Process-based modeling of root water uptake and plant available water at the field scale

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Melo, Marina Luciana Abrêu de
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11140/tde-09092024-075727/
Resumo: Water transfer processes in the soil-plant-atmosphere continuum can be described by physical principles integrated into modeling frameworks. This thesis aims to enhance the assessment of crop water requirements in agricultural systems by i) evaluating a process-based root water uptake (RWU) model for the simulation of crop growth and water use at the field scale and ii) proposing a novel process-based method to determine plant available water (PAW). Chapter 1 consists of a general introduction to the research. Chapter 2 was dedicated to reviewing the assumptions of soil water balance and RWU models that do not explicitly consider the effect of soil hydraulic properties on crop evapotranspiration. The arguments were illustrated by comparative analyses that evidenced the superiority of process-based models for the simulation of soil water dynamics and water use by different crops. Chapters 3 and 4 are parts of a study aimed at evaluating a process-based modeling framework (the SWAP agro-hydrological model with the RWU function MFlux) to simulate crop transpiration, drought stress, crop growth, soil water dynamics, and soil water balance components for scenarios of soybean and wheat cultivation in a winter-dry climate in southeast Brazil. In Chapter 3, a sensitivity analysis to RWU parameters of the SWAP/MFlux model performed with different methods revealed that the root length density is the most sensitive parameter for drought stress predictions. In Chapter 4, SWAP/MFlux was calibrated and evaluated using data from field experiments of soybean and wheat crops in Piracicaba, São Paulo state, Brazil. Crop parameters were calibrated using observed crop growth variables, such as leaf area index, crop height, and above-ground dry mass. The soil hydraulic parameters and some RWU parameters were optimized by inverse modeling using observed data of soil water content and crop evapotranspiration. After the optimization procedure, there was a good agreement between measured and simulated variables at a daily time step. The chapter also includes long-term simulations of crop yield, water productivity, irrigation amounts, and soil water balance for three water management scenarios, showing that an irrigation criterion based on relative crop evapotranspiration may reduce the irrigation amount and increase the water productivity of irrigation with a slight decrease in crop yield compared to a criterion based on total available water. Chapter 5 introduces a novel process-based approach to determining PAW (the flux-based method, FBM). The proposed FBM explicitly considers soil hydraulic properties, rooting characteristics, and atmospheric water demand. After applying the FBM to several scenarios, its robustness was evidenced, representing an important contribution to vadose zone research. Chapter 6 concludes this thesis with a general discussion and future outlooks.
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spelling Process-based modeling of root water uptake and plant available water at the field scaleModelagem baseada em processos da extração de água pelas raízes e da água disponível às plantas em escala de campoAnálise de sensibilidadeCrop evapotranspirationDisponibilidade de águaEvapotranspiração da culturaInverse modelingIrrigation managementManejo da irrigaçãoModelagem inversaProdutividade de águaPropriedades hidráulicas do soloSensitivity analysisSoil hydraulic propertiesTranspiraçãoTranspirationWater availabilityWater productivityWater transfer processes in the soil-plant-atmosphere continuum can be described by physical principles integrated into modeling frameworks. This thesis aims to enhance the assessment of crop water requirements in agricultural systems by i) evaluating a process-based root water uptake (RWU) model for the simulation of crop growth and water use at the field scale and ii) proposing a novel process-based method to determine plant available water (PAW). Chapter 1 consists of a general introduction to the research. Chapter 2 was dedicated to reviewing the assumptions of soil water balance and RWU models that do not explicitly consider the effect of soil hydraulic properties on crop evapotranspiration. The arguments were illustrated by comparative analyses that evidenced the superiority of process-based models for the simulation of soil water dynamics and water use by different crops. Chapters 3 and 4 are parts of a study aimed at evaluating a process-based modeling framework (the SWAP agro-hydrological model with the RWU function MFlux) to simulate crop transpiration, drought stress, crop growth, soil water dynamics, and soil water balance components for scenarios of soybean and wheat cultivation in a winter-dry climate in southeast Brazil. In Chapter 3, a sensitivity analysis to RWU parameters of the SWAP/MFlux model performed with different methods revealed that the root length density is the most sensitive parameter for drought stress predictions. In Chapter 4, SWAP/MFlux was calibrated and evaluated using data from field experiments of soybean and wheat crops in Piracicaba, São Paulo state, Brazil. Crop parameters were calibrated using observed crop growth variables, such as leaf area index, crop height, and above-ground dry mass. The soil hydraulic parameters and some RWU parameters were optimized by inverse modeling using observed data of soil water content and crop evapotranspiration. After the optimization procedure, there was a good agreement between measured and simulated variables at a daily time step. The chapter also includes long-term simulations of crop yield, water productivity, irrigation amounts, and soil water balance for three water management scenarios, showing that an irrigation criterion based on relative crop evapotranspiration may reduce the irrigation amount and increase the water productivity of irrigation with a slight decrease in crop yield compared to a criterion based on total available water. Chapter 5 introduces a novel process-based approach to determining PAW (the flux-based method, FBM). The proposed FBM explicitly considers soil hydraulic properties, rooting characteristics, and atmospheric water demand. After applying the FBM to several scenarios, its robustness was evidenced, representing an important contribution to vadose zone research. Chapter 6 concludes this thesis with a general discussion and future outlooks.Os processos de transferência de água no contínuo solo-planta-atmosfera podem ser descritos por meio de princípios físicos integrados em estruturas de modelagem. Esta tese tem como objetivo aprimorar a avaliação das necessidades hídricas das culturas em sistemas agrícolas por meio da i) avaliação de um modelo de extração de água do solo pelas raízes (RWU) baseado em processos para a simulação do crescimento da cultura e do uso da água em escala de campo e ii) proposta de um novo método baseado em processos para determinar a água disponível às plantas (PAW). O Capítulo 1 consiste em uma introdução geral a esta pesquisa. O Capítulo 2 foi dedicado à revisão das suposições dos modelos de balanço hídrico do solo e RWU que não consideram explicitamente o efeito das propriedades hidráulicas do solo na evapotranspiração da cultura. Os argumentos foram ilustrados por análises comparativas que evidenciaram a superioridade dos modelos baseados em processos para a simulação da dinâmica da água no solo e do uso da água por diferentes culturas. Os Capítulos 3 e 4 são partes de um estudo que visou avaliar uma estrutura de modelagem baseada em processos (o modelo agro-hidrológico SWAP com a função de RWU MFlux) para simular a transpiração da cultura, o estresse hídrico por seca, o crescimento da cultura, a dinâmica da água no solo e os componentes do balanço hídrico do solo para cenários de cultivo de soja e trigo em um clima de inverno seco no sudeste do Brasil. No Capítulo 3, uma análise de sensibilidade aos parâmetros de RWU do modelo SWAP/MFlux realizada com diferentes métodos revelou que a densidade de comprimento da raiz é o parâmetro mais sensível para previsões de estresse hídrico por seca. No Capítulo 4, o SWAP/MFlux foi calibrado e avaliado utilizando dados de experimentos de campo com as culturas da soja e do trigo em Piracicaba, São Paulo, Brasil. Os parâmetros da cultura foram calibrados utilizando observações de variáveis de crescimento, como índice de área foliar, altura da cultura e massa seca da parte aérea. Os parâmetros hidráulicos do solo e alguns parâmetros de RWU foram otimizados por modelagem inversa usando dados observados de conteúdo de água no solo e evapotranspiração da cultura. Após o procedimento de otimização, houve uma boa concordância entre as variáveis medidas e simuladas em uma resolução de tempo diária. O capítulo também inclui simulações de longo prazo da produtividade da cultura, da produtividade da água, da quantidade de água de irrigação e do balanço hídrico do solo para três cenários de manejo hídrico, demostrando que um critério de irrigação baseado na evapotranspiração relativa pode reduzir a quantidade de irrigação e aumentar a produtividade da água de irrigação com uma ligeira diminuição na produtividade da cultura em comparação com um critério baseado na água totalmente disponível. O Capítulo 5 apresenta uma nova abordagem baseada em processos para determinar a PAW (o método baseado em fluxo, FBM). O FBM proposto considera explicitamente as propriedades hidráulicas do solo, as características de enraizamento e a demanda evaporativa da atmosfera. Depois de aplicar o FBM a vários cenários, sua robustez foi comprovada, representando uma importante contribuição para a pesquisa da zona vadosa. O Capítulo 6 conclui esta tese com uma discussão geral e perspectivas futuras.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPLier, Quirijn de Jong vanMelo, Marina Luciana Abrêu de2024-06-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11140/tde-09092024-075727/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2024-09-12T12:46:02Zoai:teses.usp.br:tde-09092024-075727Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212024-09-12T12:46:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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description Water transfer processes in the soil-plant-atmosphere continuum can be described by physical principles integrated into modeling frameworks. This thesis aims to enhance the assessment of crop water requirements in agricultural systems by i) evaluating a process-based root water uptake (RWU) model for the simulation of crop growth and water use at the field scale and ii) proposing a novel process-based method to determine plant available water (PAW). Chapter 1 consists of a general introduction to the research. Chapter 2 was dedicated to reviewing the assumptions of soil water balance and RWU models that do not explicitly consider the effect of soil hydraulic properties on crop evapotranspiration. The arguments were illustrated by comparative analyses that evidenced the superiority of process-based models for the simulation of soil water dynamics and water use by different crops. Chapters 3 and 4 are parts of a study aimed at evaluating a process-based modeling framework (the SWAP agro-hydrological model with the RWU function MFlux) to simulate crop transpiration, drought stress, crop growth, soil water dynamics, and soil water balance components for scenarios of soybean and wheat cultivation in a winter-dry climate in southeast Brazil. In Chapter 3, a sensitivity analysis to RWU parameters of the SWAP/MFlux model performed with different methods revealed that the root length density is the most sensitive parameter for drought stress predictions. In Chapter 4, SWAP/MFlux was calibrated and evaluated using data from field experiments of soybean and wheat crops in Piracicaba, São Paulo state, Brazil. Crop parameters were calibrated using observed crop growth variables, such as leaf area index, crop height, and above-ground dry mass. The soil hydraulic parameters and some RWU parameters were optimized by inverse modeling using observed data of soil water content and crop evapotranspiration. After the optimization procedure, there was a good agreement between measured and simulated variables at a daily time step. The chapter also includes long-term simulations of crop yield, water productivity, irrigation amounts, and soil water balance for three water management scenarios, showing that an irrigation criterion based on relative crop evapotranspiration may reduce the irrigation amount and increase the water productivity of irrigation with a slight decrease in crop yield compared to a criterion based on total available water. Chapter 5 introduces a novel process-based approach to determining PAW (the flux-based method, FBM). The proposed FBM explicitly considers soil hydraulic properties, rooting characteristics, and atmospheric water demand. After applying the FBM to several scenarios, its robustness was evidenced, representing an important contribution to vadose zone research. Chapter 6 concludes this thesis with a general discussion and future outlooks.
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