Free access
Issue
Ann. For. Sci.
Volume 55, Number 1-2, 1998
Page(s) 191 - 216
DOI http://dx.doi.org/10.1051/forest:19980112
Ann. For. Sci. 55 (1998) 191-216
DOI: 10.1051/forest:19980112

Scaling xylem sap flux and soil water balance and calculating variance: a method for partitioning water flux in forests

Ram Oren, Nathan Phillips, Gabriel Katul, Brent E. Ewers and Diane E. Pataki

Nicholas School of the Environment, Duke University, Durham, NC 27708-0328, USA

Abstract - To partition evapotranspiration between canopy and subcanopy components in a 12-m-tall Pinus taeda forest and to assess certain aspects of environmental regulation of canopy transpiration, we quantified water flux in a forest using three approaches: 1) measuring water flux in xylem of trees, and scaling to stand transpiration of canopy trees (EC); 2) measuring soil water content and saturated conductivity, and modeling drainage to estimate total evapotranspiration (ET) during rainless days based on a local water balance (LWB); and 3) using an eddy correlation approach to estimate total ET. We calculated variances for each estimate, and proposed an approach to test for differences between estimates of EC and ET. Diurnal 'patterns' in water uptake were similar using direct measurements in stem xylem and LWB. However, LWB was found to be inappropriate for estimating 'absolute' ET diurnally when changes in soil moisture between consecutive measurements were small. Eddy correlation estimates of ET are of a higher temporal resolution than xylem flux measurements made in branches. Diurnal flux patterns in branches are more similar to the pattern generated by eddy correlation than those in stems. However, differences between the patterns indicate that patchiness in branch transpiration may preclude using branch xylem flux measurements to estimate canopy conductance. In one stand, daily EC accounted for ca 70 % of total ET estimated by either LWB (in a separate study) or the eddy correlation approach; the difference between ET and EC was significant based on variances calculated to account for spatial variation in each. Regardless of the vapor pressure deficit, EC decreased linearly with soil moisture from 2.5 to 1.5 mm d-1 over a 9-d drying cycle, as soil moisture in the rooting zone (ca 0.35 m depth) declined by 23 mm. (© Inra/Elsevier, Paris.)


Résumé - Une méthode pour séparer les flux hydriques en forêt basée sur l'extrapolation des mesures de flux de sève, le bilan hydrique et le calcul des variances. Dans le but de séparer, dans l'évapotranspiration d'une forêt de Pinus taecla de 12 m de hauteur, la participation des arbres de celle du sous-étage, et d'évaluer les caractéristiques de la régulation de la transpiration des arbres, les flux hydriques ont été quantifiés à partir de trois approches complémentaires : a) la mesure du flux de sève brute dans les arbres, permettant de calculer la transpiration du peuplement (EC) ; b) le bilan hydrique local (LWB), à partir de la mesure de la teneur en eau du sol, de la conductivité hydraulique du sol à saturation, et de la modélisation du drainage pour estimer l'évapotranspiration totale (ET) pendant des périodes sans pluie ; c) la mesure, d'ET au moyen de la méthode des corrélations turbulentes. Les variances de chaque estimation ont été calculées, et une approche pour tester les différences entre EC et ET a été proposée. Les variations journalières de consommation en eau à partir du flux de sève étaient similaires à celles obtenues à partir du bilan hydrique. Néanmoins, la méthode LWB s'est montrée inadéquate pour estimer les variations absolues d'ET lorsque les variations de teneur en eau du sol étaient faibles. L'estimation de ET au moyen des corrélations turbulentes a montré une plus forte résolution temporelle que celle basée sur la mesure de flux de sève dans les branches. Une plus grande similitude des variations journalières d'ET a été montrée entre les méthodes des corrélations turbulentes et du flux de sève dans les branches qu'avec le flux de sève mesuré dans les troncs. Toutefois, des différences dans les allures de courbes semblent indiquer qu'il existe une hétérogénéité de la transpiration des branches, ce qui exclut l'utilisation de cette méthode pour évaluer la conductance du couvert. Dans une des parcelles, EC journalier a atteint environ 70 % d'ET estimé par la méthode LWB (cf. une autre étude), ou par les corrélations turbulentes. À partir du calcul des variances, pour prendre en compte la variabilité spatiale des différentes estimations, on a pu montrer que la différence entre ET et EC était significative. En dehors de l'effet du déficit de saturation de l'air, EC a montré une diminution linéaire avec l'humidité du sol, pour passer de 2,5 à 1,5 mm/j, sur une période de 9 j de dessèchement, tandis que l'humidité du sol dans la sphère racinaire (qui s'étend sur environ 0,35 m de profondeur) diminuait de 23 mm. (© Inra/Elsevier, Paris.)


Key words: canopy transpiration / subcanopy evapotranspiration / sap flux / soil water balance / variability

Mots clés : transpiration du couvert / transpiration du sous-étage / flux de sève / bilan hydrique / variabilité