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Introduction to transpiration from plants
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Riccardo Rigon
L’evapotraspirazione Traspirazione
P. Su
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, T
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19
58
- T
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Mod
ern
Riccardo Rigon
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Traspirazione
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Traspirazione
• E l’evaporazione dalle piante
!
• Che avviene in contemporanea al processo fisiologico di fissazione
dell’anidride carbonica, durante il processo di fotosintesi.
• Dell’acqua necessaria ad una pianta, ~95% serve per la traspirazione e solo
il ~5% diventa biomassa!
!3
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Traspirazione
• La traspirazione è basata sulla capacità della pianta di estrarre acqua
dal suolo attraverso le radici e di liberarla attraverso gli stomi.
!
• Il controllo ultimo della traspirazione è la legge di Dalton, dove però si
considera la differenza di pressione di vapore appena all’interno degli
stomi e appena al di sopra della superficie della foglia.
!4
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
E’ dipendente:
•dal tipo di vegetazione e dal suo stato vegetativo
. dalla densità e dalle dimensioni della vegetazione (alberi, arbusti,erba),
•dalla struttura del suolo,
•dalla temperatura dell’ambiente
•dalla concentrazione di CO2 nell’atmosfera.
Traspirazione
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
E’ limitata:
•dalla disponibilità di energia
•dalla disponibilità d’acqua
•dallo sviluppo della turbolenza
Traspirazione
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Avviene attraverso il sistema vascolare delle piante.
Si possono distinguere tre processi:
1. l’assorbimento dell’acqua nelle radici
2. il trasferimento lungo il tronco verso gli stomi,
3. l’evaporazione
!7
Traspirazione
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!8
Plants do not have a
heart
• Le piante non hanno un cuore (che
pompa l’acqua) !
!
• Il flusso d’acqua dalle radici alle
foglie si mantiene dunque in virtu’
delle differenze di pressione tra
suolo e radici, radici e tronco, via via
sino alle foglie.
!
• Tale differenza di pressione ha una
doppia origine: le forze capillari e le
forze osmotiche.
Capillarità e osmosi
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Forze osmotiche
pw=0
h
acqua senza sali
membrana semipermeabile
acqua con sali
Il tubo non e’ capillare. Ma la colonna d’acqua sale nel tubo per
compensare il potenziale chimico (negativo) che si viene a generare nel
tubo che vede la compresenza di due sostanze.
⇧ := ⇢w g h
pressione osmotica
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Forze osmotiche
Le due pressioni di vapore alle diverse quote devono essere differenti, per
essere in equilibrio. Pertanto l’effetto della compresenza di sostanze in
soluzione riduce la pressione di vapore (in analogia con il caso capillare).
pw=0
hpressione di vapore
pv(0)
pv(h)
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
La forza che attiva
la traspirazione è
il gradiente di
pressione, e
precisamente la
differenza di
pressione
esistente tra
l’interno della
foglia e
l’atmosfera
attorno ad essa.
ww
w.fs
l.ors
t.edu
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nd/fs
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20transpiration.ppt
!11
Top 2 Bottom: le foglie
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!12
Traspirazionew
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bond
/fs56
1/le
ctur
es/h
umid
ity%
20an
d%20transpiration.ppt
Gli stomi sono una componente critica della traspirazione
R. Rigon, M. Dall’Amico
13
• La fisica della traspirazione
è l a s t e s s a d i q u e l l a
dell’evaporazione. Si deve
tener conto però di due
aspetti:
1. l ’evaporazione del velo
d’acqua dalla superficie
delle foglie
2. la traspirazione vera e
propria dagli stomi delle
piante
La fisica delle traspirazione
Suolo non saturo
Falda
Vegetazione
R. Rigon, M. Dall’Amico
14
La fisica delle traspirazione traspirazione dalle foglie
Suolo non saturo
Falda
Vegetazione
Cv =1
ra + rv
1
ra=
✏
pa⇢v
k2
log
2⇣
zm�zdz0
⌘
R. Rigon, M. Dall’Amico
15
La fisica delle traspirazione
Cv =1
ra + rv
rv =rV min
(LAI � (fS fee fT fM))
LAI e il ”leaf area index”fS dipende dalla radiazione solare incidentefee dipende dal contenuto di vapore dell’atmosferafT dalla temperatura dell’ariafM dal contenuto idrico del terreno
R. Rigon, M. Dall’Amico
16
La fisica delle traspirazione Environmental dependencies of stomata conductance
!For daytime conditions of simulation stb_stn004f
Courtesy of Giacomo Bertoldi
Stomata close for high vapor pressure deficit Transpiration stop for too high and low Ta
Photosynthesis increases with PaR
θwp
θfc
R. Rigon, M. Dall’Amico
17
Suolo non saturo
Falda
Vegetazione
La fisica delle traspirazione evaporazione dalle foglie
Kv :=
1
ra=
✏
pa⇢v
k2
log
2⇣
zm�zdz0
⌘
R. Rigon, M. Dall’Amico
18
La fisica delle traspirazione
L’evapotraspirazione totale è :
ET = Ev + Tr
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Water movement in plants
• Illustrazione delle differenze di
energia (in termini di pressione)
c h e c a u s a n o i l m o v i m e n t o
d e l l ’ a c q u a d a l s u o l o s i n o
all’amosfera attraverso la pianta.
L’acqua muove da un potenziale
negativo ad uno più negativo in
atmosfera.
htt
p:/
/ww
w.c
tah
r.h
awai
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u/f
ares
a/co
urs
es/n
rem
60
0/1
0-0
2%
20
Lect
ure
.pp
t
!19
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Il flusso di acqua interno alle piante
~Jp = �Kp~r(z + + ⇧)
Dove la conducibilità idraulica all’interno delle piante decresce passando
dal tronco alle foglie e tutto è assai meno compreso in termini quantitativi
di quanto accade nei suoli (!).
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Saturated Conductivity and Trees?
!21
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!22
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Rooting Depth
Source: Canadell, J., R.B. Jackson, J.R. Ehleringer, H.A. Mooney, O.E. Sala, and E.-D. Schulze. 1996.
Maximum rooting depth of vegetation types at the global scale. Oecologia 108: 583-595.
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
1 Nessun limite alla traspirazione: stomi aperti 2 Qualche limitazione: stomi parzialmente chiusi a mezzogiorno 3 Forte limitazione: stomi chiusi a mezzogiorno 4 Suolo secco: chiusura completa degli stomi
http
://w
ww
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tern
atio
nal.c
om.a
u/ap
pnot
es/IC
T101
.htm
!24
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!25
Nei casi reali è molto difficile separare l’evaporazione dalla
traspirazione.
La traspirazione varia anche molto da punto a punto in un
versante per effetto della diversa umidità del suolo e delle
condizioni atmosferiche.
�T
me
as
ur
ed
�T
po
te
ntia
l
Tpotential(l h�1 m�2)
Tm
easu
red(l
h�1
m�
2)
�Tmeasured�Tpotential
Wet
DryEven in relatively mesic environments, the degree of
stomatal control on transpiration varies strongly across hillslopes...
Measuring plant water use
�T
me
as
ur
ed
�T
po
te
ntia
l
Tpotential(l h�1 m�2)
Tm
easu
red(l
h�1
m�
2)
�Tmeasured�Tpotential
Even in relatively mesic environments, the degree of
stomatal control on transpiration varies strongly across hillslopes...
Measuring plant water useK
elly
Cay
lor,
20
11
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!26
The data we have is limited and highly variable...
Leaf Area Index (m2/m2)
Kel
ly C
aylo
r, 2
01
1
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!27
EE
EE
T TT
T
Predictions of plant water use from models suggest large shifts in E/T partitioning
Dry Wet
Kel
ly C
aylo
r, 2
01
1
La partizione tra Evaporazione e Traspirazione può cambiare
drammaticamente
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!28
Gli studi relativi alla partizione vengono prodotti
analizzando la partizione degli isotopi dell’acqua e, in
particolare, degli isotopi dell’ossigeno
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
ET
ET = ��v1r(qr � q0) = ��v C (qr � q0)
!29
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
ET
r = ra Evaporazione da superfici liquider = ra + rs Evaporazione dai suolir = ra + rc Traspirazione dalle piante
!30
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
E = �1
ra + rc(q�(TL)� qa)
rc =�rc⇥
c LAI
Traspirazione
Il LAI è stato inizialmente definito come l'area totale di una faccia del tessuto fotosintetizzante per unità di superficie di terreno (Watson, 1947). (Smith, 1991; Bolstad e Gower, 1990) proposero di modificare il parametro, introducendo l'area fogliare proiettata. In questo modo si riducevano i problemi dovuti alla forma di aghi e foglie.
!31
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!32
r_c vegetation resistance !r_c =Rs /(LAI * (fS*fee*fT*fM)); (Best, 1998) !Rs minimum stomata resistance (species dependent, but constant over time) !fee water vapor deficit controlling factor !fS solar radiation controlling factor !fT temperature controlling factor
Resistenza della vegetazione
For d
aytim
e co
nditi
ons
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imul
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n st
b_st
n004
f C
ourte
sy o
f Gia
com
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erto
ldi
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!33
Environmental dependencies of stomata conductance
Stomata close for high vapor pressure deficit Transpiration stop for too high and low Ta
Transpiration is decreased below a critical water contentPhotosynthesis increases with PaR
θwp
θfc
1. θfc vs. ψ fc 2. θwp vs. ψ fc
For d
aytim
e co
nditi
ons
of s
imul
atio
n st
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n004
f C
ourte
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f Gia
com
o B
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L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!34
IL LAI PUO’ ESSERE MISURATO DA SATELLITE
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!35
�(⇥) =
�⇤
⇥
0 ⇥ < ⇥wp���wp
�cr��wp⇥wp < ⇥ < ⇥cr
1 ⇥ > ⇥cr
AET = �(⇥) ET
Traspirazione un approccio semplificato
L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!36
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1 ⇥ > ⇥cr
Traspirazione