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Excessive fertilizer use leads to nutrient imbalances and losses of these to the environment through leaching, runoff and gaseous emissions. Nutrient use efficiency (NUE) in agriculture is often low and improving it could increase the sustainability of agricultural systems. The main aims of this thesis were to gain a better understanding of plant-soil-microbe interactions in order to improve agricultural NUEs. The studies included experimentally tested how crops respond to addition of high carbon amendments, fertilizer application rates and timing, and crop rotations. Furthermore, methods for measurement of roots were compared and a protocol for measurement of roots was developed. The first experiment simulated an agricultural field using mesocosms. In this setting, the researchers tested the effect of 4 previous crops (precrops), which either had or did not have a symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)/rhizobia, on the focal crop (winter barley). They also tested the addition of high carbon amendments (wheat straw/sawdust) for immobilization of residual soil nitrogen (N) at harvest of the previous crop. Overall, the findings were that non-AMF precrops had a positive effect on winter barley yield compared to AMF precrops. Wheat straw reduced N leaching, whereas sawdust addition had a negative effect on the yield of winter barley. The second experiment tested the effect of different fertilizer (N/phosphorus (P)) application timings on plant traits grown in rhizoboxes. Overall, delaying N application had a more detrimental effect on plant biomass than delaying P application. The root system increased its root length initially due to N-deficiency, but was quickly thus N-limited that root length was relatively lower than the control group. Because of the many root related measurements in the second experiment, a step-by-step method for measuring root traits under controlled and field conditions was developed and included in this thesis. This method paper describes precisely how root traits of interest can be measured, and helps with deciding which approach should be taken depending on the experimental design. Additionally, the authors compared the bias and accuracy of several popular root measurement methods. Overall, these results highlight the importance of crop choice in crop rotations and the plasticity of root systems in relation to nutrient application. The results show high carbon amendments could reduce nitrate leaching after the harvest of crops, especially those with high risk of nitrate leaching, although they had only small impacts on yield.
The aim of this paper is to determine how a carbon footprint label for grocery products can be designed to facilitate a sustainable consumption behaviour. Therefore, a mixed-method approach was used consisting out of a review of relevant literature and an explorative quantitative survey with n=158 participants. It was found that consumers generally have a positive attitude towards carbon labelling, but they lack understanding of the term, its underlying concepts and the emissions caused by grocery products. In regard to the design criteria of a carbon label, labels with a coloured scale are preferred most by consumers. Also, the mechanisms of consumer behaviour imply that not all parts of the behaviour are visible and controllable for individuals themselves. The concluding concept proposal summarises important criteria of a carbon labelling system that has the goal to educate consumers and facilitate a lower carbon consumption behaviour, such as a simple visual design, the use of a colour scale, a design enabling a comparison, the provision of a link to further information, the public enforcement of the system and overall uniformity.
Despite growing research on sustainability transformations, our understanding of how transformative transdisciplinary research can support local actors who foster change towards sustainability is still somewhat limited. To contribute to this research question, the investigator conducted research in a transdisciplinary case study in Southern Transylvania, where non-governmental organizations (NGO) drive sustainability initiatives to foster desired changes (e.g., supporting small-scale farmers or conserving natural and cultural heritage). Interactions with these local actors and reflections on the research question shaped the research of this dissertation. In paper 1, the author conducted a literature review on amplification processes that describe actions, which local actors can apply to increase the impact of their sustainability initiatives. In paper 2, he conducted a literature review on the application of indigenous and local knowledge (ILK) in sustainability transformations research to understand whether this research engages with the conceptualization of transformations from local actors. The results show that ILK is generally applied to confirm and complement scientific knowledge in contexts of environmental, climate, social-ecological, and species change. In paper 3, the author derived principles that provide guidance for how to integrate sustainability initiatives from local actors in transformative transdisciplinary research. Based on his transdisciplinary research with the NGOs in Southern Transylvania and by using systems and futures thinking as an approach for analysis, he derived three principles that provide guidance for the co-design of sustainability intervention strategies that build on, strengthen, and complement existing initiatives from local actors. In paper 4, the author explored empirically how to identify relevant local actors for collaborations that seek to intervene in specific characteristics of a system (e.g., parameters or design of a system). He applied a leverage points' perspective to analyse the social networks of the NGOs in Southern Transylvania that amplify the impact of their initiatives. This dissertation as a whole contributes insights to three recommendations of how transformative transdisciplinary research can support local actors fostering change towards sustainability: First, by conducting research that studies and supports local actors who increase the impact of their sustainability initiatives via amplification processes (Paper 1 and 4); Second, by engaging specifically with the initiatives, networks, and knowledge from local actors, who foster bottom-up, place-based transformations (Paper 1-4); Third, by identifying and collaborating with local actors that are relevant for strategic systems interventions that build on, strengthen, and complement existing initiatives (Paper 3-4).
Die Kulturlandschaft im Alpenraum war in den letzten Jahrzehnten einem besonders starken Strukturwandel ausgesetzt. Als Region mit einem hohen Anteil an Grenzertragsstandorten lassen sich hier zwei gegenläufige Entwicklungen feststellen: zum einen findet eine Intensivierung der Landnutzung in Bereichen mit guter Zugänglichkeit und maschineller Nutzbarkeit statt, zum anderen kommt es häufig zu einem Rückgang der Nutzungsintensität oder Nutzungsaufgabe in Bereichen, in denen die landwirtschaftliche Bearbeitung schwierig ist. Die Auswirkungen auf die Biodiversität werden bei beiden Entwicklungen kritisch gesehen. Allerdings mangelt es an detaillierten Untersuchungen. Im Rahmen eines sechsjährigen Forschungsvorhabens wurden auf einer Weidefläche in den Allgäuer Alpen Laufkäfer, Spinnen und Vegetation untersucht. Auf der Fläche fand zu Beginn der Untersuchung eine Nutzungsänderung statt: ein großer Teil der vormals intensiv von Schafen beweideten Fläche wurde auf extensive Rinderbeweidung umgestellt. Kleine Teilflächen wurden aus der Nutzung genommen. Der Fokus dieser Dissertation liegt in den Untersuchungen der Laufkäfer. Hier wurde zunächst ein Erfassungsschema für Laufkäfer in schwer erreichbaren Gebieten der Alpen erarbeitet, um intensive und mehrjährige Untersuchungen logistisch durchführen zu können. Dabei wurden die Ergebnisse der Laufkäfererfassung über die gesamte Vegetationsperiode mit den Ergebnissen einer reduzierten Erhebung verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass eine Beprobung über jeweils zwei Wochen Anfang Juni und Anfang Juli den gesamten Datensatz hinreichend repräsentiert. Des Weiteren wurde untersucht, ob die Vegetation als Surrogat für die beiden untersuchten Arthropodengruppen (Spinnentiere und Laufkäfer) dienen kann, d.h. die Ergebnisse der Vegetation auf die anderen Artengruppen übertragbar ist. Dies wurde sowohl auf Ebene der Artzusammensetzung als auch des Artenreichtums für die drei Taxa geprüft. Zudem wurde überprüft, ob die unter vegetationskundlichen Aspekten abgegrenzten geschützten Lebensraumtypen auch besonders wertvolle Habitate für die Arthropodengruppen darstellen. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass eine ausreichende Kongruenz nicht gegeben und damit die Übertragbarkeit von Ergebnissen bei der Vegetation auf die untersuchten Arthropodengruppen in den Gebirgslebensräumen nicht gewährleistet ist. Dies hat eine hohe praktische Relevanz, da im Rahmen von Managementplanungen für die FFH-Richtlinie als auch bei der Bayerischen Alpenbiotopkartierung überwiegend ein starker Fokus auf vegetationskundlichen Aspekten liegt und insbesondere artenreiche Arthropodengruppen meist nicht betrachtet werden. Abschließend wurde mittels gemischter Modelle (mixed effects models) untersucht, welche Veränderungen bei den Laufkäfern nach der Nutzungsänderung im Untersuchungsgebiet auftraten. Sämtliche errechneten Modelle zeigten Veränderungen der abhängigen Variablen über die Zeit: nach Aufgabe der intensiven Schafbeweidung nahmen die Arten- und Individuenzahlen sowie die Biomasse an Laufkäfern zu. Die Tiere wurden durchschnittlich größer und es traten mehr herbivore Laufkäfer auf. Auch konnten unterschiedliche Entwicklungen zwischen den Standorten beobachtet werden. Die beobachteten Veränderungen werden im Artikel detailliert diskutiert. Die meisten Veränderungen, insbesondere die Zunahme der Artenzahlen sowie der durchschnittlichen Körpergröße, deuten auf eine Erholung der Laufkäferfauna von der intensiven Schafbeweidung hin. Die Nutzungsumstellung und die aktuell praktizierte extensive Rinderbeweidung werden im Gebiet naturschutzfachlich positiv bewertet. Die Arbeit liefert eine gute Vorlage und fundierte Begründung, gerade auch im Alpenraum verstärkt Laufkäfer bei der Beantwortung naturschutzfachlicher Fragestellungen einzubinden.
Um das noch bestehende Reichweitenproblem von Elektrofahrzeugen zu lösen, sind Fahrzeugkonzepte wie Plug-in Hybridfahrzeuge sehr vielversprechend, sofern mit ihm überwiegend im Batteriebetrieb gefahren wird. Sie kombinieren die Vorteile des Verbrennungsmotors und des Elektromotors, sodass das lokale Emissionsproblem in Ballungszentren gelöst werden kann, ohne dass der Kunde dabei auf die Reichweite verzichten muss. Wenn das Fahrzeug allerdings überwiegend für Kurzstrecken genutzt wird, sind alterungsbedingte Veränderungen des Kraftstoffes möglich, da dieser länger im Tank verbleibt als üblich. In dieser Arbeit wird ein Konzept zur sensorischen Bestimmung der Qualität des Kraftstoffes vorgestellt. Hierzu wurde ein Prototyp entwickelt, in dem mithilfe des Real- und Imaginärteils der Permittivität alternde Kraftstoffe erkannt werden können. Dabei konnte durch das frequenzabhängige Permittivitätssignal des Sensors spezifisch zwischen nieder- und hochmolekularen Oxidationsprodukten in Kraftstoffen unterschieden werden. Da das Verbrennungs- und Emissionsverhalten des Motors von der Kraftstoffmischung vorgegeben ist, bietet eine zusätzliche sensorische Erfassung der Kraftstoffzusammensetzung weitere Optimierungspotenziale, um Emissionen zu reduzieren: So ist das Motormanagement im Fahrzeug zumeist auf Referenzkraftstoffe mit gleichbleibender Qualität abgestimmt. Variable Kraftstoffzusammensetzungen, die durch die Erdöllagerstätte und den zusätzlichen Konversionsverfahren zur Herstellung von fortschrittlichen Kraftstoffen vorgegeben sind, werden in dieser Anpassungsstrategie bisher nicht berücksichtigt. Als weitere Aufgabe wird in dieser Arbeit daher ein multisensorischer Ansatz verfolgt, wonach zusätzlich zur Kraftstoffalterung noch die Kraftstoffzusammensetzung erkannt werden kann. Insgesamt bietet die Sensorik das Potenzial zur kontinuierlichen Kraftstoffüberwachung in Plug-in Hybridfahrzeugen, um so einen Beitrag zum sicheren und nachhaltigen Betrieb solcher Fahrzeuge gewährleisten zu können.
Viable communication systems
(2020)
Society has come to the point that it requires a "Great Transformation" towards sustainability to ensure the viability of the planet for a vital society. The energy transition plays a central role for this transformation. For transforming the patterns of energy production and use in an energy transition as part of the "Great Transformation", this process of change now needs to strengthen its focus on information, communication, and knowledge systems. Human society needs to establish a knowledge system that has the potential to create usable knowledge for sustainability solutions. This requires organizing a communication system that is sufficiently complex, interconnected, and, at the same time, efficient for integrating reflexive, open-ended, inter- and transdisciplinary learning, evaluation, and knowledge co-production processes across multiple levels. This cumulative dissertation contributes to research in this direction by applying a systemic sustainability perspective on the content and organization of communication in the field of research on sustainable energy and the operational level of municipal climate action as part of the energy transition. Regarding sustainability, this thesis uses strong sustainability and its principles as a frame for evaluating the content of communication. Regarding the systemic perspective, the thesis particularly relies on the following theories: (i) the human-environment system model by R. Scholz as an overarching framework regarding interactions between humans and nature, (ii) social systems theory by N. Luhmann to reflect the complexity of society, (iii) knowledge management to consider the human character of knowledge and a practice-oriented perspective, and (iv) management cybernetics, in particular, the Viable System Model by S. Beer as a framework to analyze and assess organizational structures. Furthermore, the thesis leverages the potential of text mining as a method to identify and visualize patterns in texts that reflect prevalent paradigms in communication. The thesis applies the above conceptual and methodological basis in three case studies. Case Study 1 investigates the measures proposed in 16 municipal climate action plans of regional centers in Lower Saxony, Germany. It uses a text mining approach in the form of an Summary interpretation network analysis. It analyzes how different societal subsystems are connected at the semantic level and to what extent sustainability principles can be recognized. Case Study 2 analyzes and reflects paradigms and discursive network structures in international scientific publications on sustainable energy. The study investigates 26533 abstracts published from 1990 to 2016 using a text mining approach, in particular topic modeling via latent Dirichlet allocation. Case Study 3 turns again to the cases of municipal climate action in Lower Saxony examined in Case Study 1. It examines the involvement of climate action managers of these cities in multilevel knowledge processes. Using design principles for knowledge systems, it evaluates to what extent knowledge is managed in this field across levels for supporting the energy transition and to what extent local innovation potential is leveraged or supported. The three case studies show that international research on sustainable energy and municipal climate action in Germany provide promising contributions to achieve a transformation towards sustainability but do not fully reflect the complexity of society and still support a growth paradigm, in contrast to a holistic sustainability paradigm. Further, the case studies show that research and local action are actively engaging with the diversity of energy technologies but are lagging in dealing with the socio-epistemic (communication) system, especially with regard to achieving cohesion. Using the example of German municipalities, Case Studies 1 and 3 highlight the challenges of achieving coherent local action for sustainability and bottom-up organizational learning due to incomplete or uncoordinated multilevel knowledge exchange.
Die Energiewende steht im Zentrum aktueller gesellschaftlicher Debatten. Die Frage ist: Wie kann die gegenwärtige Klimakrise aufgehalten und gleichzeitig der Energiebedarf gedeckt werden? Einigkeit besteht darüber, dass eine Strategie zur Energiewende die Umstellung auf erneuerbare Energieträger beinhalten muss. Das Problem ist: Zentrale Begriffe wie "erneuerbare Energieträger " sind uneindeutig und deshalb besonders für naturwissenschaftliche Laien missverständlich. Ihnen wird dadurch die gesellschaftliche Teilhabe an der Debatte erschwert. Wie kann der naturwissenschaftliche Unterricht dazu beitragen, die oben benannten Missverständnisse aufzuklären? Er muss die Schüler dabei unterstützen, die naturwissenschaftlichen Schlüsselprinzipien der verschiedenen Energieträger und darauf aufbauend die Energiewende angemessen zu verstehen. Zu diesem Zweck muss der Unterricht entsprechend strukturiert werden. Welche Leitlinien sowohl die Lehrkräfte der Naturwissenschaften als auch die Entwickler der Unterrichtsmaterialien dabei beachten sollten: Das klärt die vorliegende Studie. Hierfür wird das Modell der didaktischen Rekonstruktion als Forschungsrahmen genutzt. Ausgehend von einem gemäßigt konstruktivistischen Lehr-Lernverständnis werden drei Unterfragen beantwortet: (1) Welche vorunterrichtlichen Vorstellungen bringen Schüler in den Unterricht mit? (2) Welche Vorstellungen haben Wissenschaftler? (3) Welche Unterschiede ergeben sich im Vergleich der Vorstellungen? Für die Beantwortung dieser Fragen wurden in der Erhebung problemzentrierte, leitfadengestützte Interviews mit 27 Achtklässlern geführt und Auszüge aus zwei wissenschaftlichen Gutachten ausgewählt. Mit einer qualitativen Inhaltsanalyse konnten in der Auswertung Inhaltsaspekte identifiziert werden, die Potenzial für die unterrichtliche Vermittlung haben. Mit dem so reduzierten Datenmaterial wurde eine systematische Metaphernanalyse durchgeführt. Damit wurden erfahrungsbasierte Muster hinter den Vorstellungen rekonstruiert. Aus dem systematischen Vergleich der Ergebnisse lassen sich Lernchancen und Lernhindernisse für das Verstehen von naturwissenschaftlichen Hintergründen der Energiewende ableiten. Diese werden in Form von Leitlinien für den naturwissenschaftlichen Unterricht zusammengefasst. Diese Leitlinien können von Lehrpersonen und Entwicklern von Lehrmaterialien genutzt werden, um ein fachlich angemessenes Verstehen der naturwissenschaftlichen Schlüsselprinzipien der Energieträger und der Energiewende zu fördern.
Both sustainability and transdisciplinary research can change academic research, especially with regard to its relevance for, and relationship with, its environments. Transdisciplinary sustainability research (TSR), thus, offers the opportunity to change non-sustainable development paths of sciences themselves. In order to fully exploit this possibility, this PhD project addresses the question of how TSR, in the first place, does conceptualize and, in the second place, could conceptualize knowledge, research, and science. Firstly, this PhD project analyzes, from a discourse studies perspective, the term problem in TSR, against the background of discourses on sustainable development. Secondly, it explores the historical-analytical and transformative concept of the problematic. The results, firstly, show the consequences of a problem-solving focus for TSR, and secondly, differentiate it from a transformative direction of problematic designing, as a more appropriate view on the dimensions of transformation and their qualities of change that matter for TSR. This PhD project aims to contribute to a self-understanding of, and a philosophical communication about, TSR, as a research form in the sustainability sciences.
It is understood among research and policy makers that addressing unsustainable individual consumption patterns is key for the vision of sustainable development. Education for Sustainable Consumption (ESC) is attributed a pivotal role for this purpose, aiming to improve the capacity of individuals to connect to and act upon knowledge, values and skills in order to respond successfully and purposefully to the demands of sustainable consumption. Yet despite political, scientific, and educational efforts and increasing awareness in the general population, little has been achieved to substantially change behavioral patterns so far. As part of the explanation for this shortcoming, it has been argued that current ESC practices have neglected the personal dimension of sustainable consumption, especially the affective-motivational processes underlying unsustainable consumption patterns. Against this background, this cumulative thesis is guided by the question how personal competencies for sustainable consumption can be defined, observed, and developed within educational settings. Special attention is given to mindfulness practices, describing the practice of cultivating a deliberate, unbiased and openhearted awareness of perceptible experience in the present moment. Drawing upon an explorative, qualitative research methodology, the thesis looks at three different mindfulness-based interventions aiming to stimulate competencies for sustainable consumption, reaching out to a total number of 321 participants (employees and university students). In this thesis, the author suggests to define personal competencies for sustainable consumption as abilities, proficiencies, or skills related to inner states and processes that can be considered necessary or sufficient to engage with sustainable consumption (SC). These include ethics, self-awareness, emotional resilience, selfcare, access to and cultivation of personal resources, access to and cultivation of ethical qualities, and mindsets for sustainability. The thesis holds that the observation of personal competencies benefits from a combination of different methodological and methodical angles. When working with self-reports as empirical data, a pluralistic qualitative methods approach can help overcoming shortcomings that are specifically related to individual methods while increasing the self-reflexivity of the research. Moreover, it is suggested to let learners analyze their own personal statements in groups, applying scientific methods. The products of the group analyses represent data based on an inter-subjectively shared perspective of learners that goes beyond self-estimation of personal competencies. In terms of developing personal competencies for SC, it can be concluded that mindfulness practice alone is not sufficient to build personal competencies for SC. While it can stimulate generic personal competencies, individuals do not necessarily apply these competencies within the domain of their consumption. Nevertheless, mindfulness practice can play an important role in ESC, insofar as it lays the inner foundation to engage with sustainability-related issues. More precisely, it allows learners to experience the relevance of their inner states and processes and the influence they have on actual behaviors, leading to a level of selfawareness that would not be accessible solely through discursive-intellectual means. Furthermore, participants experience mindfulness practice as a way to develop ethical qualities and access psychological resources, entailing stronger emotional resilience and improved well-being. In order to unleash its full potential for stimulating personal competencies for SC, however, the findings of the thesis suggest that mindfulness practice should be (a) complemented with methodically controlled self-inquiry and (b) related to a specific behavioral change. In this vein, self-inquiry-based and self-experience-based learning – two pedagogical approaches developed during the period of research for this thesis – turned out to be promising pedagogies for educational settings striving to stimulate the development of personal competencies for SC.
Comparable collaborations between farmers and institutions with communal catering have been less in research focus so far. Within the region of Lüneburg, an example for such a regional-organic cooperation is not known yet. Thus,this work represents the starting point to fill the research gap within the field of sustainable food systems in urban living labs as part of the research project GLOCULL (Globally and Locally-sustainable food-water-energy innovation in Urban Living Labs). The work aims at building up such a regional-organic food cooperation between a local farmer and a kindergarten community catering servicebased on scientific insights and practical persons’ knowledge.