Ewapotranspiracja i jej wpływ na plonowanie roślin Ewaporacja, parowanie są to procesy, w wyniku których woda znajdująca się na powierzchni terenu w ciekłym lub stałym stanie skupienia przechodzi w stan lotny i unosi się do atmosfery. Obejmuje ona następujące procesy fizyczne: parowanie wody bezpośrednio z gruntu do atmosfery, sublimacja śniegu i lodu. Parowanie wody jest przejściem z fazy ciekłej do gazowej. Do wyparowania 1 grama wody niezbędna jest energia w ilości 600 kalorii. W warunkach naturalnych głównym źródłem energii cieplnej w procesie, jest promieniowanie słoneczne, pochłaniane przez powierzchnie parujące. 1
Intercepcja Intercepcja - zjawisko przechwytywania opadów atmosferycznych przez rośliny (liście, konary, gałęzie itp.) i różne obiekty znajdujące się na powierzchni ziemi. Część tych opadów zostaje wykorzystana przez rośliny, a część wyparowuje. Transpiracja Transpiracja - czynne parowanie wody z nadziemnych części roślin (wydzielenie wody w postaci pary wodnej). Rośliny transpirują przez aparaty szparkowe (transpiracja szparkowa), przez skórkę (transpiracja kutykularna) i przez przetchlinki (transpiracja przetchlinkowa). Potrzeby wodne rośliny charakteryzuje współczynnik transpiracji. Transpiracja jest procesem fizjologicznym. Ubytek wody z powierzchni roślin jest uzupełniany przez nią za pomocą systemu korzeniowego, kontaktującego się z wodą zawartą w glebie. 2
Ewapotranspiracja - proces ulatniania się wody do atmosfery wskutek parowania terenowego (ewaporacji) oraz transpiracji roślin i sublimacji. Ewapotranspiracja jest główną przyczyną strat wody z gleby w warunkach polowych i może wahać się w szerokich granicach od około 300 do 2000 mm w okresie wegetacji. Proces ten ma bardzo duże znaczenie w gospodarce wodnej gleby. Parowanie występuje wszędzie tam, gdzie stykają się nienasycone warstwy powietrza z powierzchnią parującą. Intensywność ewapotranspiracji Gdy ewapotranspiracja odbywa się przy nieograniczonym dostępie wody, zależy od trzech zasadniczych czynników: energii słonecznej, gradientu pary wodnej nad powierzchnią parującą, szybkości wiatru. Przy ograniczonym dostępie wody ewapotranspiracja zależy od wymienionych wyżej warunków zewnętrznych oraz od tempa przekazywania wody do wierzchnich poziomów (warstw) profilu glebowego. 3
Ewapotranspiracja potencjalna maksymalnie możliwa w danym klimacie, przy nieograniczonym dostępie wody. W warunkach deficytu wody mamy do czynienia z ewapotranspiracją rzeczywistą (aktualną). Zależność między ewapotranspracją a plonem Wielkość asymilacji wzrasta wprost proporcjonalnie do wielkości transpiracji jeżeli inne czynniki nie ograniczają jej przebiegu. Ilość asymilatów może być wyrażona w jednostkach suchej masy plonu. Na podstawie tej zależności można z dużym przybliżeniem przyjąć, że ewapotranspiracji potencjalnej (ETp) i rzeczywistej (ETa) odpowiada asymilacja potencjalna (Ap) i asymilacja rzeczywista (Ar) oraz plon potencjalny (Qp) i rzeczywisty (Qr). Można to zapisać w postaci następującej zależności: 4
Zależność pomiędzy plonem, asymilacją a ewapotranspiracją Q Q r p A A r p ET ET a p Plonowanie roślin w warunkach niedoboru wody Pasioura (2002) zaproponował następującą formułę do obliczania plonu (Y) w warunkach deficytu wodnego: gdzie: Y = WUE. T. HI, Przykład: 4 * 450 * 0,40 = 720 g/m 2 WUE współczynnik wykorzystania wody (g s.m./kg H 2 O), (3-5 g s.m./kg wody u zbóż) T transpiracja (kg H 2 O/m 2 ) HI współczynnik plonowania rolniczego 5
W modelach wzrostu i rozwoju roślin do określenia ewapotranspiracji wykorzystuje się najczęściej metodę Penmana-Monteitha, Priestleya-Taylora lub Makkinka Do obliczenia ewapotranspiracji wskaźnikowej na podstawie równania Penmana-Monteitha wymagane są następujące dane meteorologiczne: maksymalna (Tmax) i minimalna (Tmin) dobowa temperatura powietrza; średnia dobowa prężność pary wodnej (e a ) obliczana na podstawie odczytu z psychrometru, temperatury punktu rosy lub średniej dobowej wilgotności względnej powietrza; prędkość wiatru: średnia dobowa mierzona na wysokości 2 m (u 2 ); promieniowanie: radiacja netto Rn, zmierzona albo obliczona na podstawie promieniowania słonecznego i długofalowego lub liczby godzin usłonecznienia (n). Równanie bilansu energii: Rn = H + LvE + G + P gdzie: Rn radiacja netto H strumień promieniowania cieplnego wykorzystanego na ogrzanie powietrza LvE strumień promieniowania wykorzystanego w procesie ewapotranspiracji G strumień ciepła skierowany do gleby/śniegu/roślin P promieniowanie wykorzystane w procesie fotosyntezy netto (czynnik ten jest często pomijany ze względu na mały udział energii biorącej udział w tym procesie) 6
Wielkości H i L v E można obliczyć na podstawie następujących wzorów H C a p Ts Ta r ah ac Lv E p es ea r gdzie: Ts i es temperatura i prężność pary wodnej na powierzchni parującej Ta i ea temperatura i prężność pary wodnej powietrza rah i rav opór dyfuzyjny a średnia gęstość powietrza przy stałym ciśnieniu C p ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu av Wykorzystując powyższe równania Penmann [1948], a później Monteith [1965] zaproponowali następujący sposób szacowania transpiracji aktualnej łanu, znany obecnie jako równanie Penmanna-Monteitha ra opór aerodynamiczny rs opór powierzchni - stała psychrometryczna ( R L E v n ( es e G) ac p ra rs (1 ) r a a ) nachylenie krzywej prężności nasyconej pary wodnej zależna od temperatury, opisana następującym równaniem 17,27T 4098 0,6108 exp T 237,3 2 ( T 237,3) 7
Opór aerodynamiczny r a zm d zh d ln ln z om zoh 2 k u 2 gdzie: ra opór aerodynamiczny [s m-1], zm wysokość pomiaru wiatru [m], zh wysokość pomiaru wilgotności powietrza [m], d wysokość przemieszczania [m], z om współczynnik szorstkości powierzchni związany z wymianą pędu [m], z oh współczynnik szorstkości powierzchni związany z wymianą masy i energii [m], k stała Karmana, (0.41 ± 0.03) [-], u2 prędkość wiatru na wysokości 2 m [m s-1]. Dla wielu gatunków roślin współczynniki d [m] i zom [m] mogą być estymowane na podstawie wysokości łanu (h) za pomocą następujących formuł d = 2/3 h z om = 0,123 h Natomiast współczynnik zoh [m] może być obliczony ze wzoru: z oh = 0,1 z om 8
Opór areodynamiczny dla ewapotranspiracji wskaźnikowej Obliczenie oporu aerodynamicznego dla niskiej trawy można wykonać przy założeniu, że standardowa wysokość trawy do obliczania ewapotranspiracji wskaźnikowej wynosi 0,12 m, a przyrządy mierzące prędkość wiatru, temperaturę i wilgotność mieszczą się na wysokości 2 m (zm=zh=2m) opór aerodynamiczny ra [s m -1 ] wynosi r a 2 2/3(0,12) 2 2/ 3(0,12) ln ln 0,123(0,12) (0,1) 0,123(0,12) 2 (0,41) u 2 208 u 2 Opór powierzchni łanu (rs) w optymalnych warunkach uwilgotnienia gleby zależy od wartości wskaźnika powierzchni liściowej (LAI) oraz oporu dobrze oświetlonego liścia (rl) rl rs LAI gdzie: rl opór liścia przy pełnym oświetleniu (= 100 s m-1) LAI a - jako aktywną (wystawiona na bezpośrednie działanie światła) powierzchnię liściowa łanu (LAIa) przyjmuje się połowę całkowitej jej powierzchni, stąd: LAI a = 0,5. LAI a 9
Wartość wskaźnika powierzchni liściowej dla koszonego trawnika można określić za pomocą następującej zależności empirycznej: LAI = 24 h h wysokość roślin (m) Ostatecznie - opór powierzchni łanu wynosi r s 100 1 70 [s m ] 0,5 240,12 Charakterystyka rośliny wskaźnikowej 10
Po odpowiednich podstawieniach wzór ostateczny na ewapotranspirację wskaźnikową wg formuły Panmana- Monteitha przyjmuje następującą postać: ET r 900 0,408 ( Rn G) u T 273 (1 0,34u ) 2 2 ( e s e a ) gdzie: ETr ewapotranspiracja wskaźnikowa [mm d-1], Rn radiacja netto na powierzchni łanu [MJ m-2 d-1], G strumień ciepła skierowany do gleby [MJ m-2 d-1], T średnia dobowa temperatura powietrza na wysokości 2 m [ C], u2 prędkość wiatru na wysokości 2 m [m s-1], es prężność pary nasyconej [kpa], ea rzeczywista prężność pary wodnej w powietrzu [kpa], krzywa prężności pary wodnej [kpa C-1], stała psychrometryczna [kpa C-1]. ET 0 Ewapotranspiracja wskaźnikowa - parowanie z powierzchni łanu porośniętego trawą o wysokości 10-15 cm (średnio 12), a przez jej pomnożenie przez współczynnik proporcjonalności zależny od gatunku rośliny uprawnej i fazy rozwojowej otrzymujemy wartość ewapotranspiracji potencjalnej dla danego gatunku. 11
Przykładowe (uśrednione) współczynniki kc i średnia wysokość roślin uprawianych Roślina K c ini* K c mid* K c end* Maksymal na wysokość roślin (h) [m] Ziemniaki 0,50 1,15 0,75 0,6 Buraki cukrowe 0,35 1,20 0,70 0,5 Groch - zielony 0,5 1,15 1,10 0.5 - na nasiona 0,40 1,15 0,30 0.5 Pszenica jara 0,30 1,15 0,25-0,4 1 - zamarznieta 0,4 1,15 0,25-0,4 Pszenica gleba ozima - nie 0,7 1,15 0,25-0,4 1 zamarznieta Kukurydza 0,30 1,20 0,60-0,35 2 * współczynniki uwzględniające zaawansowanie wegetacji 12
Formuły Makkinka (model Daisy) i Pristlaya-Taylora W przypadku ograniczonej liczby danych meteorologicznych ewapotranspirację potencjalną oblicza się według formuły Makkinka (model Daisy) lub Pristlaya- Taylora (CropSyst). Minimany zakres danych wymaganych do oszacowania ewaptranspiracji wskaźnikowej według równania Makkinka, to dzienne wartości całkowitego promieniowania słonecznego i temperatura powietrza. Współczynniki kc wymagane do obliczenia ewapotranspiracji potencjalnej znajdują się w pracy Feddesa i in (1987) Formuła Makkinka ET r 0, 7 S i gdzie: nachylenie krzywej prężności nasyconej pary wodnej zależna od temperatury (równanie 33) γ stała psychrometryczna Si promieniowanie całkowite λ ciepło utajone parowania (λ = 2,501 - Tsr 0,002361) Tsr średnia temperatura dobowa 13
Formuła Pristlaya-Taylora ET r ( Rn G) 1,26 ( ) gdzie: Rn, G jak w równaniu bilansu energii (w modelu CropSyst G=0,1 Rn), γ jak w równaniu poprzednim Potrzeby wodne roślin wg FAO* Roślina Lucerna Jęczmień /owies/pszenica Kukurydza Groch Ziemniak Soja Burak cukrowy Potrzeby wodne roślin (mm/sezon wegetacyjny) 800-1600 450-650 500-800 350-500 500-700 450-700 550-750 *Irrigation Water Management: Irrigation water needs (1986) 14
Czynniki modyfikujące potrzeby wodne roślin Czynnik klimatyczny Potrzeby wodne roślin Promieniowanie słoneczne Temperatura Wilgotność powietrza Prędkość wiatru wysokie słonecznie (bezchmurnie) gorąco niska (sucho) wietrznie niskie pochmurnie zimno wysoka (wilgotno) bezwietrznie Wielkość ewapotranspiracji wskaźnikowej w klimacie umiarkowanym 1 2 mm / zimno ok. 10 o C 2-4 mm / ciepło ok. 20 o C 4-7 mm /gorąco > 30 o C 15
Reakcja roślin na wystąpienie stresora (Mittler 2006) Interakcje pomiędzy czynnikami wywołującymi stres (Mittler 2006) 16
Straty finansowe spowodowane wystąpieniem wybranych stresów abiotycznych w USA w latach 1980-2004 (Mittler 2006) Struktura programu ET0 17
18
19
20
21
Dziękuję za uwagę! 22