С физической точки зрения эвапотранспирация представляет собой процесс перехода воды из жидкой фазы в газообразную. В рамках круговорота воды на Земле этот процесс участвует в переносе воды с земной поверхности в атмосферу. Одними из важных продуцентов водяного пара на суше являются агроценозы, на которых выращиваются посевы сельскохозяйственных культур. Применяемые при этом агротехнические и мелиоративные методы и приемы направлены на создание оптимальных условий, необходимых для получения высоких и устойчивых урожаев. В повседневной практике для их планирования, реализации и контроля используются данные точечных наземных наблюдений и обследований, которые зачастую не репрезентативны.
В последние десятилетия, технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) используются в научных и технологических исследованиях для мониторинга природных и антропогенных процессов [12, 14, 18], а также для контроля параметров агроценозов [13, 19]. Для этого рассчитываются картограммы биофизических показателей роста и развития посевов, которые используются в системах поддержки принятия решений при управлении орошением [19], мониторинге биофизических показателей роста и развития посевов [4, 7], а также оценки их урожайности [4, 11, 19].
Одним из значимых параметров, отражающих рост и развитие посевов сельскохозяйственных культур, является их эвапотранспирация. В противоположность многочисленным традиционным методам точечной оценки эвапотранспирации в настоящей работе использована методика, основанная на данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и данных метеорологических наблюдений [7]. Получаемые по этим данным временные картографические ряды эвапотранспирации позволяют оценивать водопотребление и его дефицит в границах посева, а также его отдельных контуров. Это открывает возможность применения инновационных технологий орошения, позволяющих получать высокие и устойчивые урожаи в поливном земледелии, а также эффективно использовать земельные и водные ресурсы.
Методы оценки эвапотранспирации по уравнению энергетического баланса
Для оценки эвапотранспирации по данным ДЗЗ ранее были разработаны методы SEBS [16] и SEBAL [2–4], основанные на решении уравнения энергетического баланса подстилающего слоя SEB. В этих методах для расчета эвапотранспирации используется ряд таких дистанционно измеряемых параметров, как альбедо, температура подстилающего слоя, удельная площадь листовой поверхности, нормализованный дифференцированный вегетационный индекс, а также данные наземных метеорологических наблюдений. В работе [8] приведены результаты анализа достоинств и недостатков указанных выше методов оценки эвапотранспирации по данным ДЗЗ. В результате был сделан вывод, что среди них нет универсального метода, который мог бы быть использован без соответствующей локализации к местным почвенно-климатическим условиям, а также применяемым технологиям ведения поливного земледелия. Так, проведенные в Зимбабве [13] исследования продемонстрировали высокий потенциал использования метода SEBS для оценки эвапотранспирации посевов кукурузы. Аналогичные исследования, проведенные в ЮАР [6], Китае [3, 17] и Иране [10], продемонстрировали, что порядка 85 % результатов, полученных по методу SEBAL, воспроизводят данные полевых экспериментов. Результаты исследований, проведенных в Испании на взвешиваемых лизиметрах [11], показали, что метод SEBAL дает удовлетворительные результаты для люцерны и пшеницы. Аналогичные исследования на взвешиваемых лизиметрах на северо-востоке Китая [9] показали, что метод SEBS, использованный для оценки эвапотранспирации по данным MODIS/Terra хорошо воспроизводят экспериментальные данные, а также, что расхождения экспериментальных данных по эвапотранспирации c оцененными по модели SEBS лежат в пределах 10–15 % [15]. В свою очередь исследования, проведенные в Иране на орошаемых сельскохозяйственных угодьях ряда поливных культур [1], продемонстрировали совпадение оценок эвапотранспирации с полевыми данными. Результаты исследований, проведенных на опытной станции USDA ARS Bushland в Техасе [5], показали, что максимальные расхождения значений суточной эвапотранспирации, измеренной на больших взвешиваемых лизиметрах и эвапотранспирации, рассчитанной методом SEBAL по данным тепловой съемки с беспилотной платформы, не превышает 11 %.
Компьютерный код расчета растров суточной эвапотранспирации по методу SEBS с использованием данных спектрорадиометра MODIS
Для оперативного управления орошением посевами сельскохозяйственных культур требуются ряды данных потока суточной эвапотранспирации. Данные спектрорадиометров MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), размещенных на космических платформах Terra (1999) и Aqua (2002), являются наиболее подходящими для этих целей. Периодичность съемки территорий южных и центральных районов России, где ведется орошение, лежит в пределах от 2-х до 4-х раз в сутки. При незначительной облачности в моменты съемки этих данных вполне достаточно для проведения расчетов суточной эвапотранспирации.
Для практического использования данных MODIS разработаны и регулярно совершенствуются алгоритмы обработки первичных данных съемки. На основе обработанных данных формируется ряд тематических данных более высокого уровня обработки. Одним из них является продукт MOD16, рассчитываемый по модели SEBS и представляющий собой 8-суточный растр потоков эвапотранспирации с поверхности суши. Однако значительный интервал осреднения не позволяет использовать этот продукт для целей оперативного управления орошением [19].
Картограммы рассчитанных 7,5-суточных объемов эвапотранспирации за период май - август 2012 г. для территории 1-й очереди Приволжской ОС (Марксовский район, Саратовская область)
Для расчета суточных растров потоков эвапотранспирации по данным первого уровня обработки в геоинформационной среде ILWIS на основе метода SEBS [8] был разработан компьютерный код. На рисунке представлена серия картограмм в виде агрегированных (7,5 сут) потоков эвапотранспирации, рассчитанных по разработанному коду для части территории Марксовского района Саратовской области за период 01.05 - 31.08.2012.
Качественный анализ картограмм эвапотранспирации
Пространственный экстент представленных на рисунке картограмм включает р. Волгу, населенные пункты и приусадебные хозяйства, дорожно-транспортную сеть, а также земли богарного и орошаемого земледелия. Там же линиями показана трасса магистрального канала 1-й очереди Приволжской оросительной системы, а овалами показаны контуры, полей, орошение на которых ведется дождевальными машинами кругового действия. Цветовое отображение значений эвапотранспирации основано на единой классификации. С помощью единой классификации прослеживается пространственно-временная зависимость эвапотранспирации от метеорологических условий, роста и развития растительного покрова, орошения, а также запасов влаги в корнеобитаемом слое почвы. В результате наложения слоя эвапотранспирации на слой контуров орошаемых полей отмечается совпадение контуров наибольших значений эвапотранспирации в поливной период с расположением этих полей. Аналогично (для середины июня, всего июля и первой половины августа) прослеживаются контуры с низкими значениями эвапотранспирации, расположенные в центральной части картограмм, между орошаемыми землями. Эти контуры расположены на землях богарного земледелия, а также деградированных землях, и по этой причине выведенных из сельскохозяйственного оборота. Деградация этих земель была вызвана неэффективным орошением, которое вызвало подъем минерализованных грунтовых вод, повлекший за собой засоление и осолонцевание почвенно-грунтовой толщи. Значения потоков эвапотранспирации на этих землях последовательно снижаются с середины мая после выпадения обильных осадков, вплоть до середины августа, когда снова выпали обильные осадки. Между этими эпизодами на картограммах прослеживается некоторое увеличение эвапотранспирации после выпадения небольших по объему осадков в конце июня и середине июля.
Заключение
Разработанный компьютерный код оценки эвапотранспирации агроценозов основан на методе SEBS и использовании данных наземного метеорологического мониторинга и данных первичной обработки изображений, получаемых со спектрорадиометра MODIS.
Тестирование разработанного компьютерного кода было реализовано на примере части территории Марксовского р-на Саратовской обл., где расположены богарные и орошаемые земли. Поливная вода на последние подается из магистрального канала 1-й очереди Приволжской оросительной системы. Полученные результаты свидетельствуют о чувствительности модели SEBS для оценки потоков эвапотранспирации агоценозов в виде:
а) увеличения их интенсивности при пополнении запасов влаги корнеобитаемого слоя почвы после выпадения осадков;
б) снижения их интенсивности по мере расходования запасов влаги корнеобитаемого слоя почвы;
в) поддержания их высоких интенсивностей в засушливый период на полях, где пополнение запасов влаги корнеобитаемого слоя почвы осуществлялось искусственным орошением.
Разработанный компьютерный код может быть использован в системах поддержки принятия решений для оценки эффективности использования земельных и водных ресурсов в орошаемом земледелии.
Авторы выражают благодарность РФФИ (грант № 16-05-01097 А) за финансовую поддержку проведенного исследования.