X 0 00 2 oc 0 00 2 oc 0 00 20 4 0 6 oc 0 00 20 4 0 60
5. Cấu trúc môi trường của hệ sinh thái đồng ruộng
Như trên đã nói. lấy quần thê cây trồng làm chủ thể cùa hệ sinh thái đồng ruộng, thì môi trường vật lý cùa nó sẽ được xcm như là một hệ thống chù thề - môi trường. Đe nêu
rõ q u y lu ậ t v ậ n đ ộ n g cùa hệ th ố n e này. d iề u qua n Irọ n g n h ấ t là !à m sáng tỏ q u y lu ậ t b iế n
đôi nă ng lư ợ n g v à v ậ t chất của nó. Dối v ớ i m ô i trườntỉ vật lý thỉ phân tích vật lý tầng
không khí gần mặt đất. còn đối với sinh vật (cây trồnu) thi nghiên cứu khí hậu sinh học.
Vật ỉỷ của tầng không khi gần mặt đất
Xét về mặt khí tượng học. vị tri cùa hệ sinh thái đồng ruộng ờ tronu phạm vi trên mặt đất 50 - 60 cm. tức là ở trong tầng không khí gần mặt đấi. Do đó. sự biến đỏi năng lượng và vật chất líiữa cây trồng và môi trường bị các định luật vật lý có tác dụng đối với tầng không khí gần mặt đất quyết định. Môi trườníi bên nuoài (diều kiện khí hậu) có thể chia ra dạng nhiệt và dạng nước của tầrm không khí gần mặt đất, kể cả tầng đất canh tác. C'húng phàn ánh quá trình và kết quà trao đồi nhiệt và nước. Thông qua việc nghiên cứu sự cân bàng lượng nhiệt và cân bàng nước trong tầng không khí gần mặt đàt có
thể làm sáng tỏ các định luật vật lý quyct t r , t-,-, , ; u; u u* .-LI - f i. , «?/»///7.2. Loại hình phân bô diện tích lá phân đinh các auá trinh trao đôi nàv. góc nghiêng mặt lá (De Wit.l965)
30 60
G ó c n g h iẽ n ịị c u a m ặ t lủ (PiJ
Planophile canopy - tán lả bàng
I-Tcctophile canopy - tán lá đứng băng ửiăng Plagiophile canopy - tán lá nghiêng Kxtrcmophile canopy - tán lá bàng đứng định các quá trinh trao đôi này.
Nghiên cứu vật lý đối với tầng không khí gần mặt đất, lấy pliư^Tiig |)liẩp cân bàng lượng nhiệt và cơ học không khí đã phát triển nhanh chóni’ làm phươnu pháp chính.
Cân bằng lượng nhiệt, như trên dã nói là một phương pháp dựa vào phương trình cân bằng lượng nhiệt đồng ruộim dể nghiên cứu sự trao đổi hiển nhiệt và tiềm nhiệt. Buduko đã nghiên cứu Cí) hệ thốnu dối với vấn dc này, không những dùng cho việc nchiên cứu vật lý tầng không khí gần mặt đất, mà còn dùng cho việc nghiên cứu nhiều mặt khác như trạng thái lượntĩ nhiệt tro n a nhà kính, nhà ấm trồng cây.
Phirơng pháp động lực học không khí tức là dùng phương pháp đã phát triển từ cơ học hàng không vào việc nghiên cứu tầng không khí gần mặt đất. Trong đó phương pháp dùng để xác định bốc hơ i - thoát hơi nước, kết hợp với sự phát triển lý luận về dòng xoáy không khí. đã trờ thành phirơng pháp cần thiết không thể thiếu được trong \ iệc nghiên cứu trạng thái khí hậu tầnií khônii khí uàn mặt đất.
Hiện nay, một số người làm công tác khí tượng nông nghiệp khi nghiên cíni tiêu khí hậu dồnti ruộng đã sử dụng các phương pháp đó.
S ự biển đổi trong ngày về cân bằng lượng nhiệt đồng ruộng
Hình 18.2 là một thí dụ, nêu rõ sự biến đổi trong ngày về cân bàng nãng lượng theo công thức (2). Đó là Rốt quá quan sát trên đồnu cỏ gieo hồn hợp Luzec và Bromut được tưới đầy đù. Buổi trưa, phần lớn bức xạ thuần dùng cho bốc hơi - thoát hơi nước, thông lượng hiển nhiệt nhờ trao đôi dòng xoáy là khoảne 15 % của bức xạ thuần; ban đêm và chiều lối. bốc thoát hơi nước vượt bức xạ thuần, ban đêm hầu như gần bàng 0, hoặc ít nhiều cũng là số dương. Trong hình vẽ, trừ bức xạ thuần ra dấu của các số hạng trong công thức (2) dều đồ ngược lại, tức là:
R = lE + H + B (2a)
Gkr (4/9/1957)
l.ượng nhiệt dùng cho thoát hơi
Hình 18.2. Biến đổi trong ngày về cân bàng
lư ợ n g n h iệ t ở đ ồ n g cò c h ă n n u ô i (T anner, 1960) n ư ớ c đã v ư ợ t x a th u ầ n , n g h ĩa là Đơn vị trên trục tung là m m /giờ.
th ô n g lư ợ n g h iê n n h iệ t cùa d ò n g t m m /giờ ^ 0,1 c a l/c m l phút
xoáy và nhiệt truyền dẫn trong đất Gieo hỗn hợp Medicago + Bromut được lưới đầy dù
là n g u ồ n n ăn g lư ạ n g b ổ su n g c h o Rn - Bịrc xạ tliu â n ;S - N h iệ t truyền dản trong dảt
, , , i , E - Thông lượng tiêm đâl (bôc hơi và thoát hơi nước)
nang lưạng thiếu^ Cũng như hinh H - Thông lữ™g hiên nhiệt 18.2 đã cho thây, kiêu phân bô nhiệt
ban đêm xuất hiện vào buổi tối, nhiệt truyền dẫn trong đất chỉ truyền từ mặt đất xuống dưới đất trong một thời gian tương đối ngắn buổi trưa, ban đêm chỉ bằng khoảng một nửa bức xạ thuần. Hình này còn biểu thị lượng tính toán trong ngày cùa công thức (2a) tức là trị sổ của các số hạng của (2b).
z R = I lE + z H + z B (2 b )
Từ đó biết được lượng thoát hơi đã vượt bức xạ thuần. Mặt khác, nhiệt toá từ dưới đất lên mặt đất, đồng thời cũng có nhiệt với số lượng gần như thế từ không khí xuống mặt đất để bù chỗ thiếu cùa bức xạ thuần.
Xét đến quá trình mất nhiệt do bốc hơi nước của đất, lE phải giảm nhỏ dần và I ỉ tãng lên, tỷ số cùa thông lượng hiển nhiệt và thông lượng tiềm nhiệt là;
CQ
Tỷ sô này gọi là tý số Bovvcn, là một đại lượng nêu rõ sự phân phối nhiệt năng trong tầng khôntỉ khi uàn mặt đất. Hình 19.2 nêu rõ sự biến đôi íi: cua tỷ sô Bovven sau khi mưa. Sau mưa. II: giảm, H tăng lên. tỷ số Bowen K
tâng dân. '
Phân bố điểu kiện kh i hậu trong và ngoài quần thể cây trồng
Hình 20.2 hiểu thị sự phân bố theo phương thăng đứng bức xạ thuần, độ nhiệt không khí. hơi nước, nonti độ CO2 và tốc độ gió trontỉ và
Iiưoài q uần thố n g ô và phân bố mật
dộ diện tích lá cứa quần thể ngô. Dó là kếl quà đo được từ hai quần thề có mật độ trông khác nhau. Tốc độ eiờ ^ IH (28) 00 10 ✓ ỵ / / / ___ n -16/9/19 54 / - 14- I7/H/Ì954 /' /' 1 ___Ỉ9- 1 22/7/1954 ) 1 :! 3 ị 5 6
Sô ngày sau khi mưa
Hình 19.2. Biến đôi tỷ số Bowen sau khi mưa (Rauner. 1960. lỉchijim a vẽ hình. 1964) Độ nhiệt Bức xạ thuần 0 0 1 2 3 0 80 160 240 5 0 5 8 9 10 20 22 24 26 28 0 2 4 6 8 10 f, dm’/ ơm^ u c m / s c ppm e gm /m^ °c Ly / min
Hình 20.2. Phân bố điêu kiện khí hậu trong và ngoài quần thể ngô mật độ trồng khác nhau (Lemon, 1970) trị số bình quân trong khoảng thời gian
1! giờ 45 phút - 12 giờ 15 phút ngày 15-8-1968
N ơ i quan sát và đo; H llis H o llo w , Ithaca. NevvYork. T rư ớ c khi đo đã tia cày, điều chinh mật độ.
Bức xạ thuần và suất phản xạ
Bức xạ thuần bên trong quần thê uiảm rất nhanh, rõ ràntỉ nhất là khu trồng dày có chi so diện tích lá lớn. Diều này cỏ quan hệ chặt chẽ với sự giam độ chiếu sáníi.
1,1 0,: 0,3 (Ọ+q) / ^ ■ J l ---- 'X - . a(Q+q) § ‘o 4 í5 12 16 20 24 10/8/1965 Giờ
Hình 21.2 cho thấy sự biến đổi trong ngày về cân bằng phản xạ ruộng nước (a(Q + a), dấu trong công thức (3) ngược lại). Có thể thấy bức xạ thuần có thể đạt đến khoảng 66% bức xạ mặt trời. Bức xạ hữu hiệu sóng dài thông thường là trị số âm (từ mặt đất hướng lên không khí), buổi trưa trị số gần như cố định, bàng 0,2 ly/min*''.
Hình 22.2 cho thấy sự biến đổi trong ngày của suất phản xạ của một số cây trồng, bất kỳ loài cây trồng nào, sự biến đổi trong ngày đều rõ ràng, hơn nữa, suất phản xạ còn biến đổi theo chi số diện tích lá, khi LAI (chi sổ diện tích lá) = 2,5 trở lên thì xấp xi
bằng 0,2 (hình 23.2). Quan hệ này biểu thị bằng công thức sau:
a = 3p - (ap - a„) exp (-0,56F) (29)
3p là suất phản xạ khi cây trồng rậm rạp a là suất phản xạ của mặt nước,
F là trị số diện tích lá.
Trị số tính theo công thức (29) vẽ thành đường gạch gạch trong hình vẽ.
Mặt khác, bức xạ thuần, như công thức (3) cho thấy, là hiệu của thành phần hướng xuống chiếu sáng trực xạ, chiếu sáng tán xạ và thành phần hướng lên -
H ình 21.2. Biến đổi trong ngày về cân bàng bức xạ ruộng nước
32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 Khoai lang 12/8 J ___I___I___L J___I___I___L J ___L J ___L 5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15 16 17 18 I9h
Hình 22.2. Biến đổi trong ngày về phản xạ của một số cây trồng
sóng dài. Nửa tuần một, thu thập và tính toán kết quả đo chiếu sáng trực xạ và chiếu sáng tán xạ, biểu thị như hình 24.2. Có thể thấy là, thời kỳ mưa phùn hầu như không có chiếu sáng trực xạ. Ngoài ra, tỳ lệ chiếu sáng trực xạ cao nhất có thể đạt 60% trờ lên. Q- K I Cồ o o o / A' o ° : / f o Trị so do — • Trị ,ỸÕ tính . ioản 0 1 2 3 4 5 1 Chi s ổ diện tích lá
Hình 23.2. Quan hệ giữa chi số diện tích lá và suất phản xạ ở ruộng nước
Ly/min là đơn vị biếu thị cườ ng độ bức xạ mặt trời, tức là số calo ch iếu theo một c m ’ một phút. LAI = L eaf Area Index; exp = exponent: số mũ.
Hc3 c3 í 3,0 2.0 ■ T ô n g hức xạ .sónịĩ ngăn (Q^ q) (bức xạ m à i trờ i) ,0 Chiêu sán<^ tán xạ (q) Thảng Chiẻu sáng tản xạ (q) ‘ ‘ V ^. Tháng T h á n g Hình 24.2. Chiếu sáng tán xạ và tỷ lệ của nó theo tính toán nừa tuần một lần
Gió:
Tốc độ gió có sự khác nhau do mật độ của quần thể cây trồng. Thông thưòrng trên đồng ruộng, tốc độ gió bên trong quần thể giảm xuống rất nhanh, về phân bố tốc độ gió của đồng ruộng, có định luật logarit sau đây:
u( z) V.
K In
z - d
(30) Trong đó: V. = (T/p)'^^ tốc độ ma sát (cm/s); K = 0,4 hằng số Kaman;
z: độ cao cách mặt đất; d = trị số hiệu chinh mặt đất (cm); Zo.' mức độ gồ ghề (cm); T: ứng lực ma sát cùa không khí (g/cm^).
Nói một cách chặt chẽ hơn, công thức (30) chi được xác lập khi không có ảnh hưởng của sự phân bố độ nhiệt. Morin và Obuenop đã chi ra: công thức phân bố tốc độ gió khi có phân bố nhiệt trong tầng không khí gần mặt đất, như sau:
V. , z - d z - d . . . .
u ( z ) = — In ---- ^---- + a — 7— (31)
K Zo L
a : 6,0 hàng số, L là độ dài Obuenop.
Hinh 25.2 chi rõ tình hinh biến đồi theo lốc độ tỉió cùa trị số hiệu chính mặt đất d và độ gồ ghề 7.0trong công thức (30) và (31) đo được trong ruộng đại mạch. Trị số hiệu chính mặt đất giảm xuống rất nhanh cùng với tốc độ gió, khi tốc độ gió đạt đến 4 m/s trở lèn thì trờ thành một trị sổ nhất<ÌỊnh. không thay đôi trong suốt cả thời gian sinh trưởng. Độ gồ ghề Zo ở thời kỳ đầu sinh trường có tăng lên tương ứng theo tốc độ gió, nhưng lại giảm xuống vào thời kỳ cuối sinh trường, Có thể vì thời kỳ cuối sinh trưởng do tốc độ gió tăng lên. cây biên thành nghiêng, d giàm đi. z„ tăng lên. Một số kết quả quan sát khác cũní; phù hợp với kết luận này.
về phân bố tốc độ gió bên trong quần thể cây trồng, như hình 25.2 cho thấy, giam rất nhanh ở tầng trên quần thể, người ta đã dùng các công thức với hàm số mũ sau đây để biểu thị sự phân bố tốc độ gió này:
Công thức Saito: U (Z) = U|, e x p (- p (z )d z )
Công thức Takeda: u (z) = V. K In H z H - d (32 exp« - 2a l - F (34) (a) (b)
ở đây. p (z). a là hệ số có xét đến sự phân bố cây trồng, un là tổc độ gió bề mặt quần thể, H là độ cao của quần thể cây trồng, F là mật độ cây trồng, C[) là hệ số đề khánu,
Ba công thức nói trên đều nói rõ: tốc độ gió bên trong quần thể cây trồnu khác với bề mặt quần thể. tuỳ theo
hệ số đặc trưng phân bố mật độ cây. giảm xuống thành hàm số mũ. Ngoài ra, công thức Saito và ỉnoue được lập ra theo kinh nghiệm sau khi nghiên cứu lý luận đối với công thức Takeđa. nhimg ở gần bề mặt quần thể. thì các công thức này đều gần giống nhau. m n g độ CCh: xem hình 26.2, ta thấy z,/h 0,08 0,04 0 0,08 0,04 0 - - - / ... 1 7 _____ 1____ 0 400 800 Ttk Jộ ỊỊÌÓ (L’i_ịii) ịí-niis)
Hình 25.2. Trị số hiệu chinh mặt đất và độ gồ ghề Irong
công thức phân bố tốc độ gió biến đồi theo tốc độ RÌÓ
(a); quan hệ cúa trị số hiệu chinh mặt đất (d) và độ cao cây (h) với tốc độ íỉió (b): quan hệ của tỷ số độ gồ ghê (z o ) và độ cao cây (h) với tôc độ eió.