Water dynamics in the rhizosphere

Abstract

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.