干旱區凝結水影響因子研究進展范文

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摘要：在干旱半干旱區，凝結水是非常重要的水資源。【目的】提供研究凝結水的思路。【方法】基于文獻綜述的方法，分析匯總了國內外干旱區凝結水研究成果。【結果】列舉了測定不同類型凝結水的方法，其中微型蒸滲儀法是研究土壤凝結水量普遍采用的方法，人造凝結面法是測定植物表面凝結水的主要方法。總結了凝結水的生成規律和數量特征，并從氣象和下墊面2個方面歸納了凝結水形成的影響因素，探討了凝結水維系干旱區生態環境的重要作用。目前凝結水研究存在的問題主要是測定方法尚無統一標準。最后，對凝結水的研究前景進行展望。【結論】建議在凝結水的垂直分布規律、凝結水在水熱傳輸中的作用以及建立估算模型確定凝結水生成量等方面加強研究。

關鍵詞：凝結水；干旱區；研究方法；影響因子

引言

凝結水是指當空氣溫度降低到露點溫度以下時，飽和水汽在土壤、植物等表層凝結而成的水分。在降水充沛地區，水汽凝結量和降水量相比微不足道，但在干旱區、半干旱區，凝結水是非常重要的水資源[1]。凝結水作為干旱區的重要水資源之一，其研究具有重要意義。國內外學者開展了大量與凝結水相關的研究。研究發現，凝結水對沙丘的水熱平衡有明顯調節作用[2]，吸濕凝結水對地表植被尤其對土著植物、隱花植物、微生物有一定浸潤作用和水分補給作用[3]，深入研究該問題可為在荒漠地區建立人工植被提供理論依據。凝結水輸入可以補充干旱區消耗的土壤水分，維持葉片和冠層水分收支平衡[4]。此外，凝結水可以抑制植物夜間的呼吸作用，降低白天的蒸騰作用，減小葉片內的水分虧損，保持葉片氣孔開放，提高光合作用效率[5-6]，有利于干旱區植物的生長。雖然對于凝結水研究已經取得了眾多成果，但凝結水對于干旱區植物的作用機理尚不明確，在水熱傳輸的作用還有待進一步探究。此外，現行的凝結水觀測方法頗多，缺乏標準規范，不利于數據的共享交流。為此，總結凝結水的測定方法、數量特征、影響因素、生態作用以及存在的問題，展望其研究趨勢，為研究凝結水提供一定參考，推動凝結水相關研究的進一步發展。

1凝結水的測定方法綜述

1.1土壤凝結水的測定1.1.1微型蒸滲儀法微型蒸滲儀法是研究土壤凝結水量普遍采用的方法，微型蒸滲儀可以用于觀測凝結水的生成量、凝結水的生成時間及速率、土壤凝結水的水汽來源以及不同土壤類型的凝結水特征等。其原理是通過水量平衡法測定凝結水量[1]。微型蒸滲儀分為內筒和外筒，筒身普遍采用PVC管[8-11]。在天山北麓三屯河流域昌吉地下水均衡試驗場觀測發現，凝結水的主要影響深度為0~5cm[7]，但5~10cm仍有凝結水存在，故筒長一般可選取10~15cm[8]。蒸滲儀外筒通常做無底處理，直徑略大于內筒，安置在土壤中略高于地面。內筒取土時要垂直壓入土壤中，盡量避免破壞土壤原狀結構。根據研究內容的不同，微型蒸滲儀有連通和不連通2種，連通型采用400目尼龍篩網將內筒封底，允許筒底與外界進行水分交換；不連通型采用塑料薄膜封底，徹底隔絕桶內土壤與下層土壤的物質交換[9]。測量時將內筒放入外筒中，選取不同的時段稱內筒質量，計算質量差。利用微型滲儀法測定土壤凝結水量，計算式為：垂直壓入土壤中，盡量避免破壞土壤原狀結構。根據研究內容的不同，微型蒸滲儀有連通和不連通2種，連通型采用400目尼龍篩網將內筒封底，允許筒底與外界進行水分交換；不連通型采用塑料薄膜封底，徹底隔絕桶內土壤與下層土壤的物質交換[9]。測量時將內筒放入外筒中，選取不同的時段稱內筒質量，計算質量差。利用微型滲儀法測定土壤凝結水量，計算式為：W=10△m/(ρwπr2)，(1)式中：W為凝結水量（mm）；∆m為2次內筒質量差（g）；ρw為水的密度（g/cm3）；r為內筒半徑（cm）。微型蒸滲儀法儀器簡單，操作方便，不受時間和空間的限制，為眾多學者所采用。使用微型蒸滲儀在古爾班通古特沙漠對苔蘚、地衣、藻類及流沙4種地表類型的土壤凝結水的長期觀測發現，沙漠表層土壤凝結水主要發生在0~2cm深度范圍內，并且得到了凝結水日變化特征曲線[10]；塔里木河下游檉柳叢、裸地、胡楊林的土壤日均凝結水量分別為0.164、0.158、0.097mm，且連通型的微型蒸滲儀觀測到的凝結水量明顯多于不連通型，說明除了大氣水汽，下層土壤孔隙中的水汽也是土壤凝結水的重要來源[9]；毛烏素沙地南緣，利用微型蒸滲儀不僅測得了不同類型地表的凝結水量，還發現凝結水在裸沙和淺灰色藻類結皮中的保持時間顯著長于在黑褐色藻類結皮和苔蘚結皮中的保持時間[11]。1.1.2籠屜式測量儀法籠屜式測量儀法與微型蒸滲儀法原理相似。籠屜式測量儀由許多PVC管制的載土圓環和放置載土圓環的桶組成[1]，載土圓環用尼龍紗網封底。不同的載土圓環中放入不同深度的沙土，按取土深度依次放入桶中。將桶放置到取土樣地，使最上層載土圓環的表面與地表齊平。選取適宜的時段稱質量計算質量差，得到凝結水量。籠屜式測量儀可用于測定不同深度土壤的凝結水量。使用籠屜式的測量儀探究土壤凝結水的垂直變化時發現，科爾沁沙地凝結水主要發生在0~9cm深度范圍內[12]；將放置載土圓環的桶的底部分別用塑料和尼龍紗網封底，最終發現不同的植被類型對土壤凝結水2種水汽來源的貢獻量有影響，高大茂盛的植物會增大植物截留，使空氣中的水汽在土壤表面的凝結量減少[13]。1.1.3烘干稱質量法將經過烘干處理的沙土放置在自制的PVC圓盤中，放置在需要的條件下觀測，一段時間后稱質量，測得凝結水生成量。這種方法可以排除原有土壤含水率對土壤凝結水形成的影響[14]。但是這種方法每次測量后都要重新放置烘干的沙土，而且要保證PVC圓盤處理干凈，過程比較繁瑣，同時也破壞了土樣原有的結構。在黑河中游甘肅省臨澤縣北部綠洲邊緣，將盛有烘干土的圓盤分別放置在自然環境中和溫室中進行對比試驗，探究微氣象因子對凝結水生成速率的影響，建立了凝結水生成速率與氣象因子的多元回歸方程式[14]。

1.2植物表面凝結水的測定植物表面的凝結水量常用的測定方法是人造凝結面法[1]。人造凝結面法采用與被測植物表面吸附凝結水能力相近的材料，放置在實驗地點的特定位置，隔一段時間后稱質量，計算質量差，從而得出凝結水量。人造凝結面單位面積的凝結水生成量計算式為：W=(m1-m2)/Sρw，(2)式中：m1、m2分別表示凝結面2次稱的質量（g）；S表示凝結面的面積（cm2）；ρw表示水的密度（g/cm3）。在三江平原，楊木棒、濾紙、玻璃杯和向日葵桿作為凝結面的收集器測定天然毛果苔草沼澤地的凝結水量，尤以楊木棒作為凝結面的測量效果最好[15]。在內蓋夫沙漠將天鵝絨布料（velvet-likecloths）放在長方形玻璃盤中心作為人造凝結面來觀測海拔不同的地區凝結水量的區別，在同一天，海拔越高凝結水量越多[16]。使用leick測量盤作為凝結水凝結面，放置在不同高度測量玉米冠層凝結水的生成量，但是由于leick測量盤與玉米葉片的熱容量不同，因此測量盤上的凝結水量并不能完全代替葉片的凝結水量，此外對于葉片更加光滑、葉子更少的冠層，leick測量盤的結果可信度也會下降，而使用印記紙覆蓋在葉片上測量凝結水量得到的凝結水量更可靠[17]。對比9種不同的收集器對于凝結水量的影響，發現普遍使用的聚四氟乙烯板并不能完全代替真實的凝結面，如果需要更準確的數值，還要將被測材料做成凝結器來矯正結果[18]。

2數量特征

眾多學者采用不同方法在不同地區測得了凝結水的生成量。研究表明，在干旱區，凝結水一般形成于日落之后，消退于日出之后[10,19]，這主要是因為日落之后，空氣溫度下降較快，水汽易超飽和形成凝結。除溫度外，風速、空氣相對濕度也會對凝結水有顯著的影響。干燥有風的夜晚，凝結水生成量小，多云無風的夜晚，凝結水生成量較大[20]。此外，不同地區由于地形、下墊面不同，結果也具有較大的差異，茲將不同地區觀測的結果繪于表1。

3影響因素

3.1氣象因子氣象因素對凝結水的生成速率有顯著的影響。凝結作用發生在空氣中的水汽達到飽和之后。隨著近地面相對濕度增大，氣溫越接近露點溫度，促進凝結水的生成。在古爾班通古特沙漠研究土壤凝結水時，凝結水的生成量與相對濕度（RH）呈正相關關系[10]。此外，在黑河中游甘肅省臨澤縣北部綠洲邊緣試驗發現，凝結水的生成速率與近地表的相對濕度呈玻爾茲曼函數關系，當30%＜RH＜80%時，土壤表面的凝結水的生成速率隨相對濕度的升高呈顯著的增加趨勢[29]。在較高的溫度條件下，水分子能獲得較多的能量，從而更容易擴散到空氣中，不利于凝結水的發生。土壤凝結水的生成受地溫和氣溫2個因素同時作用的影響。將凝結水生成速率、空氣相對濕度與氣溫、地溫建立起的多元回歸方程顯示，氣溫和地溫2個因素聯合作用的相關系數為0.71，單獨作用的相關系數分別為0.55、0.67[14]，呈顯著負相關關系。此外，由于風速的大小直接決定著水分子紊動擴散的強度，因此風速也是影響凝結水生成的重要因素。風速較大會促進水分蒸發，不利于水分凝結。毛烏素沙地天然臭柏群落的土壤凝結水與各個氣象因子之間的相關關系研究發現，在不同的月份，平均風速與凝結水生成量的相關性均在0.61以上，其中5月相關性達到了0.95[30]。因此，較大的風速會明顯抑制凝結水的生成。

3.2下墊面因素下墊面是影響凝結水生成量的又一個重要的因素。土壤組成和質地不同，土壤表面的植被覆蓋程度不同，均會影響土壤水分的傳輸與保持、土壤對熱量的吸收以及近地表水汽的傳輸等。在極端干旱的塔里木河下游地區對裸地、胡楊林和檉柳叢3種不同的下墊面中生成的凝結水量研究發現，檉柳叢的日平均凝結水量與裸地相近，而胡楊林的土壤凝結水量顯著小于檉柳叢和裸地[31]。而在毛烏素沙漠的試驗發現，裸地的地表凝結水總量和日平均凝結水量最多，遠多于油蒿地和沙柳地，油蒿林地和沙柳林地表凝結水會晚于裸地凝結水消退。有植被覆蓋的區域，植物的葉片、莖稈表面會形成凝結水，植物的根部也會吸收土壤中的水分，使土壤凝結水的水汽來源減少。此外，由于植物冠層的遮蔽作用，近地表空氣濕度、溫度變化不劇烈，導致凝結水生成量較小，消退時間較晚[19]。土壤凝結水的主要來源除了大氣中的水汽，還有土壤空隙中保持的水汽[11]。將沙漠地區不同土壤質地對凝結水生成量的影響進行對比發現，顆粒越細，凝結水的生成量越多，而且凝結水會隨著生物結皮的演替有顯著增加的趨勢[32]。因為顆粒越細，比表面積越大，其表面吸附水分的能力也越強，土壤空隙中保持的水汽也越多，從而凝結量增加。此外生物結皮的演替會推動土壤肥力的發展，增加土壤中有機質的量，也會使土顆粒更細，促進凝結水的生成。

4生態作用

凝結水形成過程中凝結作用和蒸發作用交替進行，在一定程度上彌補了土壤水分損失，使土壤濕度在一定時間和一定深度內保持較長時間的穩定性[33-35]。在西北沙丘地區的試驗表明，凝結水的形成不僅對包氣帶中水分的保持起著重要的作用，并且對維系荒漠化地區生態系統的穩定具有重要意義[36]。國內外學者在凝結水對植物生長的積極意義方面也展開了大量研究。在干旱區凝結水可以作為植物克服干旱脅迫的重要水源。通過試驗發現，在干旱條件下，凝結水的頻繁發生促進沙漠中1a生植物種子的萌發，在植物冠層生成的凝結水可以提高植物的抗旱性能[37-38]。凝結水是荒漠鹽生植物鹽穗木所必需的水分來源，凝結水對鹽漬化不同環境下鹽穗木的凈光合作用效率和葉水勢均增加，但增幅不同，其中對中度、輕度鹽漬化群落影響顯著[39]。

5研究展望

近年來，我國凝結水的研究突飛猛進，科技的發展、多種儀器的使用為凝結水的精確測量提供了幫助，凝結水的形成機制等在國內外被大量深入研究，且多年來積累的研究成果已經形成一系列理論并被眾多學者廣泛接受。但是關于凝結水的垂直分布規律、凝結水在水熱傳輸中的作用以及氣象因素對凝結水的影響等方面的研究較少。對于干旱區植物是否均通過葉片吸收凝結水以及如何通過葉片吸收凝結水缺乏系統的認識，因此這方面的研究還具有很大的空間。另外，凝結水的測定方法仍未有統一標準，大部分試驗都是自制儀器進行測定，在數據的交流采用上存在不方便的問題。研究表明，模型估算是凝結水研究的一種有效方法，國內外目前缺乏這樣的估算模型，許多經驗公式需經受檢驗[40]。在全球變化的大背景下，研究干旱區植物群落的潛力十足。因此，建議對凝結水標準測定方法以及估算模型方面展開更深入的研究。

參考文獻：

[1]莊艷麗，趙文智.干旱區凝結水研究進展[J].地球科學進展,2008,23(1):31-38.

[2]張興魯.干旱地區沙丘水汽凝結及其意義[J].水文地質工程地質,1986（6）:39-42.

[3]陳荷生，康躍虎.沙坡頭地區凝結水及其在生態環境中的意義[J].干旱區資源與環境，1992(2):63-72.

[7]郭占榮，韓雙平.西北干旱地區凝結水試驗研究[J].水科學進展,2002,13(5):623-628.

[8]方靜，丁永建.荒漠綠洲邊緣凝結水量及其影響因子[J].冰川凍土,2005,27(5):755-760.

[9]郭斌，陳亞寧，郝興明，等.不同下墊面土壤凝結水特征及其影響因素[J].自然資源學報,2011,26(11):1963-1974.

[10]陳榮毅.古爾班通古特沙漠表層土壤凝結水水汽來源特征分析[J].中國沙漠,2012,32(4):985-989.

[11]尹瑞平，吳永勝，張欣，等.毛烏素沙地南緣沙丘生物結皮對凝結水形成和蒸發的影響[J].生態學報,2013,33(19):6173-6180.

[12]劉新平，何玉惠，趙學勇，等.科爾沁沙地不同生境土壤凝結水的試驗研究[J].應用生態學報,2009,20(8):1918-1924.

[13]佳依山，多立安，鄭志榮，等.呼倫貝爾典型草原三種植物群落土壤凝結水比較[J].水土保持通報,2016,36(3):114-119.

[14]方靜，丁永建.干旱荒漠區沙土凝結水與微氣象因子關系[J].中國沙漠,2015,35(5):1200-1205.

[15]閻百興，勇，徐治國，等.三江平原沼澤生態系統中露水凝結研究[J].濕地科學,2004,2(2):94-99.

[19]楊路明，秦樹高，劉振，等.毛烏素沙地不同下墊面地表凝結水形成過程[J].北京林業大學學報,2016,38(2):90-95.

[20]侯新偉，張發旺，崔曉梅，等.毛烏素沙地東南緣土壤凝結水的形成規律[J].干旱區資源與環境,2010,24(8):36-41.

[24]孫自永，余紹文，周愛國，等.新疆羅布泊地區凝結水試驗[J].地質科技情報，2008，27(2):91-96.

[26]張靜，張元明，周曉兵，等.生物結皮影響下沙漠土壤表面凝結水的形成與變化特征[J].生態學報，2009,29(12):6600-6608.

[27]余紹文，孫自永，周愛國，等.黑河中游臨澤地區夏季露水的生成[J].干旱區研究，2011,28(3):471-477.

[28]郭曉楠，查天山，賈昕，等.典型沙生灌木生態系統凝結水量估算[J].北京林業大學學報，2016,38(10):80-87.

[29]方靜，丁永建.干旱荒漠區沙土凝結水與微氣象因子關系[J].中國沙漠,2015,35(5):1200-1205.

[30]李玉靈，朱帆，張國盛，等，毛烏素沙地凝結水動態變化及其影響因子的研究[J].干旱區資源與環境,2008,22(8):61-66.

[31]郭斌，李衛紅，郝興明，等.極端干旱區不同下墊面土壤凝結水試驗研究[J].地理科學進展,2012,31(9):1171-1179.

[32]陳榮毅,魏文壽,王敏仲.古爾班通古特沙漠地表土壤凝結水形成影響因素分析[J].沙漠與綠洲氣象,2015,9(1):1-5.

[35]方靜.凝結水的生態水文效應研究進展[J].中國沙漠,2013,33(2):583-589.

[36]曹文炳，萬力，周訓，等.西北地區沙丘凝結水形成機制及對生態環境影響初步探討[J].水文地質工程地質,2003,30(2):6-10.

[39]王恒方，周耀治，秦璐，等.凝結水對鹽穗木(Halostachyscaspica)葉綠素熒光參數及水分利用效率的影響[J].干旱區研究,2017,34(5):1124-1132.

[40]肖輝杰，張鋒，賈瑞燕.凝結水研究進展[J].中國水土保持科學,2015,13(2):126-130.

作者：魯笑瑤 衛文婷 曹涵 秦淑靜 李思恩 單位：中國農業大學