Water dynamics in the rhizosphere
How mucilage affects water flow in soils
by Eva Kröner
Date of Examination:2016-02-10
Date of issue:2016-03-10
Advisor:Dr. Andrea Carminati
Referee:Dr. Andrea Carminati
Referee:Dr. Hannes Flühler
Referee:Dr. Marco Bittelli
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-5557
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Abstract
English
The flow of water from soil to plant roots is affected by the narrow region of soil close to the roots, the so-called rhizosphere. The rhizosphere is influenced by mucilage, a polymeric gel exuded by roots that alters the hydraulic properties of the rhizosphere. When in contact with water mucilage can hold large volumes of water but when dry it turns hydrophobic. Here we focus on the effect of mucilage on soil hydaulic properties. At first we present experimental and numerical studies describing the rewetting dynamics of dry rhizosphere. Below a certain concentration of mucilage water could flow across the rhizosphere layer, above this concentration the layer turned water repellent. We present an analytical estimation of mucilage concentration at percolation threshold as function of mean soil particle size and bulk soil water potential after irrigation. The estimation was validated with capillary rise experiments. We developed an effective model describing how mucilage alters soil hydraulic functions, namely (a) swelling and shrinking dynamics of mucilage result in non-equilibrium dynamics between water potential and water content, (b) the presence of mucilage in gel reduces the water potential at a given water content and (c) mucilage is viscous and reduces the soil hydraulic conductivity at a given water content. In experiments on soil-mucilage mixtures we tested the model and we applied it to simulate observations of past experiments with real plants that show evidences of altered hydraulic dynamics in the rhizosphere. Attached to this thesis are two studies on heat dissipation from underground electrical power cables. Here hydraulic dynamics similar to those of water flow towards a single root can occur.
Keywords: Root water uptake; Heat dissipation from underground cables; Coupled water, vapour and heat flow; Soil hydraulic properties affected by mucilage; Hydraulic dynamics in the rhizosphere
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Die Wurzelwasseraufnahme aus dem Boden wird durch die Rhizosphäre beeinflusst. Die Rhizosphäre ist eine dünne Bodenschicht, die sich um Wurzeln herum bildet. Die Rhizosphäre wird durch Mucilage beeinflusst. Mucilage ist ein polymeres Gel, was von Wurzeln abgesondert wird und vor allem die hydraulischen Eigenschaften der Rhizosphäre verändert. Wenn es im Kontakt mit Wasser ist, kann Mucilage große Mengen an Wasser aufnehmen, aber wenn es trocken ist, wird seine Oberfläche hydrophob.
Hier konzentrieren wir uns auf den Effekt von Mucilage auf die hydraulischen Eigenschaften des Bodens. Zunächst präsentieren wir experimentelle und numerische Studien, die die hydraulischen Prozesse in der Rhizosphäre nach der Bewässerung von trockenem Boden beschreiben. Bei Mucilagekonzentrationen, die niedriger als ein gewisser Schwellwert waren, konnte Wasser durch die Rhizosphärenschicht fließen, über dieser Konzentration wurde die Schicht wasserundurchlässig während der ersten Minuten bis zu Stunden nach Bewässerung. Wir präsentieren eine analytische Abschätzung der Mucilagekonzentration an der Perkolationsschwelle als Funktion von mittlerer Teilchengröße und Bodenwasserpotential nach Bewässerung. Die Abschätzung wurde an Hand von Experimenten des kapillaren Aufstiegs in Bodensäulen validiert.
Wir entwickelten ein effektives Model um zu beschreiben, wir Mucilage die hydraulischen Funktionen des Bodens verändert: (a) Quell- und Trocknungsprozesse von Mucilage resultieren in Nicht-Gleichgewichtsdynamiken zwischen Wassergehalt und Wasserpotential, (b) die Präsenz von Mucilage im Boden reduziert das Wasserpotential bei einem gegebenen Wassergehalt und (c) Mucilage ist viskos und reduziert dadurch die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens bei einem gegebenen Wassergehalt.
In Experimenten mit Boden-Mucilage-Mischungen testeten wir das Model und wandten es an, um Beobachtungen von früheren Experimenten mit echten Pflanzen zu simulieren, die veränderte hydraulische Dynamiken in der Rhizophäre zeigen.
Im Anhang dieser Arbeit sind zwei Studien zur Wärmeausbreitung von Erdkabeln. Hier können hydraulische Dynamiken autreten, die dem radialen Wasserfluss zu einer einzelnen Wurzel ähneln.