Evapotranspiración

La evapotranspiración ( ET ) es la cantidad de agua transferida a la atmósfera por la evaporación a nivel del suelo y al nivel de la intercepción de la precipitación , y la transpiración de la planta . Se define por las transferencias a la atmósfera de agua del suelo, agua interceptada por el dosel y cuerpos de agua . La transpiración se define por las transferencias de agua en la planta y la pérdida de vapor de agua a nivel de los estomas de sus hojas.

El concepto de evapotranspiración y sus medidas apareció en la década de 1950  ; es importante para explicar y cuantificar las transferencias de agua en los ecosistemas , para calcular las necesidades hídricas de los bosques, cultivos agrícolas y más en general para la gestión del agua en áreas con vegetación natural o seminatural, o para estimar la importancia de las burbujas de calor urbanas o la consecuencias de un cambio de vegetación en un medio ambiente.

El proceso de evapotranspiración.

Evaporación

La evaporación del agua es la transición gradual del estado líquido al gaseoso . Este fenómeno es, por tanto, una vaporización progresiva. Cuando hay un volumen libre por encima de un líquido, una fracción de las moléculas que componen el líquido está en forma gaseosa. En equilibrio, la cantidad de materia en forma gaseosa define la presión de vapor saturado que depende de la temperatura . Cuando la presión parcial del vapor en el gas es menor que la presión de vapor saturado y esta última es menor que la presión ambiental total, parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la fase gaseosa: esta es la evaporación, que requiere la suministro del correspondiente calor latente, que enfría el líquido.

Intercepción de precipitaciones

La interceptación de la precipitación por parte de la vegetación se refiere al proceso por el cual las aguas meteoríticas son capturadas y retenidas por hojas y ramas, sin llegar a la superficie del suelo. La interceptación limita la recarga del recurso hídrico del suelo, el agua interceptada por las hojas se evapora directamente.

Difícil de evaluar, varía enormemente en el espacio, principalmente según las especies de plantas y las condiciones climáticas. Muy numerosos, los principales factores que controlan la capacidad de la cubierta vegetal para interceptar y almacenar agua, se refieren al follaje (forma, tamaño, rugosidad, turgencia, orientación, descomposición, edad, densidad, índice de área foliar, etc.).

Para la cubierta forestal, la tasa de interceptación varía en general del 15 al 35% para los árboles de hoja caduca y del 25 al 50% para las coníferas (una tasa generalmente más alta que se explica por su follaje siempre verde que captura la precipitación de otoño-invierno). Esta tasa está menos cuantificada para las especies del estrato herbáceo . Su menor área foliar total explica tasas más bajas que la cubierta forestal: el Fougère-Aigle interceptaría el 12% de las lluvias incidentes, la cubierta de pasto del 4 al 5%.

Transpiración vegetal

En las plantas , la transpiración es el proceso continuo causado por la evaporación del agua de las hojas y la correspondiente absorción de las raíces al suelo . La transpiración es el motor principal de la circulación de la savia y se produce principalmente en los estomas . Por tanto, la regulación de su apertura influye directamente en la intensidad de la transpiración.

El papel de la transpiración en las plantas es múltiple: es el motor de la circulación de la savia cruda en el xilema , promueve en cierta medida el enfriamiento de las plantas y permite la transferencia de sales minerales a los lugares donde la planta necesita, principalmente en las hojas que son el asiento de la fotosíntesis .

La cantidad total de agua liberada a la atmósfera por la transpiración de las plantas es inmensa (más que el flujo anual del Amazonas en Brasil solo para el Amazonas . Por ejemplo, un roble grande puede evaporar 1.000  litros de agua por día ( una tonelada), pero en promedio, un día soleado, un abedul evapora diariamente 75 litros de agua, 100 litros de haya, tilo y 200 litros.Una hectárea de haya rechaza aproximadamente 250  mm de agua durante la temporada de crecimiento, y una hectárea de selva tropical. evapotranspira mucho más (1.530  mm en algunos estudios en Guyana), lo que explica el papel que juegan las grandes formaciones vegetales, especialmente los bosques, en el ciclo del agua , en el clima regional y global y su acción como climatización natural.

La llamada transpiratoria es uno de los motores de la circulación de la savia cruda (también existe el empuje radicular ). Durante la fotosíntesis, los estomas se abren para dejar entrar CO 2 . A continuación, la solución de las hojas se pone en contacto con el aire exterior. La diferencia entre el potencial hídrico atmosférico y el de las hojas induce la salida del agua (presente en las hojas) a la atmósfera. La presión relativa en el xilema disminuye y se vuelve más baja que la presión atmosférica. El xilema está entonces bajo tensión, lo que permite el ascenso de la savia cruda.

Factores de influencia

Muchos factores físicos, biológicos y meteorológicos influyen en la evapotranspiración, entre ellos:

Importancia de la evapotranspiración

Evapotranspiración en el ciclo del agua

La evapotranspiración representa solo una pequeña parte del ciclo global del agua (esta agua evaporada representa el 0.04% del agua en la hidrosfera ) pero es esto lo que asegura la transferencia de agua del suelo y de la vegetación a la atmósfera. Si la atmósfera es un diminuto reservorio de agua en comparación con los océanos, su gran movilidad y sus intercambios permanentes con reservorios oceánicos y terrestres, le confieren un papel fundamental en el ciclo del agua.

La evaporación tiene lugar principalmente sobre los océanos (85%) donde la energía de la radiación solar transforma el agua líquida en vapor. El océano evapora más agua de la que recibe en forma de precipitación. Este déficit de alrededor del 10% se encuentra en los continentes en forma de exceso de precipitación en comparación con la evaporación. La transpiración es, con mucho, el mayor flujo de agua de la biosfera terrestre (64%, es decir, 80 a 90% de la evapotranspiración terrestre) antes de la interceptación de la precipitación (27%), la evaporación de los suelos (6%) y la evaporación de las superficies de aguas abiertas ( 3% principalmente de océanos, mares, ríos y lagos), estos datos promedio varían según el clima.

En la mayoría de las cuencas, las pérdidas de agua por evapotranspiración representan la parte más importante del balance hídrico. En las áreas continentales, más del 60% de la lluvia se disiparía por evapotranspiración.

Evapotranspiración según ecosistemas

La evapotranspiración potencial y real varían considerablemente entre ecosistemas y, a veces, según las estaciones, incluso en

Agronomía y cultivos agrícolas

Todas las plantas necesitan agua. Algunos se evaporan mucho, otros un poco. En ingeniería biológica , esta propiedad se explota para drenar tierras húmedas y pantanosas plantando álamos o sauces en climas templados. Ciertas plantas semiacuáticas, conocidas como palustres o hidrófitas , evapotranspiran mucho durante su período de crecimiento. Otros acumulan agua en sus tejidos, la evapotranspiración puede entonces desplazarse parcialmente en el tiempo; Estos son, por ejemplo, el musgo sphagnum de los pantanos .

En climas tropicales utilizamos plantas que se evaporan poco y que forman una bóveda con sus ramas (palmeras) para poder cultivar a sus pies plantas que transpirarían más si estuvieran a pleno sol, naranjos, limoneros, verduras., plantas aromáticas. De este modo se crea artificialmente un microclima favorable para las plantas cultivadas bajo las palmeras .

Varias expresiones de evapotranspiración.

Al igual que con la medición de la precipitación (lluvia, nieve, etc.), la unidad de medida de la evapotranspiración es el milímetro de profundidad del agua. 1  mm corresponde a 1  litro de agua por metro cuadrado o 10 metros cúbicos por hectárea . Para dar un orden de magnitud, la evapotranspiración puede alcanzar de 4 a 6  mm / día en pleno verano en la zona templada europea y de 6 a 8  mm / día en la zona mediterránea.

Se han agregado varios conceptos adicionales para refinar las estimaciones de evapotranspiración. Estos conceptos tienen definiciones variables según los autores.

Evapotranspiración real y potencial

La noción de "  evapotranspiración potencial  " (ET p ) se opone comúnmente a "evapotranspiración real" (ET o ET r , inglés: evapotranspiración real ET a ).

La evapotranspiración real se refiere a la cantidad exacta de agua evapotranspirada por la cubierta vegetal real. Es un dato imposible de medir a escala de una parcela o de una región.

Por el contrario, la evapotranspiración potencial es un valor calculado mediante fórmulas matemáticas. Por tanto, ET p es objeto de diversas definiciones, según los autores y los métodos de cálculo utilizados. Thornthwaite introdujo esta noción de consumo potencial de agua en 1948, y luego Howard Penman la retomó en su fórmula de cálculo (1948).

En 1956, Penman (1956) definió ET p como: "evaporación de un césped corto suficientemente extenso, en buen estado y adecuadamente provisto de agua". Según los autores y los métodos, en la definición de ET p se incluyen o no diferentes parámetros meteorológicos, físicos o biológicos  : por ejemplo la especie vegetal, la constancia de los flujos de energía, la apertura de los estomas , la constancia de la humedad relativa ... .

Estas dos nociones ET r y ET p son útiles y necesarias para estudiar los balances de circulación del agua y en particular para determinar los requerimientos hídricos de los cultivos o calcular el "efecto oasis" de una zona donde la evapotranspiración es mayor. área). Las plantas en ambientes áridos pueden reducir en gran medida su evapotranspiración cuando carecen de agua. Las plantas en áreas lluviosas tropicales-ecuatoriales generalmente no pueden.

Evapotranspiración de referencia

La evapotranspiración de referencia (ET o ) es un concepto utilizado en diferentes métodos de estimación. Es un valor para una vegetación elegida, en condiciones reales de agua, permitiendo luego deducir la evapotranspiración para otra cubierta vegetal. Este uso práctico de un cultivo de referencia está ligado a la baja variación de la evapotranspiración potencial según las diferentes plantas, bajo las mismas condiciones climáticas.

Dependiendo de los climas y los métodos de estimación, se puede utilizar cualquier especie vegetal como referencia. Normalmente, las plantas de referencia son pasto ( césped ) o alfalfa cultivada ( alfalfa ) de baja altura, debido a métodos de cálculo desarrollados generalmente con fines agrícolas.

Evapotranspiración máxima

Evapotranspiración máxima (ET m ) el valor máximo de la evapotranspiración de un cultivo dado, en una etapa vegetativa, bajo determinadas condiciones climáticas, tomado en cuenta por la ET 0 . Es una corrección de la ET 0 según la cobertura vegetal. ET m = K c x ET 0 , siendo K c el coeficiente de cultivo. Para determinar el coeficiente de cultivo, Christian de Pescara propone el siguiente método: es necesario conducir el cultivo a la ET m que puede ser determinada por un aparato que calcule la ET 0 sobre la parcela o por un lisímetro . Entonces tenemos ET r max = ET my calculamos: K c = ET r max / ET 0 . Así podemos calibrar los coeficientes de cultivo K c .

Estimación de la evapotranspiración

Además de la lluvia , la evapotranspiración es un parámetro importante en los estudios bioclimáticos y en ciertos estudios de impacto.

Es fácil para los investigadores medir la evapotranspiración de una planta o una pequeña superficie con vegetación (usando un potómetro o una cámara de transpiración portátil, por ejemplo), pero resulta difícil escalar un árbol , bosque , cañaveral , parcela de cultivo o región geográfica. . Idealmente, también sería necesario tener en cuenta el poder más o menos importante de interceptación de la lluvia y otras aguas meteoríticas (nieblas, rocío, nieve, heladas ...). Luego usamos métodos empíricos o modelos.

Un gran número de métodos de evaluación teóricos o empíricos se han establecido desde mediados del XX °  siglo por los científicos (a menudo con problemas de calibración locales a hacer algo de validez en otras regiones). Los especialistas suelen distinguir tres enfoques distintos:

Estos modelos deben utilizarse siempre con cautela y teniendo en cuenta sus limitaciones metodológicas, especialmente en términos de bioclimatología forestal y tropical.

A nivel mundial, la evapotranspiración de los océanos del mundo elimina una porción de agua de 1.200 mm cada año  y suministra 430.000  km 3 de agua a la atmósfera, mientras que este proceso por encima de los continentes (especialmente por encima de los lagos) proporciona apenas 75.000  km 3 .

Cálculo de factores agronómicos y meteorológicos

Estimación por bandeja de evaporación

La evapotranspiración se puede aproximar aproximadamente mediante mediciones realizadas con una bandeja de evaporación llena de agua (llamada evaporación de la bandeja por los hablantes de inglés). En ausencia de lluvia, se supone que la variación en el nivel del agua en el tanque es proporcional a la evapotranspiración, porque el agua en el tanque está sujeta a las mismas condiciones climáticas que las plantas y el suelo: radiación (solar), viento, temperatura y humedad.

Esta simple relación está formulada por:

  • ET p la evapotranspiración potencial calculada (en mm)
  • K bac el coeficiente de la bac
  • E bandeja la medida de la evaporación en la bandeja (en mm).

Sin embargo, son muchos los factores que distinguen las condiciones de evaporación del tanque y la evapotranspiración del suelo y las plantas (capacidad del tanque para almacenar calor, turbulencia del aire, etc.). Estos aspectos divergentes se tienen en cuenta a la hora de montar los envases (tamaño y forma del envase, elección de color y materiales, etc.), y mediante coeficientes de corrección más complejos (definidos por factores climáticos y geográficos). Según la FAO , el método de la bandeja de evaporación daría estimaciones "aceptables", con una ubicación relevante de los contenedores y para estimaciones para períodos superiores a 10 días. Según los estudios de la ASCE, en comparación con otros métodos de cálculo, el método del contenedor generalmente se considera "irregular e inconsistente".

Modelado de Penman y Monteith

El modelo Penman-Monteith se utiliza ampliamente y se considera el modelo de la FAO de "mejores resultados y error mínimo" con resultados "precisos y consistentes" para climas templados, húmedos y áridos. Con este modelo, la cobertura vegetal se considera como un todo homogéneo y la evapotranspiración se considera “verticalmente”, como una sucesión de resistencias y regulaciones que impiden que el agua se evapore: la resistencia del suelo, raíces, estomas de hojas, follaje, etc.

La fórmula compleja de Penman-Monteith (1965) incorpora muchos parámetros, que pueden medirse o calcularse a partir de datos meteorológicos y agronómicos . Los datos meteorológicos utilizados incluyen, por ejemplo, variaciones de temperatura, humedad y presión atmosférica, latitud, altitud, duración de la insolación y la fuerza del viento. Los parámetros agronómicos incluyen el albedo y la conductividad estomática de las plantas, la altura de las plantas, el tipo de suelo, etc.

Con para parámetros:

Y p  : La evapotranspiración potencial (disponibilidad de agua en el suelo y las plantas) Δ: Variación de la saturación de humedad según la temperatura del aire. (Pa⋅K −1 ) R n  : irradiancia neta (W⋅m −2 ) del flujo de energías externas c p  : Capacidad térmica del aire (J⋅kg −1 ⋅K −1 ) ρ a  : Densidad del aire seco (kg⋅m −3 ) δ e  : déficit de presión de vapor o humedad específica (Pa) g a  : Conductividad hidráulica del aire (m⋅s −1 ) g s  : conductividad de los estomas (m⋅s −1 ) γ  : constante psicrométrica ( γ ≈ 66 Pa⋅K -1 ) Modelización de la disponibilidad de agua

La evapotranspiración (ET) real se calcula a partir de la medición de la disponibilidad de agua en el suelo y las raíces. Esta disponibilidad se mide a partir de la humedad del suelo y las características físicas del suelo y las raíces, o bien se calcula a partir de un modelo de reservas de agua (cálculo de infiltración, escorrentía y percolación según la precipitación).

En comparación con el cálculo de los balances energéticos (ver sección siguiente), este método de cálculo permite especificar la evapotranspiración en períodos cortos (duración inferior a 1 hora); pero el modelado impone medidas complejas y costosas para determinar los parámetros físicos. Asimismo, pequeños errores en la evaluación de la disponibilidad de agua en el suelo implican grandes errores en la estimación de la evapotranspiración real.

Cálculo de la evapotranspiración del cultivo y la línea base

De este modo, la evapotranspiración de una determinada cubierta vegetal se puede calcular directamente, a partir de fórmulas que combinan el modelo de Penman-Monteith y la disponibilidad de agua. En la práctica, generalmente se calcula en función de una cultura de referencia (ET o ).

Considere una evapotranspiración de referencia (ET o ), por ejemplo, para una parcela de pasto de 12 cm de altura  suficientemente hidratada calculada con la fórmula de Pennman-Monteith. A partir de esta ETo se calcula la evapotranspiración para un cultivo específico (ET c ), por ejemplo, un campo de trigo.

Con una fórmula simplificada, ET c depende de un factor de cultivo (K c ) vinculado a las plantas (especie vegetal, profundidad de la raíz, estado de crecimiento, etc.) y de un factor de estrés (K s ) vinculado a las especificidades de la tierra ( composición del suelo). suelo, estrés hídrico, protección contra el viento y la evaporación, espaciamiento entre plantas, frecuencia de riego, etc.). Este cálculo de AND c se presenta a menudo bajo la ecuación simplificada:

Otras ecuaciones
  • La ecuación de Pennman original (1948), una de las más notorias, requiere calibraciones locales (función del viento) para obtener resultados satisfactorios.
  • Ecuaciones basadas en la temperatura: Thornthwaite (1948), Hamon (1963), Hargreaves-Samani (1985)
  • Ecuaciones basadas en radiación: Turc (1961), Makkink (1957), Priestley-Taylor (1972)
  • La ecuación Blaney-Criddle  (en)  : fórmula simplista basada en la temperatura media y la duración media de la insolación.

Cálculo de masas de agua.

Equilibrio hidrológico

La evapotranspiración se puede estimar a partir de la ecuación de equilibrio del agua de una cuenca de drenaje (S):

Con :

  • ΔS: variación de la cantidad de agua en la cuenca S.
  • P: precipitación (lluvia)
  • ET: evapotranspiración
  • Q: agua de escorrentía
  • D: agua drenada (en profundidad)

Por tanto, la evaporación se puede calcular a partir de la fórmula derivada:

Este tipo de modelado parece impreciso en un período corto, pero bastante confiable durante un período prolongado, siempre que las mediciones de lluvia sean precisas.

Mediciones de línea de base

La medición histórica se basa en el método lisimétrico. En la práctica, las variaciones de agua se miden en una pequeña parcela de referencia dispuesta en forma de cuenca con un lisímetro . Este dispositivo de medición permite medir (pesando) la variación del agua (ΔS) en la cuenca (agua contenida en el suelo y las plantas). El lisímetro también permite recoger y medir el agua drenada (D) hacia el sótano. El agua de escorrentía (Q) se recolecta (por ejemplo con canales instalados en el borde de la cuenca) para ser medido. La precipitación (P) se mide con un pluviómetro .

Estas medidas permiten así determinar la evapotranspiración de la cuenca delimitada. Esta evapotranspiración de referencia (ET o ) permite estimar o calcular la evaporación de cualquier cubierta vegetal, de mayor extensión o de otra naturaleza vegetal.

Se utiliza otro método, el balance hídrico por variaciones de humedad en el suelo.

Modelado de lluvia y flujo Equilibrio atmosférico

Este método consiste en tomar como referencia un trozo de aire atmosférico sobre una cubierta vegetal. La evapotranspiración se deduce midiendo y comparando el agua contenida en esta zona de referencia.

La medición de la covarianza de turbulencia es un método común de estimación con el uso de diferentes instrumentos de medición: anemómetro sónico de tres direcciones, higrómetro a campo abierto de criptón ...

Otros balances

Se utilizan otros métodos: el balance energético, el método de flujo de savia, datos de satélite.

Cálculo de flujos de energía

En un enfoque físico, la transformación del agua en vapor se considera de acuerdo con sus aspectos energéticos. Mediante este enfoque, la evapotranspiración (ET) corresponde al flujo de calor latente (LE) en la siguiente ecuación de balance energético:

Con

  • R n  : Radiación neta (balance de radiación solar, radiación reflejada por la superficie, radiación atmosférica y emisión superficial)
  • H: flujo de calor sensible (convectivo en el aire)
  • G: flujo de calor por conducción en el suelo (valor bajo)
  • LE: flujo de calor latente
  • ΔCO 2  : variación de CO 2 (fotosíntesis)
  • ΔM: variación de masa (almacenamiento de energía)

Al descuidar ΔCO 2 (2-3% de la energía) y ΔM, la fórmula se puede simplificar y, por lo tanto, la evapotranspiración se estima a partir de los datos medidos y calculados de radiación neta y otros flujos de calor. De esta forma, este enfoque también se denomina "proporción de Bowen" (un método que es menos confiable cuanto más seco es el ambiente).

Medidas de campo

En la escala de una pequeña cubierta vegetal, los intercambios de energía se pueden medir en el campo con diferentes dispositivos: la radiación neta se mide con un pirradiómetro . El flujo de calor en el suelo se mide con un medidor de flujo . Los flujos de calor sensible y latente se calculan a partir de medidas diferenciales de temperatura ambiente y humedad de psicrómetros colocados.

Medidas satelitales

A escala regional, los intercambios de energía pueden medirse mediante algunos satélites de teledetección  ; sus radiómetros miden luminancias espectrales en la parte superior de la atmósfera, para diferentes longitudes de onda (visible, infrarrojo, infrarrojo térmico, etc.), albedos y temperaturas superficiales, e índices de vegetación. A continuación, estos datos se analizan mediante varios métodos, como los algoritmos SEBAL  (en) o S-SEBI.

Otros métodos de estimación

  • Estimación de la transpiración de las plantas midiendo la circulación de la savia.

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Ver también

enlaces externos

Artículos relacionados

Bibliografía

General
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Enfoques agrometeorológicos
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