Sustainable water management practices for cultivation of bioenergy crops requires a sound understanding of how the different components of the soil-vegetation-atmosphere continuum influence water fluxes at stand scale. In addition, depth to groundwater can influence water accessibility to plants and could potentially determine tree water-use. This dissertation assesses how the meteorological factors and soil hydrological site parameters influence the magnitude of transpiration along a groundwater accessibility gradient in the floodplains of the Morava river, in Slovakia. Specifically, this study examines the influence of the soil texture, soil moisture, and matric potential and the meteorological variables in the transpiration of poplar short rotation coppices stands (Populus spp.) established on loamy sands textured soils, across three sites with high groundwater level, low groundwater level and fluctuating groundwater level. The study was conducted throughout 90 days during two monitoring periods, 2019 and 2021.
The first analysis (Section 3.1) examines the meteorological and soil water conditions in combination with the sapflow and transpiration dynamics, between July 3 and September 30, 2019. This study found significant differences in tree and stand transpiration among the study sites. The site with higher groundwater accessibility and the site with fluctuating groundwater level presented larger transpiration rates mainly determined by optimal meteorological conditions, soil water availability and access to groundwater. Contrasting findings were obtained during the analysis of the monitoring period 2021, carried out between July 3 and September 30, 2021. In the monitoring period 2021 (Section 3.5), the sites with fluctuating groundwater level and low groundwater level indicated statistically higher transpiration rates than the site with higher accessibility to groundwater. This research found that the higher transpiration rates may be attributable to soil moisture and accessibility to groundwater. By contrast, the adverse meteorological conditions limited the magnitude of transpiration at the site with higher groundwater level.
The examination of the soil physical properties, specifically soil texture and its influence on soil water retention capacity is analyzed on Sections 3.3.2 and 3.8.1. This research found that the sandy texture of the soils in the study area favored a rapid water infiltration at greater soil depths. The accumulation of water at deeper layers may have served as supply for the planted trees. While this characteristic was critical for the site with lower groundwater level, a greater proportion of silt and clay particles on the site with high groundwater level and fluctuating groundwater level were key for improving the soil water retention capacity. The results of this assessment highlight that soil physical properties are critical for water availability for tree water uptake.
This research discusses that for reducing the uncertainty in upscaling transpiration from tree to stand level, the determination of water conducting area in poplar trees is critical. Nevertheless, additional uncertainty is brought by the spatial variability of soil physical and hydrological properties. Therefore, this research concludes that upscaling transpiration from tree to larger scales should include not only biometric tree and stand characteristics but it should consider soil spatial properties and their influence on water availability for plants.
The overall findings of the dissertation conducted in sandy soils across sites with different groundwater accessibility demonstrated that soil site related factors, namely soil water availability and groundwater accessibility, are critical for tree transpiration and potentially growth at the study sites. Furthermore, a combined assessment of meteorological, soil and groundwater conditions is crucial for the determination of transpiration at larger scales and for the implementation of sustainable bioenergy plantations.:Table of Contents
1. Introduction 1
1.1. Motivation 1
1.1.1. Plant Transpiration is a Critical Flux within the Hydrologic Cycle 1
1.1.2. Main Factors Influencing Transpiration 1
1.2. Research Background 2
1.2.1. Overview of Methods for Estimating Plant Transpiration 2
1.2.2. Methods for Upscaling Plant Transpiration to Stand Transpiration 7
1.2.3. Water Use of Poplar as Short Rotation Coppices 7
1.3. Scope of the work 12
1.3.1. Aim of the Doctoral Thesis 12
1.3.2. Research Hypotheses 13
1.4. Structure of the Thesis 14
2. Materials and Methods 16
2.1. Study Area 16
2.2. Selection of the Experimental Sites 18
2.3. Instrumentation and Continuous Measurements 20
2.3.1. Overview of the Monitoring Periods 2019 and 2021 20
2.3.2. Soil Monitoring 21
2.3.3. Weather Station 23
2.3.4. Sap Flow Measurements with the Heat Ratio Method (HRM) 23
2.3.5. Estimation of Water Conducting Area 28
2.3.6. Estimation of the Leaf Area Index from Sentinel images 30
2.4. Upscaling Method from Sensor to Tree 30
2.5. Data and Statistical Analysis 31
2.5.1. Statistical Analyses 31
2.6. Upscaling Method from Tree to Stand Scale 32
3. Results 33
3.1. Meteorological and Groundwater Conditions for the Monitoring Period July to September 2019 33
3.1.1. Meteorological Conditions 33
3.1.2. Groundwater Conditions 34
3.2. Tree-based Transpiration 35
3.3. Tree Water Use in Relation to Meteorological and Soil Physical and Soil Hydrological Properties – Monitoring Period 2019 40
3.3.1. Site S5-N (higher groundwater level) 40
3.3.2. Site S4-D (low groundwater level) 42
3.3.3. Site S2-F (fluctuating groundwater level) 45
3.4. Principal Component Analysis for Monitoring Period 2019 46
3.4.1. Water Use in Relation to Soil Moisture for the Monitoring Period 2019 50
3.4.2. Quantification of Transpiration at Stand Scale for the Monitoring Period 2019 54
3.5. Meteorological and Groundwater Conditions for the Monitoring Period July to September 2021 56
3.5.1. Meteorological Conditions 56
3.5.2. Groundwater Conditions 56
3.6. Tree-based Transpiration 58
3.7. Tree Water Use in Relation to Meteorological and Soil Physical and Soil Hydrological Properties – Monitoring Period 2021 62
3.7.1. Site S5-N (higher groundwater level) 62
3.7.2. Site S4-D (low groundwater level) 65
3.7.3. Site S2-F (fluctuating groundwater level) 66
3.8. Principal Component Analysis for Monitoring Period 2021 69
3.8.1. Water Use in Relation to Soil Moisture for the Monitoring Period 2021 71
3.8.2. Quantification of Transpiration at Stand Scale for the Monitoring Period 2021 72
4. Discussion 74
5. Synthesis and Future Perspectives 79
5.1. Tree Water Use in Relation to Soil and Meteorological Drivers 79
5.2. Scaling-up tree transpiration to stand level based on sapflow methods 80
5.3. Research Perspectives 81
5.4. Final Remarks 82
6. References 84
7. Appendix 96 / Nachhaltige Wassermanagementpraktiken für den Anbau von Bioenergiepflanzen erfordern ein fundiertes Verständnis dafür, wie die verschiedenen Komponenten des Kontinuums Boden-Vegetation-Atmosphäre die Wasserflüsse auf Bestandsebene beeinflussen. Darüber hinaus kann die Tiefe des Grundwassers die Wasserverfügbarkeit für Pflanzen beeinflussen und möglicherweise den Wasserverbrauch der Bäume bestimmen. In dieser Dissertation wird untersucht, wie meteorologische Faktoren und bodenhydrologische Standortparameter das Ausmaß der Transpiration entlang eines Grundwasserzugangsgradienten in den Auen des Flusses Morava in der Slowakei beeinflussen. Konkret wird in dieser Studie der Einfluss der Bodentextur, der Bodenfeuchte und des Matrixpotenzials sowie der meteorologischen Variablen auf die Transpiration von Pappel-Kurzumtriebsplantagen (Populus spp.) auf lehmigen Sandböden an drei Standorten mit hohem, niedrigem und schwankendem Grundwasserspiegel untersucht. Die Studie wurde über einen Zeitraum von 90 Tagen in zwei Beobachtungszeiträumen (2019 und 2021) durchgeführt.
Die erste Analyse (Abschnitt 3.1) untersucht die meteorologischen und Bodenwasser-bedingungen in Kombination mit der Saftfluss- und Transpirationsdynamik zwischen dem 3. Juli und dem 30. September 2019. Diese Studie ergab signifikante Unterschiede in der Transpiration von Bäumen und Beständen an den Untersuchungsstandorten. Der Standort mit höherer Grundwasserverfügbarkeit und der Standort mit schwankendem Grundwasserspiegel wiesen größere Transpirationsraten auf, die hauptsächlich durch optimale meteorologische Bedingungen, Bodenwasserverfügbarkeit und Grundwasserzugang bestimmt wurden. Bei der Analyse des Überwachungszeitraums 2021, der zwischen dem 3. Juli und dem 30. September 2021 durchgeführt wurde, wurden gegensätzliche Ergebnisse erzielt. Im Beobachtungszeitraum 2021 (Abschnitt 3.5) wiesen die Standorte mit schwankendem Grundwasserspiegel und niedrigem Grundwasserspiegel statistisch höhere Transpirationsraten auf als die Standorte mit besserer Grundwasserverfügbarkeit. Diese Untersuchung ergab, dass die höheren Transpirationsraten auf die Bodenfeuchtigkeit und die Zugänglichkeit zum Grundwasser zurückzuführen sein könnten. Im Gegensatz dazu begrenzten die ungünstigen meteorologischen Bedingungen das Ausmaß der Transpiration am Standort mit höherem Grundwasserspiegel.
Die Untersuchung der physikalischen Bodeneigenschaften, insbesondere der Bodentextur und ihres Einflusses auf das Wasserrückhaltevermögen des Bodens, wird in den Abschnitten 3.3.2 und 3.8.1 analysiert. Die Untersuchung ergab, dass die sandige Textur der Böden im Untersuchungsgebiet eine schnelle Wasserinfiltration in größeren Bodentiefen begünstigt. Die Ansammlung von Wasser in tieferen Schichten diente möglicherweise der Versorgung der gepflanzten Bäume. Während diese Eigenschaft für den Standort mit niedrigem Grundwasserspiegel entscheidend war, war ein größerer Anteil an Schluff- und Tonpartikeln auf dem Standort mit hohem Grundwasserspiegel und schwankendem Grundwasserspiegel der Schlüssel zur Verbesserung der Wasserrückhaltekapazität des Bodens. Die Ergebnisse dieser Bewertung zeigen, dass die physikalischen Eigenschaften des Bodens für die Wasserverfügbarkeit für die Wasseraufnahme der Bäume entscheidend sind.
In dieser Forschungsarbeit wird erörtert, dass die Bestimmung der wasserführenden Fläche in Pappelbäumen von entscheidender Bedeutung ist, um die Unsicherheit bei der Hochskalierung der Transpiration vom Baum auf die Bestandsebene zu verringern. Zusätzliche Unsicherheiten ergeben sich jedoch aus der räumlichen Variabilität der physikalischen und hydrologischen Eigenschaften des Bodens. Daher kommt diese Forschungsarbeit zu dem Schluss, dass bei der Hochskalierung der Transpiration von Bäumen auf größere Maßstäbe nicht nur biometrische Baum- und Bestandsmerkmale berücksichtigt werden sollten, sondern auch die räumlichen Bodeneigenschaften und ihr Einfluss auf die Wasserverfügbarkeit für Pflanzen.
Die Gesamtergebnisse der Dissertation, die auf Sandböden an Standorten mit unterschiedlicher Grundwasserverfügbarkeit durchgeführt wurde, haben gezeigt, dass bodenbezogene Faktoren, nämlich die Verfügbarkeit von Bodenwasser und die Grundwasserverfügbarkeit, für die Transpiration von Bäumen und möglicherweise auch für deren Wachstum an den Untersuchungsstandorten entscheidend sind. Darüber hinaus ist eine ganzheitliche Bewertung, die meteorologische, Boden- und Grundwasserbedingungen kombiniert, von entscheidender Bedeutung für die Bestimmung der Transpiration in größerem Maßstab und für die Umsetzung nachhaltiger Bioenergie-Plantagen:Table of Contents
1. Introduction 1
1.1. Motivation 1
1.1.1. Plant Transpiration is a Critical Flux within the Hydrologic Cycle 1
1.1.2. Main Factors Influencing Transpiration 1
1.2. Research Background 2
1.2.1. Overview of Methods for Estimating Plant Transpiration 2
1.2.2. Methods for Upscaling Plant Transpiration to Stand Transpiration 7
1.2.3. Water Use of Poplar as Short Rotation Coppices 7
1.3. Scope of the work 12
1.3.1. Aim of the Doctoral Thesis 12
1.3.2. Research Hypotheses 13
1.4. Structure of the Thesis 14
2. Materials and Methods 16
2.1. Study Area 16
2.2. Selection of the Experimental Sites 18
2.3. Instrumentation and Continuous Measurements 20
2.3.1. Overview of the Monitoring Periods 2019 and 2021 20
2.3.2. Soil Monitoring 21
2.3.3. Weather Station 23
2.3.4. Sap Flow Measurements with the Heat Ratio Method (HRM) 23
2.3.5. Estimation of Water Conducting Area 28
2.3.6. Estimation of the Leaf Area Index from Sentinel images 30
2.4. Upscaling Method from Sensor to Tree 30
2.5. Data and Statistical Analysis 31
2.5.1. Statistical Analyses 31
2.6. Upscaling Method from Tree to Stand Scale 32
3. Results 33
3.1. Meteorological and Groundwater Conditions for the Monitoring Period July to September 2019 33
3.1.1. Meteorological Conditions 33
3.1.2. Groundwater Conditions 34
3.2. Tree-based Transpiration 35
3.3. Tree Water Use in Relation to Meteorological and Soil Physical and Soil Hydrological Properties – Monitoring Period 2019 40
3.3.1. Site S5-N (higher groundwater level) 40
3.3.2. Site S4-D (low groundwater level) 42
3.3.3. Site S2-F (fluctuating groundwater level) 45
3.4. Principal Component Analysis for Monitoring Period 2019 46
3.4.1. Water Use in Relation to Soil Moisture for the Monitoring Period 2019 50
3.4.2. Quantification of Transpiration at Stand Scale for the Monitoring Period 2019 54
3.5. Meteorological and Groundwater Conditions for the Monitoring Period July to September 2021 56
3.5.1. Meteorological Conditions 56
3.5.2. Groundwater Conditions 56
3.6. Tree-based Transpiration 58
3.7. Tree Water Use in Relation to Meteorological and Soil Physical and Soil Hydrological Properties – Monitoring Period 2021 62
3.7.1. Site S5-N (higher groundwater level) 62
3.7.2. Site S4-D (low groundwater level) 65
3.7.3. Site S2-F (fluctuating groundwater level) 66
3.8. Principal Component Analysis for Monitoring Period 2021 69
3.8.1. Water Use in Relation to Soil Moisture for the Monitoring Period 2021 71
3.8.2. Quantification of Transpiration at Stand Scale for the Monitoring Period 2021 72
4. Discussion 74
5. Synthesis and Future Perspectives 79
5.1. Tree Water Use in Relation to Soil and Meteorological Drivers 79
5.2. Scaling-up tree transpiration to stand level based on sapflow methods 80
5.3. Research Perspectives 81
5.4. Final Remarks 82
6. References 84
7. Appendix 96
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:92214 |
| Date | 15 July 2024 |
| Creators | Fontenla Razzetto, Gabriela |
| Contributors | Feger, Karl-Heinz, Julich, Stefan, Heil, Bálint, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1007/s12155-022-10445-x, info:eu-repo/grantAgreement/European Union/European Union - Horizon 2020/Grant Agreement No 745874//Dendromass for Europe/D4EU |
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