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Plant Functional Traits and Ecosystem Functions in Experimental Grassland Stands
(2005)
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Guido Kossmann
- Within the BMBF funded project BIOLOG-Bayreuth (01LC0014) investigations on implications of functional groups on ecosystem functions related to water- nutrient- and carbon cycle were carried out. Three experiments were conceived to test for implications of dominant species traits and phytodiversity on ecosystem functions. I Water, nutrient and DOC fluxes and losses from grasslands were investigated on Experimental Grassland Stands in lysimeters II Two dominant (P. lanceolata / H. lanatus) and two transient species (R. acris / A. odoratum), identified in Experimental Grassland Stands were used for the Rhizodeposit Experiment (RDE) to investigate implications of different Fe acquisition strategies on rhizodeposition of organic compounds in nutrient solution cultures. III The Root Mineralisation Experiment (RME) aimed at evaluating potential implications of the identity of rhizosphere microflora on mineralisation performance of root tissues from H. lanatus and R. acris derived from RDE. Root biomass for the RME was obtained from plants of the RDE Experimental Grassland Stands were sown in lysimeters (1.3×1.3×1.0 m) filled with 70 cm of sub- and 30 cm topsoil of tillered material derived from a Stagnic Cambisol. Precipitation was collected and soil solution was obtained at 15, 30 and 90 cm, seepage at 100 cm depth. KCl-extractable Nmin was determined in June and September. NH4, NO3, DON, DOC, K, Mg and Ca were measured in solution and nutrients in above- and belowground biomass. In Experimental Grassland Stands on lysimeter facilities, herb contribution to grassland stands rather than functional diversity showed implications on ecosystem functions such as nutrient use, use efficiencies, yields and loss with seepage. Differences in ecosystem performance were due to the identity of functional group of dominant and co dominant species (grass/herb). Positive relations between higher nutrient availability and WUEbm of both grass and herb species were indicated for experimental grassland stands. Grassland stands with higher herb contribution favoured a higher nutrient sequestration in biomass and thus played an important role for safety net functions in grassland ecosystems. Slightly higher Nmin concentrations in soil solution likely reflected higher root-turnover rates of grass dominated stands in 2002. Grass species showed higher base cation use efficiency and hence provided considerably growth under low cation supply. Grass dominated stands showed rather low performance in safety net functions for nutrients. Lower base cation yields in biomass of grass dominated stands were not automatically reflected by indicators for use of soil nutrients. In contrast to Nmin, base cation concentrations and losses with seepage did not reflect differences in base cation use by the grassland stands. In the RDE P. lanceolata was identified as a species featuring lower competition ability in concern of biomass building up and Fe acquisition (Cab; WILSON, 1988) under Fe deficiency compared to H. lanatus. For swards containing P. lanceolata complementary was found in concern of individual biomass production and individual Fe stocks. P. lanceolata gained lower biomass than the accompanying species. Inverted patterns of Fe acquisition ability and the ability to build up individual biomass, hint at a trade-off between Fe demand and biomass build up for P. lanceolata. DOC release to rhizodeposit solution was enhanced after the 1st harvest. P. lanceolata showed the highest release of DOC, a higher diversity of carboxylic acids as well as a considerable release of potential Fe chelators (malic, citric and malonic acid), while H. lanatus swards released only small amounts of carboxylic acids. Higher competition ability for species Fe contents after the 1st harvest indicated enhanced competition between P. lanceolata with A. odoratum. This finding was also reflected by higher DOC release and a higher release of potential Fe chelators in these swards. It was found that even transient grasslands species may show a high competition ability for Fe-acquisition under Fe-deficiency. During the RME, the basal respiration of the rhizosphere sand obtained from RDE differed only tendentiously due to its origin (H. lanatus, R. acris, diculture rhizosphere or Ref sand). H. lanatus root tissues increased respiration rates significantly during a 236 h incubation period to a four-fold of basal respiration whereas application of R. acris root tissues did not. Root tissue material was mineralised to the same extent as Corg material within the first 236 hrs. Since no differences of chemical parameters were found, for roots of the two species, enhanced mineralization of H. lanatus roots in the initial phase are likely due to lower root diameters and higher root surface areas.
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Soil-plant dynamics of water, nitrogen and sulfur: A study on indigenous and exotic tree species in Munessa Forest, Ethiopia
(2005)
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Florian Fritzsche
- Forest plantations are necessary to counteract the destruction of tropical montane forests. Sustainable forestry requires comprehensive knowledge of tree effects on site conditions and nutrient cycling, but substantial information is lacking even for widely-planted species. In my work, I aimed at identifying such plant effects on ecosystem dynamics, focussing on water, nitrogen (N) and sulfur (S), which included the development of a stable-isotope methodology for S. Based on a characterization of the soils of the study area at the Main Ethiopian Rift Valley escarpment, experimental plots were set up in neighbouring stands of a natural forest dominated by Podocarpus falcatus and in plantations of Cupressus lusitanica and Eucalyptus globulus. All investigations on the ecology of these trees were conducted on the same single-tree centred plots in a combination of time series of natural parameters with isotope tracer experiments, employing inorganic 15N tracers and litter labelled with 34S. Soils of the region reflected the influence of climate and relief, while the homogeneous bedrock caused no influence throughout the region. Methodological work to improve d34S analysis was a precondition for the ecological study on S dynamics. Technical adjustments to the analytical system including a liquid-nitrogen trap reduced the amount of S required for reliable d34S determination by a factor of six compared to the conventional procedure. Soil-plant water dynamics were strongly related to the root system. P. falcatus with high fine root biomass to below 1 m depth appeared active in redistributing soil water. Its physiological response to changing soil moisture with a marked reduction in transpiration (by a factor of six) at dry conditions had a further balancing effect. P. falcatus and C. lusitanica expanded their root systems substantially in the dry season, shifting to deeper layers. Seasonality was very weakly expressed for root biomass and depth of water uptake under E. globulus. It mainly relied on deep water resources tapped by its low-biomass root system, supporting physiological activity in the dry season, when transpiration was increased by a factor of five. Soil labelling with 15N showed similar patterns of root activity. It also revealed the dominance of C. lusitanica near the surface, with its roots effectively intercepting nutrients. However, this had negative impacts on deeper soil layers by reducing biological transformations and increasing leaching losses. In the natural forest, phosphate-extractable soil N and low natural-abundance d15N indicated an intense, conservative N cycling in the upper 60 cm, which was also evenly exploited by the roots of P. falcatus. Nitrogen uptake by E. globulus was concentrated in the deeper layers. A preferential stabilization of N was observed in the topsoil, while losses were indicated by high natural-abundance d15N values, which probably reflected recent processes. As for the trees, species-specific N uptake strategies were observed for the understorey. Litter for the S mineralization experiment was successfully labelled with 34S, opening a way to elucidate soil processes as well as plant uptake and recirculation. Different regimes of decomposition resulted in increasing extractability of S in the topsoil with depth under P. falcatus and C. lusitanica, whereas a decrease was noticed in the E. globulus stand. Seasonality of both bulk and extractable S were minimal. Isotope labelling showed rapid incorporation of litter into the topsoil of E. globulus, while S from litter of C. lusitanica was susceptible to leaching. Plant uptake by P. falcatus and E. globulus led to a steady increase of d34S values. In contrast, isotope enrichment in C. lusitanica leaves peaked after the first rainy season, thereby indicating recirculation of S. The different approaches of my work complemented one another, revealing a consistent pattern of plant traits. P. falcatus had a balancing influence on the ecosystem and appeared to promote soil life. C. lusitanica confined biological transformations to the topsoil and raised the risk of leaching losses. E. globulus was largely independent of superficial resources, giving space to understory growth. This strategy may lead to depletion of groundwater and structural deterioration of the soil.
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Entwicklungsprojekte im ländlichen Benin im Kontext von Migration und Ressourcenverknappung
(2005)
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Uwe Singer
- Die Entwicklungsplanung in ländlichen Gebieten Afrikas ist vielerorts mit der raschen Komplexitätszunahme gesellschaftlicher Verhältnisse in ihrem Wirkungsfeld konfrontiert. Im südlichen Borgou Benins als dem Untersuchungsgebiet der vorliegenden Arbeit wird die gesellschaftliche Dynamik stark durch die beiden sozialen Prozesse der Zuwanderung und der Ressourcenverknappung geprägt. Die stärkere Berücksichtigung solcher Dynamiken durch die Entwicklungszusammenarbeit wird im Rahmen aktueller Entwicklungskonzeptionen wie Dezentralisierung und Armutsbekämpfung gefordert. Im Mittelpunkt der Untersuchung steht die Fragestellung, wie ein sich selbst rasch verändernder Sektor von mit Entwicklungszusammenarbeit befassten Akteuren einerseits zu diesen Wandelsprozessen beiträgt, und andererseits auf durch den Wandel entstandene, neue gesellschaftliche Problemlagen reagiert. Theoretische und methodische Zugänge zu diesem Untersuchungsgegenstand finden sich in verschiedenen Konzepten der Politikfeldanalyse und der akteursorientierten Entwicklungsforschung. Beide Forschungsstränge verbindet die konstruktivistische Überlegung, dass gesellschaftliche Probleme und ihre Lösungen inklusive der jeweiligen Adressatengruppen über konfliktive Aushandlungsprozesse in der Planungsphase geschaffen werden und im Verlauf der Implementierung interessenbedingten Veränderungsprozessen unterworfen sind. Zur Einlösung dieser Perspektive wird zunächst in die Grundzüge der historischen gesellschaftlichen Entwicklungen im Hinblick auf heutige gesellschaftliche Dynamiken im ländlichen Benin einführt. Im Mittelpunkt steht dabei der Landrechtswandel für allochthone Gruppen als Folge von Zuwanderung und einhergehender Ressourcenverknappung. Um die Reaktionen des regionalen Ensembles von Entwicklungsorganisationen auf gesellschaftliche Wandelsprozesse zu untersuchen, wird eine Querschnittsanalyse von 23 Entwicklungsprojekten, inklusive privater und zivilgesellschaftlicher Umsetzungsagenturen vorgenommen. Die komparative Analyse zeigt anhand von Projektaktivitäten, der Zielgruppendefinitionen und den Kriterien der Projektgebietsbestimmung auf, dass von der Berücksichtigung sozialer Folgeprozesse von Zuwanderung und Ressourcenverknappung in der Projektplanung weitgehend abgesehen wurde. Zusätzliche Hintergründe hierfür erschließen sich durch die Analyse der diskursiven Legitimationspraktiken in den Projektdokumenten und Mitarbeiteraussagen. Dort wird Migration entgegen den empirischen Realitäten des südlichen Borgou vorwiegend als Landflucht thematisiert. Demgemäß sind viele allochthone Bevölkerungsgruppen in den Projektdokumenten gar nicht, bzw. deren Lebensrealität nur sehr unvollständig repräsentiert. Dort, wo die Existenzsicherungsstrategien der Zuwanderer lebensnah abgebildet sind, handelt es sich um fragmentiertes Wissen auf der Ebene einzelner Projekte, das noch keinen sektorweiten Eingang in die Planungen anderer Projekte gefunden hat. Auch die Diskussion um die ökologischen Auswirkungen von Entwicklungsinterventionen in den Projekten ist von der Praxis der ökologischen Kontextualisierung im Rahmen von development narratives und des policy labelling geprägt. Obwohl sich der Ressourcennutzungsdruck durch vielerlei Projektaktivitäten nicht nennenswert verringert, werden die Maßnahmen nach außen hin durchweg in den Kontext einer ökologisch nachhaltigen Entwicklung gestellt. Die Untersuchung von Implementierungsprozessen beginnt mit einer zwischen den Untersuchungsdörfern vergleichenden Analyse lokaler Aneignungspraktiken von Leistungen der Entwicklungszusammenarbeit. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass Aneignungen der Förderleistungen durch alte und sich neu bildende lokale Eliten als zentrale Modi des Umgangs mit Entwicklungsinterventionen auf der lokalen Ebene anzusehen sind. Eine zentrale Praxis der Aneignung ist dabei die Exklusion allochthoner Akteure aus den Empfängergruppen. Auch die aus der Projektperspektive gewonnen Erkenntnisse über die ökologischen Auswirkungen der EZ werden mittels lokaler Befunde konkretisiert. Erneut wird deutlich, dass eine nachhaltige Restrukturierung der Landwirtschaft durch die derzeitige Förderpraxis nicht erreicht werden kann. Als Hauptergebnis ist festzuhalten, dass die diskursiv vermittelten Praktiken in der Planungsphase in mindestens ebenso hohem Umfang an der Konstitution sozialer Realitäten im Untersuchungsgebiet beteiligt sind wie die von Empfängern und lokalen Entscheidungsträgern getragenen Transformationsprozesse während der Implementierung.
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Organisationsstrukturen und Machtbeziehungen im marokkanischen Gebirgstourismus
(2005)
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Ralph Lessmeister
- Seit Mitte der achtziger Jahre folgt Marokko über die Förderung des Trekkingtourismus im Atlasgebirge dem allgemeinen Trend hin zu alternativen Reiseformen. Doch trotz der insgesamt steigenden wirtschaftlichen Bedeutung von alternativen Tourismusformen, weis man noch sehr wenig darüber, wie das Zusammenspiel der daran beteiligten Tourismusakteure funktioniert. Wer profitiert also von dieser Zusammenarbeit und wer hat die Macht sie zu steuern? Einen wichtigen Beitrag zur Bedeutung organisatorischer Aspekte liefern Studien, die mit einem Value Chain-Ansatz arbeiten. Value Chains beschreiben, kurz gefasst, den vollständigen Produktionsprozess eines Gutes und zeigen, wie hierbei einzelne Aktivitäten miteinander verbunden und koordiniert sind. Innerhalb der verschiedenen Value Chain-Ansätze verdient vor allem der bereits sehr weit ausgearbeitete Ansatz der Global Commodity Chains von Gerry Gereffi besondere Bedeutung. Gereffi legt sein Hauptaugenmerk auf die Steuerung der Value Chain und geht dabei von lead firms innerhalb der Kette aus, welche hierzu über das notwendige Machtpotential verfügen. Er unterscheidet dabei in sog. producer-driven und buyer-driven chains. In producer-driven chains halten zumeist große, vertikal strukturierte Unternehmen aufgrund ihres Zugangs zu Schlüsseltechnologien, Prozess-Know-how und Finanzmitteln die Steuerungsmacht. Im Gegensatz dazu werden buyer-driven chains vor allem von großen Händlerunternehmen und Supermarktketten dominiert, deren Machtpotential auf ihre Unternehmensgröße und dem direkten Marktzugang über ihren Markennamen und ihre Reputation gründet. Während producer-driven chains eher kapitalintensiv und durch langfristige und enge Geschäftsbeziehungen charakterisiert sind, zeigen sich buyer-driven chains eher arbeitsintensiv und mit häufig wechselnden Beziehungen zu leicht austauschbaren Partnern. Gereffi geht in diesem Zusammenhang mit einem zukünftigen Bedeutungsgewinn von buyer-driven chains in globalisierten Wirtschaftsbeziehungen aus. Auch im Tourismus werden einzelne Aktivitäten von verschiedenen Akteuren an unterschiedlichen Orten erbracht und zu einem Endprodukt, nämlich der Pauschalreise zusammengefügt. Somit scheint eine Übertragung der Value Chain-Idee auf die Tourismuswirtschaft gerechtfertigt. Die vorliegende Arbeit hat den marokkanischen Gebirgstourismus als buyer driven chain identifiziert und gezeigt, dass sich die europäischen Reiseveranstalter aufgrund des direkten Marktzuganges in einer Schlüsselposition befinden, die es ihnen erlaubt, die Vorgaben und Standards für ihre marokkanischen Partner zu setzten. Da es den marokkanischen Unternehmen zumeist an der nötigen Reputation mangelt, um Touristen zu einer Buchung direkt in Marokko zu bewegen, bleibt als einziger Weg der Kundengewinnung die Zusammenarbeit mit einem internationalen Reiseveranstalter und dieser Punkt muss als entscheidend für die Macht- und Kontrollposition der Veranstalter gesehen werden. Allerdings profitieren auch die marokkanischen Akteure von dieser Zusammenarbeit. Doch wird die Konkurrenzsituation wird für die marokkanischen Akteure zunehmend härter, den die Zahl derer, die am lukrativen Trekkinggeschäft partizipieren wollen wächst beständig – während gleichzeitig die touristische Nachfrage nach islamischen Zielgebieten aufgrund der gegenwärtigen weltpolitischen Situation eher nachlässt und die europäischen Reiseveranstalter unter dem Druck sinkender Kaufbereitschaft in den Quellländern die Preisschraube anziehen. Gleichzeitig kann eine wachsende Fluktuation von Geschäftsbeziehungen zwischen den internationalen Veranstaltern und den marokkanischen Reiseagenturen beobachtet werden. Diese Beziehungen haben sich zuvor recht langfristig gezeigt und damit Gereffis Vorstellungen einer typischen buyer-driven chain widersprochen. Die Erklärung hierfür findet sich in der Tatsache, dass es sich im Falle des Tourismus um eine spezielle Wertkette handelt, die sich ausschließlich aus Dienstleistungen zusammensetzt. Doch Dienstleistungen zählen zu den so genannten Erfahrungsleistungen, die sich nur sehr schwer, nämlich erst nach der Leistungserbringung überprüfen lassen. Daher ist ein Partnerwechsel mit dem Risiko hoher Transaktionskosten verbunden. Es erscheint geradezu paradox, dass sich jetzt diese Situation gerade durch die Professionalität der marokkanischen Akteure zu deren Schaden wendet, da deren mittlerweile durchwegs hohe Leistungsstandard die Transaktionskosten für einen Partnerwechsel minimiert und die einzelnen marokkanischen Akteure hierdurch riskieren, auswechselbar zu werden. So stellt sich vor allem für die marokkanischen Akteure die dringende Frage, wie sich unter diesen Bedingungen ein "race to the bottom" langfristig vermeiden lässt.
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Quality Assurance for Eddy Covariance Measurements of Turbulent Fluxes and its Influence on the Energy Balance Closure Problem
(2006)
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Matthias Mauder
- The eddy covariance method enables direct measurements of turbulent fluxes at the earth’s surface. Such measurements are required to study the surface energy balance and the exchange of gaseous air constituents. Due to improvements in the construction of adequate sensors and the progress in computer technology during the last decades this method is now well-established. However, a general failure to close the energy balance equation has been reported for many micrometeorological field experiments. This unresolved problem motivated this dissertation, which aims at the quality assurance for eddy covariance measurements. The presented concept for quality assurance comprises investigations on the accuracy of the deployed sensors and on the impact of the data analysis for such measurements. A specific focus is set on possible implications for the determination of reliable CO2 flux estimates, since this issue gained importance during the last years for studies on the global carbon cycle related to global warming due to the green house effect. Data from several field experiments in Germany, California and Nigeria form the experimental basis for these investigations. A software package was developed to perform the necessary post processing for all eddy covariance measurements presented in this thesis. The results of sensor intercomparison experiments show a typical random error of eddy covariance measurements of 5% for the sensible heat flux and 10% for the latent heat flux, if sensors are well-calibrated and maintained and the assumptions for this method are fulfilled. The applicability of an objective quality assessment scheme of flux data was demonstrated for large datasets from a field campaign comprising 14 measuring systems. The energy balance closure problem has been studied at two exemplary sites. The energy balance could not be closed for measurements over an agricultural area in Germany. For this experiment the sum of turbulent heat fluxes was 30% smaller than the available energy at the surface. In contrast, no systematic bias of the energy balance could be found for measurements over fallow bush-land in Nigeria, although the measures of quality assurance were similar. Neither differences in instrumentation nor in the post-field data processing between both experiments can explain these findings. A further analysis of the dataset from the agricultural area in Germany showed that additional flux contributions can be found when extending the averaging time of covariances beyond the conventional 30 minute interval. The energy balance can even be closed for this site when applying an averaging time of 24 hours. Longwave flux contributions seem to be generated here by the much stronger heterogeneity of the surrounding terrain compared to the more or less homogeneous environment of the Nigerian site. The filtering of heterogeneity induced flux contributions from very low frequency covariances through the commonly used averaging times of less than 30 minutes is identified as major reason of the energy balance closure problem. To improve the understanding of the processes leading to low frequency flux contributions a more detailed analysis of further experiments in combination with large eddy simulation modelling are required. The impact of post-field data processing was not only evaluated for energy flux estimates but also for fluxes of CO2, which showed similar additional flux contributions for extended averaging times. Finally, it was demonstrated that the quality assessment scheme presented in this thesis provides a fundamental and robust rejection criterion for a successful gap-filling strategy to determine annual sums of CO2 net ecosystem exchange.
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Verhalten von Arsen und Chrom in einem mit Holzschutzmitteln belasteten Boden
(2005)
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Maria Luisa Hopp
- In dieser Arbeit wird eine umfassende Charakterisierung von Mechanismen, die die Bindung und den Transport von Arsen und Chrom in einem durch den Eintrag von arsen- und chromhaltigen Holzschutzmitteln stark belasteten Boden kontrollieren, präsentiert. Der Einsatz vielfältiger Methoden erlaubte darüber hinaus eine Evaluierung von Versuchsansätzen zur Abschätzung der Mobilität von Arsen und Chrom. Die Untersuchungen fanden auf dem Lagerplatz eines ehemaligen Holzimprägnierwerkes statt. Der Lagerplatz weist zwei Besonderheiten auf: (1) Eine stark hydrophobe Bodenoberfläche bewirkt eine nur punktuelle Infiltration. (2) Mitte der achtziger Jahre wurde einmalig Fe(II)-Sulfat auf der Bodenoberfläche ausgebracht, um Cr(VI) durch Reduktion zu immobilisieren. Der Boden, ein Podsol aus Flugsanden, wurde bis in eine Tiefe von 200 cm beprobt. Festphasenkonzentrationen von As und Cr wurden in Mischproben bestimmt. Die für eine Bindung relevanten Festphasen wurden in selektiven Extraktionen mit Oxalat- und Dithionitlösungen untersucht. Die Mobilisierung von Arsen und Chrom aus der Festphase wurde in verschiedenen standardisierten Elutionsversuchen (z.B. Bodensättigungsextrakt, BoSE), in einem Säulenversuch und durch die kontinuierliche Beprobung von Bodensickerwasser über einen Zeitraum von zehn Monaten charakterisiert. Zu den Freilandarbeiten gehörten weiterhin die Untersuchung der Hydrophobizität des Bodens und die Durchführung eines Farbtracer-Experiments zur Visualisierung dominierender Fließmuster. Die Entnahme von Grundwasser erfolgte über den Zeitraum von zehn Wochen. Simulationen mit einem numerischen 2D-Transportmodell evaluierten die Konsequenzen der hydrophoben Bodenoberfläche für den Stofftransport. Gesamtgehalte von As und Cr nahmen mit der Tiefe ab und lagen zwischen 103 – 384 mg/kg As und 168 – 1086 mg/kg Cr innerhalb der obersten 65 cm. Die Eisengehalte nahmen von 3,5 g/kg in der obersten Schicht bis auf 0,5 g/kg unterhalb 65 cm ab. Diese für einen Podsol untypische Fe-Verteilung wurde auf die durch die Applikation von Fe(II)-Sulfat erfolgte Anreicherung von Fe im Oberboden zurückgeführt. Die selektiven Extraktionen wiesen auf die Dominanz von geringkristallinen Fe(III)-Festphasen hin. Die Bodenbehandlung mit Fe(II)-Sulfat hatte somit zwei Effekte, die Immobilisierung von Chromat und die Entstehung zusätzlicher Adsorbenten. Aluminium wies die höchsten Gehalte mit 7,3 g/kg in dem Bs-Horizont des Podsols auf und lag hier höchstwahrscheinlich in schwach kristallinen Aluminosilikaten vor, die sich durch ein hohes Anionensorptionsvermögen auszeichnen. Der Boden verfügt daher vor allem in den obersten 65 cm über Bindungskapazität. Cr wurde entweder als Cr(VI) bis in das Grundwasser verlagert oder zu Cr(III) innerhalb der obersten Bodenschichten reduziert. Es bildeten sich nachfolgend Cr(III)-Festphasen bzw. bei der Verfügbarkeit von Fe(II) Cr/Fe-Mischphasen. Die Ausfällung einer reaktiven Cr(III)-haltigen Festphase bedeutete eine Erhöhung des Bindungsvermögens des Bodens. As lag als As(V) adsorbiert an Fe- und Cr-Hydroxiden vor. In den selektiven Extraktionen wurde eine enge Assoziation zwischen As und Al im Bs-Horizont deutlich. Sowohl in den Elutionsversuchen als auch in den Säulenexperimenten zeigte sich eine hohe Auslaugbarkeit von As und Cr über das gesamte beprobte Profil. Die Konzentrationen im BoSE lagen zwischen 68-412 µg/L As und 295-915 µg/L Cr. Die im Säulenversuch beobachteten Maximalkonzentrationen bewegten sich in dem im BoSE ermittelten Bereich. Der Stoffaustrag aus den Bodensäulen konnte für As mit einem linearen Modell und für Cr mit einer asymptotisch verlaufenden Funktion beschrieben werden. Die Beprobung des Sickerwassers bestätigte die hohe Mobilität der beiden Elemente auch im Freiland; die mittleren Konzentrationen betrugen 167 µg/L As und 62 µg/L Cr. Die Sickerwasserkonzentrationen variierten räumlich um zwei bis drei Größenordnungen. Sowohl der BoSE als auch der Säulenversuch waren geeignet, die in-situ auftretenden Maximalkonzentrationen abzuschätzen. Das Farbtracer-Experiment offenbarte einen stark präferenziellen Wasserfluss in diesem Boden, der durch die ausgeprägte Hydrophobizität der Bodenoberfläche verursacht wird. Die räumliche Variabilität der Sickerwasserkonzentrationen kann laut Simulationsstudie dem präferenziellen Transportregime zugeschrieben werden. Der präferenzielle Fluss bewirkt in der jetzigen Phase, in der kein Stoffeintrag mehr stattfindet, dass belastete Bodenzonen effektiv umflossen und vor einer Auswaschung geschützt werden. Hinsichtlich einer Verlagerung bis in das Grundwasser stellt Cr nach wie vor ein Problem an diesem Standort dar. Die Chromkonzentrationen im Grundwasser lagen zwischen 53 und 326 µg/L, während As in nur geringen Konzentrationen (< 10 µg/L) gemessen wurde. Auch nach der Stilllegung von Holzimprägnierwerken kann das Risiko einer Grundwasserkontamination durch Stoffeinträge aus der ungesättigten Bodenzone für viele Jahre fortbestehen.
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Mantle-Melting at High Pressure: Experimental Constraints on Magma Ocean Differentiation
(2005)
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Christian Liebske
- In this study geochemical processes and a geophysical parameter were investigated that are relevant to the crystallisation of a deep magma ocean, that likely existed during Earth’s accretion. The melting relations of potential magma ocean compositions, such as peridotitic and chondritic bulk compositions, were investigated using multianvil apparatus at pressures of 25-26 GPa and temperatures up to 2400°C. Compositional effects on the melting relations were investigated by varying bulk Mg/Si and Mg/(Mg+Fe) ratios (the latter is denoted as Mg-number, Mg#). At 26 GPa, peridotite liquids show a crystallisation sequence of ferropericlase (Fp) followed down temperature by Mg-silicate perovskite (MgPv) + Fp, which is in contrast to the sequence of MgPv followed by MgPv + Fp in chondritic composition. The melting relations along the different compositions depend primarily on the bulk Mg/Si ratio and not on the Mg#. Melting relations and eutectic compositions were studied in the simple binary MgO-SiO2 system between 10 and 26 GPa. Combining the new results with previously published data shows that the eutectic composition between Mg2SiO4 and MgSiO3, up to 20 GPa, moves towards MgO with increasing pressure. Between 20 and 23 GPa the direction in which the eutectic is moving with pressure reverses. At higher pressures, this trend is again reversed and the eutectic composition moves towards MgO. The multiple changes in the direction in which the eutectic is moving as a function of pressure explains qualitatively the differences in liquidus phase relations in the more complex peridotite and chondrite compositions. The effect of bulk chemical composition on the partitioning of major, minor and trace elements between MgPv and coexisting silicate melts was investigated using micro-beam techniques. MgPv/melt partition coefficients for Mg (DMg) and Si (DSi) are related to the melt Mg/Si ratio, such that DSi becomes smaller than DMg at chondritic Mg/Si melt ratios. This shows that the Earth’s upper mantle Mg/Si ratio is unlikely to be derived from chondrites by MgPv fractionation. Partition coefficients of tri- and tetravalent elements increase with increasing Al concentration of MgPv. A crystal chemical model indicates that Al3+ substitutes predominantly onto the Si-site in MgPv, but most other elements substitute onto the Mg-site. This is consistent with a charge-compensating substitution mechanism. A crystal fractionation model, based on refractory lithophile element ratios, is developed to constrain the amount of MgPv and Ca-silicate perovskite (CaPv) that could have fractionated in a magma ocean and could still be present as a chemical heterogeneity in the lower mantle today. It is shown that a fractionated crystal pile composed of 96% MgPv and 4% CaPv could comprise up to 13 wt% of the entire mantle. Fe3+/Fetotal ratios have been determined for MgPv, crystallised at temperatures below and above the peridotite solidus, using Mössbauer and electron-energy-loss spectroscopy. The amount of Fe3+ in MgPv is positively correlated to the Al content of this phase. In recovered samples, homogeneously distributed Fe-rich metal on the sub-micron scale was observed on grain boundaries, although the MgPv has Fe3+/Fetotal ratios between 0.2 and 0.5. This suggests that the amount of Fe3+ in MgPv is independent of oxygen fugacity and that the presence of Fe-rich metal in the samples is the result of disproportionation of FeO to Fe3+ and Fe-metal. This has potentially implications for the mantle oxidation state and the mantle geochemistry during magma ocean solidification. The viscosity of peridotite liquid, as an analogue for a magma ocean composition, was investigated at high pressure using in-situ falling sphere viscometry. Experiments were performed between 2.5 and 13 GPa at temperatures between 2043 to 2523 K. Measured viscosities range from 0.018 (±0.003) to 0.13 (±0.01) Pa s. Up to 9 GPa the data indicate an isothermal increase in viscosity with increasing pressure but viscosity decreases between 9 and 13 GPa at constant temperature. The observed change in the pressure dependence of the viscosity is likely associated with structural changes in the liquid upon compression. The new high pressure data are combined with 1 bar viscosities for peridotite liquid (Dingwell et al. 2004), and a non-Arrhenian Vogel-Fulcher-Tamman equation, to which an empirical pressure-dependent term has been added, is presented to parameterize all experimental data. This approach reproduces measured viscosities to within 0.08 log10-units on average. The model can be used to calculate magma ocean viscosities to depths of 400 km. At likely magma ocean temperatures, viscosities down to transition zone pressures are extremely low and comparable to water at room temperature. The results of the different aspects of this study were used to investigate magma ocean crystallisation and its effect on the geochemistry and the evolution of the Earth’s mantle.
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Rechnergestützte Identifikation von Böden
(2005)
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Christoph Albrecht
- Das in Deutschland verwendete Ordnungssystem zur Beschreibung der Pedosphäre ist die Deutsche Bodensystematik (DBS). Damit können die Morphologie und die Entstehung der Böden sehr gut erklärt werden. Bei der praktischen Anwendung, also der Einordnung von Böden in das bestehende System, kommt es jedoch zu Problemen. Sie zeigen sich vor allem darin, dass es verschiedene Interpretationsmöglichkeiten der Profilmorphologie gibt. Die fehlende Objektivität und Reproduzierbarkeit der bodensystematischen Angabe führt dazu, dass das inhaltliche Potenzial dieser Information bei weiterführenden Anwendungen (zum Beispiel Ableitung von Pedotransferfunktionen) nicht ausgeschöpft werden kann. Die wesentliche Ursache dafür ist eine funktionelle Überladung der DBS. Sie soll gleichermaßen die Ansprüche der wissenschaftlichen und der praktischen Bodenkunde erfüllen (umfassende Beschreibung der Böden und ihrer Beziehungen sowie schnelle und eindeutige Bodenansprache), obwohl sie nur für jeweils einen Zweck optimiert werden kann. Dieser Konflikt, zu dessen Erklärung die Ordnungssysteme Systematik und Klassifikation unterschieden werden, wird zusammen mit Lösungsmöglichkeiten in der Arbeit ausführlich dargestellt. Bei der Bodenidentifizierung (Einordnung von Böden in ein Ordnungssystem) müssen die kategoriebildenden Merkmale messbar sein. Das ist bei bodensystematischen Angaben nur selten möglich, weil bodenbildende Prozesse kaum messbar sind. Deshalb bleiben Identifizierungen mit der DBS oft hypothetisch. Zur Lösung des Identifikationsproblems müssen entweder die Pedogenesen exakt quantifiziert werden (Beweis der Systematik) oder eine einfache Klassifikation entwickelt werden. Die erste Strategie erfordert umfangreiche Forschungsarbeiten, so dass kurzfristig nur mit einer Klassifikation zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden können. Dazu werden drei Ansätze untersucht: 1. Bei der Entwicklung von Bestimmungsschlüsseln für Bodenhorizonte und Bodensubtypen soll geprüft werden, ob sich die Definitionen der DBS strukturieren lassen. 2. Mit einer fuzzy Cluster-/Diskriminanzanalyse werden die vorhandenen Bodendaten statistisch analysiert. 3. Das unscharfe regelbasierte System zur Horizontidentifikation erlaubt die automatisierte Verarbeitung von messbaren Grenzwerten und verbal vorliegendem Expertenwissen. Die verschiedenen Methoden werden anhand der Kriterien Datenbedarf, Definitionstreue, Ergebnisqualität, Robustheit und Anwendungsmöglichkeit vergleichen. Dabei wird deutlich, dass der statistische Ansatz aus methodischen und praktischen Gründen nicht zur Automatisierung der Identifikation geeignet ist. Die Bestimmungsschlüssel sind einfach und sehr definitionstreu, jedoch lässt sich deren Anwendung nicht automatisieren. Es zeigt sich, dass der regelbasierte Ansatz das beste Verfahren für die rechnergestützte Bodenidentifizierung ist. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt gibt es noch Verbesserungspotenziale, aber die breiten Anwendungsmöglichkeiten, die Stabilität und die Robustheit des Verfahrens ermöglichen einen adäquaten Umgang mit den gegenwärtig verfügbaren pedologischen Informationen.
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Holozäne Landschaftsentwicklung im Einzugsgebiet des Río Yavi (Jujuy / Argentinien)
(2005)
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Julio José Kulemeyer
- Im Einzugsgebiet des Río Yavi auf der trockenen Nordpuna in Nordwest-Argentinien (Höhenlagen um 3500m ü.M.), belegen paläoökologische Indikatoren, vor allem fluviale Akkumulationsterrassen und Dünen, Zeitabschnitte unterschiedlicher morphodynamischer und klimatischer Bedingungen im Holozän, die von den heutigen z.T. deutlich abweichen. Im Zentrum dieser Arbeit steht die sedimentologische Untersuchung der fluvialen Talfüllungen. Sie stellen Ablagerungen bzw. paläoökologische Archive mit zeitlicher Kontinuität über weite Strecken des Holozäns dar und konnten durch eine, für Trockengebiete große Anzahl von 14C-Altersbestimmungen (38 Probendatierungen) und darüberhinaus mit Hilfe archäologischer und historischer Funde korreliert und chronologisch eingeordnet werden. Die Talsedimente bestehen überwiegend aus mächtigen Feinsedimentablagerungen mit Vegetationsresten und einem hohen C-Gehalt. Sie zeigen, daß der Talboden zur Akkumulationszeit ein feuchter Vegetationsstandort mit einer dichten Pflanzendecke war. Die Mehrheit der Talsedimente leitet sich aus dem Material der Dünen und Flugsanddecken der Punahochfläche der Umgebung ab. Das wird interpretiert als Hinweis auf eine äolisch geprägte Morphodynamik außerhalb der Täler. Ein ganzjährig geringer Abfluss (geringe Transportkraft der Fließgewässer) mit permanenter bzw. überwiegender Akkumulationstendenz charakterisiert dagegen die Gerinne. Akkumulation dominierte während eines Großteils des Holozäns in den Tälern des Río Yavi, wobei die mächtige Terrasse I gebildet wurde. Darauf folgte eine Erosionsphase mit zwei kurzen Ablagerungsepisoden (Terrassen II und III). Insgesamt lassen sich im Río Yavi Einzugsgebiet drei größere Phasen der holozänen Landschaftsentwicklung unterscheiden: Phase I, Frühholozän (10.500 - 8300 yr B.P.): In dieser Phase begann unter feuchteren Klimabedingungen als heute die Akkumulation der Sedimente der Terrasse I, die durch basale fluviale Schotter aber auch lokal durch humose Sedimente vertreten sind. Zu dieser Zeit und unter diesen Umweltbedingungen besiedelten nomadische Jäger- und Sammler-Gruppen die Region, belegt durch die archäologische Ausgrabung „La Cueva de Yavi“. Phase II, Mittelholozän (8300 - 2000/1500 yr B.P.): Diese Phase ist durch trockene bis sehr trockene Bedingungen, mit Vorherrschaft der äolischen Morphodynamik und einem mehr oder weniger perennierenden aber reduzierten Gerinneabfluß charakterisiert. In den Täler werden feinkörnige fluviale Sedimente abgelagert, wobei die Sedimentationsrate mit der Zeit abnimmt. Phase II läßt sich in drei Zeitabschnitte unterteilen. Der erste Abschnitt (IIa, 8300 - 6100 yr B.P.) ist durch aride klimatische Bedingungen charakterisiert mit der niedrigsten Abflußintensität des Holozäns und einer großen Sedimentationsrate. Dieser Abschnitt entspricht dem „Silencio arqueológico“, d.h. dem Zeitintervall, in dem aufgrund der schlechten Umweltbedingungen Spuren des Menschen fehlen. Im zweiten Abschnitt (IIb, 6100 - 3600 yr B.P.) waren die Klimabedingungen vergleichsweise etwas feuchter (semiarid?). In zunehmendem Maß besiedelte jetzt die prähistorische Bevölkerung das Land. Während des dritten Abschnittes (IIc, 3600 - 2000/1500 yr B.P.) endete die Akkumulation der Terrasse I. Die Klimabedingungen waren während dieses Zeitraumes ebenfalls trocken, aber tendenziell feuchter als im vorhergehenden Abschnitt. Phase III, Spätholozän (2000/1500 yr B.P. - Gegenwart): Die letzte Phase der Landschaftsentwicklung wird durch die fortschreitende Besiedlung und anthropogene Landnutzung, vor allem Weidewirtschaft, in der Zeit der prähispanischen Yavi-Kultur und in historischer Zeit geprägt. Die herausragenden geomorphologischen und landschaftsrelevanten Vorgänge dieser Phase sind die Zunahme des Oberflächenabflusses auf dem Punaplateau und die Eintiefung der Täler. Zunehmende Überweidung führte zu einer Abnahme der Vegetationsbedeckung mit dem Resultat zunehmenden Oberflächenabflusses und damit Oberflächenabtrags. Durch die Bodenerosion und die dadurch verringerte Infiltrationskapazität wurde dieser Prozeß weiter verstärkt. In den Tälern mußte es dementsprechend zu einer Erhöhung des Gesamtabflusses kommen bei wachsenden Schwankungen im Abflußregime. Geomorphologisch bedeutete dies zunehmende Erosion und Taleintiefung mit intermittierenden untergeordneten Akkumulationstendenzen. Innerhalb der Phase III lassen sich zwei Abschnitte unterscheiden. Der erste Abschnitt (IIIa, 2000/1500 - 450 yr B.P.), d.h. die Zeit vor der Conquista ist durch die Entwicklung der „Yavi-Kultur“ charakterisiert. Eine Ablagerungsepisode bildete die Terrasse II, die allerdings nur lokal erhalten ist. Der zweite Abschnitt (IIIb, 450 yr B.P. - Gegenwart), entspricht der Zeit nach der Eroberung der Region durch die Spanier. In dieser Zeit bildete sich u.a. die Terrasse III.
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Detection and Analysis of Coherent Structures within and above Tall-vegetated Canopies
(2005)
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Christoph Thomas
- Coherent structures are an inherent phenomenon of the atmospheric turbulent flow in the proximity to tall-vegetated canopies. Although coherent structures have called increasing attention of the turbulence community during the past decades, the basic mechanisms of their emergence, their contributions to exchange processes and their importance for conventional flux determination methods remain poorly understood or even unknown. In particular, no studies have been published yet dealing with long-term observations rather than exemplary case studies using short-term data. This dissertation aims at the enhanced understanding of the driving mechanisms and statistical properties of coherent structures within and above tall-vegetated canopies through an extensive analysis using long-term observations. Thereby, it places a specific emphasis on the implications of coherent structures for exchange processes and assesses their impact on conventional flux determination methods such as the eddy covariance and relaxed eddy accumulation techniques. Data were mainly obtained using tower-based single-point turbulence measurements and acoustic remote sensing technique (Sodar-Rass) during extensive field campaigns conducted in summer 2003. The developed wavelet software tool for detection and analysis of coherent structures is verified to extract coherent structures objectively under varying environmental conditions and thus allows determining their statistics in long-term datasets. In the proximity to the plant canopy, the temporal scales of coherent structures typically range between 20 s and 35 s. The temporal scales of coherent structures in the horizontal wind velocity, the sonic temperature and the concentration of carbon dioxide and water vapour exceed those of the vertical wind velocity. Within the canopy, the temporal scales of all vector and scalar variables collapse at approx. 24 s to 28 s resulting in an enhanced symmetry. Besides this, coherent structures with temporal scales up to 220 s are evidenced well above the canopy with the aid of acoustic remote sensing. The application of the canopy mixing-layer analogy to the data partially yields departures of the ratio m between the streamwise structures spacing of coherent structures and the canopy shear scale from the prediction m = 7...10. The departures are due to the influence of the terrain affecting the shape of the canopy wind profile and therefore the vertical wind shear. An agreement is found for flows which are forced to reorganise downstream of flow obstacles. The vertical wind shear is identified as the main driving force from which coherent structures emerge close to the canopy. In the layer well above the canopy diabatic processes facilitate the generation of coherent structures of large temporal scales. Clearcuts in a fairly homogeneous canopy cause additional structures in the turbulent flow with large temporal scales. Coherent structures contribute about 16 % to total the momentum transfer and about 26 % to the total fluxes of buoyancy, carbon dioxide and latent heat. A scheme for the qualitative classification of exchange regimes between the atmosphere and the canopy is developed analysing the ejection and sweep phases of coherent structures along the vertical profile in the canopy. The presence of coherent structures causes flux errors in the eddy covariance method below 4 %. The effect of this flux error for long-term observations is negligible as individual flux errors average out. Coherent structures of large temporal scales significantly influence the scalar similarity required for the relaxed eddy accumulation technique. These flow structures are responsible for the diurnal changes of the scalar similarity observed in the traces of acoustic temperature and concentration of carbon dioxide and water vapour.
