The impact of soil water distribution on root development and root water uptake of winter wheat

Abstract

Root water uptake (RWU) is a key process in the root zone that determines water movement from the soil into roots and transport to the atmosphere via plant leaves. Different RWU models were developed with different assumptions and parameters but the description of this process and its parameterization remain challenging in soil hydrology. Due to the difficulty to obtain root development and soil states in undisturbed soils, dynamic root distributions and a physically based concept to describe water uptake from soil profiles with vertical variations in soil water availability are often not taken into consideration. The simulated RWU is rarely evaluated by measured transpiration for field conditions. This study aims at 1) introducing two minirhizotron (MR) facilities that were installed in two types of soils with different water treatments for monitoring dynamics of root and soil moisture in situ, 2) parameterizing RWU models that use different concepts and investigating the difference in RWU patterns and possible links, 3) exploring the effect of soil water availability on root development and RWU that were estimated by different RWU models, and evaluating the estimated RWU by measured transpiration. Winter wheat was considered in this study. <br /> Two MR facilities were constructed in two different soils (stony vs. silty) to monitor root growth and root zone processes. Each facility was established with three subplots: sheltered, rainfed, and irrigated. Root dynamics were observed in 7-m-long rhizotubes that were installed horizontally at 10, 20, 40, 60, 80, and 120 cm depth. Time domain reflectometer (TDR) probes, tensiometers, and matrix potential sensors were installed at those six depths to measure soil water content and water potential. The measurements served as input for inversely estimating soil and root-system related parameters of three RWU models: Feddes (without compensation), Feddes-Jarvis (with compensation, FJ), and Couvreur (physically based model with compensation that have been implemented in Hydrus-1D, C). Sap flow was monitored in each plot of the two soils. <br /> Measurements in the rhizotron facilities demonstrated that soil water content, root density, and crop biomass of winter wheat were higher in the silty than in the stony soil, in which plant and root growth were obviously affected by water treatments and soil types. Using the data from the sheltered plot of the stony soil, the three models predicted soil moisture equally well and the soil hydraulic parameters optimized by the models with compensation were comparable. The obtained RWU parameters of the FJ model and root hydraulic parameters for winter wheat were consistent with data reported in the literature. The FJ and C models simulated similar root-system scale stress functions that link total RWU to the effective root zone water potential. The root-system related parameters of the C model could be constrained but not those of the FJ model. When broadening the model parameterization and simulations to different soils and water treatments, the soil hydraulic parameters could be well identified by the FJ and C models. Patterns of crop and root development differed in the plots of the two soils, which resulted in different RWU due to different soil water availability. The FJ and C models simulated similar RWU which was the lowest in the sheltered plot of the stony soil where RWU was also lower than the potential RWU. In the silty soil, RWU was equal to the potential uptake for all treatments. The C model predicted the ratios of the transpiration fluxes in the two soils slightly better than the FJ model. The variation of simulated RWU between the different plots agreed well with measured sap flow but with a constant offset which needs further study.

<strong>Der Einfluss der Bodenwasserverteilung auf die Entwicklung und die Wasseraufnahme der Wurzeln von Winterweizen</strong><br /> Die Wurzelwasseraufnahme (WWA) kontrolliert den Wassertransport vom Boden über die Pflanze in die Atmosphäre. Verschiedene mathematische Modelle, die sich in ihrer Komplexität und ihren Parameter unterscheiden, erklären die WWA; doch nach wie vor ist die Beschreibung dieses Prozesses eine Herausforderung in der Bodenhydrologie. Die Messung der Wurzelentwicklung im ungestörten Boden ist kompliziert, daher wird die dynamische Verteilung von Wurzeln und deren Wasseraufnahme häufig nicht beachtet. Ferner werden simulierte WWA selten mit Transpirationsmessungen verglichen. Die vorliegende Studie hat zum Ziel 1) zwei Minirhizotron Anlagen (MR) zu beschreiben, welche zur in-situ-Erfassung der dynamischen Wurzelentwicklung in zwei verschiedenen Böden installiert wurden, 2) drei verschiedene Modelle zur WWA zu parametrisieren, um Unterschiede in den Mustern der Wasseraufnahme herauszufinden, 3) den Effekt von Bodenwasserverfügbarkeit auf die Wurzelentwicklung zu untersuchen und die abgeschätzte WWA mit Xylemflussmesswerten zu bewerten. Die Modellansätze und Methoden sind allgemeingültig; in dieser Studie wurde Winterweizen betrachtet. <br /> Die MR Anlagen wurden auf zwei Böden (steinig vs. schluffig) zur Betrachtung des Wurzelwachstums und anderer Prozesse der Wurzelzone konstruiert. Beide Anlagen wurden dreigeteilt: überdacht, beregnet und bewässert. Betrachtungen der Wurzeldynamiken erfolgten in sieben Meter langen Plexiglasröhren, horizontal installiert in 10, 20, 40, 60, 80 und 120 cm Tiefe. In diesen Tiefen wurden auch mittels Sensoren Wasserpotential, Bodenfeuchte und -temperatur gemessen. Diese Daten waren Input für die Schätzung der von Boden- und Wurzelsystem abhängigen Parameter von drei Modellen zur WWA: Feddes (F), Feddes-Jarvis (FJ) und Couvreur (C), implementiert in Hydrus-1D. Die Simulationen wurden mit lokalen Xylemflussmessungen verglichen. Die MR Messungen zeigten, dass Bodenwassergehalt, Wurzeldichte und Pflanzenbiomasse von Winterweizen auf dem schluffigen Boden höher waren als auf dem steinigen. Für den abgedeckten Bereich in der steinigen Anlage prognostizieren die Modelle F, FJ und C die Bodenfeuchte gleich gut und die Modell-optimierten Parameter waren vergleichbar. Die Parameter für die WWA des FJ Models und die wurzelhydrologischen Parameter für den Winterweizen waren übereinstimmend mit Literaturdaten. Mit den Modellen FJ und C konnten vergleichbare Stressfunktionen auf Skala des Wurzelsystems simuliert werden. Die Wurzelsystem-abhängigen Parameter des C Modells wurden belegt, die von FJ nicht. Wenn Modellparametrisierung und Simulationen auf alle Böden und Bewässerungstechniken ausgeweitet wurden, konnten die bodenhydrologischen Parameter gut mit dem FJ und dem C Modell identifiziert werden. Die Muster in der Pflanzen- und Wurzelentwicklung unterschieden sich zwischen den Plots beider Böden, was zu unterschiedlichen WWA Raten bedingt durch verschiedene Bodenwasserverfügbarkeiten führte. Das FJ und das C Modell simulierten ähnliche WWA Raten, welche am niedrigsten für den bedachten Plot im steinigen Boden war, wo die WWA niedriger war als die potentielle WWA. In dem schluffigen Boden waren die WWA Raten gleich der potentiellen WWA in allen drei Plots mit unterschiedlicher Bewässerungstechnik. Das C Modell prognostizierte die Transpirationsflussraten für beide Böden besser als das FJ Modell. Die Variationen der simulierten WWA zwischen den unterschiedlichen Plots stimmten mit den Xylemflussmessungen überein, jedoch benötigt der konstante Zeitabstand zwischen simulierten WWA Raten und Xylemfluss weitere Untersuchungen.