big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Некоторые геофизические и биофизические методы расчета потребности в воде фитоценозов

В общем виде связь максимально возможного суммарного испарения фитоценоза с метеорологическими факторами в условиях оптимальной влажности почвы (что соответствует потребности в воде фитоценоза) может быть установлена исходя из затрат тепла на испарение, равных, как известно, произведению скрытой теплоты испарения L на величину испарения Е. В зависимости от температуры испаряющей поверхности скрытая теплота испарения изменяется: L = 5970,6t кал/г, где t — температура в градусах Цельсия. При температурах испаряющей зеленой поверхности фитоценозов 10—30° С, наиболее активных для большинства растений, L равно 580—590 кал/г.

Если известна остаточная радиация (или радиационный баланс R), турбулентный теплообмен Р (поток тепла от зеленой поверхности фитоценоза в атмосферу) и поток тепла в почву В, то затраты тепла на испарение определяют как остаточный член теплового баланса в виде LE = RРВ.

В СССР обстоятельные исследования радиационного и теплового балансов и на основе их испарения с суши, водных поверхностей, отдельных угодий и фитоценозов были выполнены в последние 15—20 лет в Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова (М. И. Будыко, Т. Г. Берлянд, М. Е. Берлянд, Д. Л. Лайхтман, М. И. Юдин, С. А. Сапожникова, Н. П. Русин, Н. А. Ефимова, Л. И. Зубенок, Т. В. Кириллова, Н. И. Яковлева и др.), в Государственном гидрологическом институте (П. П. Кузьмин, В. В. Романов, В. И. Кузнецов, С. Ф. Федоров, С. И. Харченко), в Украинском гидрометеорологическом институте (А. Р. Константинов, Л. И. Сакали, Н. И. Гойса, Р. Н. Олейник), в Ташкентской геофизической обсерватории (А. А. Скворцов, Б. А. Айзенштат, М. В. Зуев), в Институте географии АН СССР (А. И. Будаговский, Ю, Л. Раунер, Н. И. Руднев, Л. М. Ананьева), в Омском сельскохозяйственном институте (В. С. Мезенцев, И. В. Карнацевич), в Агрофизическом институте ВАСХНИЛ (А. Ф. Чудновский, Б. Н. Мичурин, И. Б. Ревут), в Геофизическом институте АН СССР (А. С. Монин и А. М. Обухов), в Белорусском институте водного хозяйства и мелиорации (В. Ф. Шебеко и др.).

В последние годы В. С.Мезенцевым и его сотрудниками (1966) было доказано, что теплоэнергетические ресурсы суммарного испарения за средний год определяются не только потоками тепла радиационного баланса, но и положительной составляющей турбулентного теплообмена. При этом годовые затраты тепла на максимально возможное суммарное испарение (испаряемость), согласно этим выводам, определяются по уравнению

где LE0 — затраты тепла на испарение и R — радиационный баланс за год с поправкой ГГО (Пивоварова, 1966).

Приближенно средний годовой радиационный баланс можно рассчитать по уравнению

где φ — географическая широта местности в градусах.

Скорость расхода тепла на испарение обычно рассчитывают по формуле

где R— радиационный баланс, Р — поток тепла в атмосферу, At и Ае— соответственно разности температуры и абсолютной влажности воздуха на двух высотах, чаще на высотах 20 и 150 см. Аналогично производится расчет турбулентного потока тепла в воздух по уравнению

где все обозначения (кроме В) предыдущие.

Для расчета потока тепла в почву В чаще всего используют в последние годы формулу Г. X. Цейтина

где с — объемная теплоемкость почвы, кал/см3 град.; а — коэффициент температуропроводности;  S1 и S2 — величины, характеризующие изменение температуры почвы по времени на разных глубинах; τ — время в минутах, за которое вычисляется среднее значение потока тепла в почве.

Обычно поток тепла в почву не принимают во внимание при расчетах испарения вследствие сложности его измерения. Опыт показывает, что при достаточном увлажнении его величина составляет не более 5—15% радиационного баланса, что позволяет иногда пренебречь ею в теплоэнергетических и водобалансовых расчетах.

Использование уравнения теплового баланса для расчетов потребности в воде фитоценозов не может встречать каких-либо возражений принципиального характера, если влажность почвы в течение периода вегетации данного фитоценоза поддерживается на оптимальном уровне (для суглинистых почв — от 65 до 100% наименьшей влагоемкости почвы) и если растительная масса фитоценоза соответствует достаточно высоким урожаям, способным полностью исчерпать теплоэнергетические ресурсы данного географического пункта в текущем году.

В этом случае суммарную потребность фитоценоза в воде нетрудно определить по уравнению

где Eф — суммарная потребность в воде фитоценоза, a R, Р, В — соответственно суммарные значения радиационного баланса, турбулентного теплообмена и потока тепла в почву за период от начала до конца вегетации фитоценоза, L — скрытая теплота испарения.

Однако некоторые исследователи (Мезенцев и др., 1966), о чем было сказано выше, относят к теплоэнергетическим ресурсам суммарного испарения и тепло положительной составляющей турбулентного теплообмена, что принципиально меняет прежнее представление о физической сущности испарения при достаточном увлажнении. Оказывается, для расчета испаряемости необходимо суммировать тепло положительной составляющей турбулентного теплообмена Р+ с радиационным балансом R+, полученным за период прихода суммарной коротковолновой радиации.

Так как суммарная потребность в воде фитоценоза в пределе равна испаряемости, что доказано на многих культурных: фитоценозах, а в последние годы и на естественных фитоценозах, то на практике эту потребность легко рассчитать, если знать испаряемость за период от начала до конца вегетации изучаемого сообщества.

Определить испаряемость экспериментальным путем, как известно, довольно трудно, так как на интенсивность испарения влияют температура испаряющей поверхности, размеры, в том числе глубина испарителей и изучаемых естественных водоемов, окружающие условия (краевой эффект).

Сравниваемые величины испаряемости в пространстве и времени можно получить только с достаточно больших и достаточно глубоких водоемов, на которых в минимальной степени сказывается влияние краевого эффекта и глубины прогревания воды. Но и в этом случае необходимо вводить региональные коэффициенты, чтобы эти результаты были справедливы для фитоценозов. Поэтому неприемлемы предложения отдельных исследователей принимать за эталон испаряемости показания испарителей, заполняемых водой или постоянно увлажняемой почвой без растений или с растениями. Этот вывод не исключает использования подобных испарителей для решения частных задач, но при условии корректирования результатов наблюдений соответствующими редукционными коэффициентами.

Указанные трудности экспериментального определения испаряемости, которая служит мерой суммарной потребности в воде фитоценозов, побудили многих исследователей искать теоретические и эмпирические уравнения связи испаряемости с различными метеорологическими показателями, которые бы дали возможность рассчитывать потребность в воде фитоценозов в любых географических условиях, опираясь на материалы специальных или массовых наблюдений метеорологических станций.

Здесь нет необходимости повторять критический обзор методов определения испаряемости, так как это уже сделана М. И. Будыко (1956). Остановимся только на некоторых основополагающих геофизических и биофизических методах, опубликованных начиная с сороковых годов XX века.

В СССР М. И. Будыко (1948) и в Англии X. Л. Пенманом (Penman, 1948) одновременно были предложены методы определения испаряемости на основе материалов наблюдений над радиационным и тепловым балансами. По своей сущности эти методы можно назвать геофизическими.

В основе метода Пенмана лежит уравнение теплового баланса водоема. Согласно Пенману, «возможная транспирация», или, по нашей терминологии, «суммарная потребность в воде фитоценоза»,

где Ео — испарение с водной поверхности и f— коэффициент. Для Западной Европы летом f = 0,8, зимой f = 0,6, весной и осенью f = 0,7, в среднем за год f = 0,7. Ео. Пенман вычисляет, исходя из установленной им сложной зависимости его от радиационного баланса, скорости ветра, температуры и влажности воздуха.

К достоинствам метода Пенмана следует отнести использование в расчетах испаряемости многих переменных метеорологических данных, в том числе общей солнечной радиации, альбедо, фактической и возможной продолжительности солнечного сияния. Однако необходимость использовать большое количество метеорологических данных для расчетов Ео ограничивает применение этого метода, так как далеко не везде проводятся на метеорологических станциях все необходимые для расчета наблюдения. Кроме того, в различных географических зонах отношение «возможной транспирации» к испарению со свободной водной поверхности не остается постоянным, что было показано М. И. Будыко (1951).

В СССР для определения испаряемости М. И. Будыко (1950) был предложен так называемый комплексный метод, учитывающий влияние радиационного баланса, температуры и влажности воздуха. По этому методу испаряемость рассчитывают по формуле

где ρ — плотность воздуха, D — коэффициент обмена, весьма изменчивый и для теплого периода года приблизительно равный 0,60—0,70 см/сек., qw — удельная влажность насыщенного водяным паром воздуха при температуре испаряющей поверхности, q — удельная влажность воздуха на некоторой высоте, принятой в массовых наблюдениях равной 2 м.

А. И. Будаговский (1956) вводит в уравнение потока влаги между растительным покровом и атмосферой дополнительный коэффициент р, учитывающий влияние нелинейности между максимальной упругостью водяных паров и температурой испаряющей поверхности, а также влияние характера и состояния увлажненной испаряющей поверхности. Для хорошо развитого растительного покрова р больше единицы (1,15).

Формула А. И. Будаговского для расчета испаряемости имеет вид

где все обозначения, кроме безразмерного коэффициента р, прежние. Так как при испарении с растительного оптимально увлажняемого покрова р больше единицы, то и испарение в этом случае может быть больше испаряемости, что, как будет показано дальше, хорошо согласуется с условиями при высоких урожаях.

Что касается коэффициента обмена D, то его значение зависит от многих переменных, в частности от скорости ветра, которая в свою очередь связана с высотой, от температурного градиента между растительным покровом и воздухом, от коэффициента шероховатости данного вида и сорта растений, от сомкнутости и высоты травостоя и древостоя. По имеющимся экспериментальным данным, коэффициент D изменяется от 0,45 до 2,10 см/сек. (Медведева, 1962).

Определение за короткий период испаряемости с достаточной точностью требует большой повторности и частоты наблюдений при использовании метода теплового баланса (Струзер, 1959), что обусловлено большой изменчивостью в первую очередь коэффициента обмена D. При инверсиях в приземном слое воздуха и малых скоростях ветра коэффициент D получается отрицательным, что лишено физического смысла. Кроме того, расчеты методом теплового баланса весьма сложные и трудоемкие. Однако для оценки теплоэнергетических ресурсов больших территорий за длительный период времени (год, сезон, месяц) метод теплового баланса апробирован и в среднем многолетнем периоде является одним из достаточно точных методов.

К группе геофизических методов мы относим также метод В. С. Мезенцева (1957). Предложенная им формула имеет вид

где Еф — потребность в воде в мм, е — средняя многолетняя годовая абсолютная влажность воздуха на высоте 2 м в миллиметрах ртутного столба, ∑d — сумма дефицитов влажности воздуха.

В последние десятилетия широкое распространение получили более простые методы определения суммарной потребности в воде фитоценозов, основанные на использовании общедоступных данных массовых наблюдений метеорологических станций. Чаще всего для этого привлекают температуру, влажность воздуха, атмосферные осадки, реже — скорость ветра, продолжительность дня и солнечного сияния.

Для коротких периодов времени (минуты, часы, сутки) эти методы, которые назовем биофизическими, оказываются менее точными по сравнению с методом теплового баланса. Однако для периодов порядка пяти или десяти дней, тем более — несколько месяцев, точность биофизических методов обычно не уступает точности геофизических.

Некоторые методы из группы биофизических не учитывают тип растительного покрова в расчетах испарения; в других — вводятся параметры, характеризующие влияние на испарение типа фитоценоза. Дадим краткую характеристику некоторых из них, тех, которые применяются в научных исследованиях, в некоторых проектных работах, в практике сельскохозяйственных мелиорации и водохозяйственных расчетах.

В Соединенных Штатах Америки за последние 20 лет широкое признание получили формулы С. В. Торнтвейта (Thornthwaite, 1948) и X. Блени — В. Криддла (Blaney and Criddle, 1950). Формула Торнтвейта имеет вид

где Еф — суммарная потребность (по Торнтвейту, суммарное потенциальное испарение) в воде фитоценоза за 30 дней; t — средняя месячная температура воздуха, °С; J — теплобалансовый индекс, представляющий собой сумму 12 месячных показателей j, рассчитываемых, в свою очередь, по формуле i =(t0/5)1,514; а — кубическая функция J. Величину а можно вычислять, используя и более простую формулу:

Формула выведена на основании данных, полученных в результате наблюдений преимущественно на водосборах, частично в специальных опытах. В более поздних исследованиях (1954), после проверки формулы на практике Торнтвейт отмечал, что у него нет уверенности в возможности ее использования в климатических условиях, отличных от условий территории, для которой она выведена. Этот самокритичный прогноз впоследствии получил подтверждение в исследованиях Гипроводхоза СССР (1963). Неудовлетворительные результаты по методу Торнтвейта были получены в Австралии (Gentilli, 1953) и Центральной Европе (Uhlig, 1954). Тип фитоценоза в формуле Торнтвейта не учитывается, что ограничивает возможность ее использования для расчетов испарения за короткие периоды времени— за межфазные периоды или пентады и декады. К числу слабых мест формулы Торнтвейта следует отнести недоучет воздействия на испарение влажности воздуха. Он предполагал, что с помощью температуры удастся учесть влияние на испарение всего комплекса метеорологических факторов, однако это не всегда оказалось оправданным.

Однако в США и Канаде метод Торнтвейта дает удовлетворительные результаты. Для внесения поправок на фактическую продолжительность дня в зависимости от географической широты, а также для быстрого исчисления месячных тепловых показателей i и определения потенциального испарения Торнтвейт опубликовал таблицы и номограмму. Пример подробного расчета потенциального испарения по методу Торнтвейта, наряду с таблицами тепловых индексов i и номограммой, приводит Р. Келлер (1965).

Приблизительно одновременно с Торнтвейтом в США разрабатывали свой метод X. Блени и В. Криддл (Blaney and Criddle, 1950). В метрических единицах формула Блени и Криддл а имеет вид

Где К — константа, зависящая от типа растительного покрова, р — средняя за год месячная продолжительность дня (в процентах от среднего числа часов в месяце), t — средняя месячная температура воздуха, °С, Еф — суммарная месячная потребность в воде фитоценоза.

Более простая формула тех же авторов, менее точная, но более общедоступная, пригодная для расчетов потребности в воде фитоценозов культурных растений в течение вегетационного периода, записана в виде

где ∑Eф — суммарная потребность в воде, мм, К — эмпирический коэффициент, установленный за вегетационный период каждой культуры и численно равный сумме месячных коэффициентов k, F=∑(tp/100) за те же месяцы вегетации культуры.

В табл. 14 приводятся значения эмпирических коэффициентов К для западных штатов, по Блени.

Достоинством метода Блени — Криддл а является дифференцированное по культурам значение коэффициента К. Однако в регионах, отличающихся по природным условиям от западных штатов США, метод Блени—Криддла дает завышенные значения потребности в воде фитоценозов (засушливые и сухие районы СССР, Турции). Кроме того, в упрощенной формуле не учтено влияние влажности воздуха на испарение. Недавно С. И. Харченко (1968) показал, что формулы Блени — Криддла непригодны для степей Русской равнины.

Во Франции и в ряде других стран Западной Европы широкое признание получили формулы, предложенные Л. Тюрком (1955) на основании исследований, проведенных в Версале, и обобщения большого числа данных лизиметров и наблюдений на водосборах в различных географических условиях. Для растительного покрова при не ограничивающей испарение влажности почвы Тюрк предложил следующую формулу для расчета потребности в воде культуры:

Здесь Еф — потребность в воде в мм за декаду; р — атмосферные осадки в мм за декаду; а — расход воды из почвы (мм) за декаду при отсутствии осадков; l — испаряющая способность воздуха (мм) за декаду, рассчитываемая по формуле l=((t+2)/16)∙√i, где t — средняя за декаду температура воздуха (°С), i — приток коротковолновой радиации (кал/см2 день); v — показатель, зависящий от растительности,

Где М — конечный урожай сухого вещества (кг/га); z — продолжительность вегетационного периода культуры в днях, с — константы, имеющие, по Тюрку, следующие значения:

При с=1 и M/z=8 (около 0,4 ц сухого вещества на гектар в день) v = 70, если водоснабжение культуры не ограничено.

Анализ формулы Тюрка при этих условиях показывает, что потенциальное испарение (испаряемость), которое количественно приравнивают часто к потребности в воде фитоценозов, меньше зависит от v и р и больше от l. Позже, учтя это обстоятельство, Тюрк (1961) предложил для орошаемых культур более простую формулу

где Еф — потребность в воде за декаду (мм), t — средняя декадная температура воздуха (°С), i— средний за декаду приток коротковолновой радиации (кал/см2 день). Тюрк считает, что формула дает хорошие результаты в различных климатических условиях, если расчет вести для периода активного роста, когда растительный покров хорошо затеняет почву, а влажность почвы не лимитирует испарение.

Основная трудность применения формул Тюрка заключается в том, что для многих районов конкретные значения параметра i неизвестны.

При урожаях, полностью не исчерпывающих теплоэнергетических ресурсов данного географического пункта и года, формулы Тюрка могут иметь безусловное преимущество, если константы с определены с достаточной степенью надежности. Это одно из наиболее уязвимых мест метода Тюрка, так как, по его мнению, множитель с должен правильно отражать, кроме прочих условий, относительную способность растений использовать имеющиеся запасы влаги в почве, что, как известно, не всегда зависит от свойств растений и тесно связано с глубиной проникновения корней в почву. По наблюдениям автора, яровая пшеница в северо-западных провинциях лесной зоны СССР развивает корневую систему до 50—60 см, а в степной — до 150 см, а подсолнечник — соответственно до 30 и 200 см. В связи с этим численное значение константы с для одного и того же вида и сорта растений будет существенно варьировать в аридных и гумидных регионах вследствие различной глубины проникновения корней в почву. Кроме того, вызывает недоумение то, что в одну группу по значению с помещены глубоко-укореняющаяся люцерна и мелкоукореняющиеся луговые злаки.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.