Изучение испарения и транспирации сельскохозяйственных культур: новые подходы и вопросы
Evapotranspiration (испаряемость) — это научный показатель, который объединяет в себе испарение воды с поверхности почвы или воды в атмосферу и транспирацию растений, когда жидкая вода внутри растительных тканей испаряется и поступает в атмосферу, преимущественно через устьица. Этот процесс важен для понимания, поскольку сельскохозяйственные культуры подвергаются возрастающему экологическому стрессу и изменениям в методах управления.
Новый взгляд на изучение испаряемости
В журнале Reviews of Geophysics опубликована новая статья, посвящённая влиянию изменяющейся окружающей среды, абиотических стрессов и методов управления на испаряемость сельскохозяйственных земель.
Почему важно изучать испаряемость сельскохозяйственных земель?
Испаряемость (ETa) тесно связана с физиологической активностью растений и процессами углеродного цикла. Как ключевой компонент водного баланса в сельскохозяйственных системах, она представляет собой конечное потребление водных ресурсов. Кроме того, изменения испаряемости на региональном уровне отражают изменения агроэкологической среды. Различные методы орошения и растительный покров на сельскохозяйственных землях приводят к различиям в обмене массы и энергии между поверхностью и атмосферой, что, в свою очередь, влияет на местный климат и атмосферную циркуляцию.
Точная информация об испаряемости важна для:
* разработки систем орошения;
* определения зон посадки сельскохозяйственных культур;
* внедрения методов регионального водосберегающего земледелия;
* эффективной оценки водных ресурсов;
* рационального использования, управления и распределения водных ресурсов.
Что отличает обзорную статью от предыдущих обзоров на эту тему?
Несмотря на множество обзоров, посвящённых испаряемости, существует пробел в освещении вопросов, связанных с испаряемостью сельскохозяйственных земель, которая демонстрирует высокую изменчивость из-за быстрого реагирования на многочисленные факторы.
Необходимость повторного рассмотрения основных факторов, влияющих на испаряемость сельскохозяйственных земель, обусловлена распространением долгосрочных экспериментальных исследований, достижениями в области моделей оценки и экспоненциальным ростом новых и усовершенствованных методов измерения в различных пространственных и временных масштабах.
В новом обзоре основное внимание уделяется факторам, охватывающим ключевые изменения окружающей среды, абиотические стрессы и методы управления, которые влияют на испаряемость сельскохозяйственных земель, а также методам их количественной оценки.
Какие методы используются для измерения испаряемости?
Испаряемость можно измерить с помощью нескольких методов, таких как:
* физиологические методы растений;
* гидрологические методы;
* микрометеорологические методы;
* методы дистанционного зондирования.
Для разных пространственных и временных масштабов используются различные методы:
* Транспирацию на уровне листа и растения можно измерить с помощью портативной системы фотосинтеза (потенциометра) и методом измерения потока сока соответственно.
* Испаряемость на уровне участка и поля можно определить с помощью водного баланса, весового лизиметра, потока сока плюс микролизиметр, соотношения Боуэна, эдди-коварианса, остаточного энергетического баланса, возобновления поверхности и микроволнового scintillometer.
* Для регионального масштаба испаряемости распространены методы дистанционного зондирования энергетического баланса и дистанционного зондирования с использованием вегетационных индексов.
Какие факторы учёные учитывают при выборе метода?
При выборе метода измерения испаряемости учёные стремятся найти баланс между пространственно-временными требованиями, точностью и практичностью. Выбор часто зависит от масштаба исследования: методы малого масштаба, такие как весовые лизиметры или метод эдди-коварианса, предоставляют данные высокого разрешения на уровне поля, но не охватывают региональный масштаб, тогда как методы дистанционного зондирования, основанные на спутниках, предлагают более широкие пространственные данные за счёт более низкого временного или пространственного разрешения.
Требования к точности должны соответствовать ресурсным ограничениям: высокоточные инструменты, такие как весовые лизиметры и эдди-коварианс, требуют значительных финансовых вложений, технических знаний и обслуживания, в то время как недорогие методы, такие как метод водного баланса, допускают большие погрешности.
Основные факторы, влияющие на испаряемость сельскохозяйственных земель
На испаряемость сельскохозяйственных земель влияют следующие факторы:
* метеорологические условия (например, радиация, температура воздуха, относительная влажность, скорость ветра);
* изменение окружающей среды (например, повышение концентрации углекислого газа (e[CO2]), повышение концентрации озона (e[O3]), глобальное потепление);
* различные абиотические стрессы (например, водный стресс, засоление, тепловой стресс, заболачивание);
* методы управления (например, плотность посадки, мульчирование, метод орошения, внесение удобрений, борьба с болезнями и вредителями, управление почвой);
* подстилающая поверхность (например, география, типы почв);
* специфические факторы сельскохозяйственных культур (например, тип культуры, сорт, стадия развития).
Основные выводы о влиянии этих факторов
Существует общее мнение, что e[O3], водный и солевой стрессы, а также применение капельного орошения приводят к снижению общей испаряемости в течение вегетационного периода практически для всех сельскохозяйственных культур. Однако общая испаряемость в течение вегетационного периода в ответ на e[CO2], потепление, тепловой стресс, плотность посадки и внесение азота была непоследовательной в разных исследованиях.
Влияние e[CO2] и e[O3], водного и солевого стрессов на общую испаряемость в течение вегетационного периода в основном осуществляется через устьичную проводимость, способность почвы проводить воду к корням, развитие корней и площади листьев, микроклимат и, возможно, фенологию. Влияние потепления на общую испаряемость в течение вегетационного периода можно в значительной степени объяснить вариациями средней температуры в вегетационный период и продолжительности вегетации.
Открытые вопросы и направления будущих исследований
* Влияние повышенной концентрации озона на устьичную проводимость можно представить с помощью скорректированной версии функции Джарвиса. Однако предпринималось мало усилий по интеграции этого ответа в модель Пенмана-Монтейта, которая используется для оценки испаряемости.
* Многие контролируемые экспериментальные исследования недостаточно освещают различные типы потепления, влияющие на испаряемость сельскохозяйственных культур. Для наблюдения за испаряемостью сельскохозяйственных земель в различных сценариях потепления можно использовать метод водного баланса, метод остаточного энергетического баланса, поток сока плюс микролизиметры или даже весовые лизиметры.
* Существует мало исследований, посвящённых реакции испаряемости на тепловой стресс, и большинство из них основаны на экспериментах с горшками в фитотронах или искусственных климатических камерах. Получение данных большего масштаба об испаряемости при тепловом стрессе полезно для понимания влияния теплового стресса на испаряемость.
* Редко сообщается о моделях для описания влияния повышенной концентрации CO2 и озона на испаряемость с использованием модифицированных моделей Priestley–Taylor и коэффициентов сельскохозяйственных культур. Необходимо приложить больше усилий для разработки и тестирования этих двух моделей.