The presented doctoral thesis “Fly ash impact in forest ecosystems in Northeastern Germany - an assessment and regionalization approach” intends to (a) test if the field assessment of ferrimagnetic susceptibility can be used as cost efficient method to get information on fly ash deposition impacted chemical site properties. (b) develop a regionalization approach to bridge the gap from plot-wise assessed data to spatial management information. The thesis is a follow-up of extensive research activities by the Institute for Soil Science and Site Ecology on industrial deposition in Dübener Heide and Upper Lusatian region which started in the early 1960ies and were intensified from the middle of the 1990ies on. A central topic of these research activities was the assessment of the impact of fly ash deposition on chemical soil properties. A major challenge was to transfer the assessed chemical characteristics from plot to region and to aggregate the measured values to provide an information basis, which can be used for a site potential and risk oriented forest management. This challenge was picked up by the joint research project “ENFORCHANGE” (FKZ 0330634 K, German Federal Ministry of Education and Research). The presented thesis was carried out in the frame of this project during the period 2005 - 2009. The thesis was conceived as cumulative work, which includes ten papers in total. Five articles are published in peer-reviewed journals (ISI listed, 1 paper still in revision), and five are part of books or conference proceedings. • Chapter 1 “Introduction” gives an overview on the motivation, idea and structure of the thesis. • In chapter 2 “Aims and Scope of the presented work” information on the background and frame of the study within the project ENFORCHANGE is given. • Chapter 3 “Background and State of the Art” deals with the history of fly ash deposition in the model region Dübener Heide. • Chapter 4 “Material and Methods” gives information on fly ash and presents the spatial assessment design and the hereon based approaches for up-scaling and correlation of magnetic susceptibility with selected chemical characteristics. • Chapter 5 “Results” presents results of the spatial modeling and linear regression based approach to use ferrimagnetic susceptibility for predicting the contents of selected base cations, selected acid and heavy metal cations and Black Carbon. • Chapter 6 “Discussion and Conclusions” compares the assumptions and findings in the different articles, discusses contradictory findings and open questions and provides a comprehensive evaluation of the outcomes. Final conclusions are drawn and an outlook is given. A key finding of the thesis is that the industrial complex Bitterfeld was the most important source of fly ash deposited in the model region Dübener Heide. The power plant Zschornewitz plays only a minor role contrary to the research hypothesis formulated in ENFORCHANGE. Related to the targets of the thesis, spatial variation of magnetic susceptibility was predicted with high precision by a multiple linear regression model. A slightly differing set of model parameters  according to their explanatory value for three selected depth levels  improved the prediction quality. The selection of the parameters supported understanding the major drivers for magnetic particle deposition, storage, and vertical displacement in the forest soils. Humus layer (depth level 6-10 cm), horizontal distance to Bitterfeld and soil type (Podzol, semi-terrestrial sites) were the most important variables. These variables point to a slowed-down humus dynamic, which causes the accumulation of fly ash in the humus layer. In depth level 11 – 15 cm, variables such as “aspect” gain in importance, which describe the exposure against the major wind direction and thus indicate the probability and of deposition. For the mineral horizon (depth level 21-25 cm), exposition and especially stand properties are most important. The latter gives evidence for the intensity of deposition caused by surface roughness. Therefore, the variables “coniferous” and “mixed” stands were highly relevant for the model. Variable correlations between mass susceptibility and selected base cations, acid cations and heavy metals have been found. When using a linear regression model, a prediction of Ca and Mg and of Mn was possible. The model performance was lower for Fe, Al, Cd and Black Carbon. A possible reason was the use of different plot types: the assessment of magnetic susceptibility and chemical soil properties was well harmonized at the ENFORCHANGE plots considering the sampling material and sampling location. A comparable harmonization could not be achieved at a number of monitoring plots, which were included into the analysis to broaden the data base. Comparing the results from the linear regression model based prediction with the results achieved by multiple regression based spatial modeling lead to the conclusion that the mul¬tiple regression approach is more promising: by using other model parameters such as orographic, climatic or stand parameters together with magnetic susceptibility, the prediction quality of the deposed agents could be improved and small scale variations in nutrient potentials and risks driven by fly ash deposition could be better recognized and made available for forest management decisions. / Die vorgelegte Doktorarbeit “Fly ash impact in forest ecosystems in Northeastern Germany - an assessment and regionalization approach” (Flugascheeinträge in Waldökosysteme in Nordostdeutschland  ein Erfassungs- und Regionalisierungsansatz) verfolgte die Ziele (a) zu testen, ob sich die Erfassung der ferrimagnetischen Suszeptibilität eignet, um kosteneffizient quantitative und / oder qualitative Informationen zu den eingetragenen Flugaschemengen und den in der Folge veränderten bodenchemischen Potenzialen zu erheben (b) zu testen, ob der Indikator „ferrimagnetische Suszeptibilität“ genutzt werden kann, um Informationen über Flugascheeinträge von der punktbezogenen Erfassung auf einen regionalen Maßstab hoch zu skalieren. Grundlage dieser Zielstellungen sind Forschungsarbeiten zu der Frage der langfristigen Wirksamkeit und ökologischen Bedeutung von Industrieexhalationen auf Waldökosysteme, die am Institut bereits in den 1960ziger Jahren begonnen wurden und verstärkt seit Mitte der 1990ziger Jahre fortgeführt wurden. Auf ihrer Basis wurde die Herausforderung eines kostengünstigen und flächenbezogenen Erhebungsansatzes identifiziert und formuliert. Die vorgelegte Arbeit ordnete sich in diese Forschungsarbeiten ein und führte sie im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens ENFORCHANGE ((FKZ: 0330634 K, Bundesministerium für Bildung und Forschung) von 2005 - 2009 fort. Die Doktorarbeit ist als kumulative Arbeit angelegt, im Rahmen derer insgesamt 10 Publikationen zusammengefasst wurden. Davon sind 5 in internationalen Journalen bereits publiziert, akzeptiert oder in einem Fall in Begutachtung; 5 weitere Publikationen wurden ergänzend und auf speziellere Themen bezogen in Proceedings oder Buchbeiträgen publiziert. Die Arbeit gliedert sich in 5 Abschnitte: • Kapitel 1 (Einleitung) gibt einen kurzen Überblick zur Motivation und Struktur der Doktorarbeit. • In Kapitel 2 (Ziele und Rahmen der Arbeit) wird der Arbeitsansatz im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens ENFORCHANGE vorstellt. • Kapitel 3 umfasst eine Auswertung von Veröffentlichungen zur Geschichte und den ökologischen Auswirkungen der Flugascheeinträge am Beispiel der Modellregion Dübener Heide. • In Kapitel 4 wird der methodische Ansatz der Arbeit vorgestellt, der von einem Vortest zur Eignung der Erfassung der magnetischen Suszeptibilität über die Ableitung eines flächigen Erhebungsansatzes bis hin zur Frage der Modellbildung und Korrelation mit chemischen Kenngrößen reicht. • Kapitel 5 beinhaltet die Ergebnisse der räumlichen Modellbildung und der Korrelation der magnetischen Suszeptibilität mit ausgewählten Basen-, Säure- und Schwermetallkationen sowie mit Schwarzem Kohlenstoff. • Kapitel 6 diskutiert, vergleicht und bewertet die Ergebnisse der den Veröffentlichungen zugrunde liegenden Studien und zieht ein abschließendes Resumé. Ein Schlüsselergebnis der vorgelegten Arbeit belegt, dass entgegen der ursprünglichen Arbeitshypothese des Projektverbundes ENFORCHANGE nicht das mehr als 100 Jahre alte Kraftwerk Zschornewitz die wesentliche Quelle für die Flugascheeinträge in der Modellregion Dübener Heide war, sondern der räumlich entfernter gelegene, aber deutlich größere Industriekomplex Bitterfeld. Bezogen auf die Zielsetzung der vorgelegten Arbeit, konnte mithilfe multipler Regressionsverfahren und auf Basis von Feldaufnahmen der ferrimagnetischen Suszeptibilität in einem regelmäßigen Stichprobenraster ein hoch auflösendes räumliches Modell gebildet werden. Unter Berücksichtigung weiterer Modellparameter, die schrittweise hinsichtlich ihres Erklärungswertes ausgewählt wurden, konnten mikrotopographische und vegetationsbedingte Informationen genutzt werden, um die räumliche Variabilität des magnetischen Signals differenziert darzustellen. Damit ergibt sich eine Planungsgrundlage, die die bisher genutzte, auf Waldschadensansprachen basierende Stratifizierung in Zonen unterschiedlicher Eintragsintensität mit Bezug zur Planungseinheit deutlich detaillierter untersetzt. Der Versuch, auf Flugascheeintragsmengen, respektive -vorräte zu schließen ließ sich hingegen auf Basis der verfügbaren Daten nicht umsetzen. Die Korrelationsbeziehungen der von Volumen- in den Massenbezug umgerechneten Suszeptibilität mit Basen-, Säure und Schwermetallkationen sowie Schwarzem Kohlenstoff fielen heterogen aus. Eine gute Vorhersage auf Basis eines linearen Regressionsmodells konnte für Ca, Mg und Mn getroffen werden, wohingegen die Modellqualität für Fe, Al sowie Cd und Schwarzen Kohlenstoff deutlich schlechter zu beurteilen war. Dies ergab sich zum einen aus der verfügbaren Datenbasis, die keine durchgängige Harmonisierung für die Erhebungen der Suszeptibilität und der chemischen Kennwerte erlaubte. Zum anderen geht diese Erkenntnis mit Ergebnissen aus der Regionalisierung einher, die einen Einbezug weiterer Modellparameter und die Nutzung multipler anstelle linearer Regressionsmodelle nahe legt.

Combustion of coal is one of the primary sources of electricity generation worldwide today. Coal contains different chemicals that cause particulate matter(PM) and sulfur dioxide (SO2) emissions. These are health hazards and are responsible for deteriorating the ambient air quality. Particulate matter also forms ash deposits inside the coal combustor, which in turn decreases the energy efficiency of the power plants. Using biomass as a fuel in these utility boilers can potentially reduce the problems of particulate matter emissions and ash deposition, and can significantly reduce the SO2 emissions. However, biomass needs to be pretreated to make its properties similar to coal in terms of energy density, grindability, and durability before it can be fired in utility boilers. Steam explosion is one of the leading biomass pretreatment methods that enhances the physicochemical properties of biomass. A comprehensive review of the steam explosion process, its product properties, its comparison with other treatment processes, as well as its economic analysis and lifecycle assessment, have been explored in this work. Steam-exploded biomass has been co-combusted with bituminous coal in a 1500 kWth combustor to analyze the ash aerosol particle size distribution, composition, and deposition behavior. The primary results of these tests showed that both particulate matter emissions and ash deposition amount reduced significantly as more biomass was co-fired with coal. The submicron-sized particulate matter concentration showed a high correlation with the final mass of ash deposits (R2 > 0.96). Predicting ash deposition rates is important during the combustion of solid fuels. A Machine Learning tool was applied and trained with a fuel composition database of 92 fuels obtained from a thermodynamic equilibrium software (FactSage). When fully operational, this model should be integrated with an existing ash deposition model, which should make it self-sufficient in terms of generating equilibrium composition data. SO2 emissions were analyzed during the co-combustion of biomass and coal, and a synergistic decrease in SO2 emissions was observed with higher biomass blends. Experiments were conducted in a full-scale 471 MWe furnace to analyze the SO2 emissions, and an 85%-15% blend of coal and biomass was responsible for a 28.1% reduction in emissions and 22.1% reduction in the lime slurry utilization in the flue gas desulfurization (FGD) towers compared to pure coal combustion. Ash deposit characterizations by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) combined with thermodynamic equilibrium simulations revealed that calcium and potassium were responsible for this synergistic reduction as these metals captured the SO2 from the flue gases and retained them in the ash phase. The SO2 research was important since the current literature is deficient in research conducted at suspension-fired full-scale utility boilers to reduce SO2 emissions by co-firing coal and biomass blends. The research in this dissertation should provide valuable insights to the energy industries that are considering a transformation of fuel portfolio from coal to biomass and explore how the mineral matter present in pretreated biomass would behave inside a utility boiler. The primary conclusions are that during the co-combustion of coal and biomass, ash deposition mass and particulate matter ash load decreased, and SO2 emission saw a synergistic reduction in emissions due to higher calcium and potassium content in biomass compared to pure coal combustion.

Auf repräsentativen Kippenstandorten des Niederlausitzer Braunkohlenrevieres wurden typische Forstökosysteme der ersten Generation analysiert. Gegenstand der Untersuchung waren mittelalte Bestände (46- bis 70 Jahre) der Rekultivierungsbaumarten Kiefer (n = 22) und Birke (n = 12) sowie 24- bis 45jährige Jungbestände der Baumarten Trauben- (n = 7) und Roteiche (n = 2). Die Roteichenbestände dienten primär vergleichenden Untersuchungen. Für altersspezifische und standortsvergleichende Betrachtungen wurden Ergänzungsbestände auf Kippenstandorten und Vergleichsbestände auf unverritzten Waldstandorten zusätzlich einbezogen. Die untersuchten Erstaufforstungen stocken auf Kippenkomplexen, die klimatisch, hydrologisch und geomorphologisch vergleichbar sind und baumartenweise weitestgehend identischen bodenmeliorativen Maßnahmen sowie waldbaulichen Behandlungsverfahren unterzogen wurden. Ziel der Untersuchung war die Qualifizierung der Wechselwirkungen zwischen Kippenstandort und aufstockendem Bestand. Als Leitgrößen für die Wirkung standörtlicher Merkmale auf die Baumarten dienten wachstums- (Leistungsparameter) und ernährungskundliche Kenndaten (Vitalitätsweiser). Quantität und Qualität der Humusauflage sowie die bodengenetische Entwicklung wurden als Indikatoren für die Rückwirkungen der bestandesbildenden Rekultivierungsbaumarten auf den Standort verwendet. Besondere Berücksichtigung fand das lokale Depositionsgeschehen.

Auf repräsentativen Kippenstandorten des Niederlausitzer Braunkohlenrevieres wurden typische Forstökosysteme der ersten Generation analysiert. Gegenstand der Untersuchung waren mittelalte Bestände (46- bis 70 Jahre) der Rekultivierungsbaumarten Kiefer (n = 22) und Birke (n = 12) sowie 24- bis 45jährige Jungbestände der Baumarten Trauben- (n = 7) und Roteiche (n = 2). Die Roteichenbestände dienten primär vergleichenden Untersuchungen. Für altersspezifische und standortsvergleichende Betrachtungen wurden Ergänzungsbestände auf Kippenstandorten und Vergleichsbestände auf unverritzten Waldstandorten zusätzlich einbezogen. Die untersuchten Erstaufforstungen stocken auf Kippenkomplexen, die klimatisch, hydrologisch und geomorphologisch vergleichbar sind und baumartenweise weitestgehend identischen bodenmeliorativen Maßnahmen sowie waldbaulichen Behandlungsverfahren unterzogen wurden. Ziel der Untersuchung war die Qualifizierung der Wechselwirkungen zwischen Kippenstandort und aufstockendem Bestand. Als Leitgrößen für die Wirkung standörtlicher Merkmale auf die Baumarten dienten wachstums- (Leistungsparameter) und ernährungskundliche Kenndaten (Vitalitätsweiser). Quantität und Qualität der Humusauflage sowie die bodengenetische Entwicklung wurden als Indikatoren für die Rückwirkungen der bestandesbildenden Rekultivierungsbaumarten auf den Standort verwendet. Besondere Berücksichtigung fand das lokale Depositionsgeschehen.