Introduction to transpiration from plants

1. Riccardo Rigon
L’evapotraspirazione
Traspirazione
P.Sutton,Tree,1958-TateModern
Riccardo Rigon

2. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Traspirazione

3. 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

4. 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

5. 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

6. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
E’ limitata:
•dalla disponibilità di energia
•dalla disponibilità d’acqua
•dallo sviluppo della turbolenza
Traspirazione

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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
h
pressione di vapore
pv(0)
pv(h)

11. 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.
www.fsl.orst.edu/~bond/fs561/lectures/humidity%20and%20transpiration.ppt
!11
Top 2 Bottom: le foglie

12. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!12
Traspirazione
www.fsl.orst.edu/~bond/fs561/lectures/humidity%20and%20transpiration.ppt
Gli stomi sono una componente critica della traspirazione

13. 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

14. 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
log2
⇣
zm zd
z0
⌘

15. 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 incidente
fee dipende dal contenuto di vapore dell’atmosfera
fT dalla temperatura dell’aria
fM dal contenuto idrico del terreno

16. 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

17. R. Rigon, M. Dall’Amico
17
Suolo non saturo
Falda
Vegetazione
La fisica delle traspirazione
evaporazione dalle foglie
Kv :=
1
ra
=
✏
pa⇢v
k2
log2
⇣
zm zd
z0
⌘

18. R. Rigon, M. Dall’Amico
18
La fisica delle traspirazione
L’evapotraspirazione totale è :
ET = Ev + Tr

19. 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.
http://www.ctahr.hawaii.edu/faresa/courses/nrem600/10-02%20Lecture.ppt
!19

20. 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 (!).

21. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
Saturated Conductivity and Trees?
!21

22. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!22

23. 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.

24. 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://www.ictinternational.com.au/appnotes/ICT101.htm
!24

25. 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.
Wet
Dry
of
tion
es...
plant water use
Tmeasured
Tpotential
Tpotential(l h
1
m 2
)
Tmeasured(lh
1
m2
)
Tmeasured
Tpotential
Even in relatively mesic
environments, the degree of
stomatal control on transpiration
varies strongly across hillslopes...
Measuring plant wat
KellyCaylor,2011

26. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!26
The data we have is limited
and highly variable...
Leaf Area Index (m2/m2)
KellyCaylor,2011

27. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!27
E
E
E
E
T T
T
T
ctions of plant water use from models
gest large shifts in E/T partitioning
Dry Wet
KellyCaylor,2011
La partizione tra Evaporazione e Traspirazione può cambiare
drammaticamente

28. 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

29. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
ET
ET = v
1
r
(qr q0) = v C (qr q0)
!29

30. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
ET
r = ra Evaporazione da superfici liquide
r = ra + rs Evaporazione dai suoli
r = ra + rc Traspirazione dalle piante
!30

31. 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

32. 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
Fordaytimeconditionsofsimulationstb_stn004f
CourtesyofGiacomoBertoldi

33. 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
content
Photosynthesis increases with PaR
θwp
θfc
1. θfc vs. ψ fc
2. θwp vs. ψ fc
Fordaytimeconditionsofsimulationstb_stn004f
CourtesyofGiacomoBertoldi

34. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!34
IL LAI PUO’ ESSERE MISURATO DA SATELLITE

35. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!35
(⇥) =
⇤
⇥
0 ⇥ < ⇥wp
wp
cr wp
⇥wp < ⇥ < ⇥cr
1 ⇥ > ⇥cr
AET = (⇥) ET
Traspirazione
un approccio semplificato

36. L’Evapotraspirazione
Riccardo Rigon
!36
(⇥) =
⇤
⇥
0 ⇥ < ⇥wp
wp
cr wp
⇥wp < ⇥ < ⇥cr
1 ⇥ > ⇥cr
Traspirazione