Monitoring and modeling fluxes transfer processes in soil-plant-atmosphere continuum across scales

The soil-plant-atmosphere (SPA) interactions are a critical component of the Earth's biosphere because of their crucial role in the hydrological cycle. For a better understanding of the functional interactions between natural resources and related sustainability problems, the scientific community is becoming aware that more interdisciplinary approaches are required. Understanding SPA processes and principally root-zone uptake (RWU) is actually significant for proper irrigation management especially in areas characterized by scarce water availability, such as the Mediterranean areas. Such understanding requires an ability to map the hydrological dynamics at high spatial and temporal resolution and appropriate scale. The PhD work encourage at using innovative and advanced techniques to monitor the exchanges of mass and energy within the soil-plant-atmosphere continuum (SPAC) at different spatial scales. The novelty of the PhD work is the assimilation of geophysical data with other more conventional measurements (micrometeorogical and transpiration data) in order to interpret some of the principal transfer processes acting through the SPAC (i.e., evapotranspiration and RWU) in semi-arid climate. The PhD thesis covers two cases studies looking at the use of an integrated approach to help unravel the complexity of soil-plant interactions, specifically concerning RWU of citrus trees. In the first Case study, electrical imaging, sap flow data, eddy covariance measurements and modelling were coupled to determine the RWU area of an orange tree. The second Case study, explores RWU patterns of orange trees under different irrigation schedules, by integrating small scale 3D electrical resistivity tomography (ERT) with sap flow measurements. Results have demonstrated the ability of electrical imaging techniques to link the soil moisture distribution with crop physiological response (i.e. transpiration fluxes) and the active root distribution in the soil, thus providing new insight into the use of geophysical measurements.

Alle interazioni tra le diverse componenti del sistema suolo-pianta-atmosfera (SPA) è attribuito un ruolo critico nel ciclo idrologico e della biosfera terrestre. La comunità scientifica specializzata è sempre più consapevole della necessità di portare avanti studi a carattere interdisciplinare per la comprensione delle interazioni funzionali tra le risorse naturali ed i relativi problemi di sostenibilità del sistema SPA. All interno di tali studi interdisciplinari, l analisi delle interazioni suolo-radice risulta rilevante anche per la gestione ottimale dell'irrigazione, in particolare nelle zone caratterizzate da scarsa disponibilità idrica, come le aree mediterranee. A tal fine nasce l esigenza di valutare, ad alta risoluzione sia spaziale che temporale, le dinamiche idrologiche del sistema SPA, sino alla scala dell apparato radicale. Il contributo della tesi di dottorato consiste nell applicazione di tecniche di monitoraggio avanzate e minimamente invasive, per valutare gli scambi di massa ed energia all'interno del sistema SPA. L aspetto innovativo del lavoro di tesi consiste nell integrazione di tecniche geofisiche con misure micrometeorologiche e dati di traspirazione, al fine di interpretare alcuni dei principali processi di trasferimento di flussi nel sistema SPA (evapotraspirazione ed assorbimento radicale) in ambiente semi-arido. Tale approccio, è stato applicato a due Casi studio con l obiettivo di monitorare le complesse interazioni del sistema suolo-pianta, con particolare riferimento al processo di assorbimento radicale di alberi di agrume. Nel primo Caso studio, la tecnica della tomografia di resistività elettrica (ERT) tridimensionale è stata integrata con dati di traspirazione, misure micrometeorologiche e modellistica idrologica al fine di delineare la porzione di suolo non satura interessata dalle radici attive di un aranceto adulto. Nel secondo Caso studio, il monitoraggio ERT è stato integrato con misure di traspirazione al fine di delineare i pattern di RWU di alberi di arancio irrigati in regime di deficit. I risultati del lavoro di tesi dimostrano l abilità della tecnica di monitoraggio geofisico ERT nello spiegare le dinamiche idriche del suolo e la risposta fisiologica della pianta, in termini di attività delle radici nel processo di uptake, contribuendo, in tal senso, a migliorare la conoscenza dei processi di assorbimento radicale.