Model Nol untuk Distribusi Kedalaman Akar Global: Solusi Analitis dan Perbandingan dengan Data

ABSTRAK
Untuk memprediksi respons sistem bumi secara akurat terhadap perubahan global, kita harus mampu memprediksi respons sifat-sifat penting sistem tersebut, seperti kedalaman penyebaran akar tanaman. Pada tahun 2008, HJ Schenk mengusulkan sebuah model untuk penyebaran kedalaman akar tanaman berdasarkan skema hidrologi sederhana dan asumsi bahwa tanaman akan menyerap air paling dangkal yang tersedia terlebih dahulu dan akan menyebarkan akarnya secara proporsional dengan penyerapan rata-rata jangka panjang pada setiap kedalaman. Di sini, kami memperoleh solusi analitis untuk model Schenk di bawah iklim ideal (di mana peristiwa infiltrasi diperlakukan sebagai proses Poisson yang nyata), mengeksplorasi sifat-sifat hasil dan membandingkannya dengan data. Solusi tersebut menunjukkan bahwa di iklim yang sangat lembap dan kering, siklus pembasahan dan pengeringan tanah yang disebabkan oleh penyerapan air oleh akar umumnya terbatas pada kedalaman karakteristik di bawah permukaan. Kedalaman ini bergantung pada besarnya curah hujan yang umum (paling kuat di iklim kering), total permintaan transpirasi yang umum di antara curah hujan (paling kuat di iklim lembap) dan kapasitas tanah untuk menahan air yang tersedia bagi tanaman. Penyerapan air akar (dan dengan demikian kepadatan akar yang diprediksi) di lanskap yang sangat lembap dan kering berkurang secara eksponensial dengan kedalaman pada tingkat yang ditentukan oleh kedalaman karakteristik ini. Namun, dalam iklim mesik, tanah mungkin basah atau kering hingga kedalaman yang lebih besar di bawah permukaan dekat, dan durasi yang dihabiskan di setiap keadaan meningkat seiring dengan kedalaman. Akibatnya, penyerapan air akar dan kepadatan akar di iklim mesik lebih mirip dengan distribusi hukum pangkat. Ketika indeks kekeringan tepat 1, kedalaman karakteristik menyimpang dan kedalaman perakaran rata-rata mendekati tak terhingga. Ini menunjukkan bahwa distribusi kedalaman akar yang paling miring mungkin terjadi di lingkungan mesik. Kami membandingkan model ini dengan solusi analitis lain dan basis data distribusi akar yang dikompilasi (159 lokasi gabungan). Untuk kumpulan data perbandingan yang lebih besar, kami juga membandingkan kedalaman perakaran persentil ke-99 dengan kedalaman perakaran yang dimodelkan oleh dua kerangka kerja lain dan basis data kedalaman perakaran yang diamati (1271 lokasi gabungan). Hasil menunjukkan bahwa formulasi analitis model Schenk berfungsi baik sebagai batasan dangkal pada kedalaman perakaran dan menangkap bentuk distribusi akar noneksponensial, dan kesalahannya serupa atau lebih kecil daripada kerangka kerja pemodelan lainnya. Kesalahan sebagian dapat dijelaskan oleh penyimpangan iklim nyata dari idealisasi yang digunakan untuk memperoleh solusi analitis (peristiwa infiltrasi yang terdistribusi secara eksponensial dan tidak ada musim).