1 引言
黄土高原位于中国西北部， 面积约为6.35×105 km2（岳平等， 2013）， 是半湿润和半干旱气候的过渡区， 曾是我国水土流失最严重、 生态环境最脆弱的地区之一， 又是我国近二十年来植被变化最显著的区域之一。黄土高原是我国农牧交错带的主要分布区域， 其独特的地理位置和复杂的下垫面而形成独特的陆面水热过程， 对区域和周边天气气候产生重要影响； 庆阳地处甘肃陇东黄土高原， 位于季风区边缘带， 属于半湿润气候， 生态环境脆弱， 是黄土高原典型的雨养农业区（杨勤业等， 1990； Fu et al， 2011； 王晓冬， 2012）。农业生产受到气象条件的显著影响， 而不同的农业活动又会通过改变农田陆气相互作用影响区域小气候。因此， 研究农田陆面过程对于理解黄土高原水循环与气候变化具有重要的意义。
不同作物会形成不同的下垫面小气候特征。果树冠层小气候的气象要素分布存在时空差异， 并且会影响果实性状以及产量（Zhang et al， 2019）； 不同气象要素在玉米不同生长时期变化不同（Wang et al， 2020）； 并且不同的农作物的土壤温湿特性不同， 一年生植物比多年生植物消耗更多的浅层土壤水分以及较少的深层土壤水分（Adam et al， 2019）。对比不同种植密度下玉米和豆类作物单栽培和多栽培的小气候特征发现温度和湿度的垂直梯度在生长茂密的树冠上比在稀疏的树冠上更小（Vilma et al， 1991）。对黄土高原的玉米进行薄膜覆盖可以改善当地土壤的水热状况， 促进玉米的生长发育（Zhang et al， 2020）。
农田蒸散是植被和地面整体向大气输送的水汽总通量， 农田系统中99%的用水被蒸散消耗， 不同作物下垫面的蒸散发差异是导致农田陆气相互作用空间异质性的重要因素（王子申， 2016； Irmak et al， 2016）。目前， 对于农田蒸散发的观测方法有许多， 主要有遥感观测法、 涡度相关法、 蒸发蒸腾模型法、 水量平衡法和蒸渗仪法等（汪明霞等， 2006； 汪秀敏等， 2011）。蒸渗仪可以通过连续测量农作物和土体水分变化测定蒸散量， 受外界影响较小， 因此在诸多测定蒸散量的方法中， 蒸渗仪测定法是野外研究水量平衡和蒸散发的重要方法， 被认为是最精确的直接测定蒸散量的方法（Chavez et al， 2009； 王怡宁和朱月灵， 2018）。近年来， 许多学者利用蒸渗仪进行了大量的蒸散量测定试验。结果表明生育期内不同水分条件下冬小麦农田蒸散量变化均呈现出先升大后减小的单峰趋势（胡程达等， 2020）。鄂尔多斯高原银肯沙林场蒸散发在生长季高于非生长季， 主要集中在每年的5 -10月， 且日蒸散规律明显（马启民等， 2022）。黑河流域中下游不同类型下垫面的能量收支差异显示， 植被覆盖率高的下垫面夏季蒸散发值较高且增加更为明显， 冬季更低且变化较小（王宇轩等， 2021）。对春玉米全生育期不同供水量条件下的蒸散发的观测揭示了春玉米蒸散量变化总体上为前期较小、 中期变大、 后期又减少的趋势（张宝珠等， 2021）； 黄土高原春玉米生长季蒸散发占全年蒸散发约为80%， 此时净辐射对日蒸散发影响最大（Gao et al， 2020）。德国一个农业站点对小麦蒸散发的研究发现风和饱和水汽压差（vapor pressure deficit， VPD）对蒸散发具有一定影响， 尤其在阴天或者较少辐射时， 风对蒸散发影响很大（Michael et al， 2019）。对淮北地区冬小麦生长季实际蒸散值的测定， 确定了最高温度、 最低温度和平均温度是影响冬小麦蒸散的主要气象因子（姚瑶等， 2020）。
尽管许多学者分析了各种不同条件下的作物蒸散量， 但是由于地理位置、 作物生理等因素的多变性， 在黄土高原半湿润区的相关研究还很不充分， 尤其是缺乏相同气候背景下不同农作物下垫面蒸散发的比较研究。黄土高原沟壑纵横， 农作物大多属于条块化种植， 下垫面异质性强， 厘清不同作物下垫面的小气候和蒸散发差异， 是阐明区域农田陆气相互作用特征的关键。本研究基于甘肃省庆阳市三种不同农作物（苹果、 玉米、 冬小麦）下垫面观测点的微气象观测数据， 探究相同气候背景下不同农作物下垫面的小气候特征以及蒸散发过程差异， 为阐明黄土高原区域尺度上的农田陆气相互作用和水循环特征提供依据。
2 观测站点与数据来源
2.1 观测站点
本研究依托于甘肃省黄河源区气候与环境野外科学观测研究站庆阳观测基地的野外观测数据。观测基地包括冬小麦、 玉米和苹果园三个观测点， 均位于庆阳市镇原县上肖镇， 为雨养农业， 全年平均气温在9 ℃左右， 全年降水总量约为500 mm， 属于暖温带半湿润型气候。苹果地观测点（107.475°E， 35.502°N， 海拔1313 m）位于一块株龄近20年的苹果园， 东西长50 m左右， 南向宽42 m左右， 株高4~5 m， 地面分布有长势较好的草类植物， 北侧还有一块长55 m、 宽40 m的低龄苹果园。玉米地观测点（107.496°E， 35.492°N， 海拔1303 m）位于甘肃省农业科学院镇原实验站上肖镇试验场地内， 距离苹果地观测点 2 km 左右， 东西长51 m左右， 南北宽107 m左右， 种植前夕是覆盖地膜。小麦地观测点（107.495°E， 35.492°N， 海拔1303 m）和玉米地相邻， 东西长125 m左右， 南北宽110 m左右（图1 ）。观测时间均为北京时。
2.2 观测仪器
本文选取2021年6月至2022年5月共12个月的野外观测数据。三个观测站点架设的仪器配置基本一致， 包括蒸渗仪、 空气温湿度、 辐射四分量、 风速风向和土壤温湿度； 另外在小麦地观测场还架设有一套涡动相关观测系统。三地每10 min记录1次蒸渗仪内土体水质量（单位： kg）以及排水量（单位： mm）， 蒸渗仪开口直径为0.6 m， 深度为1 m， 排水量由自动计量翻斗测定。观测仪器架设地点、 安装高度、 仪器型号等指标如表1 所示。
表1 观测仪器说明Table 1 Specification of observational instruments |
| 仪器名称 | 架设地点 | 架设高度或深度/m | 仪器型号 | 生产厂家 |
|---|---|---|---|---|
| 蒸渗仪 | 苹果 | - | LYS60 | 时域通 |
| 玉米 | - | LYS60 | 时域通 | |
| 小麦 | - | LYS60 | 时域通 | |
| 空气温湿度传感器 | 苹果 | 1， 2， 5.1 | HC2AS3 | Rotronic |
| 玉米 | 1， 2， 4.9 | HC2AS3 | Rotronic | |
| 小麦 | 1， 2， 5 | HMP155A | Vaisala | |
| 辐射四分量计 | 苹果 | 3.5 | NR01 | Hukseflux |
| 玉米 | 3.5 | NR01 | Hukseflux | |
| 小麦 | 1.5 | CNR4 | Kipp&Zonen | |
| 风速风向传感器 | 苹果 | 1， 5.1 | WS200 | LUFFT |
| 玉米 | 1， 4.9 | WS200 | LUFFT | |
| 小麦 | 1， 5 | Windsonic | Gill | |
| 土壤温湿度探头 | 苹果 | -0.05， -0.1， -0.2， -0.4， -0.8 | 5TM | Decagon |
| 玉米 | -0.05， -0.1， -0.2， -0.4， -0.8 | 5TM | Decagon | |
| 小麦 | -0.05， -0.1， -0.2， -0.4， -0.8 | 5TM | Decagon |
2.3 数据与质量控制
将超过平均值三倍标准偏差的值视为异常值， 在进行日平均处理时， 剔除了10 min或30 min记录不完整（缺测和异常数据数大于30%）时次， 不足三分之一的缺测或异常数据用相邻数据做插补。
2.3.1 作物实际蒸散量
按照水量平衡原理， 以称重式蒸渗仪测定的土体水质量为依据， 计算作物每30 min蒸散量：
式中： ET 为作物实际蒸散量（单位： mm）； 以00:00 - 00:30为例， G 1为每日00:00蒸渗仪测得的总质量（单位： kg）； G 2 为每日 00:30蒸渗仪测得的总质量（单位： kg）； ρ为水密度， 为1×103 kg·m-3； A为蒸渗仪开口面积（单位： m2）； M为此时间段内灌溉的总水量（单位： mm）； P为此时间段内进入蒸渗仪内的降雨量（单位： mm）； Q为时段内蒸渗仪的排水量（单位： mm）。研究区域为雨养农业， 不涉及灌溉， 因此M为0。日蒸散量计算与此类似。
称重式蒸渗仪测定的是土体水质量， 方程（1）同时考虑了降水以及排水， 但是此排水只包括落入蒸渗仪内的水量， 而在强降水时期， 由于土壤饱和或下渗量小于降水量， 有一部分降水将从蒸渗仪上部流出， 使得进入蒸渗仪内的降水量与雨量计记录的降水存在一定偏差， 方程（1）并未考虑这一状况。引入P-M计算得到的参考蒸散发（毛晓敏等， 2001）， 将参考蒸散发与实际蒸散发作曲线拟合关系得到系数， 通过拟合系数对降雨时期的实际蒸散发异常值以及缺测值进行插补， 其余缺测值以及异常值根据临近时段插值得到。
2.3.2 作物参考蒸散量
作物参考蒸散量是指在一定的气候条件下， 在水分供应充足的情况下参考作物表面发生的最大蒸散发， 根据Pereira et al（2015）用FAO Penman-Monteitlh法计算作物参考蒸散发的公式为：
式中： PE为参考蒸散量（单位： mm·d-1）； 为饱和水气压曲线斜率（单位： kPa· ℃-1）； 为地表净辐射（单位： MJ·m-1·d-1）； G为土壤热通量（单位： MJ·m-²·d-1）； 为干湿表常数（单位： kPa· ℃-1）； 为日平均温度（单位： ℃）； 为2 m高处风速（单位： m·s-1）； 为饱和水汽压（单位： kPa）； 为实际水汽压（单位： kPa）。
2.3.3 饱和水汽压差
饱和水汽压差是指在一定温度下空气中饱和水汽压与实际水汽压之间的差值， 是评价大气的干湿程度的指标之一（宁梓妤等， 2022）。VPD的变化可以影响植物叶片的气孔导度， 在一定范围内， VPD值的增加可以使得作物叶片表面的气孔更好地张开， 从而使作物在发育过程中能够更好地吸收水分进行光合作用以及维持正常的生理活动， 同时如果VPD超过一定值时又抑制了植物气孔降低的张开程度来避免过多的水分流失， 影响植物的生长， 研究表明VPD处于0.8~0.95 kPa时对植物的生长有促进作用（袁瑞瑞， 2021）。
式中： VPD为饱和水汽压； T为不同下垫面对应的温度（单位： ℃）； RH为不同下垫面对应的湿度（单位： %）。
2.3.4 冠层温度的计算
冠层温度是指作物冠层茎与叶表面温度的平均值， 是判别作物水分状况的重要指标之一（张立伟等， 2017）。由黑体辐射定律可知， 绝对黑体的积分辐出度可以由温度求出， 物体温度也可以由辐射反求， 计算公式为（袁志扬， 2014）：
式中： 为物体温度（单位： ℃）； 地面向上长波辐射（单位： W·m-2）； 为大气逆辐射（单位： W·m-2）； σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数， 为 5.67×10-8 W·m-2·K-4）； 为地表比辐射率， 在作物生长季时取0.98， 非生长季时取0.97（徐静等， 2013）。
2.3.5 敏感系数
敏感系数可以用来评估变量对气候变化的敏感性， 本文用敏感系数来进一步研究不同气象要素与不同下垫面蒸散发间的关系， 计算公式为（刘晓娇等， 2020）：
式中： 为气象要素日变化量； 为气象要素年平均值； 为蒸散发日变化量； 为蒸散发年平均值； K为敏感系数， 敏感系数为正， 表示气象要素与蒸散发同向变化； 敏感系数为负， 表示气象要素与蒸散发反向变化。
2.4 作物生长阶段基本特征
研究区域的苹果树4月初开始萌芽， 5月开始长果， 11月落叶； 玉米在5月初播种， 10月初成熟收割； 冬小麦10月播种， 冬季几乎不生长， 次年3月开始返青， 6月底收割。苹果地与玉米地的生长阶段较为一致， 在苹果和玉米的生长后期， 小麦地近似作为裸地， 植被非常稀少。为方便比较不同作物不同生长时期的蒸散发特征， 参照文献（王爱， 2020； 刘璐等， 2020； 赵靖丹， 2016； 曹振凯等， 2015； 郭江勇和李耀辉， 2006； 陈剑等， 2012； 张红妮等， 2022）以及实际数据将三种作物划分为三个生长阶段， 具体划分如表2 所示。
表 2 不同作物生长阶段划分Table 2 Division of different crop growth stages |
| 生长阶段 | 苹果 | 玉米 | 小麦 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 划分依据 | 时间 | 划分依据 | 时间 | 划分依据 | 时间 | |
| 生长初期 | 萌芽-开花 | 4月上旬至4月下旬 | 出苗-拔节 | 5月中旬至6月中旬 | 返青-拔节 | 3月上旬至4月下旬 |
| 生长中期 | 开花-可采成熟期 | 4月下旬至9月下旬 | 拔节-乳熟 | 6月中旬至8月下旬 | 拔节-乳熟 | 4月下旬至6月中旬 |
| 成熟期 | 可采成熟期-落叶末期 | 9月下旬至11月下旬 | 乳熟-成熟 | 8月下旬至9月下旬 | 乳熟-成熟 | 6月中旬至7月上旬 |
3 结果分析
3.1 三种作物下垫面小气候分析
3.1.1 降水、 空气温湿度、 风速与VPD
架设于小麦地观测点的雨量筒测得研究区降水如图2 。研究区降水存在明显的季节变化， 降水以夏秋季为主， 集中在7 -10月， 占全年总降水量的82.2%， 月累积降水量均能达到70 mm， 其余月份累积降水小于40 mm。降雨集中时期与苹果和玉米的部分生长期重合； 强降雨会使地表径流增加， 极端降水会影响地表辐射收支与能量平衡， 进而对研究区域内的水文过程产生一定影响（王卫平等， 2022）。6月月累积降水较低（29.1 mm）， 随后逐月升高， 9月达到最大（244 mm）， 占全年总降水量的33.7%； 11月降水最少， 月累积降雨只有1.7 mm。
6月小麦开始成熟， 收割后小麦地近似为裸地， 且苹果与玉米的生长期较为一致； 因此以小麦地为参考， 苹果地和玉米地各层气象要素分别与其做差， 得到图3 。三种下垫面一年内月平均气温在-3~23 ℃之间， 7月最高， 达到22 ℃以上， 且随着观测高度的升高而略有增加。夏季1 m气温玉米地>小麦地>苹果地， 此时苹果地处于生长中期， 枝叶生长茂盛， 有遮荫的作用， 因此月均气温低于其余两地； 除夏季外， 苹果地月均气温都高于玉米地和小麦地， 最高为22.8 ℃（苹果地， 5 m）。玉米地全年月均气温基本都大于小麦地， 且随着高度的升高， 玉米地与小麦地的月均气温差别越明显： 1 m处两地月均气温差最大为0.26 ℃（6月）， 年均气温差为0.07 ℃； 2 m处月均气温差最大不超过0.3 ℃； 5 m处玉米地月均气温全年明显高于小麦地， 平均为0.29 ℃， 最高达到0.45 ℃（6月）［图3 （a）~（c）］。
三地月均相对湿度变化差异较大， 三层月均相对湿度整体上玉米地> 苹果地> 小麦地。玉米地1 m相对湿度高于5 m， 这种差异在生长季更为明显， 说明玉米冠层具有保湿的作用。玉米地三层月均相对湿度全年高于小麦地， 且这种差异随着高度的增加而减小； 苹果地与小麦地1 m和2 m的月均相对湿度差距大于5 m处； 这种相对湿度差距随高度减小的现象意味着农作物对于相对湿度的影响主要存在于冠层内。10月三地月均相对湿度最大， 苹果地最高为89.9%（2 m）， 玉米地为92.2%（1 m）， 小麦地为86.7%（1 m）； 与其余两种作物下垫面不同， 10月苹果地的最大月均相对湿度出现在2 m处， 此时苹果仍处于生长季， 叶子还未完全脱落， 由于作物的呼吸作用， 使得苹果叶片较茂盛的中上层（2 m）是相对湿度最大的高度（肖薇等， 2005）［图3 （d）~（f）］。
三种下垫面的月均风速随着冠层高度的增加而减小。除3 -5月， 玉米地1 m处月均风速高于1 m·s-1外（最高为1.3 m·s-1）， 其余时间三地1 m处月均风速全年小于1 m·s-1； 苹果冠层对低层风速的阻挡作用较强， 1 m处月均风速整体小于其余两地。5 m处小麦地月均风速全年高于苹果地和玉米地， 最高能达到1.8 m·s-1（4月）， 最低为1.3 m·s-1（12月）。玉米地1 m处月均风速在6 -10月低于小麦地， 2021年11月至2022年5月高于小麦地； 6 -9月， 玉米处于生长中期， 冠层高度内由于茎叶的摩擦力作用， 削弱近地面层空气湍流， 对进入玉米地的气流减弱作用明显（贾庆宇等， 2016）， 使玉米地1 m处月均风速明显偏小， 与5 m月均风速处差距较大， 最大风速差距出现在8月（1.21 m·s-1）， 且月均风速小于小麦地； 9月， 玉米成熟， 1 m处月均风速明增加， 与5 m处差距逐渐减小， 变化逐渐趋于一致， 且1 m处月均风速逐渐高于小麦地。与玉米地类似， 苹果地生长季1 m与5 m风速差距大于非生长季， 最大风速差值出现在4月（0.95 m·s-1）［图4 （a）， （b）］。
三种不同下垫面VPD的月均值呈现明显的季节变化， 表现为夏季>春季>秋季>冬季。除11月和12月外， 小麦地的VPD均大于苹果地， 且全年高于玉米地。作物的蒸腾速率随着VPD的升高而逐渐升高（李静等， 2014）； 6月温度较高， 且降雨较少， 小麦地和玉米地VPD达到一年内最大， 分别为0.93 kPa（小麦地）和0.79 kPa（玉米地）， 有利于蒸散发。6月处于生长中期的苹果冠层有一定的遮荫保湿作用， 因此VPD小于其余两地， 为0.73 kPa。［图4 （c）］。
3.1.2 辐射分量与反照率
7月三地地面向上长波辐射月均值最大， 分别为431.4 W·m-2（苹果地）、 438.1 W·m-2（玉米地）和467.2 W·m-2（小麦地）［图5 （b）］。三地净辐射年均值分别为77.74 W·m-2（苹果地）、 73.62 W·m-2（玉米地）、 84.15 W·m-2（小麦地）； 苹果地年均净辐射以及月均净辐射都较小， 这与苹果树冠层的遮挡作用有关。三地月均净辐射最高值出现在7月， 分别为146.10 W·m-2（苹果地）、 146.98 W·m-2（玉米地）、 137.34 W·m-2（小麦地）， 此时小麦成熟收割， 月均净辐射小于其余两地［图5 （c）］。地表反照率由地面植被覆盖状况、 土壤性质以及太阳高度角等共同决定， 并且对地面向上短波辐射产生一定影响。玉米地月均地表反照率全年基本小于苹果地和玉米地。冬季地面反照率较高， 能达到0.3以上， 2月降雪较多， 降雪形成积雪导致地面反照率达到一年内最大， 向上短波辐射也最大， 分别为62.7 W·m-2（苹果地）、 61.2 W·m-2（玉米地）和64.5 W·m-2（小麦地）。5月玉米处于播种和生长初期， 下垫面反照率主要表现为覆盖有地膜的裸土的特征， 月均反照率明显增大， 从0.22（4月）增加到了0.26（5月）， 向上短波辐射也明显增大； 随着作物的生长， 地膜影响减小， 作物冠层的影响增强， 反照率和向上短波辐射也逐渐减小［图5 （a）， （d）］。
3.1.3 冠层温度、 地表温度、 土壤温湿度和地气温差
冠层温度可以反映作物的水分状况； 土壤水分减少引起叶片水势降低， 叶片反照率减小， 反射辐射变小， 导致作物冠层温度增加（李丽等， 2012）。两地年均冠层温度均大于地表温度。玉米地年均冠层温度和地表温度高于苹果地， 苹果地冠层温度为12.41 ℃， 苹果地地表温度9.62 ℃； 玉米地冠层温度为15.01 ℃， 玉米地地表温度为12.39 ℃。1月末2月初冠层温度和地表温度在一年内最低， 苹果地表现为地表温度（-11.97 ℃）低于冠层温度（-7.42 ℃）； 玉米地表现为冠层温度（-9.73）低于地表温度（-9.64 ℃）。2 -4月， 苹果地地表温度整体低于冠层温度； 5 -6月玉米地冠层温度明显高于地表温度（图6 ）。
春季、 夏季和秋季三种作物下垫面的土壤温度随着深度的增加而降低， 冬季则相反。苹果地土壤温度整体低于玉米地和小麦地， 年均值比其余两地分别低0.95 ℃（玉米地）和0.26 ℃（小麦地）。一年内三地土壤湿度最大不超过0.5 m3·m-3， 夏季较低， 9月中下旬降水较多， 土壤明显变湿。2月降雪过程使浅层土壤冻结导致湿度减小， 在0.1 m3·m-3左右， 并且浅层土壤湿度小于同一时期深层土壤湿度。苹果地土壤湿度整体高于小麦地和玉米地。苹果根系分布集中区在0~0.5 m深处， 空间变异复杂（张丽娜等， 2020）； 9月苹果进入成熟期， 土壤湿度随着土壤深度的加深而增加。冬小麦根系深度为0~0.4 m， 为主要耗水区， 土壤湿度低于其余两地。玉米地由于覆膜， 土壤热度梯度增加， 土壤深层水分向上聚集， 因此浅层土壤湿度高于其余两地； 在强降雨时期（8 -10月）， 地膜覆盖阻止了一部分降雨的地下渗透（王有宁等， 2004）， 因此玉米地深层土壤湿度变化小于其余两地。玉米在成熟后由于秸秆未铲除， 抑制了地表的蒸发， 使得玉米地浅层土壤湿度高于苹果地和小麦地（图7 ）。
0.05 m的土壤温度减去不同高度的空气温度得到不同高度的月均地气温差值。每种作物不同高度的月均地气温差值变化趋势较为一致， 基本表现为月均地气温差随着高度的升高而减小。三地月均地气温差在-2~5 ℃。小麦地三层月均地气温差最大值出现在2021年6月， 达到了3 ℃以上， 随后呈现逐月降低的趋势。苹果地三层月均地气温差最大值出现在10月， 达到3.5 ℃以上。玉米地三层月均地气温差最大值出现在5月， 达到4 ℃以上。2月有降雪， 对土壤有保温作用， 同时降雪导致气温降低， 使得 2月月均地气温差较大。3月接收的辐射较小， 能量较少， 月均地气温差在一年内最小， 苹果地和小麦地都小于0 ℃。玉米有覆膜， 对地表有保温作用， 因此玉米地全年地气温差值为正。2021年10月至2022年5月玉米地地气温差月均值高于苹果地与小麦地， 最大值出现在2022年5月， 为4.8 ℃（1 m）， 且随着高度的升高而减小（图8 ）。
图8 三种不同作物下垫面不同高度的地气温差月均值对比小麦地为参考（左轴）， 右轴为苹果地、 玉米地与小麦地的差值 Fig.8 Comparisons of the monthly mean values of land-air temperature difference at different heights of the underlying surfaces of three different crops.Wheat field was used as a reference （left axis）， and theright axis was the difference between apple field， corn field and wheat field |
3.2 三种不同下垫面的蒸散发特征比较
3.2.1 不同时间尺度上三种不同下垫面的实际蒸散发变化
2021年6月至2022年5月， 三种下垫面每15天的日均蒸散发变化如图9 （a）。蒸散发与气温的变化趋势一致， 夏季气温较高时期蒸散发也较大。7月和8月玉米处于生长中期， 蒸散发明显高于其余两地， 最高能达到4.9 mm·d-1。4 -8月苹果处于生长中期， 蒸散发较大， 最大值出现在7月中旬（3.2 mm·d-1）。小麦地全年日蒸散发小于3 mm·d-1； 3月小麦处于生长初期， 苹果和玉米还未生长， 小麦地蒸散发开始高于其余两地； 5月小麦地处于生长中期， 蒸散发达到最大（2.8 mm·d-1）。
三种下垫面月累积蒸发散如图9 （c）。6 -8月， 玉米地处于生长中期， 玉米地的月累积蒸散发达到70 mm， 7月最大（129.5 mm）。苹果地的月累积蒸散发最大值也出现在7月（95.6 mm）， 随后逐月减小。3 -5月， 随着小麦的返青和生长， 月累积蒸散发逐月增加； 6 -7月小麦成熟收割， 蒸散发减小。总体上， 不同作物下垫面蒸散发特征为生长期内> 生长期外。
三种下垫面全年累积蒸散发量如图9 （b）。苹果和玉米的生长期较为一致， “S”型曲线较为明显， 符合作物生长初期蒸散发较小， 生长中期最大， 成熟期又逐渐减小的规律。一年内玉米与小麦地的年累积蒸散发量相差较小， 都达到了600 mm； 苹果地为539 mm。7、 8月苹果和玉米处于生长中期， 蒸散发累积速率大于小麦地。11月苹果成熟后， 蒸散发累积速率逐渐减小。12月至次年3月， 三种作物均未有明显生长， 累积蒸散发速率达到最低。3月以后， 小麦进入生长初期， 增长速率逐渐增加。
3.2.2 连续晴天条件下日尺度上的蒸散发变化特征
全天无降水， 每日辐射强度能达到当日最大辐射强度的时段占一天内总辐射时间的一半时， 可以视为晴天（文莉娟等， 2007）。作物生长过程中， 日蒸散发量变化大致遵循： 生长中期> 生长初期> 成熟期。晴天三种作物下垫面的日蒸散发呈现明显的“单峰型”变化特征。生长初期， 苹果地日蒸散发量总体较高， 平均蒸散发量最大能到0.39 mm·h-1； 其次是小麦地， 最大为0.33 mm·h-1； 玉米地最小， 只有0.21 mm·h-1； 说明在生长初期， 苹果和小麦生长较快， 植物蒸腾作用大于玉米。正午时刻由于温度较高， 导致作物气孔关闭， 使得苹果地生长初期蒸散发日变化出现一个短暂的低谷； ［图10 （a）， （b）， （c）］。生长中期， 三地蒸散发量日变化总体表现为玉米地> 苹果地> 小麦地， 是生长季内里蒸散发量最大的阶段， 作物在这个时段生长旺盛； 正午时刻蒸腾作用很强， 耗水量也很大， 三种作物平均蒸散量最大均能达到0.30 mm·h-1， 玉米地平均蒸散量最大达0.70 mm·h-1［图10 （d）， （e）， （f）］。成熟期， 三种作物的蒸散发明显减小， 三地日蒸散发量变化总体玉米地>小麦地>苹果地［图9 （g）， （h）， （i）］。在整个生长期， 苹果地日平均蒸散发量在生长初期最高， 成熟期最小， 成熟期苹果地平均蒸散变化量减小到0.2 mm·h-1以下。小麦地的蒸散发日变化在整个生长期都比较稳定。总体来看， 蒸散作用主要发生在白天， 夜间微弱， 基本为零； 在夜晚温度降低的部分时刻， 凝结出现露水导致蒸散发出现负值（张宝珠， 2021）。在整个生长季内， 三种不同作物下垫面蒸散发的变化范围为： -0.1~1.4 mm·h-1； 玉米地的日平均蒸散发量最大， 最大变化与最小变化范围均高于苹果地和小麦地， 小麦地的变化范围最小［图10 （j）， （k）， （l）］。
3.3 不同气象因子与不同作物下垫面蒸散发的关系
不同气象要素与三种作物下垫面蒸散发的相关系数如表4 。净辐射对苹果地和玉米地生长季蒸散发的影响最大， 相关系数分别达到0.88（苹果地）和0.89（玉米地）， 通过了99%的显著性检验， 对小麦地的影响小于其余两地。除辐射外， 对苹果地生长季蒸散发影响较大的因子依次是气温、 VPD、 土壤湿度和土壤温度， 其中净辐射、 温度、 VPD、 土壤温度有促进作用， 土壤湿度为负面作用， 均通过了99%的显著性检验， 说明土壤湿度的增加会抑制苹果地生长季的蒸散发； 其余气象要素对苹果地生长季的蒸散发影响不大。对苹果地和玉米地非生长季蒸散发影响较大的因子为气温和VPD； VPD对小麦地非生长季的影响小于土壤温度。风速对苹果地和玉米地非生长季蒸散发的影响远高于生长季的影响。土壤湿度对三种作物下垫面蒸散发的影响在生长季表现为抑制作用， 在非生长季表现为促进作用。
表3 不同作物下垫面与气象因子的相关分析Table 3 Correlation analysis between underlying surfaces of different crops and meteorological factors |
| 气象要素 | 相关系数 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 苹果地 | 玉米地 | 小麦地 | ||||
| 生长季 | 非生长季 | 生长季 | 非生长季 | 生长季 | 非生长季 | |
| VPD | 0.61** | 0.79** | 0.46** | 0.72** | 0.45** | 0.49** |
| 地气温差 | -0.31** | -0.63** | -0.09 | -0.37** | 0.25** | -0.22** |
| 风速 | -0.08 | 0.43** | -0.25** | 0.32** | -0.26** | -0.19** |
| 相对湿度 | -0.22** | -0.51** | -0.31** | -0.45** | -0.08 | -0.10 |
| 气温 | 0.62** | 0.84** | 0.60** | 0.69** | 0.50** | 0.58** |
| 土壤温度 | 0.57** | 0.75** | 0.49** | 0.62** | 0.52** | 0.52** |
| 土壤湿度 | -0.59** | 0.60** | -0.37** | 0.34** | -0.17 | 0.42** |
| 降水 | -0.22** | -0.11 | -0.26** | 0.003 | 0.06 | 0.11 |
| 净辐射 | 0.88** | 0.78** | 0.89** | 0.71** | 0.43** | 0.65** |
**在0.01级别（双尾）相关性显著 |
表4 不同作物下垫面与气象因子的敏感性分析Table 4 Sensitivity analysis between underlying surfaces of different crops and meteorological factors |
| 气象要素 | 敏感系数 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 苹果地 | 玉米地 | 小麦地 | ||||
| 生长季 | 非生长季 | 生长季 | 非生长季 | 生长季 | 非生长季 | |
| VPD | 0.44 | 0.56 | 0.33 | 0.41 | 0.07 | 0.17 |
| 地气温差 | -0.15 | -0.21 | -0.07 | -0.23 | 0.01 | -0.06 |
| 风速 | -0.06 | 0.53 | -0.10 | 0.35 | -0.07 | -0.15 |
| 相对湿度 | -0.44 | -0.84 | -0.82 | -0.76 | -0.02 | -0.11 |
| 气温 | 0.74 | 0.10 | 1.71 | 0.23 | 0.11 | 0.13 |
| 土壤温度 | 0.82 | 0.36 | 1.66 | 0.41 | 0.11 | 0.14 |
| 土壤湿度 | -1.98 | 1.26 | -1.10 | 1.15 | -0.11 | 0.49 |
| 降水 | -0.04 | -0.02 | -0.05 | 0.0005 | -0.002 | 0.01 |
| 净辐射 | 0.69 | 0.49 | 0.87 | 0.42 | 0.08 | 0.22 |
为了进一步明确不同气象要素对不同作物下垫面蒸散发的影响， 利用公式（5） 计算蒸散发对各气象要素变化的敏感系数， 结果如表4 。由敏感系数物理意义可知， 苹果地生长季蒸散发对土壤湿度的敏感性最大， 土壤湿度每变化1%， 将引起苹果地蒸散发1.98%的变化， 并且土壤湿度的作用表现为抑制； 苹果生长季蒸散发正向最敏感的因子为气温， 气温每变化1%， 苹果地蒸散发变化0.82%， 其次是土壤温度（0.69）。玉米地生长季蒸散发对气温（1.71）和土壤湿度（1.66）的敏感性最大， 敏感系数高于苹果地。小麦地生长季蒸散发对气温、 土壤湿度和土壤温度的敏感性小于其余两地。苹果地非生长季蒸散发对土壤湿度的敏感性最大（1.26）， 与生长季不同， 土壤湿度的作用表现为促进。玉米地非生长季蒸散发对土壤湿度最敏感（1.15）， 对气温与土壤温度的敏感性小于生长季。相比于生长季， 小麦地非生长季蒸散发对土壤湿度的敏感性显著增加。三地生长季蒸散发对于VPD的敏感性均小于非生长季。
4 结论
本研究基于黄土高原中部的甘肃省庆阳市的野外站点资料， 对三种不同农作物下垫面小气候和蒸散发特征进行了观测分析， 得到以下主要结论：
（1） 观测点年降水较少， 降水分布不均匀； 三种不同农作物下垫面1 m处月平均空气温度玉米地>小麦地>苹果地； 三层月平均相对湿度玉米地>苹果地>小麦地， 且相对湿度的差异主要在冠层内， 呼吸作用使苹果生长季较茂盛的中上层（2 m）是相对湿度最大的高度； 小麦地月均值VPD整体高于苹果地和玉米地； 玉米由于覆膜以及成熟后秸秆未铲除， 浅层土壤湿度高于其余两地， 覆膜在强降雨时阻止下渗， 深层土壤湿度变化小于其余两地。
（2） 三种作物生长季的月累积蒸散发总体高于非生长季； 玉米地与小麦地的年累积蒸散发量大于苹果地； 晴天条件下， 三种不同下垫面蒸散发日变化在生长期内基本遵循生长中期> 生长初期> 成熟期的变化规律； 苹果在生长初期日平均蒸散发量较大， 生长中期玉米较大； 成熟期三种下垫面蒸散发速率都减小； 生长初期玉米地膜覆盖， 阻止了田间的水分更快地蒸散， 蒸散发速率较低； 相比于非生长季， 生长季小麦地风速更大， 由于较大的风速能为蒸散发提供良好的动力条件， 影响了水量平衡； 苹果地蒸散发量整体变化最大， 小麦地整体比较稳定； 日变化都呈现明显的“单峰形”， 并在夜间部分时刻凝结露水出现负值。
（3） 净辐射和气温是苹果地和玉米地生长期内蒸散发最主要的气象驱动因子， 为促进作用； 土壤湿度对三种作物下垫面蒸散发的影响在不同生长季的作用相反， 非生长季为促进作用， 生长季为抑制作用。三地生长季蒸散发对于VPD的敏感性均小于非生长季。
在本文的研究内容上， 虽然已经得出了以上结论， 但依然存在一些还未解决的问题。首先是目前的观测时段还不够长， 只有一年， 而观测区域处于季风边缘区， 降水的年际变化可能相对较大， 对于土壤湿度和作物长势的影响可能也较大， 进而影响蒸发， 因此， 得到的小气候特征以及年蒸发量存在一定的局限性。今后随着后续观测资料长度的增加， 这个问题有望得到更全面的认识。另外一个问题是蒸渗仪， 观测使用的蒸渗仪是小型蒸渗仪， 开口面积相对较小、 深度有限， 受到蒸渗仪壳体边际效应影响， 蒸渗仪内部土壤水热状况尤其是土壤湿度和外部自然土壤还存在一定差异， 进而影响蒸发特征。另外， 雾水、 露水等对于蒸渗仪水量平衡和资料处理的影响， 可能需要进一步分析。