Clement, Corentin (2021) Deep water uptake of perennial crops. A case study on intermediate wheatgrass and alfalfa. PhD thesis, University of Copenhagen , Department of Plant and Environmental Sciences. .
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Summary
The perfect storm. That is the term used by Gerald C. Nelson to describe the triple challenge of increasing food production while adapting to climate change and reducing the environmental impact of agricultural systems. Nowadays, conventional farming systems are showing some limitations, such as low resources use efficiency and poor ecosystems services that appear to be associated to the loss of plant diversity and perenniality in crop rotations. In addition, water, the most important yield limiting factor worldwide, will increasingly restrict food production in the future due to rainfall shortage and increase in human consumption. In such context, perennial crops, with denser and deeper root system could use resources in deep soil layers that are logically inaccessible to crops with shallower root system. The goal of this thesis was therefore to investigate the root growth and water uptake capacity of intermediate wheatgrass (Kernza®) and alfalfa, two deep rooted perennial crops, under field conditions and at great soil depth (i.e. 1.0-2.5 m).
Maintaining hydraulic continuity along the soil-plant-atmosphere continuum is a prerequisite for deep water uptake. At the plant level, hydraulic conductivity depends on complex anatomical and physiological processes among which the root system constitutes the second largest resistance to water flow. Therefore, in depth characterisation of root and xylem anatomy was done to understand the hydraulic properties of the crop root systems, with a focus on their evolution with soil depth. Crops were grown in the field, rhizoboxes, mesocosms and solution culture to take into account the variability of root type and soil depth as well as growing environment. For both crops, axial hydraulic conductance decreased with soil depth and along individual root segment. Alfalfa roots had greater axial hydraulic conductance in comparison to intermediate wheatgrass roots, especially at depth. Root and xylem anatomy were highly variable across crop species, root types and growing environments. In parallel, a combination of imaging and sensor technology, stable isotope techniques and a modelling approach was used to study root growth and water uptake under field conditions during the 2018-2019 seasons. Both crops presented roots down to 2.0 m soil depth that were active in terms of water uptake. Alfalfa had greater root length at depth and absorbed twice as much water below 1 m soil depth, than intermediate wheatgrass. For both crops, model simulations predicted that water uptake in deep soil layers (i.e. 1.5 – 2.0 m) increase (i.e.>30%) under dry conditions.
This thesis brings insights into the understudied field of root growth and water uptake at great soil depth. Particular efforts were put in understanding the environmental and agricultural contexts in which deep root growth, deep water uptake and the development of perennial cropping systems would be possible and favourable.
Summary translation
La tempête parfaite. C'est le terme utilisé par Gerald C. Nelson pour décrire le triple défi qui consiste à augmenter la production alimentaire tout en s'adaptant au changement climatique mais en réduisant l'impact environnemental des systèmes agricoles. Aujourd'hui, les systèmes agricoles conventionnels présentent certaines limites, en terme d'efficacité et de services écosystémiques, qui semblent être associés au manque de diversité et de pérennité dans les rotations culturales. D'autres part, l'eau, le principal facteur limitant les rendements mondialement, limitera de plus en plus la production alimentaire dans les années à venir en raison du manque de précipitations et de l'augmentation de la consommation humaine. Dans ce contexte, les cultures pérennes, grâce à leurs systèmes racinaires plus denses et plus profonds, peuvent utiliser des ressources situés dans les couches profondes du sol qui sont logiquement inaccessibles aux cultures ayant un système racinaire plus superficiel. L'objectif de cette thèse est d'étudier au champ et à grande profondeur (entre 1.0 et 2.5 m), la croissance racinaire et la capacité d'absorption d'eau de l'agropyre intermédiaire (Kernza®) et de la luzerne, deux cultures pérennes à enracinement profond.
Le maintien de la continuité hydraulique le long du continuum sol-plante-atmosphère est une condition préalable à l'absorption d'eau en profondeur. Au sein de la plante, la conductivité hydraulique dépend de processus anatomiques et physiologiques complexes parmi lesquels le système racinaire représente la deuxième plus grande résistance à l'écoulement de l'eau. Une caractérisation approfondie de l'anatomie des racines et du xylème a donc été effectuée pour comprendre les propriétés hydrauliques des systèmes racinaires, en mettant l'accent sur leur évolution avec la profondeur de sol. Pour chaque culture, la conductance hydraulique axiale diminue en fonction de la profondeur de sol. Les racines de luzerne ont une conductance hydraulique axiale plus importante par rapport aux racines d'agropyre intermédiaire, surtout en profondeur. En parallèle, nous avons utilisé diverses méthodes (imagerie, capteurs, isotopes stables et modélisation) pour étudier la croissance racinaire et l'absorption d'eau de ces deux cultures durant les saisons 2018-2019. Les racines de ces deux cultures absorbent de l'eau jusqu'à 2.0 m de profondeur. La luzerne a plus de racine en profondeur et absorbe deux fois plus d'eau en dessous de 1 m de profondeur que l'agropyre intermédiaire. Pour les deux cultures, les prévisions du modèle ont montré que l'absorption d'eau dans les couches profondes du sol (i.e. 1.5 – 2.0 m) augmente (i.e. >30 %) en conditions de sècheresses.
Cette thèse apporte des connaissances sur la croissance des racines et de l'absorption d'eau à grande profondeur de sol, deux domaines peu étudiés. Un effort particulier a été déployé pour comprendre les contextes environnementaux et agricoles dans lesquels la croissance des racines profondes, l'absorption d'eau en profondeur et le développement de systèmes de cultures pérennes seraient possibles et bénéfique.
| EPrint Type: | Thesis |
|---|---|
| Thesis Type: | PhD |
| Keywords: | Deep roots, Water Uptake, Perennial crop, Stable isotopes, Hydrus-1D, Minirhizotrons, Alfalfa, Intermediate wheatgrass, Kernza, Root anatomy, Xylem anatomy, TDR sensors |
| Agrovoc keywords: | Language Value URI English perennial crops -> perennials http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_5696 English root length http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_24232 English water uptake http://aims.fao.org/aos/agrovoc/c_8329 |
| Subjects: | Crop husbandry > Production systems > Pasture and forage crops Crop husbandry > Production systems > Cereals, pulses and oilseeds Environmental aspects > Biodiversity and ecosystem services Food systems Crop husbandry > Irrigation and drainage |
| Research affiliation: | Denmark > Private funders/foundations > Deep Frontier Denmark > KU - University of Copenhagen |
| Deposited By: | Clément, Mr Corentin B.L.R |
| ID Code: | 39730 |
| Deposited On: | 19 May 2021 08:28 |
| Last Modified: | 24 Oct 2022 12:02 |
| Document Language: | English |
| Status: | Published |
| Refereed: | Peer-reviewed and accepted |
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