Macroscopic Root Water Uptake Distribution Using a Matric Flux Potential Approach

Abstract

Hydrological models featuring root water uptake usually do not include compensation mechanisms such that reductions in uptake from dry layers are compensated by an increase in uptake from wetter layers. We developed a physically based root water uptake model with an implicit compensation mechanism. Based on an expression for the matric flux potential (M) as a function of the distance to the root, and assuming a depth‐independent value of M at the root surface, uptake per layer is shown to be a function of layer bulk M, root surface M, and a weighting factor that depends on root length density and root radius. Actual transpiration can be calculated from the sum of layer uptake rates. The proposed reduction function (PRF) was built into the SWAP model, and predictions were compared to those made with the Feddes reduction function (FRF). Simulation results were tested against data from Canada (continuous spring wheat [(Triticum aestivum L.]) and Germany (spring wheat, winter barley [Hordeum vulgare L.], sugarbeet [Beta vulgaris L.], winter wheat rotation). For the Canadian data, the root mean square error of prediction (RMSEP) for water content in the upper soil layers was very similar for FRF and PRF; for the deeper layers, RMSEP was smaller for PRF. For the German data, RMSEP was lower for PRF in the upper layers and was similar for both models in the deeper layers. In conclusion, but dependent on the properties of the data sets available for testing, the incorporation of the new reduction function into SWAP was successful, providing new capabilities for simulating compensated root water uptake without increasing the number of input parameters or degrading model performance.

Avaliação de modelo de extração da água do solo por sistemas radiculares divididos entre camadas de solo com propriedades hidráulicas distintas

“…Na extrapolação de modelos microscópicos da extração radicular, é comum supor que os valores de potencial matricial são semelhantes em toda a superfície radicular (Javaux et al, 2008;Jong van Lier et al, 2008), mas diferenças na relação M h (Figura 5) podem ter levado a desvios. Na figura 7 observa-se, ainda, a estimativa de valores positivos de Δθ pelo modelo com maior frequência e intensidade do que esses valores foram observados.…”

“…O valor de T p é determinado apenas pelas condições atmosféricas e fatores de geometria e resistência do dossel. Sob condições chamadas "limitantes", as plantas fecham os estômatos, aumentando a resistência estomática e reduzindo a taxa de transpiração e fotossintética e o acúmulo de fitomassa (Jong van Lier et al, 2008). Pela correlação que existe entre a taxa de transpiração e a de fotossíntese, quanto maior a acurácia na estimativa da taxa de transpiração, melhor é o desempenho dos modelos de crescimento vegetal e de rendimento agrícola.…”

“…Modelos microscópicos analíticos (Gardner, 1960;Cowan, 1965) e numéricos (Jong van Lier et al, 2006) descrevem o fluxo radial em direção a raízes individuais, enquanto modelos macroscópicos (Gardner, 1964;Molz & Remson, 1970;Molz, 1981;Clausnitzer & Hopmans, 1994;Jong van Lier et al, 2008) consideram o sistema radicular como um todo, desconsiderando a geometria e extração da água do solo das raízes individuais.…”

“…Com base em um modelo microscópico de extração radicular, Jong van Lier et al (2008) propuseram um protocolo de cálculo para modelar a extração de água por um sistema radicular, levando em consideração as características hidráulicas das camadas, sua densidade radicular e seu teor de água. O método de cálculo inclui uma descrição física do processo de compensação, que foi incorporado no modelo hidrológico SWAP (Kroes & van Dam, 2003) e mostrou-se promissor quando comparado com dados de experimentos de longa duração.…”

Benchmarking test of empirical root water uptake models

“…The common modelling approach introduced by Gardner (1960), referred to as microscopic or mesoscopic (Raats, 2007), is not readily applicable to practical problems due to the difficulty in describing the complex geometrical and operational function of the root system and its complex interactions with soil (Passioura, 1988). However, it gives insight into the process and allows development of upscaled physical macroscopic models (De Willigen and van Noordwijk, 1987;Heinen, 2001;Raats, 2007;De Jong van Lier et al, 2008.…”