M4 Evapotranspiration und Pflanzenkontrolle

Thema

Die Evapotranspiration ist der Wasserverlust von der Erdoberfläche – sowohl aus dem Boden als auch aus der Vegetation – in die Atmosphäre als Wasserdampf. Sie vereint zwei unterschiedliche Prozesse in einem einzigen Fluss: die direkte Verdunstung vom Boden und offenen Wasseroberflächen sowie die Transpiration der Pflanzen über ihre Blätter. Innerhalb des gesamten Wasserkreislaufs ist sie der zweitgrößte Fluss, nur übertroffen vom Niederschlag selbst. Weltweit gelangen etwa 60 Prozent des gesamten Niederschlags, der auf Land fällt, durch Evapotranspiration wieder in die Atmosphäre.

Die tatsächliche Evapotranspiration ist stets gleich oder geringer als die potenzielle Evapotranspiration, die die Atmosphäre tragen könnte. Bei ausreichendem Wassergehalt im Boden und günstigen Bedingungen kann die tatsächliche Evapotranspiration der potenziellen Evapotranspiration vollständig entsprechen. Sobald der Boden jedoch auszutrocknen beginnt oder die Pflanzen ihre Spaltöffnungen schließen, sinkt die tatsächliche Evapotranspiration unter die potenzielle.

Die Penman-Monteith-Gleichung bildet den physikalischen Rahmen zur Berechnung der potenziellen Evapotranspiration, wobei der Widerstand der Vegetationsdecke als praktisch vernachlässigbar angenommen wird, sowie der tatsächlichen Evapotranspiration, die stattdessen einen positiven Widerstand der Vegetationsdecke berücksichtigt, der die Kontrolle durch die Stomata widerspiegelt. Der atmosphärische Bedarf dieses Systems wird durch die verfügbare Nettostrahlung (nach Abzug des Wärmeflusses zum Boden) und das Dampfdruckdefizit der Luft bestimmt – die Differenz zwischen dem Dampfdruck der Luft im gesättigten Zustand und ihrem tatsächlichen Dampfdruck. Je größer dieses Dampfdruckdefizit, desto höher ist der letztendliche Verdunstungsbedarf der Atmosphäre an der Oberfläche.

Das für die Evapotranspiration benötigte Wasser gelangt über Matrixfluss und Kapillarwirkung vom Boden zu den Pflanzenwurzeln. Sinkt die Bodenfeuchte jedoch unter den permanenten Welkepunkt (eine Saugspannung von etwa 1500 Kilopascal), reicht diese Versorgung nicht mehr aus, um den atmosphärischen Bedarf zu decken. Genau diese Unterversorgung führt zu der Diskrepanz zwischen tatsächlicher und potenzieller Evapotranspiration. Die Stomataregulierung ist der zentrale biologische Mechanismus, der diese gesamte Beziehung steuert: Bei zunehmendem Bodenwassermangel schließen sich die Blattspaltöffnungen, um ein Austrocknen des Blattes zu verhindern. Dieser Verschluss reduziert die Transpiration, aber auch die Kohlenstofffixierung der Pflanze. Der Widerstand der Stomata gegen den Wasserdampfdurchtritt steigt exponentiell mit zunehmendem Bodenwasserstress, extremeren Temperaturen und steigendem atmosphärischem Dampfdruckdefizit. Modelle, die Boden, Vegetation und Atmosphäre gemeinsam abbilden, parametrisieren diese Stomataregulierung als multiplikative Funktion, die genau diese Stressfaktoren kombiniert.

Das erwartete Verhalten dieses Gesamtsystems umfasst einen ausgeprägten Tagesgang der Evapotranspiration mit einem Maximum um die Mittagszeit und einem Minimum in der Nacht; eine saisonale Schwankung mit einem Maximum im Sommer, wenn die Evapotranspiration hoch und der Boden noch feucht ist; und eine abrupte Reduzierung der Evapotranspiration, sobald der Boden ausreichend abgetrocknet ist. Somit ergibt sich aus dem Übergang von Wasser in die Atmosphäre, mit dem dieses Dokument beginnt, bis zu der abrupten Reduzierung, mit der es endet, über die Beziehung zwischen tatsächlicher und potenzieller Evapotranspiration, die Penman-Monteith-Gleichung, die Wasserzufuhr aus dem Boden und die stomatäre Kontrolle, die Evapotranspiration und die Pflanzenkontrolle, dass die Geschwindigkeit, mit der die Erde Wasser an die Atmosphäre zurückgibt, in jedem Moment davon abhängt, wie geöffnet oder geschlossen die Stomata der sie bedeckenden Vegetation sind.

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