| Abstract | Estimating vadose zone dynamics in agroecosystems on hillslopes presents a challenge
due to a wide range of processes involved, such as surface runoff, erosion, vertical flow,
lateral subsurface flow (LSF), and actual evapotranspiration (ETa). Surface and
subsurface flow can significantly impact ETa by altering soil moisture in the root zone.
Increased soil moisture can promote plant growth and increase ETa rates but can also
cause waterlogging, reducing ETa and impacting soil structure. Therefore, it is crucial to
have a quantitative understanding of the water balance components (WBCs) of a
hillslope agroecosystem. This understanding is essential for the sustainable
management of water resources and soil conservation, helping to mitigate the impacts
associated with land use management and climate variability.
The research was conducted for two years (2021–2022) at the SUPREHILL Critical Zone
Observatory, located on a hillslope vineyard at the experimental field Jazbina (45°51'24''
N, 16°00'22'' E) in Zagreb, Croatia. The study was performed by combining soil
characterization, field monitoring using the instrument (weighing lysimeters, nonweighing
passive wick-lysimeters, surface runoff, and LSF collection systems) and
sensor (soil water content and soil water potential) network with meteorological data and
numerical simulations. Field observations exhibited heterogeneity and spatial variability
in soil parameters at the hillslope. Over the hillslope, soil moisture demonstrated a
heterogeneous behavior, which was particularly noticeable during soil rewetting.
Extensive manual and automatic plausibility control, and noise reduction, were applied
to weighing lysimeter mass data to quantify WBCs in high precision, and temporal
resolution – precipitation from rainfall and non-rainfall water, ETa, downward and upward
fluxes. The WBCs between the hilltop and footslope were compared to identify
differences that reveal hydrologically driven processes across the hillslope. Moreover,
usually considered limitations of these instruments, i.e., the borders preventing lateral
flow through the lysimeter domain, acted as an aid within the hillslope setup, as the lack
of LSF was compensated through the pumping system at the footslope. Weighing
lysimeter data indicated that LSF controlled ETa rates, and that the onset of LSF
contributes to the spatial crop productivity distribution in hillslopes.
Several methods of data optimization were employed and tested with the hydrological
modeling tool HYDRUS, while model performance was evaluated using continuous field
data. An inverse optimization approach using wick lysimeter outflows was employed to
optimize the saturated hydraulic conductivity as the main soil hydraulic property (SHP)
controlling the infiltration rates, Shuffled Complex Evolution algorithm was employed to
optimize the SHPs from the field sensor data, while a model ensemble mean was
produced using model outcomes generated with pedo-transfer function-derived SHPs.
Model results suggested that adequate parameterization and choice of optimization are
required to capture the hydropedological response of erosion-affected soil systems.
Root water uptake (RWU) parameter sensitivity analysis was conducted to determine the
most sensitive plant parameters within the model. Sensitivity analysis exhibited that the
Leaf Area Index (LAI) had the highest level of responsiveness in determining RWU within
the model, consequently having a significant impact on the WBC estimations. Therefore,
it is crucial to exercise caution when incorporating LAI into the model and preferably
utilize real field data.
Moreover, this study provides a comprehensive overview of field monitoring techniques
applied in similar sites and/or crops. It includes a detailed presentation of the design and
installation methodologies, with a thorough review of their functionality. |
| Abstract (croatian) | Hidrologija padinskih tala, kao opći koncept, usredotočena je na redistribuciju oborina i
organizaciju dostupnosti vode u prostoru. Navedeno izravno utječe na vegetaciju, tlo te
kretanje vode na površini i u tlu. Zbog često prisutnih heterogenosti u padinskim tlima,
agroekosustavi mogu pokazivati varijacije koje imaju implikacije za procese u sustavu
tlo-voda-biljka. Razumijevanje karakteristika i heterogenosti područja je ključno kako bi
se razotkrili mehanizmi koji upravljaju dinamikom i redistribucijom vode unutar
agroekosustava.
Detaljna procjena dinamike vode u vadoznoj zoni padinskih agroekosustava je često
izazovna zbog širokog spektra prisutnih procesa kao što su površinsko otjecanje, erozija,
vertikalni i lateralni tok vode te stvarna evapotranspiracija. Površinski i potpovršinski
tokovi vode mogu značajno utjecati na stvarnu evapotranspiraciju mijenjajući vlažnost
tla u zoni korijena. Povećanje vlage u tlu može poticati rast biljaka i povećavati stopu
evapotranspiracije, ali istovremeno mogu uzrokovati zasićenje tla stagniranjem vode,
smanjujući evapotranspiraciju i mijenjajući strukturu tla. Stoga je važno imati
kvantitativan uvid u komponente vodne bilance padinskih agroekosustava. Taj uvid je
ključan za održivo upravljanje vodnim i zemljišnim resursima, pomažući ublažavanje
utjecaja povezanih s intenzivnim korištenjem zemljišta i sveprisutnijom varijabilnošću
klime.
Ovo istraživanje je provedeno u razdoblju od dvije godine (2021–2022) u SUPREHILL
opservatoriju kritične zone, smještenom na padinskom tlu vinograda pri
eksperimentalnom pokušalištu Jazbina (45°51'24'' N, 16°00'22'' E) u Zagrebu.
Istraživanje je provedeno kombiniranjem određivanja svojstva tla, terenskih mjerenja
korišteći mrežu instrumenata (vagajući i nevagajući lizimetri, sustavi za prikupljanje
površinskog i potpovršinskog toka vode) i senzora (senzori za volumetrijsku vlagu tla i
vodni potencijal tla) s meteorološkim podacima te numeričkih simulacija. Laboratorijska
i terenska mjerenja su pokazala heterogenost i prostornu varijabilnost parametara tla na
padini. Mjerenje vlage u tlu na padini ukazalo je na heterogeno ponašanje iste, što je
naročito primjetno prilikom vlaženja tla.
Izvršena je opsežna ručna i automatska kontrola plauzibilnosti te smanjenje šuma na
podacima mase s vagajućih lizimetara kako bi se kvantificirale komponente vodne
bilance (oborine od padalinskih i nepadalinskih događaja, stvarna evapotranspiracija,
ulazni i izlazni tokovi vode na dnu lizimetra) s visokom preciznošću i vremenskom
razlučivošću. Komponente vodne bilance između vrha i podnožja padine uspoređene su
kako bi se identificirale razlike koje otkrivaju hidrološki uzrokovane procese na padini.
Uobičajeno ograničenje ovih instrumenata, to jest stjenke koje sprečavaju lateralni
protok vode kroz vlastitu domenu, pri ovom pristupu djelovali su kao razlikovno sredstvo
promatranja, budući da je nedostatak vanjskog lateralnog potpovršinskog toka vode
kompenziran pumpom na podnožju padine. Lizimetarski podaci su uspoređeni s
mjerenjima iz sustava za potpovršinski tok vode. Podaci s vagajućih lizimetara pokazali
su da lateralni potpovršinski tok vode kontrolira stvarnu evapotranspiraciju i upućuju da
navedeni tok doprinosi prostornoj distribuciji vegetativnog razvoja na padini.
U sklopu ovog istraživanja primijenjene su različite metode optimizacije podataka, koje
su testirane jedno- i dvo-dimenzionalnim numeričkim simulacijama za vinovu lozu i biljni
pokrov (travu) koristeći agrohidrološki simulator HYDRUS, dok je uspješnost modela
evaluirana kontinuiranim terenskim mjerenjima sa senzorske i instrumentalne mreže.
Pristup inverzne optimizacije korišten je za optimizaciju parametra hidrauličke vodljivosti
kao glavnog hidrauličkog parametra tla koji kontrolira stope infiltracije. Shuffled Complex
Evolution algoritam korišten je za optimizaciju hidrauličkih parametara tla generiranih iz
terenske senzorske mreže na padini. Primijenjen je ansambl model (srednja vrijednost)
u kojem su hidraulički parametri tla generirani uobičajeno korištenim pedotransfernim
funkcijama. U svim slučajevima, optimizacija je unaprijedila ishod modela. Rezultati
modela ukazali su da je potrebna adekvatna parametrizacija i odabir optimizacije kako
bi se uspješno kvantificirali hidropedološki procesi erozijom zahvaćenih tala.
Dodatno, analizom osjetljivosti parametara koji utječu na usvajanje vode, određeni su
najosjetljiviji parametri biljaka unutar modela. Na temelju analize osjetljivosti utvrđeno je
da indeks površine lista imao najvišu razinu odaziva unutar modela te da ima značajan
utjecaj na procjenjivanje komponenata vodne bilance. Zbog navedenog, važno je
oprezno postupati pri korištenju ovog parametra u modeliranju te po mogućnosti koristiti
eksperimentalno određene podatke, dok su mogućnosti korištenja ovog parametra
istražene na primjeru vinove loze i biljnog pokrova.
Ovo istraživanje pruža sveobuhvatan pregled primijenjenih metoda za agro-hidrološki
terenski monitoring, primjenjivih u sličnim agroekosustavima i/ili kulturama i biljnim
pokrovima. Ovaj rad uključuje detaljan prikaz korištenih instrumenata te načina primjene,
uz analizu njihove funkcionalnosti u kombinaciji s numeričkim modeliranjem. |
