凝结水研究进展

肖辉杰,张锋,贾瑞燕

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.首钢工学院建筑与环保工程系,100144,北京;3.北京市水利科学研究所,100048,北京)

在地球表面,各种物质和能量不间断进行循环,水是其中最活跃的物质之一。在土壤-植物 大气系统中水分的传输问题是物质流动和能量转化的核心问题。凝结水也是降水的一种形式,但在大多研究中由于凝结水数量较少,在水分研究中经常会被忽略[1-2]。

凝结水是指当物体表面温度达到露点时,水汽凝结而成的液态水[3]。雾也属于凝结水的其中一种,二者之间的区别在于,物体表面温度低于露点形成凝结水,而整个大气层温度冷却至露点才形成雾。雾被地表植被截留后,会形成水滴,滴落到地面。这部分水量也越来越多受到关注。

凝结水可以成为降水的有效补充[4]。当水汽在叶片表面凝结时,可以被植物叶片直接吸收,从而降低叶片内部水分亏缺。当叶片上形成的凝结水量较大时,凝结水可以由植株表面滴落到土壤中,参与土壤水分平衡过程[5]。当大气水汽和土壤孔隙水汽在土壤表面和土壤内凝结时,凝结水成为土壤水的一部分,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[6]。另外,因为表层土壤水分含量对于维持土体稳定具有非常重要的作用,凝结水被认为是干旱及半干旱地区维持沙地表土稳定方面的重要因素[7]。有研究指出凝结水还可以影响旱区植物生长以及生物结皮形成[8-9],加之凝结水是沙漠生境中昆虫、小型动物,特别是节肢动物和软体动物的重要水源[10];因此凝结水在这一区域具有维持生态环境稳定的重要意义。

1 观测方法

尽管对于凝结水的研究已有较长时间,但至今尚无统一的方法用于观测凝结水。凝结水形成量通常较小,不能用标准的雨量计直接测量,因此,学者们研制出不同类型的凝结水测量仪器。

有研究者采用直接称量式的露量计进行凝结水的测量。A.Zangvil[11]使用的 Hiltner-type露水平衡仪器对以色列内盖夫沙漠的凝结水量进行观测。N.Ninari等[12]认为微型蒸渗仪是测定土壤凝结水比较理想的方法。王哲等[13]在内蒙古鄂尔多斯风沙滩地区采用自制笼屉式测渗仪对土壤凝结水进行了观测。在德国,R.Meissner等[14]采用直径113 cm、高度2 m的大型可称量蒸渗仪直接测定露、雾水量,该仪器采用砝码进行精度较正,精度可以达到0.02 mm水深(20 g),相比其他方法,蒸渗仪的优势在于被研究的不同植被类型可以直接种植在蒸渗仪内。

曹文炳等[7]在西北地区沙漠及荒漠化地区采用智能化土壤水分快速测试仪、数字温度计、相对湿度仪对土壤凝结水进行观测试验。对沙丘表层0～30 cm深度范围内的大气温度、地表温度、地温以及土壤含水量连续观测,每2 h观测一次,试验历时5 d。研究结果表明土壤凝结水对土壤包气带水分的保存及分布起到重要的作用,并初步确定,地表温度与大气温度和地温的温差是凝结水形成的主控因素。

在不同的研究中,很多的材料被用作凝结水形成的表面。S.Duvdevan[15]采用油漆木板作为凝结水凝结的表面,将其放置于距地表1m高处来收集大气凝结水。A.F.G.Jacobs等[16]采用的装置是雷克盘(leick plate),一种不吸湿性光盘,放置于玉米(Zea mays L.)的冠层内收集凝结水。滤纸圆盘也是一种被广泛采用的方法观测凝结水形成过程,它通常被用于观测草或作物叶片露水形成过程。K.Richards等[17]采用这种方法,将提前称好质量的吸水纸压在湿叶片上,然后再称量吸水纸质量,计算吸收凝结水导致的质量变化。G.J.Kidron等[18]利用方布片测定内盖夫沙漠的降露水,布片被放置在玻璃板中央测定凝结水量。

研究雾水量的测定方法有很多,有研究者用雨量计悬挂在林冠以上收集雾水,有的用金属杆或细铁丝网甚至用树枝进行截留水量。R.Marloth[19]在非洲南部将很多根芦苇杆插在雨量计上部收集雾水。A.Dieckmann[20]设计一种雾水收集器,将直径为雨量计口径2/3的纱网圆筒竖立在距雨量计筒口35 cm高处进行雾水收集。

土壤吸湿水测定方法目前采用最普遍仍是电热烘箱干燥法。国际通用的常规方法是对5 g左右土壤样品以105±2℃条件下烘烤6～8 h[21],有时也采用105～110℃烘干11～13 h[22]。

2 研究现状及分析

在国外,1912—1913年苏联学者开始对沙地凝结水进行研究,首次获得沙地水分状况和凝结水的资料。20世纪50年代,法国也开始从不同角度进行研究,探索了凝结水的形成[23]。1970年后,随着遥感技术和同位素技术的应用,在沙地水分数值模拟定量研究、沙地水分形成特征、运移规律、与生态环境的关系等方面都取得了较大进展。

我国对凝结水的研究起步较晚,1961年王积强[24]首次在山东德州进行凝结水试验,初步测得凝结水量。20世纪80年代张兴鲁[25]指出了干旱沙区凝结水研究的重要意义,并分析了沙地凝结水与气象因子的关系。近几年,我国关于凝结水的研究报道也逐渐增多,概括为凝结水的发生时间、水汽来源、形成条件、形成量和影响因素等方面[7]。

2.1 凝结水的水汽来源与凝结水量

关于凝结水的研究,国内外存在明显的差别。国外学者认为,在没有降雨情况下,表层土壤主要通过3种机制补充水分:雾、露和土壤的吸湿水[26]。这里,露是指大气水汽凝结水。在国内,土壤孔隙水汽在温度梯度的作用下向上移动并在一定深度凝结被作为凝结水的研究内容[27];然而,在国外的研究中这只是被作为土壤内水分运移的一种方式进行研究。研究内容的差异导致研究结果产生分歧。

国外关于植被凝结水研究很多,J.L.Monteith等[28]严格区分了植被上凝结水,水汽从大气降到植物表面形成凝结水被称为降露(dewfall),土壤表面蒸发的水汽在植物上凝结形成的凝结水被称为升露(dewrise)。关于植被凝结水量,有研究发现在澳大利亚西南半干旱草地一晚最大凝结水量可以达到0.56 mm[29]。在荷兰,2 m高的作物上每晚的凝结水量可以达到0.42 mm[30]。对于裸地凝结水,在以色列,有研究发现沙漠地区平均每晚的凝结水量为0.24 mm[31]。

在国内,蒋瑾等[8]发现在内蒙古科尔沁沙地凝结水是水资源的一个重要组成部分,年度内凝结水量达44.99 mm,为年平均降水量的12.29%,为同期降水量的15.76%。方静等[32]在甘肃省临泽县北部绿洲边缘观测到人工草地、平坦无植被沙地、沙丘顶部、丘间低地和人工林地在7—10月的平均月凝结量分别为 5.1、4.0、3.1、1.8 和 1.0 mm。 李玉灵等[33]在毛乌素沙地的实验结果表明,日均水分凝结总量在 5、8、9 和 10 月分别为 0.066 2、0.167 4、0.177 8和0.160 0 mm/d。

2.2 凝结水形成物理过程与影响因素

凝结水是多种因素综合的结果,通过不断试验观测,从单一因素到综合研究,人们正循序渐进地认识其物理形成过程及其影响因素。

A.F.G.Jacobs等[16]指出,夜间强烈的辐射损耗和充分的水汽供应是凝结水形成的基本要求。A.C.Madeira等[34]指出,凝结水量的大小取决于辐射损耗被热增量平衡的程度,热增量主要通过感热、潜热、热传导和热储来获取。

曹文炳等[7]研究发现,在大气 土壤界面,温差是凝结水形成的主要驱动力。夜间强烈的辐射损耗导致地表与大气和深层土壤之间存在明显的温差;因为表层地温的降温速率明显大于气温的降温速率,地表温度低于大气温度,当地表温度达到大气水汽露点时,凝结水开始形成。

对于土壤包气带凝结水,地温梯度是形成凝结水的关键性因子,夜间,地表温度低,而地温较高,孔隙中的水汽在温度梯度作用下向上运移,在一定深度凝结[35]。A.R.Subramanian等[4]在印度北部地区开展凝结水研究发现,在沙丘顶部形成的凝结水量明显高于沙丘底部,分析其原因归结于沙丘顶部上部风速较大,夜间降温快,也进一步证明地表与大气和地温的温差是凝结水形成的重要因素。

气温、云量、风速和相对温度被认为是凝结水形成的关键性气象因子。长期以来很多的研究通过回归分析方法研究凝结水形成和气象因子之间的关系[36-37]。由于试验在不同地区实施,某一特定的气象因子对于凝结水形成影响的结论差别很大。以风速为例,J.L.Monteith[6]指出:当风速低于0.5 m/s时,地表水汽的湍流输送可以忽略不记;当风速高于0.5 m/s时,水汽湍流通量会随着风速的提高而增加;当风速达到2～3 m/s时,凝结水量达到最大值。但是,D.Beysens等[38]发现,微风或者风速近于0时会促进凝结水的形成。M.Muselli等[39]发现:风速4.5 m/s是凝结水形成的阈值,风速高于阈值没有凝结水发生;这是因为风速高于阈值时,大风强烈的紊流运动,使得大气温度混合均匀,大气与地表温差较小,不利于凝结水的形成。

凝结水的形成同时也受下垫面状况的影响。L.Steubing[40]发现在森林内凝结水量仅为草坪上凝结水量的1%。J.R.Wallin[41]研究发现松散的土壤地表凝结水量高于紧实土壤。在国内的研究中,钱连红等[42]发现,臭柏(Sabina vulgaris Ant.)样地形成的凝结量最多,油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)样地次之,裸地最少。张晓影等[43]在沙地的研究结果表明,改良沙地凝结水量显著大于生物结皮、物理结皮和流沙凝结水量;其结论证明植被条件较好的生境利于土壤凝结水的形成。

2.3 凝结水对植物生长影响

有研究结果表明:凝结水会降低植物的蒸腾速率和叶表温度,影响到植物体内的水分平衡[44];凝结水可以为浅埋根系植物提供最起码的水分,维系这类植物的生存,提高沙漠一年生种子的萌发,而且可以延长幼苗的存活[45-46]。

另外,凝结水能否被植物直接有效利用也是凝结水研究重点。E.C.Stone[45]发现耐旱植物美国黄松(Pinus armandii Dougl.ex Laws)能通过叶片吸收叶表的凝结水和雨水;C.E.Martin等[46]发现27种景天科青锁龙属(Crassula)植物的表皮能够利用排水器吸收叶表面的水分。在国内,郑玉龙等[47]研究发现,西双版纳地区10种附生植物和非附生植物的叶片都能够吸收凝结水;李洪波等[48]测定出凝结水可以影响受到一定水分胁迫的臭柏(Sabinavulgaris)苗木体内水势。

2.4 凝结水数值模拟

国外从20世纪50年代开始用能量平衡和空气动力学方法模拟研究凝结水和蒸散过程,但国内至今尚未开展凝结水的模拟研究。

J.Neumann[49]指出:在能量平衡方程中凝结水代表着指向地面或者地物表面的潜热能量,它是蒸发的反向物理过程;因此,利用常规气象数据计算蒸发的方法可以用于凝结水的计算。例如基于各气象因子数据,D.Beysens等[38]建立了地表热量和质量交换过程的数学模型,用于模拟凝结水形成变化过程。另外,被广泛采用的方法还有表面能量平衡方程、水汽湍流输送方法、Penman-Monteith方程和波文比能量平衡方程。利用能量平衡方程可以计算出水汽凝结时释放出的潜热通量,进而推算出水汽凝结水量。有研究[50]表明,能量平衡方法估算的凝结水量与观测值较为一致。J.Neumann[49]利用水汽湍流传输方程计算在草地或者裸地形成的凝结水量,估算的凝结水量接近露量计测定的凝结水量。Penman-Monteith方程也被广泛的用于测定凝结水量,研究结果表明该方程可以成为凝结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结水量的估算[52]。

对于土壤水汽运移,国外土壤学家很早就开始研究温度梯度对土壤水分运移的影响。J.R.Philip等[51]将水分运移的影响因素分为土壤温度梯度和土壤孔隙湿度梯度来考虑,并建立了土壤水热运移耦合方程。P.C.D.Milly[53]对该方程进行了扩展和改进。研究结果表明,温度梯度是引起土壤水分运移的主要影响因素,但是上述工作仅限于理论研究,缺少实际资料验证。

3 存在的问题

1)凝结水水汽来源于大气和土壤,在大多研究中无法区分不同水汽来源的凝结水量,特别是凝结水中还包含一部分土壤吸湿水,目前对土壤吸湿水的研究和关注很少。

2)水汽凝结和水分蒸发是2个相逆的物理过程,夜晚水汽凝结和蒸发过程经常会交替进行,需要特定的设施和实验方法,连续无间断观测水汽凝结过程,区分凝结水量和蒸发量。

3)有研究表明,模型估算是凝结水研究的一种有效方法,但国内在凝结水数值模拟方面缺少研究,很多经验方程及数据模型需要得到检验。