Pedotransfer functions for estimation of plant available water capacity – validation for forest soils of the north-eastern lowlands

The available water capacity (AWC) of especially coarse-textured forest soils of the federal state of Brandenburg – estimated by various pedotransfer functions (PTF) – induce huge systematic differences. Thus further validations of the PTF seem to be necessary. The PTF were evaluated, using a dataset of overall 489 forest soil horizons of the north-eastern lowlands. The dataset includes measured AWC-values and further soil parameters required for the PTF. The comparison of measured and estimated AWC-values indicates that PTF, which were developed using large, geographically widespread datasets and which consider especially soils similar to those of the validation sample respectively, tend to smaller systematic prediction errors. The PTF, which consider a higher number of predicting variables generally induce higher coefficients of determination. The lowest overall error (square root of the mean square prediction error) was determined for the PTF Renger et al. (2009). The highest values describing the strength and accuracy of the linear relationship between measurements and predictions (coefficient of determination and slope) were found out for the approach of Riek et al. (1992, 1995).Die vergleichende Gegenüberstellung der mittels unterschiedlicher Pedotransferfunktionen (PTF) berechneten nutzbaren Wasserspeicherkapazitäten von vorwiegend sandigen brandenburgischen Standorten der bundesweiten Bodenzustandserhebung im Wald (BZE) weist auf gravierende systematische Unterschiede hin. Es erscheint daher notwendig, die PTF weitergehend zu validieren. Die Validierung der PTF erfolgte mit einer insgesamt 489 Waldbodenhorizonte des Nordostdeutschen Tieflands umfassenden Datenbank, für welche sowohl Messwerte der nFK als auch die notwendigen Eingangsdaten der PTF vorlagen. Die Gegenüberstellung von Mess- und Schätzwerten zeigte, dass diejenigen PTF, welche anhand umfangreicher, regional weit gefächerter Datengrundlagen entwickelt wurden, tendenziell geringere systematische Fehler aufwiesen. Für PTF, bei deren Entwicklung Böden berücksichtigt wurden, die mit den typisch brandenburgischen Verhältnissen vergleichbar sind, zeigte sich eine ähnliche Tendenz. Ansätze mit größerem Einsatz an Prädiktorvariablen wiesen in der Regel größere Bestimmtheitsmaße auf. Der geringste Quadratwurzelfehler ergab sich bei Verwendung der PTF nach Renger et al. (2009). Die höchste Güte und Richtigkeit des Zusammenhangs zwischen Mess- und Vorhersagewerten (Anstieg der Ausgleichsgeraden und Bestimmtheitsmaß) zeigte der Ansatz nach Riek et al. (1992, 1995)

A method to estimate groundwater depth from forest site mapping data and digital elevation models

In this paper a new approach for estimating continuous groundwater depths using forest site mapping data of the federal state of Brandenburg and digital elevation models is presented. The underlying idea of this approach is to combine the upper and lower limits of the mapping units (groundwater depth classes of special site types and site type groupings) and the relative elevations inside each individual site type area calculated from the digital elevation model. By this means, consideration of the landscape morphology allows groundwater depths to be estimated continuously for grids with various resolutions. Depending mainly on the spatial and vertical resolution of the applied digital elevation model, the results are improved significantly compared to simply regionalizing site-type-specific mean values. The presented method was used to generate continuous groundwater depths based on the existing forest site maps of the federal state of Brandenburg for more than two-thirds of the forest area. The data obtained will be used in a larger research project, carried out at the Forestry Competence Centre, Eberswalde, to analyze regional and site-specific impacts of climate change.Für das umfangreiche Datenmaterial der forstlichen Standortserkundung in Brandenburg wurde ein EDV-gestütztes Verfahren zur Ableitung kontinuierlicher Grundwasserflurabstände aus den Legendeneinheiten der forstlichen Standortskarte (Stamm-Standortsform und Stamm-Standortsformengruppen) und digitalen Geländemodellen (DGM) entwickelt. Grundlage dafür war die Kombination von Grenzwerten dieser Legendeneinheiten mit der aus dem DGM berechneten relativen Geländehöhe für die diskreten Flächen der Standortsformen. Durch dieses Vorgehen wurde die Geländemorphologie in das Verfahren zur Ableitung der Grundwasserflurabstände integriert. Dadurch ergibt sich eine, insbesondere gegenüber der Verwendung von auf der Übernahme von Mittelwerten basierenden Ansätzen, verbesserte Abbildung der Grundwasserflurabstände. Hauptsächlich in Abhängigkeit von der Genauigkeit der verwendeten Geländemodelle können somit räumlich beliebig aufgelöste kontinuierliche Grundwasserflurabstände berechnet werden. Das Verfahren wurde anhand der bestehenden Standortskarten auf über zwei Dritteln der Waldfläche Brandenburgs zur Generierung von Grundwasserflurabstandsinformationen angewandt und soll im Rahmen eines übergeordneten Projektes zu regionalen und standortsbedingten Unterschieden der Auswirkungen des Klimawandels eingesetzt werden

Principal components of the heat balance of forest ecosystems in the state Brandenburg : Regionalization of risk areas and areas suitable for climate monitoring on the basis of regional climate scenarios

Die im Zuge des globalen Klimawandels erwarteten Veränderungen des Wärmehaushaltes werden mit großer Wahrscheinlichkeit erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung und Stabilität der brandenburgischen Waldökosysteme haben. Im vorliegenden Beitrag erfolgen zum einen die statistische Herleitung und räumliche Abgrenzung von Risikogebieten und zum anderen die Ausweisung von Flächen, die für ein Klima-Monitoring auf der ökologischen Wirkungsebene geeignet sind. Grundgedanke der methodischen Herangehensweise ist die raum-zeitliche Verknüpfung von Klimaindikatoren auf multivariat- statistischer Basis. Für die Risikobewertung wurde ein Algorithmus entwickelt, bei dem die nach dem Klimaszenario A1B zu erwartenden zeitlichen Veränderungen bis zur Mitte bzw. bis zum Ende dieses Jahrhunderts in Relation zur aktuellen räumlichen Streubreite der ökologischen Kenngrößen des Wärmehaushaltes gesetzt und dadurch in ihrem Ausmaß und ihrer Bedeutung als Störungspotenzial bewertet werden. Die errechneten Störungspotenziale werden als Rasterkarten mit einer Auflösung von 1 x 1 km Rasterweite präsentiert. Waldökosysteme sind in ihrem Ursache-Wirkungs-Verhalten komplex. Bei gleichen Einflussbedingungen sind verschiedene Systemzustände denkbar, die Vorhersagen schwer möglich machen. Deshalb erscheint es am erfolgversprechendsten, den Folgen des Klimawandels empirisch durch Beobachtung der artspezifischen Reaktionsnormen und populationsdynamischen Anpassungspotenziale der Waldökosysteme aufgrund des laufenden Witterungsgeschehens in ausgewählten Regionen zu begegnen. Aus den Beobachtungen können dann großräumige und insbesondere für die erarbeiteten Risikogebiete gültige Vorhersagen abgeleitet werden (prognostizierendes Klima-Monitoring). Für dieses Klima-Monitoring geeignete Gebiete wurden analog zum dargelegten Vorgehen bei der Risikogebietsableitung unter Verwendung der Differenz zwischen aktueller Ausprägung der ökologischen Wärmehaushaltskennwerte und deren durchschnittlicher zukünftiger Ausprägung (Dekade 2090 – 2100) auf der Waldfläche Brandenburgs ermittelt. Die Gebiete mit maximaler Ähnlichkeit zu den zukünftigen Verhältnissen werden als Rasterkarte vorgestellt. Die hier präsentierten Ergebnisse zum Wärmehaushalt sollen in bevorstehenden Auswertungsschritten mit räumlich hoch aufgelösten Risikoindikatoren zu potenziellem Wassermangel und Trockenstress (100 x 100 m Raster) verknüpft werden.In the course of global climate change expected modifications in heat balance will likely have a huge impact on the development and stability of Brandenburgian forest ecosystems. In this paper risk areas are statistically identified and regionalized. Furthermore, areas which are suitable for an ecological based climate impact monitoring are determined. The basic idea of the methodological approach is the spatiotemporal analyses of climate indicators using multivariatestatistical procedures. For risk assessment, an algorithm was developed, in which expected temporal changes until the year 2050 or 2095 (climate scenario: A1B) are set in relation to the actual spatial range of ecological heat balance indicators. In this way expected changes can be evaluated concerning their disturbance potential. The estimated disturbance potentials are presented on raster maps with a resolution of 1 x 1 km. Forest ecosystems are complex in their cause-effect behavior. Under the same influence conditions various system states are possible, making prognoses difficult. Therefore, the most promising way seems to be the empirical investigation of species-specific norms of reaction and population dynamic potentials of adaption on the basis of the actual climate in special regions. From the empirical results, largescale predictions can be derived especially for the identified risk areas (predicting climate monitoring). Regions suitable for climate monitoring were indentified using a similar approach as used in deriving risk areas. For this, the differences between the actual values of ecological heat balance indicators and the respective average of the total forest area of Brandenburg in the future (decade 2090 – 2100) were calculated. The regions with maximum similarity to the future conditions are presented on a raster map. In further evaluation steps, the presented results will be combined with high resolution risk indicators for potential water deficiency and drought stress (100 x 100 m grid)

The Geometric Maximum Traveling Salesman Problem

We consider the traveling salesman problem when the cities are points in R^d for some fixed d and distances are computed according to geometric distances, determined by some norm. We show that for any polyhedral norm, the problem of finding a tour of maximum length can be solved in polynomial time. If arithmetic operations are assumed to take unit time, our algorithms run in time O(n^{f-2} log n), where f is the number of facets of the polyhedron determining the polyhedral norm. Thus for example we have O(n^2 log n) algorithms for the cases of points in the plane under the Rectilinear and Sup norms. This is in contrast to the fact that finding a minimum length tour in each case is NP-hard. Our approach can be extended to the more general case of quasi-norms with not necessarily symmetric unit ball, where we get a complexity of O(n^{2f-2} log n). For the special case of two-dimensional metrics with f=4 (which includes the Rectilinear and Sup norms), we present a simple algorithm with O(n) running time. The algorithm does not use any indirect addressing, so its running time remains valid even in comparison based models in which sorting requires Omega(n \log n) time. The basic mechanism of the algorithm provides some intuition on why polyhedral norms allow fast algorithms. Complementing the results on simplicity for polyhedral norms, we prove that for the case of Euclidean distances in R^d for d>2, the Maximum TSP is NP-hard. This sheds new light on the well-studied difficulties of Euclidean distances.Comment: 24 pages, 6 figures; revised to appear in Journal of the ACM. (clarified some minor points, fixed typos

An Energy-based Approach to Assess and Predict Erosive Airfoil Defouling

A dynamic indentation experiment is presented for assessment of the adhesive behavior of a range of coatings in erosive defouling of commercial aircraft engines using CO2 dry-ice. A series of experiments is presented in which particles made from a reference material (polyoxymethylene – POM) and from CO2 dry-ice are made to impact compressor airfoils under a range of impact angle and velocity conditions. The airfoils investigated are coated with an indicator material (PTFE), which is typically used to visualise the defouling effect in large scale compressor defouling experiments. In addition, fouled compressor airfoils taken from service and coated with a fouling typically found in low-pressure compressor stages are investigated. The energy required for the reference particles (POM) to create a defouling effect for the different coatings is determined by an experimental evaluation of their coefficient of restitution. This energy requirement is assumed to be fouling specific. Empirical defouling functions are presented. They correlate the defouling effect for both particle materials under various impact conditions. The empirical correlations are developed into a simulation procedure to predict particle impact erosion and energy dissipation of coated surfaces in numerical indentation simulations

Bovine polledness

The persistent horns are an important trait of speciation for the family Bovidae with complex morphogenesis taking place briefly after birth. The polledness is highly favourable in modern cattle breeding systems but serious animal welfare issues urge for a solution in the production of hornless cattle other than dehorning. Although the dominant inhibition of horn morphogenesis was discovered more than 70 years ago, and the causative mutation was mapped almost 20 years ago, its molecular nature remained unknown. Here, we report allelic heterogeneity of the POLLED locus. First, we mapped the POLLED locus to a ∼381-kb interval in a multi-breed case-control design. Targeted re-sequencing of an enlarged candidate interval (547 kb) in 16 sires with known POLLED genotype did not detect a common allele associated with polled status. In eight sires of Alpine and Scottish origin (four polled versus four horned), we identified a single candidate mutation, a complex 202 bp insertion-deletion event that showed perfect association to the polled phenotype in various European cattle breeds, except Holstein-Friesian. The analysis of the same candidate interval in eight Holsteins identified five candidate variants which segregate as a 260 kb haplotype also perfectly associated with the POLLED gene without recombination or interference with the 202 bp insertion-deletion. We further identified bulls which are progeny tested as homozygous polled but bearing both, 202 bp insertion-deletion and Friesian haplotype. The distribution of genotypes of the two putative POLLED alleles in large semi-random sample (1,261 animals) supports the hypothesis of two independent mutations

Correlation-Strength Driven Anderson Metal-Insulator Transition

The possibility of driving an Anderson metal-insulator transition in the presence of scale-free disorder by changing the correlation exponent is numerically investigated. We calculate the localization length for quasi-one-dimensional systems at fixed energy and fixed disorder strength using a standard transfer matrix method. From a finite-size scaling analysis we extract the critical correlation exponent and the critical exponent characterizing the phase transition.Comment: 3 pages; 2 figure

Stickstoffzustand nordostdeutscher Waldböden im Vergleich von BZE-1 und BZE-2

Im Beitrag werden zwei auf der Grundlage von BZE-Daten Brandenburgs multivariat-statistisch abgeleitete Indikatoren für den Stickstoffstatus vorgestellt. Diese Indikato-ren lassen sich für grundwasserferne Standorte mit Kiefernbestockung zur Ab-schätzung des Gefährdungspotenzials durch Stickstoffeinträge verwenden. Krite-rien hierfür sind: Nitratauswaschung, N-Überernährung und die Einschränkung von Biodiversität. Die abgeleiteten Indikatoren sind metrisch skaliert und nehmen in Abhängigkeit von den Ausprägungen der bestimmenden Eingangsgrößen Werte zwischen 0 und 1 an. Hohe Werte ver-weisen auf ein erhöhtes Gefährdungs-potenzial. Die Indikatoren werden auf den Datensatz der BZE von Mecklenburg-Vorpommern an-gewandt und für den Vergleich zwischen BZE-1 und BZE-2 in Brandenburg und Mecklenburg-Vorpommern eingesetzt. Ins-gesamt zeigt sich, dass zwischen BZE-1 und BZE-2 eine Verbesserung des N-Zu-standes erfolgt ist. Dieses betrifft ins-besondere die Erhebungspunkte in Bran-denburg, wo von einer extrem ausge-prägten N-Belastungssituation zur Zeit der BZE-1 auszugehen ist