RESEARCH PAPER
The application of thermography in the investigations of plant water stress and actual evapotranspiration
 
More details
Hide details
1
Instytut Agrofizyki PAN, ul. Doświadczalna 4, 20-290 Lublin 27
Publication date: 2020-04-30
 
Acta Agroph. 1999, (21), 1–130
 
KEYWORDS
ABSTRACT
The monograph concerns the method of radiation temperature measurements of natural meadow plants and application of these measurements for evaluation of water stress and evapotranspiration. The aim of this study was: l. to investigate the influence of the water energy state (soil water content and soil water potential) on radiation temperature of plant cover in laboratory and lysimetric experiments 2. the comparison and verification of the models of actual and potential evapotranspiration calculation with the use of plant cover radiation temperature measurement; the realisation of this aim was performed in two stages, i.e. by evaluation and preliminary selection of the methods of evapotranspiration calculation basing on literature studies and by verification of some chosen methods in lysimetric investigation of meadow plant cover; 3. the determination of plant water energetic status using the Crop Water Stress Index (CWSI) and its correlation with soil water potential in the soil and plants. In the monograph the role o f water for plants development was described and the physical principles of mass, momentum and energy transport in the boundary layer of atmosphere were presented. The principle of infrared radiation registration with the use of thermographic systems was described as well as the factors influencing the measurement of canopy temperature. The review and analysis of the methods of actual and potential evapotranspiration evaluation were performed for selecting the method which was the subject of later verification. The investigation were performed on two maximally differentiated soils with natural meadow plant cover. The radiation temperature measurements were performed with the use of AGA 680 thermovision system (3-3,5 µm) and the AGEMA 880 system (8-l3 µm). The radiation temperature difference between the investigated plant cover and the one in comfortable water condition is a good indicator o f water stress of plants, which is determined by soil water potential, as a decisive physical factor of its accessibility for plants. The temperature difference regarding to water comfort conditions increases to 2°C when the value of soil water potential exceeds pF 3,7, which corresponds to the range of unavailable water for plants , having the maximal values of 7°C with pF 4,2, which corresponds to the plant wilting point. The actual evapotranspiration evaluation method was chosen, basing on the heat balance equation, in which radiation temperature of canopy surface is used for the determination of sensible beat flux. Two modifications of this method differing with the way of the aerodynamic resistance determination were the subject o f verification. Basing on the lysimetric studies, the components o f heat balance equation were analysed as well as the impact of the state of thermodynamic equilibrium in the atmosphere on the accuracy of sensible heat estimation and the utilisation of actual and potential evapotranspiration for crop water stress evaluation using of Crop Water Stress Index (CWSI).
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Zastosowanie termografii do badania stresu wodnego roślin i ewapotranspiracji rzeczywistej
termografia, rośliny
Badanie zasobów wodnych gleby w aspekcie produkcji roślinnej ma istotne znaczenie poznawcze i praktyczne. Rośliny w czasie swojego rozwoju fizjologicznego potrzebują dużych ilości wody. Na przykład dla wyprodukowania jednego kilograma suchej masy, trawy potrzebują ok. 600 kg wody. W badaniach statusu wodnego roślin stosuje się metody pośrednie opierające się na pomiarach licznych parametrów roślinnych, glebowych, jak i meteorologicznych. Wzajemne związki tych mierzonych wielkości pozwalają określać stopień niedoboru wody w roślinie. Dane zbierane w wybranych punktach pomiarowych, muszą być ekstrapolowane na duże obszary, co wiąże się z koniecznością uwzględnienia zmienności przestrzennej tych parametrów. Niesie to za sobą możliwość wystąpienia dużych błędów. W ostatnich dziesięcioleciach zaistniała możliwość wykorzystywania materiałów teledetekcyjnych w formie termalnych zobrazowań lotniczych i satelitarnych w różnych dziedzinach gospodarki, między innymi w rolnictwie, w produkcji roślinnej . W warunkach polskiego rolnictwa, gdzie w strukturze agrarnej przeważają małe pola uprawne, z wysokich pułapów odwzorowują się dobrze jedynie duże obszary użytków zielonych i lasów. Istnieje olbrzymia ilość mono- i wielospektralnych zobrazowań o bardzo dobrej rozdzielczości geometrycznej i radiometrycznej. Zawierają one ogromne ilości danych o badanych obiektach. Wraz z rozwojem systemów przetwarzania i interpretacji obrazów lotniczych i satelitarnych konieczne jest intensywne prowadzenie badań podstawowych, mających na celu wyjaśnienie zjawisk odbicia promieniowania słonecznego, emisji promieniowania temperaturowego obiektów naturalnych oraz związków między intensywnością promieniowania a własnościami tych obiektów. Woda, która ulega wyparowaniu czy to z powierzchni zbiorników wodnych, czy też z powierzchni lądów w tym powierzchni gleby lub pokrywy roślinnej, staje się niedostępna do wykorzystania przez człowieka. Ważnym zagadnieniem w polskiej agrometeorologii jest umiejętność określania konsumpcyjnego zużycia wody przez parowanie, szczególnie w warunkach niekorzystnego bilansu wodnego i ograniczonych zasobów wodnych. Parowanie jest zjawiskiem fizycznym, które polega na przejściu fazowym wody ze stanu ciekłego w stan gazowy. W przypadku parowania z wolnej powierzchni wody lub z gleby używamy terminu ewaporacja, natomiast parowanie z wnętrza roślin poprzez aparaty szparkowe określa się terminem transpiracja. Ponieważ w konkretnych pomiarach i obliczeniach trudno jest oddzielić parowanie z gleby i z roślin, używa się łącznej wielkości parowania nazwanej ewapotranspiracją. Gdy określa się parowanie z dużego, jednorodnego obszaru, takiego jak zlewnia czy region, używa się terminu parowanie terenowe lub ewapotranspiracja obszarowa. Aby woda mogła parować w sposób ciągły z wilgotnej powierzchni, muszą być spełnione następujące warunki: - zewnętrzne źródło (np. Słońce) musi dostarczać energii potrzebnej do przejścia fazowego wody w postaci cieczy w parę wodną, pochłanianej jako ciepło utajone; - stężenie pary wodnej musi spadać w kierunku od powierzchni parującej do otoczenia; Obydwa te warunki są ściśle związane z prawami zachowania energii i masy. Prawo zachowania energii wymaga, aby ciepło użyte na parowanie i inne procesy było równe ciepłu dostarczonemu do powierzchni. Prawo zachowania masy wymaga, aby intensywność, z jaką para wodna jest usuwana z powierzchni parującej, była równa intensywności, z jaką jest ona przenoszona turbulencyjnie przez atmosferę. Rozróżnia się ewapotranspirację potencjalną i ewapotranspirację rzeczywistą. Określenia ewapotranspiracja potencjalna użył po raz pierwszy Thornthwaite w 1948 roku. Termin ten jest powszechnie używany, chociaż przez badaczy jest różnie rozumiany. Najczęściej ewapotranspirację potencjalną dla danego rodzaju roślinności definiuje się jako sumaryczne parowanie z roślin i gleby przy nieograniczonym dostępie wody glebowej dla roślin i z uwzględnieniem aktualnych wartości poszczególnych wielkości meteorologicznych. Według Brutseart'a ewapotranspiracja potencjalna jest to maksymalna intensywność ewapotranspiracji, jaką posiadałaby w danych warunkach meteorologicznych duża powierzchnia pokryta całkowicie i w sposób jednolity przez aktywnie rosnącą roślinność z nieograniczoną dostępnością wody glebowej . Przyjmuje się w tej definicji, że powierzchnia jest duża, aby wyeliminować wpływ zjawiska lokalnej adwekcji na przebieg ewapotranspiracji. Podobnie według Kędziory ewapotranspiracja potencjalna jest to parowanie z danego terenu pokrytego niską roślinnością przy nieograniczonym dostępie wody glebowej. Efekty biologiczne, takie jak stadium rozwoju roślin czy opór aparatów szparkowych na dyfuzję pary wodnej, mogą w sposób istotny wpływać na intensywność ewapotranspiracji. Dlatego niektórzy autorzy preferują używanie pojęcia ewaporacji potencjalnej, rozumianej jako parowanie z dowolnej dużej jednolitej powierzchni dostatecznie mokrej tak, aby powietrze w kontakcie z nią było całkowicie nasycone masą wody (np. zbiornik wody stojącej). Znajomość ewapotranspiracji potencjalnej jest niezbędna w projektowaniu systemów irygacyjnych, gdyż określa ona niezbędną ilość wody, jaka musi być zapewniona dla danego obszaru rolniczego. W ostatnich latach powszechnie stosowaną procedurą przy określaniu ewapotranspiracji potencjalnej dla różnych gatunków roślin jest najpierw oszacowanie ewapotranspiracji potencjalnej odniesienia dla powierzchni standardowych (trawa, lucerna), a następnie stosowanie odpowiednich empirycznych współczynników roślinnych . Ewapotranspiracja rzeczywista jest to ilość wody odprowadzona do atmosfery wskutek parowania z gleby oraz z masy roślinnej w wyniku transpiracji w istniejących warunkach meteorologicznych i przy aktualnym stanie uwilgotnienia gleby. Ewapotranspiracja rzeczywista zależy od czynników meteorologicznych, glebowych, biologicznych i agrotechnicznych.
eISSN:2300-6730
ISSN:1234-4125