. bis zur 4. Klasse entwickeln. Die Ergebnisse legen nahe, dass beide Fertigkeiten signifikante und eigenständige Beiträge zum Leseverstehen leisten und dass sich ihr relativer Beitrag über die Klassenstufen hinweg nicht verändert. Darüber hinaus zeigt sich, dass bereits deutsche Zweitklässler(innen) den Großteil geschriebener Wörter in altersgerechten Texten über orthographische Vergleichsprozesse erkennen. Nichtsdestotrotz nutzen deutsche Grundschulkinder offenbar kontinuierlich phonologische Informationen, um die visuelle Worterkennung zu optimieren. Studie 2 erweitert die bisherige empirische Forschung zu einem der bekanntesten Modelle des Leseverstehens—der Simple View of Reading (SVR, Gough & Tunmer, 1986). Die Studie überprüft die SVR (Reading comprehension = Decoding x Comprehension) mithilfe optimierter und methodisch stringenter Maße der Modellkonstituenten und überprüft ihre Generalisierbarkeit für deutsche Dritt- und Viertklässler(innen). Studie 2 zeigt, dass die SVR einer methodisch stringenten Überprüfung nicht standhält und nicht ohne Weiteres auf deutsche Dritt- und Viertklässler(innen) generalisiert werden kann. Es wurden nur schwache Belege für eine multiplikative Verknüpfung von Dekodier- (D) und Hörverstehensfertigkeiten (C) gefunden. Der Umstand, dass ein beachtlicher Teil der Varianz im Leseverstehen (R) nicht durch D und C aufgeklärt werden konnte, deutet darauf hin, dass das Modell nicht vollständig ist und ggf. durch weitere Komponenten ergänzt werden muss. Studie 3 untersucht die Verarbeitung positiv-kausaler und negativ-kausaler Kohärenzrelationen bei deutschen Erst- bis Viertklässler(inne)n und Erwachsenen im Lese- und Hörverstehen. In Übereinstimmung mit dem Cumulative Cognitive Complexity-Ansatz (Evers-Vermeul & Sanders, 2009; Spooren & Sanders, 2008) zeigt Studie 3, dass die Verarbeitung negativ-kausaler Kohärenzrelationen und Konnektoren kognitiv aufwändiger ist als die Verarbeitung positiv-kausaler Relationen. Darüber hinaus entwickelt sich das Verstehen beider Kohärenzrelationen noch über die Grundschulzeit hinweg und ist für negativ-kausale Relationen am Ende der vierten Klasse noch nicht abgeschlossen. Studie 4 zeigt und diskutiert die Nützlichkeit prozess-orientierter Lesetests wie ProDi- L (Richter et al., in press), die individuelle Unterschiede in den kognitiven Teilfertigkeiten des Leseverstehens selektiv erfassen. Hierzu wird exemplarisch die Konstruktvalidität des ProDi-L-Subtests ‚Syntaktische Integration’ nachgewiesen. Mittels explanatorischer Item- Repsonse-Modelle wird gezeigt, dass der Test Fertigkeiten syntaktischer Integration separat erfasst und Kinder mit defizitären syntaktischen Fertigkeiten identifizieren kann. Die berichteten Befunde tragen zu einem umfassenden Verständnis der kognitiven Teilfertigkeiten des Leseverstehens bei, das für eine optimale Gestaltung des Leseunterrichts, für das Erstellen von Lernmaterialien, Leseinstruktionen und Lehrbüchern unerlässlich ist. Darüber hinaus stellt es die Grundlage für eine sinnvolle Diagnose individueller Leseschwierigkeiten und für die Konzeption adaptiver und zielgerichteter Interventionsprogramme zur Förderung des Leseverstehens bei schwachen Leser(inne)n dar.

Memory Bias for Anxiety Prior to Academic Achievement Situations: Influences of Time, Mood, Personality and Post-Event-Processing

The current thesis examines memory bias for state anxiety prior to academic achievement situations like writing an exam and giving a speech. The thesis relies on the reconstruction principle, which assumes that memories for past emotions are reconstructed rather than stored permanently and accurately. This makes them prone to memory bias, which is af-fected by several influencing factors. A major aim is to include four important influencing factors simultaneously. Early research on mood and emotional autobiographical memory found evidence for the existence of a propositional associative network (Bower, 1981; Col-lins & Loftus, 1975), leading to mood congruent recall. But empirical findings gave also strong evidence for the existence of mood incongruent recall for one’s own emotions, which was for example linked to mood regulation via mood repair (e.g. Clark & Isen, 1982), which seems to be associated to the personality traits extraversion and neuroticism (Lischetzke & Eid, 2006; Ng & Diener, 2009). Moreover, neuroticism and trait anxiety are related to rumination, which is seen as negative post-event-processing (e.g. Wells & Clark, 1997). Overall, the elapsed time since the emotional event happened should have an impact on recall of emotions. Following the affect infusion model by Robinson and Clore (2002a), the influence of personality on memory bias should increase over time. Therefore, three longitudinal studies were realized, using naturally occurring as well as laboratory settings. The used paradigm was equivalent in all studies. Subjects were asked about their actual state anxiety prior to an academic achievement situation. Directly after the situation, cur-rent mood and recall of former anxiety were assessed. The same procedure was repeated a few weeks later. Personality traits and post-event-processing were also assessed. The results suggest a need to have a differentiated view on predicting memory bias. Study 1 (N = 131) as well as study 3 (N = 53) found evidence for mood incongruent memory in the sense of mood repair and downward regulation as a function of personality. Rumination was found to cause stable overestimation of pre-event anxiety in study 2 (N = 141) as well as in study 3. Although the relevance of the influencing factors changed over time, an increasing relevance of personality could not consistently be observed. The tremendously different effects of the laboratory study 2 indicated that such settings are not appropriate to study current issues. Theoretical and psychotherapeutically relevant conclusions are drawn and several limitations are discussed.

Large Numerical Models in Continuous Hybrid Simulation

Hybrid simulation is a technique that combines experimental and numerical testing and has been used for the last decades in the fields of aerospace, civil and mechanical engineering. During this time, most of the research has focused on developing algorithms and the necessary technology, including but not limited to, error minimisation techniques, phase lag compensation and faster hydraulic cylinders. However, one of the main shortcomings in hybrid simulation that has pre- vented its widespread use is the size of the numerical models and the effect that higher frequencies may have on the stability and accuracy of the simulation. The first chapter in this document provides an overview of the hybrid simulation method and the different hybrid simulation schemes, and the corresponding time integration algorithms, that are more commonly used in this field. The scope of this thesis is presented in more detail in chapter 2: a substructure algorithm, the Substep Force Feedback (Subfeed), is adapted in order to fulfil the necessary requirements in terms of speed. The effects of more complex models on the Subfeed are also studied in detail, and the improvements made are validated experimentally. Chapters 3 and 4 detail the methodologies that have been used in order to accomplish the objectives mentioned in the previous lines, listing the different cases of study and detailing the hardware and software used to experimentally validate them. The third chapter contains a brief introduction to a project, the DFG Subshake, whose data have been used as a starting point for the developments that are shown later in this thesis. The results obtained are presented in chapters 5 and 6, with the first of them focusing on purely numerical simulations while the second of them is more oriented towards a more practical application including experimental real-time hybrid simulation tests with large numerical models. Following the discussion of the developments in this thesis is a list of hardware and software requirements that have to be met in order to apply the methods described in this document, and they can be found in chapter 7. The last chapter, chapter 8, of this thesis focuses on conclusions and achievements extracted from the results, namely: the adaptation of the hybrid simulation algorithm Subfeed to be used in conjunction with large numerical models, the study of the effect of high frequencies on the substructure algorithm and experimental real-time hybrid simulation tests with vibrating subsystems using large numerical models and shake tables. A brief discussion of possible future research activities can be found in the concluding chapter.

Von der Minderheit zur Mehrheit? Psycho-soziale Einflüsse bei der Verbreitung klima-schonender Innovationen

Vor dem Hintergrund des Klimawandels und weiterer Zukunftsherausforderungen stellt sich in drängenderem Maße die Frage, wie der Wandel zu einer nachhaltigen Gesellschaft gelingen kann. Im Zuge dessen rücken zunehmend solche Lösungsansätze in den Fokus, die an der Schnittstelle von technischen und sozialen Systemen nachhaltige und klimaschonende Innovationen entwickeln. Die vorliegende Dissertation beschäftigte sich in diesem Kontext mit der Frage, welche psychologischen und sozialen Faktoren und Mechanismen bei der individuellen Übernahme (Adoption) klimaschonender Innovationen von Bedeutung und für deren weitere Verbreitung (Diffusion) förderlich sind. Auf theoretischer und konzeptioneller Ebene wurden einerseits persönliche Eigenschaften von Adoptern wie der eigene Lebens- und Informationsverarbeitungsstil und andererseits die Charakteristika klimaschonender Innovationen und deren individuelle Wahrnehmung und Bewertung betrachtet und in einem umfassenden Modell integriert. Die Arbeit untersuchte zunächst mit Hilfe einer breit angelegten Fragebogenstudie (N = 778), wie weit die Innovationen Bezug von Ökostrom und Beteiligung an Bürger-Solaranlagen in verschiedenen sozialen Milieus bereits verbreitet waren und wie diese in milieuspezifischer Perspektive beurteilt und kommunikativ rezipiert wurden. Mittels Strukturgleichungsmodellierung wurde untersucht, inwiefern sich die Bewertungs- und Entscheidungsstrukturen von frühen und späteren Adoptern unterschieden. Es zeigten sich klare milieuspezifische Schwerpunkte: Personen aus dem postmateriellen und den hedonistischen Milieus bewerteten diese Innovationen positiver und waren häufiger unter den Adoptern zu finden als traditionelle und Mainstream-Milieus. Zudem deuteten die Ergebnisse auf eine stärker deliberativ ausgeprägte Entscheidungsstruktur bei frühen Adoptern hin – zumindest hinsichtlich des Bezugs von Ökostrom, der zum Zeitpunkt der Untersuchung bereits weiter verbreitet war als die Beteiligung an Bürger-Solaranlagen. In einer ergänzenden experimentellen Erhebung (N = 356) wurden die Teilnehmende zufällig einer von drei Untersuchungsbedingungen zugeordnet: In einem Informationstext über Smart Meter war eine (fingierte) entweder starke soziale Norm (Mehrheitsbedingung), eine schwache soziale Norm (Minderheitsbedingung) oder keine derartige soziale Information (Kontrollbedingung) enthalten. In einem nachfolgenden Test auf Wissenstransfer – als Indikator der Informationsverarbeitungstiefe – schnitten Personen mit geringerem Interesse an Smart Metern (also solche, die keine weiteren Informationen nachfragten) in der Mehrheitsbedingung am besten ab, wohingegen Personen mit größerem Interesse (fragten weitere Informationen nach) in der Minderheitsbedingung die beste Leistung erzielten. Auch diese Ergebnisse deuten auf unterschiedliche Informationsverarbeitungs- und Entscheidungsstrukturen je nach Wahrnehmung des bisherigen Verbreitungsgrads in Interaktion mit persönlichen Dispositionen hin. Aus den Ergebnissen lassen sich vielfältige Implikationen für ein verbessertes Marketing klimaschonender Innovationen, die umweltpolitische Praxis und für die weitere Forschung ableiten. Es wird empfohlen, bei der Kommunikation (z.B. im Rahmen zielgruppenspezifischer Kampagnen) soziale Normen und deren differentielle Wirkung auf die Verarbeitung innovationsbezogener Informationen gezielter zu nutzen. Da unter den aktuellen Rahmenbedingungen mit keiner hundertprozentigen Diffusion der betrachteten Innovationen in alle gesellschaftlichen Gruppen hinein zu rechnen ist, werden auf politischer Ebene neben „weichen“ politischen Instrumenten auch fiskalische oder ordnungsrechtliche Maßnahmen erforderlich sein. Schließlich erscheint es sinnvoll, sich in der weiteren Forschung stärker mit kommunikativen Prozessen wie beispielsweise Meinungsführerschaft oder dem Einfluss von Medienkampagnen und medialer Berichterstattung auseinander zu setzen.

Experimental and modeling studies of forced convection storage and drying systems for sweet potatoes

Sweet potato is an important strategic agricultural crop grown in many countries around the world. The roots and aerial vine components of the crop are used for both human consumption and, to some extent as a cheap source of animal feed. In spite of its economic value and growing contribution to health and nutrition, harvested sweet potato roots and aerial vine components has limited shelf-life and is easily susceptible to post-harvest losses. Although post-harvest losses of both sweet potato roots and aerial vine components is significant, there is no information available that will support the design and development of appropriate storage and preservation systems. In this context, the present study was initiated to improve scientific knowledge about sweet potato post-harvest handling. Additionally, the study also seeks to develop a PV ventilated mud storehouse for storage of sweet potato roots under tropical conditions. In study one, airflow resistance of sweet potato aerial vine components was investigated. The influence of different operating parameters such as airflow rate, moisture content and bulk depth at different levels on airflow resistance was analyzed. All the operating parameters were observed to have significant (P < 0.01) effect on airflow resistance. Prediction models were developed and were found to adequately describe the experimental pressure drop data. In study two, the resistance of airflow through unwashed and clean sweet potato roots was investigated. The effect of sweet potato roots shape factor, surface roughness, orientation to airflow, and presence of soil fraction on airflow resistance was also assessed. The pressure drop through unwashed and clean sweet potato roots was observed to increase with higher airflow, bed depth, root grade composition, and presence of soil fraction. The physical properties of the roots were incorporated into a modified Ergun model and compared with a modified Shedd’s model. The modified Ergun model provided the best fit to the experimental data when compared with the modified Shedd’s model. In study three, the effect of sweet potato root size (medium and large), different air velocity and temperature on the cooling/or heating rate and time of individual sweet potato roots were investigated. Also, a simulation model which is based on the fundamental solution of the transient equations was proposed for estimating the cooling and heating time at the centre of sweet potato roots. The results showed that increasing air velocity during cooling and heating significantly (P < 0.05) affects the cooling and heating times. Furthermore, the cooling and heating times were significantly different (P < 0.05) among medium and large size sweet potato roots. Comparison of the simulation results with experimental data confirmed that the transient simulation model can be used to accurately estimate the cooling and heating times of whole sweet potato roots under forced convection conditions. In study four, the performance of charcoal evaporative cooling pad configurations for integration into sweet potato roots storage systems was investigated. The experiments were carried out at different levels of air velocity, water flow rates, and three pad configurations: single layer pad (SLP), double layers pad (DLP) and triple layers pad (TLP) made out of small and large size charcoal particles. The results showed that higher air velocity has tremendous effect on pressure drop. Increasing the water flow rate above the range tested had no practical benefits in terms of cooling. It was observed that DLP and TLD configurations with larger wet surface area for both types of pads provided high cooling efficiencies. In study five, CFD technique in the ANSYS Fluent software was used to simulate airflow distribution in a low-cost mud storehouse. By theoretically investigating different geometries of air inlet, plenum chamber, and outlet as well as its placement using ANSYS Fluent software, an acceptable geometry with uniform air distribution was selected and constructed. Experimental measurements validated the selected design. In study six, the performance of the developed PV ventilated system was investigated. Field measurements showed satisfactory results of the directly coupled PV ventilated system. Furthermore, the option of integrating a low-cost evaporative cooling system into the mud storage structure was also investigated. The results showed a reduction of ambient temperature inside the mud storehouse while relative humidity was enhanced. The ability of the developed storage system to provide and maintain airflow, temperature and relative humidity which are the key parameters for shelf-life extension of sweet potato roots highlight its ability to reduce post-harvest losses at the farmer level, particularly under tropical climate conditions.

Integrated soil fertility management in eastern and western Africa: The role of knowledge and innovation systems, its adoption and impact

The rise in population growth, as well as nutrient mining, has contributed to low agricultural productivity in Sub-Saharan Africa (SSA). A plethora of technologies to boost agricultural production have been developed but the dissemination of these agricultural innovations and subsequent uptake by smallholder farmers has remained a challenge. Scientists and philanthropists have adopted the Integrated Soil Fertility Management (ISFM) paradigm as a means to promote sustainable intensification of African farming systems. This comparative study aimed: 1) To assess the efficacy of Agricultural Knowledge and Innovation Systems (AKIS) in East (Kenya) and West (Ghana) Africa in the communication and dissemination of ISFM (Study I); 2) To investigate how specifically soil quality, and more broadly socio-economic status and institutional factors, influence farmer adoption of ISFM (Study II); and 3) To assess the effect of ISFM on maize yield and total household income of smallholder farmers (Study III). To address these aims, a mixed methodology approach was employed for study I. AKIS actors were subjected to social network analysis methods and in-depth interviews. Structured questionnaires were administered to 285 farming households in Tamale and 300 households in Kakamega selected using a stratified random sampling approach. There was a positive relationship between complete ISFM awareness among farmers and weak knowledge ties to both formal and informal actors at both research locations. The Kakamega AKIS revealed a relationship between complete ISFM awareness among farmers and them having strong knowledge ties to formal actors implying that further integration of formal actors with farmers’ local knowledge is crucial for the agricultural development progress. The structured questionnaire was also utilized to answer the query pertaining to study II. Soil samples (0-20 cm depth) were drawn from 322 (Tamale, Ghana) and 459 (Kakamega, Kenya) maize plots and analysed non-destructively for various soil fertility indicators. Ordinal regression modeling was applied to assess the cumulative adoption of ISFM. According to model estimates, soil carbon seemed to preclude farmers from intensifying input use in Tamale, whereas in Kakamega it spurred complete adoption. This varied response by farmers to soil quality conditions is multifaceted. From the Tamale perspective, it is consistent with farmers’ tendency to judiciously allocate scarce resources. Viewed from the Kakamega perspective, it points to a need for farmers here to intensify agricultural production in order to foster food security. In Kakamega, farmers with more acidic soils were more likely to adopt ISFM. Other household and farm-level factors necessary for ISFM adoption included off-farm income, livestock ownership, farmer associations, and market inter-linkages. Finally, in study III a counterfactual model was used to calculate the difference in outcomes (yield and household income) of the treatment (ISFM adoption) in order to estimate causal effects of ISFM adoption. Adoption of ISFM contributed to a yield increase of 16% in both Tamale and Kakamega. The innovation affected total household income only in Tamale, where ISFM adopters had an income gain of 20%. This may be attributable to the different policy contexts under which the two sets of farmers operate. The main recommendations underscored the need to: (1) improve the functioning of AKIS, (2) enhance farmer access to hybrid maize seed and credit, (3) and conduct additional multi-locational studies as farmers operate under varying contexts.