Евапотранспірація Як Процес Та Методи Її Вимірювання

Що Таке Евапотранспірація?

Термін “евапотранспірація” означає загальну кількість води, що випаровується і транспірується (виділяється) з поверхні Землі. Випаровування води з поверхні ґрунту, капілярної облямівки над рівнем ґрунтових вод та поверхневих водойм – все це компоненти ЕТ. Транспірація – процес, під час якого вода переміщається з ґрунту через рослини в повітря, – також є частиною евапотранспіраційної системи.

Дощ – це вода, яка накрапає з неба, а ЕТ – це вода, що підіймається із землі; таким чином, можна вважати, що евапотранспірація є зворотним процесом опадів. Хмари, що утворюються в результаті конденсації водяної пари під час випаровування та транспірації, зрештою, є джерелом опадів у вигляді дощу або снігу. За своєю значущістю для управління водними ресурсами та визначення кількості води, що подається на поля для зрошення, ЕТ поступається лише опадам.

Процес Евапотранспірації Сільськогосподарських Культур

Дві складові процесу евапотранспірації – випаровування і транспірація – слід розглянути докладніше. Випаровування – це перехід води з рідкого стану в пароподібний або газоподібний. Завдяки сонячній енергії, цей ефект відбувається як у водоймах, так і у вологому ґрунті. Коли молекули води поглинають достатню кількість тепла, вони отримують енергію, необхідну для того, аби відірватися від поверхні рідини та потрапити в повітря у вигляді пари. Цей механізм відіграє найважливішу роль у перенесенні вологи з землі в атмосферу.

Транспірація – виділення водяної пари в атмосферу – здійснюється завдяки мікроскопічним порам (стоматам) на стеблах, листі та інших надземних частинах рослин. Під час цього етапу процесу евапотранспірації рослини переносять воду з ґрунту через кореневу систему до своїх надземних органів, з яких вона випаровується. Таким чином, можна виділити три етапи транспірації:

• коріння вбирає вологу з ґрунту;
• вода рухається вгору органами рослин, забезпечуючи їхні життєво важливі функції;
• стомати “видихають” вологу в атмосферу.

Важливість Евапотранспірації Для Сільського Господарства

Врахування евапотранспірації рослин на полях допомагає оптимізувати водоспоживання та підвищити врожайність сільськогосподарських культур, сприяючи глобальній продовольчій безпеці. Оцінка ЕТ має вирішальне значення в багатьох сферах сучасного сільськогосподарського водокористування та землеробства:

• Оптимізація зрошення. Використання даних про евапотранспірацію для точного планування зрошення дає змогу уникнути нераціонального надлишкового поливу та зберегти цінні запаси водних ресурсів. Фермери можуть скоротити споживання води та витрати на електроенергію за допомогою точного зрошення на основі даних про рівень ЕТ.
• Зміцнення здоров’я та підвищення продуктивності сільськогосподарських культур. Контроль за ET допомагає забезпечити вологість ґрунту, необхідну для здорового зростання коріння та засвоєння поживних речовин, а також для підвищення врожайності.
• Підготовка до періоду посухи. Оскільки під час посухи евапотранспірація часто пришвидшується, на основі даних про ЕТ, можна розробити ефективніші програми боротьби із посухою та більш раціонально розподіляти водні ресурси за посушливих умов.
• Контроль водного стресу. Моніторинг показників ET дає змогу зрозуміти потреби рослин у волозі, допомагає пом’якшити водний стрес та підвищити стійкість сільськогосподарських культур.
• Розвиток точного землеробства. Комбінуючи дані щодо ET з іншою інформацією, фермери можуть корегувати роботи на полях відповідно до конкретних потреб кожної сільськогосподарської культури та типу ґрунту.

Фактори, Які Впливають На Евапотранспірацію

Основними факторами, що визначають ЕТ, є клімат та рельєф місцевості, а також особливості фізіології рослин. Розглянемо, як це відбувається та в чому полягає вплив цих факторів докладніше.

• Тип ґрунту. Склад та структура ґрунту визначають його здатність утримувати вологу та евапотранспіраційні властивості. Ґрунти з високим вмістом піску або гравію мають меншу здатність утримувати воду і тому на таких полях її випаровується більше, ніж, наприклад, на суглинних або глинистих полях.
• Температура повітря. Температура повітря є відомим фактором, що впливає на процес евапотранспірації. З підвищенням температури повітря знижується його вологоємність. Крім того, збільшення кількості теплової енергії, яка передається воді, прискорює її випаровування, що підвищує швидкість ЕТ.
• Сонячна радіація. Сонячна радіація – це не просто тепло сонячних променів. Зміни енергії, частоти та альбедо, що впливають на швидкість евапотранспірації, залежать від конкретної ділянки поля та періоду доби або пори року. Це важливі аспекти, які необхідно враховувати, але їхня кількісна оцінка без застосування технологічно досконалих методів та засобів може бути складною.
• Вологість. Відносна вологість (Relative humidity, RH) – це кількість водяної пари, яку може утримувати повітря. Висока відносна вологість (наприклад, після дощу) обмежує кількість водяної пари, яка може поглинути повітря, що призводить до зниження ET. Зниження вологості збільшує евапотранспірацію, оскільки повітря потенційно може утримувати більше вологи.
• Рослинний покрив. Рослини по-різному пристосовуються до умов довкілля. Одні краще накопичують воду, аби використовувати її під час посухи, а інші втрачають вологу набагато швидше. Показник евапотранспірації також залежить від віку та стану рослини. Чим глибше коріння, тим довше культура може існувати без дощу та поливу. Через фізіологічні відмінності між окремими видами сільськогосподарських культур показники ET суттєво відрізняються. З цієї причини зрошення полів також має певні особливості та залежить від типу вирощуваної культури.
• Швидкість вітру. Оскільки вітер зазвичай прискорює процеси як випаровування, так і транспірації, він відіграє найважливішу роль в евапотранспірації ґрунтової вологи. Сильний вітер здуває шар вологого повітря, що утворюється над поверхнею, яку займають посіви, прискорюючи ЕТ. Вплив вітру на дифузію парів із пор рослин також сприяє збільшенню транспірації. Утім, за умов сильного сухого вітру, який перешкоджає дифузії водяної пари, ET може знизитися.

Різноманітність Концепцій Евапотранспірації

Евапотранспірація сільськогосподарських культур може розглядатися у термінах трьох понять:

• референтна ET(0), або евапотранспірація базисної культури;
• ET(c), або евапотранспірація у типових умовах;
• ET(c скоригована), або евапотранспірація у нетипових умовах.

Величина атмосферної евапотранспірації, що позначається як ET(0), є параметром, який залежить від клімату. ET(c) показує кількість води, втраченої в результаті евапотранспірації на правильно оброблених, великих, оптимально зволожених полях, які дають максимальну продуктивність за типових погодних умов. Оскільки неефективні управлінські рішення щодо вирощування сільськогосподарських культур та несприятливі умови довкілля перешкоджають нормальному перебігу евапотранспірації, за нетипових обставин ET(c) заведено коригувати.

Евапотранспірація Базисної Культури (Референтна ЕТ)

Швидкість евапотранспірації, що відбувається на добре зволоженій референтній поверхні, називається референтною ЕТ, ЕТ базисної культури або ET(0). Еталоном (базисною культурою) слугує гіпотетичний трав’яний покрив, який відповідає певним критеріям.

Референтна ЕТ допомагає аналізувати потребу в атмосферному випаровуванні незалежно від виду сільськогосподарських культур, етапу їхнього розвитку та методів вирощування. Оскільки еталонна поверхня, яка використовується для розрахунку ET, добре зволожена, ґрунтові умови на евапотранспірацію не впливають. Отже, визначати унікальний поріг ЕТ для кожної культури на кожному етапі розвитку не потрібно.

Єдиними факторами, що визначають ET(0) є кліматичні змінні. У наведеній нижче таблиці зазначено типові діапазони значень ET(0) для різних агрокліматичних зон ^{Allen, R. G. et al. (1998). Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements. FAO.}. Ці цифри дають уявлення про типові значення, але їх не слід розуміти буквально.

Евапотранспірація За Стандартних умов

ET(c), або евапотранспірація за стандартних умов, – це кількість води, що виділяється в атмосферу певною культурою (яка не ушкоджена хворобами, має достатню кількість поживних речовин, вирощується на великих добре зволожених полях та дає максимальний потенціал, враховуючи переважні погодні та температурні умови). ET(c) розраховується шляхом множення коефіцієнта окремої культури – K(c) – на значення референтної евапотранспірації:

Евапотранспірація За Нестандартних Умов

Як підказує назва, евапотранспірація за нестандартних умов – ET(c скориг.) – відноситься до ET культур, вирощених в умовах навколишнього середовища та культивації, які мають певні відхилення від норми. За несприятливих умов (наприклад, нашестя шкідників та ураження хворобами, нестача або надлишок води, підвищена засоленість ґрунту та низька родючість полів), фактичне випаровування польових рослин може відрізнятися від ET(c). Для врахування різноманітних стресів і впливу навколишнього середовища на випаровування сільськогосподарських культур, ET(c скориг.) розраховується за допомогою коефіцієнта водного стресу (дефіциту ґрунтової вологи) – K(s) – та/або коефіцієнта окремої культури:

Способи Вимірювання Евапотранспірації

Стандартною одиницею вимірювання швидкості випаровування є міліметри (мм) за одиницю часу. Показники ЕТ позначають швидкість, з якою дана вологість втрачається з поверхні поля на певній глибині. За одиницю часу обирають звичайну годину або повний сезон вирощування.

Різноманітні способи вимірювання та розрахунку евапотранспірації мають свої плюси та мінуси, тож розглянемо їх детальніше.

Лізиметри

Серед приладів для отримання точних значень фактичної ET певну популярність мають лізиметри, які є контейнерами, що набирають підземний шар ґрунту, зважують його або мають дренажну/вакуумну систему. Лізиметри дають змогу нівелювати більшість проблем моделювання евапотранспірації, оскільки потреби в інтерпретації чи масштабуванні показань цих приладів немає.

Утім, через високу ціну та громіздкість, лізиметри не позбавлені недоліків. Такі засоби вимірювання підходять для невеликих полів або теплиць. Проте, вимірювання лізиметром вручну потребують досить багато зусиль та фінансових ресурсів, якщо застосовувати їх на великих площах полів або для повсякденного моніторингу евапотранспірації ^{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.}.

Атмометри

Як правило, цей прилад для вимірювання евапотранспірації, складається з контейнера з водою та поверхні випаровування, наприклад пластини з вільним доступом для повітря. Вода з резервуара постійно додається на поверхню пластини й з рештою випаровується. Агрономи розраховують випаровування, вимірюючи, скільки води з контейнера втрачається в атмосферу.

Водний Баланс

Цей метод вимірювання евапотранспірації зазвичай використовується для великих територій, де кількість отриманої та втраченої вологи визначають лише рух водних потоків та опади, і де джерела припливу/відтоку суттєво не впливають на рівень води в басейні через його межі. Цей метод дає лише приблизну оцінку середньої кількості води, втраченої через випаровування та транспірацію на сільськогосподарських полях.

Вихрова Коваріація

Замість того, щоб вимірювати водний баланс на кожній окремій площі, за цією методикою вивчають енергетичний баланс. Оскільки датчики вихрової коваріації встановлені над рослинним покривом поля, це дає змогу визначити ЕТ для багатьох видів рослин без можливих помилок через нерівномірність поверхні ґрунту. Утім, кількість енергії, що надходить в землю та виходить з її поверхні не є однаковою. Оскільки врівноваження цих процесів відбувається досить рідко, вимірювання евапотранспірації за допомогою методу вихрової коваріації має певні похибки щодо точності ^{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.}.

Дистанційне Зондування Землі

Моніторинг евапотранспірації шляхом дистанційного зондування за допомогою супутників набуває все більшої популярності в агросекторі. Аналіз отриманих із супутника даних про погоду, стан рослинності та теплові інфрачервоні дані допомагає чітко визначити, скільки водяної пари виділяється з поверхні поля через випаровування та транспірацію рослин.

Нормалізований диференційований вегетаційний індекс (NDVI) є одним із таких додаткових показників, який можна використовувати для оцінки швидкості ET, оскільки існує тісний зв’язок між індексом NDVI та евапотранспірацією. Як показує практика, динаміка NDVI найбільш тісно пов’язана з моделями потенційної ET для кожної сільськогосподарської культури, вирощуваної на певному типі ґрунту. Так само було виявлено, що кумулятивні показники NDVI мають високу кореляцію з кумулятивними значеннями фактичної ET протягом усього періоду вирощування культур ^{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.}.

Метеодані

Завдяки даним про погоду, фермери можуть ретельно контролювати рівень ET і робити щодо цього точні прогнози. Розраховувати значення самостійно або інвестувати в польові манометри більше не потрібно – аграрії можуть скористатися даними метеостанцій з можливістю вимірювання евапотранспірації, готових рішень постачальників метеорологічних послуг та ефективних індикаторів ET.

Дрібні фермери не завжди мають змогу здійснити точні вимірювання випаровування в рослинах через високу вартість сучасних технологій. Найбільш рентабельним рішенням для малих сільськогосподарських підприємств є портативні атмометри, тому що навіть кількох пристроїв достатньо, щоб охопити невелике поле.

З іншого боку, для великих агрохолдингів, які мають великі поля, тим більше якщо ці поля розташовані в різних куточках світу, краще визначати евапотранспірацію за допомогою даних про погоду. Нижче наведено деякі переваги вимірювання евапотранспірації з використанням метеоданих:

• нема потреби купувати, встановлювати або обслуговувати будь-які датчики ET;
• польові дані легко доступні звідусіль;
• метеорологічні дані про ET разом із багатьма іншими ключовими показниками для сільського господарства можна отримати на зручних та інтуїтивно зрозумілих для користувачів агротехнологічних платформах, таких як EOSDA Crop Monitoring.

Готові Рішення Для Вимірювання Евапотранспірації В EOSDA Crop Monitoring

Платформа EOSDA Crop Monitoring об’єднує отримані метеорологічні дані з обробленими супутниковими знімками. Користувачі нашої платформи не мають потреби купувати високовартісне та громіздке обладнання й виконувати складні обчислення, а натомість можуть легко контролювати процеси евапотранспірації на своїх полях.

Дані про ET та інші метеорологічні показники (такі як опади, температура повітря та швидкість вітру) доступні у двох форматах: історичні метеодані та прогнози погоди. Користувачі платформи можуть переглядати щоденні звіти про ET та історичні дані про погоду, починаючи з 1979 року. Прогноз покаже очікуваний рівень випаровування на конкретному полі щогодини протягом наступних 14 днів.

Наша платформа забезпечує безперебійний доступ до всіх даних, що дає змогу без особливих зусиль дивитися, завантажувати або інтегрувати їх у свої системи через наш API. Звертайтеся до нашого відділу продажів за адресою sales@eosda.com та отримайте додаткову інформацію щодо нашого продукту та детально розпитайте про все, що вас цікавить.

Евапотранспірація є складним для вимірювання, але важливим показником в сільському господарстві. Попри те, що оцінка та моніторинг створюють певні труднощі, важливо визнати величезний вплив, який евапотранспорація має на планування польових робіт, здоров’я посівів і, зрештою, на врожайність сільськогосподарських культур. Платформа EOSDA Crop Monitoring забезпечує легкий доступ до даних ЕТ у зручному форматі, що спрощує процес прийняття рішень щодо управління полями.

Платформа EOSDA Crop Monitoring дає змогу не тільки стежити за сумарним випаровуванням на полях, але й отримувати багато інших корисних сільськогосподарських даних, таких як вегетаційні індекси та ступінь вологості ґрунту, а також корисні інструменти, зокрема за стосунок для скаутингу та журнал польових робіт. Вичерпна інформація завжди буде під рукою та допоможе керувати сільськогосподарським підприємством ефективніше й результативніше, та отримати кращий врожай за менших витрат.