Эвапотранспирация И Ее Применение В Сельском Хозяйстве

Что Такое Эвапотранспирация?

Термин «эвапотранспирация» означает суммарное испарение влаги с поверхности почвы, капиллярной каймы и водоемов. Непосредственно транспирация, т.е. процесс перемещения воды из почвы в воздух через растения, также является частью эвапотранспирационной системы.

ET является частью круговорота воды в природе. Выпавшие осадки в виде дождя в конечном итоге испаряются, образуя в результате конденсации водяного пара облака, которые вновь возвращаются на землю в виде снега или дождя. Таким образом, анализ уровня эвапотранспирации исключительно важен для управления водными ресурсами, в том числе для организации системы орошения.

Процесс Эвапотранспирации

Рассмотрим детальнее две составляющие процесса ET: испарение и транспирацию. Испарение — переход воды из жидкого состояния в газообразное или парообразное. Этот процесс наблюдается в водоемах и во влажной почве вследствие воздействия солнечной энергии. Таким образом, испарение играет важную роль в обмене влагой между атмосферой и земной поверхностью.

Транспирация — выделение водяного пара в атмосферу — осуществляется благодаря микроскопическим порам (устьицам) на стеблях, листьях и других надземных частях растений. Можно выделить три стадии этого явления:

• корни растения поглощают влагу из почвы;
• вода движется вверх по его стеблю, участвуя в процессах жизнедеятельности;
• растение «выдыхает» влагу в атмосферу через устьица.

Важность Эвапотранспирации Для Сельского Хозяйства

Расчет ET сельскохозяйственных культур позволяет фермерам оптимизировать расход воды, повысить урожайность, а также улучшить глобальную продовольственную безопасность. Мониторинг эвапотранспирации востребован в следующих областях управления водными ресурсами в сельском хозяйстве:

• Оптимизация орошения. Планирование графика мероприятий на основе данных об ET позволяет избежать избыточного полива и сохранить запасы воды. Используя системы точной ирригации полей на основе полученной информации, фермеры могут значительно сократить расходы и на электроэнергию.
• Улучшение здоровья и продуктивности сельскохозяйственных культур. Мониторинг уровня эвапотранспирации помогает поддерживать уровень влажности почты, необходимый для здорового роста корней и усвоения растениями питательных веществ.
• Подготовка к засухе. В засушливый период объемы испаряемой влаги увеличиваются. Анализ процесса ET позволяет более эффективно бороться с засухой и распределять водные ресурсы в случае аномальной жары.
• Контроль водного стресса. Мониторинг уровня эвапотранспирации помогает понять реальные потребности растений в воде и при необходимости смягчить водный стресс и улучшить их устойчивость.
• Повышение точности сельскохозяйственного производства. Комбинируя данные об ET с другой информацией, фермеры могут адаптировать полевые работы к потребностям конкретных культур и особенностям типа почвы.

Более того, растения выступают в роли ветрозащитных экранов, удерживая влажный воздух в непосредственной близости к земле. С другой стороны, увеличение площади растительного покрова может привести к значительному снижению уровня влаги в почве в результате транспирации.

Факторы, Влияющие На Эвапотранспирацию

К основным факторам, влияющим на процесс ET, относятся климат, рельеф местности, особенности жизнедеятельности растений и т.д. Рассмотрим подробнее каждый из них:

• Тип почвы. Состав и структура почвы определяют ее влагоемкость и эвапотранспирационные свойства. В отличие от суглинистых или глинистых грунтов земли с высоким содержанием песка или гравия хуже удерживают воду, в том числе в процессе испарения.
• Температура воздуха. С повышением температуры влагоемкость воздуха снижается. Также большее количество тепловой энергии ускоряет процесс испарения и эвапотранспирации.
• Солнечная радиация. В зависимости от конкретного участка и времени на скорость ET влияют сила и диапазон радиации, равно как и альбедо. В то же время анализ этих факторов крайне затруднителен без использования передовых технологий.
• Влажность. Чем выше относительная влажность воздуха, тем меньшее количество водяного пара он может удерживать. Следовательно, снижаются и показатели эвапотранспирации.
• Растительный покров. Растения по-разному приспосабливаются к условиям окружающей среды: некоторые из них накапливают влагу лучше, чем другие. Также объемы ET зависят от возраста и здоровья растений. Чем глубже корни, тем дольше культура может существовать без дождя и полива. Таким образом, показатели эвапотранспирации варьируются в зависимости от вида культуры, поэтому орошение должно быть тщательно продумано.
• Скорость ветра. Сильный ветер сдувает слой влажного воздуха, который образуется над участком с посевами. Благодаря этому ET ускоряется. Однако, если воздух сухой, диффузия водяных паров из устьиц растений замедляется. Следовательно, снижаются и показатели эвапотранспирации.

Основные Концепции Эвапотранспирации

Выделяют несколько концепций эвапотранспирации сельскохозяйственных культур:

• Эталонная эвапотранспирация ET(0);
• Эвапотранспирация в стандартных условиях ET(c);
• Эвапотранспирация в нестандартных условиях ET(c adj).

Мощность эталонной эвапотранспирации, обозначаемой как ET(0), зависит от климатических условий. ET(c) используется для измерения количества воды, потерянной в результате испарения на больших оптимально увлажненных полях, которые характеризуются максимальной производительностью при нормальных погодных условиях. Для расчета эвапотранспирации в неблагоприятной среде или при неэффективном управлении посевами используются скорректированные показания ET(c) —ET(c adj).

Эталонная Эвапотранспирация

ET(0) рассчитывается при наличии эталонной поверхности, которой может считаться травяной покров, отвечающий заданным критериям. Данный метод оценки позволяет анализировать потребности в испарении, независимо от сорта, стадии роста и технологии выращивания культур. Поскольку эталонная поверхность, используемая для оценки ET(0) хорошо увлажнена, состояние почвы не влияет на эвапотранспирацию. В связи с этим, нет необходимости определять порог ET для каждой культуры в отдельности.

Климатические условия — единственный фактор, который влияет на эталонную эвапотранспирацию. В таблице ниже приведены стандартные диапазоны значений ET(0) для разных агроклиматических зон ^{Allen, R. G. et al. (1998). Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements. FAO.}. Учтите, что данные являются примерными и разнятся в зависимости от конкретной ситуации.

Эвапотранспирация В Стандартных Условиях

ET(c) — количество воды, выделяемое в атмосферу стандартными сельскохозяйственными культурами. К ним относятся здоровые растения, которые выращиваются на обширных полях с достаточным количеством воды и дают максимальный урожай при оптимальных климатических условиях. ET(c) рассчитывается путем умножения коэффициента единичной культуры — K(c) — на ET(0).

Эвапотранспирация В Нестандартных Условиях

Как следует из названия, ET(c adj) — эвапотранспирация культур, выращенных в неблагоприятных условиях. К ним относят наличие вредителей и болезней, избыток или недостаток влаги, повышенное содержание солей в почвах, низкая плодородность грунта и т.д. Вследствие этих факторов, фактическая эвапотранспирация может отличаться от ET(c). В связи с этим при расчете ET(c adj) дополнительно используется коэффициент водного стресса K(s).

Способы Измерения Эвапотранспирации

Стандартная единица измерения скорости ET — миллиметры в единицу времени. Она выражает толщину слоя воды, которую теряет культивируемая площадь. В зависимости от поставленных целей единица времени может варьироваться от одного часа до целого вегетационного периода.

Существуют разные способы измерения ET. У каждого есть свои плюсы и минусы, поэтому рассмотрим их подробнее.

Лизиметры

Лизиметры используются фермерами для определения фактической эвапотранспирации. Они представляют собой емкости с почвой, закопанные в землю и оснащенные измерительным механизмом и дренажно-вакуумной системой. Данный метод позволяет упростить расчеты, так как нет необходимости в интерпретации или масштабировании показаний приборов.

В то же время лизиметры — это дорогие и громоздкие устройства, поэтому лучше всего подходят для небольших полей и теплиц. Использовать их на обширных территориях нерентабельно и неудобно ^{Beeson, R. C., Jr. (2011, April). Weighing lysimeter systems for quantifying water use and studies of controlled water stress for crops grown in low bulk density substrates. Agricultural Water Management, 98(6), 967-976. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2011.01.005.}.

Атмометры

Атмометр представляет собой специальную поверхность вроде пластины, которая автоматически увлажняется из емкости с водой. Уровень эвапотранспирации рассчитывается на основе того, сколько влаги осталось в резервуаре после испарения с поверхности.

Водный Баланс

Данный метод обычно используется для измерения ET на обширных территориях с природным или искусственным бассейном. Для расчетов отслеживается приток и отток воды в него. Такой способ подходит лишь для приблизительной оценки среднего количества воды, которое теряется вследствие испарения и транспирации.

Вихревая Ковариация

Данный метод подразумевает оценку турбулентного обмена водой между землей и атмосферой. Поскольку датчики устанавливаются над выращиваемыми культурами, вихревая ковариация позволяет анализировать многие виды растений без искажений, связанных с неоднородностью поверхности почвы. В то же время существует проблема закрытия энергетического баланса, так как исходящая и входящая энергии разнятся. В связи с этим метод вихревой ковариации может давать неточные результаты при оценке эвапотранспирации ^{Denager, T. et al. (2020, May 16). Comparison of evapotranspiration estimates using the water balance and the eddy covariance methods. Vadose Zone Journal, 19(1). https://doi.org/10.1002/vzj2.20032.}.

Дистанционное Зондирование

В последнее время все более популярным становится мониторинг ET с помощью дистанционного зондирования. Анализ спутниковых данных о погоде, состоянии растительности и излучении в инфракрасном диапазоне позволяет определить, какое количество водяного пара выделяется с поверхности поля в результате испарения и транспирации.

Для оценки интенсивности ET может использоваться Нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI). Так, при анализе различных комбинаций растительности и почвы было доказано, показания NDVI коррелируют с изменениями потенциальной эвапотранспирации. Аналогичным образом было установлено, что суммарные значения NDVI за весь вегетационный период тесно взаимосвязаны с уровнем фактической ET ^{Cihlar, J. et al. (1991, February-March). Relation between the normalized difference vegetation index and ecological variables. Remote Sensing of Environment, 35(2-3), 279-298. https://doi.org/10.1016/0034-4257(91)90018-2.}.

Метеоданные

Погодные данные позволяют эффективно мониторить и прогнозировать уровень эвапотранспирации. Таким образом, вместо того, чтобы самостоятельно проводить вычисления и вкладывать средства в полевые датчики, фермеры могут использовать услуги метеостанций, готовые решения поставщиков метеорологических услуг и индикаторы ET.

Вследствие высокой стоимости существующих технологий, небольшим хозяйствам сложно сложно получить точные данные об эвапотранспирации. Наиболее эффективным с экономической точки зрения решением для них являются портативные атмометры, так как для небольшого поля требуется всего несколько приборов.

С другой стороны, для крупных сельскохозяйственных предприятий с обширными угодьями, часто в разных частях света, предпочтительнее анализировать эвапотранспирацию, используя метеоданные. Вот некоторые преимущества такого подхода:

• не нужно приобретать, устанавливать и обслуживать датчики для анализа ET;
• данные о состоянии поля доступны в любой точке Земли;
• вся информация о ключевых для производства показателях доступна на удобных и интуитивно понятных агротехнологических платформах вроде EOSDA Crop Monitoring.

Готовые Решения EOSDA Crop Monitoring Для Измерения Эвапотранспирации

EOSDA Crop Monitoring объединяет метеорологические данные с обработанными спутниковыми снимками. Благодаря нашей платформе, не требующей дорогостоящего и трудоемкого оборудования, мониторинг эвапотранспирации на полях значительно облегчается.

Вся информация о ET и других погодных показателях (осадки, температура воздуха, скорость ветра и т.д.) доступны в двух форматах: исторические метеоданные и прогнозы погоды. Таким образом, в вашем распоряжении будут ежедневные отчеты о изменениях ET (начиная с 1979 года), а также почасовые прогнозы уровня эвапотранспирации на ближайшие 14 дней.

Получив доступ ко всем данным EOSDA Crop Monitoring, вы сможете не только просматривать, но и загружать их в собственные системы с помощью нашего API. Для получения дополнительной информации свяжитесь с нашим отделом продаж по адресу sales@eosda.com.

Таким образом, эвапотранспирация — сложный для изучения, но крайне важный процесс, который влияет на состояние посевов и, в конечном счете, на урожайность. Именно поэтому ET крайне важно учитывать при планировании полевых работ. С EOSDA Crop Monitoring анализ становится максимально удобным.

В дополнение к данным об эвапотранспирации вы получите доступ к другой полезной информации, например значениям вегетационных индексов и показаниям уровня влажности почвы. Также наша платформа предлагает эффективные инструменты управления фермой, включая приложение для скаутинга и журнал полевых работ. С такими возможностями вы сможете успешно наладить производство и повысить урожайность, избежав лишних затрат.