Новая технология для прямого измерения эвапотранспирации (ET)

Знакомство с автором: Доктор Марк Гринспан имеет более чем четвертьвековой опыт научных исследований в области виноградарства и практической работы в полях. Он специализируется на управлении орошением и питанием, управлении урожаем и кроной, климате и микроклимате виноградников, проектировании виноградников и vineyard technology. Он является основателем Advanced Viticulture, Inc. в Виндзоре, Калифорния (www.advancedvit.com), предоставляющей консультационные услуги, технологии, управление виноградниками и их разработку для виноделен, виноделов и виноградарей, посвятивших себя производству премиальных вин. Пожалуйста, направляйте запросы по адресу mark@advancedvit.com или по телефону 707-838-3805.

ЭФФЕКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ никогда не было более критически важным для сельского хозяйства и, в частности, для виноградарства. Виноградарству высокого уровня необходимо управлять водой не только для сокращения затрат, но и для поддержания высокого качества на рынке с переизбытком предложения и покупателями, которые имеют преимущество над производителем. Виноградарству с высокими объемами производства может и не потребоваться такая тонкость управления водой для качества, как для виноградарства высокого уровня, но регуляторные требования по защите грунтовых вод, а также ограничения на поставки воды подталкивают виноградарей к тому, чтобы извлекать максимальную пользу из каждого галлона.

Мы использовали эффективные технологии, чтобы помочь виноградарям поливать эффективно и контролировать стресс лозы для улучшения качества вина с их виноградников. В Advanced Viticulture нашими основными инструментами были датчики влажности почвы и, совсем недавно, микротензиометры Florapulse. Оба инструмента были незаменимы и еще более сейчас, когда у нас есть собственный портал данных для просмотра и анализа этих потоков данных. Недавно мы начали работать с новым инструментом, устройством Eddy Covariance (вихревой ковариации), для прямого измерения ЭТ (ET), что дает нам еще один подход к управлению орошением, которого у нас не было ранее. Прежде чем я представлю этот новый инструмент, позвольте мне объяснить, что такое прямое измерение ЭТ и чем оно отличается от других измерений ЭТ.

Вихревая ковариация (Eddy Covariance)
Вихрь, или, что более значимо, вихри — это завихрения турбулентного воздуха, которые мы испытываем ежедневно, но часто не задумываемся о них, если вы не микрометеоролог, как я. Я получил докторскую степень по микрометеорологии виноградной среды, так что кое-что в этом понимаю. Давайте начнем с обсуждения микрометеорологии (назовем это микрометом), вихрей и того, как вихревая ковариация используется для измерения ЭТ.

Ветер дует не по прямой линии. Когда воздух течет по поверхности земли или, в микромет-масштабе, по поверхности поля, леса, пустыни или чего-либо еще, он испытывает трение об эту поверхность. Воздушный поток на самой поверхности земли равен нулю, потому что ветер не может проникнуть в землю. Таким образом, когда ветер дует над поверхностью, часть, ближайшая к земле, испытывает сопротивление от трения, которое усиливается объектами, такими как здания, деревья и, конечно, виноградные лозы. Это трение создает силу сдвига в поле воздушного потока, которая создает турбулентные вихри. И эти вихри закручиваются и взаимодействуют с другими массами воздуха, создавая еще больше вихрей. Эти вихри сдвига ветра меньше, чем первичные вихри, и эти меньшие вихри взаимодействуют с другими порциями воздуха, создавая свои собственные вихри. Действительно, воздух не течет по прямой линии, за некоторыми исключениями, как катабатический ветер в очень спокойную ночь, когда холодный воздух опускается. Эти потоки не турбулентны; но в течение дня вы можете насчитать турбулентные вихри повсюду. Вы можете увидеть это, если посмотрите на поднимающийся дым и его закручивание. Изначально он быстро поднимается из-за конвекции от тепла; но по мере остывания его увлекает воздух, и тогда вы можете увидеть, как выглядят вихри.

Итак, теперь, когда вы знаете, что такое вихрь, давайте обсудим, почему это важно для нас, не только для сельского хозяйства, но и как для людей. Без движения воздуха все, что генерируется на поверхности земли (например, пыль, CO₂, [газы] и, да, водяной пар), должно было бы полагаться на диффузию от высоких концентраций на поверхности к более низким концентрациям в атмосфере выше. К счастью, это не так. Ветер со своими турбулентными вихрями способствует перемещению газов и взвешенных частиц (называемых аэрозолями) от поверхности к небу.

В случае водяного пара концентрация водяного пара (когда нет дождя) выше внутри и чуть выше растительного покрова, чем в воздухе над покровом. Турбулентные вихри перемешивают более влажный воздух снизу с более сухим воздухом сверху (Рисунок 1). В части, которая закручивается вверх, пар поднимается вверх. В части, которая закручивается вниз, более сухой воздух опускается вниз.

РИСУНОК 1 Иллюстрация турбулентного переноса водяного пара с поля в атмосферу.
(Изображение: стрелками показано движение воздушных масс с паром от поверхности вверх)

Мы можем измерить эти вихри с помощью высокоскоростных анемометров. Звуковой анемометр выглядит как стетоскоп, но на самом деле это пара динамиков и микрофонов. Несколько раз в секунду динамики излучают ультразвуковой импульс, который улавливается микрофоном на другом конце. Измеряется время, за которое звуковая волна достигает микрофона на другом конце, и разница во времени между двумя направлениями является измерением мгновенной скорости ветра. Таким образом мы можем измерить турбулентное поле воздуха, и метеорологи могут измерить это в 3D. Для нас важна только одна ось — вертикальная — потому что движение по горизонтали просто перемещает пар across the field, а нас интересует только то, что перемещается вверх. Таким образом, одномерный звуковой анемометр измеряет флуктуации вертикального движения воздуха. Со временем чистое движение воздуха равно нулю, потому что земля блокирует вертикальное движение воздуха. Поэтому нас интересуют только флуктуации в вертикальном направлении.

Мы также можем измерять водяной пар, или влажность, с той же высокой частотой. Когда воздух закручивается вверх, более влажный воздух регистрирует увеличение влажности; а когда он закручивается вниз, приносимый более сухой воздух регистрирует уменьшение влажности. Если мы запишем мгновенную вертикальную скорость воздуха вместе с мгновенной влажностью и возьмем ковариацию этих двух величин за временной интервал, мы получим прямое значение потока водяного пара. Это и есть вихревая ковариация.

Если это звучит сложно, вы правы: это отчасти так, но, к счастью, это установившаяся технология, и ковариация вычисляется на лету либо самим устройством, либо оборудованием, используемым для регистрации данных. В моих graduate research и в начале профессиональной карьеры я использовал оборудование для вихревой ковариации. Стоимость тогда составляла около 30 000 долларов в сегодняшних деньгах. Сейчас можно найти оборудование по такой или даже более высокой цене для использования в микромет-исследованиях. Таким образом, хотя оборудование для вихревой ковариации долгое время было золотым стандартом для измерений ЭТ, его высокая стоимость делала его в основном исследовательским инструментом, хотя разработчики других методов ЭТ использовали и до сих пор используют его в качестве стандарта для калибровки своего подхода.

Это здорово, но золотой стандарт слишком дорог для прямого измерения ЭТ

Это верно, оборудование для вихревой ковариации было просто слишком дорогим для использования в качестве источника ежедневных измерений ЭТ до недавнего времени, по крайней мере. В прошлом году компания Li-COR из Небраски, которая decades производит оборудование для исследований растений и окружающей среды, выпустила свой датчик ЭТ LI-710 (РИСУНОК 2), который представляет собой упрощенный, но все же эффективный датчик вихревой ковариации в небольшом и прочном корпусе. Самое лучшее в нем — это ценник, который составляет лишь часть стоимости традиционной системы вихревой ковариации и puts it right into the cost-effective range для коммерческого сельского хозяйства. Устройство вычисляет вихревую ковариацию internally и передает данные в цифровом виде на регистратор данных.

В прошлом году, восхищенный этой новой технологией, мы заключили дилерское соглашение с Li-COR и приобрели несколько блоков, чтобы лучше ознакомиться и разработать оптимальные решения для регистрации данных и телеметрии. Мы добились substantial progress и также разработали приложение для отслеживания ЭТ и помощи виноградарям в определении irrigation на основе информации (РИСУНОК 3).

Почему использовать это вместо других методов измерения ЭТ?

Наша мотивация для этой статьи — объявить об этой новой технологии, а не дискредитировать другие существующие технологии, но мы должны хотя бы кратко обсудить, почему это такое exciting development для нас и для сельского хозяйства в целом.

Вероятно, самым распространенным способом получения измерений ЭТ является использование метеостанций и использование этой информации для определения эталонной ЭТ (ETo)

РИСУНОК 2 Датчик ЭТ вихревой ковариации LI-700, установленный над пологом виноградника. С тех пор мы выяснили, что можем уменьшить размер солнечной панели и электроники для более компактной установки.
(Фото: устройство на шесте над виноградными рядами)

РИСУНОК 3 Снимок экрана инструмента орошения ЭТ от AV. Под этой таблицей с информацией представлены графики ЭТ, орошения и данных о погоде.
(Снимок экрана: таблица и графики с данными)

с использованием модифицированного уравнения Пенмана. Погодные данные о солнечной радиации, скорости ветра, температуре и влажности используются для определения Суточной ETo. Почти все метеостанции предоставляют значения ETo, поскольку это стандартный и распространенный метод. Тем не менее, сама по себе ETo имеет ограниченную utility, поскольку она основана на теоретической ЭТ гипотетической эталонной культуры (смешанной травы, скошенной до определенной высоты) и не указывает на ЭТ культуры (ETc). Для многих культур, включая виноградники, ETc составляет долю от ETo.

Чтобы определить ETc, ETo умножается на коэффициент культуры (Kc). Эти коэффициенты культуры basically являются «поправочным коэффициентом» для представления доли ETo, которую испытывает actual crop. Значения Kc будут варьироваться в течение вегетационного периода по мере развития и старения canopy, обычно достигая пика вокруг veraison, оставаясь стабильными, а затем падая near или после сбора урожая. Значения Kc были вычислены и опубликованы многими исследователями для многих различных культур, включая виноградники. Однако они подвержены ошибкам, и мы обнаружили, используя влажность почвы в качестве ориентира, что мы можем поливать гораздо меньше, чем количество, выдаваемое ETo*Kc, без долгосрочной потери влажности почвы. Таким образом, фактический Kc, вероятно, substantially ниже, чем говорят нам опубликованные значения Kc, основанные на нашем опыте.

В прошлом году мы провели некоторые РЕАЛЬНЫЕ измерения ЭТ с помощью вихревой ковариации и сравнили их с ETo, вычисленными с помощью nearby метеостанций, и обнаружили эффективные значения Kc около 0,35 для полного canopy в трех виноградниках по сравнению с опубликованными значениями около 0,6. Это большая разница!

Surface renewal (обновление поверхности) был популярным методом определения ЭТ в последние годы. Хотя surface renewal является valid микромет-методом, мы должны предупредить, что это не прямое измерение ЭТ. Скорее, оно основано на поверхностном энергетическом балансе (РИСУНОК 4). Позвольте мне объяснить. Энергетический баланс поля (или любой другой части поверхности Земли) состоит из четырех основных компонентов потока:

1. Поток чистой радиации, Rn, который представляет собой количество солнечной радиации, обеспечивающей энергию поверхности (нисходящая радиация минус отраженная радиация)

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТОКИ

• Чистая (солнечная) радиация, Rn

• Почвенный (грунтовой) тепловой поток, G

• Поток явного тепла (тепловой), H

• Поток скрытого тепла, LE (ЭТ)

РИСУНОК 4 Поверхностный энергетический баланс, используемый для некоторых методов, но вихревой ковариации не нужна эта модель, поскольку она напрямую измеряет поток водяного пара.
(Схема: стрелки, показывающие входящую и исходящую энергию)

1. Поток тепла в грунт, G, который представляет собой энергию, нагревающую поверхность почвы и проникающую в более глубокие слои.

2. Поток явного тепла, H, который представляет собой энергию, рассеиваемую в воздухе путем нагрева воздуха от почвы и листьев и переносимую в окружающую среду турбулентностью, точно так же, как и водяной пар.

3. Поток скрытой теплоты испарения, LE, который представляет собой энергию, используемую для испарения воды из жидкости в пар, который затем переносится в окружающую среду турбулентностью, так же, как и явное тепло.

Метод surface renewal измеряет не поток скрытого тепла или поток водяного пара, а измеряет поток явного тепла. Чтобы определить поток скрытого тепла и, исходя из этого, поток испарения, используется энергетический баланс для выделения этого члена. Обычно два других члена, Rn и G, оцениваются, и независимо от того, оцениваются они или измеряются, каждый член в уравнении энергетического баланса представляет собой источник потенциальной ошибки. В итоге, surface renewal подвержен ошибкам, в отличие от вихревой ковариации, которая является прямым измерением движения водяного пара и не требует никаких допущений или моделей.

Есть ли ограничения на то, где это можно использовать?

Да, есть ограничения, которые в значительной степени совпадают с ограничениями surface renewal. Поле должно быть decent size — достаточно большим, чтобы обеспечить несколько сотен футов наветренного fetch до датчика. Это необходимо для стабилизации поля потока и избежания краевых эффектов, таких как от дорог и прудов. И хотя поле в идеале должно быть плоским, наклонные поля можно использовать, если уклон относительно постоянен. Мы тестировали LI-710 на некоторых неровных и наклонных виноградниках в прошлом году и получили хорошие показания с них, но выбор места важен, а tiny little «островные» виноградники просто не являются кандидатами. Это верно как для методов sensing surface renewal, так и для вихревой ковариации.

Тем не менее, большинство виноградников commercial-scale смогут использовать это новое устройство, и мы с нетерпением ждем возможности внедрить их среди early adopters в этом и предстоящих вегетационных сезонах. WBM