Spatial patterns of evaporation in a small catchment

Abstract

Eine genaue Kenntnis der Verdunstung und ihrer Komponenten ist von großer Bedeutung für zuverlässige Vorhersagen der Land-Atmosphäre Interaktionen, für die Bewertung des Einflusses menschlicher Tätigkeiten auf den Klimawandel, sowie für Wasserwirtschaft und Landmanagement. Ziel dieser Arbeit war es, die räumlichen Muster der Verdunstung in einem kleinen landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebiet zu untersuchen. Der Fokus lag darauf, wie diese Muster entstehen, welche Umweltfaktoren für sie relevant sind, wie sie sich mit der Zeit verändern und ob eine Unterscheidung von pflanzlicher Transpiration und Bodenverdunstung zum Verständnis der Muster beiträgt.Diese Arbeit ist in fünf Kapitel gegliedert. Kapitel 1 führt in die Ziele und Forschungsfragen der Arbeit ein. In Kapitel 2 wird die Verdunstung in einem Maisfeld in der Wachstumsphase mittels stabiler Isotopen in ihre Komponenten aufgeteilt, um die Anwendbarkeit stabiler Isotope für diese Situation zu testen, und die Veränderung des Verhältnisses der Verdunstungskomponenten im Verlauf eines Tages besser zu verstehen. Es handelt sich dabei um das erste derartige Experiment, das Isotope verwendet für eine komplexen Kronenstruktur von Mais während der Wachstumsphase zwischen Keimling und adulter Pflanze verwendet, bei der sich die Krone vollständig schließt. Durch den zeitgleich als Kontrolle gemessenen Saftstrom, konnte gezeigt werden, dass sich die Isotopenmethode auch für Mais eignet. Während des Experiments hingen die Transpiration und die Bodenverdunstung von der Verfügbarkeit des Bodenwassers in der obersten Bodenschicht ab. Nach einem Niederschlagsereignis verringerte sich ihr Verhältnis stark, gefolgt von einem Anstieg während des Austrocknens der obersten Bodenschicht. Der tägliche Verlauf von Verdunstung und Transpiration ist insgesamt deutlich besser mit der Sonneneinstrahlung korreliert als mit dem Wasserdampfdruckdefizit.Kapitel 3 geht weiter auf die Verdunstungskomponenten ein und vergleicht verschiedene Methoden der Lagrangeschen Dispersionsanalyse und stabiler Isotopen. Während die meisten Isotopenmethoden zur Verdunstungsaufteilung eine Beprobung des Bodens oder der Pflanzen erfordern, und daher unter heterogenen Bedingungen weniger zuverlässig sind, erlaubt die Lagrangesche Dispersionsanalyse eine Aufteilung der Verdunstung alleine auf Basis von Proben des Wasserdampfes in der Krone. Die vorliegende Untersuchung zeigt, dass mit beiden Methoden ähnliche Ergebnisse erzielen, doch liefert die Methode der stabilen Isotope eine größere Menge nutzbarer Daten, und die Varianzen sind geringer. Diesen Vorteilen stehen jedoch die Notwendigkeit zusätzlicher Messungen und Analysen, sowie die sich aus der erforderlichen Stationaritätsannahme ergebenden Unsicherheiten gegenüber.Kapitel 4 untersucht die räumlichen Verdunstungsmuster im Hydrological Open Air Laboratory (HOAL; Hydrologisches Freiluftlabor) in Niederösterreich unter Verwendung räumlich verteilter Eddy Covarianz Stationen und Messungen zur Berechnung der Wasserbilanz von Teileinzugsgebieten. Vorhergehende Forschungsarbeiten waren zumeist auf kurze Zeiträume begrenzt, während diese Arbeit die Ergebnisse aus einer achtjährigen Forschungstätigkeit enthält. Die Ergebnisse zeigen, dass die täglichen und saisonalen Verdunstungsmuster im landwirtschaftlich bewirtschafteten Teil des Einzugsgebiets stark an die Fruchtfolge gekoppelt sind, während sich ihr Einfluss über das Jahr gesehen herausmittelt. Wenn die Gewässerrandstreifen in die Betrachtung einbezogen werden, dann führt deren dauerhafte Vegetation zu jährlichen Mustern der Teileinzugsgebiete. Die jährlichen Schwankungen der mittels der Eddy Covarianz Stationen gemessenen monatlichen Verdunstung werden hauptsächlich von der Nettostrahlung und der Lufttemperatur beeinflusst. Die unterschiedlichen Verfahren zur Bestimmung der Verdunstung des gesamten Einzugsgebiets sind in Jahren mit überdurchschnittlichen Niederschlägen nur dann konsistent, wenn Wasserspeicherung und Wasserverlust in den regionalen Aquifer berücksichtigt werden.Diese Arbeit erweitert unsere Kenntnisse über die Verdunstung und deren Rolle im Wasserkreislauf in kleinen landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebieten. Sie ist eine der ersten Langzeitanalysen der räumlichen Verdunstung auf dieser räumlichen Skala und zeigt die Bedeutung genauer Informationen über die Landnutzung für die Untersuchung und Modellierung vornehmlich landwirtschaftlich genutzter Einzugsgebiete.Die Ergebnisse zeigen wie wichtig es ist, die Wasserbilanz-Methode zu überprüfen in Hinblick darauf ob die Bilanz geschlossen werden kann. Für die Überprüfung wird eine Methode vorgestellt, bei der die mit Eddy Covarianz gemessene Verdunstung mittels Vegetationdaten auf die Gebietsebene skaliert wird. Zwei Methoden der Verdunstungsaufteilung wurden evaluiert, die einen direkten Einblick geben, wie sich das Transpirationsverhältnis als Reaktion auf die Umweltbedingungen ändert und wie eine detaillierte Kenntnisse des Pflanzenwachstumsstadiums, der Bodenfeuchte und der Niederschlagsintensität verwendet werden kann, um die Transpiration zu modellieren und ihre Dynamik richtig zu erfassen.

Accurate knowledge of evaporation and its components is of great importance for reliable predictions of land-atmosphere interactions, for assessing the impact of human activities on climate change, as well as for water and land management. The objective of this thesis is to investigate the spatial patterns of evaporation in a small agricultural catchment, focusing on how these patterns are formed and what their environmental drivers are, how they change in time, and if we can further our understanding of these patterns by partitioning the evaporation into components, transpiration and soil evaporation.This thesis is organised into 5 chapters, with Chapter 1 providing an introduction and outlining the objectives and research questions of the thesis. The aim of Chapter 2 is to partition evaporation in a growing maize field to test if the stable isotope method can be used in these conditions and to study how the evaporation partitioning ratio changes on a daily time scale. This experiment was the first study to focus on using the stable isotope method for the more complex canopy structure of maize during the growth stage between seedling and adult, where the canopy closes as the plant grows. Using sap flow sensors installed concurrently in the field as a control, the method is shown to also be appropriate for maize. During the experiment the amount of soil evaporation and transpiration is dependent on the availability of soil water in the upper layer of the soil, with a general pattern of a large decrease in the ratio of transpiration to soil evaporation following a precipitation event, followed by an increase, due to the drying out of the upper layer of the soil. The diurnal patterns of both evaporation and transpiration are much better correlated with solar radiation than with vapor pressure deficit.Chapter 3 went further into evaporation partitioning comparing the different methods of Lagrangian dispersion analysis and stable isotopes. While most isotope partitioning methods require some sampling of the soil or plants, and are therefore less reliable in heterogenous conditions, the Lagrangian dispersion analysis method offers the possibility of partitioning evaporation using just sampling of the water vapour within the canopy. The study shows that the two methods give similar results, however, the stable isotope method returns a much larger amount of useable data, as well as having a lower within-day variance. This is offset by the need for more additional measurements and analysis, as well the uncertainty due to the need for the Isotopic Steady State assumption.Chapter 4 investigates the spatial patterns of evaporation in the Hydrological Open Air Laboratory (HOAL) using spatially distributed eddy covariance stations and subcatchment water balances. Previous research has tended to be of a short duration, this study however was conducted over eight years. The results show that the daily and seasonal patterns of evaporation in the agricultural area of the catchment are strongly linked to the crop cycle while at the yearly timescale, the patterns tend to be averaged out. When the riparian zone is included however the influence of permanent vegetation results in yearly patterns between the hydrological subcatchments. Year to year variability in monthly evaporation measured by the eddy covariance stations is driven primarily by net radiation and air temperature. The different catchment evaporation estimation methods are consistent during years with above average precipitation, only when water storage and leakage are included.In Chapter 5 a summary of the individual chapters as well the entire thesis is provided, along with a discussion of the wider implications of this research for evaporation measurements and modelling. This thesis has advanced our knowledge of evaporation and its role in the water cycle, its spatial patterns, and its components in small agricultural catchments. The work has provided one of the first long term analyses of spatial evaporation at this scale, showing the importance of detailed landuse information when agricultural catchments are to be studied or modelled. The results also show the importance of, and provide a method for, testing the water balance method for non-closure, by measuring and upscaling the evaporation using the eddy covariance method and vegetation. Two different methods of evaporation partitioning have been evaluated, providing direct insight into how the transpiration ratio changes in response to the environmental conditions and how detailed knowledge of the crop growingstage, soil moisture and precipitation intensities are needed when estimating the transpiration through modelling in order to correctly capture its dynamics.