Water extraction by tree fine roots in the forest floor of a temperate Fagus-Quercus forest

Abstract - Water retention and water turnover were investigated in the forest floor of a temperate mixed Fagus-Quercus forest on poor soil in NW Germany. By field and laboratory measurements the aim was to quantify the water extraction by those tree fine roots that concentrate in the superficial organic layers. The 8-10.5-cm-thick organic profiles stored up to 45 mm of water under Quercus trees but significantly smaller amounts under Fagus (and even less under Pinus trees in a nearby stand). The water retention capacity (i.e. the difference between saturating water content after wetting and water content prior to wetting) and the resulting percolation rate out of the forest floor were measured by infiltration experiments in relation to their dependence on the initial water content of the humus material. The water retention characteristics of the humus material differed from the sandy mineral soil material by i) a much higher maximum water content (porosity), ii) a higher storage capacity for water in the plant-available water potential range, and iii) a marked temporal variability of the water retention capacity. A one-dimensional water flux model for the forest floor of this stand has been developed. According to the model results, the forest floor contributed 27 % (in summer 1991) or 14 % (in summer 1992) to the stand soil water reserves, and 37 % (summer 1991) or 28 % (summer 1992) to the water consumption of this stand. Water was turned over in the forest floor twice as fast as in the underlying mineral soil; however, fine roots in the mineral soil apparently extract more water per standing crop of root biomass and, thus, are thought to operate more economically with respect to the carbon cost of water uptake. (© Inra/Elsevier, Paris.)

Résumé - Extraction de l'eau par les racines fines dans les horizons superficiels du sol d'une forêt tempérée de chênes et de hêtres. La capacité de rétention et les flux d'eau ont été analysés dans les horizons superficiels organiques du sol d'une forêt mélangée de chênes et de hêtres, sur un site pauvre du nord-ouest de l'Allemagne. L'objectif de ce travail était de quantifier l'extraction de l'eau dans le sol par les fines racines des horizons superficiels riches en matière organique. La capacité de stockage en eau de la tranche superficielle de 8 à 10,5 cm d'épaisseur atteignait 45 mm d'eau sous les chênes, mais était significativement plus faible sous les hêtres, et encore plus faible sous une pinède proche. La capacité de rétention en eau (calculée par la différence d'humidité entre la capacité de saturation avant et après humectation), ainsi que le taux de percolation sous l'horizon organique ont été mesurés par infiltration expérimentale, et mis en relation avec la teneur en eau initiale de l'humus. Les caractéristiques de rétention en eau de l'humus montrent des différences par rapport à un sol minéral de type sableux par a) une teneur en eau maximale très supérieure, liée à la porosité, b) une plus grande capacité de stockage de l'eau dans la gamme des potentiels hydriques utilisables par les arbres, et c) une forte variabilité temporelle de la capacité de rétention. Un modèle monodimentionnel de transfert d'eau dans les horizons de surface a été développé pour le peuplement étudié. Selon les simulations, la contribution de la couche organique assurait 27 % (en été 1991), ou 14 % (en été 1992) de la réserve en eau totale du sol, et 37 % (été 1991), ou 28 %( été 1992) de la consommation en eau du peuplement. Le renouvellement de l'eau dans la tranche superficielle était deux fois plus rapide que dans les horizons minéraux sous-jacents. Toutefois, le taux d'extraction d'eau par les racines fines était plus important par unité de biomasse racinaire dans les horizons minéraux ; de ce fait, ces racines ont montré un fonctionnement plus économique en terme de coût en carbone. (© Inra/Elsevier, Paris.)