Dokument: The spatial distribution of root water uptake rates in drying soils

Titel:	The spatial distribution of root water uptake rates in drying soils
Weiterer Titel:	Die räumliche Verteilung von Wasseraufnahmeraten der Wurzel in trocknenden Böden
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=64380
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20231212-112349-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Müllers, Yannik [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 16,71 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.12.2023 / geändert 11.12.2023
Beitragende:	Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter]
Stichwörter:	root water uptake, hydraulic conductance, drought, plant water potential, soil water profiler, MRI, maize, faba bean, stomatal conductance, transpiration
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Es gibt immer mehr Belege dafür, dass Veränderungen der hydraulischen Eigenschaften unterhalb des Bodens entscheidend für das Ausmaß des Wasserstresses der Pflanzen bei einem bestimmten Wasserdefizit im Boden sind. Dieser Zusammenhang hängt jedoch stark von der räumlichen Verteilung der hydraulischen Leitfähigkeit der Wurzeln im Verhältnis zu den verbleibenden Wasserressourcen ab. Da diese Verteilungen aufgrund der Beschränkungen bestehender Messtechnologien weitgehend unbekannt sind, fehlt eine Verbindung zwischen Bodentrocknung und dem daraus resultierenden Wasserstress der Pflanzen. Eine neuartige Möglichkeit, dieses Problem anzugehen, bietet ein kürzlich entwickelter hochpräziser Bodenwassersensor, der so genannte Bodenwasserprofiler (SWaP). Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen, wie sich die Bodentrocknung auf die hydraulische Leitfähigkeit des Wurzelsystems, seine räumliche Verteilung im Verhältnis zu den verbleibenden Bodenwasserressourcen und die sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Regulierung des Wasserflusses im Spross auswirkt, indem ein Versuchsaufbau erstellt wurde, der den SWaP mit hydraulischen Messungen am Spross und Bildgebung des Wurzelsystems kombiniert. Zunächst habe ich gemessen, inwieweit Wurzellängenverteilungen die Wasseraufnahmeprofile in gut bewässerten Böden bestimmen. Anschließend analysierte ich die Auswirkungen der Bodentrocknung auf den Gesamtleitwert des Wurzelsystems und dessen Wechselwirkung mit der Regulation der Stomata. Schließlich untersuchte ich, wie sich Änderungen des Wurzelleitwerts über die Tiefe verteilen und wie sich dies auf den Gesamtwasserhaushalt der Pflanze auswirkt. In gut bewässerten Böden waren die oberflächlichen Wurzeln nicht nur zahlreicher, sondern hatten auch eine höhere intrinsische Leitfähigkeit als die tieferen Wurzeln. Folglich wurde das Wasser weitgehend aus den oberen Bodenschichten aufgenommen. Wenn die Bewässerung eingeschränkt wurde, führte dies zu einem verstärkten vertikalen Gradienten des Bodenwasserpotenzials mit relativ trockeneren Schichten im oberen Bereich und relativ feuchteren Schichten im unteren Bereich. Bei einem lokalen Bodenwasserpotenzial, weit entfernt vom permanenten Welkepunkt, nahm der Leitwert der Wurzeln in den oberen 10 cm exponentiell ab, was der Hauptgrund für den Wasserstress der Pflanzen in Form eines verringerten Pflanzenwasserpotenzials und der Schließung der Stomata war. Mais mit einer geringeren exponentiellen Abnahmerate konnte im Vergleich zur Ackerbohne einen höheren stomatären Leitwert beibehalten. Dies war teilweise auf eine lokale Erhöhung der Wurzelleitfähigkeit in tieferen, relativ feuchten Bodenschichten bei Mais, nicht aber bei Ackerbohne zurückzuführen. Folglich konnte Mais den Wasserstress durch eine erleichterte Wasseraufnahme aus der Tiefe abmildern, was die Wasserbilanz insgesamt erheblich verbesserte. Die in dieser Arbeit vorgestellte Analyse unterstreicht, dass Veränderungen der Wurzelleitfähigkeit die wichtigsten Faktoren sind, die den Wasserhaushalt der Pflanzen bei Trockenheit bestimmen. Die Pflanzen können den Wasserstress verringern, indem sie die Verteilung der Wurzelleitfähigkeit an den vertikalen Wassergradienten im Boden anpassen. There is growing evidence that changes in below-ground hydraulic traits are crucial determinants of the extent of plant water stress at a given soil water deficit. However, this relation heavily depends on the spatial distribution of root hydraulic conductance relatively to remaining water resources. Since these distributions are largely unknown due to limitations of existing measurement technologies, there is a missing link between soil drying and the resulting plant water stress. Novel opportunity to address this issue is provided by a recently developed highly precise soil water sensor, called soil water profiler (SWaP). By establishing an experimental design combining the SWaP with shoot hydraulic measurements and root system imaging, the aim of the present thesis was to analyze how soil drying affects the hydraulic conductance of the root system, its spatial distribution relatively to remaining soil water resources, and the resulting consequences for water flow regulation in the shoot. I started with measuring to what extent root length distributions determine water uptake profiles in well-watered soil. Then, I analyzed the effect of soil drying on the total conductance of the root system and its interaction with stomatal regulation. Lastly, I investigated how changes in root conductance were distributed over depth and how this affected the overall plant water balance. In well-watered soil, shallow roots not only were more abundant but also had a greater intrinsic conductivity than deeper roots. Consequently, water was largely taken up from upper soil layers. When irrigation was restricted, this resulted in an enhanced vertical gradient in soil water potential with relatively drier layers in the top and relatively wetter layers in the bottom. At a local soil water potential, far from the permanent wilting point, the conductance of roots in the top 10 cm declined exponentially which was the primary reason for plant water stress in form of a reduced plant water potential and stomatal closure. Maize, with a lower exponential decline rate, could maintain higher stomatal conductance compared to faba bean. This was partly due to local increases in root conductance in deeper, relatively wet soil layers in maize, but not in faba bean. Consequently, maize could mitigate water stress by a facilitated deep-water uptake which considerably improved the overall water balance. The analysis presented in this thesis emphasizes that alterations of the root conductance are the principal factors determining the plant water balance under drought. Plants can reduce water stress by adjusting the distribution of root conductance to the vertical soil water gradient.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Ökologische Pflanzenphysiologie
Dokument erstellt am:	12.12.2023
Dateien geändert am:	12.12.2023
Promotionsantrag am:	26.01.2023
Datum der Promotion:	28.11.2023