Computational methods for root water uptake

Plants take up water from the root zone and thus affect the three-dimensional water flow field and solute transport processes in the soil. With this work, we want to study the impacts of root architecture, plant water uptake mechanisms, and plant transpiration rate on the water flow field in the soil. Therefore, a fully mechanistic model was used to simulate water flow due to pressure gradients in the root–soil continuum by coupling a three-dimensional Richards equation in the soil with 1D formulation of the root's flow equation. The calculation of plant transpiration is based on hypotesis that the stomatal conductance of leaves is determined by the biochemical demand of photosynthesis. In order to simulate these effects, we have built and tested a computational solver based on the C++ finite element library GetFEM++. The solver is able to simulate fluid transport in a permeable ground perfused by a root network with arbitrary topology. This software may be a valid support for the analysis of problem of soil-root interactions. Possible applications are: (i) the analysis of the intensive ground exploitation in agriculture and the effects on ground waters, (ii) plants competitions in a semi-arid zone or (iii) modeling plant root growth.

L'assorbimento di acqua da parte delle piante tramite le radici è uno dei fattori che influenzano il campo di flusso d'acqua ed i processi di trasporto di sostanze nel terreno. Con questo lavoro, vogliamo andare a studiare l'impatto che l'architettura del sistema radicale, i meccanismi di assorbimento dell'acqua e come la traspirazione delle piante vanno ad influenzare il flusso d'acqua sotterraneo. Pertanto, abbiamo utilizzato un modello totalmente meccanicistico atto a simulare il flusso lungo gradienti di pressione nel continuum radici-terreno, accoppiano l'equazione tridimensionale di Richards per terreni insaturi con l'equazione monodimensionale per il flusso nelle radici. Il modello sulla traspirazione di pianta invece è basato sull'ipotesi che la conduttanza stomatica sia determinata tramite una formulazione ottimizzata della domanda biochimica per la fotosintesi. Per la simulazione di questi modelli, abbiamo programmato un software risolutore basato sulla libreria ad elementi finiti GetFEM++, nel linguaggio di programmazione C++. Il solutore così ottenuto risulta in grado di simulare il trasporto di fluidi in un terreno permeabile che presenta al suo interno un rete radicale con topologia arbitraria. Ciò rende il software un supporto valido per l'analisi di problemi di interazione tra radici e terreno. Possibili applicazioni sono: (i) lo studio dello sfruttamento intensivo del suolo in agricoltura e gli effetti sulle falde sotterranee, (ii) la competizione tra piante in regioni semi aride o (iii) la modellizzazione della crescita delle radici della pianta.