农田热量平衡nongtian reliang pinghengheat balance in the fields

农田热量输入和输出的差额。为了概括其他形式的能量， 常将热量平衡称为能量平衡。根据热力学第一定律， 能量既不能产生， 也不能消灭，只能从 一种形式转化为另一种形式。所以 一个表面的能量平衡是： 输入能量等于输出能量；而就一个体积来说，其能量平衡方程则为： 输入能量减去输出能量和能量贮存变化等于零。在农田热量平衡中，叶面或活动面热量平衡是一个面的 热量平衡而作物层热量平衡则是一个体积的热量平衡。
活动面热量平衡 在农田中，能量形式有辐射能、热能、动能、势能和生物能等等。输入能量（能源）可以完全是辐射能， 而输出能量则可以是其余若干种能量的混合体。同样， 输入和输出能量的传输方式，可以有很大的不同。农田中经常出现的能量传输方式有：辐射、传导、对流（包括乱流）、同化和异化过程等。例如，在农田活动面热量平衡方程中： Ra=Pa+LEa+lA+QT+Qc+Qa, 等号左边为活动面收入热量Ra，右边为活动面热量支出项。支出热量有： ❶Pa为活动面和大气之间以乱流传输方式进行的热量交换， 称为乱流热交换或显热交换（见农田显热交换）;
❷LEa为活动面和大气之间以农田蒸散和大气水分凝结方式进行的热量交换（潜热交换）。其中Ea为水汽通量，L为蒸发或凝结潜热；
❸lA为通过植物生理过程，将太阳能转化为生物能时所消耗辐射热量， 其中A为单位时间内， 单位叶面积上同化CO₂的重量， l为同化单位重量CO₂所消耗的热量， 等于2500卡/克。作物光合作用上消耗的能量与投入农田的太阳能总量的百分比是不高的，一般为0.1～1.0%(平均约0.5%), 在最有利的条件下， 也不超过5%;
❹QT为植物体和土壤之间的热量交换；
❺Qc为叶片积累的热量；
❻Qa为叶片与株茎内的热交换。因Qc近于零，lA与Qa很小，故R_a＝LE_a+Pa+QT+_lA。方程表明： 活动面所得净辐射 （或辐射平衡）Ra, 主要用于农田蒸散耗热LE_a上， 用于活动面和大气之间乱流热交换Pa 上以及用于茎、叶和土壤之间的热量交换QT上。这同休闲地（裸地）热量平衡方程(R=LE+P+Qs)的形式是相似的。
根据Н. П. 鲁辛1955年资料绘制的图1 为休闲地、小麦地和水稻田活动面热量平衡示意图， 箭头指向表示热输送方向： 凡指向活动面的为正，表示活动面得到热量： 反之， 离开活动面为负， 表示活动面失去热量。箭头长短表示热量多少， 以占辐射平衡的百分数表示。从图中可以看出： 休闲地（裸地）辐射平衡热量R, 主要用于乱流热交换P上， 即主要消耗在空气增温上； 而农田辐射平衡Ra，则主要消耗于蒸散耗热LEa上， 水稻田比小麦地更为突出。农田土壤热交换QT, 比休闲地的Qs要小， 水稻田比小麦地的更小。休闲地乱流热交换P最大， 小麦地的次之， 水稻田的最小。当水稻田中，蒸散耗热LEa用去了辐射平衡Ra的绝大部分热量时， 甚至在白昼出现短时间乱流热交换指向活动面的现象。这时气温分布和休闲地、旱地相反，出现逆温分布型（即辐射型温度分布）。虽然农田活动面热量平衡，随农田种类、生育期和农业技术措施的不同而异， 但其上述特征基本不变。

图1 农田活动面热量平衡示意图(a)休闲地： (b)小麦地； (c)水稻地

图2 一个体积的能量平衡(a)体积中有能量贮存(+△Qs), 增暖；(b)体积中消耗能量贮存( △Qs)，冷却

作物层热量平衡 同上述活动面热量平衡不同，作物层热量平衡是一个体积的热量平衡问题。在分析许多实际系统的能量交换时，这样考虑是比较合适的。从一个体积的能量平衡方程式可以看出： 输入能量Q_in等于输出能量Qo_ut与能量贮存变化△Qs之和(图2)。当Q_in>Qo_ut时，体积内必将得到一个净能量贮存(+△Qs)，使体积增暖；当Q_inout时，体积内必将消耗其能量贮存(-△Qs)，使体积冷却；当Q_in＝Qo_ut时，体积内没有能量的净变化，它的温度没有变化。很显然， 作物层热量平衡， 就是一个上表面为植株顶、下表面为土壤表面的体积热量平衡。影响作物层热量平衡的是其上下两个表面通量的净变化，而不只是通量的方向。作物顶面热量平衡方程为：

R₁＝LE₁+P₁+QT+lA

式中 R₁为作物顶面的辐射平衡： LE₁为作物顶面蒸腾耗热；P₁为作物顶面和大气之间的乱流热交换；QT为作物顶面通过茎叶和土壤之间的热交换；lA同前。作物地面热量平衡方程为：
R₂＝LE₂+P₂+Qs式中 R₂为作物地面的辐射平衡： LE₂为地面土壤蒸发耗热： P2为地面和作物层之间乱流热交换；Qs为土壤热交换。此外，作物层中因水汽随时间变化所贮存热量Qv和因空气增温随时间变化所贮存热量Qθ，都属于能量贮存的变化项目。因此， 农田作物层热量平衡

上式左边为热量收入，而右边前二项为热量支出，最后三项为热量贮存的变化，这和一个体积的能量平衡方程式完全一样。为了表明式中各项数量级大小，可以斋藤隆幸等人的资料为例(见

水稻作物层热量平衡各分量占辐射平衡的百分率/%

T.R.Oke,Boundary Layer _Climates,Methuen & Co. Ltd1978.