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摘要：在干旱半干旱區(qū)，凝結(jié)水是非常重要的水資源。【目的】提供研究凝結(jié)水的思路。【方法】基于文獻(xiàn)綜述的方法，分析匯總了國(guó)內(nèi)外干旱區(qū)凝結(jié)水研究成果。【結(jié)果】列舉了測(cè)定不同類(lèi)型凝結(jié)水的方法，其中微型蒸滲儀法是研究土壤凝結(jié)水量普遍采用的方法，人造凝結(jié)面法是測(cè)定植物表面凝結(jié)水的主要方法。總結(jié)了凝結(jié)水的生成規(guī)律和數(shù)量特征，并從氣象和下墊面2個(gè)方面歸納了凝結(jié)水形成的影響因素，探討了凝結(jié)水維系干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要作用。目前凝結(jié)水研究存在的問(wèn)題主要是測(cè)定方法尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。最后，對(duì)凝結(jié)水的研究前景進(jìn)行展望。【結(jié)論】建議在凝結(jié)水的垂直分布規(guī)律、凝結(jié)水在水熱傳輸中的作用以及建立估算模型確定凝結(jié)水生成量等方面加強(qiáng)研究。

關(guān)鍵詞：凝結(jié)水；干旱區(qū)；研究方法；影響因子

引言

凝結(jié)水是指當(dāng)空氣溫度降低到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，飽和水汽在土壤、植物等表層凝結(jié)而成的水分。在降水充沛地區(qū)，水汽凝結(jié)量和降水量相比微不足道，但在干旱區(qū)、半干旱區(qū)，凝結(jié)水是非常重要的水資源[1]。凝結(jié)水作為干旱區(qū)的重要水資源之一，其研究具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量與凝結(jié)水相關(guān)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)水對(duì)沙丘的水熱平衡有明顯調(diào)節(jié)作用[2]，吸濕凝結(jié)水對(duì)地表植被尤其對(duì)土著植物、隱花植物、微生物有一定浸潤(rùn)作用和水分補(bǔ)給作用[3]，深入研究該問(wèn)題可為在荒漠地區(qū)建立人工植被提供理論依據(jù)。凝結(jié)水輸入可以補(bǔ)充干旱區(qū)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(jié)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(nèi)的水分虧損，保持葉片氣孔開(kāi)放，提高光合作用效率[5-6]，有利于干旱區(qū)植物的生長(zhǎng)。雖然對(duì)于凝結(jié)水研究已經(jīng)取得了眾多成果，但凝結(jié)水對(duì)于干旱區(qū)植物的作用機(jī)理尚不明確，在水熱傳輸?shù)淖饔眠€有待進(jìn)一步探究。此外，現(xiàn)行的凝結(jié)水觀測(cè)方法頗多，缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不利于數(shù)據(jù)的共享交流。為此，總結(jié)凝結(jié)水的測(cè)定方法、數(shù)量特征、影響因素、生態(tài)作用以及存在的問(wèn)題，展望其研究趨勢(shì)，為研究凝結(jié)水提供一定參考，推動(dòng)凝結(jié)水相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展。

1凝結(jié)水的測(cè)定方法綜述

1.1土壤凝結(jié)水的測(cè)定1.1.1微型蒸滲儀法微型蒸滲儀法是研究土壤凝結(jié)水量普遍采用的方法，微型蒸滲儀可以用于觀測(cè)凝結(jié)水的生成量、凝結(jié)水的生成時(shí)間及速率、土壤凝結(jié)水的水汽來(lái)源以及不同土壤類(lèi)型的凝結(jié)水特征等。其原理是通過(guò)水量平衡法測(cè)定凝結(jié)水量[1]。微型蒸滲儀分為內(nèi)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(yàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)水的主要影響深度為0~5cm[7]，但5~10cm仍有凝結(jié)水存在，故筒長(zhǎng)一般可選取10~15cm[8]。蒸滲儀外筒通常做無(wú)底處理，直徑略大于內(nèi)筒，安置在土壤中略高于地面。內(nèi)筒取土?xí)r要垂直壓入土壤中，盡量避免破壞土壤原狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)研究?jī)?nèi)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(wǎng)將內(nèi)筒封底，允許筒底與外界進(jìn)行水分交換；不連通型采用塑料薄膜封底，徹底隔絕桶內(nèi)土壤與下層土壤的物質(zhì)交換[9]。測(cè)量時(shí)將內(nèi)筒放入外筒中，選取不同的時(shí)段稱(chēng)內(nèi)筒質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量差。利用微型滲儀法測(cè)定土壤凝結(jié)水量，計(jì)算式為：垂直壓入土壤中，盡量避免破壞土壤原狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)研究?jī)?nèi)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(wǎng)將內(nèi)筒封底，允許筒底與外界進(jìn)行水分交換；不連通型采用塑料薄膜封底，徹底隔絕桶內(nèi)土壤與下層土壤的物質(zhì)交換[9]。測(cè)量時(shí)將內(nèi)筒放入外筒中，選取不同的時(shí)段稱(chēng)內(nèi)筒質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量差。利用微型滲儀法測(cè)定土壤凝結(jié)水量，計(jì)算式為：W=10△m/(ρwπr2)，(1)式中：W為凝結(jié)水量（mm）；∆m為2次內(nèi)筒質(zhì)量差（g）；ρw為水的密度（g/cm3）；r為內(nèi)筒半徑（cm）。微型蒸滲儀法儀器簡(jiǎn)單，操作方便，不受時(shí)間和空間的限制，為眾多學(xué)者所采用。使用微型蒸滲儀在古爾班通古特沙漠對(duì)苔蘚、地衣、藻類(lèi)及流沙4種地表類(lèi)型的土壤凝結(jié)水的長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，沙漠表層土壤凝結(jié)水主要發(fā)生在0~2cm深度范圍內(nèi)，并且得到了凝結(jié)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(jié)水量分別為0.164、0.158、0.097mm，且連通型的微型蒸滲儀觀測(cè)到的凝結(jié)水量明顯多于不連通型，說(shuō)明除了大氣水汽，下層土壤孔隙中的水汽也是土壤凝結(jié)水的重要來(lái)源[9]；毛烏素沙地南緣，利用微型蒸滲儀不僅測(cè)得了不同類(lèi)型地表的凝結(jié)水量，還發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水在裸沙和淺灰色藻類(lèi)結(jié)皮中的保持時(shí)間顯著長(zhǎng)于在黑褐色藻類(lèi)結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮中的保持時(shí)間[11]。1.1.2籠屜式測(cè)量?jī)x法籠屜式測(cè)量?jī)x法與微型蒸滲儀法原理相似。籠屜式測(cè)量?jī)x由許多PVC管制的載土圓環(huán)和放置載土圓環(huán)的桶組成[1]，載土圓環(huán)用尼龍紗網(wǎng)封底。不同的載土圓環(huán)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(huán)的表面與地表齊平。選取適宜的時(shí)段稱(chēng)質(zhì)量計(jì)算質(zhì)量差，得到凝結(jié)水量。籠屜式測(cè)量?jī)x可用于測(cè)定不同深度土壤的凝結(jié)水量。使用籠屜式的測(cè)量?jī)x探究土壤凝結(jié)水的垂直變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，科爾沁沙地凝結(jié)水主要發(fā)生在0~9cm深度范圍內(nèi)[12]；將放置載土圓環(huán)的桶的底部分別用塑料和尼龍紗網(wǎng)封底，最終發(fā)現(xiàn)不同的植被類(lèi)型對(duì)土壤凝結(jié)水2種水汽來(lái)源的貢獻(xiàn)量有影響，高大茂盛的植物會(huì)增大植物截留，使空氣中的水汽在土壤表面的凝結(jié)量減少[13]。1.1.3烘干稱(chēng)質(zhì)量法將經(jīng)過(guò)烘干處理的沙土放置在自制的PVC圓盤(pán)中，放置在需要的條件下觀測(cè)，一段時(shí)間后稱(chēng)質(zhì)量，測(cè)得凝結(jié)水生成量。這種方法可以排除原有土壤含水率對(duì)土壤凝結(jié)水形成的影響[14]。但是這種方法每次測(cè)量后都要重新放置烘干的沙土，而且要保證PVC圓盤(pán)處理干凈，過(guò)程比較繁瑣，同時(shí)也破壞了土樣原有的結(jié)構(gòu)。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(pán)分別放置在自然環(huán)境中和溫室中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，探究微氣象因子對(duì)凝結(jié)水生成速率的影響，建立了凝結(jié)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(jié)水的測(cè)定植物表面的凝結(jié)水量常用的測(cè)定方法是人造凝結(jié)面法[1]。人造凝結(jié)面法采用與被測(cè)植物表面吸附凝結(jié)水能力相近的材料，放置在實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的特定位置，隔一段時(shí)間后稱(chēng)質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量差，從而得出凝結(jié)水量。人造凝結(jié)面單位面積的凝結(jié)水生成量計(jì)算式為：W=(m1-m2)/Sρw，(2)式中：m1、m2分別表示凝結(jié)面2次稱(chēng)的質(zhì)量（g）；S表示凝結(jié)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(jié)面的收集器測(cè)定天然毛果苔草沼澤地的凝結(jié)水量，尤以楊木棒作為凝結(jié)面的測(cè)量效果最好[15]。在內(nèi)蓋夫沙漠將天鵝絨布料（velvet-likecloths）放在長(zhǎng)方形玻璃盤(pán)中心作為人造凝結(jié)面來(lái)觀測(cè)海拔不同的地區(qū)凝結(jié)水量的區(qū)別，在同一天，海拔越高凝結(jié)水量越多[16]。使用leick測(cè)量盤(pán)作為凝結(jié)水凝結(jié)面，放置在不同高度測(cè)量玉米冠層凝結(jié)水的生成量，但是由于leick測(cè)量盤(pán)與玉米葉片的熱容量不同，因此測(cè)量盤(pán)上的凝結(jié)水量并不能完全代替葉片的凝結(jié)水量，此外對(duì)于葉片更加光滑、葉子更少的冠層，leick測(cè)量盤(pán)的結(jié)果可信度也會(huì)下降，而使用印記紙覆蓋在葉片上測(cè)量凝結(jié)水量得到的凝結(jié)水量更可靠[17]。對(duì)比9種不同的收集器對(duì)于凝結(jié)水量的影響，發(fā)現(xiàn)普遍使用的聚四氟乙烯板并不能完全代替真實(shí)的凝結(jié)面，如果需要更準(zhǔn)確的數(shù)值，還要將被測(cè)材料做成凝結(jié)器來(lái)矯正結(jié)果[18]。

2數(shù)量特征

眾多學(xué)者采用不同方法在不同地區(qū)測(cè)得了凝結(jié)水的生成量。研究表明，在干旱區(qū)，凝結(jié)水一般形成于日落之后，消退于日出之后[10,19]，這主要是因?yàn)槿章渲螅諝鉁囟认陆递^快，水汽易超飽和形成凝結(jié)。除溫度外，風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度也會(huì)對(duì)凝結(jié)水有顯著的影響。干燥有風(fēng)的夜晚，凝結(jié)水生成量小，多云無(wú)風(fēng)的夜晚，凝結(jié)水生成量較大[20]。此外，不同地區(qū)由于地形、下墊面不同，結(jié)果也具有較大的差異，茲將不同地區(qū)觀測(cè)的結(jié)果繪于表1。

3影響因素

3.1氣象因子氣象因素對(duì)凝結(jié)水的生成速率有顯著的影響。凝結(jié)作用發(fā)生在空氣中的水汽達(dá)到飽和之后。隨著近地面相對(duì)濕度增大，氣溫越接近露點(diǎn)溫度，促進(jìn)凝結(jié)水的生成。在古爾班通古特沙漠研究土壤凝結(jié)水時(shí)，凝結(jié)水的生成量與相對(duì)濕度（RH）呈正相關(guān)關(guān)系[10]。此外，在黑河中游甘肅省臨澤縣北部綠洲邊緣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)水的生成速率與近地表的相對(duì)濕度呈玻爾茲曼函數(shù)關(guān)系，當(dāng)30%＜RH＜80%時(shí)，土壤表面的凝結(jié)水的生成速率隨相對(duì)濕度的升高呈顯著的增加趨勢(shì)[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(kuò)散到空氣中，不利于凝結(jié)水的發(fā)生。土壤凝結(jié)水的生成受地溫和氣溫2個(gè)因素同時(shí)作用的影響。將凝結(jié)水生成速率、空氣相對(duì)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(gè)因素聯(lián)合作用的相關(guān)系數(shù)為0.71，單獨(dú)作用的相關(guān)系數(shù)分別為0.55、0.67[14]，呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，由于風(fēng)速的大小直接決定著水分子紊動(dòng)擴(kuò)散的強(qiáng)度，因此風(fēng)速也是影響凝結(jié)水生成的重要因素。風(fēng)速較大會(huì)促進(jìn)水分蒸發(fā)，不利于水分凝結(jié)。毛烏素沙地天然臭柏群落的土壤凝結(jié)水與各個(gè)氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，在不同的月份，平均風(fēng)速與凝結(jié)水生成量的相關(guān)性均在0.61以上，其中5月相關(guān)性達(dá)到了0.95[30]。因此，較大的風(fēng)速會(huì)明顯抑制凝結(jié)水的生成。

3.2下墊面因素下墊面是影響凝結(jié)水生成量的又一個(gè)重要的因素。土壤組成和質(zhì)地不同，土壤表面的植被覆蓋程度不同，均會(huì)影響土壤水分的傳輸與保持、土壤對(duì)熱量的吸收以及近地表水汽的傳輸?shù)取Ｔ跇O端干旱的塔里木河下游地區(qū)對(duì)裸地、胡楊林和檉柳叢3種不同的下墊面中生成的凝結(jié)水量研究發(fā)現(xiàn)，檉柳叢的日平均凝結(jié)水量與裸地相近，而胡楊林的土壤凝結(jié)水量顯著小于檉柳叢和裸地[31]。而在毛烏素沙漠的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裸地的地表凝結(jié)水總量和日平均凝結(jié)水量最多，遠(yuǎn)多于油蒿地和沙柳地，油蒿林地和沙柳林地表凝結(jié)水會(huì)晚于裸地凝結(jié)水消退。有植被覆蓋的區(qū)域，植物的葉片、莖稈表面會(huì)形成凝結(jié)水，植物的根部也會(huì)吸收土壤中的水分，使土壤凝結(jié)水的水汽來(lái)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(dǎo)致凝結(jié)水生成量較小，消退時(shí)間較晚[19]。土壤凝結(jié)水的主要來(lái)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(qū)不同土壤質(zhì)地對(duì)凝結(jié)水生成量的影響進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，顆粒越細(xì)，凝結(jié)水的生成量越多，而且凝結(jié)水會(huì)隨著生物結(jié)皮的演替有顯著增加的趨勢(shì)[32]。因?yàn)轭w粒越細(xì)，比表面積越大，其表面吸附水分的能力也越強(qiáng)，土壤空隙中保持的水汽也越多，從而凝結(jié)量增加。此外生物結(jié)皮的演替會(huì)推動(dòng)土壤肥力的發(fā)展，增加土壤中有機(jī)質(zhì)的量，也會(huì)使土顆粒更細(xì)，促進(jìn)凝結(jié)水的生成。

4生態(tài)作用

凝結(jié)水形成過(guò)程中凝結(jié)作用和蒸發(fā)作用交替進(jìn)行，在一定程度上彌補(bǔ)了土壤水分損失，使土壤濕度在一定時(shí)間和一定深度內(nèi)保持較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性[33-35]。在西北沙丘地區(qū)的試驗(yàn)表明，凝結(jié)水的形成不僅對(duì)包氣帶中水分的保持起著重要的作用，并且對(duì)維系荒漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義[36]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在凝結(jié)水對(duì)植物生長(zhǎng)的積極意義方面也展開(kāi)了大量研究。在干旱區(qū)凝結(jié)水可以作為植物克服干旱脅迫的重要水源。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下，凝結(jié)水的頻繁發(fā)生促進(jìn)沙漠中1a生植物種子的萌發(fā)，在植物冠層生成的凝結(jié)水可以提高植物的抗旱性能[37-38]。凝結(jié)水是荒漠鹽生植物鹽穗木所必需的水分來(lái)源，凝結(jié)水對(duì)鹽漬化不同環(huán)境下鹽穗木的凈光合作用效率和葉水勢(shì)均增加，但增幅不同，其中對(duì)中度、輕度鹽漬化群落影響顯著[39]。

5研究展望

近年來(lái)，我國(guó)凝結(jié)水的研究突飛猛進(jìn)，科技的發(fā)展、多種儀器的使用為凝結(jié)水的精確測(cè)量提供了幫助，凝結(jié)水的形成機(jī)制等在國(guó)內(nèi)外被大量深入研究，且多年來(lái)積累的研究成果已經(jīng)形成一系列理論并被眾多學(xué)者廣泛接受。但是關(guān)于凝結(jié)水的垂直分布規(guī)律、凝結(jié)水在水熱傳輸中的作用以及氣象因素對(duì)凝結(jié)水的影響等方面的研究較少。對(duì)于干旱區(qū)植物是否均通過(guò)葉片吸收凝結(jié)水以及如何通過(guò)葉片吸收凝結(jié)水缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，因此這方面的研究還具有很大的空間。另外，凝結(jié)水的測(cè)定方法仍未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大部分試驗(yàn)都是自制儀器進(jìn)行測(cè)定，在數(shù)據(jù)的交流采用上存在不方便的問(wèn)題。研究表明，模型估算是凝結(jié)水研究的一種有效方法，國(guó)內(nèi)外目前缺乏這樣的估算模型，許多經(jīng)驗(yàn)公式需經(jīng)受檢驗(yàn)[40]。在全球變化的大背景下，研究干旱區(qū)植物群落的潛力十足。因此，建議對(duì)凝結(jié)水標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法以及估算模型方面展開(kāi)更深入的研究。

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作者：魯笑瑤 衛(wèi)文婷 曹涵 秦淑靜 李思恩 單位：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)