Thực vật điều khiển một số l−ợng lớn các quá trình mà quyết định các tốc độ ET bằng việc chúng sử dụng năng l−ợng bức xạ, quá trình bốc thoát hơi n−ớc của lá cây qua các lỗ khí hoặc sự t−ơng tác của rễ với l−ợng n−ớc có trong đất. Những năm gần đây ng−ời ta đã nhận ra đ−ợc tầm quan trọng của các ảnh h−ởng của thực vật. Federe (1975) đã chú ý đến sự thay đổi trong các nghiên cứu gần đây, từ việc coi ET nh− một quá trình vật lý đến coi ET nh− một quá trình sinh lý học. Điều này là một sự phát triển đặc biệt quan trọng đối với việc dự báo thuỷ văn, vì thực vật trong nhiều đới khí hậu hiếm khi bốc hơi tại một tốc độ thế. ảnh h−ởng quan trọng này đã đ−ợc đ−a vào ứng dụng trong suốt các hệ thống các mô hình của ET từ cây trồng với tán lá ch−a phát triển hoàn toàn, trong đó quá trình bốc thoát hơi và quá trình bốc hơi của đất đ−ợc tính toán riêng biệt (Ritchie, 1972; Saxton, các cộng sự., 1974a; Tanner và Jury, 1976).
Những ảnh h−ởng của thực vật vào ET có thể chia thành các loại chính sau:
a) Tán lá
b) Sinh tr−ởng của cây c) Phân bố của rễ d) ứng suất của n−ớc
Hiển nhiên là có nhiều sự t−ơng tác giữa các vấn đề trên, nh−ng chúng là những vấn đề chính cần đ−ợc quan tâm đối với mục đích tính toán và cung
cấp một cơ sở hợp lý cho việc thảo luận. Th−ờng thì một số các ảnh h−ởng đó đã đ−ợc kết hợp vào các đ−ờng cong hệ số mùa vụ.
Monteith (1976), Kramer (1969) và Slatyer (1967) đã đ−a ra sự t−ơng tác giữa cây trồng với khí quyển và đất. Các chi tiết trong việc xây dựng mô hình các quá trình thực vật cơ bản đ−ợc đ−a ra bởi Thornley (1976). Một b−ớc tiến mới trong việc xây dựng mô hình sự tăng tr−ởng của thực vật cuối cùng có thể cung cấp những đầu vào quan trọng có quan hệ đến các chức năng thực vật và ET.
Hình 6.10 Ví dụ các đ−ờng cong phân bố sự bao phủ của cây trồng (Saxton, 1972)
P h ần tr ăm ch e p h ủ củ a đồ ng ru ông Thu hoạch Ngô Đồng cỏ Ngũ cốc Đất trồng trọtThực vật Phần còn lại Phần nổi lên 6.5.1 Tán lá
Quá trình phát triển động lực, tr−ởng thành và phân huỷ của tán cây tác động đáng kể đến hiệu quả của quá trình bốc thoát hơi n−ớc thực vật. Đối với các cây trồng một năm nh− ngũ cốc và bông, tán cây phát triển rất nhanh từ chỗ không có gì đến chỗ gần nh− bao phủ hoàn toàn bề mặt đất, sau đó tr−ởng thành và đ−ợc thu hoạch. Tán cây của bất kỳ một ngày đặc tr−ng nào cũng quyết định lớn đến tổng l−ợng bức xạ mặt trời hay quá trình hấp thụ bình l−u, do đó các mô hình thuỷ văn phải cung cấp một mô tả các tác động động lực của thực vật này.
Một cách tiếp cận trực tiếp là vẽ đồ thị đ−ờng cong phát triển tán theo thời gian để đặc tr−ng cho tỷ lệ phần trăm diện tích đất bị che phủ trong cả
năm. Ví dụ các đ−ờng cong dựa trên những quan trắc nhìn thấy đ−ợc thể hiện trong hình 6.10. Để xác định đ−ờng cong biểu diễn độ che phủ của cây trồng đòi hỏi phải có sự hiểu biết hoặc các quan sát về thời hạn trồng cây thông th−ờng, thời gian nảy mầm, tốc độ phát triển, thời kỳ cây trổ hoa, thời vụ thu hoạch, và các điều kiện còn lại. Để biểu diễn tán cây nh− độ che phủ đất trung bình, tr−ớc hết nó là một sự phân chia năng l−ợng giữa đất và thực vật, vì vậy chúng ta phải có những biến đổi cần thiết để xét xem liệu thành phần bình l−u có đ−ợc coi là đóng vai trò quan trọng không. Mặc dù ch−a đạt đ−ợc độ chính xác cao, nh−ng đ−ờng cong tán cây thực nghiệm dựa trên những hiểu biết địa ph−ơng th−ờng cũng trình bày đầy đủ các ảnh h−ởng của tán.
Nghiên cứu gần đây về những ảnh h−ởng của mùa màng đã sử dụng tỉ số diện tích lá cây chia cho diện tích bề mặt đất nh− một chỉ số diện tích lá (LAI), để liên hệ ET đ−ợc đo với tán cây có tác động đến. Sự đo đạc này so sánh các ảnh h−ởng của tán các cây trồng khác nhau mặc dù nó không hoàn toàn thoả đáng giữa những cây trồng có cấu trúc tán khác nhau khá lớn. Ritchie và Burnett (1971) và Kristensen (1974) đã chỉ ra các đ−ờng cong hoàn toàn t−ơng tự đối với lúa mạch, củ cải đ−ờng, các loại cỏ thân dài và ngắn, ngũ cốc, lúa miến, nh− đ−ợc biểu diễn trong hình 6.11. Trong phần lớn các tr−ờng hợp thì tỉ số giữa quá trình bốc thoát hơi n−ớc thực tế trên quá trình bốc thoát hơi n−ớc khả năng (AET/PET) sẽ tiến tới 1 khi LAI tiến tới 3.0. Mặc dù các giá trị LAI quan hệ chặt chẽ với tỉ số AET/PET và cung cấp một ph−ơng pháp đo đạc trực tiếp tán cây trên một cánh đồng, nh−ng chúng rất khó dự báo, và việc −ớc l−ợng độ che phủ của tán nh− một tỉ lệ phần trăm độ che nắng đất có thể ch−a phải là thiết thực nhất.
6.5.2 Diệp lục
Sự phát triển phát dục của cây th−ờng làm biến đổi khả năng bốc thoát hơi n−ớc của thực vật. Khi một vụ mùa phát triển đầy đủ, sự đòi hỏi về n−ớc và khả năng bốc thoát hơi n−ớc giảm. Vì các thay đổi phát dục có thể xuất hiện độc lập với sự hiện diện của tán cây, ảnh h−ởng này phải là một vấn đề mới đ−ợc thêm vào.
Hình 6.11 Mối quan hệ giữa chỉ số diện tích lá (LAI) và bốc thoát hơi khả năng trên thực tế để xác định ảnh h−ởng của sự che phủ của cây trồng
Hình 6.12 Biểu diễn của sự thoát hơi của cây trồng
Nh− với tán cây, đồ thị phân bố theo thời gian của khả năng thoát hơi n−ớc t−ơng đối th−ờng là khá phù hợp với các mô hình thủy văn. Những ảnh h−ởng đang đ−ợc trình bày là khả năng của quá trình bốc thoát hơi hoàn toàn, cân bằng tán cây. Các đ−ờng cong ví dụ đ−ợc biểu diễn ở hình 6.12. Sự tr−ởng thành của cây trồng vào mùa vụ là nguyên nhân chủ yếu làm giảm khả năng
Chỉ số diện tích lá (LAI)
PET AET
Lúa mạch, củ cải đ−ờng, cỏ dài và cỏ ngắn (Kristensen, 1974) Ngũ cốc, kê (Ritchie và Burnett, 1971) Ph ần trăm sự t h oá t hơ i củ a tán cây Ngũ cốc Cỏ Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5 Tháng 6 Tháng 7 Tháng 8 Tháng 9 Tháng 10 Tháng 11 Tháng 12
đó, nh−ng quá trình làm khô của lá từ ứng suất nhiệt, ẩm hoặc côn trùng có thể là nguyên nhân gây nên những sự biến đổi. Ví dụ, các cây cỏ mùa lạnh có thể tăng tr−ởng và có phần hơi chững lại vào giữa mùa, nh− đ−ợc thể hiện trong hình 6.12, sau đó lại đ−ợc phát triển trở lại khi nhiệt độ bắt đầu tăng lên. Những sản phẩm còn lại sau vụ mùa tạo ra một dạng tán cây đặc biệt khi chúng chặn dòng bức xạ lại, nh−ng không có khả năng sử dụng năng l−ợng đó cho quá trình bốc hơi nếu nh− giáng thuỷ không bị chặn lại.
Hình 6.13 Phân bố theo mùa của các hệ số mùa vụ đối với ứng dụng ph−ơng trình Blaney-Criddle (USDA, Trung tâm bảo tồn đất, 1967)
Cỏ linh lăng H ệ số tr ạng thái phá t tr iển củ a cây t rồng Đồng cỏ
Lúa mùa xuân Kê
Ngũ cốc
Cây bông Đỗ t−ơng
Phần trăm sự phát triển theo mùa
Nó có thể đ−ợc coi là một tr−ờng hợp đặc biệt của tích luỹ diệp lục khi cánh đồng không còn khả năng thoát hơi, hay những sản phẩm còn lại này đ−ợc coi là một phần của quá trình bốc hơi của đất. Tuy nhiên, những sản phẩm đó thay đổi các đặc tính trong suốt thời gian thối rữa và phân huỷ do quá trình canh tác và phải đ−ợc trình bày một cách linh hoạt.
6.5.3 Các hệ số mùa vụ
Các ảnh h−ởng của vụ mùa lên quá trình thoát hơi n−ớc th−ờng đ−ợc biểu diễn thông qua các hệ số vụ mùa hoặc là nh− các giá trị trung bình mùa hoặc là nh− những sự phân bố theo mùa.
Hình 6.14 Các hệ số mùa vụ liên hệ với tỉ số AET/PET theo giai đoạn mùa vụ trong đó PET đ−ợc xác định là từ bề mặt cỏ chứa n−ớc (Jensen, 1973)
Hệ s ố câ y t rồ n g t h ực n ghi ệm Đồng cỏ Đậu Cỏ linh lăng Kê nhỏ Ngũ cốc
Các ngày sau ảnh h−ởng độ che phủ của cây trồng % Gieo trồng ảnh h−ởng đến kỳ che phủ của cây trồng
Hầu hết các hệ số dùng để giải thích các ảnh h−ởng tổng hợp của tán cây, sự phát triển diệp lục, và quá trình bốc hơi của đất. Cách tiếp cận thông th−ờng này đ−ợc sử dụng rộng rãi trong các dự báo quá trình bốc thoát hơi n−ớc trong thuỷ lợi mà không cần thiết phải tách riêng các quá trình ET. Theo h−ớng t−ơng tự, những mối quan hệ thực nghiệm có thể khá hữu ích cho những mô hình thuỷ văn đ−ợc đơn giản hoá và h−ớng dẫn cho những công việc canh tác vì chúng th−ờng thể hiện những thí nghiệm đã đ−ợc kiểm tra.
Sự trình bày và ứng dụng của các hệ số vụ mùa biến đổi khá lớn, do đó chúng ta phải kiểm tra các chuỗi số liệu để chắc chắn rằng tất cả các giả thiết đều đ−ợc thoả mãn. Các đ−ờng cong biểu diễn trong hình 6.13 đ−ợc phát triển chỉ để sử dụng với ph−ơng trình Blaney-Criddle (ph−ơng trình 6.16), và bao gồm tất cả các ảnh h−ởng đất và vụ mùa cần thiết. Thời kỳ phát triển đ−ợc xác định là từ lúc trồng đến khi thu hoạch.
Một tập hợp các hệ số khác đ−ợc biễu diễn ở hình 6.14 cũng liên hệ tỉ số AET/PET với sự phát triển mùa vụ, nh−ng trong tr−ờng hợp này PET đ−ợc xác định nh− một quá trình bốc thoát hơi n−ớc khả năng từ một bề mặt thực vật giàu ẩm (có quan hệ mật thiết đến PET, quyết định bởi khí quyển). Thời gian để lớp bao phủ thực vật có tác dụng là khoảng 85 ngày đối với ngũ cốc, 35 ngày đối với đậu. Cỏ linh lăng đạt đ−ợc độ bao phủ có hiệu quả ngay từ vụ thu hoạch đầu tiên khi hệ số giảm đến 0.5, sau đó trở lại giá trị bằng 1.0 trong 20 ngày. Đồng cỏ đ−ợc coi là một hệ số không đổi, mặc nó có thể không chính xác trong các tính toán cả năm nh− đ−ợc chứng minh trong hình 6.10.
Các mối quan hệ ví dụ trong hình 6.13 và 6.14 cho thấy sự khác nhau giữa các cây trồng trong sự phát triển của chúng và nhu cầu ET. Những mối quan hệ nh− thế đ−ợc phát triển từ các số liệu nghiên cứu và kinh nghiệm, do đó độ chính xác và sự biến đổi năm này qua năm khác có thể là đáng kể. Những mối quan hệ cho những mùa vụ và vị trí khác có thể đ−ợc tìm thấy trong các tài liệu của Denmead và Shaw (1959), của ủy ban Bảo vệ đất USDA (1967), Pruitt và các ng−ời khác (1972a), Shaw (1963), Mustonen và McGuinness (1967), Hank và các cộng sự (1968), và Luebs và các cộng sự (1975). Doorenbos và Pruitt (1975) đã cung cấp một ph−ơng pháp để phát triển các đ−ờng cong hệ số mùa vụ đối với nhiều cây trồng và với rất nhiều các thời gian phát triển cây trồng và khí hậu khác nhau.
Khi biểu diễn các hệ số vụ mùa vào các ứng dụng trong mô hình thuỷ văn, cần phải chú ý khi xác định tất cả các sự khác nhau có thể có giữa tình trạng t−ới hay không t−ới, các kỳ hạn mùa, các hoạt động quản lý đất nh− trồng cây, cắt và thu hoạch; và các đặc điểm vụ mùa khác. Sự quan tâm đặc biệt đến sự riêng biệt của các quá trình thuỷ văn phải đ−a vào các mô hình đang xem xét tán cây, quá trình bốc hơi đất, rễ và ứng suất ẩm...
6.5.4 Rễ cây
Rễ của các cây trồng trong vụ mùa cũng quan trọng nh− tán cây trong các quá trình kết nối giữa n−ớc trong đất với năng l−ợng khí quyển và quá trình thoát hơi n−ớc. Tuy nhiên, sự phân bố rễ và những ảnh h−ởng của nó rất khó nghiên cứu và định l−ợng. Ng−ời ta đã làm rất nhiều nghiên cứu để
định l−ợng sự phát triển của rễ cây trong những cây trồng chính. Rễ cây ngũ cốc đã đ−ợc nghiên cứu bởi Linscott và những ng−ời khác (1962), Taylor và Kepper (1973), và Mengel và Baker (1974). Số liệu từ cây đỗ t−ơng đ−ợc công bố bởi Allmaras và các cộng sự (1975a, 1975b) và Stone và các cộng sự (1976). Taylor và Klepper (1974) đã quan tâm đến các rễ cây bông. Một số thông tin có sẵn trong phần lớn các cây trồng và các mối quan hệ cơ bản đ−ợc mô tả trong tài liệu nh− của Whittington (1968) và de Roo (1968).
Nhiều mô hình thuỷ văn đã coi độ sâu cực đại của rễ là tham số đã đ−ợc xác định hay một hệ số hiệu chỉnh. Đối với việc xây dựng các mô hình vật lý thì đòi hỏi thời gian và độ sâu của mật độ rễ ăn sâu xuống, đặc biệt là đối với cây trồng một năm, loại cây mà mỗi năm lại có một hệ thống rễ hoàn toàn mới. Chỉ theo cách này mới có thể xây dựng mô hình profile độ ẩm đất và sự t−ơng tác của chúng với profile của rễ. Điều này đã trở nên rất quan trọng, khi n−ớc trong đất thay đổi khá lớn theo độ sâu. Quá trình bốc thoát hơi n−ớc vụ mùa có thể bị hạn chế nếu các mẫu rễ không phù hợp với l−ợng ẩm có trong đất trong profile đất.
N−ớc đ−ợc đ−a lên bởi thực vật và các biểu diễn toán học của các hiện t−ợng này đã nhận đ−ợc sự quan tâm đáng kể trong những năm gần đây (Klute và Peters, 1969; Feddes và các cộng sự, 1976a, 1976b; Hille và Talpaz, 1976; Slack và các cộng sự ., 1977). Ngoài những biểu diễn về thời gian và độ sâu của mật độ ăn sâu rễ, một vài ph−ơng pháp tiếp cận của việc tính toán lực cản của n−ớc đến rễ, sau đó qua rễ, thân cây và lá đã đ−ợc đề xuất. Tuổi và vị trí của rễ d−ờng nh− là khá quan trọng. Taylor và Klepper (1973) cho rằng, càng xuống sâu, mật độ rễ ít hơn sẽ ảnh h−ởng lớn hơn đến việc đ−a đ−ợc N−ớc lên vì chúng non hơn và th−ờng là ở những vùng đất ẩm hơn. Các nghiên cứu với mức độ chi tiết nh− thế này ch−a cung cấp thêm khả năng dự báo chế độ thuỷ văn; do đó, việc gộp các thành phần động lực mật độ rễ cơ bản t−ơng tác với l−ợng n−ớc có sẵn có thể là biện pháp tinh vi nhất đ−ợc chứng nhận ngày nay.
Saxton và các cộng sự (1974b) đã thu đ−ợc những kết quả tốt đẹp khi sử dụng phân bố 9 lớp theo độ sâu để biểu diễn sự hút n−ớc trong đất qua lúa mì trong suốt thời gian phát triển của cây, và một sự phân bố đơn đối với một cánh đồng cỏ đ−ợc hình thành. Các phân bố này, đ−ợc chỉ ra trong bảng 6.8, biểu
diễn khả năng hút n−ớc từ l−ợng n−ớc thích hợp trong suốt profile và chỉ có thể phản ánh một cách gần đúng mật độ rễ thực tế.
Bảng 6.8. Sự phân loại nguồn gốc của n−ớc theo từng tầng đất bởi sự thoát hơi n−ớc của cây, tính theo phần trăm của tổng l−ợng (Saxton và cộng sự, 1974b)
Ngày bắt đầu của các phân phối* Độ sâu của tầng đất (cm) 5/10 6/7 6/14 6/27 7/4 7/11 7/18 7/25 8/1 Đồng cỏ, trong mọi mùa 0.0 - 15.2 100 50 40 35 35 35 35 35 30 35 15.2 - 30.5 50 27 25 25 25 25 25 25 30 30.5 - 45.7 20 20 18 15 10 8 8 20 45.7 - 61.0 13 10 10 8 8 7 7 10 61.0 - 76.2 10 7 7 7 5 5 3 76.2 - 91.4 5 5 5 5 5 2 91.4 - 106.7 5 5 5 5 106.7 - 121.9 5 5 5 121.9 - 137.2 5 5 137.2 - 152.4 5
Phần lớn cây trồng có đặc tính di truyền của rễ và vì thế sẽ cung cấp những −ớc l−ợng của phân bố mật độ rễ theo độ sâu và thời gian −ớc l−ợng sự hút n−ớc. Các rễ cây già hơn có ảnh h−ởng ít hơn đến sự hút n−ớc, do đó phân bố số l−ợng rễ phải đ−ợc thay đổi. Các mẫu đặc tính ăn sâu của rễ có thể đ−ợc