肖輝杰,張鋒,賈瑞燕

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院,100083,北京;2.首鋼工學院建筑與環(huán)保工程系,100144,北京;3.北京市水利科學研究所,100048,北京)

在地球表面,各種物質(zhì)和能量不間斷進行循環(huán),水是其中最活躍的物質(zhì)之一。在土壤-植物 大氣系統(tǒng)中水分的傳輸問題是物質(zhì)流動和能量轉(zhuǎn)化的核心問題。凝結(jié)水也是降水的一種形式,但在大多研究中由于凝結(jié)水數(shù)量較少,在水分研究中經(jīng)常會被忽略[1-2]。

凝結(jié)水是指當物體表面溫度達到露點時,水汽凝結(jié)而成的液態(tài)水[3]。霧也屬于凝結(jié)水的其中一種,二者之間的區(qū)別在于,物體表面溫度低于露點形成凝結(jié)水,而整個大氣層溫度冷卻至露點才形成霧。霧被地表植被截留后,會形成水滴,滴落到地面。這部分水量也越來越多受到關(guān)注。

凝結(jié)水可以成為降水的有效補充[4]。當水汽在葉片表面凝結(jié)時,可以被植物葉片直接吸收,從而降低葉片內(nèi)部水分虧缺。當葉片上形成的凝結(jié)水量較大時,凝結(jié)水可以由植株表面滴落到土壤中,參與土壤水分平衡過程[5]。當大氣水汽和土壤孔隙水汽在土壤表面和土壤內(nèi)凝結(jié)時,凝結(jié)水成為土壤水的一部分,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(nèi)保持較長時間的穩(wěn)定性[6]。另外,因為表層土壤水分含量對于維持土體穩(wěn)定具有非常重要的作用,凝結(jié)水被認為是干旱及半干旱地區(qū)維持沙地表土穩(wěn)定方面的重要因素[7]。有研究指出凝結(jié)水還可以影響旱區(qū)植物生長以及生物結(jié)皮形成[8-9],加之凝結(jié)水是沙漠生境中昆蟲、小型動物,特別是節(jié)肢動物和軟體動物的重要水源[10];因此凝結(jié)水在這一區(qū)域具有維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重要意義。

1 觀測方法

盡管對于凝結(jié)水的研究已有較長時間,但至今尚無統(tǒng)一的方法用于觀測凝結(jié)水。凝結(jié)水形成量通常較小,不能用標準的雨量計直接測量,因此,學者們研制出不同類型的凝結(jié)水測量儀器。

有研究者采用直接稱量式的露量計進行凝結(jié)水的測量。A.Zangvil[11]使用的 Hiltner-type露水平衡儀器對以色列內(nèi)蓋夫沙漠的凝結(jié)水量進行觀測。N.Ninari等[12]認為微型蒸滲儀是測定土壤凝結(jié)水比較理想的方法。王哲等[13]在內(nèi)蒙古鄂爾多斯風沙灘地區(qū)采用自制籠屜式測滲儀對土壤凝結(jié)水進行了觀測。在德國,R.Meissner等[14]采用直徑113 cm、高度2 m的大型可稱量蒸滲儀直接測定露、霧水量,該儀器采用砝碼進行精度較正,精度可以達到0.02 mm水深(20 g),相比其他方法,蒸滲儀的優(yōu)勢在于被研究的不同植被類型可以直接種植在蒸滲儀內(nèi)。

曹文炳等[7]在西北地區(qū)沙漠及荒漠化地區(qū)采用智能化土壤水分快速測試儀、數(shù)字溫度計、相對濕度儀對土壤凝結(jié)水進行觀測試驗。對沙丘表層0～30 cm深度范圍內(nèi)的大氣溫度、地表溫度、地溫以及土壤含水量連續(xù)觀測,每2 h觀測一次,試驗歷時5 d。研究結(jié)果表明土壤凝結(jié)水對土壤包氣帶水分的保存及分布起到重要的作用,并初步確定,地表溫度與大氣溫度和地溫的溫差是凝結(jié)水形成的主控因素。

在不同的研究中,很多的材料被用作凝結(jié)水形成的表面。S.Duvdevan[15]采用油漆木板作為凝結(jié)水凝結(jié)的表面,將其放置于距地表1m高處來收集大氣凝結(jié)水。A.F.G.Jacobs等[16]采用的裝置是雷克盤(leick plate),一種不吸濕性光盤,放置于玉米(Zea mays L.)的冠層內(nèi)收集凝結(jié)水。濾紙圓盤也是一種被廣泛采用的方法觀測凝結(jié)水形成過程,它通常被用于觀測草或作物葉片露水形成過程。K.Richards等[17]采用這種方法,將提前稱好質(zhì)量的吸水紙壓在濕葉片上,然后再稱量吸水紙質(zhì)量,計算吸收凝結(jié)水導(dǎo)致的質(zhì)量變化。G.J.Kidron等[18]利用方布片測定內(nèi)蓋夫沙漠的降露水,布片被放置在玻璃板中央測定凝結(jié)水量。

研究霧水量的測定方法有很多,有研究者用雨量計懸掛在林冠以上收集霧水,有的用金屬桿或細鐵絲網(wǎng)甚至用樹枝進行截留水量。R.Marloth[19]在非洲南部將很多根蘆葦桿插在雨量計上部收集霧水。A.Dieckmann[20]設(shè)計一種霧水收集器,將直徑為雨量計口徑2/3的紗網(wǎng)圓筒豎立在距雨量計筒口35 cm高處進行霧水收集。

土壤吸濕水測定方法目前采用最普遍仍是電熱烘箱干燥法。國際通用的常規(guī)方法是對5 g左右土壤樣品以105±2℃條件下烘烤6～8 h[21],有時也采用105～110℃烘干11～13 h[22]。

2 研究現(xiàn)狀及分析

在國外,1912—1913年蘇聯(lián)學者開始對沙地凝結(jié)水進行研究,首次獲得沙地水分狀況和凝結(jié)水的資料。20世紀50年代,法國也開始從不同角度進行研究,探索了凝結(jié)水的形成[23]。1970年后,隨著遙感技術(shù)和同位素技術(shù)的應(yīng)用,在沙地水分數(shù)值模擬定量研究、沙地水分形成特征、運移規(guī)律、與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系等方面都取得了較大進展。

我國對凝結(jié)水的研究起步較晚,1961年王積強[24]首次在山東德州進行凝結(jié)水試驗,初步測得凝結(jié)水量。20世紀80年代張興魯[25]指出了干旱沙區(qū)凝結(jié)水研究的重要意義,并分析了沙地凝結(jié)水與氣象因子的關(guān)系。近幾年,我國關(guān)于凝結(jié)水的研究報道也逐漸增多,概括為凝結(jié)水的發(fā)生時間、水汽來源、形成條件、形成量和影響因素等方面[7]。

2.1 凝結(jié)水的水汽來源與凝結(jié)水量

關(guān)于凝結(jié)水的研究,國內(nèi)外存在明顯的差別。國外學者認為,在沒有降雨情況下,表層土壤主要通過3種機制補充水分:霧、露和土壤的吸濕水[26]。這里,露是指大氣水汽凝結(jié)水。在國內(nèi),土壤孔隙水汽在溫度梯度的作用下向上移動并在一定深度凝結(jié)被作為凝結(jié)水的研究內(nèi)容[27];然而,在國外的研究中這只是被作為土壤內(nèi)水分運移的一種方式進行研究。研究內(nèi)容的差異導(dǎo)致研究結(jié)果產(chǎn)生分歧。

國外關(guān)于植被凝結(jié)水研究很多,J.L.Monteith等[28]嚴格區(qū)分了植被上凝結(jié)水,水汽從大氣降到植物表面形成凝結(jié)水被稱為降露(dewfall),土壤表面蒸發(fā)的水汽在植物上凝結(jié)形成的凝結(jié)水被稱為升露(dewrise)。關(guān)于植被凝結(jié)水量,有研究發(fā)現(xiàn)在澳大利亞西南半干旱草地一晚最大凝結(jié)水量可以達到0.56 mm[29]。在荷蘭,2 m高的作物上每晚的凝結(jié)水量可以達到0.42 mm[30]。對于裸地凝結(jié)水,在以色列,有研究發(fā)現(xiàn)沙漠地區(qū)平均每晚的凝結(jié)水量為0.24 mm[31]。

在國內(nèi),蔣瑾等[8]發(fā)現(xiàn)在內(nèi)蒙古科爾沁沙地凝結(jié)水是水資源的一個重要組成部分,年度內(nèi)凝結(jié)水量達44.99 mm,為年平均降水量的12.29%,為同期降水量的15.76%。方靜等[32]在甘肅省臨澤縣北部綠洲邊緣觀測到人工草地、平坦無植被沙地、沙丘頂部、丘間低地和人工林地在7—10月的平均月凝結(jié)量分別為 5.1、4.0、3.1、1.8 和 1.0 mm。 李玉靈等[33]在毛烏素沙地的實驗結(jié)果表明,日均水分凝結(jié)總量在 5、8、9 和 10 月分別為 0.066 2、0.167 4、0.177 8和0.160 0 mm/d。

2.2 凝結(jié)水形成物理過程與影響因素

凝結(jié)水是多種因素綜合的結(jié)果,通過不斷試驗觀測,從單一因素到綜合研究,人們正循序漸進地認識其物理形成過程及其影響因素。

A.F.G.Jacobs等[16]指出,夜間強烈的輻射損耗和充分的水汽供應(yīng)是凝結(jié)水形成的基本要求。A.C.Madeira等[34]指出,凝結(jié)水量的大小取決于輻射損耗被熱增量平衡的程度,熱增量主要通過感熱、潛熱、熱傳導(dǎo)和熱儲來獲取。

曹文炳等[7]研究發(fā)現(xiàn),在大氣 土壤界面,溫差是凝結(jié)水形成的主要驅(qū)動力。夜間強烈的輻射損耗導(dǎo)致地表與大氣和深層土壤之間存在明顯的溫差;因為表層地溫的降溫速率明顯大于氣溫的降溫速率,地表溫度低于大氣溫度,當?shù)乇頊囟冗_到大氣水汽露點時,凝結(jié)水開始形成。

對于土壤包氣帶凝結(jié)水,地溫梯度是形成凝結(jié)水的關(guān)鍵性因子,夜間,地表溫度低,而地溫較高,孔隙中的水汽在溫度梯度作用下向上運移,在一定深度凝結(jié)[35]。A.R.Subramanian等[4]在印度北部地區(qū)開展凝結(jié)水研究發(fā)現(xiàn),在沙丘頂部形成的凝結(jié)水量明顯高于沙丘底部,分析其原因歸結(jié)于沙丘頂部上部風速較大,夜間降溫快,也進一步證明地表與大氣和地溫的溫差是凝結(jié)水形成的重要因素。

氣溫、云量、風速和相對溫度被認為是凝結(jié)水形成的關(guān)鍵性氣象因子。長期以來很多的研究通過回歸分析方法研究凝結(jié)水形成和氣象因子之間的關(guān)系[36-37]。由于試驗在不同地區(qū)實施,某一特定的氣象因子對于凝結(jié)水形成影響的結(jié)論差別很大。以風速為例,J.L.Monteith[6]指出:當風速低于0.5 m/s時,地表水汽的湍流輸送可以忽略不記;當風速高于0.5 m/s時,水汽湍流通量會隨著風速的提高而增加;當風速達到2～3 m/s時,凝結(jié)水量達到最大值。但是,D.Beysens等[38]發(fā)現(xiàn),微風或者風速近于0時會促進凝結(jié)水的形成。M.Muselli等[39]發(fā)現(xiàn):風速4.5 m/s是凝結(jié)水形成的閾值,風速高于閾值沒有凝結(jié)水發(fā)生;這是因為風速高于閾值時,大風強烈的紊流運動,使得大氣溫度混合均勻,大氣與地表溫差較小,不利于凝結(jié)水的形成。

凝結(jié)水的形成同時也受下墊面狀況的影響。L.Steubing[40]發(fā)現(xiàn)在森林內(nèi)凝結(jié)水量僅為草坪上凝結(jié)水量的1%。J.R.Wallin[41]研究發(fā)現(xiàn)松散的土壤地表凝結(jié)水量高于緊實土壤。在國內(nèi)的研究中,錢連紅等[42]發(fā)現(xiàn),臭柏(Sabina vulgaris Ant.)樣地形成的凝結(jié)量最多,油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)樣地次之,裸地最少。張曉影等[43]在沙地的研究結(jié)果表明,改良沙地凝結(jié)水量顯著大于生物結(jié)皮、物理結(jié)皮和流沙凝結(jié)水量;其結(jié)論證明植被條件較好的生境利于土壤凝結(jié)水的形成。

2.3 凝結(jié)水對植物生長影響

有研究結(jié)果表明:凝結(jié)水會降低植物的蒸騰速率和葉表溫度,影響到植物體內(nèi)的水分平衡[44];凝結(jié)水可以為淺埋根系植物提供最起碼的水分,維系這類植物的生存,提高沙漠一年生種子的萌發(fā),而且可以延長幼苗的存活[45-46]。

另外,凝結(jié)水能否被植物直接有效利用也是凝結(jié)水研究重點。E.C.Stone[45]發(fā)現(xiàn)耐旱植物美國黃松(Pinus armandii Dougl.ex Laws)能通過葉片吸收葉表的凝結(jié)水和雨水;C.E.Martin等[46]發(fā)現(xiàn)27種景天科青鎖龍屬(Crassula)植物的表皮能夠利用排水器吸收葉表面的水分。在國內(nèi),鄭玉龍等[47]研究發(fā)現(xiàn),西雙版納地區(qū)10種附生植物和非附生植物的葉片都能夠吸收凝結(jié)水;李洪波等[48]測定出凝結(jié)水可以影響受到一定水分脅迫的臭柏(Sabinavulgaris)苗木體內(nèi)水勢。

2.4 凝結(jié)水數(shù)值模擬

國外從20世紀50年代開始用能量平衡和空氣動力學方法模擬研究凝結(jié)水和蒸散過程,但國內(nèi)至今尚未開展凝結(jié)水的模擬研究。

J.Neumann[49]指出:在能量平衡方程中凝結(jié)水代表著指向地面或者地物表面的潛熱能量,它是蒸發(fā)的反向物理過程;因此,利用常規(guī)氣象數(shù)據(jù)計算蒸發(fā)的方法可以用于凝結(jié)水的計算。例如基于各氣象因子數(shù)據(jù),D.Beysens等[38]建立了地表熱量和質(zhì)量交換過程的數(shù)學模型,用于模擬凝結(jié)水形成變化過程。另外,被廣泛采用的方法還有表面能量平衡方程、水汽湍流輸送方法、Penman-Monteith方程和波文比能量平衡方程。利用能量平衡方程可以計算出水汽凝結(jié)時釋放出的潛熱通量,進而推算出水汽凝結(jié)水量。有研究[50]表明,能量平衡方法估算的凝結(jié)水量與觀測值較為一致。J.Neumann[49]利用水汽湍流傳輸方程計算在草地或者裸地形成的凝結(jié)水量,估算的凝結(jié)水量接近露量計測定的凝結(jié)水量。Penman-Monteith方程也被廣泛的用于測定凝結(jié)水量,研究結(jié)果表明該方程可以成為凝結(jié)水量估算的有效方法[46,51]。波文比能量平衡方程也被成功地用于凝結(jié)水量的估算[52]。

對于土壤水汽運移,國外土壤學家很早就開始研究溫度梯度對土壤水分運移的影響。J.R.Philip等[51]將水分運移的影響因素分為土壤溫度梯度和土壤孔隙濕度梯度來考慮,并建立了土壤水熱運移耦合方程。P.C.D.Milly[53]對該方程進行了擴展和改進。研究結(jié)果表明,溫度梯度是引起土壤水分運移的主要影響因素,但是上述工作僅限于理論研究,缺少實際資料驗證。

3 存在的問題

1)凝結(jié)水水汽來源于大氣和土壤,在大多研究中無法區(qū)分不同水汽來源的凝結(jié)水量,特別是凝結(jié)水中還包含一部分土壤吸濕水,目前對土壤吸濕水的研究和關(guān)注很少。

2)水汽凝結(jié)和水分蒸發(fā)是2個相逆的物理過程,夜晚水汽凝結(jié)和蒸發(fā)過程經(jīng)常會交替進行,需要特定的設(shè)施和實驗方法,連續(xù)無間斷觀測水汽凝結(jié)過程,區(qū)分凝結(jié)水量和蒸發(fā)量。

3)有研究表明,模型估算是凝結(jié)水研究的一種有效方法,但國內(nèi)在凝結(jié)水數(shù)值模擬方面缺少研究,很多經(jīng)驗方程及數(shù)據(jù)模型需要得到檢驗。