尹瑞平，吳永勝,*，張 欣，哈 斯，田秀民，李澤坤，王 健，苗恒錄，任 杰

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020； 2. 北京師范大學(xué) 資源學(xué)院，北京 100875)

毛烏素沙地南緣沙丘生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響

尹瑞平1，吳永勝1,*，張 欣1，哈 斯2，田秀民1，李澤坤1，王 健1，苗恒錄1，任 杰1

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020； 2. 北京師范大學(xué) 資源學(xué)院，北京 100875)

在水分極度匱乏的荒漠生態(tài)系統(tǒng)，凝結(jié)水是除降雨之外最重要的水分來(lái)源之一，它對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程的維持產(chǎn)生重要的影響。為探明半干旱沙區(qū)生物結(jié)皮表面的凝結(jié)水形成和蒸發(fā)特征，采用自制的微型蒸滲計(jì)(直徑7 cm、高5 cm的PVC管)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了不同類型地表(裸沙、淺灰色藻類結(jié)皮、黑褐色藻類結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮)對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響。結(jié)果表明：(1)觀測(cè)期間共有20次凝結(jié)水形成記錄，除降雨天氣外，幾乎每天都能觀測(cè)到水分凝結(jié)現(xiàn)象；(2)不同類型地表凝結(jié)水總量依次為(1.998±0.075)，(2.326±0.083)，(2.790±0.058)和(3.416±0.068) mm，生物結(jié)皮表面的凝結(jié)水總量顯著大于裸沙(Plt;0.05)；隨生物結(jié)皮的發(fā)育，不同類型生物結(jié)皮表面的凝結(jié)水總量呈增加的趨勢(shì)，凝結(jié)水總量之間差異顯著(Plt;0.05)；觀測(cè)期間不同類型地表日平均凝結(jié)水量依次為(0.100±0.003)，(0.116±0.004)，(0.140±0.002)和(0.171± 0.003) mm，不同類型地表日平均凝結(jié)水量之間差異極顯著(Plt;0.01)；(3)凝結(jié)水形成過(guò)程的觀測(cè)結(jié)果顯示，凝結(jié)水19:00開(kāi)始形成，23:00—凌晨1:00形成不明顯，1:00—7:00繼續(xù)形成，除淺灰色藻類結(jié)皮外，太陽(yáng)升出后在黑褐色藻類結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮表面繼續(xù)形成少量的凝結(jié)水；凝結(jié)水7:30開(kāi)始蒸發(fā)，10:30到11:00之間結(jié)束蒸發(fā)，凝結(jié)水在裸沙和淺灰色藻類結(jié)皮中的保持時(shí)間顯著大于黑褐色藻類結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮中的保持時(shí)間(Plt;0.05)；(4)凝結(jié)水的形成受大氣溫度、地表溫度、空氣相對(duì)濕度和大氣地表溫度差等氣象因素的影響，但其形成過(guò)程不與某一個(gè)氣象因素呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

毛烏素沙地；生物結(jié)皮；凝結(jié)水；蒸發(fā)

水分是影響沙地生態(tài)系統(tǒng)植被生產(chǎn)力和生產(chǎn)的最大限制因子[1]。在水資源極度匱乏的沙地環(huán)境，凝結(jié)水是除降雨之外的重要水分來(lái)源[2]。雖然沙生灌木、半灌木和草本植物對(duì)凝結(jié)水和霧水的直接利用價(jià)值有限[1]，但對(duì)低矮植物(如苔蘚)、昆蟲和微生物等生物體而言，凝結(jié)水卻是他們賴以生存的重要水源之一[3]。此外，凝結(jié)水在沙地生態(tài)系統(tǒng)水量平衡中的貢獻(xiàn)是相當(dāng)可觀的。毛烏素沙地南緣沙區(qū)年凝結(jié)水量的研究結(jié)果表明，凝結(jié)水占該區(qū)域年均降雨量的12.6%之多[4]，這在干旱沙區(qū)是十分可貴的，因此有關(guān)干旱沙區(qū)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)特征的研究具有重要的生態(tài)學(xué)和水文學(xué)意義。

國(guó)外學(xué)者對(duì)凝結(jié)水的研究較早，圍繞凝結(jié)水的觀測(cè)方法[5- 6]、形成機(jī)理[7]、影響因素[8- 10]和季節(jié)變化[11]等方面開(kāi)展了豐富的研究。我國(guó)學(xué)者對(duì)凝結(jié)水的研究也較多，研究地區(qū)分布在古爾班通古特沙漠[12]、騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)[13- 15]、庫(kù)布齊沙漠[16]、科爾沁沙地[17- 18]和毛烏素沙地[2]等地。

生物結(jié)皮(由微生物、藍(lán)綠藻、地衣、苔蘚等微小生物體與沙粒膠結(jié)形成的有機(jī)復(fù)合體)廣泛存在于荒漠生態(tài)系統(tǒng)，其分布面積幾乎占到該地區(qū)生物覆蓋率的40%[19]。我國(guó)干旱和半干旱沙區(qū)固定、半固定沙丘上生物結(jié)皮廣泛發(fā)育[20]。隨著生物結(jié)皮水文學(xué)研究的不斷深入，生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水形成的影響引起了國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，并在古爾班通古特沙漠和騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水的影響方面取得了進(jìn)展[12- 14]，但已有的研究結(jié)果多集中在干旱或極端干旱沙區(qū)，鮮見(jiàn)半干旱沙區(qū)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水影響的相關(guān)報(bào)道，研究現(xiàn)狀與我國(guó)半干旱沙區(qū)生物結(jié)皮廣泛發(fā)育的現(xiàn)狀是不對(duì)稱的?；诖?，本文選擇地處半干旱區(qū)的毛烏素沙地南緣沙區(qū)，觀測(cè)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響，豐富我國(guó)不同氣候區(qū)(極端干旱、干旱到半干旱沙區(qū))生物結(jié)皮水文學(xué)相關(guān)研究?jī)?nèi)容的同時(shí)，旨在為脆弱生態(tài)系統(tǒng)的合理管理、利用和生態(tài)修復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地南緣，是鄂爾多斯高原向陜北黃土高原的過(guò)渡區(qū)，地理坐標(biāo)為108°50′54″—108°58′00″E，37°38′42″—37°42′42″N，海拔1350 m，屬半干旱氣候。研究區(qū)多年平均降水量為394.7 mm，降水集中在夏、秋兩季，降水變率大，最大降水量達(dá)744.6 mm(1964年)，最小降水量?jī)H205 mm(1965年)；多年平均蒸發(fā)量為2484.5 mm，是多年平均降水量的6.32倍。地貌景觀以流動(dòng)、半固定、固定沙丘與湖盆灘地相間。人工植被恢復(fù)區(qū)固定、半固定沙丘上生物結(jié)皮廣泛發(fā)育，迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡以淺灰色藻類結(jié)皮和黑褐色藻類結(jié)皮為主，丘間地則以苔蘚結(jié)皮為主。不同類型生物結(jié)皮的基本特征如下：淺灰色藻類結(jié)皮(LC)表面較光滑，顏色呈淺灰色，厚度約3—5 mm，抗剪強(qiáng)度為0.3—0.5 kg/cm2，主要生物組分為微鞘藻(Microcoleusvaginatus)、顫藻屬(Oscillatoriaspp.)、鞘絲藻屬(Lyngbyaspp.)；黑褐色藻類結(jié)皮(DC)表面較粗糙，呈黑褐色，厚度約5—8 mm，抗剪強(qiáng)度為1.0 kg/cm2左右，主要生物組分為顫藻屬、鞘絲藻屬；苔蘚結(jié)皮(MC)表面長(zhǎng)有苔蘚植物，干旱缺水時(shí)呈深顏色，雨后呈鮮綠色，厚度和抗剪強(qiáng)度均顯著提高，分別為10—12 mm和2.1 kg/cm2左右，主要苔蘚植物為雙色真蘚(BryumdichotomumHedw.)，真蘚(BryumargenteumHedw.)，土生對(duì)齒蘚(Didymodonvinealis(Brid.)Zand)。沙丘沉積物機(jī)械組成以細(xì)沙為主，中沙次之[20]。研究區(qū)屬暖溫性草原帶，植被覆蓋度低，主要天然植物有油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)、沙米(AgriophyliumsquarrosumMoq.)、軟毛蟲實(shí)(CorispermumpuberulumIljin)、沙竹(Psammochloavillosa(Trin.) Bor.)等。

1.2 方法

目前為止，國(guó)際上沒(méi)有通用的凝結(jié)水觀測(cè)方法，采用微型蒸滲計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的較常見(jiàn)[12- 14]。本文采用自制微型蒸滲計(jì)(由直徑7 cm，高5 cm的PVC管制成)觀測(cè)不同類型地表(裸沙(BS)、淺灰色藻類結(jié)皮(LC)、黑褐色藻類結(jié)皮(DC)和苔蘚結(jié)皮(MC))對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響。采樣時(shí)在研究區(qū)選取具有代表性的半固定沙丘，按照丘頂、背風(fēng)坡中下部、丘間地和迎風(fēng)坡中上部的順序選擇生物結(jié)皮樣地，依次代表裸沙、黑褐色藻類結(jié)皮、苔蘚結(jié)皮和淺灰色藻類結(jié)皮。采樣前用噴壺濕潤(rùn)生物結(jié)皮表面，以減少對(duì)地表的擾動(dòng)。具體操作是把PVC管垂直按入結(jié)皮表面，采集原狀土，用防水膠帶把PVC管底部封住。每種地表類型采集4份作為重復(fù)。實(shí)驗(yàn)前把原狀土?xí)窀?，直到其重量保持恒定。為最大程度的反映?shí)際情況，采自沙丘不同地貌部位的結(jié)皮樣品置于相應(yīng)的位置?？紤]所選樣地為半固定沙丘，且項(xiàng)目區(qū)風(fēng)季已過(guò)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)置于丘頂?shù)臉悠愤M(jìn)行了防沙處理，即把微型蒸滲計(jì)置于直徑10 cm、高5 cm的PVC環(huán)中，以防止流沙對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成不利影響。觀測(cè)期間如遇降雨事件，雨后把蒸滲計(jì)曬之恒重之后繼續(xù)用于凝結(jié)水的觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間為2010年8月13日—8月29日(17、20和21日下雨)和9月13—9月23日(17—19日下雨，20日未觀測(cè))。觀測(cè)方法為稱重法，即19:00和次日7:00采用精度為0.01 g的電子天平對(duì)樣品進(jìn)行稱重，蒸滲計(jì)的重量之差視為夜間形成的凝結(jié)水量，每次稱重前擦凈蒸滲計(jì)表面和底部沙粒以保證實(shí)驗(yàn)精度。凝結(jié)水形成過(guò)程的觀測(cè)自19:00開(kāi)始每2 h進(jìn)行1次，蒸發(fā)過(guò)程的觀測(cè)自7:00開(kāi)始每30 min進(jìn)行1次。由于蒸滲計(jì)的底部被防水膠帶封住，因此把蒸滲計(jì)重量變化視為空氣中水汽和蒸滲計(jì)中土壤水分在上界面交換的結(jié)果。蒸滲計(jì)重量增加則視為形成了凝結(jié)水，重量減少了則視為水分蒸發(fā)。最后以質(zhì)量表示的凝結(jié)水量轉(zhuǎn)換成以高度表示的凝結(jié)水量，具體轉(zhuǎn)換公式是：

H=10m/ρπr2

式中，H為凝結(jié)水量(mm)；m為樣品重量變化(g)；r為蒸滲計(jì)的半徑(cm)；ρ為水的密度(g/cm3)。觀測(cè)期間的大氣溫度、地表溫度和空氣相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)站附近的小型自動(dòng)氣象站(DELTA-T, Devices Inc., Cambridge, UK)。不同類型地表凝結(jié)水量的差異采用單因素方差分析法(ANOVA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 凝結(jié)水量

觀測(cè)期間共有20次實(shí)驗(yàn)記錄。除降雨天氣外，每天都能觀測(cè)到水分凝結(jié)現(xiàn)象，但凝結(jié)水的日變化較大(圖1)。不同類型地表日凝結(jié)水量有差異，基本呈現(xiàn)出裸沙lt;淺灰色藻類結(jié)皮lt;黑褐色藻類結(jié)皮lt;苔蘚結(jié)皮的趨勢(shì)，生物結(jié)皮表面的日凝結(jié)水量大于裸沙，隨著生物結(jié)皮的發(fā)育，日凝結(jié)水量呈增加的趨勢(shì)。

圖1 觀測(cè)期間不同類型地表凝結(jié)水量的日變化Fig.1 Daily dew amount of different soil surface types during experimental periods圖中誤差棒代表標(biāo)準(zhǔn)誤 (n=4)

不同類型地表凝結(jié)水總量有差異(表1)，凝結(jié)水總量依次是(1.998±0.075)，(2.326±0.083)，(2.790±0.058)和(3.416±0.068) mm，不同類型地表凝結(jié)水總量之間差異顯著(Plt;0.05)，生物結(jié)皮表面的凝結(jié)水總量顯著大于裸沙，生物結(jié)皮表面的凝結(jié)水總量隨結(jié)皮的發(fā)育呈增加的趨勢(shì)，不同發(fā)育階段生物結(jié)皮表面的凝結(jié)水量之間差異顯著(Plt;0.05)。不同類型地表日凝結(jié)水量變率較大，裸沙日凝結(jié)水量介于0.025—0.232 mm之間、淺灰色藻類結(jié)皮日凝結(jié)水量介于0.069—0.276 mm之間、灰褐色藻類結(jié)皮日凝結(jié)水量介于0.083—0.301 mm之間，苔蘚結(jié)皮日凝結(jié)水量介于0.071—0.322 mm之間，凝結(jié)水最大值和最小值之間相差數(shù)倍。不同類型地表日平均凝結(jié)水量具有差異，日平均凝結(jié)水量依次是(0.100±0.003)，(0.116±0.004)，(0.140±0.002)和(0.171±0.003) mm，不同類型地表日平均凝結(jié)水量之間差異極顯著(Plt;0.01)。

表1 不同類型地表凝結(jié)水量分析

不同的小寫字母表示0.05水平上的顯著性差異，不同的大寫字母表示0.01水平上的顯著性差異，表中數(shù)字為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=4)

2.2 凝結(jié)水形成和蒸發(fā)過(guò)程

為探明凝結(jié)水的形成過(guò)程，對(duì)不同類型地表的凝結(jié)水量每2 h觀測(cè)1次，所選日期為8月16日和9月21日晚。觀測(cè)期間夜間晴朗，風(fēng)速較低，能夠代表觀測(cè)期間大多數(shù)夜間的情況。不同類型地表凝結(jié)水形成過(guò)程的觀測(cè)結(jié)果顯示，凝結(jié)水自19:00開(kāi)始形成，19:00—23:00之間形成較明顯，23:00—凌晨1:00之間凝結(jié)水形成不明顯，裸沙和淺灰色藻類結(jié)皮表面尤其不明顯，凌晨1:00開(kāi)始凝結(jié)水繼續(xù)形成，5:00—7:00之間凝結(jié)水雖然繼續(xù)形成，但形成速度放緩(圖2)。

圖2 不同類型地表凝結(jié)水形成和蒸發(fā)過(guò)程以及凝結(jié)水保持時(shí)間Fig.2 Measured cumulative dew deposition, evaporation and dew duration on different soil surface types 圖中誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤(n=4)；不同的小寫字母表示差異顯著(Plt;0.05); BC: 裸沙; LC: 淺灰色藻類結(jié)皮；DC: 黑褐色藻類結(jié)皮；MC: 苔蘚結(jié)皮

為了解凝結(jié)水的蒸發(fā)過(guò)程，自7:00開(kāi)始每隔30 min觀測(cè)1次不同類型地表的凝結(jié)量，所選擇的日期為2010年9月22日。觀測(cè)期間天氣晴朗，風(fēng)速很小，能夠代表晴朗天氣結(jié)皮表面的凝結(jié)水蒸發(fā)特征。7:00—7:30之間，除淺灰色藻類結(jié)皮外，黑褐色藻類結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮表面繼續(xù)形成少量的凝結(jié)水，苔蘚結(jié)皮表面尤其較明顯。7:30開(kāi)始，夜間形成的凝結(jié)水開(kāi)始蒸發(fā)，10:30—11:00之間不同類型地表的凝結(jié)水蒸發(fā)結(jié)束(圖2)。凝結(jié)水在不同類型地表中的保持時(shí)間有差異(圖2)。凝結(jié)水在裸沙、淺灰色藻類結(jié)皮、黑褐色藻類結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮中的保持時(shí)間分別是(4.0±0.2)，(4.3±0.1)，(3.4±0.1)和(3.5±0.1) h，凝結(jié)水在裸沙和淺灰色藻類結(jié)皮中的保持時(shí)間顯著大于在黑褐色藻類結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮中的保持時(shí)間(Plt;0.05)。

2.3 凝結(jié)水與氣象因子之間的關(guān)系

凝結(jié)水的形成與空氣相對(duì)濕度、地表溫度、空氣溫度和空氣地表溫度差之間的關(guān)系密切，不同類型地表凝結(jié)水量與氣象因子之間的關(guān)系如圖3所示。凝結(jié)水與空氣相對(duì)濕度之間關(guān)系密切，夜間空氣相對(duì)濕度上升，不同類型地表的凝結(jié)水量隨之增加，到翌日7:00—7:30時(shí)達(dá)最高；當(dāng)太陽(yáng)升起后，空氣相對(duì)濕度開(kāi)始減少，地表的凝結(jié)水也開(kāi)始蒸發(fā)(圖3)。當(dāng)?shù)乇頊囟冗_(dá)到露點(diǎn)溫度時(shí)表層土壤、空氣中的水汽和土壤孔隙中的水汽變成液態(tài)水。隨著地表溫度的減少，凝結(jié)水開(kāi)始形成，溫度達(dá)最低時(shí)地表所形成的凝結(jié)水量最高；當(dāng)太陽(yáng)升起后地表溫度開(kāi)始上升，凝結(jié)水開(kāi)始蒸發(fā)(圖3)。空氣溫度對(duì)凝結(jié)水的影響較明顯，隨著空氣溫度的降低，地表凝結(jié)水呈增加的趨勢(shì)，空氣溫度達(dá)最低時(shí)地表形成的凝結(jié)水量達(dá)到較高的水平(圖3)。當(dāng)空氣溫度高于地表溫度時(shí)，水汽隨溫度梯度由空氣向地表移動(dòng)，有利于凝結(jié)水的形成，反之則不易形成凝結(jié)水。觀測(cè)初始，空氣溫度大于地表溫度，水分向地表移動(dòng)，開(kāi)始出現(xiàn)水分凝結(jié)現(xiàn)象。隨著空氣溫度的進(jìn)一步降低，地表溫度逐漸開(kāi)始大于空氣溫度，此時(shí)結(jié)皮表面水分凝結(jié)現(xiàn)象不明顯或出現(xiàn)少量水分蒸發(fā)的現(xiàn)象。隨著空氣溫度的進(jìn)一步降低，地表溫度雖然大于空氣溫度，繼續(xù)觀測(cè)到了水分凝結(jié)現(xiàn)象，這可能是此時(shí)的空氣溫度低于露點(diǎn)溫度，從而繼續(xù)發(fā)生了水分凝結(jié)現(xiàn)象，直到太陽(yáng)升起后隨著空氣和地表溫度的增加，凝結(jié)水開(kāi)始蒸發(fā)(圖3)。上述結(jié)果表明凝結(jié)水的形成與大氣溫度、地表溫度、空氣相對(duì)濕度和空氣與地表溫度差之間的關(guān)系較密切，但凝結(jié)水的形成過(guò)程不與某一個(gè)氣象因子呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

圖3 凝結(jié)水量與氣象因子之間的相關(guān)性Fig.3 Correlations between dew amounts and meteorological factorsBS：裸沙，LC：淺灰色藻類結(jié)皮，DC：黑褐色藻類結(jié)皮，MC：苔蘚結(jié)皮; RH: 空氣相對(duì)濕度； AT： 空氣溫度； TD： 空氣地表溫差

3 討論

凝結(jié)水的來(lái)源主要包括近地面空氣中的水汽、土壤中的水汽和植物周圍呼吸或蒸騰出的水汽[7]。植被稀疏的干旱區(qū)，近地面空氣中的水汽是凝結(jié)水的主要來(lái)源[13]。當(dāng)?shù)乇頊囟鹊陀诳諝饨乇頊囟葧r(shí)便可形成凝結(jié)水，溫差較大的季節(jié)尤其容易形成。本文通過(guò)不同類型地表凝結(jié)水形成和蒸發(fā)特征的觀測(cè)，分析討論了影響生物結(jié)皮表面凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的因素，比較了我國(guó)不同氣候區(qū)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水形成的影響，闡明了凝結(jié)水在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中所發(fā)揮的重要生態(tài)學(xué)和水文學(xué)意義。

3.1 裸沙對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響

研究區(qū)裸沙機(jī)械組成以細(xì)沙為主，中沙次之[20]，其機(jī)械組成中無(wú)粉粒和黏粒等細(xì)顆粒物，而結(jié)皮層含有豐富的粉粒和黏粒等細(xì)顆粒物。裸沙生物組分與生物結(jié)皮相比較單一，主要是一些耐貧瘠的微生物。裸沙表面的凝結(jié)水形成和蒸發(fā)過(guò)程與其生物和非生物組分密切相關(guān)。裸沙較粗糙的質(zhì)地結(jié)構(gòu)可能使裸沙表面對(duì)溫度變化更加的敏感，從而影響了裸沙對(duì)凝結(jié)水的捕獲能力，造成裸沙表面的凝結(jié)水量小于生物結(jié)皮。在水分蒸發(fā)過(guò)程中，裸沙與生物結(jié)皮相比表面積較小，相對(duì)較小的表面積一定程度上減少了水分蒸發(fā)。此外，裸沙機(jī)械組成中不含粉粒和黏粒等細(xì)顆粒物，裸沙表面補(bǔ)水的毛管作用力很小，較小的毛管作用力可能是裸沙表面水分蒸發(fā)速度較慢的原因之一。

3.2 藻類結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響

藻類結(jié)皮的生物和非生物成分明顯與裸沙不同，藻類結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響與其生物和非生物成分密切相關(guān)。構(gòu)成藻類結(jié)皮的生物成分主要以藻類和微生物為主，機(jī)械組成中開(kāi)始出現(xiàn)粉粒和黏粒等細(xì)顆粒物。首先，組成藻類結(jié)皮的多數(shù)藻都是親水性的，而且有些藻類可以移動(dòng)，在干旱缺水時(shí)處于結(jié)皮層的底部，環(huán)境適當(dāng)時(shí)能移到結(jié)皮表面部位迅速吸收水分，以致吸收后的體積可達(dá)原來(lái)體積的4—5倍之多[21]。另一方面，微生物和藻體分泌的胞外多糖等物質(zhì)在凝結(jié)水捕獲方面發(fā)揮著積極的作用，結(jié)皮中微小生物體所分泌的胞外多糖等物質(zhì)吸收水分，提高了藻類結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水的捕獲能力[22- 23]。不同類型藻類結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水的捕獲能力也有所不同。黑褐色藻類結(jié)皮表面積與淺灰色藻類結(jié)皮相比較粗糙，意味著更大的表面積，黑褐色藻類結(jié)皮較大的表面積在凝結(jié)水捕獲方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，使黑褐色藻類結(jié)皮表面的凝結(jié)水量大于淺灰色藻類結(jié)皮。在水分蒸發(fā)過(guò)程中，吸水膨脹后的藻體可將堵塞40%之多的結(jié)皮層孔隙，一定程度上阻礙了水分從結(jié)皮表面蒸發(fā)[24]，降低了結(jié)皮表面水分蒸發(fā)速率，使水分在淺灰色藻類結(jié)皮中的保持時(shí)間較長(zhǎng)。黑褐色藻類結(jié)皮表面的凝結(jié)水蒸發(fā)速度較前者快，這可能是黑褐色藻類結(jié)皮表面顏色較深的原因，當(dāng)太陽(yáng)升起后黑褐色藻類結(jié)皮表面能吸收更多的太陽(yáng)能，進(jìn)而加快了黑褐色藻類結(jié)皮表面的水分蒸發(fā)速度[19]。

3.3 苔蘚結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響

苔蘚結(jié)皮的生物組分主要以苔蘚植物為主，在種類組成和細(xì)顆粒物含量等方面明顯與其他類型生物結(jié)皮不同。苔蘚結(jié)皮表面的凝結(jié)水總量和日平均凝結(jié)水量均大于其他類型的生物結(jié)皮，可能是由于苔蘚植物體在干旱缺水時(shí)皺縮，進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)遇到水分(即使是很少量的露水或霧)之后苔蘚植物體能夠恢復(fù)其生理學(xué)活性，恢復(fù)生物學(xué)活性的苔蘚植物體露在結(jié)皮表面，與其它類型的生物結(jié)皮相比有更多的表面積，較大的表面積在凝結(jié)水捕獲方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。另一方面，夜間苔蘚結(jié)皮覆蓋區(qū)溫度下降較快，當(dāng)溫度低于近地表氣溫時(shí)空氣中的水汽開(kāi)始向地表凝結(jié)，苔蘚結(jié)皮覆蓋區(qū)較明顯的晝夜溫差使苔蘚結(jié)皮表面更容易形成凝結(jié)水。白天苔蘚結(jié)皮表面增溫較快，高溫促使地表凝結(jié)水的快速蒸發(fā)與近地表相對(duì)濕度的下降，造成了苔蘚結(jié)皮表面凝結(jié)水量的快速下降。這與古爾班通古特沙漠和騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)的研究結(jié)果基本一致[12,14]。進(jìn)一步觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)升出后較短的時(shí)間之內(nèi)凝結(jié)水繼續(xù)形成，發(fā)育良好的苔蘚結(jié)皮表面尤其比較明顯，這與張靜等在古爾班通古特沙漠地區(qū)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水影響的研究結(jié)果類似[12]，這可能是雖然太陽(yáng)已升出，但地表和空氣溫度仍然較低，結(jié)皮表面繼續(xù)形成了少量的凝結(jié)水。在水分蒸發(fā)方面，白天苔蘚結(jié)皮對(duì)空氣溫度變化較敏感是苔蘚結(jié)皮表面水分蒸發(fā)速率較快的主要原因。此外，發(fā)育良好的苔蘚結(jié)皮中細(xì)顆粒物含量較高，較大的毛管作用力使水分不斷向苔蘚結(jié)皮表面移動(dòng)，進(jìn)而影響了苔蘚結(jié)皮表面的水分蒸發(fā)速率[25]。再者，多數(shù)苔蘚植物體遇水之后能夠恢復(fù)其生物生理學(xué)活性，個(gè)別苔蘚植物體能夠在遇水后的短短30 min之內(nèi)恢復(fù)其正常生理活性[26]，而苔蘚植物體恢復(fù)其生物生理活性所需的水分也可能是苔蘚結(jié)皮表面水分快速減少的一個(gè)原因。

3.4 我國(guó)不同氣候區(qū)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水影響的比較

我國(guó)溫帶荒漠地區(qū)分布著大面積沙漠和沙地，涵蓋了從極端干旱到半濕潤(rùn)的不同氣候區(qū)。目前在古爾班通古特沙漠和騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)已有相關(guān)的研究報(bào)道。張靜等在古爾班通古特沙漠地區(qū)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水影響的研究結(jié)果表明，不同類型生物結(jié)皮表面的日平均凝結(jié)水量隨生物結(jié)皮的發(fā)育呈增加的趨勢(shì)[12]。在年均降水量不到200 mm的騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)，不同類型生物結(jié)皮的凝結(jié)水量表現(xiàn)出與前者類似的規(guī)律，生物結(jié)皮的日平均凝結(jié)水量較前者大或相當(dāng)[14]。在年均降水量接近400 mm的毛烏素沙地南緣沙區(qū)，生物結(jié)皮表面的凝結(jié)水隨生物結(jié)皮的發(fā)育呈增加的趨勢(shì)，生物結(jié)皮的日平均凝結(jié)水量較前兩個(gè)地區(qū)有所增加，盡管不同氣候區(qū)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水影響的研究在觀測(cè)時(shí)間、時(shí)段上尚未統(tǒng)一，但日平均凝結(jié)水量基本在降水梯度(從極端干旱、干旱到半干旱)上呈增加的趨勢(shì)。在水分蒸發(fā)方面，凝結(jié)水在發(fā)育早期生物結(jié)皮中的保持時(shí)間較長(zhǎng)，在苔蘚和黑褐色藻類結(jié)皮中的保持時(shí)間較短，這與張靜等在古爾班通古特沙漠地區(qū)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水影響的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果較類似[12]，但凝結(jié)水在結(jié)皮中保持時(shí)間較前者短。騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)的研究結(jié)果表明，在小降雨事件中生物結(jié)皮的發(fā)育加快了水分蒸發(fā)過(guò)程，而較大降雨事件中生物結(jié)皮的發(fā)育一定程度上抑制水分蒸發(fā)過(guò)程，起到保護(hù)表層水分的作用[27]，如果把夜間形成的凝結(jié)水視為很小的降雨事件的話，本文的研究結(jié)果與沙坡頭地區(qū)的研究結(jié)果基本吻合。從上述比較可知，不同氣候區(qū)生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響有所差異，是不同氣候區(qū)生物結(jié)皮和氣象因素共同作用的結(jié)果，因此后續(xù)的研究應(yīng)加強(qiáng)凝結(jié)水形成過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)。

3.5 生物結(jié)皮表面凝結(jié)水的生態(tài)學(xué)意義

對(duì)水分匱乏的沙區(qū)環(huán)境來(lái)說(shuō)，凝結(jié)水的重要作用是不容忽視的。以色列內(nèi)蓋夫沙漠地區(qū)凝結(jié)水的觀測(cè)結(jié)果表明，出現(xiàn)水分凝結(jié)現(xiàn)象的天數(shù)能達(dá)到觀測(cè)天數(shù)的50%[28]。生物結(jié)皮作為干旱、半干旱沙區(qū)重要地表景觀之一，其分布面積幾乎占到該地區(qū)生物覆蓋率的40%[19]，生物結(jié)皮表面形成的凝結(jié)水對(duì)沙地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的重要影響是不容忽視的。首先，生物結(jié)皮表面的凝結(jié)水在一定程度上減少了沙地生態(tài)系統(tǒng)水分蒸發(fā)支出的“赤字”，緩解荒漠地區(qū)微小生物體的缺水狀態(tài)。次之，凝結(jié)水成為荒漠地區(qū)微小生物體或隱花植物的珍貴水資源，能夠使其保持生物學(xué)活性，進(jìn)而影響荒漠生態(tài)系統(tǒng)的功能和過(guò)程。再者，發(fā)育良好的苔蘚結(jié)皮表面的凝結(jié)水量最高，蒸發(fā)速度也較快，因此生物結(jié)皮的進(jìn)一步發(fā)育一定程度上加快了沙土表層水分循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而對(duì)沙地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

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EffectsofbiologicalcrustsondewdepositionandevaporationintheSouthernEdgeoftheMuUsSandyLand,NorthernChina

YIN Ruiping1，WU Yongsheng1,*, ZHANG Xin1, HA Si2, TIAN Xiumin1, LI Zekun1, WANG Jian1, MIAO Henglu1, REN Jie1

1InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResources,Hohhot010020,China2CollegeofResourcesScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Dew is one of the most important moisture sources except rainfall for extremely water limited desert ecosystems and they have a significant effect on the maintenance of ecosystem structure, function and processes. To better understand the influence of biological crusts on dew deposition and evaporation processes in a semiarid sandy ecosystem, dew quantities of different surface types (bare sand, light algae crusts, dark algae crusts and moss crusts) were measured in the southern edge of the Mu Us sandy land in northern China using micro-lysimeters with a diameter of 7 cm and a height of 5 cm. The main conclusions were as follows: (1) There are 20 records in the experimental periods where dew was deposited almost every day except rainy days; (2) The total dew amounts of different soil surface types were (1.998±0.075), (2.326±0.083), (2.790±0.058) and (3.416±0.068) mm for bare sand, light algal crusts, dark algal crusts and moss crusts, respectively. Moss crusts were characterized by having the greatest amount of dew at dawn, whereas bare sand yielded the lowest amount of dew and the total dew amounts of biological crusts were significantly higher than that in bare sand (Plt;0.05). Therefore it can be concluded that the formation of biological crusts benefited dew deposition. Dew quantities of biological soil crusts increased with crust development and the total dew amounts of different types of biological crusts varied significantly (Plt;0.05). Daily average dew amounts of different soil surface types were (0.100±0.003), (0.116±0.004), (0.140±0.002) and (0.171±0.003) mm for the bare sand, light algal crusts, dark algal crusts and moss crusts, respectively. The maximum amount of dew for each type of crust studied was several times greater than the minimum and the daily average dew amounts of different soil surface types were significantly different from each other (Plt;0.01); (3) Results of dew formation processes at 2 hour intervals indicated that dew formation begins at 19:00, inconspicuous dew was deposited from 23:00 to 1:00 which then proceeded from 1:00 to 7:00. From 7:00 to 7:30, continuous dew was deposited on the surface of dark algae crusts and moss crusts even after sunrise but not on light algae crusts. Results of dew evaporation processes at 30 min intervals indicated that dew evaporation begins at 7:30, and ends from 10:30 to 11:00. Dew duration time in bare sand and light algae crusts was significantly higher than that in dark algae crusts and moss crusts (Plt;0.05). It can be concluded that well developed biological crusts may potentially enhance hydrological circulation in the upper sand layer in sandy land. (4) Dew formation processes can be affected by air temperature, land surface temperature, relative air humidity and temperature differences between the atmosphere and land surface. Dew formation processes are not simply linearly related to any meteorological factors. These data further the understanding of dew formation characteristics of biological crusts in semi-arid sandy areas and assist in evaluating the significant ecological roles of dew in semi-arid environments.

Mu Us sandy land; biological crusts; dew; evaporation

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41201015); 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目

2013- 04- 03;

2013- 07- 15

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yswuwork@126.com

10.5846/stxb201304030594

尹瑞平，吳永勝，張欣，哈斯，田秀民，李澤坤，王健，苗恒錄，任杰.毛烏素沙地南緣沙丘生物結(jié)皮對(duì)凝結(jié)水形成和蒸發(fā)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(19):6173- 6180.

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