Factors and mechanisms controlling soil organic carbon turnover in subsoils of agricultural sites

Two-third of the terrestrial C is stored in soils, and more than 50% of soil organic C (SOC) is stored in subsoils from 30 – 100 cm. Hence, subsoil is important as a source or sink for CO2 in the global carbon cycle. Especially the stable organic carbon (OC) is stored in subsoil, as several studies have shown that subsoil OC is of a higher average age than topsoil OC. However, there is still a lack of knowledge regarding the mechanisms of C sequestration and C turnover in subsoil. Three main factors are discussed, which possibly reduce carbon turnover rates in subsoil: Resource limitation, changes in the microbial community, and changes in gas conditions. The experiments conducted in this study, which aimed to elucidate the importance of the mentioned factors, focused on two neighbouring arable sites, with depth profiles differing in SOC stocks: One Colluvic Cambisol (Cam) with high SOC contents (8-12 g kg-1) throughout the profile and one Haplic Luvisol (Luv) with low SOC contents (3-4 g kg-1) below 30 cm depth. The first experiment was designed to gain more knowledge regarding the microbial community and its influence on carbon sequestration in subsoil. Soil samples were taken at four different depths on the two sites. Microbial biomass C (MBC) was determined to identify depth gradients in relation to the natural C availability. Bacterial and fungal residues as well as ergosterol were determined to quantify changes in the in the microbial community composition. Multi-substrate-induced-respiration (MSIR) was used to identify shifts in functional diversity of the microbial community. The MSIR revealed that substrate use in subsoil differed significantly from that in topsoil and also differed highly between the two subsoils, indicating a strong influence of resource limitations on microbial substrate use. Amino sugar analysis and the ratio of ergosterol to microbial biomass C showed that fungal dominance decreased with depth. The results clearly demonstrated that microbial parameters changed with depth according to substrate availability. The second experiment was an incubation experiment using subsoil gas conditions with and without the addition of C4 plant residues. Soil samples were taken from topsoil and subsoil of the two sites. SOC losses during the incubation, were not influenced by the subsoil gas conditions. Plant-derived C losses were generally stronger in the Cam (7.5 mg g-1), especially at subsoil gas conditions, than in the Luv (7.0 mg g-1). Subsoil gas conditions had no general effects on microbial measures with and without plant residue addition. However, the contribution of plant-derived MBC to total MBC was significantly reduced at subsoil gas conditions. This lead to the conclusion that subsoil gas conditions alter the metabolism of microorganisms but not the degradation of added plant residues is general. The third experiment was a field experiment carried out for two years. Mesh bags containing original soil material and maize root residues (C4 plant) were buried at three different depths at the two sites. The recovery of the soilbags took place 12, 18, and 24 months after burial. We determined the effects of these treatments on SOC, density fractions, and MBC. The mean residence time for maize-derived C was similar at all depths and both sites (403 d). MBC increased to a similar extent (2.5 fold) from the initial value to maximum value. This increase relied largely on the added maize root residues. However, there were clear differences visible in terms of the substrate use efficiency, which decreased with depth and was lower in the Luv than in the Cam. Hence freshly added plant material is highly accessible to microorganisms in subsoil and therefore equally degraded at both sites and depths, but its metabolic use was determined by the legacy of soil properties. These findings provide strong evidence that resource availability from autochthonous SOM as well as from added plant residues have a strong influence on the microbial community and its use of different substrates. However, under all of the applied conditions there was no evidence that complex substrates, i.e. plant residues, were less degraded in subsoil than in topsoil.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Hybrid optimization schemes for quantum control

Optimal control theory is a powerful tool for solving control problems in quantum mechanics, ranging from the control of chemical reactions to the implementation of gates in a quantum computer. Gradient-based optimization methods are able to find high fidelity controls, but require considerable numerical effort and often yield highly complex solutions. We propose here to employ a two-stage optimization scheme to significantly speed up convergence and achieve simpler controls. The control is initially parametrized using only a few free parameters, such that optimization in this pruned search space can be performed with a simplex method. The result, considered now simply as an arbitrary function on a time grid, is the starting point for further optimization with a gradient-based method that can quickly converge to high fidelities. We illustrate the success of this hybrid technique by optimizing a geometric phase gate for two superconducting transmon qubits coupled with a shared transmission line resonator, showing that a combination of Nelder-Mead simplex and Krotov’s method yields considerably better results than either one of the two methods alone.