4404138.pdf [Levina Tatyana Borisovna]

CLAYEY soil

0.15

i'-:-- -

Flat element

~

. -

ex

domain

I.

__

ev

domain

I :

0.1

.....

J

b.)

LOAMY soil

0.3

0.4

0.5

8root

I

8s

o

0.1

'7- •.

0.15

....

0.05

a.) SANDY soil

0.1

0.2

0.3

8root

I

8s

0.15

o

:c

Q,

0.1

"

CI)

ia

'5

E

en

0.05

Figure 5-11: The probability

density function of the Inean daily spatially-lulnped

root

soil water content

(as

Broot/Bs

for the first 30 cm of soil) estimated

over the 50-year

silnulation

period for both the

ex

and

ev

domains:

a.) sandy soil; b.) loamy soil;

c.) clayey soil. The data involve both growing and non-growing season periods.

tion forcing Inay lead to two Inaxin1a in the steady-state

probability

density function

of the surface soil 1110isture (top 10 em).

Building

on the analytical

framework

of

Rodriguez-Iturbe

et al.

(1999a), D'Odorico

et al.

(2000) showed that

bimodality

of the growing season root soil Inoisture

may elnerge under highly fluctuating

cli-

Inate.

D'Odorico

et al. (2000) illustrated

the sensitivity

of the bimodality

property

to various parameters

of their model concluding that:

"The bimodal character

of the

probability

distribution

of the average soil moisture

... results from the non-linear

dynan1ics operating

in the system, arising primarily

because of non-linearity

of the

losses".

Apparently,

the simulated situation is analogous to the one addressed by D'Odorico

et al. (2000), since it is the interplay

between the various hydrology processes that

leads to two preferential

states in the system.

It is necessary to note that bimodal-

ity of the soil water content of the root zone is not present in soils of finer texture

(Figure 5-11 b, 5-11c). In these soil types, as will be shown later, soil evaporation

is

the dominant

water balance component.

It

is therefore plausible that the emergence

of two distinct

statistical

modes for sandy soil is actively modulated

by the vegeta-

tion processes.

On the other hand, bimodality

does emerge for clayey soil when the

probability

density function is constructed

for water content in the top 1 em of the

286

'ii'

30

l!!

C1l

'0

C

~

~ 20

N

I

E

"j

.c

10

'E

o

E

E

oS

FLAT domain: a.) Mean annual cycle of transpiration

...

Sand

~

Loam

-V-

Clay

12

11

-B-

Sand

~

Loam

-V-

Clay

10

4

5

6

7

8

9

c.) Mean annual cycle of runoff

3

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

b.) Mean annual cycle of soil evaporation

.....

Sand

~

Loam

.....

-

......

'.-

"

..

-V-

Clay

2

"j

.c

'E

o

E

E

oS

0

1

'ii'

30

l!!

C1l

'0

C

~

~ 20

N

IE

'ii'

~

0.2

'0

c

~

E

0.15

Cl

N

IE

0.1

"j

.c

'E

~ 0.05

E

oS

12

11

......

Sand

~

Loam

-V-

Clay

10

9

8

...

'

'

"

:

~

...

6

7

Month

5

4

.......

........

..

.

...

3

2

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

d.) Mean annual cycle of capillary rise/drainage to/from the root zone

"j

.c

'E

0

o

E

E

oS

-2

1

Figure 5-13: The mean annual cycles of components

of the root zone water balance

for the fiat domain:

a.) transpiration;

b.) soil evaporation;

c.) runoff; d.) capillary

rise / drainage

to / from the root zone.

Note that

the fluxes are given in units of

depth per unit actual ground surface area.

291

'ii

30

f!!

III

'C

c:

:J

~ 20

N

IE

'j

~ 10

.

c

o

E

E

oS

ex

domain: a.) Mean annual cycle of transpiration

-S-

Sand

-e-

Loam

~

Clay

'ii

~

0.2

'C

c:

:J

e

0.15

Cl

N

I

E

0.1

'j

~

c

~ 0.05

E

oS

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-S-

Sand

-e-

Loam

~

Clay

11

12

12

11

10

9

8

6

7

Month

5

4

.......

....

.

...

3

d.) Mean annual cycle of capillary rise/drainge

tolfrom the root zone

.....Sand

-e-

Loam

~

Clay

2

'j

~

c

0

o

E

E

oS

-2

1

Figure 5-14: The mean annual

cycles of major components

of the root zone water

balance for the

ex

domain:

a.) transpiration;

b.) soil evaporation;

c.) runoff; d.)

capillary rise / drainage to / from the root zone. Note that the fluxes are estimated

in units of depth per unit actual ground surface area.

292

CV domain: a.) Mean annual cycle of transpiration

'i;'

30

~

IV

"C

c:

::J

~ 20

N

I

E

'j

=E

10

-

.

o

E

E

S

-B-

Sand

-e-

Loam

-V-

Clay

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

.

.

... . ...

....

. . ...

. .. ...

.. .

.

.

12

11

.....Sand

-e-

Loam

-V-

Clay

.....Sand

-e-

Loam

-V-

Clay

10

4

5

6

7

8

9

c.) Mean annual cycle of runoff

b.) Mean annual cycle of soil evaporation

..

.........

.. . .

.

.

3

2

'i;'

30

~

IV

"C

c:

::J

~ 20

N

I

E

'j

.c:

'E

o

E

E

S

0

1

'i;'

aI

~

0.2

"C

c:

::J

e

0.15

CI

N

IE

0.1

'j

.c:

'E

~ 0.05

E

S

12

11

-II-

Sand

-e-

Loam

-V-

Clay

10

9

8

6

7

Month

5

4

3

2

.........

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

.

.

......

'j

.c:

'E

a

o

E

E

S

-2

1

2

3

7

8

9

10

11

12

d.) Mean annual cycle of capillary rise/drainage

to/from the root zone

Figure 5-15: The mean annual cycles of major components

of the root zone water

balance for the

CV

domain:

a.) transpiration;

b.)

soil evaporation;

c.) runoff; d.)

capillary rise / drainage to / from the root zone. Note that the fluxes are estimated

in units of depth per unit actual ground surface area.

293

12

G..._--:..*

.......

.

'v-

0..

.

:,'/:

~

:

.... :

:

:

'P' .. '/ .. ~

'e'

< :

.

/

:

/

.

'"

..

:

:

/

;;

,~

:

:

/

/

-

"

.:

~

:."

..

.

.".~~

,

::.::~-

a.) Mean hourly spatial standard deviation of transpiration

...

04-

Sand - CV

-0-

Loam - CV

-v-

Clay -

CV

...

Sand - CX

-e-

Loam - CX

-V-

Clay -

CX

1lI-

:

.....

:

:

:

:

~.

~:

~.~.,

:

:

.

..

~

:

":

.

.

~:."."'"

.......

~,

.

~

..

,

..

r ~';""

I!f' . ; '/ .:..

''':'v~'.,. ~ : , " . :

.

,.

:;

~

.

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

:

....

~

:.~

....

,

,

,

....

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

x

1

cJY.)

Mean hourly spatial standard deviation of under-canopy

soil evaporation

ca

3

~

CIS

'0

C

g

2

C,

N

IE

1

~

o

2

~

E

£

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

x

10-

3

c.) Mean hourly spatial standard deviation of bare soil evaporation

12

12

11

10

9

8

6

7

Month

5

4

3

....

/:

/

....

~

:

:

..

/

.•.....

..

-

..

/

;:

-

-

..

-

-:..

-v- - ~

;

."

""'0-

-

-0;

..

,

:

.

2

I...

:J

o

~

E

£0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

x

10-

3

d.) Mean hourly spatial standard deviation of capillary rise I drainage

2

ca

~

CIS

'0

5

1.5

o

C,

N

IE

Figure 5-16: The mean annual cycle of hourly spatial standard

deviation

of moisture

fluxes within

the

ev

and

ex

domains:

a.)

transpiration;

b.)

under-canopy

soil

evaporation;

c.) bare soil evaporation;

d.) capillary rise / drainage to / from the root

zone.

Note that the fluxes are estimated

in units of depth per unit actual

ground

surface area.

294

FLAT domain a.) Mean annual cycle of vegetation

fraction

0.8

0.6

IOA

0.2

2

3

456

7

8

9

b.)

Mean annual cycle of ANPP

10

11

12

25

'ii

~ 20

'tl

5

15

o

m

~

10

E

o

S

5

....

.........

.

.

.

-S-

Sand

-e-

Loam

-V-

Clay

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

IO.

O.

c.)

Mean annual cycle of root moisture

factor

...

Sand

-e-

Loam

-V-

Clay

0.2

1

2

3

4

5

6

7

Month

8

9

10

11

12

Figure 5-17: The mean annual cycles of: a.) vegetation

fraction; b.) Above-ground

Net Primary

Productivity

(ANPP);

c.) root moisture transpiration

factor {3T for the

fiat domain.

295

ex

domain:

a.) Mean

annual

cycle of vegetation fraction

0.8

0.6

IOA

0.2

..

---s:

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

b.) Mean

annual

cycle of ANPP

25

....

Sand

ftj'

~ 20

-e-

Loam

"0

-V-

Clay

c:

g

15

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

c,

(II

10

I

E

0

5

S

'"

.

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

c.) Mean

annual

cycle of root mositure

factor

...

Sand

-e-

Loam

-V-

Clay

IO.

O.

0.2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Month

Figure 5-18: The mean annual cycles of: a.) vegetation fraction; b.) Above-ground

Net Primary Productivity

(ANPP); c.) root moisture transpiration factor

/3T

for the

ex

domain.

296

CV domain: a.) Mean annual cycle of vegetation

fraction

0.6

.

0.8

0.2

2

3

4

5

6

7

8

9

b.) Mean annual cycle of ANPP

10

11

12

...

Sand

-e-

Loam

-V-

Clay

25

.

'ii

;

20

:

:

'

'

'..

'0

5

15

.

e

.

en

~

10

E

~

5

:

:

:-

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

c.) Mean annual cycle of root moisture factor

0.8

1:0.

-iii-

Sand

-e-

Loam

-V-

Clay

0.2

1

2

3

4

5

6

7

Month

8

9

10

11

12

Figure 5-19: The mean annual cycles of: a.) vegetation

fraction; b.) Above-ground

Net Primary

Productivity

(ANPP);

c.) root moisture transpiration

factor {3T for the

CV

domain.

297

-~

"

"v

.......

..;a~ ...

""0

.,-.",

. - :"":Q~

-

-<»,

, .....

....

-

......

.

"

.

..,.

a.) Mean hourly spatial standard deviation of vegetation fraction

-a.

Sand - CV

~-

Loam - CV

-v-

Clay -

CV

-e-

Sand - CX

~

Loam-CX

T-

Clay -

CX

0.06

0.04

0.02

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

b.) Mean hourly spatial standard deviation of ANPP

0.015

'iii"

)t---a....

:

~

......

11l

,

:

:

....

,

'C

0.01

........

~.

."'-

.

-..:

c:

..

::J

0

;:

.... ()o.

__

~

OJ

'"

...:.;

....

....

C'I

I

E 0.005

,-

.

..JI' .....:..

u

;

,.

~

,

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

c.) Mean hourly spatial standard deviation of root moisture factor

2

3

4

5

6

7

Month

8

9

10

11

12

Figure

5-20:

The mean annual

cycle of hourly spatial

standard

deviation

of: a.)

vegetation

fraction;

b.) Above-ground

Net Primary

Productivity

(ANPP);

c.) root

lnoisture transpiration

factor

/3r

within the eVand

ex

domains.

298

a.)

ex

domain

AN PP [g C I sq. m ground area]

50.8 - 54.49

54.49 - 58.18

58.18 - 61.87

61.87 - 65.56

65.56 - 69.26

69.26 - 72.95

72.95 - 76.64

_

76.64 - 80.33

_

80.33 - 84.02

_

84.02 - 87.71

200

0

200

Meters

r--_

I

Figure

5-21: The mean annual

Above-ground

Net Primary

Productivity

(ANPP)

simulated

for C

4

grass on sandy soil type:

a.)

CX domain;

b.)

CV dOlnain.

The

units are given at the element scale and refer to the actual

inclined ground surface

area.

299

0.1

a.) SANDY soil

'iQ

~

lU

'0

c:

:::J

o

h

Cl

N

I

E

E

.s

-0.05

a

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

b.) LOAMY soil

0.15

r-----.-----r-~-___r___,

0.1

'" .

0.05

-0.05

-.,

a

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

c.) CLAYEY soil

a

.15

I~-;:::::::::==:::::::==~:;l

I ~

Flat element

I

0.05 ...

-0.05

.

a

0.2

0.4

0.6

0.8

Slope [rad]

Figure

5-22: The nlean sirl1ulated net lateral

exchange

in the root zone during

a

growing season for three considered

soil types.

Positive values imply moisture

gain,

while negative values inlply 11loisture loss.

Before proceeding further, it is important

to pre-determine

if any of the processes

of spatial interaction

in the two domains are significant under the imposed hydromete-

orological forcing and soil-topography

characteristics.

This should elucidate whether

the dynamics in certain terrain locations can be considered as independent

from those

of the rest of the landscape.

Since the subsurface lateral exchange in the unsaturated

zone is the only form of spatial interaction

between the elements allowed in the base

case scenario,

it would be relevant

to evaluate the magnitude

of the net subsurface

flux in the systell1s during a growing season. It should be noted that the net flux does

not provide information

on how much moisture

coming from upstream

elements is

used for transpiration.

The net flux rather

represents

only an approximate

measure

of the significance of lateral effects on vegetation

dynamics.

Figure 5-22 illustrates

the 50-year Inean net flux in the grass root zone during a growing season for different

slope 111agnitudes and soil types. As cOlllpared to the total amount of annual rainfall,

244

mm, the lllaximum

of the total net subsurface

flux does not exceed 0.06% (for

sandy soil). Consequently,

it appears

that under the imposed conditions

of the base

case scenario,

the subsurface

lateral

moisture

exchange should not significantly

af-

fect the vegetation-hydrology

dynamics.

Therefore, it is appropriate

for the following

analysis to consider dynamics at the elenlent scale as spatially-independent.

The local

terrain

features,

such as aspect

and slope, are the key determinants

of the overall

dynamics

at a given site. Discussion in the following will corroborate

this statement.

300

SANDY

soil

LOAMY

soil

CLAYEY

soil

250

E

oS

200

I-

W

150

4000

6000

8000

250

200

150

4000

6000

8000

250

200

150

4000

6000

8000

I

0

Flat element

I ..

E

2

oS

1.5

g

1 ..

:J

a:

0.5

.

2.5

o

4000

6000

8000

2.5

2

1.5

.

0.5

o

4000

6000

8000

2.5

2

1.5

0.5

o

4000

6000

8000

E

oS

0.2

~

.. ~. ~FI~tilt.

~I.e.ment

':

.

,~0.1

.

~

'

~

0

.. .)

m

-.c

i

...

(j)

-0.1

z

4000

6000

8000

Jrradiance

[MJ m-

2

year-

1

)

4000

6000

8000

Irradiance

[MJ m-

2

year-

1

)

4000

6000

8000

Irradiance

[MJ m-

2

year-

1

)

8000

6000

.4000

6

.

4

2

"

.

o

.~

o

-2

0.1

.

0.2

-0.1

8000