TY - JOUR A1 - Schaller, Jörg A1 - Puppe, Daniel A1 - Kaczorek, Danuta A1 - Ellerbrock, Ruth A1 - Sommer, Michael T1 - Silicon cycling in soils revisited JF - Plants : open access journal N2 - Silicon (Si) speciation and availability in soils is highly important for ecosystem functioning, because Si is a beneficial element for plant growth. Si chemistry is highly complex compared to other elements in soils, because Si reaction rates are relatively slow and dependent on Si species. Consequently, we review the occurrence of different Si species in soil solution and their changes by polymerization, depolymerization, and condensation in relation to important soil processes. We show that an argumentation based on thermodynamic endmembers of Si dependent processes, as currently done, is often difficult, because some reactions such as mineral crystallization require months to years (sometimes even centuries or millennia). Furthermore, we give an overview of Si reactions in soil solution and the predominance of certain solid compounds, which is a neglected but important parameter controlling the availability, reactivity, and function of Si in soils. We further discuss the drivers of soil Si cycling and how humans interfere with these processes. The soil Si cycle is of major importance for ecosystem functioning; therefore, a deeper understanding of drivers of Si cycling (e.g., predominant speciation), human disturbances and the implication for important soil properties (water storage, nutrient availability, and micro aggregate stability) is of fundamental relevance. KW - andosols KW - clay neoformation KW - crop yield KW - land use change KW - micro KW - aggregate stability KW - phytoliths KW - sediments KW - silicon cycling KW - silicon KW - extraction methods KW - silicon pore water speciation Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/plants10020295 SN - 2223-7747 VL - 10 IS - 2 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Milewski, Robert T1 - Potential of optical remote sensing for the analysis of salt pan environments N2 - Salt pans also termed playas are common landscape features of hydrologically closed basins in arid and semiarid zones, where evaporation significantly exceeds the local precipitation. The analysis and monitoring of salt pan environments is important for the evaluation of current and future impact of these landscape features. Locally, salt pans have importance for the ecosystem, wildlife and human health, and through dust emissions they influence the climate on regional and global scales. Increasing economic exploitation of these environments in the last years, e.g. by brine extraction for raw materials, as well as climate change severely affect the water, material and energy balance of these systems. Optical remote sensing has the potential to characterise salt pan environments and to increase the understanding of processes in playa basins, as well as to assess wider impacts and feedbacks that exist between climate forcing and human intervention in their regions. Remote sensing techniques can provide information for extensive regions on a high temporal basis compared to traditional field samples and ground observations. Specifically, for salt pans that are often challenging to study because of their large size, remote location, and limited accessibility due to missing infrastructure and ephemeral flooding. Furthermore, the availability of current and upcoming hyperspectral remote sensing data opened the opportunity for the analyses of the complex reflectance signatures that relate to the mineralogical mixtures found in the salt pan sediments. However, these new advances in sensor technology, as well as increased data availability currently have not been fully explored for the study of salt pan environments. The potential of new sensors needs to be assessed and state of the art methods need to be adapted and improved to provide reliable information for in depth analysis of processes and characterisation of the recent condition, as well as to support long-term monitoring and to evaluate environmental impacts of changing climate and anthropogenic activity. This thesis provides an assessment of the capabilities of optical remote sensing for the study of salt pan environments that combines the information of hyperspectral data with the increased temporal coverage of multispectral observations for a more complete understanding of spatial and temporal complexity of salt pan environments using the Omongwa salt pan located in the south-west Kalahari as a test site. In particular, hyperspectral data are used for unmixing of the mineralogical surface composition, spectral feature-based modelling for quantification of main crust components, as well as time-series based classification of multispectral data for the assessment of the long-term dynamic and the analysis of the seasonal process regime. The results show that the surface of the Omongwa pan can be categorized into three major crust types based on diagnostic absorption features and mineralogical ground truth data. The mineralogical crust types can be related to different zones of surface dynamic as well as pan morphology that influences brine flow during the pan inundation and desiccation cycles. Using current hyperspectral imagery, as well as simulated data of upcoming sensors, robust quantification of the gypsum component could be derived. For the test site the results further indicate that the crust dynamic is mainly driven by flooding events in the wet season, but it is also influenced by temperature and aeolian activity in the dry season. Overall, the scientific outcomes show that optical remote sensing can provide a wide range of information helpful for the study of salt pan environments. The thesis also highlights that remote sensing approaches are most relevant, when they are adapted to the specific site conditions and research scenario and that upcoming sensors will increase the potential for mineralogical, sedimentological and geomorphological analysis, and will improve the monitoring capabilities with increased data availability. N2 - Salzpfannen, auch Playas genannt, sind häufige Landschaftsformen endorheischer Becken in ariden und semi-ariden Zonen, in denen die Evaporation den lokalen Niederschlag deutlich übersteigt. Die Analyse und das Monitoring von Salzpfannen sind wichtig für die Bewertung des aktuellen und zukünftigen Wandels dieser Systeme. Salzpfannen haben große Bedeutung für das lokale Ökosystem, für die Gesundheit von Mensch und Tier, und durch ihre Staubemissionen können sie das Klima auf regionaler und globaler Ebene beeinflussen. Die zunehmende industrielle Nutzung dieser Räume in den letzten Jahren, z.B. durch Soleförderung zur Rohstoffgewinnung, sowie der Klimawandel haben erhebliche Auswirkungen auf ihre Wasser-, Stoff- und Energiebilanz. Die optische Fernerkundung bietet das Potenzial diese Landschaftsformen zu charakterisieren, Veränderungen zu erkennen und das Prozessverständnis zu fördern, sowie umfassende Auswirkungen und Rückkopplungen zwischen klimatischen und anthropogenen Einflüssen in diesen Regionen zu erkennen. Im Vergleich zu traditionellen Feldmethoden bietet der Einsatz von Fernerkundung eine Basis für großräumige und wiederholte Untersuchungen. Das gilt insbesondere für Salzpfannen, die aufgrund ihrer Größe, abgelegener Lage und durch begrenzte Zugänglichkeit, aufgrund fehlender Infrastruktur und episodischen Überschwemmungen, häufig schwer zu untersuchen sind. Darüber hinaus eröffnete die aktuelle und zukünftig gesteigerte Verfügbarkeit von hyperspektralen Fernerkundungsdaten die Möglichkeit zur detaillierten Analyse der Reflexionseigenschaften der komplexen Mineralogie und Sedimenteigenschaften von Salzpfannenoberflächen. Der Einsatz neuer Sensorik sowie die erhöhte Datenverfügbarkeit sind jedoch derzeit noch nicht ausreichend für die Untersuchung von Salzpfannen erforscht. Das Potenzial neuer Sensoren muss bewertet und die aktuelle Methodik angepasst und verbessert werden, um zuverlässige Informationen für die Charakterisierung und Analyse des aktuellen Zustands zu liefern, sowie eine langfristige Überwachung und Bewertung der Auswirkungen von Klimaveränderung und der anthropogenen Aktivität auf Salzpfannen und deren Regionen zu ermöglichen. Diese Arbeit bietet eine Bewertung des Potentials der optischen Fernerkundung für die Untersuchung von Salzpfannen. Der Fokus liegt insbesondere auf der kombinierten Nutzung der analytischer Stärke von hyperspektralen Daten mit der erhöhten zeitlichen Auflösung von multispektralen Beobachtungen, um ein gesteigertes Verständnis der räumlichen und zeitlichen Komplexität von Salzpfannen zu erreichen. Als Testgebiet hierfür dient die Omongwa Salzpfanne in der Süd-Westlichen Kalahari. Im Rahmen dieser Arbeit werden hyperspektrale Fernerkundungsdaten für die spektrale Entmischung der mineralogischen Oberflächenzusammensetzung und für die Quantifizierung mittels spektraler Parameter genutzt. Gleichzeitig ermöglicht die multitemporale Klassifikation von Multispektraldaten die Beurteilung der Langzeitdynamik und die Analyse des saisonalen Prozessgeschehens. Die Ergebnisse zeigen, dass die Oberfläche der Omongwa-Salzpfanne in drei Hauptklassen, dominiert von verschiedenen Evaporitmineralen, eingeteilt werden kann, die aufgrund diagnostischen Absorptionsmerkmalen und durch die Analyse von in-situ Daten unterschieden werden können. Diese mineralogischen Hauptklassen korrelieren mit Zonen unterschiedlicher zeitlicher Dynamik, sowie mit dem morphologischen Aufbau der Salzpfanne, die die räumliche Verteilung von Oberflächenwasser während episodischer Flutungen und die Ausfällung von Salzen während der Trockenzeiten beeinflussen. Des Weiteren konnte auf Grundlage hyperspektralen Daten von aktuellen Sensoren, sowie anhand simulierten Daten von in Planung befindlicher Sensoren eine robuste Quantifizierung der Gipskomponente in den Oberflächensedimenten abgeleitet werden. Für das Untersuchungsgebiet deuten die Ergebnisse der Zeitreihenanalyse darauf hin, dass die Krustendynamik und Oberflächenmineralogie hauptsächlich durch die wiederkehrenden Überschwemmungsereignisse in der Regenzeit geprägt sind, aber auch durch die Temperatur und äolische Aktivität in der Trockenzeit beeinflusst wird. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die optische Fernerkundung großes Potenzial zur genaueren Erforschung von Salzpfannen bietet und detaillierte Informationen zu saisonalen und langzeitlichen Veränderungen liefern kann. Die Arbeit hebt auch hervor, dass der Einsatz von Fernerkundungsmethoden am erfolgreichsten ist, wenn sie an die lokalen Bedingungen und die Forschungsfrage angepasst werden. Der Ausblick zeigt, dass zukünftige Sensoren die Möglichkeiten für die Erforschung dieser Räume weiter erhöhen und ein systematisches Monitoring durch die größere Datenverfügbarkeit verbessert wird. T2 - Potential der Optischen Fernerkundung für die Analyse von Salzpfannen KW - Optische Fernerkundung KW - Hyperspektral KW - Salzpfanne KW - Playa KW - Sedimente KW - Optical remote sensing KW - Salt pan KW - Playa KW - sediments Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473732 ER - TY - JOUR A1 - Attermeyer, Katrin A1 - Premke, Katrin A1 - Hornick, Thomas A1 - Hilt, Sabine A1 - Grossart, Hans-Peter T1 - Ecosystem-level studies of terrestrial carbon reveal contrasting bacterial metabolism in different aquatic habitats JF - Ecology : a publication of the Ecological Society of America N2 - In aquatic systems, terrestrial dissolved organic matter (t-DOM) is known to stimulate bacterial activities in the water column, but simultaneous effects of autumnal leaf input on water column and sediment microbial dynamics in littoral zones of lakes remain largely unknown. The study's objective was to determine the effects of leaf litter on bacterial metabolism in the littoral water and sediment, and subsequently, the consequences for carbon cycling and food web dynamics. Therefore, in late fall, we simultaneously measured water and sediment bacterial metabolism in the littoral zone of a temperate shallow lake after adding terrestrial particulate organic matter (t-POM), namely, maize leaves. To better evaluate bacterial production (BP) and community respiration (CR) in sediments, we incubated sediment cores with maize leaves of different quality (nonleached and leached) under controlled laboratory conditions. Additionally, to quantify the incorporated leaf carbon into microbial biomass, we determined carbon isotopic ratios of fatty acids from sediment and leaf-associated microbes from a laboratory experiment using C-13-enriched beech leaves. The concentrations of dissolved organic carbon (DOC) increased significantly in the lake after the addition of maize leaves, accompanied by a significant increase in water BP. In contrast, sediment BP declined after an initial peak, showing no positive response to t-POM addition. Sediment BP and CR were also not stimulated by t-POM in the laboratory experiment, either in short-term or in long-term incubations, except for a short increase in CR after 18 hours. However, this increase might have reflected the metabolism of leaf-associated microorganisms. We conclude that the leached t-DOM is actively incorporated into microbial biomass in the water column but that the settling leached t-POM (t-POML) does not enter the food web via sediment bacteria. Consequently, t-POML is either buried in the sediment or introduced into the aquatic food web via microorganisms (bacteria and fungi) directly associated with t-POML and via benthic macroinvertebrates by shredding of t-POML. The latter pathway represents a benthic shortcut which efficiently transfers t-POML to higher trophic levels. KW - bacterial production KW - carbon turnover KW - community respiration KW - leaf litter KW - phospholipid-derived fatty acid KW - PLFA KW - Schulzensee KW - Germany KW - sediments KW - shallow lakes KW - stable isotopes KW - terrestrial subsidies Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1890/13-0420.1 SN - 0012-9658 SN - 1939-9170 VL - 94 IS - 12 SP - 2754 EP - 2766 PB - Wiley CY - Washington ER -