Μοντελοποίηση Ενεργειακού Ισοζυγίου σε Πολύπλοκα Αγροδασικά Συστήματα
Πολλά αγρονομικά συστήματα θα μπορούσαν να διατρέχουν κίνδυνο λαμβάνοντας υπόψη τις βραχυπρόθεσμες κλιματικές αλλαγές, αλλά οι πολυάριθμες διαδικασίες που διακυβεύονται και οι αλληλεπιδράσεις τους είναι ακόμα δύσκολο να προβλεφθούν. Μεταξύ όλων, δενδρώδεις καλλιέργειες όπως ο καφές, το κακάο ή τα ροδάκινα επηρεάζονται περισσότερο από αυτές τις αλλαγές επειδή ο πολυετής κύκλος ανάπτυξής τους καθιστά δύσκολη, μακρά και συχνά δαπανηρή την προσαρμογή της παραγωγής τους στις νέες συνθήκες.
Ως εκ τούτου, υπάρχει μια αυξανόμενη ανάγκη για πληροφορίες για την καλύτερη πρόβλεψη των μελλοντικών επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στις πολυετείς καλλιέργειες και τα δάση, ώστε να σχεδιαστούν νέες γεωργικές και δασοκομικές πρακτικές για την αντιμετώπιση αυτών των αλλαγών πριν συμβούν. Ωστόσο, οι αλλαγές στις κλιματικές συνθήκες οδηγούν σε πολύπλοκους συνδυασμούς επιδράσεων στο ισοζύγιο νερού και άνθρακα των οικοσυστημάτων και, επομένως, μπορούν, δυνητικά, να επηρεάσουν την παραγωγή αγρο-οικοσυστημάτων. Για παράδειγμα, η ανάπτυξη του καφεόδεντρου και η παραγωγή καρπών είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στις υψηλές θερμοκρασίες και στη διαθεσιμότητα νερού, και προηγούμενες μελέτες συχνά προβλέπουν μελλοντικές τεράστιες απώλειες παραγωγής ή κάλυψης περιοχής.
Ωστόσο, η σκιά που παρέχεται στα αγροδασοκομικά συστήματα θα μπορούσε να μετριάσει τις επιπτώσεις των κλιματικών αλλαγών υπό διαφορετικές επιλογές διαχείρισης, αλλά με τη σειρά της θα μπορούσε να αυξήσει τον ανταγωνισμό για το φως και τους υδάτινους πόρους. Η μελέτη αυτών των διαδικασιών και των αλληλεπιδράσεών τους είναι στη συνέχεια το πρώτο βήμα προς νέες γεωργικές και δασοκομικές πρακτικές προσαρμοσμένες στις μελλοντικές αλλαγές στη θερμοκρασία και τα πρότυπα βροχοπτώσεων.
Τα μοντέλα που βασίζονται σε διαδικασίες (PBM) είναι γενικά κατάλληλα για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων. Τα PBM εφαρμόζουν την κατανόησή μας για τις θεμελιώδεις φυσικές και οικοφυσιολογικές διεργασίες για να προσομοιώνουν μηχανιστικά συστήματα (Bohn et al., 2014). Τα PBM χρησιμοποιούν συχνά τον φορμαλισμό εδάφους-φυτών-ατμόσφαιρας (SPAC, Philip (1966)). Αυτό το συνεχές περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις των διεργασιών που συμβαίνουν μεταξύ των κύριων περιοχών (έδαφος, φυτό και ατμόσφαιρα) για να αναπαραστήσουν την κατάσταση του οικοσυστήματος από την άποψη των συζευγμένων ροών νερού και ενέργειας. Σε αυτά τα πολύπλοκα συστήματα, η κατάσταση όλων των εξαρτημάτων είναι σημαντική για τη μοντελοποίηση, καθώς το καθένα οδηγεί τις ροές από τα άλλα μέσω του δυναμικού νερού, των υδατικών φάσεων και της διαθέσιμης ενέργειας (Lobet et al., 2014· Manzoni et al., 2013).
Η ποσότητα ενέργειας που εισέρχεται σε ένα συστατικό εξαρτάται από τη διαθέσιμη ενέργεια που προέρχεται από την ατμόσφαιρα και από τις ιδιότητες του οικοσυστήματος όπως η εκπομπή υλικού, η μεταδοτικότητα, η απορρόφηση ή η δομή του θόλου. Η απορροφούμενη ενέργεια είναι η πηγή κάθε πιθανής αλλαγής της θερμοκρασίας και της φάσης του νερού μέσα ή στην επιφάνεια ενός αντικειμένου, προκαλώντας εξάτμιση και διαπνοή. Αυτή η απορροφούμενη ενέργεια θα αλληλεπιδράσει επίσης με τον περιβάλλοντα αέρα μέσω αγωγιμότητας (δηλ. αισθητή ροή) και ατμούς (δηλ. λανθάνουσες ροές), αυξάνοντας τη θερμοκρασία και την υγρασία του.
Το ισοζύγιο νερού και ενέργειας αλληλεπιδρά επίσης με τον κύκλο του άνθρακα. Πράγματι, τα φυτά συλλέγουν ένα μέρος αυτής της ενέργειας για να κάνουν μόρια υδατανθράκων από το ατμοσφαιρικό CO2 διαχέονται μέσω των στομάτων τους. Με αυτόν τον τρόπο, το μεσοκυττάριο νερό από τα στομία εξατμίζεται (δηλ. διαπνοή), που οδηγεί σε πιο αρνητικό τοπικό υδάτινο δυναμικό και τραβώντας νερό από τις ρίζες και στη συνέχεια από το έδαφος. Για να αποφευχθεί η αποξήρανση, η αγωγιμότητα των στομάτων μπορεί να ρυθμιστεί από τα φυτά ανάλογα με το μικροκλίμα κοντά στο φύλλο που εξαρτάται από το ενεργειακό ισοζύγιο του συστήματος. και στο υδάτινο δυναμικό των φύλλων, που συνδέεται άμεσα με την ίδια την κατάσταση του νερού του εδάφους.
Ελέγχοντας τις ροές άνθρακα στα φυτά, το ενεργειακό και το υδάτινο ισοζύγιο οδηγούν την ανάπτυξη των φυτών - τη μοναδική απορρόφηση άνθρακα από την ατμόσφαιρα σε όλη τη ζωή στο οικοσύστημα. Με τον έλεγχο της θερμοκρασίας, οδηγούν επίσης την αναπνοή, η οποία είναι πηγή άνθρακα προς την ατμόσφαιρα. Επομένως, ο φορμαλισμός SPAC είναι περίπλοκος επειδή απαιτεί μεγάλη ποσότητα γνώσης σχετικά με τις φυσικές και φυσιολογικές ιδιότητες του συστήματος, αλλά είναι απαραίτητος για την κατάλληλη προσομοίωση της διαπνοής, της εξάτμισης των φύλλων και του εδάφους και του ενεργειακού προϋπολογισμού.
Μεταξύ όλων των αγρο-οικοσυστημάτων, οι πολυετείς φυτείες και τα δάση είναι πιθανώς τα πιο περίπλοκα στη μοντελοποίηση, επειδή τείνουν να έχουν ετερογενή στέγαστρα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για συστήματα αγροδασοκομίας όπως το Coffea arabica φυτείες (Εικόνα 1) επειδή η κατανομή του φωτός και οι μικρομετεωρολογικές συνθήκες είναι εξαιρετικά ισότροπες (δηλ. είναι ετερογενή στο χώρο), επομένως δύο μεμονωμένα φυτά από το ίδιο χωράφι μπορούν να αντιμετωπίσουν πολύ διαφορετικές συνθήκες. Ως εκ τούτου, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα τρισδιάστατο μοντέλο σε κλίμακα δέντρου για την καλύτερη ενσωμάτωση της χωρικής πολυπλοκότητας κατά τη μοντελοποίηση αυτών των συστημάτων.
Το μοντέλο MAESPA (Εικόνα 2) είναι ένα τρισδιάστατο σαφές μοντέλο που βασίζεται σε διαδικασίες (Duursma και Medlyn, 2012) που προσομοιώνει τις ροές ενέργειας, νερού και άνθρακα των δασών σε ατομική κλίμακα. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για την προσομοίωση αγροδασοκομικού συστήματος επειδή περιγράφει το δάσος σε κλίμακα voxel, η οποία είναι μια ομοιογενής αναπαράσταση ενός συγκεκριμένου όγκου στοιχείου του στέμματος του δέντρου. Μπορεί να διαχειριστεί πολλά είδη δέντρων με τη δική τους θέση στο οικόπεδο, τη δομή τους (ύψος κορώνας, πλάτος…) και τις φυσικές και φυσιολογικές τους παραμέτρους.
Το μοντέλο υπολογίζει μια λεπτή εκτίμηση της αναχαίτισης φωτός, της ενέργειας, του νερού και των ροών άνθρακα για κάθε φυτό στο δάσος και για το έδαφος, λαμβάνοντας υπόψη τη χωρική ετερογένεια του θόλου, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο υποψήφιο για την αντιμετώπιση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής σε οριζόντια ετερογένεια δασικά συστήματα. Ωστόσο, έχει αποδειχθεί σε προηγούμενες μελέτες ότι το MAESPA τείνει να υποεκτιμά τα υψηλά ποσοστά εξατμισοδιαπνοής στα αγροδασοκομικά συστήματα Coffea και στις συστάδες Pinus και Eucalyptus. Οι προκαταρκτικές έρευνες έδειξαν ότι αυτό το φαινόμενο προκύπτει από μια αναξιόπιστη εκτίμηση της θερμοκρασίας του θόλου και της τάσης ατμών.
Σε πρόσφατο άρθρο, οι Vezy et al. (2018) τροποποίησε το μοντέλο MAESPA για να προσομοιώσει καλύτερα τους ρυθμούς εξατμισοδιαπνοής χάρη σε μια εκλεπτυσμένη αναπαράσταση του μικροκλίματος του θόλου συμπεριλαμβάνοντας έναν υπολογισμό τόσο της θερμοκρασίας του αέρα εντός του θόλου όσο και της πίεσης ατμών εντός του θόλου (Εικόνα 2). Δεδομένου ότι και οι δύο μεταβλητές προκύπτουν και με τη σειρά τους επηρεάζουν πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις στο θόλο, το έδαφος και την ατμόσφαιρα, η συμπερίληψή τους αποτελεί κρίσιμη βελτίωση για το μοντέλο MAESPA.
Αυτή η εργασία οδήγησε σε βελτίωση της προσομοίωσης της θερμοκρασίας του θόλου από την MAESPA (Εικόνα 3), η οποία με τη σειρά της οδήγησε σε καλύτερες προσομοιώσεις ροών νερού και ενέργειας στη συνέχεια (δεν φαίνεται, δείτε το άρθρο για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με την αξιολόγηση του μοντέλου). Στη συνέχεια, οι συγγραφείς χρησιμοποίησαν το MAESPA για να μοντελοποιήσουν την εξατμισοδιαπνοή διαφορετικών καλλιεργειών δέντρων με αυξανόμενη χωρική ετερογένεια, από έναν απλό ομοιογενή μονοειδικό Ευκάλυπτο στέκονται σε μια σύνθετη αγροδασοκομία Καφές φυτεία με δύο είδη δέντρων σκιάς.
Οι συγγραφείς βρήκαν ότι η εξατμισοδιαπνοή από τον Ευκάλυπτο Η φυτεία που βρίσκεται στην πολιτεία του Σάο Πάολο στη Βραζιλία ήταν υψηλότερη το 2012 από τις συνολικές ετήσιες βροχοπτώσεις του ίδιου έτους (Εικόνα 4) επειδή μετέτρεψε σχεδόν όλη την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία σε λανθάνουσες ροές θερμότητας (δηλ. εξατμισοδιαπνοή). Αυτά τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι ο εντατικός Ευκάλυπτος Οι φυτείες θα μπορούσαν να μειώσουν τους υδάτινους πόρους σε κλίμακα τοπίου υπό καθεστώτα χαμηλότερων βροχοπτώσεων, κάτι που θα μπορούσε να είναι όλο και πιο προβληματικό υπό την κλιματική αλλαγή, καθώς τα κλιματικά μοντέλα προβλέπουν λιγότερες βροχοπτώσεις σε αυτές τις περιοχές στο μέλλον.
Ένα δεύτερο ενδιαφέρον αποτέλεσμα είναι ότι τα σκιασμένα δέντρα στο Καφέ το αγροδασοκομικό σύστημα στην Κόστα Ρίκα συμβάλλει στη μετατροπή περισσότερης εισερχόμενης ηλιακής ενέργειας σε λανθάνουσες ροές, αλλάζοντας το μικροκλίμα που βιώνει ο Καφές κάτω σε ένα ψυχρότερο, πιο υγρό με λιγότερο έντονη ακτινοβολία. Ως αποτέλεσμα, ο Καφές Η θερμοκρασία των φύλλων και η διαπνοή μειώθηκαν. Κατά συνέπεια, η αγροδασοκομία θα μπορούσε να είναι ένα πιθανό εργαλείο για την προσαρμογή του καφέ συστήματα καλλιέργειας στην κλιματική αλλαγή, μειώνοντας την αρνητική επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας του αέρα στην απόδοση του καφέ. Περισσότερη έρευνα σχετικά με τη δυνατότητα μείωσης του καφέ Χρειάζονται θερμοκρασίες φύλλων ανά σκιά, αλλά αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν τη μελλοντική έρευνα σχετικά με αυτές τις πτυχές.
Ένα τρίτο ενδιαφέρον αποτέλεσμα ήταν ότι η διαχείριση της αγροδασοπονίας είχε μεγάλη επίδραση στον τρόπο με τον οποίο η βροχόπτωση ανακυκλώθηκε πίσω στο οικοσύστημα, είτε στην ατμόσφαιρα είτε στο απόθεμα νερού του εδάφους. Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα του δέντρου σκιάς σε σχέση με τον Καφέ τόσο υψηλότερη είναι η εξατμισοδιαπνοή, με αποτέλεσμα να γίνεται περισσότερη ανακύκλωση νερού πίσω στην ατμόσφαιρα. Αυτά τα φαινόμενα είναι σημαντικό να κατανοηθούν επειδή τα σκιερά δέντρα θα μπορούσαν να γίνουν πολύ ανταγωνιστικά για τους υδάτινους πόρους κάτω από ξηρά κλίματα, ειδικά για συστήματα αγροδασοκομίας υψηλής πυκνότητας. Ως εκ τούτου, το MAESPA θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση των ειδών δέντρων βέλτιστης σκιάς, της βέλτιστης πυκνότητάς τους και της βέλτιστης διαχείρισής τους λαμβάνοντας υπόψη τις τοπικές πεδοκλιματικές συνθήκες.
Αυτά τα ευρήματα δείχνουν ότι το μοντέλο MAESPA είναι ένας καλός υποψήφιος για τη διερεύνηση των σχέσεων των διαδικασιών που εμπλέκονται στα ισοζύγια νερού και ενέργειας, ειδικά για συστήματα καλλιέργειας με πολύπλοκη δομή θόλου. Το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της διαχείρισης με την καλύτερη κατανομή μεταξύ της εξάτμισης του εδάφους και των φύλλων έναντι της διαπνοής των φυτών λαμβάνοντας υπόψη τις τοπικές πεδοκλιματικές συνθήκες. Το MAESPA είναι επίσης κατάλληλο για την πρόβλεψη των αντιδράσεων του οικοσυστήματος στις κλιματικές αλλαγές χάρη στη λειτουργία του που βασίζεται στη διαδικασία και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε άλλα είδη φυτών ή περιοχές.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Μέτρηση και μοντελοποίηση της ενεργειακής κατανομής σε θόλους ποικίλης πολυπλοκότητας χρησιμοποιώντας το μοντέλο MAESPA, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Agricultural and Forest Meteorology. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Rémi Vezy, Mathias Christina, Olivier Roupsard, Yann Nouvellon, Remko Duursma, Belinda Medlyn, Maxime Soma, Fabien Charbonnier, Céline Charbonnier, Céline Blitz-La-loeos Jean-Marc Bonnefond, Bruno Rapidel, Frédéric C. Do, Alain Rocheteau, Delphine Picart, Carlos Borgonovo, Denis Loustau και Guerric le Maire.
