Microscopische wateropnamemodellen en dynamische wortelverdeling in SWAP

Wateropname door plantenwortels is een kernproces in de (globale) watercyclus: meer dan 50% van de evapotranspiratie gaat via de plantenwortels terug naar de atmosfeer. Gebrek aan water in de wortelzone zal leiden tot reductie van de transpiratie en het gevolg is dat gewassen minder goed groeien (opbrengstreductie of opbrengstderving). Met simulatiemodellen voor de waterbalans in de (on)verzadigde bodem berekenen we de wateropname en de gevolgen voor gewasgroei. In Nederland maken we hiervoor gebruik van het agrohydrologische model SWAP (Soil Water Atmosphere Plant), bijvoorbeeld in het kader van de Waterwijzers Landbouw en Natuur. SWAP is ook de basis van het daarvan afgeleide metaSWAP dat wordt gebruikt in het Nederlands Hydrologisch Instrumentarium. Omdat in het recente verleden met deze modellen voor sommige bodem-gewascombinaties transpiratiereducties werden gesimuleerd die niet goed verklaard konden worden, is voorgesteld om de bestaande concepten voor het simuleren van wateropname in combinatie met een statische wortelverdeling te vergelijken met alternatieve wateropnameconcepten en een dynamische wortelverdeling. Twee bestaande, in de wetenschappelijke literatuur gepubliceerde, microscopische beschrijvingen voor wateropname door plantenwortels zijn toegevoegd aan SWAP. Deze microscopische concepten beschouwen stroming van water in een cilindervormige bodemkolom rondom een wortel naar de wortelwand toe en vervolgens de wortel in en naar het blad toe. Op deze manier wordt zowel rekening gehouden met de hydraulische eigenschappen van de bodem als met enkele gewaseigenschappen waaronder de doorlatendheid van de wortelwand en de geleidbaarheid in het pad wortel-stam-blad. Daarmee verschillen deze van het meer eenvoudige macroscopische concept van Feddes, waar geen rekening wordt gehouden met stroming naar een wortelwand toe. Voor alle 79 BOFEK2020-eenheden in combinatie met gras of mais en onder relatief droge en onder relatief natte hydrologische omstandigheden is het volgende waargenomen. • De wateropname gerealiseerd met beide microscopische concepten is in de meeste gevallen groter dan gesimuleerd met het traditionele macroscopische concept van Feddes. • De onderlinge verschillen in gesimuleerde wateropname tussen beide microscopische concepten zijn nihil. • Beide microscopische concepten zijn vrij ongevoelig voor de nieuw geïntroduceerde parameters. De enige parameter waarvoor beide modellen gevoelig kunnen zijn, is de doorlatendheid van de wortelwand, als deze zeer klein is. Bij dynamische wortelontwikkeling wordt nieuwe biomassa vooral daar aan de bestaande wortelbiomassa toebedeeld waar geen (of de geringste) transpiratiereductie wordt gesimuleerd, en eventuele afsterving van wortels zal plaatsvinden daar waar de meeste transpiratiereductie plaatsvindt. De mate waarin de plant dit dynamische gedrag kan uiten, is deels te sturen met een factor tussen de waarde 0 (geen dynamische wortelverdeling) en 1 (volledige dynamische wortelverdeling). Een belangrijk voordeel van toepassing van dynamische wortelverdeling is dat de wortelverdelingen die in de loop de tijd ontstaan zich relatief onafhankelijk ontwikkelen van de door de gebruiker opgegeven initiële wortelverdeling. Echter, wanneer uitgegaan wordt van een initiële uniforme (blok)verdeling, bestaat de kans dat er relatief veel wortels onder in de wortelzone ontstaan. Zeker bij relatief ondiepe grondwaterspiegeldieptes leidt dit tot een groot aandeel zuurstofstress. Daarom wordt afgeraden om met een initiële uniforme verdeling te starten. Dynamische wortelverdeling is toepasbaar in combinatie met zowel de macroscopische als de microscopische wateropnameconcepten. Zowel de microscopische wateropnamemodellen als de dynamische wortelverdeling zijn operationeel in de ontwikkelversie van SWAP. Het verdient de voorkeur om in de toekomst beide onderdelen te gaan gebruiken. Het gebruiken van microscopische wateropname past dan ook bij de huidige implementatie van microscopische zuurstofopname (analoge concepten). Het is echter nog wel nodig om eerst een nieuwe manier vast te stellen hoe microscopische wateroname het best gecombineerd kan worden met zuurstofstress (en zout- en vorststress).