Ανίχνευση της υδατικής καταπόνησης των φυτών σε φυσικά οικοσυστήματα μέσω τηλεπισκόπησης με χρήση θερμικής ακτινοβολίας.

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 11:46, 9 Φεβρουαρίου 2022

Ανίχνευση της υδατικής καταπόνησης των φυτών σε φυσικά οικοσυστήματα μέσω τηλεπισκόπησης με χρήση θερμικής ακτινοβολίας.

Thermal remote sensing of plant water stress in natural ecosystems

Συγγραφείς: Na Liu, Zijuan Deng, Hailong Wang, Zidong Luo, Hugo A. Gutiérrez-Jurado, Xinguang He and Huade Guan

Πηγή: [[1]]

Abstract

Για την παρακολούθηση της υδατικής καταπόνησης των φυτών χρησιμοποιούνται ευρεύως θερμικοί δείκτες που βασίζονται σε μετρήσεις θερμοκρασίας του θόλου (θερμοκρασία των φυτών) (Tc). Τέτοιες εφαρμογές αφορούσαν κυρίως ομοιογενείς καλλιέργειες. Σε φυτά φυσικών οικοσυστημάτων έχουν διεξαχθεί λίγες μελέτες με συνεχείς παρατηρήσεις. Εδώ εξετάζουμε εάν ο κοινώς χρησιμοποιούμενος δείκτης υδατικής καταπόνησης καλλιέργειας (CWSI) ισχύει για τη βλάστηση σε μη διαχειριζόμενα οικοσυστήματα.

Εισαγωγή

Οι περισσότερες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση των επιπέδων του νερού, συμπεριλαμβανομένων των μετρήσεων του δυναμικού του νερού του εδάφους, του δυναμικού των βλαστών και φύλλων και της περιεκτικότητας του εδάφους σε νερό, βασίζονται σε εξειδικευμένο εξοπλισμό και σημειακές επιτόπιες μετρήσεις. Αυτές οι τεχνικές δίνουν ακριβείς πληροφορίες για το έλλειμμα νερού στο έδαφος, ωστόσο είναι απαιτούν εντατική εργασία και είναι αρκετά εντοπισμένες, περιορίζοντας έτσι την εφαρμογή σε μεγαλύτερες κλίμακες. Ως εναλλακτική λύση στους συμβατικούς δείκτες της κατάστασης του νερού, η θερμοκρασία του θόλου μπορεί να αντιμετωπίσει τέτοιους περιορισμούς με το πλεονεκτήματα της μεγάλης χωρικής κάλυψης (Gautam and Pagay, 2020). Αυτό βασίζεται στο ότι η θερμοκρασία του θόλου αυξάνεται καθώς οι ρυθμοί διαπνοής των φυτών μειώνονται ως απόκριση στην έλλειψη νερού του εδάφους κοντά στο ριζικό σύστημα. Έχουν αναπτυχθεί αρκετοί θερμικοί δείκτες με βάση τη θερμοκρασία του θόλου για την παρακολούθηση της κατάστασης του νερού στις καλλιέργειες. Χρησιμοποιείται ο δείκτης υδατικής καταπόνησης των καλλιεργειών (CWSI) ο οποίος μπορεί να εκτιμηθεί εμπειρικά. Ο δείκτης κανονικοποιείται ώστε να είναι σε ένα επίπεδο καταπόνησης μεταξύ του μηδέν (τα όρια χωρίς υδατική καταπόνηση υπό καλά αρδευόμενες συνθήκες) και του ένα (τα όρια ξηρασίας υπό συνθήκες μη διαπνοής). Η υγρασία του εδάφους αποτελεί μια σημαντική μεταβλητή σε διάφορες εφαρμογές για την εκτίμηση της εξατμοδιαπνοής και τη διαχείριση των δασών. Για την εκτίμηση της υγρασίας του εδάφους έχουν χρησιμοποιηθεί μέθοδοι θερμικής υπέρυθρης ανίχνευσης με βάση τους δείκτες θερμοκρασίας επιφάνειας και βλάστησης. Ο δείκτης CWSI ως δείκτης επιπέδων νερού αποδίδει καλά σε καλλιέργειες ή υπό ελεγχόμενες συνθήκες σε θερμοκήπιο, αλλά σπάνια εξετάζεται σε φυσικό περιβάλλον, το οποίο διαφέρει απο τους αγρούς σημαντικά. Αυτό γιατί χαρακτηρίζονται από σύνθετη τοπογραφία, μικτή βλάστηση και μεγάλο φάσμα συνθηκών υγρασίας. Είναι πιο δύσκολο να ανιχνευθεί η κατάσταση του νερού στο έδαφος, διαμέσου του χρόνου, ενός φυσικού οικοσυστήματος από ό, τι σε μια ομοιογενή καλλιέργεια. Αυτή η μελέτη εξετάζει τη δυνατότητα χρήσης θερμικών δεικτών για τις μετρήσεις θερμοκρασίας του θόλου για την ανίχνευση της υδατικής καταπόνησης των φυτών σε φυσικά περιβάλλοντα.

Υλικά και Μέθοδοι

• Μετρήσεις

Τα πειράματα της μελέτης διεξήχθησαν σε τρεία σημεία πεδίου στην Αδελαΐδα της Νότιας Αυστραλίας. Το κλίμα είναι μεσογειακού τύπου χαρακτηρίζεται με ζεστό και ξηρό καλοκαίρι και ήπιο και υγρό χειμώνα. 1. Πρώτη μέτρηση Η πρώτη θέση βρίσκεται σε μια πλαγιά στην πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου Flinders και παρακολουθήθηκαν δύο ιθαγενή είδη δένδρων, Eucalyptus microcarpa και Acacia pycnantha, κατα την περίοδο (2012-2013). Σε βορεινό σημείο των δένδρων τοποθετήθηκαν δύο θερμικές κάμερες η μία 6 μέτρα μακριά από τον Eucalyptus microcarpa και η άλλη 2,4 μέτρα από την Acacia pycnantha για να επικεντρωθεί σε έναν κλάδο της. Οι θερμοκρασίες του θόλου μετρούνταν κάθε λεπτό σε επιλεγμένες ημέρες από τον Ιανουάριο του 2012 έως τον Μάιο του 2013. Τοποθετήθηκε επίσης ένας ανιχνευτές υγρασίας εδάφους σε βάθος ενός μέτρου σε κάθε είδος. Το υδατικό δυναμικό των βλαστών παρακολουθήθηκε με δύο ψυχόμετρα την περίοδο μελέτης (2012-2013) σε διαστήματα 15 λεπτών (ξηρή περίοδος) ή 30 λεπτών (υγρή περίοδος). Επίσης εγκαταστάθηκε και ένας ανιχνευτής υγρασίας εδάφους σε κάθε είδος. Τέλος εγκαταστάθηκε και ένας μετεωρολογικός σταθμός τον Μάρτιο του 2012 κοντά στην Acacia pycnantha για συνεχή μέτρηση της θερμοκρασίας του αέρα, της σχετικής υγρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας, της ταχύτητας του ανέμου και των βροχοπτώσεων. 2. Δεύτερη μέτρηση Η δεύτερη θέση βρίσκεται σε μια φυσική λεκάνη βλάστησης σε δύο απέναντι πλαγιές, όπου η μία προσανατολίζεται στο βορρά και η άλλη στο νότο. Τα κυρίαρχα είδη στην περιοχή είναι το Eucalyptus leucoxylon και το Eucalyptus fasciculosa. Η θερμοκρασία του θόλου μετρούνταν συνεχώ από έναν αισθητήρα υπέρυθρης ακτινοβολίας με οπτικό πεδίο 45° από τις 6 Απριλίου 2013 έως τις 31 Μαΐου 2014. Τοποθετήθηκαν ανιχνευτές υγρασίας εδάφους για τη συνεχή μέτρηση της περιεκτικότητας σε νερό εδάφους σε βάθη 10, 30 και 50 cm. Η ταχύτητα του ανέμου, η σχετική υγρασία, η θερμοκρασία του αέρα, η βροχόπτωση και η ηλιακή ακτινοβολία μετρούνταν σε διαστήματα 15 λεπτών. 3. Τρίτη μέτρηση Η τρίτη θέση βρίσκεται σε μια περιοχή με κωνοφόρα στην πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου Flinders και μελετήθηκαν τέσσερα δέντρα του είδους Allocasuarina verticillata, το οποίο είναι ένα τυπικό κωνοφόρο στη Νότια Αυστραλία. Οι μετρήσεις της θερμοκρασίας του θόλου γίνονταν το μεσημέρι (12:00-14:00 σε τοπική χειμερινή ώρα) και ταμετεωρολογικά δεδομένα συλλέχθηκαν σε δύο περιόδους: 21 Μαρτίου έως 14 Μαΐου 2018 και 4 Δεκεμβρίου 2018 έως 30 Ιανουαρίου 2019. Η θερμοκρασία του θόλου μετρήθηκε χρησιμοποιώντας μια φορητή θερμική κάμερα. Για κάθε δέντρο, οι θερμικές εικόνες που συλλέχθηκαν ήταν από δύο γωνίες παρατήρησης για να αποφευχθεί η σκιά από τα γύρω δέντρα το μεσημέρι. Το υδατικό δυναμικό των βλαστών παρακολουθήθηκε με ψυχόμετρα την περίοδο μελέτης (2012-2013) σε διαστήματα 30 λεπτών. Η θερμοκρασία του αέρα καταγραφόταν κάθε 30 λεπτά. Επίσης καθώς η συννεφία επιδεινώνει την απόδοση των θερμικών δεικτών επιλέχθηκαν μόνο τα δεδομένα που μετρήθηκαν σε ημέρες με καλή κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας για όλες τις θέσεις.

• Ορισμός και παραμετροποίηση για το CWSI

Ο δείκτης υδατικής καταπόνησης μιας καλλιέργειας (CWSI) ορίζεται από τα όρια χωρίς υδατική καταπόνηση και τα όρια μη διαπνοής. Σύμφωνα με την εμπειρική προσέγγιση, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του θόλου και του αέρα (Tc-Ta) ακολουθεί μια γραμμική σχέση με το έλλειμα των υδρατμών της ατμόσφαιρας (VPD), εάν οι καλλιέργειες είναι καλά αρδευόμενες.

Αποτελέσματα

• Αξιολόγηση του CWSI

Τα αποτελέσματα των ορίων μη υδατικής καταπόνησης και μη διαφαινόμενης καταπόνησης παρουσιάζονται στον πίνακα 2.

Εικόνα 2: Διάγραμμα ροής της εφαρμοζόμενης μεθοδολογίας.

• Αξιολόγηση του βέλτιστου χρόνου

Οι συνεχείς μετρήσεις θερμοκρασίες του θόλου κατά τη διάρκεια μιας ημέρας παρέχουν την ευκαιρία να εξεταστεί ο βέλτιστος χρόνος για την εφαρμογή θερμικών δεικτών. Για να υπάρχει όμως μια δίκαιη σύγκριση, περιλαμβάνονται μόνο οι εικόνες που λήφθηκαν σε σαφείς ημέρες στην πρώτη και δεύτερη θέση με συνεχείς μετρήσεις της θερμοκρασίας του θόλου από τις 10:00 έως τις 16:00.

• Αξιολόγηση του CWSI

Φαίνεται ότι η δυναμική του CWSI είτε βασίζεται σε εμπειρικές είτε σε θεωρητικές μεθόδους ανταποκρίνεται καλά στην αλλαγή της κατάστασης του εδαφικού νερού, υποδεικνύοντας την ικανότητά του για την παρακολούθηση της υδατικής καταπόνησης των φυτών. Επίδραση των περιβαλλοντικών συνθηκών στις επιδόσεις των θερμικών δεικτών Η ταχύτητα του ανέμου αποδείχθηκε ότι είναι ο σημαντικότερος παράγοντας που οδηγεί σε λανθασμένες τιμές θερμοκρασίας θόλου και συνεπώς CWSI. Η υψηλή ταχύτητα ανέμου μειώνει τις διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ της διαφορετικής αγωγιμότητας των στομάτων των φύλλων και συνεπώς τα αποτελέσματα των θερμικών μετρήσεων. Επίσης η θερμοκρασία του θόλου πέφτει με μείωση της ηλιακής ακτινοβολίας.

Συμπεράσματα

Οι επιδόσεις του δείκτη υδατικής καταπόνησης των καλλιεργειών (CWSI) με βάση τις μετρήσεις θερμοκρασίας θόλου έχουν προσδιοριστεί τόσο εμπειρικά όσο και θεωρητικά για την ανίχνευση του υδατικού στρες των φυτών σε τρία φυσικά οικοσυστήματα. Η μελέτη δείχνει ότι και οι δύο τύποι CWSI είναι ικανοί να καταγράψουν την ποικιλία προτύπων της υδατικής καταπόνησης των φυτών. Ο εμπειρικός δείκτης συνιστάται λόγω σημαντικά καλύτερης απόδοσης στην αξιολόγηση της υδατικής καταπόνησης των ειδών που μελετήθηκαν. Γενικά αποδείχθηκε ότι το μεσημέρι είναι ο βέλτιστος χρόνος κατά τη διάρκεια μιας ημέρας για να χρησιμοποιηθούν οι θερμικοί δείκτες ως δείκτης υδατικής καταπόνησης. Οι πιο κατάλληλες καιρικές συνθήκες όσον αφορά την ταχύτητα του ανέμου και την ηλιακή ακτινοβολία είναι ελαφρώς διαφορετικές για είδος που μελετάται.