任雪塬 張 強,3 岳 平,3 楊金虎 王 勝

1.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，蘭州，730020

2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，蘭州，730000

3.甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室/中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，蘭州，730020

4.蘭州區(qū)域氣候中心，蘭州，730020

1 引言

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是構(gòu)成人類社會存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，是由生物和環(huán)境構(gòu)成的可實現(xiàn)能量與物質(zhì)轉(zhuǎn)換的有序結(jié)構(gòu)，深入研究和科學(xué)認識農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響因素和調(diào)控機制，可為社會的可持續(xù)發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)保障。由于生物地球化學(xué)循環(huán)、氣候、植物生理與土壤可利用水分的相互作用，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中感熱和潛熱通量的分配各不相同（Wilson，et al，2002；Chen，et al，2009；Biudes，et al，2015）。研究表明，氣象環(huán)境因子以及植被的發(fā)展能夠影響生長季地表能量的分配（Yuan，et al，2017；Rahman，et al，2019），其中潛熱和感熱通量能夠改變大氣與生態(tài)系統(tǒng)影響物質(zhì)與能量傳輸?shù)沫h(huán)境變量，是直接驅(qū)動氣候變化的重要參數(shù)。研究（Lei，et al，2010；Ding，et al，2013；Qiu，et al，2019）還發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的蒸散主要由凈輻射控制，但植被指數(shù)和冠層氣孔導(dǎo)度對潛熱傳輸?shù)恼{(diào)控作用也不容忽視。

鮑恩比是陸面氣候狀態(tài)的綜合性物理指標，能夠反映小氣候和水文過程對生態(tài)系統(tǒng)能量分配和水分利用狀況的綜合作用（Perez，et al，2008）。以往針對生態(tài)系統(tǒng)開展的陸-氣相互作用試驗研究中，鮑恩比是一項非常重要的內(nèi)容（Wilson，et al，2002；Kang，et al，2015）。然而，因區(qū)域氣候狀況（如溫度、降水和土壤水分等）及其變化（Chen，et al，2016；Feng，et al，2017；Rahman，et al，2019；張璐等，2021）以及植被生理特性的季節(jié)差異（Lei，et al，2010；Ding，et al，2013；Qiu，et al，2019），往往會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比存在較大差別（Cho，et al，2012；Yue，et al，2018）。AmeriFlux 觀測表明，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比月平均值為0.26—1.3，即便對相對穩(wěn)定的生長季而言，不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的鮑恩比仍然存在顯著差異（Wilson，et al，2002；Lu，et al，2012）。事實上，同一氣候區(qū)的不同生態(tài)系統(tǒng)，其生理生態(tài)特性對水熱交換調(diào)控能力的差異是導(dǎo)致鮑恩比存在明顯差別的內(nèi)在因素，而降水是這一過程中最主要的驅(qū)動因子（Wilson，et al，2002；Yue，et al，2018）。對降水量季節(jié)波動較大的黃土高原地區(qū)而言，生態(tài)環(huán)境非常脆弱，生態(tài)系統(tǒng)水熱交換過程對氣候變化的響應(yīng)也更加敏感（Yue，et al，2018），鮑恩比對環(huán)境要素的驅(qū)動作用更具依賴性。因此，研究黃土高原典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比的季節(jié)變化規(guī)律對進一步認識半干旱地區(qū)陸-氣相互作用機理具有重要意義。

中國黃土高原屬于典型半干旱與半濕潤氣候區(qū)，既是東亞夏季風典型影響過渡區(qū)，又是中國水分梯度和熱量梯度帶的交匯區(qū)（Wang，et al，2021）。因此，黃土高原地區(qū)陸面物理參數(shù)的空間分布和時間變化非常顯著，對季風進退及其強弱變化的響應(yīng)十分敏感。受夏季風影響，該區(qū)域全年降水相對集中，6—9 月降水約占年降水總量的65%，但降水的年際變率很大，導(dǎo)致植被分布空間差異顯著（王欣等，2009；張強等，2014）。而降水的季節(jié)波動也無疑會導(dǎo)致鮑恩比的季節(jié)性變化，進而使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱交換呈現(xiàn)出顯著的干濕轉(zhuǎn)換特征（張強等，2008；Yue，et al，2020）。截至目前，針對黃土高原草地鮑恩比及其影響因子的研究較為深入（Yue，et al，2018），對黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)蒸散及其環(huán)境影響因子也有比較充分的認識（Sun，et al，2018；Yang，et al，2019b；Gao，et al，2020），但對黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱交換，尤其是反映水熱綜合作用的陸面參數(shù)—鮑恩比及其影響因子的研究較少，從而限制了人們對黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)陸-氣相互作用規(guī)律的客觀認識及對水熱交換過程的深入理解。為此，本研究利用在半干旱區(qū)定西和半濕潤區(qū)慶陽兩個典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)陸-氣相互作用試驗取得的資料，揭示環(huán)境因子對黃土高原不同氣候區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比的影響，這不僅有利于深化對黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)干旱過程及其致災(zāi)機理的認識，而且也有助于提高干旱監(jiān)測技術(shù)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究區(qū)概況

定西站（35.58°N，104.62°E）位于黃土高原抬高延伸區(qū)，海拔1896.7 m，年平均氣溫6.7℃，年平均降水量386 mm，6—9 月降水占年降水總量的66%，年平均水面蒸發(fā)量為1400 mm，年平均日照時數(shù)為2344 h，屬于典型的半干旱氣候。慶陽站（35.44°N，107.38°E）位于隴東黃土高原董志塬，海拔1421 m，年平均氣溫8.8℃，年平均降水量562 mm，6—9 月降水占年降水總量的67%，年平均水面蒸發(fā)量1470 mm，年平均日照時數(shù)2250 h，屬于半濕潤氣候。試驗期間定西主要作物為馬鈴薯和春小麥，慶陽試驗站的主要作物分別為冬小麥和夏玉米，生長旺盛期作物的冠層高度約為50 cm（Yang，et al，2019b）。具體地理位置如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)地理位置（星號為定西和慶陽站）Fig.1 Geographical location of the study area（stars denote Dingxi and Qingyang stations）

2.2 觀測方法及數(shù)據(jù)處理

使用的資料包括渦動相關(guān)系統(tǒng)觀測的湍流通量數(shù)據(jù)，近地層梯度塔觀測的溫、濕、風梯度數(shù)據(jù)，輻射和土壤溫、濕梯度以及氣象站常規(guī)觀測數(shù)據(jù)。測量儀器安裝高度及具體型號見表1。

表1 實驗儀器型號及安裝高度Table 1 Experimental instrument type and installation height

湍流通量數(shù)據(jù)采用EdiRe 軟件（Robert Clement，University of Edinburgh，UK）進行質(zhì)量控制和前期處理，包括野點去除、旋轉(zhuǎn)坐標、湍流平穩(wěn)性計算以及H2O 和CO2滯后修正等處理程序，數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)量控制后處理成30 min 平均結(jié)果。剔除其中的異常值及降水時段資料后，對于6 h 以內(nèi)的缺失數(shù)據(jù)進行線性插補，大于6 h 的30 min 缺失數(shù)據(jù)基于感熱、潛熱、凈輻射和水汽壓差相關(guān)關(guān)系使用查表法插補（Falge，et al，2001）。

由于缺少站點植被指數(shù)觀測資料，使用2011—2019 年Aqua 衛(wèi)星中分辨率成像光譜儀（MODIS）數(shù)據(jù)反演的歸一化植被指數(shù)（NDVI），時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/）（表2），試驗站點的歸一化植被指數(shù)由距離其最近的4 個格點的NDVI 值平均得到。

表2 本研究中使用的數(shù)據(jù)集Table 2 Details regarding the datasets used in this study

2.3 能量平衡

地表能量平衡可以表示為

式中，Rn為凈輻射（W/m2），G為土壤熱通量（W/m2），H為感熱通量（W/m2），LE為潛熱通量（W/m2）。地表能量閉合度的評價主要有兩種方法，即能量平衡比（EBR）和普通最小二乘法（Ordinary Least Square，OLS）。

能量平衡比通過計算研究時段內(nèi)湍流通量與可利用能量的比值判斷地表能量閉合度，

當能量平衡比為1 時表明地表能量處于理想的平衡狀態(tài)。該方法對較長時間尺度能量閉合狀態(tài)的評估較為理想。

普通最小二乘法是一種基于假設(shè)的簡單回歸模型，以最小二乘法為原理，廣泛應(yīng)用于參數(shù)估計。當模型估計值與試驗所得觀測值的平方和最小時，認為估計值模型為最優(yōu)擬合模型，該模型能最大程度地描述湍流通量與可利用能量的關(guān)系，其回歸模型的斜率大小反映了地表能量閉合程度的高低。當回歸曲線截距為0、斜率為1 時地表能量達到理想的閉合狀態(tài)。

2.4 土壤熱通量訂正

土壤熱通量可以利用5 cm 深土壤熱通量觀測值和0、2、5 cm 深土壤溫度采用溫度積分法訂正到地表（張強等，2012；岳平等，2015）

式中，G為校正到地表的土壤熱通量（W/m2）；G5為熱通量觀測板測得的5 cm 處土壤熱通量；ρscs是土壤的體積熱容量，計算時取ρscs=1.24×106J/(m3·K)；T(zi,t)為0、2、5 cm 深土壤溫度（℃）。0 cm 的土壤溫度可由地表長波輻射換算得到

2.5 鮑恩比

鮑恩比（β）能夠反映氣候和水文過程對陸面生態(tài)系統(tǒng)能量分配的綜合影響，是感熱與潛熱通量之比

當 β＞1 時，表明感熱通量在能量分配中起主導(dǎo)作用，β＜1 則表明潛熱通量起主導(dǎo)作用。

2.6 陸面總體參數(shù)

冠層阻抗（Rs）、動力學(xué)阻抗（Ra）和氣候阻抗（Ri）是影響陸-氣相互作用研究的重要參數(shù)（Cho，et al，2012）。Rs由Penman-Monteith 方程得到（Dolman，et al，1991；Kumagai，et al，2004）

式中，Gs為氣孔導(dǎo)度（m/s），ρ為空氣密度（kg/m3），cp為空氣定壓比熱（1005 J/（kg·K）），VPD為飽和水汽壓差（kPa），?為飽和水汽壓曲線斜率（kPa/K），γ為干濕球常數(shù)（kPa/K），Ra為冠層高度上的空氣動力學(xué)阻抗（s/m）。Ra可由Monteith-Unsworth 方程計算（Monteith，et al，1990；Hossen，et al，2012）

式中，u為 2 m 風速（m/s），u?為摩擦速度（m/s ）。

氣候阻抗（Ri）可以反映大氣在不同地表可利用能量條件下對水分的需求程度（Cho，et al，2012）

利用式（6）、（7）和（8）能夠推導(dǎo)出鮑恩比與Rs、Ra和Ri滿足如下關(guān)系（Rana，et al，1997）

式中，k0、k均為經(jīng)驗系數(shù)，取決于植被生理和土壤水分狀況。為了更清楚地認識植被的生理過程對生態(tài)系統(tǒng)水熱交換的影響，定義歸一化表面阻抗（R?s）以消除下墊面局地變化引起的空氣動力學(xué)阻抗和氣候阻抗的差異（Cho，et al，2012），即

另外，Priestley-Taylor 系數(shù)（α）能夠反映環(huán)境氣象要素和植被生理因子對生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的影響

式中，LEeq（W/m2）為不受水分限制的廣闊表面上的潛熱通量，定義為

根據(jù) α可以判斷生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)是否受到水分條件的約束。當α＜1 時，表明生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)受到水分的限制；當α＞1.26 時，表明生態(tài)系統(tǒng)中不存在水分脅迫，影響蒸發(fā)的因素僅為地表可利用能量（Rn?G）（Arain，et al，2003）。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同站點環(huán)境因子的變化特征

圖2 給出了定西和慶陽站環(huán)境因子的季節(jié)變化特征。兩站的氣溫均呈單峰型分布（圖2a1、b1），盛夏達到最大值，1 月出現(xiàn)最小值。與定西和慶陽氣象站近30 年（1988—2017 年）歷史觀測結(jié)果相比，定西站試驗期間的平均氣溫（Ta）為6.9℃，比歷史平均高0.2℃，月平均最低和最高氣溫分別為?8.63 和22.61℃；慶陽站平均氣溫為10.2℃，比歷史平均高0.5℃，月最低、最高氣溫分別為?2.93 和22.32℃。

試驗期間定西站月最大降水量為148.1 mm（2017 年8 月），慶陽站月最大降水量達到246.2 mm（2018 年7 月）。與近30 年月均降水相比，定西站生長季（4—10 月）偏干的月份占57.9%、慶陽站偏干的月份占35.0%。受夏季風的影響，兩站65%以上的降水集中在7—9 月。另外，耕作層40 cm 以上的土壤濕度對降水過程十分敏感（圖2a1、b1）。

圖2 定西（a）和慶陽（b）站生態(tài)環(huán)境因子的季節(jié)和年際變化Fig.2 Seasonal and interannual variations of eco-environmental factors in Dingxi（a）and Qingyang（b）stations

定西站飽和水汽壓差月均值為0.78 kPa，2017年7 月最大（1.14 kPa），2018 年1 月最?。?.21 kPa）。慶陽站飽和水汽壓差月平均為0.69 kPa，其最小值出現(xiàn)在2015 年11 月（0.13 kPa），最大值出現(xiàn)在2019 年7 月（1.22 kPa）。生長季定西飽和水汽壓差平均為1.10 kPa，慶陽為0.89 kPa。

定西和慶陽歸一化植被指數(shù)季節(jié)變化規(guī)律基本一致。春季，隨著降水逐漸增加和氣溫逐步上升，植被長勢逐漸變好，歸一化植被指數(shù)也隨之增大。定西歸一化植被指數(shù)年平均約為0.31、生長季為0.40；慶陽年平均為0.5、生長季為0.56。冠層氣孔導(dǎo)度與歸一化植被指數(shù)的變化趨勢非常相似，每年6—8 月達到最大。6—8 月夏季風期間降水相對充足，植被光合和蒸騰作用最強，冠層氣孔導(dǎo)度達到峰值（表3）。

表3 能量通量和環(huán)境要素Table 3 Energy fluxes and environmental factors

3.2 能量平衡特征

能量閉合度大小是湍流通量觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性高低的重要衡量標準之一（Arain，et al，2003）。湍流通量（LE+H）與可用能量（Rn?G）的線性回歸關(guān)系通常用來評估渦動相關(guān)系統(tǒng)觀測資料的可靠性（Rodrigues，et al，2014；Tian，et al，2017）。大量研究表明，渦動相關(guān)法觀測的能量不平衡差額在10%—30%（Arain，et al，2003；杜群等，2014；Foken，et al，2006）。表4 分別給出了定西和慶陽通量站白天、夜間以及全天的能量閉合情況。從普通最小二乘法的計算結(jié)果看，定西和慶陽白天能量閉合度大于夜間。這是由于白天太陽輻射強，湍流受地表升溫對近地層大氣加熱作用，交換更加充分（Arain，et al，2003；Twine，et al，2000），能量閉合度高。夜間因摩擦風速小，湍流混合不充分導(dǎo)致能量閉合度偏低（Sánchez，et al，2010）；此外，夜間凈輻射測量的不確定性增大也是造成能量閉合度低的原因之一（Majozi，et al，2017）；有進一步研究發(fā)現(xiàn)，通量觀測系統(tǒng)分析能量閉合度時，陸面各能量平衡分量不在同一物理測量平面上，也是引起能量不閉合的客觀原因（Yue，et al，2011）。

伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，商務(wù)英語的應(yīng)用范圍越來越廣泛，不僅應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品對外貿(mào)易中，還應(yīng)用于技術(shù)交流和海外投資方面。商務(wù)英語對農(nóng)產(chǎn)品對外貿(mào)易有很重要作用，尤其是在貿(mào)易談判中，在談判中會出現(xiàn)很多情況，如兩國的文化差異、貿(mào)易風格差異，而這些差異往往會降低貿(mào)易談判的成功率，所以要掌握好商務(wù)英語的談判技巧，這對談判成功有關(guān)鍵作用[3]。

表4 試驗站地表能量平衡特征Table 4 Characteristics of energy balance in different regions

能量平衡分析中常用的普通最小二乘法是一種基于“無隨機誤差”假設(shè)的簡化處理方式，其殘差頻率的分布趨勢可以在一定程度上判斷模型是否滿足有關(guān)假設(shè)。圖3 給出了研究站白天時段的殘差頻率分布，可以看出二者殘差密度曲線都符合正態(tài)分布，說明使用普通最小二乘法得到的線性模型滿足“無隨機誤差”這一假設(shè)。此外，對較長時間尺度的觀測數(shù)據(jù)而言，能量平衡比能夠調(diào)節(jié)誤差對能量閉合度的影響，大量研究表明，使用該方法計算的能量閉合度普遍高于普通最小二乘法計算結(jié)果（Rahman，et al，2019）。從表4 可以看出，定西和慶陽站全天的能量閉合度介于白天和夜間之間，即地表能量白天閉合度大于全天、全天又大于夜間。與Li 等（2005）采用普通最小二乘法（0.49—0.81）和能量平衡比（0.58—1.00）評估的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測的能量閉合度相比，文中選擇的研究站點能量閉合度屬于中等偏上水平，表明該觀測數(shù)據(jù)準確度較高，能夠滿足開展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱交換研究需要。此外，能量閉合度還能間接反映湍流通量的分配是否合理（Da Rocha，et al，2004），實際觀測的感熱和潛熱的分配及其變化會影響水熱綜合參數(shù)（鮑恩比）的可靠性（Wolf，et al，2008）。

3.3 能量通量的日循環(huán)及季節(jié)變化

陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣通過湍流輸送進行能量和物質(zhì)的交換，其交換過程和強度依賴于凈輻射的強迫和能量通量的分配過程。從能量通量年平均日變化來看（圖4、表5），定西與慶陽凈輻射日峰值非常接近，二者相差14.3 W/m2；感熱通量日峰值相差無幾，定西為120.3 W/m2，慶陽為122.3 W/m2。但兩地的潛熱通量相差懸殊，處于半濕潤氣候區(qū)的慶陽潛熱通量日峰值幾乎是半干旱氣候區(qū)定西的2 倍；土壤熱通量日峰值慶陽比定西小，約為定西的2/3。以定西和慶陽為代表，黃土高原干旱區(qū)的潛熱通量（20.95 W/m2）小于感熱通量（28.98 W/m2），半濕潤區(qū)潛熱通量大于感熱通量，分別為41.41 和28.50 W/m2，說明黃土高原半干旱區(qū)感熱通量在能量分配中占主導(dǎo)地位，半濕潤區(qū)則潛熱通量占優(yōu)。

表5 能量分量年平均日變化峰值和日均值Table 5 Annual average daily variation peak and daily average value of energy components

圖4 定西和慶陽能量通量年平均日變化（a.凈輻射，b.潛熱通量，c.感熱通量，d.土壤熱通量）Fig.4 Annual averages of diurnal variations of energy fluxes in Dingxi and Qingyang（a.Rn，b.LE，c.H，d.G）

圖5 給出了季節(jié)尺度上能量通量的日分布特征。在黃土高原半干旱和半濕潤區(qū)凈輻射、感熱通量和潛熱通量日峰值存在明顯的季節(jié)變化規(guī)律，相對而言，土壤熱通量日峰值的季節(jié)變化沒有其余3 項明顯。但是，除土壤熱通量外，其他陸面能量通量的季節(jié)平均日谷值全年相對穩(wěn)定，一方面與土壤凍融過程導(dǎo)致的土壤熱傳輸方向的變化有關(guān)（張海宏等，2017），另一方面與不同季節(jié)地氣溫差日變化引起的土壤向大氣輻射能量強度不同有關(guān)。本文關(guān)于能量通量的日變化特征與張強等（2011）給出的黃土高原半干旱農(nóng)田陸面能量分配特征相似。

圖5 能量通量季節(jié)平均日變化曲線（a.凈輻射，b.潛熱通量，c.感熱通量，d.土壤熱通量；1—4 分別表示春季、夏季、秋季和冬季）Fig.5 Seasonal average diurnal variation curves of energy flux（a.Rn，b.LE，c.H，d.G；1—4 represents spring，summer，autumn and winter，respectively）

通常凈輻射隨太陽輻射的增強而增大，定西和慶陽為代表的黃土高原半干旱和半濕潤氣候區(qū)的凈輻射均在夏季達到最大（表6），日平均輻射強度分別為109.9 W/m2和119.8 W/m2；冬季最小，分別為25.3 W/m2和26.2 W/m2。兩地凈輻射日峰值均出現(xiàn)在13 時（北京時，下同），定西和慶陽夏季分別為440.2 W/m2和460.2 W/m2，冬季則分別為226.5和240.9 W/m2。夏、秋季，處于半濕潤區(qū)的慶陽潛熱通量占凈輻射的比例分別為61.8%和77.7%，感熱通量占凈輻射的比例為25.5%和33.8%。地處半干旱區(qū)的定西夏、秋季潛熱通量占凈輻射的比例分別為32.9%和41.3%，感熱通量占比為37.8%和36.3%?？傮w上，因受東亞夏季風影響，黃土高原地區(qū)夏、秋兩季降水相對充沛，與之相應(yīng)的潛熱通量在季風期間增大、感熱通量減小，這種特征在半濕潤地區(qū)更加明顯。冬、春兩季植被覆蓋度低，地表干燥，此時凈輻射主要以感熱形式加熱大氣。春、夏季土壤為熱匯和熱源的轉(zhuǎn)換時段。進入冬季，土壤熱通量由土壤深層向淺層傳遞，作為熱源加熱大氣，這與Yue 等（2015）給出的黃土高原半干旱草地研究結(jié)果一致。另外，從圖5c 可以看到，除夏季外，慶陽感熱通量日峰值高于定西。這一方面可能與兩地種植的作物有關(guān)，另一方面可能與東亞夏季風的影響有關(guān)。冬、春季慶陽凈輻射日峰值高于定西，使得慶陽感熱通量大于定西。秋季，慶陽玉米收割早，地表呈裸土的時間比定西長，感熱通量有所增加，土壤作為熱源加熱大氣也使感熱通量進一步增大（表6）。而定西此時受夏季風降水的影響，加之地表有植被覆蓋，潛熱通量增加，感熱通量減小。另外，慶陽與定西感熱通量的峰值差除夏季外均為正值（表6），四季之和也大于0，這說明就峰值而言，慶陽感熱通量大于定西，這與圖4c 得出的結(jié)果一致。

表6 能量通量季節(jié)平均日峰值和日均結(jié)果Table 6 Seasonal averages of peak and daily average values of energy fluxes

從定西和慶陽能量通量的季節(jié)變化特征（圖6）可以發(fā)現(xiàn)，黃土高原半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)的凈輻射均為單峰分布，其最大值分別出現(xiàn)在7 月（111.2 W/m2）和6 月（125.0 W/m2），最小值均出現(xiàn)在12 月（21.6 和19.5 W/m2）。雖然凈輻射會受云、降水等因素的影響，但其總體分布特征主要由太陽輻射決定。感熱通量和潛熱通量不僅受凈輻射的約束，同時也會受地表植被和土壤水分的影響，非生長季定西和慶陽均為裸地，且降水量不足年總量的20%，因此，無論是黃土高原半干旱區(qū)或是半濕潤區(qū)，感熱通量占凈輻射的比例均較大。對于黃土高原半干旱地區(qū)而言，3—5 月隨著凈輻射的增大，在水分條件的約束下，凈輻射主要轉(zhuǎn)化為感熱通量。然而隨著夏季風向北推進，因該區(qū)域處于典型夏季風北邊緣過渡帶，受季風降水影響，6—9 月潛熱通量總體上與感熱通量相當，但受季風降水波動影響，經(jīng)常出現(xiàn)感熱通量和潛熱通量在能量分配中呈現(xiàn)交替占優(yōu)的現(xiàn)象。黃土高原半濕潤區(qū)慶陽潛熱通量的單峰分布比半干旱區(qū)的定西更加突出，其峰值出現(xiàn)在7 月，為77.9 W/m2。從試驗結(jié)果來看，黃土高原半濕潤區(qū)生長季潛熱通量是感熱通量的2.4 倍，潛熱通量平均為69.4 W/m2、感熱通量為29.1 W/m2。但同期半干旱區(qū)的定西潛熱通量為33.1 W/m2、感熱通量為39.4 W/m2，二者幾乎相當。此外，從兩地區(qū)生長季感熱、潛熱通量的累積分數(shù)曲線（圖7a）可知，當累積分數(shù)大于0.6 時，處于半干旱區(qū)的定西感熱、潛熱通量基本一致，而半濕潤區(qū)慶陽的感熱通量幾乎是潛熱通量的1/2，這也與箱線圖（圖7b）中兩地感熱、潛熱通量的波動程度一致。就平均水平而言，半干旱區(qū)潛熱通量（31.2 W/m2）小于感熱通量（34.1 W/m2），半濕潤區(qū)則相反。張強等（2011）的研究也表明，中國西北半干旱區(qū)夏季潛熱與感熱通量相當，半濕潤區(qū)夏季潛熱通量約為感熱通量的2 倍。

圖6 定西（a）和慶陽（b）能量分量的季節(jié)變化Fig.6 Seasonal variations of energy components in Dingxi（a）and Qingyang（b）

圖7 生長季定西和慶陽感熱、潛熱通量的累積分數(shù)曲線（a）及箱線圖（b）Fig.7 Cumulative fraction curves（a）and box plots（b）of sensible and latent heat fluxes in Dingxi and Qingyang during the growing season

3.4 鮑恩比的季節(jié)變化

鮑恩比能夠較好地反映生態(tài)系統(tǒng)的干濕狀況，通常以鮑恩比等于1 作為判斷生態(tài)系統(tǒng)干濕的臨界值，大于1 表征生態(tài)系統(tǒng)偏旱，小于1 則偏濕（張強等，2011）。從圖8a、b 可以看出，黃土高原地區(qū)的鮑恩比對氣候波動極其敏感，尤其是以定西為代表的半干旱地區(qū)大多時候處于偏干狀態(tài)，即便降水相對集中的夏季，鮑恩比仍然在1 附近波動，表明該區(qū)域陸面生態(tài)系統(tǒng)大多數(shù)情況在偏干與略偏濕邊緣擺動，冬春季則主要呈現(xiàn)干旱狀態(tài)。與半濕潤區(qū)的慶陽相比，半干旱區(qū)的定西生長季鮑恩比波動更明顯。這是由于該地區(qū)年總降水量少，加之夏季風期間降水變率較大，導(dǎo)致下墊面土壤水分時、空分布非均勻性特征突出，從而造成地表能量分配形式在短時間內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)變，即潛熱和感熱通量在能量分配中的貢獻度發(fā)生明顯波動。黃土高原半濕潤區(qū)生長季的鮑恩比均值為0.77，表明該時段生態(tài)系統(tǒng)總體處于偏濕狀態(tài)。雖然生長季慶陽（446 mm）和定西（320 mm）降水量相比，前者是后者的1.4 倍，但半干旱區(qū)的鮑恩比卻是半濕潤區(qū)的2.7 倍。顯然，從黃土高原半濕潤區(qū)向半干旱區(qū)過渡的過程中，反映陸面水熱綜合作用的鮑恩比相對降水變化而言更加敏感。而與AmeriFlux 觀測的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比（0.26—0.36）相比（Lu，et al，2012），黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生長季鮑恩比幾乎是北美相似氣候區(qū)的2—3 倍，反映出黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受水分脅迫的程度大于北美地區(qū)，這也意味著氣候變化，尤其是干旱化對中國黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)影響大于北美。Gerken 等（2018）指出，北美半干旱區(qū)生長季鮑恩比均值以0.25/（10 a）的速率減小，而黃土高原生長季鮑恩比以0.20/（6 a）的速率增大（Yue，et al，2018），說明氣候變化使東亞半干旱區(qū)干旱化加劇，使北美半干旱區(qū)呈現(xiàn)濕潤化傾向（Huang，et al，2016）。此外，從鮑恩比的季節(jié)變化（圖8c）來看，定西全年處于干旱狀態(tài)，鮑恩比變化范圍?。?.81—6.60）；慶陽站受夏季風影響，夏季土壤含水量大，導(dǎo)致鮑恩比的季節(jié)差異更加明顯（0.64—6.27）。

圖8 定西（a）和慶陽（b）鮑恩比季節(jié)變化及（c）多年季節(jié)平均Fig.8 Seasonal variation of Bowen ratio in Dingxi（a）and Qingyang（b）and multi-year seasonal average（c）

3.5 環(huán)境因子對鮑恩比的影響

為深入認識黃土高原不同干濕條件下環(huán)境影響因子對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比的影響，利用定西和慶陽氣象站近30 年的降水資料，將生長期分為干、濕月，把月降水量大于多年同期平均的月份定義為濕潤月，反之為干旱月。研究發(fā)現(xiàn)，鮑恩比主要受氣溫、飽和水汽壓差、淺層土壤含水量和降水量的影響，圖9 給出了月尺度上鮑恩比與環(huán)境影響因子的關(guān)系。理論上，鮑恩比與平均氣溫呈負相關(guān)關(guān)系（Cho，et al，2012），試驗表明黃土高原地區(qū)二者關(guān)系滿足理論結(jié)果，但其規(guī)律性在半濕潤區(qū)（R2=0.72）比半干旱區(qū)（R2=0.35）更好，就同一氣候區(qū)而言，干旱條件下鮑恩比隨平均氣溫升高而減小的趨勢比濕潤條件下更加明顯。干旱條件下，飽和水汽壓差與半濕潤區(qū)鮑恩比的相關(guān)更顯著（R2=0.44），半干旱區(qū)R2僅為0.29；濕潤條件下，則呈現(xiàn)相反的結(jié)果（圖9b）。進一步分析發(fā)現(xiàn)，鮑恩比隨土壤含水量的增大而減小，這種趨勢在半干旱地區(qū)更加突出，因為半干旱地區(qū)陸面參數(shù)對土壤含水量的變化更敏感（Yang，et al，2019b）。事實上，降水量是影響能量分配的最主要因素之一，鮑恩比隨降水量增大而顯著減小（圖9c）。對比黃土高原半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)鮑恩比與降水量的關(guān)系可知，半干旱區(qū)鮑恩比隨降水量減小而增大的趨勢比半濕潤區(qū)更加突出，且干旱條件下鮑恩比對降水的響應(yīng)比濕潤條件更迅速?？梢?，黃土高原地區(qū)降水變化對陸面生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵物理參數(shù)具有重要影響，這種影響必然會通過生態(tài)因子調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)水熱交換過程。

圖9 不同水分條件下環(huán)境因子（a.氣溫，b.飽和水汽壓差，c.累積降水量，d.土壤含水量，e.比濕差額）與鮑恩比的關(guān)系曲線（實心點代表濕潤條件，空心點代表干旱條件；紅色（藍色）虛線、紅色（藍色）實線分別為干燥條件和濕潤條件下定西站（慶陽站））Fig.9 The relationship curvesbetween environmental factors（a.temperature，b.VPD，c.rainfall，d.SWC，e.specific humidity）and Bowen ratio under different moisture conditions（soliddots represent wet conditions，and hollow dots represent dry conditions；the red（blue）d ashed line andthe red（blue）s olid line are the relationship curves of and Bowen ratio in Dingxi（Qingyang）under dry and humid conditions，respectively）

3.6 生態(tài)因子對鮑恩比的影響

生態(tài)因子主要通過冠層氣孔導(dǎo)度調(diào)節(jié)蒸散并影響能量分配過程（Baldocchi，et al，1998），而蒸散量大小同時與植被的生長狀況密切相關(guān)（Yang，et al，2019a）。圖10 給出了NDVI–Gs、Gs–α和 α–β的關(guān)系。冠層氣孔導(dǎo)度隨歸一化植被指數(shù)增大呈指數(shù)增加，歸一化植被指數(shù)相同時，半干旱區(qū)冠層氣孔導(dǎo)度比半濕潤區(qū)小，并且歸一化植被指數(shù)在半濕潤區(qū)與冠層氣孔導(dǎo)度的相關(guān)更顯著（R2=0.57）。這可能與半濕潤區(qū)植被的生長狀態(tài)有關(guān)，半濕潤區(qū)相對半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受水分脅迫的程度小，植被生長狀態(tài)相對較好，而植被蒸騰作用對氣孔阻抗十分敏感，蒸騰作用強度隨氣孔導(dǎo)度的增大而增強。氣孔導(dǎo)度對蒸騰作用的調(diào)控可以用Priestley-Taylor系數(shù)來反映。從圖9b 可以看到，α隨Gs呈對數(shù)規(guī)律增加。理論上，當氣孔導(dǎo)度達到某個臨界值時，α隨Gs的增加逐漸趨于平衡，表明此時蒸散量的大小不受氣孔導(dǎo)度的限制，植被蒸騰作用已達最大（Blanken，et al，1997）。McNaughton 等（1986）給出了生態(tài)系統(tǒng)氣孔導(dǎo)度的理論臨界值（12—16 mm/s），Yue 等（2018）發(fā)現(xiàn)黃土高原半干旱草地冠層氣孔導(dǎo)度的臨界值為8.2 mm/s。但是從本研究的結(jié)果來看，黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)并沒有明顯的閾值，這表明該區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總體處于水分脅迫狀態(tài)。相對而言，半干旱區(qū) α隨Gs增大而增加的幅度更小，表明半干旱區(qū)生態(tài)因子對蒸散的抑制作用更加突出。另外，從圖9c 來看，鮑恩比隨 α的增大呈指數(shù)減小趨勢，并且這種趨勢在半干旱地區(qū)更加顯著。Yue 等（2018）研究黃土高原半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)生理生態(tài)因子對鮑恩比的影響時指出，歸一化植被指數(shù)通過影響冠層氣孔導(dǎo)度來調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的蒸騰過程，進而對鮑恩比產(chǎn)生重要的調(diào)節(jié)作用，但與黃土高原半干旱草地相比，生態(tài)因子對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比的影響更嚴重。

圖10 月尺度上（a）歸一化植被指數(shù)與冠層氣孔導(dǎo)度、（b）冠層氣孔導(dǎo)度與Priestley-Taylor系數(shù)、（c）Priestley-Taylor系數(shù)與鮑恩比的關(guān)系（灰色點線代表為兩站的總體擬合關(guān)系）Fig.10 The relationships of（a）NDVI and Gs，（b）Gs and α，（c）α with Bowen ratio on monthly time scale（gray dotted line represents the overall trend of the above relationships）

為進一步分析各影響因子對鮑恩比的直接和間接作用，圖11 給出了定西和慶陽站的通徑圖。日尺度上，定西和慶陽生態(tài)環(huán)境因子分別可以解釋鮑恩比變化的60%和58%。從各因子對鮑恩比的影響來看，半干旱區(qū)鮑恩比主要受歸一化植被指數(shù)的直接作用和土壤含水量的間接作用，二者的通徑系數(shù)分別為?0.68、?0.41。與半干旱區(qū)不同，半濕潤區(qū)氣溫、歸一化植被指數(shù)是最主要的直接和間接影響因子，二者的貢獻分別為48%、17%。此外，土壤含水量對半干旱區(qū)鮑恩比的總調(diào)控作用更明顯，總通徑系數(shù)達?0.63；半濕潤區(qū)鮑恩比主要受氣溫的影響，總通徑系數(shù)達?0.53。這表明半干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水熱分配受水文條件的制約，而半濕潤區(qū)生長季表現(xiàn)為能量約束特征。因為半濕潤區(qū)地表相對濕潤，植被長勢好，氣溫上升能夠促進地表蒸發(fā)和植被蒸騰，使?jié)摕嵬砍蔀槟芰糠峙渲械闹鲗?dǎo)項。而半干旱區(qū)地表干燥，較低的土壤含水量抑制了土壤蒸發(fā)和植被蒸騰，能量對比中感熱通量對鮑恩比增加起主導(dǎo)作用。值得注意的是，氣溫在半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)對鮑恩比的影響作用完全相反，這一現(xiàn)象可通過Zhang 等（2019）發(fā)現(xiàn)的夏季風影響過渡區(qū)氣溫對陸面蒸散的影響機制來解釋：濕潤條件下溫度升高使蒸散顯著增加，干旱條件下溫度升高使陸面土壤含水量降低，從而抑制地表蒸散。Yue 等（2020）通過研究黃土高原半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)長序列觀測資料發(fā)現(xiàn)干、濕年平均氣溫對蒸散的影響也存在相似的作用。

圖11 定西（a）和慶陽（b）各影響因子的通徑圖（實線箭頭和虛線箭頭分別代表正、負相關(guān)）Fig.11 Path diagram of the impact factors in Dingxi（a）and Qingyang（b）（solid arrows and dotted arrows indicate positive and negative correlations，respectively）

為了綜合反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)冠層氣孔導(dǎo)度、近地層空氣動力學(xué)特性和局地氣候背景對鮑恩比的影響，Cho 等（2012）定義了歸一化表面阻抗（）。圖12a 給出了鮑恩比與月均值的關(guān)系。總體而言，黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比與呈顯著線性關(guān)系。Fraedrich 等（1999）指出，地表干燥、植被生理活動較弱時較大，與之相應(yīng)鮑恩比通常也較大。Cho等（2012）利用AmeriFlux 觀測資料確定了鮑恩比和的正相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鮑恩比對植被的生理過程十分敏感，鮑恩比與回歸方程的線性趨勢系數(shù)為0.21（R2=0.65）。Yue 等（2018）發(fā)現(xiàn)黃土高原半干旱區(qū)草地鮑恩比與R?s的線性趨勢系數(shù)為0.34（R2=0.95），本研究確定的黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比與的回歸方程線性趨勢系數(shù)為0.49（R2=0.91），表明黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境因子的綜合影響導(dǎo)致鮑恩比在該區(qū)域比草地生態(tài)系統(tǒng)大，即該區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水分脅迫作用比草地生態(tài)系統(tǒng)嚴重。進一步分析還發(fā)現(xiàn)，黃土高原半干旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) α與呈顯著負相關(guān)關(guān)系（圖12b）。在 α相同的情況下，半干旱區(qū)的大于半濕潤區(qū)，表明隨區(qū)域氣候干旱程度的增加而增大。

圖12 月尺度上歸一化表面阻抗與鮑恩比（a）和Priestley-Taylor 系數(shù)（b）的關(guān)系（灰色點線代表為兩站的總體擬合關(guān)系）Fig.12 Relationships between normalized surface impedance（ ）and（a）Bowen ratio，（b）α on monthly time scale（gray dotted line represents the overall trend of the above relationships）

4 總結(jié)與討論

使用長時間序列的生態(tài)系統(tǒng)通量觀測資料，在深入認識黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量分配特征的基礎(chǔ)上，對比分析了半干旱區(qū)和半濕潤區(qū)環(huán)境、生態(tài)因子對鮑恩比的影響，得到的主要結(jié)論如下：

（1）生長季慶陽降水量是定西的1.4 倍，但定西的鮑恩比卻是慶陽的2.7 倍，表明黃土高原陸面水熱交換綜合過程比降水變化更敏感。此外，黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受水分脅迫的程度大于北美地區(qū)，并且干旱化對中國黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響大于北美。

（2）從試驗觀測來看，黃土高原地區(qū)鮑恩比對氣候波動極其敏感，且黃土高原半干旱地區(qū)大多數(shù)時候處于偏干狀態(tài)。即使夏季風期間，區(qū)域陸面生態(tài)系統(tǒng)也大多受到水分脅迫。相對黃土高原半濕潤區(qū)而言，半干旱區(qū)年總降水量少且夏季風期間降水變率較大，導(dǎo)致潛熱通量和感熱通量在能量占比中交替占優(yōu)。

（3）影響黃土高原不同干濕條件下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比的主要環(huán)境因子是氣溫、飽和水汽壓差、淺層土壤含水量和降水量。黃土高原地區(qū)鮑恩比與平均氣溫呈負相關(guān)，這一規(guī)律在黃土高原半濕潤區(qū)比半干旱區(qū)表現(xiàn)更好，并且干旱條件下飽和水汽壓差與半濕潤區(qū)鮑恩比的相關(guān)更顯著。該區(qū)域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比隨土壤含水量的上升而減小，半干旱區(qū)陸面水熱交換過程對土壤含水量的變化更敏感。

（4）生態(tài)因子主要通過冠層氣孔導(dǎo)度調(diào)節(jié)蒸散進而影響鮑恩比。其中歸一化植被指數(shù)通過影響冠層氣孔導(dǎo)度來調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的蒸騰過程，進而對生態(tài)系統(tǒng)鮑恩比產(chǎn)生重要的調(diào)節(jié)作用。根據(jù)觀測和與過往研究的對比，黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)冠層氣孔導(dǎo)度沒有明顯的閾值，并且該生態(tài)系統(tǒng)總體處于水分脅迫狀態(tài)。

（5）通徑分析表明，半干旱區(qū)歸一化植被指數(shù)、土壤含水量對鮑恩比的直接、間接作用明顯，半濕潤區(qū)鮑恩比主要受平均氣溫、歸一化植被指數(shù)的直接和間接影響。氣溫在半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)對鮑恩比的影響呈現(xiàn)出相反的作用，半濕潤區(qū)溫度升高使蒸散顯著增大，而半干旱區(qū)溫度升高使陸面土壤含水量降低進而抑制地表蒸散。

中國黃土高原地區(qū)屬于半干旱半濕潤氣候區(qū)，也是東亞夏季風影響過渡帶的典型區(qū)域，降水的季節(jié)變化尤其明顯，受季風強度和季風影響區(qū)北邊緣推進范圍的影響，生態(tài)系統(tǒng)陸面過程年際和季節(jié)變化較大，尤其是表征陸面水熱綜合交換強度的鮑恩比對生態(tài)環(huán)境因子非常敏感。但受制于生態(tài)觀測資料的長度和完整性，缺少對多生態(tài)系統(tǒng)不同干濕條件下水熱特征的對比分析，加之黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境因子對水熱交換的影響十分復(fù)雜，還需要使用數(shù)值模式及生態(tài)模型對鮑恩比與上述因子的響應(yīng)規(guī)律和機理開展進一步的研究。