Ecophysiological comparison of types of biological soil crusts on post-mining sites Schlabendorf and Welzow „Neuer Lugteich“

In der Praxis der Braunkohlegewinnung im Lausitzer Tagebaurevier werden natürlich gewachsene Böden in den betroffenen Gebieten zerstört. In der Folge entwickeln sich aus den verkippten Substraten nährstoffarme Rohböden, auf deren Oberflächen als erste Pioniere zumeist Grünalgen, Moose, Flechten und Bakterien siedeln, welche die obersten Bodenpartikel vernetzen und so biologische Bodenkrusten ausbilden. Diese Biokrusten stabilisieren die durch spärliche Vegetation gekennzeichneten Rekultivierungsflächen, wirken erosionshemmend und beeinflussen die Hydrologie und Wasserumverteilung der oberen Bodenschicht. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von unterschiedlichen Sukzessionsstadien von Biokrusten auf zwei Rekultivierungsflächen der Bergbaufolgelandschaft in der Niederlausitz, die durch unterschiedliche Substrateigenschaften, Topographie und Rekultivierungszeiten gekennzeichnet sind. Auf einer künstlichen Sanddüne und einer tertiären Fläche wurden Krustentypen hinsichtlich einer divergenten Artenausprägung und den damit verbundenen funktionellen Eigenschaften untersucht. Parameter der Photosynthese wurden hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Charakterisierung und Funktion der Biokrusten analysiert. Des Weiteren wurde der Einfluss der Biokrusten auf den Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalt der Böden untersucht. Zuletzt sollte festgestellt werden, ob und wie die kleinräumige Mosaikstruktur der Biokrusten die Hydrologie sowie Funktion und Aktivität der Krustenorganismen beeinflusst. In Bezug auf die Artenzusammensetzung der Bodenkrusten konnten auf beiden Standorten Übereinstimmungen als auch Unterschiede festgestellt werden, da es sich bei allen Organismen um ubiquitäre Arten handelte. Auf beiden Standorten fanden sich die Grünalgen Zygogonium und Ulothrix, die Moose Ceratodon und Polytrichum sowie Flechten der Gattung Cladonia. In Schlabendorf wurde aufgrund der längeren Rekultivierungszeit bereits eine höhere Artendichte festgestellt. Das betraf besonders Arten der Flechtengattung Cladonia. Eine standortspezifische Präferenz hinsichtlich des Substrates oder der naturräumlichen Gegebenheiten nicht festgestellt werden konnte. Die Auswertung der ökophysiologischen Parameter ergab einen Anstieg der Chlorophyllgehalte, des Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), der Chlorophyllfluoreszenz sowie der Netto-Photosyntheseraten mit fortschreitender Krustenentwicklung. Der Anstieg der Photosynthese-relevanten Parameter verlief aufgrund der heterogenen Verteilung der Organismen zwischen den Biokrusten des gleichen Sukzessionsstadiums nur in frühen Stadien linear. Die höchste photosynthetische Aktivität wurde bei den Moos-Krusten festgestellt, gefolgt von den Grünalgen-Krusten und den Flechten-Krusten. Das Verhältnis von Brutto-Photosynthese zu Respiration lies den Schluss zu, dass die CO2-Fixierungsrate in den Flechten-Krusten aufgrund der mycobiontischen Respiration niedriger ausfiel. Die Infiltration in den Krusten wurde durch das Vernetzen von Sandpartikeln durch Grünalgen-Filamente und den Verschluss der Porenräume gehemmt. Die Wasserspeicherkapazität nahm jedoch aufgrund des organischen Materials zu. Das Auftreten von Moosen förderte hingegen die Infiltration und verringerte die Wasserhaltekapazität, da Rhizoide das Substrat auflockerten bzw. sich präferentielle Fließwege bildeten. Die C- und N-Gehalte der Krusten nahmen durch den Zuwachs der organischen Biomasse bei fortschreitender Entwicklung zu.In the practice of brown-coal or lignite mining in the Lusatian open-cast mining district, naturally grown soils were destroyed in affected areas. As a result, nutrient poor initial soils were developed from the excavated and dumped material. The new soil surface is mainly colonized by green algae, mosses, liver mosses, lichens and bacteria, which cross-linked the uppermost soil particles and developed biological soil crusts. Biological soil crusts stabilize the soil surface in reclaimed areas, which are characterized by sparse vegetation cover, reduced soil erosion, and influence hydrology and water redistribution on the uppermost soil layer. The aim of this work was the investigation of biocrust types on two reclamation sites with different substrate properties, topography and reclamation time. On an artificial sand dune and on tertiary substrate the soil crust types were investigated regarding their species composition and functional characteristics. Parameters of photosynthesis and their relevance for the functions and characterization of biocrusts were analyzed. Further, the influence of biocrusts on the carbon- and nitrogen budget on the soils was investigated. Last but not least it was determined, if and how the small-scale pattern formation of the biocrusts influenced hydrology as well as function and activity of the biocrust organisms. Regarding the species composition of the biocrusts, similarities as well as variations were detected on both study sites. All determined crust species were ubiquitous organisms. On both sites, the green algae Zygogonium and Ulothrix, the mosses Ceratodon and Polytrichum as well as lichens of the genus Cladonia were found. As a result of the longer reclamation time, a higher amount of lichens of the genus Cladonia was observed. Even various species of the same genus occurred in community, whereby a site-specific preference regarding the substrate or topography was not detected. The evaluation of the ecophysiological parameters showed an increase of the chlorophyll content, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), chlorophyll fluorescence as well as net-photosynthesis with the succession of biocrusts. The increase of the photosynthesis-relevant parameters was only linear in the early succession stages as a result of the highly heterogenic distribution of the different soil crust organisms between biocrusts of similar developmental stages. The highest photosynthetic activity was detected in the moss-dominated biocrusts, followed by the activity of green-algae-dominated biocrusts and lichen-dominated biocrusts. The ratio of gross photosynthesis to respiration reasoned that the CO2-fixation rate of lichen-dominated biocrusts was lower compared to green algae-dominated biocrusts due to mycobiontic respiration. Infiltration decreased due to pore clogging as a result of the cross-linking of sand particles by green algae filaments. However, the water holding capacity increased with the increase of organic material. In contrast, the occurrence of mosses promoted the infiltration and lowered the water holding capacity, because the rhizoids slightly loosened the substrate and created preferential flow path, respectively. The carbon- and nitrogen content of the biocrusts increased with proceeding biocrust development due to the gain of organic biomass. Developed biocrusts showed already a nitrogen cycle of a developed ecosystem, whereby the gain of biomass led to an increasing nitrogen-content in the subjacent substrate due to nitrification

Phosphorus bioavailability in soil profiles of a long-term fertilizer experiment: The evaluation of their bioaccessibility

Global agricultural productivity depends on the use of finite phosphorus (P) resources of which not only the topsoil, but also subsoil, can hold immense reserves. To assess potential soil contribution to plant nutrition, we compared the P status of Stagnic Cambisol profiles in experimental plots that received different P fertilizer applications (control, triple superphosphate (TSP), compost, compost+TSP) for 16 years. Sequential fractionation was combined with P K-edge X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy to identify the chemical P speciation. Fertilized topsoils (21 to 69 kg P ha-1 a-1) showed P reserves larger by a factor of 1.2 to 1.4, and subsoil P reserves larger by a factor of 1.3 to 1.5 than those of the control. P-XANES revealed the predominance of inorganic P species such as moderately labile Fe- (46 to 92%), Al- (0 to 40%), and Ca- (0 to 15%) P compounds besides organic P (0 to 13%) in all treatments. The fertilizer application slightly altered P speciation throughout the profiles, but the type of fertilizer had no significant effect on it. Optimal plant growth requirements are restricted by the exchangeable P from the solid phase within the soil solution. Therefore, ongoing research focuses on the accessibility of P from P loaded amorphous Fe- and Al-hydroxides, previously identified as the predominant abiotic P forms. To assess their P desorption potential, P-33 rhizotron experiments combined with P-33 isotopic exchange kinetics (IEK) are underway. Preliminary results indicated that besides differences in P binding capacity of soil hydroxides, physical soil parameters, such as the matric potential, strongly control soil P availability, thus plant P acquisition rates can vary among different soil types. Our results gained new detailed information about P bioavailability under agricultural practice. The investigations towards P bioaccessibility may contribute to improved interpretation of soil P tests and reduced fertilizer recommendations

Identifizierung von Phosphatadsorptionsmechanismen an Fe- und Al-Hydroxiden und dem Einfluss von anorganischen und organischen Verbindungen zur Reduzierung der langfristigen Phosphorfixierung an mineralischen Oberflächen

With regard to the depletion of global phosphorus reserves and with the aim of ensuring sustainable soil fertility on agricultural soils, a fundamental understanding of mechanisms of fixation and mobilization of inorganic phosphorus in soils is required. Amongst others, phosphorus availability is affected by ad- and desorption reactions on pedogenic Fe- and Al-hydroxide surfaces. The characterization of phosphate binding on those contrasting mineral surfaces can help to find solutions for enhancing the mobilization of fertilized but not available soil inorganic phosphate. Fourier-transform infrared spectroscopic experiments were carried out during phosphorus adsorption on crystalline gibbsite, poorly crystalline 2-line-ferrihydrite and amorphous Fe:Al-hydroxide mixtures. Desorption experiments with CaCl₂, CaSO₄, citric acid (C₆H₈O₇), and humic acid (C₉H₉NO₆) were conducted to determine the capacity of phosphate fixation and mobilization in short- and long-term. Additionally, phosphorus release from the Fe- and Ca-phosphates vivianite and hydroxyapatite were analyzed. For gibbsite, the formation of AlHPO₄ and Al₂HPO₄ can be assumed, while for ferrihydrite, a FeHPO₄ or Fe₂PO₄ complex and the precipitation of FePO₄ with longer equilibration time were observed. Fe₂HPO₄ or a Fe₂PO₄ surface complex was deduced for amorphous Fe-hydroxides, an AlH₂PO₄ surface complex was identified for Al-hydroxides. The weakly associated amorphous FeO(OH) molecules enhance the precipitation of FePO₄. With high Al content, a weaker phosphate binding of both inner- and outer-sphere complexes and either no or minor quantities of precipitate were formed. Ferrihydrite showed a more rigid structure and a lower extent of precipitation compared to amorphous Fe-hydroxide. The cumulative phosphorus desorption followed the order CaCl₂ < CaSO₄ < humic acid < citric acid for crystalline and amorphous Fe- and Al-hydroxides as well for vivianite and hydroxyapatite. While inorganic anion exchange took part at easily available binding sites and fast exchangeable phosphorus, organic acids additionally affect the more heavily available binding sites and slow exchangeable phosphorus. For humic acid, the accumulation of metal-organic complexes in the desorption solution was suggested, whereas for citric acid the dissolution of the minerals was maintained. The cumulative release rates of the Flow-Through-Reactor setup were higher compared to batch due to a short residence time and a continuous concentration gradient. This could lead either to an over- or underestimation of the available phosphorus pools and influenced the comparability of both methods.Im Hinblick auf die Verknappung der globalen Phosphorreserven und mit dem Ziel, eine nachhaltige Bodenfruchtbarkeit auf landwirtschaftlichen Böden zu gewährleisten, ist ein grundlegendes Verständnis der Mechanismen der Fixierung und Mobilisierung von anorganischem Phosphor in Böden erforderlich. Die Phosphorverfügbarkeit wird unter anderem durch Ad- und Desorptionsreaktionen an pedogenen Fe- und Al-Hydroxidoberflächen beeinflusst. Die Charakterisierung der Phosphatbindung an diesen kontrastierenden mineralischen Oberflächen kann helfen, Lösungen zu finden, um die Mobilisierung von gedüngtem, aber nicht verfügbarem anorganischem Phosphat im Boden zu verbessern. Untersuchungen mittels Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie wurden während der Phosphoradsorption an kristallinem Gibbsit, schlecht kristallinem Ferrihydrit sowie an amorphen Fe:Al-Hydroxidgemischen durchgeführt. Desorptionsversuche mit CaCl₂, CaSO₄, Zitronensäure (C₆H₈O₇) und Huminsäure (C₉H₉NO₆) wurde durchgeführt, um die Kapazität der kurz- und langfristigen Phosphorfixierung und -mobilisierung zu bestimmen. Zusätzlich wurde die Phosphorfreisetzung der Fe- und Ca-Phosphate Vivianit und Hydroxylapatit analysiert. An Gibbsit konnte die Bildung von AlHPO₄ und Al₂HPO₄ beobachtet werden, während an Ferrihydrit FeHPO₄- oder Fe₂PO₄-Komplexe identifiziert wurden. Bei anhaltender Reaktionszeit konnte die Ausfällung von FePO₄ erfasst werden. An amorphen Fe- und Al-Hydroxiden wurde die Bildung von Fe₂HPO₄- oder Fe₂PO₄- sowie AlH₂PO₄-Oberflächenkomplexen identifiziert. Die schwach assoziierten FeO(OH)-Moleküle begünstigten die Ausfällung von FePO₄, wohingegen bei steigendem Al-Gehalt eine schwächere Phosphatbindung durch Inner- und Outer-Sphere-Komplexe ohne oder nur geringer Ausfällung festgestellt werden konnte. Durch die starrere Struktur von Ferrihydrit fiel der Gehalt an ausgefallenem FePO₄ im Vergleich zu den amorphen Fe-Hydroxiden niedriger aus. Für die kumulative Phosphatdesorption konnte die Reihenfolge CaCl₂ < CaSO₄ < C₉H₉NO₆ < C₆H₈O₇ für kristalline und amorphe Fe- und Al-Hydroxide sowie Vivianit und Hydroxylapatit ermittelt werden. Während der Austausch anorganischer Ionen an leicht zugänglichen Bindungsstellen und somit leicht austauschbarem Phosphor stattfand, beeinflussen die organischen Säuren auch schwer zugängliche Bindungsstellen mit schwer und langsam austauschbarem Phosphor. Für C₉H₉NO₆ wurde die Akkumulation von metall-organischen Komplexen in der Desorptionslösung in Betracht gezogen, während C₆H₈O₇ zur Auflösung der Minerale beiträgt. Die kumulierten Freisetzungsraten mittels Flow-Through-Reactor fielen aufgrund einer kurzen Verweilzeit und eines kontinuierlichen Konzentrationsgradienten höher aus als im Batch-Versuch. Dies könnte entweder zu einer Über- oder Unterschätzung der verfügbaren Phosphorpools führen und die Vergleichbarkeit beider Verfahren beeinflussen

Mechanismen für die energieeffiziente Prozessor-Allokation und Umverteilung auf Vielkernprozessor-Systemen

Multi- and manycore processors promise to combine high overall peak performance with moderate power consumption to meet the constantly growing demand for computational power under the energy constraints of today’s CMOS technology. Future systems with manycore processors are expected to contain a huge amount of cores, which exceeds the number of processes that will run simultaneously. Consequently, processor time sharing approaches, that introduce significant overhead from regular context switches in common OS, will no longer be necessary. This work investigates mechanisms for scalable and energy-efficient spatial partitioning of multi- and manycore processor systems. In addition, it explores the implications of exclusive processor core allocation to user processes due to the absence of temporal multiplexing and offers approaches to ease the adaptation to the new programming model. The proposed mechanisms achieved fast thread allocation which motivates applications for dynamic thread allocation and benefits performance as well as energy efficiency. The efficiency control and resource revocation mechanisms detect and prevent wasteful and inefficient resource occupation from poorly optimized or malicious processes. In this way, the global efficiency of the system is optimized. The dynamic processing resource allocation and revocation handling has been integrated into a task parallel runtime system, to disburden the application programmer from manual implementation and to increase productivity.Mehrkern- und Vielkernprozessoren versprechen eine hohe Spitzenrechenleistung bei moderatem Stromverbrauch, um den ständig wachsenden Bedarf nach Rechenleistung mit den Energiebeschränkungen der heutigen CMOS-Technologie zu erfüllen. Es wird erwartet, dass zukünftige Systeme mit Vielkernprozessoren eine riesige Anzahl von Rechenkernen enthalten werden, welche die Anzahl der gleichzeitig laufenden Prozesse übersteigt. Folglich werden Ansätze für das zeitliche Multiplexing der Prozessoren, die in bestehenden Betriebssystemen erhebliche Kosten durch regelmäßige Kontextwechsel verursachen, nicht mehr zwingend erforderlich sein. Diese Arbeit untersucht Mechanismen für eine skalierbare und energieeffiziente räumliche Partitionierung von Mehrkern- und Vielkernprozessorsystemen. Darüber hinaus werden die Auswirkungen der exklusiven Prozessorkernzuweisung, aufgrund des fehlenden zeitlichen Multiplexings, für den Benutzer untersucht und Ansätze zur Erleichterung der Anpassung an das neue Programmiermodell angeboten. Die entwickelten Mechanismen erreichen eine schnelle Threadallokation, die Anwendungen zur dynamischen Ressourcenbelegung motiviert und damit sowohl die Rechenleistung als auch die Energieeffizienz erhöht. Die Mechanismen zur Effizienzkontrolle und zum Entzug von Ressourcen erkennen und verhindern eine verschwenderische und ineffiziente Ressourcenbelegung durch schlecht optimierte oder bösartige Prozesse. Auf diese Weise wird die globale Effizienz des Systems verbessert. Die dynamische Belegung von Rechenressourcen und die Behandlung von Ressourcelimitierungen wurden in ein aufgabenparalleles Laufzeitsystem integriert, um Anwendungsprogrammierer von der manuellen Implementierung zu entlasten und die Produktivität zu steigern