Resumen de Estimation and mapping transpiration with basal and stress crop coefficients derived from remote sensing and ground-based plant water stress indicator

F.L. Santos, María M. Correia, I. Pôças, P. C. Valverde, R. R. Coelho, M. Vaz, T.A. Paço

• English

  The use of remote sensing for obtaining evapotranspiration (ET) from natural and agricultural surfaces is already widely used. For irrigated agriculture the two basic approaches are: (1) the solution of the energy balance equation, using remotely sensed surface temperatures and reflectances to estimate variables and components of this equation, and (2) the crop coefficient and reference evapotranspiration (ETo) approach where the crop coefficient is obtained through canopy reflectance measurements. For the latter, theoretical and field studies have shown that satellite reflectance-derived vegetation indices (VIs) are closely relate to carbon and moisture fluxes and, when combined with ground data or appropriately calibrated models, they can produce valuable estimates of crop transpiration and related processes at the canopy or ecosystem scale (D´Urso and Calera, 2006). In this study the crop coefficient approach was used. For estimation of actual transpiration of irrigated and very high tree-density hedgerow orchards grown in Alentejo the procedure correlates (a) the basal crop transpiration coefficients (Kcb = Tmax/ETo) of the unstressed full irrigated treatment to the normalized difference vegetation index (NDVI) values assessed from Landsat5 TM and Landsat7 ETM+ (r2 = 0.86) and (b) the crop stress coefficient (Ks = Ta/KcbETo), obtained from the ratio of the sustained deficit irrigation (Ta) and fully irrigated (Tmax) daily transpiration rates, to a plant stress indicator, in the case, the basal leaf water potential (r2 = 0.85). Daily tree transpiration rates on both treatments were obtained from sap flow measurements. The unstressed crop status of the full irrigation treatment was warranted from the high Willmott index of agreement (IA = 0.88) obtained with transpiration values simulated with the Penman-Monteith “big leaf” model (Willmott, 1982). In this algorithm, a specific model of bulk daily canopy conductance (Gc) for unstressed olive canopies was used (Orgaz et al., 2007). From the resulting relationship equations, known field values of leaf basal water potential and satellite-derived NDVI´s suffice to get estimates of Ks and Kcb, respectively and from them derive and map the actual olive tree transpiration (Ta = Kcb Ks ETo) rates. The study is under way, and thus further validation applications are planned prior to using the approach for mapping olive transpiration orchards of different tree density and scale areas.

• português

  O uso da deteção remota para a obtenção de estimativas da evapotranspiração (ET) de superfícies naturais e agrícolas é hoje uma realidade. Para a agricultura de regadio, as duas aproximações mais usadas nessa estimativa são: (1) a solução da equação do balanço de energia, com as temperaturas da superfície e as reflectâncias obtidas por deteção remota, o que garante a estimativa de variáveis e componentes dessa equação, e (2) a obtenção de coeficientes culturais e da evapotranspiração da cultura (ET) com base na evapotranspiração de referência (ETo) e na reflectância do copado, esta obtida por deteção remota. Para esta aproximação, os estudos teóricos e experimentais demonstram que os índices de vegetação (VIs), derivados de informação de reflectâncias obtida de imagens de satélite, apresentam elevada correlação com os fluxos de carbono e de vapor de água e que, quando combinados com dados derivados de ensaios experimentais e de modelos devidamente calibrados, produzem estimativas válidas da transpiração das culturas regadas e de processos com esta relacionados, à escala do copado e do ecossistema. Neste estudo foi usada a aproximação dos coeficientes culturais. Para a estimativa da transpiração actual de pomares de olival superintensivo regados e em sebe na região do Alentejo, o procedimento relaciona (a) valores do coeficiente cultural basal (Kcb = Tmax/ETo) do tratamento de rega plena, em que a cultura é bem abastecida de água, com o índice de vegetação diferença normalizada (the normalized difference vegetation index NDVI) obtido a partir dos sensores Landsat5 TM and Landsat7 ETM+ (r2 = 0.86) e (b) valores do coeficiente de stress hídrico (Ks = Ta/KcbETo), em que a transpiração máxima da cultura é obtida do tratamento de rega plena (Tmax) e a transpiração actual da situação de rega deficitária sustentada (Ta), com indicadores de stress da cultura, no caso, o potencial hídrico de base (r2 = 0.85). Nos dois tratamentos, os valores diários da transpiração do olival foram obtidos através de medições de fluxos de seiva no tronco de árvores. O estado de rega plena e olival bem abastecido de água foi assegurado pelo elevado índice de concordância de Willmott (IA = 0.88) obtido entre os valores de transpiração medidos pelo fluxo de seiva e os derivados com a equação "big leaf" de Penman-Monteith (Willmott, 1982). Neste algoritmo, a condutância estomática diária global do olival foi obtida através do "specific model of bulk daily canopy conductance (Gc) for unstressed olive canopies" de (Orgaz et al., 2007). Com as relações estabelecidas em (a) e (b), para se obterem valores de transpiração actual do olival (Ta = Kcb Ks ETo) e mapear a sua distribuição temporal, bastará obter valores experimentais de um indicador de stress da cultura (potencial hídrico de base), para daí derivar estimativas de Ks, e valores do índice de vegetação NDVI, para daí derivar as de Kcb. Mais aplicações e validações estão planeadas para comprovar o uso do modelo no mapeamento global da transpiração de pomares de olival de diferentes densidades e áreas de plantio.