Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Destructive and non-destructive measurements of residual crop residue and phosphorus effects on growth and composition of herbaceous fallow species in the Sahel

Little is known about the residual effects of crop residue (CR) and phosphorus (P) application on the fallow vegetation following repeated cultivation of pearl millet [Pennisetum glaucum (L.) R. Br.] in the Sahel. The objective of this study, therefore, was (i) to measure residual effects of CR, mulched at annual rates of 0, 500, 1000 and 2000 kg CR ha^-1, broadcast P at 0 and 13 kg P ha^-1 and P placement at 0, 1, 3, 5 and 7 kg P ha^-1 on the herbaceous dry matter (HDM) 2 years after the end of the experiment and (ii) to test a remote sensing method for the quantitative estimation of HDM. Compared with unmulched plots, a doubling of HDM was measured in plots that had received at least 500 kg CR ha^-1. Previous broadcast P application led to HDM increases of 14% compared with unfertilised control plots, whereas no residual effects of P placement were detected. Crop residue and P treatments caused significant shifts in flora composition. Digital analysis of colour photographs taken of the fallow vegetation and the bare soil revealed that the number of normalised green band pixels averaged per plot was highly correlated with HDM (r=0.86) and that red band pixels were related to differences in soil surface crusting. Given the traditional use of fallow vegetation as fodder, the results strongly suggest that for the integrated farming systems of the West African Sahel, residual effects of soil amendments on the fallow vegetation should be included in any comprehensive analysis of treatment effects on the agro-pastoral system.

Field measurements of the CO2 evolution rate under different crops during an irrigation cycle in a mountain oasis of Oman

For millennia oasis agriculture has been the backbone of rural livelihood in the desertic Sultanate of Oman. However, little is known about the functioning of these oasis systems, in particular with respect to the C turnover. The objective was to determine the effects of crop, i.e. alfalfa, wheat and bare fallow on the CO2 evolution rate during an irrigation cycle in relation to changes in soil water content and soil temperature. The gravimetric soil water content decreased from initially 24% to approximately 16% within 7 days after irrigation. The mean CO2 evolution rates increased significantly in the order fallow (27.4 mg C m^−2 h^−1) < wheat (45.5 mg C m^−2 h^−1) < alfalfa (97.5 mg C m^−2 h^−1). It can be calculated from these data that the CO2 evolution rate of the alfalfa root system was nearly four times higher than the corresponding rate in the wheat root system. The decline in CO2 evolution rate, especially during the first 4 days after irrigation, was significantly related to the decline in the gravimetric water content, with r = 0.70. CO2 evolution rate and soil temperature at 5 cm depth were negatively correlated (r = -0.56,n = 261) due to increasing soil temperature with decreasing gravimetric water content.

Photoionization of Kr 4s: III. Detailed and extended measurements of the Kr 4s-electron ionization cross section

Absolute Kr 4s-electron photoionization cross sections as a function of the exciting-photon energy were measured by photon-induced fluorescence spectroscopy (PIFS) at improved primary-energy resolution. The cross sections were determined from threshold to 33.5 eV and to 90 eV with primary-photon bandwidths of 25 meV and 50 meV, respectively. The measurements were compared with experimental data and selected theoretical calculations for the direct Kr 4s-electron photoionization cross sections.

Two-photon decay of the 1s2s ^1S_0 state in _36Kr^34+ produced by resonant transfer and excitation

The doubly excited 2s2p ^1P_1 level of Kr^{34+} populated via resonant transfer and excitation (RTE) feeds selectively the metastable ls2s ^1 S_0 state which can only decay via simultaneous emission of two photons to the ground state 1s^2 ^1 S_0. X-ray/X-ray coincidence measurements in heavy ionatom collisions enable the direct measurement of the spectral distribution of the two-photon decay in He-like ions. In addition, we observe strong photon cascades indueed by radiative electron capture.

Hyperspectral field measurements to determine dry matter yield and nutritive value of legume-grass swards

Summary: Productivity, botanical composition and forage quality of legume-grass swards are important factors for successful arable farming in both organic and conventional farming systems. As these attributes can vary considerably within a field, a non-destructive method of detection while doing other tasks would facilitate a more targeted management of crops, forage and nutrients in the soil-plant-animal system. This study was undertaken to explore the potential of field spectral measurements for a non destructive prediction of dry matter (DM) yield, legume proportion in the sward, metabolizable energy (ME), ash content, crude protein (CP) and acid detergent fiber (ADF) of legume-grass mixtures. Two experiments were conducted in a greenhouse under controlled conditions which allowed collecting spectral measurements which were free from interferences such as wind, passing clouds and changing angles of solar irradiation. In a second step this initial investigation was evaluated in the field by a two year experiment with the same legume-grass swards. Several techniques for analysis of the hyperspectral data set were examined in this study: four vegetation indices (VIs): simple ratio (SR), normalized difference vegetation index (NDVI), enhanced vegetation index (EVI) and red edge position (REP), two-waveband reflectance ratios, modified partial least squares (MPLS) regression and stepwise multiple linear regression (SMLR). The results showed the potential of field spectroscopy and proved its usefulness for the prediction of DM yield, ash content and CP across a wide range of legume proportion and growth stage. In all investigations prediction accuracy of DM yield, ash content and CP could be improved by legume-specific calibrations which included mixtures and pure swards of perennial ryegrass and of the respective legume species. The comparison between the greenhouse and the field experiments showed that the interaction between spectral reflectance and weather conditions as well as incidence angle of light interfered with an accurate determination of DM yield. Further research is hence needed to improve the validity of spectral measurements in the field. Furthermore, the developed models should be tested on varying sites and vegetation periods to enhance the robustness and portability of the models to other environmental conditions.

Biological Photonic Crystals: Diatoms

The aim of this work was to produce a variety of fluorescent diatom cell wall material as a basis for spectroscopic investigations of the influence of the photonic structure on the emission of an incorporated laser dye. This goal was achieved by the method of in vivo-fluorochromation, in which the fluorescence dyes are incorporated by the diatom cells during cell wall formation. Several fluorescent dyes (mostly rhodamines) known as strong laser dyes, were tested for a possible application within this method. The results of this work show that half of the tested rhodamines can be applied for an in vivo-fluorochromation of diatom cells. For a successful incorporation into the diatom cell wall, a relatively low toxicity to diatom cells is necessary. Replacement of the carbon acid function at the carboxyphenyl ring of the rhodamine by a methyl or ethylester function showed to convert a rhodamine of relatively low toxicity to a rhodamine leading to severe lethal effects within the cells. In contrast to their carbon acid forms, which posses a net neutral charge of the molecule, rhodamine esters exhibit a net positive charge. The enhanced toxicological effects seem to be due to an increased accumulation of positive charged rhodamines within the mitochondria, an increased hydrophobicity due to the attachment of an alkyl substituent, an increased retention time of the dyes within the mitochondria and a therefore stronger negative effect on the mitochondrial membrane bound energy processes of the diatom cell. Therefore rhodamines with a positive net charge deriving from a methyl or ethylester function at the carboxy phenyl ring instead of a carbon acid substituent showed not to be suitable for long-term investigations/ biomineralization studies of diatoms. Investigations performed on diatom species of different orders showed that rhodamine 19, rhodamine B, and rhodamine 101 can presumably be successfully applied for in vivo-fluorochromation to all diatom species. The results obtained here can help to find further laser dyes for an in vivo-fluorochromation of diatom cells and therefore for the production of fluorescent nanostructural elements for a detailed optical investigation of the diatom cell wall. First optical measurements performed on in vivo-fluorochromated cell walls did not give any hints concerning the photonic structure of the diatom cell. Cell wall parts with different nanostructural elements were investigated and by comparison of the obtained fluorescence emission spectra, no special features that might derive from photonic structural effects could be observed. Results concerning the concentration dependent shifts within the emission spectra, as well as the decrease of fluorescence intensity of the stained cell wall structures with increasing dye concentration, depict that several effects occurring by interaction of the molecules within the cell wall can have an impact on the technical application of fluorescent cell walls. It can be assumed that the investigation of the photonic crystal behaviour and the possibility to achieve laser action within the diatom cell wall can be hampered by molecular interactions. The results give hints to prevent such obstacles. Comparison of the recent findings and state of the art of in vivo-fluorochromation of diatom cell wall material, make clear that the here presented results are of importance and can offer a considerable contribution to the development and establishment of new biosilification markers, for diatoms as well as for other biosilifying organisms.

Synthesis and Characterization of Novel Spiro-Starburst-Structures as Blue Light Emitters and Zeolites

Spiro-starburst-structures with symmetric globular structures in forms of first and second generations that readily form stable amorphous glasses have been synthesized and then characterised in this work. During the synthesis of these materials, possibilities of the extension of the chains of the phenyl rings in 2,2’,7 and 7’-positions of the central core of the spirobifluorene as well as the 2’,7 and 7’-positions of the terminal spirobifluorene units of the spiro-starburst-structures have been investigated so that solubilities and morphologies of the compounds are not negatively influenced. Their morphological properties have been explored by recording their decomposition temperature and glass transition temperature. These compounds possessing two perpendicular arrangement of the two molecular halves show high glass transition temperature (Tg), which is one of the most important parameter indicating the stability of the amorphous state of the material for optoelectronic devices like organic light emitting diodes. Within the species of second generation compounds, for example, 4-spiro3 shows the highest Tg (330 °C) and the highest branching degree. When one [4B(SBF)SBF-SBF 84] or two [4SBFSBF-SBF 79] terminal spirobifluorene units are removed, the Tg decreases to 318 °C and 307 °C respectively. Photo absorption and fluorescence spectra and cyclic voltammetry measurements are taken in account to characterize the optoelectronic properties of the compounds. Spiro-starburst-structures emit radiation in the blue region of the visible spectrum. The peak maxima of absorption and emission spectra are observed to be at higher wavelength in the molecules with longer chromophore chains than in the molecules with shorter chromophore chains. Excitation spectra are monitored with their emission peak maxima. The increasing absorbing species in molecule leads to increasing molar extinction coefficient. In the case of 4B(TP)SBF-SBF 53 and 4B(SBF)SBF-SBF 84, the greater values of the molar extinction coefficients (43*104 and 44*104 L mol-1 cm-1 respectively) are the evidences of the presence of four times octiphenyl conjugation rings and eight times terminal fluorene units respectively. The optical properties of solid states of these compounds in the form of thin film indicate that the intermolecular interaction and aggregation of individual molecules in neat amorphous films are effectively hindered by their sterically demanding structures. Accordingly, in solid state, they behave like isolated molecules in highly dilute solution. Cyclic voltammetry measurements of these compounds show electrochemically reversibility and stability. Furthermore, the zeolitic nature (host-guest) of the molecular sieve of the synthesized spiro-starburst-structures has been analysed by thermogravimetric analysis method.

Synthesis and characterisation of novel nitrogen and fluorine containing spirobifluorene derivatives for electronic applications and crystal engineering

Among organic materials, spirobifluorene derivatives represent a very attractive class of materials for electronic devices. These compounds have high melting points, glass transitions temperatures and morphological stability, which makes these materials suitable for organic electronic applications. In addition, some of spirobifluorenes can form porous supramolecular associations with significant volumes available for the inclusion of guests. These molecular associations based on the spirobifluorenes are noteworthy because they are purely molecular analogues of zeolites and other microporous solids, with potential applications in separation, catalysis, sensing and other areas.

Optical Characterization of Organic Gain Materials for UV-emitting Hybrid Complex Coupled VCSELs

In this thesis, optical gain measurement setup based on variable stripe length method is designed, implemented and improved. The setup is characterized using inorganic and organic samples. The optical gain of spiro-quaterphenyl is calculated and compared with measurements from the setup. Films with various thicknesses of spiro-quaterphenyl, methoxy-spiro-quaterphenyl and phenoxy-spiro-quaterphenyl are deposited by a vacuum vapor deposition technique forming asymmetric slab waveguides. The optical properties, laser emission threshold, optical gain and loss coefficient for these films are measured. Additionally, the photodegradation during pumping process is investigated.