Thesis
The use of the high-capacity tensiometer as part of an integrated system to monitor the soil-plant continuum for geotechnical applications
- Creator
- Rights statement
- Awarding institution
- University of Strathclyde
- Date of award
- 2020
- Thesis identifier
- T16120
- Person Identifier (Local)
- 201677933
- Qualification Level
- Qualification Name
- Department, School or Faculty
- Abstract
- The presence of vegetation at the interface between the soil and the atmosphere is the situation most commonly found in nature. The hydrological regime in the vadose zone is therefore influenced by the presence of plants and by the mutual interaction between the different components of the soil-plant-atmosphere continuum. A better understanding of the hydrological response of a vegetated ground is key in several fields, from agriculture and the study of ecosystems to the use of vegetation as a remedial measure for a number of geotechnical problems (e.g. slope instability). The study undertaken in this dissertation aimed at improving the understanding of the hydraulic process of water removal from a vegetated system with the long term objective of ‘engineering’ vegetation to stabilise natural and man-made slopes. The initial focus was on the development of an integrated system for the monitoring of the hydraulic behaviour of the coupled soil-plant system in a coherent and consistent way. The work has then investigated the different mechanisms of water extraction occurring in a vegetated and a bare ground. A novel technique was developed to monitor the xylem water pressure. The High Capacity Tensiometer (HCT), developed by geotechnical researchers, was tested on plants to measure the xylem water pressure. The instrument showed it to be consistent with techniques routinely used in plant science, both in the field and laboratory conditions, for discontinuous and continuous monitoring of xylem water pressure. The novel procedure for the measurement of negative xylem water pressure is a step change in the study of continuous flow along the soil-plant system, especially in the geotechnical field. This allows the use of a single instrument to monitor the entire soil plant continuum. The effectiveness of vegetation in removing soil water by transpiration was then investigated. The overall methodology consisted in comparing the soil water regime generated by transpiration (from vegetated soil) with the one generated by evaporation (from bare soil), both in the laboratory and in the field. Two soil columns were developed, one vegetated and one left bare to compare the transpiration and evaporation respectively under the same laboratory atmospheric conditions. The experiments showed that differences in water extraction between bare and vegetated soils depend on whether transpiration/evaporation occurs in the water limited or energy limited regimes, with plants showing better efficiency in generating suction only in the case of water limited regime. For the case of bare ground, the concentration of water extraction at the soil-atmosphere interface generated high hydraulic gradients that, in turn, reduced the hydraulic conductivity of the soil at such an interface with the effect of reducing the outward flow. The outcome of the experiments was confirmed by numerical simulations. In these simulations, the water flow was modelled on the basis of the water pressure in the soil-plant system monitored using High-Capacity Tensiometers. The interpretation of the results allowed a more robust experimentally-based approach to be developed for the estimation of the coefficients of the Feddes function. The experimental setup validated at the laboratory was ‘scaled up’ to the field by monitoring a plantation of Poplar trees in Southern France for four months. The water content profile was monitored throughout the dry season and the following rainy period in a poplar vegetated area as well as in the adjacent ploughed (virtually bare) field. The results were interpreted based on the conceptual framework developed during the experiments undertaken under controlled conditions in the laboratory. The field test allowed the hydraulic behaviour of the SPAC to be monitored identifying potential and current limitations. In summary, this dissertation has developed a specific experimental procedure and tested the use of High-Capacity Tensiometers for the measurement of water pressure along the soil-plant system. Furthermore, it has configured an experimental setup to be implemented in the field for the study of the water extraction efficiency of vegetation considering the interplay between soil, plant, and atmosphere. -
- La stabilité des pentes, des berges et des structures de terre est déterminée par la force de cisaillement que le sol peut mobiliser. La portion supérieure du profil du sol (zone vadose) ainsi que les structures de terre sont généralement partiellement saturées et la force de cisaillement est affectée par la pression de l'eau interstitielle (négative) et le degré de saturation. Quand la quantité d’eau dans le sol est réduite, la pression d’eau interstitielle est épuisée, ce qui augmente la force de cisaillement. L’extraction d’eau du sol peut ainsi être vue comme une technique permettant de renforcer le sol et d’en améliorer sa stabilité. Une approche naturelle pour extraire l’eau du sol, consiste à exploiter la demande évaporative de l’atmosphère. Le problème de la transpiration des plantes est complexe, car il dépend d’un couplage entre le sol, les plantes et l'atmosphère. Cependant, il présente une opportunitée de contrôler activement le procédé d’extraction d’eau par la sélection adéquate d’espèces couvrant la surface du sol. Il en résulte que la végétation peut potentiellement être ‘conçue’ pour stabiliser les structures géotechniques. Ce travail propose un cadre expérimental pour l'étude de l'efficacité de la végétation à extraire l’eau du sol par transpiration, dont la méthodologie générale se base sur la comparaison entre la transpiration (depuis un sol végétal) et l’évaporation (depuis un sol nu), tant en laboratoire que dans le milieu naturel. L’étude expérimentale duprocessus de requiert ainsi le suivi continu des flux d’eau sol-planteatmosphère. Une nouvelle méthode a été développée pour suivre la pression d’eau du xylème : Le tensiomètre à haute-capacité (HCT) a été appliquée sur le xylème végétal pour mesurer la pression d’eau du xylème. Cette méthode a été validée en comparaison avec les méthodes usuelles utilisées en science des plantes. La nouvelle procédure est une évolution majeure dans l’étude des flux parce que il permet l’utilisation d’un seul instrument pour suivre la totalité de la continuité sol-plante. Le processus de transpiration a tout d’abord été étudié en laboratoire où deux colonnes de sol ont été développées, une avec végétation et l’autre laissée avec un sol nu pour comparaison de la transpiration et évaporation sous conditions atmos phérique équivalentes. Les colonnes étaient instrumentées pour suivre la quantité d’eau et lapression négative d’eau interstitielle et le taux de transpiration. Le résultat direct de ces tests en laboratoire est que la végétation n’a pas toujours un effet bénéfique. Dans le régime énergie-limitée, la combinaison de la résistance aérodynamique et de la résistance du canopée peut avoir une influence en faveur du sol nu ou végétal en fonction du type de végétation. Ceci a été démontré par les expériences en laboratoire. Dans le régime eau-limitée, l’effet de la végétation est toujours bénéfique car le mode d’extraction d’eau est différent. Ceci est apparent dans le temps que met le processus de transpiration à entrer en régime d’eau-limitée, qui est plus long dans un sol végétal que dans un sol nu. Les effets hydrauliques de la végétation ont finalement été étudiés en milieu naturel dans une plantation de peupliers à Montpellier, France. Le profil de contenu en eau a été suivi pendant toute la saison sèche et la période de pluie suivante dans une zone peuplée de peuplier ainsi que dans le champ voisin labouré (virtuellement nu). Le cadre conceptuel développé sur la base d’expériences en laboratoire a été ainsi fondamental pour permettre l’interprétation des résultats obtenus en milieu naturel, et montrer dans quel régime la végétation a un effet bénéfique dans ce cas précis. Pour conclure, cette dissertation a permis de démontrer les effets de la transpiration des plantes dans l’extraction d’eau du sol, grâce à quoi l'amélioration la stabilité des pentes et des structures terrestres peut désormais être évaluée sur la base de mesures quantitatives.
- Advisor / supervisor
- Fourcaud, Thierry
- Tarantino, A. (Alessandro)
- Resource Type
- Note
- This thesis was previously held under moratorium between 1 September 2020 and 1 September 2025.
- DOI
- Language
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PDF of thesis T16120 | 2022-01-21 | Public | Download |