TY  - THES
A1  - Kunkel, Stefanie
T1  - Green industry through industry 4.0? Expected and observed effects of digitalisation in industry for environmental sustainability
T1  - Grüne Industrie durch Industrie 4.0? Erwartete und beobachtete Auswirkungen der Digitalisierung in der Industrie auf ökologische Nachhaltigkeit
N2  - Digitalisation in industry – also called “Industry 4.0” – is seen by numerous actors as an opportunity to reduce the environmental impact of the industrial sector. The scientific assessments of the effects of digitalisation in industry on environmental sustainability, however, are ambivalent. This cumulative dissertation uses three empirical studies to examine the expected and observed effects of digitalisation in industry on environmental sustainability. The aim of this dissertation is to identify opportunities and risks of digitalisation at different system levels and to derive options for action in politics and industry for a more sustainable design of digitalisation in industry. I use an interdisciplinary, socio-technical approach and look at selected countries of the Global South (Study 1) and the example of China (all studies). In the first study (section 2, joint work with Marcel Matthess), I use qualitative content analysis to examine digital and industrial policies from seven different countries in Africa and Asia for expectations regarding the impact of digitalisation on sustainability and compare these with the potentials of digitalisation for sustainability in the respective country contexts. The analysis reveals that the documents express a wide range of vague expectations that relate more to positive indirect impacts of information and communication technology (ICT) use, such as improved energy efficiency and resource management, and less to negative direct impacts of ICT, such as electricity consumption through ICT. In the second study (section 3, joint work with Marcel Matthess, Grischa Beier and Bing Xue), I conduct and analyse interviews with 18 industry representatives of the electronics industry from Europe, Japan and China on digitalisation measures in supply chains using qualitative content analysis. I find that while there are positive expectations regarding the effects of digital technologies on supply chain sustainability, their actual use and observable effects are still limited. Interview partners can only provide few examples from their own companies which show that sustainability goals have already been pursued through digitalisation of the supply chain or where sustainability effects, such as resource savings, have been demonstrably achieved. In the third study (section 4, joint work with Peter Neuhäusler, Melissa Dachrodt and Marcel Matthess), I conduct an econometric panel data analysis. I examine the relationship between the degree of Industry 4.0, energy consumption and energy intensity in ten manufacturing sectors in China between 2006 and 2019. The results suggest that overall, there is no significant relationship between the degree of Industry 4.0 and energy consumption or energy intensity in manufacturing sectors in China. However, differences can be found in subgroups of sectors. I find a negative correlation of Industry 4.0 and energy intensity in highly digitalised sectors, indicating an efficiency-enhancing effect of Industry 4.0 in these sectors. On the other hand, there is a positive correlation of Industry 4.0 and energy consumption for sectors with low energy consumption, which could be explained by the fact that digitalisation, such as the automation of previously mainly labour-intensive sectors, requires energy and also induces growth effects. In the discussion section (section 6) of this dissertation, I use the classification scheme of the three levels macro, meso and micro, as well as of direct and indirect environmental effects to classify the empirical observations into opportunities and risks, for example, with regard to the probability of rebound effects of digitalisation at the three levels. I link the investigated actor perspectives (policy makers, industry representatives), statistical data and additional literature across the system levels and consider political economy aspects to suggest fields of action for more sustainable (digitalised) industries. The dissertation thus makes two overarching contributions to the academic and societal discourse. First, my three empirical studies expand the limited state of research at the interface between digitalisation in industry and sustainability, especially by considering selected countries in the Global South and the example of China. Secondly, exploring the topic through data and methods from different disciplinary contexts and taking a socio-technical point of view, enables an analysis of (path) dependencies, uncertainties, and interactions in the socio-technical system across different system levels, which have often not been sufficiently considered in previous studies. The dissertation thus aims to create a scientifically and practically relevant knowledge basis for a value-guided, sustainability-oriented design of digitalisation in industry.
N2  - Die Digitalisierung der Industrie, auch „Industrie 4.0“ genannt, wird von zahlreichen Akteuren als Chance zur Reduktion der Umweltauswirkungen des industriellen Sektors betrachtet. Die wissenschaftlichen Bewertungen der Effekte der Digitalisierung der Industrie auf ökologische Nachhaltigkeit sind hingegen ambivalent. Diese kumulative Dissertation untersucht anhand von drei empirischen Studien die erwarteten und beobachteten Auswirkungen der Digitalisierung der Industrie auf ökologische Nachhaltigkeit. Ziel der Dissertation ist es, Chancen und Risiken der Digitalisierung auf verschiedenen System-Ebenen zu identifizieren und Handlungsoptionen in Politik und Industrie für eine nachhaltigere Gestaltung der Digitalisierung der Industrie abzuleiten. Ich nutze einen interdisziplinären, soziotechnischen Zugang und betrachte ausgewählte Länder des Globalen Südens (Studie 1) und das Beispiel Chinas (alle Studien). In der ersten Studie (Kapitel 2, gemeinsame Arbeit mit Marcel Matthess) untersuche ich mittels qualitativer Inhaltsanalyse Digital- und Industriestrategien aus sieben verschiedenen Ländern in Afrika und Asien auf politische Erwartungen hinsichtlich der Auswirkungen von Digitalisierung auf Nachhaltigkeit und vergleiche diese mit den erwartbaren Potenzialen der Digitalisierung für Nachhaltigkeit in den jeweiligen Länderkontexten. Die Analyse ergibt, dass die Dokumente ein breites Spektrum vager Erwartungen zum Ausdruck bringen, die sich eher auf positive indirekte Auswirkungen der Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), wie etwa auf höhere Energieeffizienz und ein verbessertes Ressourcenmanagement, und weniger auf negative direkte Auswirkungen der IKT, wie etwa auf den Stromverbrauch durch IKT, beziehen. In der zweiten Studie (Kapitel 3, gemeinsame Arbeit mit Marcel Matthess, Grischa Beier und Bing Xue) führe und analysiere ich mittels qualitativer Inhaltsanalyse Interviews mit 18 Industrie-Vertreter*innen der Elektronikindustrie aus Europa, Japan und China zu Maßnahmen der Digitalisierung in Lieferketten. Wir stellen fest, dass zwar positive Erwartungen hinsichtlich der Effekte digitaler Technologien für Nachhaltigkeit der Lieferkette bestehen, deren tatsächlicher Einsatz und beobachtete Effekte jedoch noch begrenzt sind. Interviewpartner*innen können nur wenige Beispiele aus den eigenen Unternehmen nennen, die zeigen, dass durch die Digitalisierung der Lieferkette bereits Nachhaltigkeitsziele verfolgt oder Nachhaltigkeits-Effekte, wie Ressourceneinsparungen, nachweisbar erzielt wurden. In der dritten Studie (Kapitel 4, gemeinsame Arbeit mit Peter Neuhäusler, Marcel Matthess und Melissa Dachrodt) führe ich eine ökonometrische Panel-Daten-Analyse durch. Ich untersuche den Zusammenhang zwischen dem Grad von Industrie 4.0 und dem Energieverbrauch sowie der Energieintensität in zehn Fertigungssektoren in China im Zeitraum zwischen 2006 und 2019. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es insgesamt keinen signifikanten Zusammenhang zwischen dem Grad von Industrie 4.0 und dem Energieverbrauch bzw. der Energieintensität in Fertigungs-Sektoren in China gibt. Es können jedoch Unterschiede in Sub-Gruppen von Sektoren festgestellt werden. Ich stelle eine negative Korrelation von Industrie 4.0 und Energieintensität in hoch digitalisierten Sektoren fest, was auf einen Effizienz-steigernden Effekt von Industrie 4.0 hindeutet. Andererseits besteht eine positive Korrelation von Industrie 4.0 und Energieverbrauch für Sektoren mit niedrigem Energieverbrauch, was dadurch erklärt werden könnte, dass Digitalisierung, etwa die Automatisierung zuvor hauptsächlich arbeitsintensiver Sektoren, Energie erfordert und außerdem Wachstumseffekte hervorruft. Im Diskussionsteil (Kapitel 6) dieser Dissertation nutze ich das Ordnungsschema der drei Ebenen Makro, Meso und Mikro, sowie von direkten und indirekten Umwelteffekten für die Einordnung der empirischen Beobachtungen in Chancen und Risiken, etwa hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit von Rebound-Effekten der Digitalisierung auf Mikro-, Meso- und Makro-Ebene. Ich verknüpfe die untersuchten Akteurs-Perspektiven (Politiker*innen, Industrievertreter*innen), statistischen Daten und zusätzliche Literatur über die System-Ebenen hinweg und berücksichtige dabei auch Gedanken der politischen Ökonomik, um Handlungsfelder für nachhaltige(re) digitalisierte Industrien abzuleiten. Die Dissertation leistet damit zwei übergeordnete Beiträge zum wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Diskurs. Erstens erweitern meine drei empirischen Studien den begrenzten Forschungsstand an der Schnittstelle zwischen Digitalisierung in der Industrie und Nachhaltigkeit, insbesondere durch Berücksichtigung ausgewählter Länder im Globalen Süden und des Beispiels Chinas. Zweitens ermöglicht die Erforschung des Themas durch Daten und Methoden aus unterschiedlichen disziplinären Kontexten und unter Einnahme eines soziotechnischen Standpunkts, eine Analyse von (Pfad-)Abhängigkeiten und Unsicherheiten im soziotechnischen System über verschiedene System-Ebenen hinweg, die in bisherigen Studien häufig nicht ausreichend berücksichtigt wurden. Die Dissertation soll so eine wissenschaftlich und praktisch relevante Wissensbasis für eine werte-gleitete, auf Nachhaltigkeit ausgerichtete Gestaltung der Digitalisierung der Industrie schaffen.
KW  - digitalization
KW  - sustainable industrial development
KW  - Industry 4.0
KW  - information and communication technologies
KW  - sustainable supply chain management
KW  - Global Value Chains
KW  - environmental upgrading
KW  - Artificial Intelligence
KW  - Big Data Analytics
KW  - Digital Rebound
KW  - China
KW  - patent
KW  - robot
KW  - sustainability
KW  - Künstliche Intelligenz
KW  - Big Data Analytics
KW  - China
KW  - Digital Rebound
KW  - Globale Wertschöpfungsketten
KW  - Industrie 4.0
KW  - Digitalisierung
KW  - ökologisches Upgrading
KW  - Informations- und Kommunikationstechnologien
KW  - Patent
KW  - Roboter
KW  - Nachhaltigkeit
KW  - nachhaltige industrielle Entwicklung
KW  - nachhaltiges Lieferkettenmanagement
KW  - Industrial Internet of Things
KW  - Industrielles Internet der Dinge
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613954
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schimpf, Stefan
T1  - Herkunft und Ablagerungsmilieu quartärer Sedimente im Einzugsgebiet des Heihe, NW China
N2  - Der zentralasiatische Naturraum, wie er sich uns heute präsentiert, ist das Ergebnis eines Zusammenwirkens vieler verschiedener Faktoren über Jahrmillionen hinweg. Im aktuellen Kontext des Klimawandels zeigt sich jedoch, wie stark sich Stoffflüsse auch kurzfristig ändern und dabei das Gesicht der Landschaft verwandeln können. Die Gobi-Wüste in der Inneren Mongolei (China), als Teil der gleichnamigen Trockenregionen Nordwestchinas, ist aufgrund der Ausgestaltung ihrer landschaftsprägenden Elemente sowie ihrer Landschaftsdynamik, im Zusammenhang mit der Lage zum Tibet-Plateau, in den Fokus der klimageschichtlichen Grundlagenforschung gerückt. Als großes Langzeitarchiv unterschiedlichster fluvialer, lakustriner und äolischer Sedimente stellt sie eine bedeutende Lokalität zur Rekonstruktion von lokalen und regionalen Stoffflüssen dar.. Andererseits ist die Gobi-Wüste zugleich auch eine bedeutende Quelle für den überregionalen Staubtransport, da sie aufgrund der klimatischen Bedingungen insbesondere der Erosion durch Ausblasung preisgegeben wird. Vor diesem Hintergrund erfolgten zwischen 2011 und 2014, im Rahmen des BMBF-Verbundprogramms WTZ Zentralasien – Monsundynamik & Geoökosysteme (Förderkennzeichen 03G0814), mehrere deutsch-chinesische Expeditionen in das Ejina-Becken (Innere Mongolei) und das Qilian Shan-Vorland. Im Zuge dieser Expeditionen wurden für eine Bestimmung potenzieller Sedimentquellen erstmals zahlreiche Oberflächenproben aus dem gesamten Einzugsgebiet des Heihe (schwarzer Fluss) gesammelt. Zudem wurden mit zwei Bohrungen im inneren des Ejina-Beckens, ergänzende Sedimentbohrkerne zum bestehenden Bohrkern D100 (siehe Wünnemann (2005)) abgeteuft, um weit reichende, ergänzende Informationen zur Landschaftsgeschichte und zum überregionalen Sedimenttransfer zu erhalten. Gegenstand und Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist die sedimentologisch-mineralogische Charakterisierung des Untersuchungsgebietes in Bezug auf potenzielle Sedimentquellen und Stoffflüsse des Ejina-Beckens sowie die Rekonstruktion der Ablagerungsgeschichte eines dort erbohrten, 19m langen Sedimentbohrkerns (GN100). Schwerpunkt ist hierbei die Klärung der Sedimentherkunft innerhalb des Bohrkerns sowie die Ausweisung von Herkunftssignalen und möglichen Sedimentquellen bzw. Sedimenttransportpfaden. Die methodische Herangehensweise basiert auf einem Multi-Proxy-Ansatz zur Charakterisierung der klastischen Sedimentfazies anhand von Geländebeobachtungen, lithologisch-granulometrischen und mineralogisch-geochemischen Analysen sowie statistischen Verfahren. Für die mineralogischen Untersuchungen der Sedimente wurde eine neue, rasterelektronenmikroskopische Methode zur automatisierten Partikelanalyse genutzt und den traditionellen Methoden gegenübergestellt. Die synoptische Betrachtung der granulometrischen, geochemischen und mineralogischen Befunde der Oberflächensedimente ergibt für das Untersuchungsgebiet ein logisches Kaskadenmodell mit immer wiederkehrenden Prozessbereichen und ähnlichen Prozesssignalen. Die umfangreichen granulometrischen Analysen deuten dabei auf abnehmende Korngrößen mit zunehmender Entfernung vom Qilian Shan hin und ermöglichen die Identifizierung von vier texturellen Signalen: den fluvialen Sanden, den Dünensanden, den Stillwassersedimenten und Stäuben. Diese Ergebnisse können als Interpretationsgrundlage für die Korngrößenanalysen des Bohrkerns genutzt werden. Somit ist es möglich, die Ablagerungsgeschichte der Bohrkernsedimente zu rekonstruieren und in Verbindung mit eigenen und literaturbasierten Datierungen in einen Gesamtkontext einzuhängen. Für das Untersuchungsgebiet werden somit vier Ablagerungsphasen ausgewiesen, die bis in die Zeit des letzten glazialen Maximums (LGM) zurückreichen. Während dieser Ablagerungsphasen kam es im Zuge unterschiedlicher Aktivitäts- und Stabilitätsphasen zu einer kontinuierlichen Progradation und Überprägung des Schwemmfächers. Eine besonders aktive Phase kann zwischen 8 ka und 4 ka BP festgestellt werden, während der es aufgrund zunehmender fluvialer Aktivitäten zu einer deutlich verstärkten Schwemmfächerdynamik gekommen zu sein scheint. In den Abschnitten davor und danach waren es vor allem äolische Prozesse, die zu einer Überprägung des Schwemmfächers geführt haben. Hinsichtlich der mineralogischen Herkunftssignale gibt es eine große Variabilität. Dies spiegelt die enorme Heterogenität der Geologie des Untersuchungsgebietes wider, wodurch die räumlichen Signale nicht sehr stark ausgeprägt sind. Dennoch, können für das Einzugsgebiet drei größere Bereiche deklariert werden, die als Herkunftsgebiet in Frage kommen. Das östliche Qilian Shan Vorland zeichnet sich dabei durch deutlich höhere Chloritgehalte als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken aus. Sie unterscheiden sich insbesondere durch stark divergierende Chloritgehalte in der Tonmineral- und Gesamtmineralfraktion, was das östliche Qilian Shan Vorland als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken auszeichnet. Dies steht in Zusammenhang mit den Grünschiefern, Ophioliten und Serpentiniten in diesem Bereich. Geochemisch deutet vor allem das Cr/Rb-Verhältnis eine große Variabilität innerhalb des Einzugsgebietes an. Auch hier ist es das östliche Vorland, welches aufgrund seines hohen Anteils an mafischen Gesteinen reich an Chromiten und Spinellen ist und sich somit vom restlichen Untersuchungsgebiet abhebt. Die zeitliche aber auch die generelle Variabilität der Sedimentherkunft lässt sich in den Bohrkernsedimenten nicht so deutlich nachzeichnen. Die mineralogisch-sedimentologischen Eigenschaften der erbohrten klastischen Sedimente zeugen zwar von zwischenzeitlichen Änderungen bei der Sedimentherkunft, diese sind jedoch nicht so deutlich ausgeprägt, wie es die Quellsignale in den Oberflächensedimenten vermuten lassen. Ein Grund dafür scheint die starke Vermischung unterschiedlichster Sedimente während des Transportes zu sein. Die Kombination der Korngrößenergebnisse mit den Befunden der Gesamt- und Schwermineralogie deuten darauf hin, dass es zwischenzeitlich eine Phase mit überwiegend äolischen Prozessen gegeben hat, die mit einem Sedimenteintrag aus dem westlichen Bei Shan in Verbindung stehen. Neben der Zunahme ultrastabiler Schwerminerale wie Zirkon und Granat und der Abnahme opaker Schwerminerale, weisen vor allem die heutigen Verhältnisse darauf hin. Der Vergleich der traditionellen Schwermineralanalyse mit der Computer-Controlled-Scanning-Electron-Microscopy (kurz: CCSEM), die eine automatisierte Partikelauswertung der Proben ermöglicht, zeigt den deutlichen Vorteil der modernen Analysemethode. Neben einem zeitlichen Vorteil, den man durch die automatisierte Abarbeitung der vorbereiteten Proben erlangen kann, steht vor allem die deutlich größere statistische Signifikanz des Ergebnisses im Vordergrund. Zudem können mit dieser Methode auch chemische Varietäten einiger Schwerminerale bestimmt werden, die eine noch feinere Klassifizierung und sicherere Aussagen zu einer möglichen Sedimentherkunft ermöglichen. Damit ergeben sich außerdem verbesserte Aussagen zu Zusammensetzungen und Entstehungsprozessen der abgelagerten Sedimente. Die Studie verdeutlicht, dass die Sedimentherkunft innerhalb des Untersuchungsgebietes sowie die ablaufenden Prozesse zum Teil stark von lokalen Gegebenheiten abhängen. Die Heterogenität der Geologie und die Größe des Einzugsgebietes sowie die daraus resultierende Komplexität der Sedimentgenese, machen exakte Zuordnungen zu klar definierten Sedimentquellen sehr schwer. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass die Sedimentzufuhr in das Ejina-Becken in erster Linie durch fluviale klastische Sedimente des Heihe aus dem Qilian Shan erfolgt sein muss. Die Untersuchungsergebnisse zeigen jedoch ebenso die Notwendigkeit einer ergänzenden Bearbeitung angrenzender Untersuchungsgebiete, wie beispielsweise den Gobi-Altai im Norden oder den Beishan im Westen, sowie die Verdichtung der Oberflächenbeprobung zur feineren Auflösung von lokalen Sedimentquellen.
N2  - The Central Asian natural space, as it presents itself today, is the result of a combination of many different factors over millions of years. However, in the current context of climate change it becoming obvious how strongly material fluxes can change in the short-term and thereby transform the face of the landscape. As a large long-term archive of different fluvial, lacustrine and aeolian sediments, the Gobi Desert in Inner Mongolia (China) represents a significant locality for the reconstruction of local and regional material flows as well as an important source for supra-regional dust transport due to erosion by aeolian processes. This, in connection with its location to the Tibetan Plateau, has moved the Gobi Desert into the focus of climate-historical basic research. Against this background, several German-Chinese expeditions to Ejina Basin (Inner Mongolia) and the Qilian Shan foreland were accomplished between 2011 and 2014. They were part of the BMBF joint program WTZ Central Asia - Monsoon Dynamics & Geo-Ecosystems (Grant No. 03G0814). In the course of these expeditions numerous surface samples from the entire catchment area of the Heihe (Black River) were collected for the determination of potential sediment sources. Additionally, two drillings in the interior of the Ejina Basin were conducted as a continuation of the existing drill-core D100 (see Wünnemann (2005)) and for gathering complementary information on landscape history and supra-regional sediment transfer. The goals of this doctoral thesis are a sedimentological-mineralogical characterization of the study area with regard to potential sediment sources and material fluxes of the Ejina Basin as well as the reconstruction of the sedimentation history of a 19 m sediment drill-core (GN100) drilled in the northern part of the basin. The main focus is on the clarification of the sediment provenance within the drill core as well as the designation of provenance signals and possible sediment sources or sediment transport paths. The methodological approach is based on a multi-proxy approach to characterize the clastic sedimentary facies using field observations, lithological-granulometric and mineralogical-geochemical analyses as well as statistical methods. For the mineralogical investigations of the sediments, a new scanning electron microscopic method for automated particle analysis was used and compared with traditional methods. The synoptic analysis of the granulometric, geochemical and mineralogical findings of the surface sediments result in a logical cascade model with recurring process areas and similar process signals. The results of the extensive granulometric analyses indicate decreasing grain sizes as the distance from the Qilian Shan increases and allow the identification of four textural signals: fluvial sands, dune sands, still water sediments and dusts. They can be used as the basis of interpretation for the grain size analyses of the drill core. This makes it possible to reconstruct the depositional history of the core sediments and to put them in an overall context in conjunction with own and literature-based datings. For the study area four depositional phases can be identified which date back until the time of the Last Glacial Maximum (LGM). During these depositional phases, various phases of activity and stability led to a continuous progradation and overprinting of the alluvial fan. A particularly active phase can be observed between 8 ka and 4 ka BP. During this period there seems to have been a significant increase in alluvial fan dynamics due to increasing fluvial activity. In the periods before and after mainly aeolian processes have led to an overprinting of the alluvial fan. Regarding the mineralogical provenance signals there is a great variability. This reflects the enormous geological heterogeneity of the study area, by which the spatial signals are not very pronounced. Nonetheless, within the catchment three larger areas can be declared which can be considered as possible sediment sources. These are the eastern and western foreland of the Qilian Shan mountains as wells as the Bei Shan in the west of the Ejina basin. They differ, in particular, from strongly diverging chlorite contents in the clay mineral and total mineral fraction. The eastern Qilian Shan foreland is characterized by significantly higher chlorite contents as the primary source for the sediments in the Ejina Basin. This is related to the greenschists, ophiolites and serpentinites in this area. Geochemically, the Cr/Rb-ratio in particular indicates a large variability within the catchment area. In this case its again the eastern Qilian Shan foreland which stands out from the rest of the study area with high values due to its high proportion of mafic rocks which are rich in chromites and spinels. Within the drill core sediments of GN100 the temporal but also the general variability of the sediment provenance according to the surface sediment results cannot be clearly traced. The mineralogical-sedimentological characteristics of the drilled clastic sediments exhibit meantime changes in sediment provenance. However, they are not as pronounced as the source signals within the surface sediments suggest. One reason seems to be the strong mixing of different sediments during transport. The combination of the particle size results with the results of the total and heavy mineralogy indicate that there must have been a phase in the meantime with predominantly aeolian processes.. These processes were connected with a sediment input from the Bei Shan mountains in the west. In addition to the increase in ultrastable heavy minerals such as zirconium and garnet and the decline of opaque heavy minerals, mainly present conditions point to this. The comparison of the traditional heavy mineral analysis (polarized light microscopy) with computer-controlled scanning electron microscopy (short: CCSEM) shows the clear advantage of the modern analysis method. Above all is the significant greater statistical significance of the counting results. In addition, this method can also be used to determine chemical varieties of some heavy minerals, which allows an even finer classification and more reliable conclusions about a possible sediment provenance. Furthermore, better statements can be made about the composition and the development process of the deposited sediments. This thesis shows that the sediment provenance within the study area as well as the ongoing processes partly depend strongly on local conditions. Therefore, the heterogeneity of the geology and the size of the catchment as well as the resulting complexity of the sediment genesis makes it very difficult to make exact assignments to clearly defined sediment sources. Nevertheless, the results indicate a primary input of fluvial clastic sediments of the Heihe coming from the Qilian Shan mountains. However, the findings also indicate the need to complement the study with adjacent study areas such as the Gobi Altai in the north or the Beishan in the west as well as a densification of the surface sampling for a better resolution of possible local sediment sources.
KW  - Heihe
KW  - Ejina Becken
KW  - Gaxun Nur
KW  - Schwerminerale
KW  - China
KW  - CCSEM
KW  - Herkunftsanalyse
KW  - Tonminerale
KW  - Heihe
KW  - Ejina Basin
KW  - Gaxun Nur
KW  - Heavy Minerals
KW  - China
KW  - CCSEM
KW  - Provenance Analysis
KW  - Clay Minerals
Y1  - 2020
ER  - 
TY  - THES
A1  - Michalczyk, Anna
T1  - Modelling of nitrogen cycles in intensive winter wheat–summer maize double cropping systems in the North China Plain
T1  - Modellierung von Stickstoffkreisläufen in intensiven Winterweizen–Sommermais-Doppelfruchtfolgen in der Nordchinesischen Tiefebene
BT  - site specific optimisation of nitrogen fertilisation with regard to nitrogen losses, water protection, productivity and regionalisation
N2  - The North China Plain (NCP) is one of the most productive and intensive agricultural regions in China. High doses of mineral nitrogen (N) fertiliser, often combined with flood irrigation, are applied, resulting in N surplus, groundwater depletion and environmental pollution. The objectives of this thesis were to use the HERMES model to simulate the N cycle in winter wheat (Triticum aestivum L.)–summer maize (Zea mays L.) double crop rotations and show the performance of the HERMES model, of the new ammonia volatilisation sub-module and of the new nitrification inhibition tool in the NCP. Further objectives were to assess the models potential to save N and water on plot and county scale, as well as on short and long-term. Additionally, improved management strategies with the help of a model-based nitrogen fertiliser recommendation (NFR) and adapted irrigation, should be found.
Results showed that the HERMES model performed well under growing conditions of the NCP and was able to describe the relevant processes related to soil–plant interactions concerning N and water during a 2.5 year field experiment. No differences in grain yield between the real-time model-based NFR and the other treatments of the experiments on plot scale in Quzhou County could be found. Simulations with increasing amounts of irrigation resulted in significantly higher N leaching, higher N requirements of the NFR and reduced yields. Thus, conventional flood irrigation as currently practised by the farmers bears great uncertainties and exact irrigation amounts should be known for future simulation studies. In the best-practice scenario simulation on plot-scale, N input and N leaching, but also  irrigation water could be reduced strongly within 2 years. Thus, the model-based NFR in combination with adapted irrigation had the highest potential to reduce nitrate leaching, compared to farmers practice and mineral N (Nmin)-reduced treatments. Also the calibrated and validated ammonia volatilisation sub-module of the HERMES model worked well under the climatic and soil conditions of northern China. Simple ammonia volatilisation approaches gave also satisfying results compared to process-oriented approaches. During the simulation with Ammonium sulphate Nitrate with nitrification inhibitor (ASNDMPP) ammonia volatilisation was higher than in the simulation without nitrification inhibitor, while the result for nitrate leaching was the opposite. Although nitrification worked well in the model, nitrification-born nitrous oxide emissions should be considered in future. Results of the simulated annual long-term (31 years) N losses in whole Quzhou County in Hebei Province were 296.8 kg N ha−1 under common farmers practice treatment and 101.7 kg N ha−1 under optimised treatment including NFR and automated irrigation (OPTai). Spatial differences in simulated N losses throughout Quzhou County, could only be found due to different N inputs. Simulations of an optimised treatment, could save on average more than 260 kg N ha−1a−1 from fertiliser input and 190 kg N ha−1a−1 from N losses and around 115.7 mm a−1 of water, compared to farmers practice. These long-term simulation results showed lower N and water saving potential, compared to short-term simulations and underline the necessity of long-term simulations to overcome the effect of high initial N stocks in soil.
Additionally, the OPTai worked best on clay loam soil except for a high simulated denitrification loss, while the simulations using farmers practice irrigation could not match the actual water needs resulting in yield decline, especially for winter wheat. Thus, a precise adaption of management to actual weather conditions and plant growth needs is necessary for future simulations. However, the optimised treatments did not seem to be able to maintain the soil organic matter pools, even with full crop residue input. Extra organic inputs seem to be required to maintain soil quality in the optimised treatments.
HERMES is a relatively simple model, with regard to data input requirements, to simulate the N cycle. It can offer interpretation of management options on plot, on county and regional scale for extension and research staff. Also in combination with other N and water saving methods the model promises to be a useful tool.
N2  - Die Nordchinesische Tiefebene (NCP) ist eine der produktivsten und intensivsten Agrarregionen Chinas. Große Düngermengen an mineralischem Stickstoff (N) und der oft in Kombination genutzten Überflutungsbewässerung führen zu Stickstoffüberflüssen, Grundwasserabsenkung und Umweltverschmutzung. Ziel dieser Arbeit war die Simulation des N-Kreislaufes in Winterweizen (Triticum aestivum L.)–Sommermais (Zea mays L.) -Doppelfruchtfolgen mit dem HERMES Modell. Weitere Ziele waren ein Test der Modellgüte, sowie das Potential des Modells aufzuzeigen, N und Wasser mit Hilfe einer modellbasierten N-Düngeempfehlung (NFR) und angepassten Bewässerungsstrategien einzusparen. Dies erfolgte auf Schlag- und Countyebene wie auch in Kurzzeit- und in Langzeitsimulationen, um verbesserte Managementstrategien für Quzhou-County in der Hebei-Provinz zu finden.
Die Ergebnisse zeigten, dass das HERMES Modell gut unter den Wachstumsbedingungen der NCP funktioniert und alle relevanten Boden-Pflanze-Interaktionen während der Versuchszeit von 2,5 Jahren in Bezug auf N und Wasser beschreiben konnte. Es konnten keine Ertragsunterschiede zwischen Echtzeit modellbasierter NFR und anderen Behandlungen auf Schlagebene in Quzhou-County festgestellt werden. Simulationen mit steigenden Bewässerungsgaben ergaben signifikant höheren N-Austrag, höheren N-Bedarf der NFR und reduzierte Erträge. Daher birgt die konventionelle Überflutungsbewässerung, wie sie derzeit von den Landwirten praktiziert wird, große Unsicherheiten und genaue Bewässerungsmengen sollten für zukünftige Simulationsstudien bekannt sein. In der optimierten („best-practice“) Szenariosimulation auf Schlagebene konnte insbesondere die N-Düngung und der N-Austrag, aber auch die Bewässerung innerhalb 2 Jahre stark gesenkt werden. Daher hat die modellbasierte NFR in Kombination mit angepasster Bewässerung, im Gegensatz zu konventioneller und mineralischen N (Nmin)-reduzierter Behandlung, das höchste Potential Nitratauswaschung zu reduzieren. Auch das kalibrierte und validierte Ammoniak-Verflüchtigungs-modul des HERMES Modells funktionierte gut unter den Klima- und Bodenverhältnissen in Nordchina. Die zwei einfacheren Ammoniak-Verflüchtigungsansätze erreichten auch gute Ergebnisse, während die zwei prozessorientierten Ansätze Umwelteinflüsse besser darstellen konnten. In der Simulation mit der Ammonsulfatsalpeter-Düngung mit Nitrifikationsinhibitor (ASNDMPP) war die Ammoniakverflüchtigung höher als in der Simulation ohne Nitrifikationshemmer, während das Ergebnis für Nitratauswaschung umgekehrt war. Obwohl der Nitrifikationsansatz gut funktionierte, sollten von der Nitrifikation stammende Lachgasemissionen in Zukunft im Modell berücksichtigt werden. Im Jahresdurchschnitt lagen die simulierten Langzeit (31 Jahre) N-Verluste für eine Weizen-Mais-Doppelfruchtfolge im ganzen Quzhou-County bei 296,8 kg N ha−1  unter konventioneller Düngung und bei 101,7 kg N ha−1 unter optimierter Düngung inklusive NFR and automatischer Bewässerung (OPTai). Räumliche Unterschiede von simulierten N-Verlusten in Quzhou-County konnten nur aufgrund von unterschiedlichen N-Düngemengen gefunden werden. Simulationen einer optimierten Behandlung konnten im Durchschnitt mehr als 260 kg N ha−1a−1 an N-Düngung und 190 kg N ha−1a−1 an N-Verlusten und 115,7 mm a−1 an Wasser, im Vergleich zur konventionellen Behandlung, einsparen. Im Vergleich zu den Kurzzeitsimulationen ist es ein niedrigeres N- und Wasserreduktionspotential und unterstreicht die Notwendigkeit von Langzeitsimulationen um den Effekt von hohen Anfangs Nmin-Gehalten im Boden zu berücksichtigen. Zudem kommt, dass auf tonigem Lehm Simulationen mit konventioneller Bewässerung nicht den aktuellen Wasserbedarf decken konnten, welches zu Ertragseinbußen insbesondere für Winterweizen führte. Die OPTai Behandlung funktionierte bis auf hohe simulierte Denitrifikationsverluste auf diesem Standort am besten. Daher ist dort für zukünftige Simulationen ein an aktuelle Wetterverhältnisse und Pflanzenwachstumsbedürfnisse angepasstes Management von N und Wasser nötig. Trotzdem schienen die optimierten Behandlungen, trotz voller Strohrückgabe, die organische Bodensubstanz nicht zu erhalten. Zur Sicherung der Bodenfruchtbarkeit in den optimierten Behandlungen scheinen zusätzliche organische Düngergaben wahrscheinlich notwendig zu sein. 
HERMES ist ein relativ einfaches Modell, im Hinblick auf die Anforderungen an die Eingangsdaten, um den Stickstoffkreislauf zu simulieren. Es ermöglicht, Managementoptionen für Berater und Wissenschaftler auf Schlag-, County- und Regionalebene anzuwenden. Auch in Kombination mit anderen N- und Wasser-Einsparmethoden verspricht das Modell ein nützliches Instrument zu sein.
KW  - nitrogen
KW  - Stickstoff
KW  - simulation
KW  - Simulation
KW  - China
KW  - China
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-444213
ER  -