Mechanische modellen voor opname van water via de wortels in zoute gronden.

Voldoende voedsel produceren voor de stijgende wereldbevolking is één van de grootste uitdagingen van de 21ste eeuw. Het verbeteren van managementpraktijken die het gebruik van water, nutriënten en andere grondstoffen in de landbouw optimaliseren, is van vitaal belang om de productie en productiviteit van gewassen te verhogen en tegelijk een gezond milieu te behouden. Simulatiemodellen worden in de landbouw vaak gebruikt als een beslissingsondersteunend instrument, bijvoorbeeld om irrigatie of pesticide toediening te plannen. De meeste modellen beschrijven de processen op de schaal van een veld of gewas maar ontbreken een gedetailleerde procesbeschrijving op een kleinere schaal, de schaal van een individuele plantenwortel. Dit thesis was gericht op het onderzoeken van verschillen tussen omstandigheden op het grensvlak tussen grond en wortel en de bulkgrond en de impact op het transport van twee stoffen: natrium en pesticiden. Enerzijds levert Na+ een belangrijke bijdrage aan het zoutgehalte van de bodem, wat een belangrijke abiotische stressfactor die gewasproductie limiteert, zeker in aride en semi-aride gebieden. Anderzijds is de studie van het transport en de opname van pesticiden door planten cruciaal om het gebruik ervan te beheersen en uitspoeling naar grondwaterlichamen te voorkomen. Hiervoor is gebruik gemaakt van de gekoppelde 3D R-SWMS-ParTrace modellen, die stroming en transport in het bodemprofiel en wortelzone koppelen aan stromings- en transportprocessen naar enkelvoudige wortelsegmenten en met stroming en transport in het gehele wortelstelsel.

Ten eerste werd de accumulatie van Na+ rond enkele wortels en de impact ervan op de opname van wortelwater gemodelleerd. In veronderstelling dat wortels geen Na+ opnemen, accumuleren Na+ die worden getransporteerd met het water dat door de wortels wordt opgenomen aan het worteloppervlak. Deze toename van het Na+ leidt tot een toename in osmotisch potentiaal aan het bodem-worteloppervlak, wat op zijn beurt invloed heeft op de waterpotentiaalgradiënt tussen de wortel en de bodem en mogelijk resulteert in verminderde transpiratie. Simulatieresultaten van scenario’s met één enkele wortel gaven aan dat een grotere opname van wortelwater per eenheid wortellengte leidde tot een grotere Na+-accumulatie en een vroegere start van osmotische stress. Macroscopische parameters verkregen door een macroscopische stressfunctie aan de gesimuleerde gegevens te koppelen, bleken afhankelijk te zijn van de wateropname per eenheid wortellengte. Dit geeft aan dat macroscopische parameters niet constant zijn gedurende een groeiseizoen, zoals gewoonlijk wordt aangenomen. Ten slotte waren de verschillen in osmotische potentialen van de massa en de bodem-worteloppervlak niet alleen afhankelijk van de transpiratiesnelheid, maar ook van de transpiratiesnelheid per eenheid wortellengte. Modellen die bulkconcentraties vertalen naar concentraties op de bodem-worteloppervlak, moeten dus informatie over de dichtheid van de wortellengte opnemen.

In een volgende stap werd de zoutaccumulatie rond wortels als functie van het zoutgehalte en de transpiratievraag bestudeerd in een experimentele opstelling. Tomatenplanten werden opgekweekt in 2D rhizoslides gedurende twee weken. Aan het einde van deze experimentele periode werd de Na+concentratie gemeten op drie afstanden van het worteloppervlak. De R-SWMS-ParTrace modellen werden geparametriseerd volgens de experimentele opzet en gebruikt om de zoutconcentratiegradiënten. Zowel experimentele als gesimuleerde resultaten toonden hogere Na+ concentraties aan het worteloppervlak dan in de bulkgrond. Bij hogere transpiratiesnelheden simuleerde het model grotere Na+ concentraties aan het worteloppervlak dan de metingen. Dit zou erop kunnen wijzen dat wortels Na+ hebben opgenomen en daarmee de aanname van volledige uitsluiting van het model in twijfel trekken. Bovendien voorspelde het model herverdelingsfluxen van water met een laag zoutgehalte naar gebieden met een hoog zoutgehalte.  Deze fluxen leidden tot een vermindering van de Na+ concentratie rond de wortels. Dit geeft aan dat opgeschaalde modellen rekening moeten houden met heterogene distributie van Na+ en de impact ervan op compensatieprocessen.

Tenslotte werd het transport en de passief opname van pesticiden door wortels onderzocht. De R-SWMS-ParTrace-modellen zijn verder ontwikkeld om rekening te houden met diffuus transport van organische neutrale verbindingen door wortelmembranen, aangedreven door concentratiegradiënten tussen de bodem en de wortel en een diffusieve permeabiliteit afhankelijk van de eigenschappen van de wortel en opgeloste stof. Het model werd geparametriseerd volgens een FOCUS scenario dat wordt gebruikt bij de registratie van pesticiden in de EU voor een pesticidetoepassing aan het bodemoppervlak en werd vergeleken met resultaten van het 1D referentiemodel PEARL. Simulatieresultaten met één enkele wortel en advectieve opname, waarbij de hydraulische eigenschappen werden aangepast om overeen te komen met de door PEARL geschatte wateropnameverdelingen van de wortels, leidden tot gelijkaardige pesticideopname als PEARL, wat onze modelimplementatie valideerde. Simulaties met diffusieve opname voorspelden een 3 keer grotere opname van pesticiden dan het advectieve scenario als resultaat van verdunningseffecten die ontstaal door de verticale concentratiegradiënten van pesticiden in de bodem. Wanneer, tenslotte, de opname werd gesimuleerd met een 3D-structuur van het maiswortelsysteem, leidden verschillen in de verdeling van wateropname door de wortel, als gevolg van de wortelsysteem architectuur en de hydraulische eigenschappen van de wortels, tot een 1.25 keer grotere pesticideopname in vergelijking met het scenario met één enkele wortel. Deze studie illustreerde de impact van het in rekening brengen van de heterogene verdeling van opgeloste stoffen en van mechanistische beschrijvingen van de opname van opgeloste stoffen op het transport en de verspreiding van pesticiden in de bodem.