Root water uptake - exploring the role of root system architecture and root-soil interactions with X-ray computed tomography

Abstract

Die Wasseraufnahme von Pflanzenwurzeln wird durch die Wurzelarchitektur, dieVerteilung von Wurzeln im Boden, bestimmt. Die vorliegende Arbeit präsentiert neue Erkenntnisse über die Quantifizierung der Wurzelarchitektur mit Hilfe von Röntgen-Computertomographie(CT). Die Kombination von klassischen Gefäßexperimenten, CT Bildgebung und numerischer Modellierung ermöglicht die Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Dynamik des Wasserhaushalts von Boden und Pflanze. Numerische Simulationen der Wasseraufnahme virtueller Wurzelsysteme, die auf CT Daten basieren, können die experimentell gemessene Dynamik des Bodenmatrixpotentials erfolgreich wiedergeben. Die Wurzelwasseraufnahme kann dabei nicht mit der gemessenen Veränderung des lokalen Wassergehalts gleichgesetzt werden, da es signifikante hydraulische Umverteilung im Boden gibt. Es wird gezeigt, dass die Heterogenität der Bodenfeuchte einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung des simulierten Pflanzenwasserpotentials hat. Eine bedeutende Folge von Trockenstress ist die Schrumpfung der Wurzeln und die Abnahme des Kontaktes zwischen Boden und Wurzel.

Water uptake by plant roots is determined by root system architecture, the distribution of roots in soil. This thesis presents novel insights into the quantification of root system architecture with X-ray computed tomography (CT). The combination of classic pot experiments, CT imaging and numerical modelling enables the investigation of the spatial and temporal hydrodynamics of soil and plants. Numerical simulations of water uptake by virtual root systems based on CT data can successfully reproduce the experimentally measured dynamics of soil matric potential. Root water uptake must not be equated with the measured change of local water content because there is significant hydraulic redistribution within the soil. It is shown that the heterogeneity of soil moisture content has a strong impact on the development of the simulated plant water potential. An important consequence of drought stress is the shrinkage of roots and the reduction of contact between roots and soil.