Gaseous and leaching losses of carbon and nitrogen in irrigated organic farming of a coastal oasis in Oman

In der Dissertation wurden die Effekte verschiedener C/N-Verhältnisse und verschiedener Verhältnisse von strukturellen zu löslichen Kohlenhydraten (NDF/SC) von Dung, der in bewässerten Gemüsekulturen im Norden Omans appliziert wurde, untersucht. Im auf sandigen Böden durchgeführten Experiment wurden zwei Büffeldungvarianten zum einen mit einem C/N-Verhältnis von 19 und einem NDF/SC-Verhältnis von 17 (ORG1) und zum anderen mit einem C/N-Verhältnis von 25 und einem NDF/SC-Verhältnis von 108 (ORG2) verwendet. Das relevante faktorielle Anbausystem war eine zweijährige Rotation, bestehend aus Rettich gefolgt von Blumenkohl und Karotte. Eine signifikante Zunahme der Erträge, des Sproßdurchmessers und der Pflanzenhöhe von Blumenkohl (P<0,001) sowie der Konzentration von Askorbinsäure in den Wurzeln von Rettich (P<0,01) mit erhöhter Verfügbarkeit von N, P und K von ORG2 über ORG1 bis hin zur Mineraldünger-Kontrollbehandlung (MIN) konnte festgestellt werden. Innerhalb von 260 Tagen wurden für die gesamte Anbauperiode mit einem photoakustischen Infrarot-Multigasmonitor und einer damit verbundenen Haube bodenbürtige Gasemissionen gemessen. Die errechneten Nettobilanzen zeigten Überschüsse von N und P, welche von Defiziten für K begleitet waren. Die Kohlenstoff Nettobilanzen waren während des Untersuchungszeitraums negativ oder nicht konsistent. Die Ergebnisse zeigen, dass unter extremen klimatischen Bedingungen bewässerter sandiger Böden organische Kultivierung zuerst durch den Kohlenstoffgehalt von Dung und Boden und erst dann durch die applizierten Mengen an N, P und K limitiert wird. Es konnte festgestellt werden, dass Gasemissionen den größten Teil der N und C Verluste von bewässerten sandigen Böden im Norden Omans darstellen. Die Reduzierung von Treibhausgasen und Sickerverlusten sollte weiterhin im Fokus zukünftiger Untersuchungen stehen, um zur Entwicklung von nachhaltigen organischen Anbausystemen im Oman und anderen ariden tropischen Ländern beizutragen.

MEMS-based Tunable Optical Filter Arrays for Nano-Spectrometer in the Visible Spectral Range

Optische Spektrometer sind bekannte Instrumente für viele Anwendungen in Life Sciences, Produktion und Technik aufgrund ihrer guten Selektivität und Sensitivität zusammen mit ihren berührungslosen Messverfahren. MEMS (engl. Micro-electro-mechanical system)-basierten Spektrometer werden als disruptive Technologie betrachtet, in der miniaturisierte Fabry-Pérot Filter als sehr attraktiv für die optische Kommunikation und 'Smart Personal Environments', einschließlich des medizinischen Anwendungen, zu nennen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, durchstimmbare Filter-Arrays mit kostengünstigen Technologien herzustellen. Materialien und technologische Prozesse, die für die Herstellung der Filter-Arrays benötigt werden, wurden untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit, wurden durchstimmbare Fabry Pérot Filter-Arrays für den sichtbaren Spektralbereich untersucht, die als Nano-Spektrometer eingesetzt werden. Darüber hinaus wurde ein Modell der numerischen Simulation vorgestellt, die zur Ermittlung eines optimales geometrisches Designs verwendet wurde, wobei sich das Hauptaugenmerk der Untersuchung auf die Durchbiegung der Filtermembranen aufgrund der mechanischen Verspannung der Schichten richtet. Die geometrische Form und Größe der Filtermembranen zusammen mit der Verbindungsbrücken sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Durchbiegung beeinflussen. Lange und schmale Verbindungsbrücken führen zur stärkeren Durchbiegung der Filtermembranen. Dieser Effekt wurde auch bei der Vergrößerung der Durchmesser der Membran beobachtet. Die Filter mit spiralige (engl. curl-bent) Verbindungsbrücken führten zu geringerer Deformation als die mit geraden oder gebogenen Verbindungsbrücken. Durchstimmbare Si3N4/SiO2 DBR-basierende Filter-Arrays wurden erfolgreich hergestellt. Eine Untersuchung über die UV-NIL Polymere, die als Opferschicht und Haltepfosten-Material der Filter verwendet wurden, wurde durchgeführt. Die Polymere sind kompatibel zu dem PECVD-Verfahren, das für die Spiegel-Herstellung verwendet wird. Die laterale Strukturierung der DBR-Spiegel mittels des RIE (engl. Reactive Ion Etching)-Prozesses sowie der Unterätz-Prozess im Sauerstoffplasma zur Entfernung der Opferschicht und zum Erreichen der Luftspalt-Kavität, wurden durchgeführt. Durchstimmbare Filter-Arrays zeigten einen Abstimmbereich von 70 nm bei angelegten Spannungen von weniger als 20 V. Optimierungen bei der Strukturierung von TiO2/SiO2 DBR-basierenden Filtern konnte erzielt werden. Mit der CCP (engl. Capacitively Coupling Plasma)-RIE, wurde eine Ätzrate von 20 nm/min erreicht, wobei Fotolack als Ätzmaske diente. Mit der ICP (engl. Inductively Coupling Plasma)-RIE, wurden die Ätzrate von mehr als 60 nm/min mit einem Verhältniss der Ar/SF6 Gasflüssen von 10/10 sccm und Fotolack als Ätzmasken erzielt. Eine Ätzrate von 80 bis 90 nm/min wurde erreicht, hier diente ITO als Ätzmaske. Ausgezeichnete geätzte Profile wurden durch den Ätzprozess unter Verwendung von 500 W ICP/300 W RF-Leistung und Ar/SF6 Gasflüsse von 20/10 sccm erreicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die Realisierung eines breiten Spektralbereichs der Filter-Arrays im Nano-Spektrometer.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

The diversity of postharvest losses in cassava value chains in selected developing countries

The extent of physical and economic postharvest losses at different stages of cassava value chains has been estimated in four countries that differ considerably in the way cassava is cultivated, processed and consumed and in the relationships and linkages among the value chain actors. Ghana incurs by far the highest losses because a high proportion of roots reach the consumers in the fresh form. Most losses occur at the last stage of the value chain. In Nigeria and Vietnam processors incur most of the losses while in Thailand most losses occur during harvesting. Poorer countries incur higher losses despite their capacity to absorb sub-standard products (therefore transforming part of the physical losses into economic losses) and less strict buyer standards. In monetary terms the impact of losses is particularly severe in Ghana and estimated at about half a billion US dollar per annum while in the other countries it is at the most about USD 50 million. This comparison shows that there are no “one-size-fits-all" solutions for addressing postharvest losses but rather these must be tailor-made to the specific characteristics of the different value chains.

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.