a.)

SANDY soil

b.)

LOAMY soil

c.) CLAYEY soil

5

.

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

....

1

@

Flat element

1

10

5

10

-5

o

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

N

I

E

E

E

.......

-5

o

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

Figure 6-15: The lnean silnulated

net lateral

exchange

in the root zone during

a

growing season for three considered

soil types

(aT

=

100 case):

a.)

sandy soil; b.)

IOa111Y

soil; and c.)

clayey soil.

The positive values imply the net lnoisture

gain,

the negative values iInply l1loisture loss. SYl1lbols with lighter color denote the data

points for the

ev

dOlnain, the darker color corresponds

to the data points for the

ex

dOlnain.

spatio-tenlporal

dynamics.

The following analysis identifies these features.

One lnay observe that the pattern

of association

of primary productivity

with the

site annual irradiance,

shown in Figure 6-14, strongly resenlbles the "E-curve" intro-

duced in Section 5.3.

In fact, if site productivity

is considered

separately

for each

value of the total nUlnber of upstrealn

contributing

elements

("1"

corresponds

to the

elelnent itself), it can be demonstrated

that the E-shaped pattern

is persistently

re-

peated in the simulation

results (Figure 6-17). As can be observed, the productivity

nlagnitude

grows downstrealn

and the "E-curve" pattern

becomes

"noisier".

Since

the hydrological

fluxes and soil nloisture states are inherently

connected

to the spa-

tial distribution

of vegetation

productivity,

it is important

to identify the primary

controlling factors that lead to such a structure.

A distinction

can be nlade between the upstream

elements contributing

their flow

on a global and contiguous basis.

The former are conventionally

defined as all up-

stream

elements contributing

their surface-subsurface

flow to a considered

element.

The latter are defined here as those that contribute

their flow and are immediately

contiguous to a given element, i.e., represent a complete or partial subset of contribut-

ing elements defined on the global basis. A larger nUlnber of contiguously contributing

elements at a given location can be associated with a higher degree of terrain concav-

354

a.) Base case

b.) Soil anisotropy a

r

=

1000

ANPP [g C I

sq.

m ground area]

31.59 - 33.64

33.64 - 35.68

35.68 - 37.73

37.73 - 39.78

_

39.78-41.83

_

41.83 - 43.88

ANPP [g C

I

sq.

m ground area]

32.1 - 35.22

35.22 - 38.34

38.34 - 41.83

_

41.83-44.58

_

44.58 - 47.71

_

47.71 - 50.83

Figure 6-16: The mean annual Above-ground

Net Primary

Productivity

simulated

for

C

4

grass on loamy soil for the CX domain:

a.) the

base

case; and b.) the

a

r

=

1000

case. The units are given at the element scale and refer to the actual inclined ground

surface area.

20-2400

..........................

~

...

3

2

.,,, ••••••.•

7/\.

"'.

'.1' .. /' .• '" .,,"

..

J ..'

.. 1

100

N~

90

I

E

80

~

a.

70

a.

Z

60

.:(

50

40

Number__of_contributing__elements'>Number of contributing cells

Figure 6-17:

Patterns

of ANPP

dependence

on site annual

irradiance

plotted

for

different sets of elements for sandy soil.

Each set contains

all elements

that

have

the same number of upstream

contributing

elements ("1" corresponds

to the element

itself) .

355

_

7.

'e

~10

...

~ .5

SANOY

0011

Number

of contributing

elements

(a) SANDY soil

LOAU'/ooII

Number of contributing

".menb

(b) LOAMY

soil

CLAYEY

0011

Number of eontributlng

".ments

(c ) CLAYEY

soil

Figure 6-20: The mean annual ANPP for the considered soil types with the anisotropy

ratio

aT

=

1000: a.) sandy soil; b.) loamy soil; and c.) clayey soil. The horizontal axes

are the site surface annual irradiance

and the global number of upstrean1 contributing

elements.

Only a subset of data points is shown, corresponding

to those locations

that have the number of contiguously

contributing

elements ranging from 0 to

1.

361

'E

~70

......

zas

«

SANDY

0011

3500

.&000

.t.5OO

5000

5500

eooo

6500

...,ltdlance

(MJ

m-

2

y•• ,')

(a) SANDY soil

~

35

......

Z30

«

LOAMY

00II

.&000

4500

5000

5500

eooo

5500

Irradlanc.

[MJ m-'

y ..... -')

(b) LOAMY soil

4000

4500

5000

5500

1000

S500

Irradlance

[MJ

m-' yeer-')

(c ) CLAYEY

soil

Figure 6-21: The mean annual ANPP for the considered soil types with the anisotropy

ratio

aT =

1000: a.) sandy soil; b.) loamy soil; and c.) clayey soil. The horizontal axes

are the site surface annual irradiance

and the global number of upstream

contributing

elements.

Only a subset of data points is shown, corresponding

to those locations

that have the number of contiguously

contributing

elements ranging from 0 to 1. The

three-dimensional

plots are oriented

such that the resulting

pattern

of data points

composes the "E-curve".

362

15

10

-5

-10

-15

-20

-25

-30

--3S

SANDY

eo.

.:

Number__o._contributing__elMMnt.'>Number

of

contributing

cell.

(a) SANDY soil

E

2

!.

.

F

0

1

-; -2

:i

.

Z

-4

:.:

/:.

-2

..

CLAYEY

soil

.:

.....

'."

.....

"

.....

,".

Number 01 contributing

cel ••

(c )

CLAYEY

soil

LOAMY

ooa

...........•

Number

of contributing

cell.

(b) LOA:NIY

soil

8000

Figure 6-25: The mean annual net lateral drainage for the considered soil types with

the anisotropy

ratio

aT =

1000: a.) sandy soil; b.) loamy soil; and c.) clayey soil.

The horizontal

axes are the site surface annual irradiance

and the global number of

upstream

contributing

elements.

Only a subset of data points is shown, corresponding

to those locations that have the number of contiguously

contributing

elements ranging

from

a

to 1.

366

SANDY

0011

LOAMY

0011

..

~

..

~

..

.

.•

..

~""

.'

.

. -*'

;

.....

.:---

. *~

. -"

"

~

..

,'

..

-~

.',

X/.: .

.

.

...

/

3500

4000

4500

SOOO

S500

&000

6500

Irradianc:.

(MJ

m-

2

yea,.')

.....

-..~t.~

.._~.:

....

~.~

..-

'tIII, .. --

.

--:

•.

,

~.-

A.

t.,.

...........

/

3500

4000

4500

5000

5SOO

6000

6SOO

7000

7500

eooo

Irradlance

(MJ

m-2 yea,')

0.125

0.105

0.135

(a)

SANDY

soil

(b)

LOArvIY

soil

CLAYEY

0011

~

0.605

]

~

06

j

0.595

~

059

0585

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

trradlance (MJ m-

2

Y••

'-'1

(c )

CLAYEY

soil

Figure 6-26: The rnean growing season root soilrnoisture

for the considered soil types

with the anisotropy ratio

aT

=

1000: a.) sandy soil; b.) loarny soil; and c.) clayey soil.

The horizontal

axes are the site surface annual irradiance

and the global nurnber of

upstream

contributing

elernents. Only a subset of data points is shown, corresponding

to those locations that have the number of contiguously

contributing

elernents ranging

from

a

to

1.

The three-dirnensional

plots are oriented such that the resulting

pattern

of data points con1poses the "E-curve".

367

SANDY

ooIl

LOAMY 0011

4500

5000

S500

8000

6500

7000

7500

8000

nedlance

(MJ

tn-l,_-')

2

3

4

5

4500

5000

S500

8000

6500

7000

7500

8000

IIT.dlonc. [MJ m-2

y .... -')

eo

55

50

;

45

...

~

40

35

2

30

3

4

5

.......

1...

P"

•

P

••

~

••

J

..

t

."

.~

.~

...

·...tt.

'i .

I

............

;~\,

...

95

70

80

100

90

'O'E

..

~

85

(a)

SANDY

soil

(b)LOANIY

soil

CLAYEY 0011

4500

!iIlOO

S500

6000

6500

7000

7SOO

Irrodl.nc.

[MJ m

-2

y.,-']

(c)

CLAYEY

soil

Figure 6-28: The mean

annual ANPP

for the considered soiltypes with the anisotropy

ratio

aT

=

1000: a.) sandy

soil;b.) loamy

soil; and c.) clayey soil. The

horizontal

axes are the site surface annual

irradiance and the contiguous number

of upstream

contributing elements. Only a subset of data points is shown,

corresponding

to those

locations that have the number

of contiguously contributing elements

exceeding

one.

The three-dimensional

plots are oriented such that the resulting pattern of data points

composes

the "E-curve".

369

a.) Base case

ANPP [g C

I

sq.

m ground area]

31.59 - 33.64

33.64 - 35.68

35.68 • 37.73

37.73 - 39.78

_

39.78 - 41.83

_

41.83-43.88

b.) Surface sealing with runon

ANPP [g C

I

sq.

m ground area)

13.09 - 23.56

23.56 - 32.58

32.58. 38.69

_

38.69 - 59.06

_

59.06 - 94.08

_

94.08.132.06

Figure 6-30: The mean annual Above-ground Net Primary Productivity

simulated

for C

4

grass on loamy soil for the CX domain: a.) the

base

case; and b.) the surface

sealing with runon case. The units are given at the element scale and refer to the

actual inclined ground surface area.

to re-infiltrate at downstream locations.

As can be seen in Figure 6-30, the runon scenario leads to an extremely high

spatial differentiation of grass productivity.

When compared to the

base

case scenario

(Figure 6-30a), one can observe significantly smaller values of ANPP for the hillslope

parts of the terrain and much higher values for the convergent topographic locations.

Clearly, the lateral moisture redistribution

causes substantial

changes in the overall

catchment vegetation-water-energy

dynamics.

Non-local

features of topography, such

as upstream drainage area and curvature, significantly contribute

to the vegetation

spatia-temporal

dynamics.

Figure 6-31 uses the same type of plot as Figure 6-18 to illustrate the difference

in effects of the

global

and

contiguous

contributing

areas.

The selected data points

correspond to locations with up to 3

globally

upstream elements. As the figure shows,

372

_ro

'E

too

""",

11

10

9

SANOY.oil

(a) SANDY soil

CLAVEVooH

LOAMY

.....

• 01

conbibuting

elements

(b) LOAMY

soil

, 01 conblbuUng _

...

111

(c ) CLAYEY

soil

Figure 6-33: The mean annual ANPP

for the considered

soil types (the simulation

scenario involves soil surface partial

sealing with runon mechanism):

a.) sandy soil;

b.) loamy soil; and c.) clayey soil. The horizontal

axes are the site surface annual

irradiance

and the

global

number of upstream

contributing

elements.

Only a subset

of data points is shown, corresponding

to those locations

that have the number

of

contiguously

contributing

elements ranging from

a

to

1.

376

SANDY

0011

ir,l1li~.II1...~ .....

.......................

Vl....

~.•.....•.•.......

....

.....

.

...

..

..

;

,

.

.. ..

..

f

•

Number

o. contributing

elMMnt.

(a)

SANDY

soil

~

0.&05

o

0.&

E

~

0.595

c

2

0.59

~

0515

:

.

::l

0.51

0.51

.

Number

of contributing

element.

(c)

CLAYEY

soil

LOAMY

0011

Number

O.

CXXlbibutlng

elem.nt.

(b) LOAMY

soil

Figure 6-34: The mean growing season root soil moisture for the considered soil types

(the simulation

scenario involves soil surface partial

sealing with runon mechanism):

a.) sandy soil; b.) loamy soil; c.) clayey soil. The horizontal

axes are the site surface

annual irradiance

and the global number of upstream

contributing

elements.

Only a

subset of data points is shown, corresponding

to those locations that have the number

of contiguously

contributing

elements ranging from 0 to 1.

377

Download 1,1 Mb.