干旱区凝结水影响因子研究进展范文

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摘要：在干旱半干旱区，凝结水是非常重要的水资源。【目的】提供研究凝结水的思路。【方法】基于文献综述的方法，分析汇总了国内外干旱区凝结水研究成果。【结果】列举了测定不同类型凝结水的方法，其中微型蒸渗仪法是研究土壤凝结水量普遍采用的方法，人造凝结面法是测定植物表面凝结水的主要方法。总结了凝结水的生成规律和数量特征，并从气象和下垫面2个方面归纳了凝结水形成的影响因素，探讨了凝结水维系干旱区生态环境的重要作用。目前凝结水研究存在的问题主要是测定方法尚无统一标准。最后，对凝结水的研究前景进行展望。【结论】建议在凝结水的垂直分布规律、凝结水在水热传输中的作用以及建立估算模型确定凝结水生成量等方面加强研究。

关键词：凝结水；干旱区；研究方法；影响因子

引言

凝结水是指当空气温度降低到露点温度以下时，饱和水汽在土壤、植物等表层凝结而成的水分。在降水充沛地区，水汽凝结量和降水量相比微不足道，但在干旱区、半干旱区，凝结水是非常重要的水资源[1]。凝结水作为干旱区的重要水资源之一，其研究具有重要意义。国内外学者开展了大量与凝结水相关的研究。研究发现，凝结水对沙丘的水热平衡有明显调节作用[2]，吸湿凝结水对地表植被尤其对土著植物、隐花植物、微生物有一定浸润作用和水分补给作用[3]，深入研究该问题可为在荒漠地区建立人工植被提供理论依据。凝结水输入可以补充干旱区消耗的土壤水分，维持叶片和冠层水分收支平衡[4]。此外，凝结水可以抑制植物夜间的呼吸作用，降低白天的蒸腾作用，减小叶片内的水分亏损，保持叶片气孔开放，提高光合作用效率[5-6]，有利于干旱区植物的生长。虽然对于凝结水研究已经取得了众多成果，但凝结水对于干旱区植物的作用机理尚不明确，在水热传输的作用还有待进一步探究。此外，现行的凝结水观测方法颇多，缺乏标准规范，不利于数据的共享交流。为此，总结凝结水的测定方法、数量特征、影响因素、生态作用以及存在的问题，展望其研究趋势，为研究凝结水提供一定参考，推动凝结水相关研究的进一步发展。

1凝结水的测定方法综述

1.1土壤凝结水的测定1.1.1微型蒸渗仪法微型蒸渗仪法是研究土壤凝结水量普遍采用的方法，微型蒸渗仪可以用于观测凝结水的生成量、凝结水的生成时间及速率、土壤凝结水的水汽来源以及不同土壤类型的凝结水特征等。其原理是通过水量平衡法测定凝结水量[1]。微型蒸渗仪分为内筒和外筒，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试验场观测发现，凝结水的主要影响深度为0~5cm[7]，但5~10cm仍有凝结水存在，故筒长一般可选取10~15cm[8]。蒸渗仪外筒通常做无底处理，直径略大于内筒，安置在土壤中略高于地面。内筒取土时要垂直压入土壤中，尽量避免破坏土壤原状结构。根据研究内容的不同，微型蒸渗仪有连通和不连通2种，连通型采用400目尼龙筛网将内筒封底，允许筒底与外界进行水分交换；不连通型采用塑料薄膜封底，彻底隔绝桶内土壤与下层土壤的物质交换[9]。测量时将内筒放入外筒中，选取不同的时段称内筒质量，计算质量差。利用微型渗仪法测定土壤凝结水量，计算式为：垂直压入土壤中，尽量避免破坏土壤原状结构。根据研究内容的不同，微型蒸渗仪有连通和不连通2种，连通型采用400目尼龙筛网将内筒封底，允许筒底与外界进行水分交换；不连通型采用塑料薄膜封底，彻底隔绝桶内土壤与下层土壤的物质交换[9]。测量时将内筒放入外筒中，选取不同的时段称内筒质量，计算质量差。利用微型渗仪法测定土壤凝结水量，计算式为：W=10△m/(ρwπr2)，(1)式中：W为凝结水量（mm）；∆m为2次内筒质量差（g）；ρw为水的密度（g/cm3）；r为内筒半径（cm）。微型蒸渗仪法仪器简单，操作方便，不受时间和空间的限制，为众多学者所采用。使用微型蒸渗仪在古尔班通古特沙漠对苔藓、地衣、藻类及流沙4种地表类型的土壤凝结水的长期观测发现，沙漠表层土壤凝结水主要发生在0~2cm深度范围内，并且得到了凝结水日变化特征曲线[10]；塔里木河下游柽柳丛、裸地、胡杨林的土壤日均凝结水量分别为0.164、0.158、0.097mm，且连通型的微型蒸渗仪观测到的凝结水量明显多于不连通型，说明除了大气水汽，下层土壤孔隙中的水汽也是土壤凝结水的重要来源[9]；毛乌素沙地南缘，利用微型蒸渗仪不仅测得了不同类型地表的凝结水量，还发现凝结水在裸沙和浅灰色藻类结皮中的保持时间显著长于在黑褐色藻类结皮和苔藓结皮中的保持时间[11]。1.1.2笼屉式测量仪法笼屉式测量仪法与微型蒸渗仪法原理相似。笼屉式测量仪由许多PVC管制的载土圆环和放置载土圆环的桶组成[1]，载土圆环用尼龙纱网封底。不同的载土圆环中放入不同深度的沙土，按取土深度依次放入桶中。将桶放置到取土样地，使最上层载土圆环的表面与地表齐平。选取适宜的时段称质量计算质量差，得到凝结水量。笼屉式测量仪可用于测定不同深度土壤的凝结水量。使用笼屉式的测量仪探究土壤凝结水的垂直变化时发现，科尔沁沙地凝结水主要发生在0~9cm深度范围内[12]；将放置载土圆环的桶的底部分别用塑料和尼龙纱网封底，最终发现不同的植被类型对土壤凝结水2种水汽来源的贡献量有影响，高大茂盛的植物会增大植物截留，使空气中的水汽在土壤表面的凝结量减少[13]。1.1.3烘干称质量法将经过烘干处理的沙土放置在自制的PVC圆盘中，放置在需要的条件下观测，一段时间后称质量，测得凝结水生成量。这种方法可以排除原有土壤含水率对土壤凝结水形成的影响[14]。但是这种方法每次测量后都要重新放置烘干的沙土，而且要保证PVC圆盘处理干净，过程比较繁琐，同时也破坏了土样原有的结构。在黑河中游甘肃省临泽县北部绿洲边缘，将盛有烘干土的圆盘分别放置在自然环境中和温室中进行对比试验，探究微气象因子对凝结水生成速率的影响，建立了凝结水生成速率与气象因子的多元回归方程式[14]。

1.2植物表面凝结水的测定植物表面的凝结水量常用的测定方法是人造凝结面法[1]。人造凝结面法采用与被测植物表面吸附凝结水能力相近的材料，放置在实验地点的特定位置，隔一段时间后称质量，计算质量差，从而得出凝结水量。人造凝结面单位面积的凝结水生成量计算式为：W=(m1-m2)/Sρw，(2)式中：m1、m2分别表示凝结面2次称的质量（g）；S表示凝结面的面积（cm2）；ρw表示水的密度（g/cm3）。在三江平原，杨木棒、滤纸、玻璃杯和向日葵杆作为凝结面的收集器测定天然毛果苔草沼泽地的凝结水量，尤以杨木棒作为凝结面的测量效果最好[15]。在内盖夫沙漠将天鹅绒布料（velvet-likecloths）放在长方形玻璃盘中心作为人造凝结面来观测海拔不同的地区凝结水量的区别，在同一天，海拔越高凝结水量越多[16]。使用leick测量盘作为凝结水凝结面，放置在不同高度测量玉米冠层凝结水的生成量，但是由于leick测量盘与玉米叶片的热容量不同，因此测量盘上的凝结水量并不能完全代替叶片的凝结水量，此外对于叶片更加光滑、叶子更少的冠层，leick测量盘的结果可信度也会下降，而使用印记纸覆盖在叶片上测量凝结水量得到的凝结水量更可靠[17]。对比9种不同的收集器对于凝结水量的影响，发现普遍使用的聚四氟乙烯板并不能完全代替真实的凝结面，如果需要更准确的数值，还要将被测材料做成凝结器来矫正结果[18]。

2数量特征

众多学者采用不同方法在不同地区测得了凝结水的生成量。研究表明，在干旱区，凝结水一般形成于日落之后，消退于日出之后[10,19]，这主要是因为日落之后，空气温度下降较快，水汽易超饱和形成凝结。除温度外，风速、空气相对湿度也会对凝结水有显著的影响。干燥有风的夜晚，凝结水生成量小，多云无风的夜晚，凝结水生成量较大[20]。此外，不同地区由于地形、下垫面不同，结果也具有较大的差异，兹将不同地区观测的结果绘于表1。

3影响因素

3.1气象因子气象因素对凝结水的生成速率有显著的影响。凝结作用发生在空气中的水汽达到饱和之后。随着近地面相对湿度增大，气温越接近露点温度，促进凝结水的生成。在古尔班通古特沙漠研究土壤凝结水时，凝结水的生成量与相对湿度（RH）呈正相关关系[10]。此外，在黑河中游甘肃省临泽县北部绿洲边缘试验发现，凝结水的生成速率与近地表的相对湿度呈玻尔兹曼函数关系，当30%＜RH＜80%时，土壤表面的凝结水的生成速率随相对湿度的升高呈显著的增加趋势[29]。在较高的温度条件下，水分子能获得较多的能量，从而更容易扩散到空气中，不利于凝结水的发生。土壤凝结水的生成受地温和气温2个因素同时作用的影响。将凝结水生成速率、空气相对湿度与气温、地温建立起的多元回归方程显示，气温和地温2个因素联合作用的相关系数为0.71，单独作用的相关系数分别为0.55、0.67[14]，呈显著负相关关系。此外，由于风速的大小直接决定着水分子紊动扩散的强度，因此风速也是影响凝结水生成的重要因素。风速较大会促进水分蒸发，不利于水分凝结。毛乌素沙地天然臭柏群落的土壤凝结水与各个气象因子之间的相关关系研究发现，在不同的月份，平均风速与凝结水生成量的相关性均在0.61以上，其中5月相关性达到了0.95[30]。因此，较大的风速会明显抑制凝结水的生成。

3.2下垫面因素下垫面是影响凝结水生成量的又一个重要的因素。土壤组成和质地不同，土壤表面的植被覆盖程度不同，均会影响土壤水分的传输与保持、土壤对热量的吸收以及近地表水汽的传输等。在极端干旱的塔里木河下游地区对裸地、胡杨林和柽柳丛3种不同的下垫面中生成的凝结水量研究发现，柽柳丛的日平均凝结水量与裸地相近，而胡杨林的土壤凝结水量显著小于柽柳丛和裸地[31]。而在毛乌素沙漠的试验发现，裸地的地表凝结水总量和日平均凝结水量最多，远多于油蒿地和沙柳地，油蒿林地和沙柳林地表凝结水会晚于裸地凝结水消退。有植被覆盖的区域，植物的叶片、茎秆表面会形成凝结水，植物的根部也会吸收土壤中的水分，使土壤凝结水的水汽来源减少。此外，由于植物冠层的遮蔽作用，近地表空气湿度、温度变化不剧烈，导致凝结水生成量较小，消退时间较晚[19]。土壤凝结水的主要来源除了大气中的水汽，还有土壤空隙中保持的水汽[11]。将沙漠地区不同土壤质地对凝结水生成量的影响进行对比发现，颗粒越细，凝结水的生成量越多，而且凝结水会随着生物结皮的演替有显著增加的趋势[32]。因为颗粒越细，比表面积越大，其表面吸附水分的能力也越强，土壤空隙中保持的水汽也越多，从而凝结量增加。此外生物结皮的演替会推动土壤肥力的发展，增加土壤中有机质的量，也会使土颗粒更细，促进凝结水的生成。

4生态作用

凝结水形成过程中凝结作用和蒸发作用交替进行，在一定程度上弥补了土壤水分损失，使土壤湿度在一定时间和一定深度内保持较长时间的稳定性[33-35]。在西北沙丘地区的试验表明，凝结水的形成不仅对包气带中水分的保持起着重要的作用，并且对维系荒漠化地区生态系统的稳定具有重要意义[36]。国内外学者在凝结水对植物生长的积极意义方面也展开了大量研究。在干旱区凝结水可以作为植物克服干旱胁迫的重要水源。通过试验发现，在干旱条件下，凝结水的频繁发生促进沙漠中1a生植物种子的萌发，在植物冠层生成的凝结水可以提高植物的抗旱性能[37-38]。凝结水是荒漠盐生植物盐穗木所必需的水分来源，凝结水对盐渍化不同环境下盐穗木的净光合作用效率和叶水势均增加，但增幅不同，其中对中度、轻度盐渍化群落影响显著[39]。

5研究展望

近年来，我国凝结水的研究突飞猛进，科技的发展、多种仪器的使用为凝结水的精确测量提供了帮助，凝结水的形成机制等在国内外被大量深入研究，且多年来积累的研究成果已经形成一系列理论并被众多学者广泛接受。但是关于凝结水的垂直分布规律、凝结水在水热传输中的作用以及气象因素对凝结水的影响等方面的研究较少。对于干旱区植物是否均通过叶片吸收凝结水以及如何通过叶片吸收凝结水缺乏系统的认识，因此这方面的研究还具有很大的空间。另外，凝结水的测定方法仍未有统一标准，大部分试验都是自制仪器进行测定，在数据的交流采用上存在不方便的问题。研究表明，模型估算是凝结水研究的一种有效方法，国内外目前缺乏这样的估算模型，许多经验公式需经受检验[40]。在全球变化的大背景下，研究干旱区植物群落的潜力十足。因此，建议对凝结水标准测定方法以及估算模型方面展开更深入的研究。

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作者：鲁笑瑶 卫文婷 曹涵 秦淑静 李思恩 单位：中国农业大学