Masterarbeit

Effects of soil heterogeneity on root water uptake under drying conditions and varying transpiration rates

Betreuer: Andrea Carminati, Mohsen Zare

Der Wasserfluss in Böden ist in vielen Bereichen heterogen. In einem gegebenen repräsentativen Elementarvolumen können diese Heterogenitäten durch eine effektive hydraulische Leitfähigkeit beschrieben werden. Übliche Wurzelwasseraufnahmemodelle stützen sich im Allgemeinen auf diese repräsentative hydraulische Leitfähigkeit und gehen davon aus, dass die hydraulische Leitfähigkeit des Bodenzylinders um die Wurzeln derjenigen entspricht, die in Bodenproben gemessen wird, die repräsentativ für den Boden sind. Hier argumentieren wir, dass diese effektive Leitfähigkeit sich aus hydrologischen und biologischen Gründen von derjenigen unterscheidet, die die Wurzelwasseraufnahme steuert.

Der Wasserfluss in Böden ist in vielen Bereichen heterogen. In einem gegebenen repräsentativen Elementarvolumen können diese Heterogenitäten durch eine effektive hydraulische Leitfähigkeit beschrieben werden. Übliche Wurzelwasseraufnahmemodelle stützen sich im Allgemeinen auf diese repräsentative hydraulische Leitfähigkeit und gehen davon aus, dass die hydraulische Leitfähigkeit des Bodenzylinders um die Wurzeln derjenigen entspricht, die in Bodenproben gemessen wird, die repräsentativ für den Boden sind. Hier argumentieren wir, dass diese effektive Leitfähigkeit sich aus hydrologischen und biologischen Gründen von derjenigen unterscheidet, die die Wurzelwasseraufnahme steuert:

1) Wenn beim Trocknen von Boden die hydraulische Leitfähigkeit begrenzt wird, entziehen die Wurzeln Wasser aus den leitfähigsten Zonen, in denen die Flüsse am höchsten sind die meiste rasche Erschöpfung tritt auf. Daher kann für vorübergehende Strömungsbedingungen, die für die Wurzelwasseraufnahme typisch sind, die entstehende Relation zwischen Strömung und Gradient im Wasserpotential nicht unter Verwendung einer einzigen effektiven Leitfähigkeit richtig dargestellt werden.

2) Wurzeln kontrollieren ihren hydraulischen Kontakt mit dem Boden über Wurzelhaare, Schleimhaut und Wasserpflanzung (das bevorzugte Wachstum von Wurzeln in Regionen, in denen Wasser leichter verfügbar ist), wodurch sich ihre Fähigkeit ändert, Wasser aus dem Boden zu extrahieren.

Wir schlagen ein Modell mit zwei unterschiedlichen konzentrischen Kompartimenten vor, um den radialen Wasserfluss vom Boden zur Wurzeloberfläche zu beschreiben. Die zwei Kompartimente umfassen eine hochleitfähige Domäne in der Nähe der Wurzel, die den am meisten leitfähigen Zonen entspricht, in denen Wasser entnommen wird, und eine distale Domäne mit einer hydraulischen Leitfähigkeit, die der des Bodens entspricht. Der radiale Fluss wird durch den Anteil der Wurzeloberfläche geteilt, der in Kontakt mit stark leitfähigen Zonen steht. Verglichen mit einem homogenen Modell mit einem einzigen Kompartiment kann der Wasserdurchfluss im Zwei-Kompartiment-Modell die Wurzelwasseraufnahme bei höheren Transpirationsraten aufrechterhalten, selbst wenn die mit dem Boden in Kontakt stehende Wurzeloberfläche stark reduziert ist. Die Kosten sind jedoch, dass diese stark leitfähigen Zonen, sobald sie aufgebraucht sind, nur langsam wieder benetzt werden. Dies führt zu einer scheinbaren Hysterese im Verhältnis zwischen Wurzelwasserpotential und Wurzelwasseraufnahme während der täglichen Zyklen der Transpirationsrate. Das Modell kann die Veränderung des Wurzel-Boden-Kontakts aufgrund von Wurzelhaaren, Mucilage und Hydrotropismus einschließen.

Das vorgeschlagene Modell hinterfragt bestehende Modelle des Wasserflusses in Böden und wirft ein neues Licht auf die rätselhafte Hysterese, die seit langem im Zusammenhang zwischen Transpiration und Blattwasserpotenzial beobachtet wird.