TY  - THES
A1  - Svirejeva-Hopkins, Anastasia
T1  - Urbanised territories as a specific component of the global carbon cycle
N2  - Wir betrachten folgende Teile: die zusätzlichen Kohlenstoff(C)-emissionen, welche aus der Umwandlung von natürlichem Umland durch Stadtwachstum resultieren, und die Änderung des C-Flusses durch 'urbanisierte' Ökosysteme, soweit atmosphärisches C durch diese in umliegende natürliche Ökosysteme entlang der Kette “Atmosphäre -> Vegetation -> abgestorbene organische Substanzen” gepumpt wird: d.h. C-Export; für den Zeitraum von 1980 bis 2050. Als Szenario nutzen wir Prognosen der regionalen Stadtbevölkerung, welche durch ein 'Hybridmodell' generiert werden für acht Regionen. Alle Schätzungen der C-Flüsse basieren auf zwei Modellen: das Regression Modell und das sogenannte G-Modell. Die Siedlungsfläche, welche mit dem Wachstum der Stadtbevölkerung zunimmt, wird in 'Grünflächen' (Parks, usw.), Gebäudeflächen und informell städtisch genutzte Flächen (Slums, illegale Lagerplätze, usw.) unterteilt. Es werden jährlich die regionale und globale Dynamik der C-Emissionen und des C-Exports sowie die C-Gesamtbilanz berechnet. Dabei liefern beide Modelle qualitativ ähnliche Ergebnisse, jedoch gibt es einige quantitative Unterschiede. Im ersten Modell erreicht die globale Jahresemission für die Dekade 2020-2030 resultierend aus der Landnutzungsänderung ein Maximum von 205 Mt/a. Die maximalen Beiträge zur globalen Emission werden durch China, die asiatische und die pazifische Region erbracht. Im zweiten Modell erhöht sich die jährliche globale Emission von 1.12 GtC/a für 1980 auf 1.25 GtC/a für 2005 (1Gt = 109 t). Danach beginnt eine Reduzierung. Vergleichen wir das Emissionmaximum mit der Emission durch Abholzung im Jahre 1980 (1.36 GtC/a), können wir konstatieren, daß die Urbanisierung damit in vergleichbarer Grösse zur Emission beiträgt. Bezogen auf die globale Dynamik des jährlichen C-Exports durch Urbanisierung beobachten wir ein monotones Wachstum bis zum nahezu dreifachen Wert von 24 MtC/a für 1980 auf 66 MtC/a für 2050 im ersten Modell, bzw. im zweiten Modell von 249 MtC/a für 1980 auf 505 MtC/a für 2050. Damit ist im zweiten Fall die Transportleistung der Siedlungsgebiete mit dem C-Transport durch Flüsse in die Ozeane (196 .. 537 MtC/a) vergleichbar. Bei der Abschätzung der Gesamtbilanz finden wir, daß die Urbanisierung die Bilanz in Richtung zu einer 'Senke' verschiebt. Entsprechend dem zweiten Modell beginnt sich die C-Gesamtbilanz (nach annähernder Konstanz) ab dem Jahre 2000 mit einer fast konstanten Rate zu verringern. Wenn das Maximum im Jahre 2000 bei 905MtC/a liegt, fällt dieser Wert anschliessend bis zum Jahre 2050 auf 118 MtC/a. Bei Extrapolation dieser Dynamik in die Zukunft können wir annehmen, daß am Ende des 21. Jahrhunderts die “urbane” C-Gesamtbilanz Null bzw. negative Werte erreicht.
N2  - We calculate the additional carbon emissions as a result of the conversion of natural land in a process of urbanisation; and the change of carbon flows by “urbanised” ecosystems, when the atmospheric carbon is exported to the neighboring territories, from 1980 till 2050 for the eight regions of the world. As a scenario we use combined UN and demographic model′s prognoses for regional total and urban population growth. The calculations of urban areas dynamics are based on two models: the regression model and the Gamma-model. The urbanised area is sub-divided on built-up, „green“ (parks, etc.) and informal settlements (favelas) areas. The next step is to calculate the regional and world dynamics of carbon emission and export, and the annual total carbon balance. Both models give similar results with some quantitative differences. In the first model, the world annual emissions attain a maximum of 205 MtC/year between 2020-2030. Emissions will then slowly decrease. The maximum contributions are given by China and the Asia and Pacific regions. In the second model, world annual emissions increase to 1.25 GtC in 2005, beginning to decrease afterwards. If we compare the emission maximum with the annual emission caused by deforestation, 1.36GtC per year, then we can say that the role of urbanised territories (UT) is of a comparable magnitude. Regarding the world annual export of carbon by UT, we observe its monotonous growth by three times, from 24 MtC to 66 MtC in the first model, and from 249 MtC to 505 MtC in the second one. The latter, is therefore comparable to the amount of carbon transported by rivers into the ocean (196-537 MtC). By estimating the total balance we find that urbanisation shifts the total balance towards a “sink” state. The urbanisation is inhibited in the interval 2020-2030, and by 2050 the growth of urbanised areas would almost stop. Hence, the total emission of natural carbon at that stage will stabilise at the level of the 1980s (80 MtC per year). As estimated by the second model, the total balance, being almost constant until 2000, then starts to decrease at an almost constant rate. We can say that by the end of the XXI century, the total carbon balance will be equal to zero, when the exchange flows are fully balanced, and may even be negative, when the system begins to take up carbon from the atmosphere, i.e., becomes a “sink”.
T2  - Urbanised territories as a specific component of the global carbon cycle
KW  - Urbanisierung
KW  - C-Senke
KW  - Bilanz
KW  - Kohlenstoffzyklus
KW  - Städte
KW  - C-Fluss
KW  - Slums
KW  - Vegetation
KW  - Verteilung
KW  - urban
KW  - land conversion
KW  - carbon
KW  - sink
KW  - cities
KW  - urbanisation
KW  - emissions
KW  - favela
KW  - regional
KW  - population
KW  - density
KW  - distribution
KW  - flux
KW  - vegetation
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001512
ER  - 
TY  - THES
A1  - Chung, Kang Ko
T1  - Heteroatom-containing carbons for high energy density supercapacitor
T1  - Heteroatomhaltige Kohlenstoffe für Superkondensatoren mit hohen Energiedichten
N2  - The supercapacitor is one of the most important energy storage devices as its construction allows for addressing many of the drawbacks related to batteries, but the low energy density of current systems is a major issue. In this doctoral dissertation, with a view to attaining high energy density supercapacitor systems that can be comparable to those for batteries, new heteroatom-containing carbons in the form of particles and three-dimensional films were investigated. A nitrogen-containing material, acrodam, was chosen as the carbon precursor due to the inexpensiveness, high carbonization yield, oligomerizability, etc. The carbon particles were prepared from acrodam together with caesium acetate as a meltable flux agent, and disclosed excellent properties in hydroquinone-loaded sulphuric acid electrolyte with high energy densities (up to 133.0 Wh kg–1) and sufficient cycle stabilities. These properties are already now comparable to those of batteries. Besides, conductive carbon three-dimensional films were fabricated using acrodam oligomer as the precursor by the inexpensive spin coating method. The films were found to be homogeneous, flat, void- and crack-free, and high conductivities (up to 334 S cm–1) could be obtained at the carbonization temperature of 1000 ºC. Furthermore, a porous carbon three-dimensional film could be formed using an organic template at the first attempt. This finding demonstrates the film’s potentiality for various applications such as supercapacitor electrode; the essential absence of contact resistance within the network should contribute to effective transportation of electron within the electrode. The progress made in this dissertation will open a new way to further enhancement of energy density for supercapacitor as well as other applications that exceeds the current properties.
N2  - Der Superkondensator ist einer der wichtigsten Energiespeicher da seine Konstruktion die Lösung vieler Nachteile von Batterien erlaubt. Allerdings weisen derzeitige Systeme noch zu geringe Energiedichten auf. Um Superkondensatoren mit Energiedichten vergleichbar zu Batterien zu ermöglichen, wurden in der vorliegenden Dissertation neue, heteroatomhaltige Kohlenstoffe in Form von Partikeln und Filmen untersucht. Aufgrund geringer Kosten, hohen Ausbeuten, Polymerisierbarkeit usw. wurde die stickstoffhaltige Substanz Acrodam als Kohlenstoffvorstufe verwendet. Die Kohlenstoffpartikel wurden ausgehend von Acrodam zusammen mit Cäsiumacetat als schmelzbares Flussmittel hergestellt und wiesen ausgezeichnete Eigenschaften in Hydrochinon geladenen Schwefelsäure-Elektrolyten mit hohen Energiedichten (bis zu 133,0 Wh kg–1) und guten Zyklusstabilitäten auf. Diese Eigenschaften sind bereits jetzt vergleichbar mit denen von Batterien. Weiterhin wurden unter Verwendung von Acrodamoligomeren als Vorstufe und mit Hilfe der kostengünstigen Rotationsbeschichtung leitfähige, dreidimensionale Kohlenstofffilme hergestellt. Bei einer Karbonisierungstemperatur von 1000 °C konnten die Materialien als homogene, flache, Hohlraum-und Riss-freie Filme erhalten werden, die eine hohe Leitfähigkeit (bis zu 334 S cm–1) aufwiesen. Darüber hinaus konnte mit einem organischen Templat ein dreidimensionaler, poröser Kohlenstoff geformt werden. Dies zeigt das Potential der Filme für verschiedene Anwendungen wie Superkondensatorelektroden; die Abwesenheit von Übergangswiderständen im Netzwerk sollte zu einem effizienten Transport von Elektronen in der Elektrode beitragen. Die Ergebnisse dieser Dissertation werden neue Wege zur Verbesserung der Energiedichte von Superkondensatoren sowie weiteren Anwendungen eröffnen.
KW  - supercapacitor
KW  - carbon
KW  - heteroatom
KW  - energy density
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69826
ER  - 
TY  - THES
A1  - Frank-Fahle, Béatrice A.
T1  - Methane-cycling microbial communities in permafrost affected soils on Herschel Island and the Yukon Coast, Western Canadian Arctic
T1  - Mikrobielle Gemeinschaften des Methankreislaufs in Permafrost beeinflussten Böden auf der Insel Herschel und an der Yukon-Küste, westliche kanadische Arktis
N2  - Permafrost-affected ecosystems including peat wetlands are among the most obvious regions in which current microbial controls on organic matter decomposition are likely to change as a result of global warming. Wet tundra ecosystems in particular are ideal sites for increased methane production because of the waterlogged, anoxic conditions that prevail in seasonally increasing thawed layers. The following doctoral research project focused on investigating the abundance and distribution of the methane-cycling microbial communities in four different polygons on Herschel Island and the Yukon Coast. Despite the relevance of the Canadian Western Arctic in the global methane budget, the permafrost microbial communities there have thus far remained insufficiently characterized. Through the study of methanogenic and methanotrophic microbial communities involved in the decomposition of permafrost organic matter and their potential reaction to rising environmental temperatures, the overarching goal of the ensuing thesis is to fill the current gap in understanding the fate of the organic carbon currently stored in Artic environments and its implications regarding the methane cycle in permafrost environments. To attain this goal, a multiproxy approach including community fingerprinting analysis, cloning, quantitative PCR and next generation sequencing was used to describe the bacterial and archaeal community present in the active layer of four polygons and to scrutinize the diversity and distribution of methane-cycling microorganisms at different depths. These methods were combined with soil properties analyses in order to identify the main physico-chemical variables shaping these communities. In addition a climate warming simulation experiment was carried-out on intact active layer cores retrieved from Herschel Island in order to investigate the changes in the methane-cycling communities associated with an increase in soil temperature and to help better predict future methane-fluxes from polygonal wet tundra environments in the context of climate change. Results showed that the microbial community found in the water-saturated and carbon-rich polygons on Herschel Island and the Yukon Coast was diverse and showed a similar distribution with depth in all four polygons sampled. Specifically, the methanogenic community identified resembled the communities found in other similar Arctic study sites and showed comparable potential methane production rates, whereas the methane oxidizing bacterial community differed from what has been found so far, being dominated by type-II rather than type-I methanotrophs. After being subjected to strong increases in soil temperature, the active-layer microbial community demonstrated the ability to quickly adapt and as a result shifts in community composition could be observed. These results contribute to the understanding of carbon dynamics in Arctic permafrost regions and allow an assessment of the potential impact of climate change on methane-cycling microbial communities. This thesis constitutes the first in-depth study of methane-cycling communities in the Canadian Western Arctic, striving to advance our understanding of these communities in degrading permafrost environments by establishing an important new observatory in the Circum-Arctic.
N2  - Permafrost beeinflusste Ökosysteme gehören zu den Regionen, in denen als Folge der globalen Erwärmung eine Veränderung des mikrobiell-kontrollierten Abbaus von organischem Material zu erwarten ist. Besonders in den Ökosystemen der feuchten Tundralandschaften kommt es zu einer verstärkten Methanpoduktion unter wassergesättigten und anoxischen Bedingungen, die durch immer tiefere saisonale Auftauschichten begünstigt werden. Die vorliegende Doktorarbeit kontenzentrierte sich auf die Untersuchung der Abundanz und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften in vier unterschiedlichen Polygonen auf der Insel Herschel und an der Yukon Küste in Kanada. Trotz des relevanten Beitrags der kanadischen West-Arktis am globalen Methanhaushalt, sind die dortigen mikrobiellen Gemeinschaften im Permafrost bisher nur unzureichend untersucht worden. Die zentrale Zielstellung der vorliegenden Arbeit besteht darin, die derzeitige Lücke im Verständnis der Kohlenstoffdynamik in der Arktis im Zuge von Klimaveränderungen und deren Bedeutung für den Methankreislauf in Permafrost-Ökosystemen zu schließen. Dies erfolgt durch Untersuchungen der am Abbau der organischen Substanz im Permafrost beteiligten methonogenen und methanothrophen mikrobiellen Gemeinschaften und ihrer möglichen Reaktionen auf steigende Umgebungstemperaturen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein Multiproxy-Ansatz gewählt, der die Analyse der Gemeinschaften mittels genetischen Fingerprintmethoden, Klonierung, quantitativer PCR und moderner Hochdurchsatzsequenzierung („Next Generation Sequencing“) beinhaltet, um die in der Auftauschicht der vier untersuchten Polygone vorhandenen Bakterien- und Archaeen-Gemeinschaften zu charakterisieren sowie die Diversität und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismen in unterschiedlicher Tiefe eingehend zu analysieren. Diese Studien wurden mit physikalisch-chemischen Habitatuntersuchungen kombiniert, da diese die mikrobiellen Lebensgemeinschaften maßgeblich beeinflussen. Zusätzlich wurde ein Laborexperiment zur Simulation der Klimaerwärmung an intakten Bodenmonolithen von der Insel Herschel durchgeführt, um die Veränderungen der am Methankreislauf beteiligten Gemeinschaften aufgrund steigender Bodentemperaturen zu untersuchen, sowie sicherere Voraussagen bezüglich der Methanfreisetzung in polygonalen Permafrostgebieten im Zusammenhang mit dem Klimawandel treffen zu können.
KW  - Permafrost
KW  - Mikrobiologie
KW  - Methan
KW  - Kohlenstoff
KW  - Arktis
KW  - Permafrost
KW  - microbiology
KW  - methane
KW  - carbon
KW  - Arctic
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65345
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schipper, Florian
T1  - Biomass derived carbon for new energy storage technologies
N2  - The thesis deals with the production and evaluation of porous carbon materials for energy storage technologies, namely super capacitors and lithium sulfur batteries.
N2  - Die Doktorarbeit befasst sich mit der Produktion und Evaluierung poröser Kohlenstoffmaterialien für die Anwendung in Energiespeichertechnologien, namentlich Superkondensatoren und Lithiumschwefelbatterien.
T2  - Biomasse basierende Kohlenstoffe für neue Energiespeichertechnologien
KW  - Batterien
KW  - Superkondensatoren
KW  - Energiespeicher
KW  - Lithium-Schwefel-Batterien
KW  - Kohlenstoff
KW  - battery
KW  - supercapacitors
KW  - energy storage
KW  - lithium sulfur battery
KW  - carbon
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72045
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Frieler, Katja
A1  - Levermann, Anders
A1  - Elliott, J.
A1  - Heinke, J.
A1  - Arneth, A.
A1  - Bierkens, M. F. P.
A1  - Ciais, Philippe
A1  - Clark, D. B.
A1  - Deryng, D.
A1  - Doell, P.
A1  - Falloon, P.
A1  - Fekete, B.
A1  - Folberth, Christian
A1  - Friend, A. D.
A1  - Gellhorn, C.
A1  - Gosling, S. N.
A1  - Haddeland, I.
A1  - Khabarov, N.
A1  - Lomas, M.
A1  - Masaki, Y.
A1  - Nishina, K.
A1  - Neumann, K.
A1  - Oki, T.
A1  - Pavlick, R.
A1  - Ruane, A. C.
A1  - Schmid, E.
A1  - Schmitz, C.
A1  - Stacke, T.
A1  - Stehfest, E.
A1  - Tang, Q.
A1  - Wisser, D.
A1  - Huber, V.
A1  - Piontek, Franziska
A1  - Warszawski, L.
A1  - Schewe, Jacob
A1  - Lotze-Campen, Hermann
A1  - Schellnhuber, Hans Joachim
T1  - A framework for the cross-sectoral integration of multi-model impact projections
BT  - land use decisions under climate impacts uncertainties
T2  - Earth system dynamics
N2  - Climate change and its impacts already pose considerable challenges for societies that will further increase with global warming (IPCC, 2014a, b). Uncertainties of the climatic response to greenhouse gas emissions include the potential passing of large-scale tipping points (e.g. Lenton et al., 2008; Levermann et al., 2012; Schellnhuber, 2010) and changes in extreme meteorological events (Field et al., 2012) with complex impacts on societies (Hallegatte et al., 2013). Thus climate change mitigation is considered a necessary societal response for avoiding uncontrollable impacts (Conference of the Parties, 2010). On the other hand, large-scale climate change mitigation itself implies fundamental changes in, for example, the global energy system. The associated challenges come on top of others that derive from equally important ethical imperatives like the fulfilment of increasing food demand that may draw on the same resources. For example, ensuring food security for a growing population may require an expansion of cropland, thereby reducing natural carbon sinks or the area available for bio-energy production. So far, available studies addressing this problem have relied on individual impact models, ignoring uncertainty in crop model and biome model projections. Here, we propose a probabilistic decision framework that allows for an evaluation of agricultural management and mitigation options in a multi-impact-model setting. Based on simulations generated within the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISI-MIP), we outline how cross-sectorally consistent multi-model impact simulations could be used to generate the information required for robust decision making.

Using an illustrative future land use pattern, we discuss the trade-off between potential gains in crop production and associated losses in natural carbon sinks in the new multiple crop-and biome-model setting. In addition, crop and water model simulations are combined to explore irrigation increases as one possible measure of agricultural intensification that could limit the expansion of cropland required in response to climate change and growing food demand. This example shows that current impact model uncertainties pose an important challenge to long-term mitigation planning and must not be ignored in long-term strategic decision making.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 457 
KW  - global food demand
KW  - water availability
KW  - elevated CO2
KW  - future
KW  - carbon
KW  - system
KW  - productivity
KW  - agriculture
KW  - emissions
KW  - scarcity
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407968
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Biskaborn, Boris
A1  - Lanckman, J.-P.
A1  - Lantuit, Hugues
A1  - Elger, K.
A1  - Streletskiy, Dmitry
A1  - Cable, W. L.
A1  - Romanovsky, Vladimir E.
T1  - The new database of the Global Terrestrial Network for Permafrost (GTN-P)
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The Global Terrestrial Network for Permafrost (GTN-P) provides the first dynamic database associated with the Thermal State of Permafrost (TSP) and the Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) programs, which extensively collect permafrost temperature and active layer thickness (ALT) data from Arctic, Antarctic and mountain permafrost regions. The purpose of GTN-P is to establish an early warning system for the consequences of climate change in permafrost regions and to provide standardized thermal permafrost data to global models. In this paper we introduce the GTN-P database and perform statistical analysis of the GTN-P metadata to identify and quantify the spatial gaps in the site distribution in relation to climate-effective environmental parameters. We describe the concept and structure of the data management system in regard to user operability, data transfer and data policy. We outline data sources and data processing including quality control strategies based on national correspondents. Assessment of the metadata and data quality reveals 63% metadata completeness at active layer sites and 50% metadata completeness for boreholes.

Voronoi tessellation analysis on the spatial sample distribution of boreholes and active layer measurement sites quantifies the distribution inhomogeneity and provides a potential method to locate additional permafrost research sites by improving the representativeness of thermal monitoring across areas underlain by permafrost. The depth distribution of the boreholes reveals that 73% are shallower than 25m and 27% are deeper, reaching a maximum of 1 km depth. Comparison of the GTN-P site distribution with permafrost zones, soil organic carbon contents and vegetation types exhibits different local to regional monitoring situations, which are illustrated with maps. Preferential slope orientation at the sites most likely causes a bias in the temperature monitoring and should be taken into account when using the data for global models. The distribution of GTN-P sites within zones of projected temperature change show a high representation of areas with smaller expected temperature rise but a lower number of sites within Arctic areas where climate models project extreme temperature increase.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 523 
KW  - international polar year
KW  - thermal state
KW  - climate-change
KW  - active-layer
KW  - carbon
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409612
SN  - 1866-8372
IS  - 523
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Frindte, Katharina
A1  - Allgaier, Martin
A1  - Grossart, Hans-Peter
A1  - Eckert, Werner
T1  - Microbial response to experimentally controlled redox transitions at the sediment water interface
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The sediment-water interface of freshwater lakes is characterized by sharp chemical gradients, shaped by the interplay between physical, chemical and microbial processes. As dissolved oxygen is depleted in the uppermost sediment, the availability of alternative electron acceptors, e.g. nitrate and sulfate, becomes the limiting factor. We performed a time series experiment in a mesocosm to simulate the transition from aerobic to anaerobic conditions at the sediment-water interface. Our goal was to identify changes in the microbial activity due to redox transitions induced by successive depletion of available electron acceptors. Monitoring critical hydrochemical parameters in the overlying water in conjunction with a new sampling strategy for sediment bacteria enabled us to correlate redox changes in the water to shifts in the active microbial community and the expression of functional genes representing specific redox-dependent microbial processes. Our results show that during several transitions from oxic-heterotrophic condition to sulfate-reducing condition, nitrate-availability and the on-set of sulfate reduction strongly affected the corresponding functional gene expression. There was evidence of anaerobic methane oxidation with NOx. DGGE analysis revealed redox-related changes in microbial activity and expression of functional genes involved in sulfate and nitrite reduction, whereas methanogenesis and methanotrophy showed only minor changes during redox transitions. The combination of high-frequency chemical measurements and molecular methods provide new insights into the temporal dynamics of the interplay between microbial activity and specific redox transitions at the sediment-water interface.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 509 
KW  - anaerobic methane oxidation
KW  - oligotrophic lake Stechlin
KW  - ribosomal RNA
KW  - vertical-distribution
KW  - coastal sediments
KW  - sulfate reduction
KW  - Shallow Lake
KW  - bacteria
KW  - carbon
KW  - communities
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408464
SN  - 1866-8372
IS  - 509
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Puppe, Daniel
A1  - Höhn, Axel
A1  - Kaczorek, Danuta
A1  - Wanner, Manfred
A1  - Wehrhan, Marc
A1  - Sommer, Michael
T1  - How big is the influence of biogenic silicon pools on short-term changes in water-soluble silicon in soils?
BT  - Implications from a study of a 10-year-old soil–plant system
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - The significance of biogenic silicon (BSi) pools as a key factor for the control of Si fluxes from terrestrial to aquatic ecosystems has been recognized for decades. However, while most research has been focused on phytogenic Si pools, knowledge of other BSi pools is still limited. We hypothesized that different BSi pools influence short-term changes in the water-soluble Si fraction in soils to different extents. To test our hypothesis we took plant (Calamagrostis epigejos, Phragmites australis) and soil samples in an artificial catchment in a post-mining landscape in the state of Brandenburg, Germany. We quantified phytogenic (phytoliths), protistic (diatom frustules and testate amoeba shells) and zoogenic (sponge spicules) Si pools as well as Tironextractable and water-soluble Si fractions in soils at the beginning (t(0)) and after 10 years (t(10)) of ecosystem development. As expected the results of Tiron extraction showed that there are no consistent changes in the amorphous Si pool at Chicken Creek (Huhnerwasser) as early as after 10 years. In contrast to t(0) we found increased water-soluble Si and BSi pools at t(10); thus we concluded that BSi pools are the main driver of short-term changes in water-soluble Si. However, because total BSi represents only small proportions of water-soluble Si at t(0) (< 2 %) and t(10) (2.8-4.3 %) we further concluded that smaller (< 5 mu m) and/or fragile phytogenic Si structures have the biggest impact on short-term changes in water-soluble Si. In this context, extracted phytoliths (> 5 mu m) only amounted to about 16% of total Si con-tents of plant materials of C. epigejos and P. australis at t(10); thus about 84% of small-scale and/or fragile phytogenic Si is not quantified by the used phytolith extraction method. Analyses of small-scale and fragile phytogenic Si structures are urgently needed in future work as they seem to represent the biggest and most reactive Si pool in soils. Thus they are the most important drivers of Si cycling in terrestrial biogeosystems.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 633 
KW  - brook experimental forest
KW  - protozoic Si pool
KW  - testate amebas
KW  - biochemical cycle
KW  - temperate forest
KW  - amorphous silica
KW  - dissolution
KW  - carbon
KW  - phytoliths
KW  - surface
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417141
IS  - 633
SP  - 5239
EP  - 5252
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herbrich, Marcus
T1  - Einfluss der erosionsbedingten Pedogenese auf den Wasserund Stoffhaushalt ackerbaulich genutzter Böden der Grundmoränenbodenlandschaft NO-Deutschlands - hydropedologische Untersuchungen mittels wägbarer Präzisionslysimeter
T1  - Effects of erosion-affected soil evolution on water and dissolved carbon fluxes, soil hydraulic properties, and crop development of soils from a hummocky ground moraine landscape - hydropedological analysis using high precision weighing lysimeters
N2  - In the arable soil landscape of hummocky ground moraines, an erosion-affected spatial differentiation of soils can be observed. Man-made erosion leads to soil profile modifications along slopes with changed solum thickness and modified properties of soil horizons due to water erosion in combination with tillage operations. Soil erosion creates, thereby, spatial patterns of soil properties (e.g., texture and organic matter content) and differences in crop development. However, little is known about the manner in which water fluxes are affected by soil-crop interactions depending on contrasting properties of differently-developed soil horizons and how water fluxes influence the carbon transport in an eroded landscape. To identify such feedbacks between erosion-induced soil profile modifications and the 1D-water and solute balance, high-precision weighing lysimeters equipped with a wide range of sensor technique were filled with undisturbed soil monoliths that differed in the degree of past soil erosion. Furthermore, lysimeter effluent concentrations were analyzed for dissolved carbon fractions in bi-weekly intervals.
The water balance components measured by high precision lysimeters varied from the most eroded to the less eroded monolith up to 83 % (deep drainage) primarily caused due to varying amounts of precipitation and evapotranspiration for a 3-years period. Here, interactions between crop development and contrasting rainfall interception by above ground biomass could explain differences in water balance components. Concentrations of dissolved carbon in soil water samples were relatively constant in time, suggesting carbon leaching was mainly affected by water fluxes in this observation period. For the lysimeter-based water balance analysis, a filtering scheme was developed considering temporal autocorrelation. The minute-based autocorrelation analysis of mass changes from lysimeter time series revealed characteristic autocorrelation lengths ranging from 23 to 76 minutes. Thereby, temporal autocorrelation provided an optimal approximation of precipitation quantities. However, the high temporal resolution in lysimeter time series is restricted by the lengths of autocorrelation.
Erosion-induced but also gradual changes in soil properties were reflected by dynamics of soil water retention properties in the lysimeter soils. Short-term and long-term hysteretic water retention data suggested seasonal wettability problems of soils increasingly limited rewetting of previously dried pore regions. Differences in water retention were assigned to soil tillage operations and the erosion history at different slope positions. The threedimensional spatial pattern of soil types that result from erosional soil profile modifications were also reflected in differences of crop root development at different landscape positions. Contrasting root densities revealed positive relations of root and aboveground plant characteristics. Differences in the spatially-distributed root growth between different eroded soil types provided indications that root development was affected by the erosion-induced soil evolution processes.
Overall, the current thesis corroborated the hypothesis that erosion-induced soil profile modifications affect the soil water balance, carbon leaching and soil hydraulic properties, but also the crop root system is influenced by erosion-induced spatial patterns of soil properties in the arable hummocky post glacial soil landscape. The results will help to improve model predictions of water and solute movement in arable soils and to understand interactions between soil erosion and carbon pathways regarding sink-or-source terms in landscapes.
N2  - Hydropedologische Wechselwirkungen zwischen Wasserflüssen und erosionsbedingten Veränderungen im Profilaufbau ackerbaulich genutzter Böden treten insbesondere in der Jungmoränenlandschaft auf, die sich durch eine überwiegend flachwellige bis kuppige Topographie auszeichnet. Mit der dynamischen Veränderung von Bodenprofilen, wie etwa der veränderten Solumtiefe und Horizontabfolgen, sowie deren Verteilungen in der Landschaft gehen Veränderungen in den bodenhydraulischen Eigenschaften einher. Über deren Auswirkungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt ist bislang nur wenig bekannt.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden kontinuierliche Messungen aus vier Jahren (2011 bis 2014) unter Verwendung von wägbaren Lysimetern in der ackerbaulich genutzten Bodenlandschaft Nordostdeutschlands (Uckermark) erhoben. Dabei sollte die zentrale Frage, inwieweit die erosionsbedingte Pedogenese, in Wechselwirkung mit der pflanzenbaulichen Nutzung, den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt beeinflusst, beantwortet werden. Ziel dieser Arbeit war es, 1D-Wasserflüsse und Austräge an gelöstem Kohlenstoff für unterschiedlich erodierte Bodenprofile zu quantifizieren. Damit einhergehend wurden Untersuchungen zu hydraulischen Bodeneigenschaften sowie möglichen Veränderungen im System Boden-Pflanze (Wurzeluntersuchungen) durchgeführt. Um derartige Veränderungen zwischen unterschiedlich erodierten Böden beschreiben zu können, wurden Bodenmonolithe in ungestörter Lagerung entnommen und in Lysimeteranlagen installiert. Zudem erfolgte eine Instrumentierung der einzelnen Lysimeter mit verschiedener Sensorik, u.a. um Wassergehalte und Matrixpotentiale zu messen. Für stoffhaushaltliche Untersuchungen wurden darüber hinaus Konzentrationen der gelösten Kohlenstofffraktion in der Bodenlösung in 14-tägigen Intervallen bestimmt.   
Der Wasserhaushalt von sechs gering bis stark erodierten Parabraunerden unterschied sich im Hinblick auf die bilanzierten Wasserhaushaltskomponenten deutlich. Anhand dieser Ergebnisse liegt die Vermutung nahe, dass die dynamischen Veränderungen im Gefüge- und Profilaufbau (in Abhängigkeit von der Bodenerosion) einen Effekt auf die Wasserbilanzen aufweisen. Über die mehrjährige Messperiode von 2011 bis 2014 konnte für das mit einer stark erodierten Parabraunerde gefüllte Lysimeter ein circa 83 Prozent höherer Abfluss als für das Lysimeter mit einer wenig erodierten Parabraunerde gemessen werden. Somit variierte der Abfluss am unteren Rand in Abhängigkeit zum Erosionsgrad. Neben dem unterschiedlichen Abflussverhalten variierten die Bodenmonolithe innerhalb der Lysimeter ebenfalls in den Evapotranspirations- und Niederschlagsmengen, hervorgerufenen durch die Differenzierung in den Horizontabfolgen, -mächtigkeiten und deren Einfluss auf die bodenhydraulischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Pflanzenbewuchs. Aufgrund der homogen verteilten Stoffkonzentrationen des gelösten organischen und anorganischen Kohlenstoffs am unteren Rand waren Kohlenstoffausträge maßgeblich von den Wasserflüssen abhängig. Als Grundlage der Lysimeter-basierten Wasserhaushaltsanalyse diente ein im Rahmen dieser Dissertation entwickeltes Auswertungsverfahren von kontinuierlichen Gewichtsänderungen unter Berücksichtigung der zeitlichen Autokorrelation. Um eine mögliche Periodizität in zeitlich hochaufgelösten Änderungen des Lysimeterwaagensystems zu ermitteln, fand eine Autokorrelationsfunktion in der Zeitreihenanalyse von vier saisonalen Messzeiträumen Anwendung. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass hochaufgelöste Lysimeterzeitreihen in einem Bereich von circa 30 min bis circa 60 min zeitlich autokorreliert sind. Die ermittelten Autokorrelationslängen bieten wiederum eine Möglichkeit zur Annäherung von (optimalen) Zeitintervallen für die Niederschlagsberechnung, basierend auf Änderungen in den Wiegedaten. Im Vergleich zu einem Kippwaagenregenmesser nahe der Lysimeterstation überstiegen die ermittelten Niederschlagsmengen der Lysimeter in Bodennähe die der in zwei Metern Höhe erfolgten Messung deutlich. 
Zur Charakterisierung der zeitlichen (Hysterese), als auch räumlichen (erosionsbedingter Pedogenese) Veränderungen der bodenhydraulischen Eigenschaften der Lysimeterböden  wurden kontinuierliche Datenreihen des Wassergehaltes und Matrixpotentials analysiert. Die daraus abgeleiteten Wasserretentionskurven wurden in 3 Messtiefen (10, 30, 50 cm) unter Feldbedingungen ausgewertet und mit Labormessungen von Bodenkernen verglichen. Sowohl zwischen den unterschiedlich erodierten Bodenprofilen als auch zwischen den Feld- und Labormessungen waren Unterschiede in den Wasserretentionseigenschaften ersichtlich. Innerhalb eines Jahres (eingeschränkte Benetzbarkeit) sowie zwischen den Jahren (Veränderung der Porenmatrix) zeigten die Ergebnisse zudem eine zeitliche Veränderung der Wasserretentionseigenschaften. Diese dynamische Variabilität der Wasserretention wiederum unterliegt der räumlichen Heterogenität von Bodeneigenschaften, wie Textur und Lagerungsdichte. Für die Interpretation der unterschiedlichen bodenhydraulischen Eigenschaften sowie im Hinblick auf Veränderungen im Wasserhaushalt von ackerbaulich genutzten Lysimetern spielt das System Boden-Pflanze eine bedeutende Rolle. Diesbezüglich wurden Biomasse- und Wurzeluntersuchungen an unterschiedlich erodierten Böden durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass  erosionsbedingte Veränderungen im Profilaufbau beziehungsweise Horizonteigenschaften die Wurzelentwicklung beeinflussen können. Zudem stehen die Durchwurzelungsraten an grundwasserbeeinflussten Senkenstandorten in enger Beziehung zum Grundwasserstand (insbesondere im Frühjahr). Die oberirdisch beobachteten Unterschiede in der Biomasse korrelierten stark mit den ermittelten Wurzeldichten (Winterweizen), dies lässt vermuten, dass eine Abschätzung der Wurzelentwicklung mittels oberirdischer Biomasse möglich ist.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Lysimeterstudie komplexe Wechselwirkungen zwischen dem pedogenetischen Zustand erodierter Böden und dem Wasserhaushalt, den bodenhydraulischen Eigenschaften sowie der Wurzelentwicklung angebauter Kulturen. Zudem leisten die ermittelten unterschiedlichen Austragsraten an gelöstem Kohlenstoff einen Beitrag zur Abschätzung der langfristigen, in die Tiefe fortschreitenden Entkalkung sowie zur Beantwortung der Fragestellung, ob ackerbaulich genutzte Böden eher als Quell- oder als Senkenterm für Kohlendioxid fungieren.
KW  - Lysimeter
KW  - Wasserhaushalt
KW  - Kohlenstoff
KW  - lysimeter
KW  - water balance
KW  - carbon
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408561
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Zimmermann, Heike Hildegard
A1  - Raschke, Elena
A1  - Epp, Laura Saskia
A1  - Stoof-Leichsenring, Kathleen Rosemarie
A1  - Schwamborn, Georg
A1  - Schirrmeister, Lutz
A1  - Overduin, Pier Paul
A1  - Herzschuh, Ulrike
T1  - Sedimentary ancient DNA and pollen reveal the composition of plant organic matter in Late Quaternary permafrost sediments of the Buor Khaya Peninsula (north-eastern Siberia)
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Organic matter deposited in ancient, ice-rich permafrost sediments is vulnerable to climate change and may contribute to the future release of greenhouse gases; it is thus important to get a better characterization of the plant organic matter within such sediments. From a Late Quaternary permafrost sediment core from the Buor Khaya Peninsula, we analysed plant-derived sedimentary ancient DNA (sedaDNA) to identify the taxonomic composition of plant organic matter, and undertook palynological analysis to assess the environmental conditions during deposition. Using sedaDNA, we identified 154 taxa and from pollen and non-pollen palynomorphs we identified 83 taxa. In the deposits dated between 54 and 51 kyr BP, sedaDNA records a diverse low-centred polygon plant community including recurring aquatic pond vegetation while from the pollen record we infer terrestrial open-land vegetation with relatively dry environmental conditions at a regional scale. A fluctuating dominance of either terrestrial or swamp and aquatic taxa in both proxies allowed the local hydrological development of the polygon to be traced. In deposits dated between 11.4 and 9.7 kyr BP (13.4-11.1 cal kyr BP), sedaDNA shows a taxonomic turnover to moist shrub tundra and a lower taxonomic richness compared to the older samples. Pollen also records a shrub tundra community, mostly seen as changes in relative proportions of the most dominant taxa, while a decrease in taxonomic richness was less pronounced compared to sedaDNA. Our results show the advantages of using sedaDNA in combination with palynological analyses when macrofossils are rarely preserved. The high resolution of the sedaDNA record provides a detailed picture of the taxonomic composition of plant-derived organic matter throughout the core, and palynological analyses prove valuable by allowing for inferences of regional environmental conditions.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 670 
KW  - NE Siberia
KW  - vegetation patterns
KW  - environmental DNA
KW  - Arctic vegetation
KW  - frozen sediments
KW  - lake-sediments
KW  - gas-production
KW  - carbon
KW  - polygon
KW  - climate
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417130
SN  - 1866-8372
IS  - 670
ER  -