古爾班通古特沙漠地表土壤凝結(jié)水形成影響因素分析

陳榮毅，魏文壽，王敏仲，買買提艾力·買買提依明

（中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

古爾班通古特沙漠地表土壤凝結(jié)水形成影響因素分析

陳榮毅，魏文壽，王敏仲，買買提艾力·買買提依明

（中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

沙漠中水分條件是決定生態(tài)分異的關(guān)鍵因素,地表凝結(jié)水的產(chǎn)生對(duì)沙漠植物與結(jié)皮生物的水分補(bǔ)充有重要的作用。利用微滲計(jì)對(duì)古爾班通古特沙漠土壤表層凝結(jié)水形成特征及影響因素進(jìn)行分析。研究表明沙漠土壤凝結(jié)水形成總量隨著表層土壤生物演替從流沙、藻類、地衣和苔蘚依次增加。分析影響凝結(jié)水形成的因素表明土壤中細(xì)粒物質(zhì)以及地衣和苔蘚生物相對(duì)土壤粗粒物質(zhì)更有利于凝結(jié)水形成。在土壤結(jié)皮演替過程中土壤中的細(xì)粒顆粒含量增加的同時(shí)生物有機(jī)體含量也在增加，因而隨著表層土壤生物演替凝結(jié)水形成量呈增加趨勢(shì)。凝結(jié)水形成量與日均相對(duì)濕度、土壤濕度呈顯著正相關(guān)，而與日均風(fēng)速、日均溫度、土壤溫度呈負(fù)相關(guān)。研究說明在干旱的沙漠地帶土壤凝結(jié)水是除降水以外補(bǔ)充表層土壤水分重要的水分來源。

古爾班通古特；地表土壤；凝結(jié)水；影響因素

干旱沙漠地區(qū)水分條件是制約生態(tài)格局和過程的關(guān)鍵非生物限制因子，任何形式的水分補(bǔ)給來源都有可能對(duì)其生態(tài)環(huán)境起到積極的作用[1]。雖然新疆北部近幾十年低云量和降水呈增加趨勢(shì)[2，3]，但沙漠地區(qū)總量仍然較少，沙漠年平均降水量普遍不超過150 mm,沙漠腹地僅有70～100 mm,主要集中于春季。凝結(jié)水是干旱荒漠地區(qū)普遍存在的一種持續(xù)穩(wěn)定的水資源，研究指出凝結(jié)水對(duì)干旱地區(qū)一些荒漠植物和小動(dòng)物非常重要[4]，尤其在干旱缺水時(shí)期，可提供必要的水分維持其生存，在極端干旱地區(qū)，凝結(jié)水量有可能超過年降水量[5]。該沙漠中廣泛發(fā)育著的生物土壤結(jié)皮在沙面的固定方面起著重要的作用，因而，在分析不同類型土壤結(jié)皮的選擇性分布原因上，除了土壤質(zhì)地和土壤養(yǎng)分等差異外[6]，水分條件的差異也受到了人們的關(guān)注[7，8]。古爾班通古特沙漠中有相當(dāng)大的一部分降水是以隱匿性降水的形式出現(xiàn)，主要包括地表土壤的凝結(jié)水、吸濕水以及植物葉片和莖桿上以露水形式出現(xiàn)的凝結(jié)水。凝結(jié)水對(duì)有毛植物霧冰藜的光合有一定作用[9-10]，而一些土壤結(jié)皮生物種類的光合啟動(dòng)最小含水量是0.1 mm，以色列荒漠地區(qū)生物土壤結(jié)皮凝結(jié)水研究認(rèn)為凝結(jié)水對(duì)苔蘚植物生殖發(fā)育作用較大[8]。對(duì)土壤凝結(jié)水的研究較為適用的方法為自制微滲計(jì)稱重法[11，12]。目前，對(duì)凝結(jié)水的形成機(jī)理、形成量和影響因子已有了初步的研究成果和認(rèn)識(shí)，但有關(guān)荒漠地表特別是有生物結(jié)皮表層覆蓋的地表凝結(jié)水形成的影響因素研究仍然較缺乏。本項(xiàng)目對(duì)古爾班通古特沙漠地區(qū)土壤表層凝結(jié)水的形成因素開展研究，探討影響生物結(jié)皮為主要覆蓋的固定沙漠土壤表層凝結(jié)水形成的主要因素。

1 研究方法

利用微型蒸滲計(jì)測(cè)定凝結(jié)水方法是眾多凝結(jié)水測(cè)定方法中較準(zhǔn)確的方法之一[13]。在古爾班通古特沙漠，地表2 cm的土壤可以代表表層土壤的凝結(jié)水量[14]。在2010年4月30日—5月30日，利用自制的蒸滲計(jì)對(duì)古爾班通古特沙漠凝結(jié)水形成進(jìn)行了觀測(cè)。蒸滲計(jì)由內(nèi)徑5.5 cm白色PVC內(nèi)筒和內(nèi)徑6.5 cm藍(lán)色PVC外筒組成。內(nèi)筒裝有沙漠地表原狀土，蒸滲計(jì)高度為3 cm，用于采集土壤表層2 cm深度的原狀土。筒底采用孔徑為300目紗網(wǎng)封底，每種試驗(yàn)處理5次重復(fù)。觀測(cè)期間在早晨8時(shí)和下午17時(shí)用精度0.01 g便攜式電子天平對(duì)采集了原狀土的蒸滲計(jì)進(jìn)行稱重，用早晨太陽剛升起時(shí)與前一天下午重量差值折算成降水量后代表夜晚凝結(jié)水形成量。在野外現(xiàn)場(chǎng)稱重過程中，為防止風(fēng)的干擾，稱重都在野外帳篷內(nèi)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型土壤凝結(jié)水形成的差異

在春季4月30日—5月30日，凝結(jié)水形成總量從流沙、藻類、地衣和苔蘚依次增加，分別為2.70 mm、2.88 mm、3.12 mm和3.75 mm（圖1）。沙漠降雨以后，更換蒸滲儀中的原狀土，下雨后第一天夜晚凝結(jié)水形成均為負(fù)值，說明雨后土壤水分含量較高在春季風(fēng)速相對(duì)較大的情況下夜晚表層土壤表現(xiàn)為蒸發(fā)。但較大降雨后第二天開始后續(xù)幾天凝結(jié)水形成量一般較多。

2.2 影響土壤凝結(jié)水形成的因素

2.2.1 土壤機(jī)械組成和生物因素

土壤的機(jī)械組成能顯著的影響凝結(jié)水的形成，用篩網(wǎng)篩選不同粒級(jí)的土壤放入直徑5.5 cm的鋁盒進(jìn)行凝結(jié)水的測(cè)定。另外，用清水清洗除去土壤的純地衣和苔蘚，自然風(fēng)干后,略微壓實(shí)到土壤相同高度,也放入鋁盒測(cè)定凝結(jié)水形成特征。根據(jù)春季測(cè)定結(jié)果，土壤顆粒平均粒徑越細(xì)，凝結(jié)水形成就越大。純地衣和苔蘚凝結(jié)水形成數(shù)量也相當(dāng)于100～200目的細(xì)粒土壤（圖2），說明地表地衣和苔蘚生物含量較多時(shí)有利于凝結(jié)水形成。

采集表層0～1 cm土壤經(jīng)過前處理后，用激光粒度分析儀MasterSizer2000進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量范圍0.02～2 000 μm。不同發(fā)育階段表層土壤機(jī)械組成的變化隨著生物結(jié)皮發(fā)育程度的提高，砂粒的平均粒徑有下降的趨勢(shì)。這與人工固沙區(qū)不同固沙年限發(fā)育的結(jié)皮砂粒粒徑變化特點(diǎn)相同。隨著生物結(jié)皮不同演替階段，0～1 cm表層土壤機(jī)械組成向細(xì)粒級(jí)物質(zhì)增加變化（表1）。

流沙、淺色藻類結(jié)皮和深色藻類結(jié)皮的平均粒徑＞0.2 mm，地衣和藻類結(jié)皮土壤平均粒徑＜0.2 mm。流沙不含粘粒和粉砂粒，0.05～0.25 mm粒徑的細(xì)砂粒只占39%左右，而＞0.25 mm粒徑的粗砂和中砂沙粒占61%左右，因而流沙的水分滲透能力較強(qiáng)，表層土壤水分保持能力弱。隨生物結(jié)皮演替，淺色和深色藻結(jié)皮中開始出現(xiàn)粘粒，處于演替晚期階段的地衣和苔蘚結(jié)皮粘粒和粉砂粒顯著增加。0.05～0.10 mm粒徑的細(xì)砂含量隨著演替階段不斷增加，從流沙的1.20%增至地衣的15.41%和苔蘚的19.94%。

2.2.2 土壤有機(jī)體

根據(jù)結(jié)皮分布特點(diǎn)，以不破壞表層土壤結(jié)構(gòu)的方式在沙壟壟頂采集流沙，沙壟中上部采集淺色藻結(jié)皮，沙壟中部采集黑色藻結(jié)皮，沙壟中下部采集地衣和苔蘚結(jié)皮，每種類型采樣重復(fù)5～8個(gè)，為不破壞結(jié)皮結(jié)構(gòu),采樣前先濕潤(rùn)地表，在地表濕潤(rùn)狀態(tài)下,以塑料環(huán)刀采集結(jié)皮原狀土,厚度約15 mm，未破壞結(jié)構(gòu)的結(jié)皮連同環(huán)刀放入樣品盒，小心帶回試驗(yàn)室。用于固定的結(jié)皮土壤樣品先在60℃條件下烘干48 h。參照制備松散土壤薄片的方法，環(huán)氧樹脂中加入相當(dāng)于其重量13%的三乙醇胺作為固定劑，充分混合后，用于結(jié)皮土壤的浸漬，浸漬24 h，并在浸漬過程中抽真空，使其能夠充分排出土壤中的氣體，浸漬過程中可以適當(dāng)提高室內(nèi)溫度以降低浸漬劑的粘稠度。浸漬好的樣品在65℃烘干24 h，再經(jīng)過切片和磨片等，制成厚度為0.03 mm的土壤薄片用于顯微觀察。

土壤表層0～10 mm所含有機(jī)體平均面積百分率上看，地衣平均有機(jī)體面積最高達(dá)到13.5%，其次是苔蘚為7.2%，再次是深色藻類為2.6%，而流沙和淺色藻類結(jié)皮無有機(jī)體分布。有機(jī)體的分布層次特征表現(xiàn)為深色藻結(jié)皮有機(jī)體主要分布于表層0～10 mm處，1～3 mm仍有少量有機(jī)體分布,而3～10 mm有機(jī)體分布極少。地衣和苔蘚有機(jī)體分布層次明顯深于藻類,地衣主要分布于表層0～4 mm處，在表層0～10 mm土壤層次中呈下降趨勢(shì)。地衣表層0～1 mm所含有機(jī)體的面積達(dá)到50%以上，遠(yuǎn)高于相同層次苔蘚和深色藻結(jié)皮的有機(jī)體含量。苔蘚有機(jī)體在土壤表層0～1 mm未表現(xiàn)明顯的變化特點(diǎn)，在0～4 mm主要為活著的植株體和假根，表層下4～8 mm為大量的棕色假根，這些假根同地衣表層下棕色有機(jī)體可能對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)增加起了重要作用（圖3）。

根據(jù)生物結(jié)皮演替過程中土壤顆粒隨著結(jié)皮向后期演替砂粒的平均粒徑有下降的趨勢(shì)，地衣和苔蘚土壤0.05～0.10 mm粒徑的細(xì)砂含量較高以及含有粘粒和粉砂粒，并且地衣和苔蘚表層生物有機(jī)體含量也較高，而地衣和苔蘚生物體凝結(jié)水形成數(shù)量相當(dāng)于100～200目的細(xì)粒土壤（圖2），因而凝結(jié)水會(huì)隨著生物結(jié)皮演替有顯著的增加趨勢(shì)。

2.2.3 氣象條件

春季觀測(cè)期間5月2日至5月31日距地表5、10、20、50、100、200 cm高度平均風(fēng)速分別為1.47、2.08、2.29、2.69、3.17、3.60 m/s，距地表2 m高度內(nèi)，隨著高度增高，風(fēng)速呈線性增加趨勢(shì)（圖4）。

氣象條件影響凝結(jié)水的形成。綜合春季和秋季觀測(cè)結(jié)果，以紗網(wǎng)為底的2 cm地衣凝結(jié)水形成量與日均溫度、日均相對(duì)濕度和日均風(fēng)速的相關(guān)性分別為-0.001、0.328*、-0.133，凝結(jié)水形成與日均相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，而與日均風(fēng)速及日均溫度的負(fù)相關(guān)系數(shù)未達(dá)到顯著水平。日均溫度與日均相對(duì)濕度兩氣象要素呈極顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.518**（圖5），*與**分別表示達(dá)到顯著水平與極顯著水平。

2010年以春季的觀測(cè)結(jié)果分析表明，夜晚的風(fēng)速與凝結(jié)水形成相關(guān)性很低，在距地表5、10、20、50、100、200 cm六層高度風(fēng)速中，5 cm高度風(fēng)速與凝結(jié)水形成量為負(fù)相關(guān)且相關(guān)程度最高。由于凝結(jié)水形成受土壤質(zhì)地、土壤水分、空氣濕度等多種因素影響，而且受水分條件的影響最大，因此風(fēng)速的影響常常被其它因素的變化而掩蓋。在其它氣象條件相近的情況下風(fēng)速對(duì)凝結(jié)水形成影響會(huì)有直接的表現(xiàn)，如2010年5月8日距地表2 m高度夜晚風(fēng)速均值為5.64 m/s，相鄰的5月7日和5月9日風(fēng)速分別為3.89 m/s和1.60 m/s，地衣凝結(jié)水形成量5月7日至5月9日分別為0.13 mm、0.08 mm和0.10 mm，風(fēng)速對(duì)凝結(jié)水形成有明顯的影響，使5月8日凝結(jié)水形成量平均減少了26.8%。另外，由于這3 d為降雨后6～8 d，土壤水分呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，7日雖然平均風(fēng)速較9日大，但土壤水分含量相對(duì)較高，因而凝結(jié)水形成量相對(duì)較多。

2.2.4 土壤溫、濕度

研究結(jié)果表明以紗網(wǎng)為底的2 cm地衣凝結(jié)水形成量與土壤日均相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)，而與日均溫度的負(fù)相關(guān)未達(dá)到顯著水平。地衣凝結(jié)水形成量與距地表0 cm、5 cm和10 cm土壤夜間溫度呈負(fù)相關(guān)性，其中與10 cm土壤溫度負(fù)相關(guān)最大接近顯著水平，而與2.5 cm和5 cm土壤濕度呈正相關(guān)性且相關(guān)性分別達(dá)到極顯著和顯著水平，說明土壤濕度和溫度對(duì)凝結(jié)水形成有顯著的影響，尤其是表層土壤水分含量高有利于凝結(jié)水的形成。

3 結(jié)論

（1）古爾班通古特沙漠表層土壤凝結(jié)水形成總量隨著表層土壤生物演替從流沙、藻類、地衣和苔蘚依次增加，這主要是由于結(jié)皮發(fā)育后期土壤顆粒中細(xì)粒顆粒含量增加的同時(shí)生物有機(jī)體含量也相對(duì)較高，這兩者均有利于凝結(jié)水形成。

（2）凝結(jié)水形成量與日均相對(duì)濕度、土壤濕度呈顯著正相關(guān)，而與日均風(fēng)速、日均溫度、土壤溫度呈負(fù)相關(guān)，說明在空氣和土壤濕度相對(duì)較高而風(fēng)速和空氣、土壤溫度較低時(shí)更有利于土壤凝結(jié)水的形成。

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Factors Effecting the Total Amount of Condensation Water Formation on Topsoil in the Gurbantunggunt Desert

CHEN Rongyi，WEI Wenshou，WANG Minzhong，Aili Mamtimin
（Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China）

Water condition are the key factor to ecological system in desert area where the condensation water in soil surface serves as an important source for plants and biological soil crusts（BSC）.Through measuring condensation water formation on successional BSC in the Gurbantunggunt Desert with micro-lysimeter,we analyze the factors that effect the amount of condensation water.The total amount of condensation water increased with the succession of BSC（sand,cyanobacterial crust,lichen crust and moss crust respectively）.The more proportion of silt, clay and living organisms such as lichen and moss in the latter successional BSC lead to the more of condensation water and direct water vapor adsorption.The air humidity and soil moisture have positive effect on amount condensed water of soil.The wind speed,air and soil temperature have negative effect on amount of condensed water.The results suggested that,besides precipitation,the condensation water plays a vital role in providing an essential source of water for surface soil in the arid and semi-arid areas.

Gurbantunggunt Desert；topsoil；condensation water；influencing factors

S152.7

A

1002-0799（2015）01-0001-05

陳榮毅，魏文壽，王敏仲，等.古爾班通古特沙漠地表土壤凝結(jié)水形成影響因素分析[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（1）：1-5.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.001

2014-04-17；

2014-06-19

新疆自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2009211B41），國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAC23B01）和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40801019）共同資助。

陳榮毅（1978-），男，副研究員，主要從事荒漠生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail:chenry63@sohu.com