Price-and-verify: a new algorithm for recursive circle packing using Dantzig–Wolfe decomposition

This is the author accepted manuscript. The final version is available from Springer via the DOI in this record Packing rings into a minimum number of rectangles is an optimization problem which appears naturally in the logistics operations of the tube industry. It encompasses two major difficulties, namely the positioning of rings in rectangles and the recursive packing of rings into other rings. This problem is known as the Recursive Circle Packing Problem (RCPP). We present the first dedicated method for solving RCPP that provides strong dual bounds based on an exact Dantzig–Wolfe reformulation of a nonconvex mixed-integer nonlinear programming formulation. The key idea of this reformulation is to break symmetry on each recursion level by enumerating one-level packings, i.e., packings of circles into other circles, and by dynamically generating packings of circles into rectangles. We use column generation techniques to design a “price-and-verify” algorithm that solves this reformulation to global optimality. Extensive computational experiments on a large test set show that our method not only computes tight dual bounds, but often produces primal solutions better than those computed by heuristics from the literature.Federal Ministry of Education and Researc

Einfluss der Insektenherbivorie auf den Kreislauf fester und gelöster organischer Substanzen in einem Grasslandökosystem - eine Mesokosmenstudie

Insektenmassenvermehrungen können durch die Reduktion von oberirdischer Biomasse (z.B. Blattverlust) und Koteintrag Einfluss auf den Kreislauf der organischen Substanz in Ökosystemen nehmen und dadurch zeitlich und räumlich begrenzte massive Veränderungen biogeochemischer Reaktionsraten hervorrufen. Um die Auswirkungen auf den C- und N-Kreislauf in Grasländern im System Herbivore-Pflanze-Boden zu quantifizieren, wurde ein Mesokosmenexperiment (D: 50 cm, H: 100 cm) mit Knäuelgras (Dactylis glomerata) und Heuschrecken (Chorthippus dorsatus) durchgeführt. Mit Hilfe von C-13-O2-Gas und N-15 markiertem Kot (δN-15: 58‰) wurde der C- und N-Pfad in den Kompartimenten Blatt, Wurzel, Grashüpfer, Kot, Boden und in der Eintrags- und Bodenlösung verfolgt. Es wurden folgende vier Varianten durchgeführt (n=3): Kontrolle; C-13-O2; C-13-O2+20_Grashüpfer; C-13-O2+20_Grashüpfer+N-15-markierter Kot (+9.2 µg N*cm-2). Innerhalb einer 5-Tage-Inkubation wurden die Kosmen bewässert (13 mm/5d). Nach fünf Tagen wurden die Bodenlösungen und die Kaltwasser- sowie mikrobielle Biomasse-Extrakte (CFE) (0-4, 4-12 cm) auf gelösten OC, OδC-13 und N untersucht. Ebenfalls wurden TOC, δC-13, TN sowie δN-15 Werte aller Kompartimente bestimmt. Nach fünf Tagen waren sowohl die Grashüpfer, der Kot als auch die Eintragslösung des Kotes signifikant mit C-13 angereichert. C-13 wurde stärker in Wurzeln als in Blätter eingebaut (anhand δC-13-Werten). Erhöhte DOC-13 Werte im Boden weisen auf einen schnellen Blatt-C-Kreislauf über Grashüpfer, Kot bis in die Bodenlösung, die Bodenorganismen und die Graswurzeln hin. Dies wird ebenfalls durch den zugegebenen N-15 Kot deutlich, welcher um 91% seines Gesamt-N-Gehaltes reduziert wurde. Es scheint eine schnelle N-Freisetzung durch Auswaschung und Wurzelaufnahme (-0.82±0.28‰ vs -1.54±0.12‰) stattgefunden zu haben. N-15 war im frisch produzierten Kot (0.62±0.4‰ vs -0.14 ±0.27‰) aber nicht in den Blättern angereichert. Die Herbivorie hatte keinen Einfluss auf die N-Menge in der Bodenlösung und in den Extrakten, was eine schnelle Pflanzenaufnahme des freigewordenen N vermuten lässt. Die geringe N-Konzentration des Mineralbodens (0.14%) und der Bodenlösungen (1-2.3 mg*L-1) weisen im Allgemeinen auf eine geringe Pflanzen-N-Verfügbarkeit hin. Wir schließen daraus, dass innerhalb des kurzen zeitlichen Umfanges (5d) N-limitierte Weidesysteme robust auf starken Insektenbefall reagieren und nicht zu signifikanten, ökosystemaren N-Auswaschungsverlusten neigen

Microbial community functioning during plant litter decomposition

International audienceAbstract Microbial life in soil is fueled by dissolved organic matter (DOM) that leaches from the litter layer. It is well known that decomposer communities adapt to the available litter source, but it remains unclear if they functionally compete or synergistically address different litter types. Therefore, we decomposed beech, oak, pine and grass litter from two geologically distinct sites in a lab-scale decomposition experiment. We performed a correlative network analysis on the results of direct infusion HR-MS DOM analysis and cross-validated functional predictions from 16S rRNA gene amplicon sequencing and with DOM and metaproteomic analyses. Here we show that many functions are redundantly distributed within decomposer communities and that their relative expression is rapidly optimized to address litter-specific properties. However, community changes are likely forced by antagonistic mechanisms as we identified several natural antibiotics in DOM. As a consequence, the decomposer community is specializing towards the litter source and the state of decomposition (community divergence) but showing similar litter metabolomes (metabolome convergence). Our multi-omics-based results highlight that DOM not only fuels microbial life, but it additionally holds meta-metabolomic information on the functioning of ecosystems

The unexpectedly short Holocene Humid Period in Northern Arabia

The early to middle Holocene Humid Period led to a greening of today's arid Saharo-Arabian desert belt. While this phase is well defined in North Africa and the Southern Arabian Peninsula, robust evidence from Northern Arabia is lacking. Here we fill this gap with unprecedented annually to sub-decadally resolved proxy data from Tayma, the only known varved lake sediments in Northern Arabia. Based on stable isotopes, micro-facies analyses and varve and radiocarbon dating, we distinguish five phases of lake development and show that the wet phase in Northern Arabia from 8800-7900 years BP is considerably shorter than the commonly defined Holocene Humid Period (similar to 11,000-5500 years BP). Moreover, we find a two century-long peak humidity at times when a centennial-scale dry anomaly around 8200 years BP interrupted the Holocene Humid Period in adjacent regions. The short humid phase possibly favoured Neolithic migrations into Northern Arabia representing a strong human response to environmental changes