doi: 10.15389/agrobiology.2017.3.446rus
УДК 631.962:574.24:53.072
МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
УСТЬИЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ У КОРМОВЫХ ТРАВ
А.В. ДОБРОХОТОВ1, И.Л. МАКСЕНКОВА1, Л.В. КОЗЫРЕВА1, Р. ШАНДОР2
Устьичная проводимость (УП) — важный регулятор углеродного и водного обмена растений. Ее расчет используется в моделях фотосинтез—транспирация, а также для оценки роста и развития растений в экосистемах. Если рассматривать посев как «большой лист», то с учетом устойчивости приземного слоя воздуха УП определяется факторами окружающей среды. Внешние условия не только регулируют степень открытости устьиц, но и непосредственно влияют на транспирацию. Нами апробирована предложенная J.M. Blonquist с соавт. (2009) модель оценки УП на основе радиометрических показателей (температура растительного покрова, скрытый и явный потоки тепла как составляющие энергетического баланса посевов) и впервые показана ее применимость при использовании автоматизированных наземных измерений с помощью разработанного агрометеорологического комплекса в сочетании с дистанционным зондированием. Наблюдения проводили 15 и 31 мая 2016 года на поле с кормовыми травами (пос. Бугры, Ленинградская обл., географические координаты соответственно 60°5'6''N, 30°25'27''E и 60°5'16''N, 30°24'32''E). Входные агрометеорологические параметры (температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость ветрового потока, радиометрическая температура и радиационный баланс растительного покрова) фиксировали с помощью автоматизированного мобильного полевого агрометеорологического комплекса АМПАК (Агрофизический научно-исследовательский институт) с интервалом 90 с. Наземные измерения выполняли синхронно с дистанционным зондированием со спутника LandSat-8 (США; данные с LandSat-8 размещаются в свободном доступе на портале Геологической службы США — U.S. Geological Survey, https://www.usgs.gov/). Спутник оснащен целевой аппаратурой: OLI (OperationalLandImager), получает изображения в видимом (5 каналов) и ближнем инфракрасном (4 канала) диапазонах, TIRS (ThermalInfraRedSensor) — в дальнем инфракрасном (тепловом) диапазоне (2 канала). Атмосферную коррекцию спутниковых снимков выполняли с помощью модели с открытым исходным кодом 6S (Second simulation of the satellite signal in the solar spectrum), разработанной группой исследователей из разных стран. Для расчета в ней используются данные об аэрозольной оптической толщине атмосферы для l = 550 нм (доступны в системе MODIS) и глобальная цифровая модель рельефа ASTERGDEM (доступна на портале Геологической службы США). Составляющие энергетического баланса (радиационный баланс, поток тепла в почву, скрытый и явный потоки тепла) вычисляли по модели SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) (W.G.M. Bastiaanssen, 1998). При обработке спутниковых снимков проводили расчеты для значения пикселей с NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) > 0,7, что интерпретируется как густая растительность с сомкнутым покровом. Построенные тематические карты радиационного баланса, скрытого и явного потоков тепла использовали для оценки УП. В результате исследований получены тематические карты пространственного распределения устьичной проводимости в экосистеме (поле с кормовыми травами) в зависимости от температуры поверхности растительного покрова и составляющих теплового баланса с учетом стратификации приземного слоя воздуха.
Ключевые слова: устьичная проводимость, устьичное сопротивление, транспирация, уравнение энергетического баланса, температура поверхности растительного покрова, дистанционное зондирование, автоматизированный мобильный полевой агрометеорологический комплекс АМПАК.
MODEL-BASED ASSESSMENT OF SPATIAL DISTRIBUTION OF STOMATAL CONDUCTANCE IN FORAGE HERB ECOSYSTEMS
A.V. Dobrokhotov1, I.L. Maksenkova1, L.V. Kozyreva1, R. Sándor2
Stomatal conductance is an important factor which controls carbon and water exchange. By changing stomatal width, a canopy simultaneously controls both the carbon dioxide supply and water loss during transpiration. Stomatal conductance is a parameter of photosynthesis and can help to estimate canopy growth and development in ecosystems. Therefore, it is a necessary component of transpiration models. The aim of this study was to validate a stomatal conductance model using radiometric measurements of energy balance parameters for vegetated surfaces: vegetated surface temperature, sensible and latent heat flux. Considering atmospheric surface layer stability, the crop was assumed to be a «big-leaf», with stomatal conductance influenced by environmental factors. External conditions not only control stomata width, but also directly affect the transpiration processes. We have tested the stomatal conductance model by J.M. Blonquist et al. (2009) based on radiometric canopy temperature and energy balance components such as latent and sensible heat fluxes. The applicability of the model for estimating stomatal conductance using automated ground-based measurements and remote sensing was first shown. Observations were carried out at two locations with forage herbs (60°5'6''N, 30°25'27''E and 60°5'16''N, 30°24'32''E) at Bugry in the Leningradskaya Province (on May 15 and 31, 2016, respectively). Model inputs, such as air temperature and humidity, atmospheric pressure, wind speed, radiometric temperature and net radiation of vegetated surface were measured with automatic mobile field agrometeorological equipment AMFAE (Agrophysical Research Institute), with measurements taken every 90 seconds. Ground observations were carried out simultaneously with LandSat-8 satellite data surveys. LandSat-8 is an American Earth observation satellite, it contains two instruments: OLI (Operational Land Imager) has 5 visible bands and 4 near infrared bands, TIRS (Thermal InfraRed Sensor) has 2 longwave infrared bands. LandSat-8 data is freely available on the US Geological Survey. Atmospheric correction of satellite imagery was made using the 6S (Second simulation of the satellite signal in the solar spectrum) open source model with publicly available data of aerosol optical depth at 550 nm provided by the MODIS system and the global digital elevation model ASTER GDEM (data is freely available on the US Geological Survey). Components of the energy balance including net radiation, soil heat flux, sensible and latent heat flux were calculated with the SEBAL (Surface Energy Balance Algorithm for Land) model by W.G.M. Bastiaanssen (1998) using the ground observation meteorological data from AMFAE. Obtained maps of net radiation and sensible and latent heat fluxes were used to estimate the spatial distribution of stomatal conductance over the forage herbs. For stomatal conductance calculations the LandSat-8 data for pixel values representing dense vegetation (NDVI > 0.7) were used. As a result of the study, maps of forage herbs stomatal conductance were obtained depending on the canopy temperature and the components of the energy balance with a stratification of the atmosphere boundary layer.
Keywords: stomatal conductance, stomatal resistance, transpiration, energy balance equation, vegetation surface temperature, LandSat-8, automatic mobile field agrometeorological equipment — AMFAE.
1ФГБНУ Агрофизический научно-исследовательский институт, |
Поступила в редакцию |
