580 Pflanzen (Botanik)
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Quantifying root water uptake is essential to understanding plant water use and responses to different environmental conditions. However, non-destructive measurement of water transport and related hydraulics in the soil-root system remains a challenge.
Neutron imaging, with its high sensitivity to hydrogen, has become an unparalleled tool to visualize and quantify root water uptake in vivo. In combination with isotopes (e.g., deuterated water) and a diffusion-convection model, root water uptake and hydraulic redistribution in root and soil can be quantified.
Here, we review recent advances in utilizing neutron imaging to visualize and quantify root water uptake, hydraulic redistribution in roots and soil, and root hydraulic properties of different plant species.
Under uniform soil moisture distributions, neutron radiographic studies have shown that water uptake was not uniform along the root and depended on both root type and age. For both tap (e.g., lupine [Lupinus albus L.]) and fibrous (e.g., maize [Zea mays L.]) root systems, water was mainly taken up through lateral roots. In mature maize, the location of water uptake shifted from seminal roots and their laterals to crown/nodal roots and their laterals.
Under non-uniform soil moisture distributions, part of the water taken up during the daytime maintained the growth of crown/nodal roots in the upper, drier soil layers. Ultra-fast neutron tomography provides new insights into 3D water movement in soil and roots. We discuss the limitations of using neutron imaging and propose future directions to utilize neutron imaging to advance our understanding of root water uptake and soil-root interactions.
Silicon (Si) speciation and availability in soils is highly important for ecosystem functioning, because Si is a beneficial element for plant growth. Si chemistry is highly complex compared to other elements in soils, because Si reaction rates are relatively slow and dependent on Si species. Consequently, we review the occurrence of different Si species in soil solution and their changes by polymerization, depolymerization, and condensation in relation to important soil processes. We show that an argumentation based on thermodynamic endmembers of Si dependent processes, as currently done, is often difficult, because some reactions such as mineral crystallization require months to years (sometimes even centuries or millennia). Furthermore, we give an overview of Si reactions in soil solution and the predominance of certain solid compounds, which is a neglected but important parameter controlling the availability, reactivity, and function of Si in soils. We further discuss the drivers of soil Si cycling and how humans interfere with these processes. The soil Si cycle is of major importance for ecosystem functioning; therefore, a deeper understanding of drivers of Si cycling (e.g., predominant speciation), human disturbances and the implication for important soil properties (water storage, nutrient availability, and micro aggregate stability) is of fundamental relevance.
Die Quantifizierung der Biomasse von Pflanzen mithilfe effizienter Messmethoden hat für verschiedene Wissenschaftsbereiche eine große Bedeutung. Die vorliegende Arbeit soll es ermöglichen, über die einzelbaumbasierte Schätzung der oberirdischen Biomasse einer Apfel- und einer Kirschkultur am Forschungsstandort Marquardt (Potsdam) auf die Menge des in ihr enthaltenen Wasserstoffs zu schließen. Hierzu wurde das Volumen von 13 Kirsch- und 11 Apfelbäumen bestimmt, indem sie in Segmente unterteilt, diese einzeln vermessen und in Durchmesserklassen eingeteilt wurden. Des Weiteren wurden die Dichte der Zweige und die mittlere Laubmasse bestimmt. Zur Berechnung der Biomasse wurde zusätzlich ein Literaturwert der Holzdichte der entsprechenden Baumarten herangezogen. Es wurde die Verteilung der Holzbiomasse auf die einzelnen Durchmesserklassen untersucht und einfach zu erhebende Baumparameter, sowie Daten eines Terrestrischen Laserscanners als Prädiktorvariablen für eine Regressionsanalyse herangezogen. Die experimentell ermittelten Dichtewerte zeigten eine Zunahme mit steigendem Zweigdurchmesser. Dabei wichen sie beim Kirschbaumholz leicht, beim Apfelbaumholz stärker vom Literaturwert ab. Die Erhebungen zur Laubmasse wurden unabhängig von den vermessenen Bäumen gemacht und die Ergebnisse unterlagen großer Varianz, weshalb kein Zusammenhang zwischen Holz- und Laubbiomasse hergestellt und nur durchschnittliche Werte ermittelt werden konnten. Der Anteil der verschiedenen Durchmesserklassen an der Gesamtmasse erwies sich als stark variabel und eine Schätzung der Biomasse aus dem Gewicht weniger kräftiger Baumsegmente daher als nicht geeignet. Eine zuverlässige und effiziente Abschätzung der oberirdischen verholzten Biomasse kann jedoch durch die Anwendung der erstellten Modelle erreicht werden. Für die vorliegende Population gleichaltriger und ähnlich großer Individuen wurden mit einer linearen Regression die besten Ergebnisse erzielt. Während die auf Laserdaten basierenden Variablen kaum mit der Holzbiomasse korrelierten, zeigten lineare Modelle mit dem Stammdurchmesser d bzw. d² als Prädiktor bei beiden Baumarten eine hohe Signifikanz (p - Wert < 0.001) und sehr gute Anpassung (R² > 0.8).