古尔班通古特沙漠地表土壤凝结水形成影响因素分析

陈荣毅，魏文寿，王敏仲，买买提艾力·买买提依明

（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

古尔班通古特沙漠地表土壤凝结水形成影响因素分析

陈荣毅，魏文寿，王敏仲，买买提艾力·买买提依明

（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

沙漠中水分条件是决定生态分异的关键因素,地表凝结水的产生对沙漠植物与结皮生物的水分补充有重要的作用。利用微渗计对古尔班通古特沙漠土壤表层凝结水形成特征及影响因素进行分析。研究表明沙漠土壤凝结水形成总量随着表层土壤生物演替从流沙、藻类、地衣和苔藓依次增加。分析影响凝结水形成的因素表明土壤中细粒物质以及地衣和苔藓生物相对土壤粗粒物质更有利于凝结水形成。在土壤结皮演替过程中土壤中的细粒颗粒含量增加的同时生物有机体含量也在增加，因而随着表层土壤生物演替凝结水形成量呈增加趋势。凝结水形成量与日均相对湿度、土壤湿度呈显著正相关，而与日均风速、日均温度、土壤温度呈负相关。研究说明在干旱的沙漠地带土壤凝结水是除降水以外补充表层土壤水分重要的水分来源。

古尔班通古特；地表土壤；凝结水；影响因素

干旱沙漠地区水分条件是制约生态格局和过程的关键非生物限制因子，任何形式的水分补给来源都有可能对其生态环境起到积极的作用[1]。虽然新疆北部近几十年低云量和降水呈增加趋势[2，3]，但沙漠地区总量仍然较少，沙漠年平均降水量普遍不超过150 mm,沙漠腹地仅有70～100 mm,主要集中于春季。凝结水是干旱荒漠地区普遍存在的一种持续稳定的水资源，研究指出凝结水对干旱地区一些荒漠植物和小动物非常重要[4]，尤其在干旱缺水时期，可提供必要的水分维持其生存，在极端干旱地区，凝结水量有可能超过年降水量[5]。该沙漠中广泛发育着的生物土壤结皮在沙面的固定方面起着重要的作用，因而，在分析不同类型土壤结皮的选择性分布原因上，除了土壤质地和土壤养分等差异外[6]，水分条件的差异也受到了人们的关注[7，8]。古尔班通古特沙漠中有相当大的一部分降水是以隐匿性降水的形式出现，主要包括地表土壤的凝结水、吸湿水以及植物叶片和茎杆上以露水形式出现的凝结水。凝结水对有毛植物雾冰藜的光合有一定作用[9-10]，而一些土壤结皮生物种类的光合启动最小含水量是0.1 mm，以色列荒漠地区生物土壤结皮凝结水研究认为凝结水对苔藓植物生殖发育作用较大[8]。对土壤凝结水的研究较为适用的方法为自制微渗计称重法[11，12]。目前，对凝结水的形成机理、形成量和影响因子已有了初步的研究成果和认识，但有关荒漠地表特别是有生物结皮表层覆盖的地表凝结水形成的影响因素研究仍然较缺乏。本项目对古尔班通古特沙漠地区土壤表层凝结水的形成因素开展研究，探讨影响生物结皮为主要覆盖的固定沙漠土壤表层凝结水形成的主要因素。

1 研究方法

利用微型蒸渗计测定凝结水方法是众多凝结水测定方法中较准确的方法之一[13]。在古尔班通古特沙漠，地表2 cm的土壤可以代表表层土壤的凝结水量[14]。在2010年4月30日—5月30日，利用自制的蒸渗计对古尔班通古特沙漠凝结水形成进行了观测。蒸渗计由内径5.5 cm白色PVC内筒和内径6.5 cm蓝色PVC外筒组成。内筒装有沙漠地表原状土，蒸渗计高度为3 cm，用于采集土壤表层2 cm深度的原状土。筒底采用孔径为300目纱网封底，每种试验处理5次重复。观测期间在早晨8时和下午17时用精度0.01 g便携式电子天平对采集了原状土的蒸渗计进行称重，用早晨太阳刚升起时与前一天下午重量差值折算成降水量后代表夜晚凝结水形成量。在野外现场称重过程中，为防止风的干扰，称重都在野外帐篷内进行。

2 结果与分析

2.1 不同类型土壤凝结水形成的差异

在春季4月30日—5月30日，凝结水形成总量从流沙、藻类、地衣和苔藓依次增加，分别为2.70 mm、2.88 mm、3.12 mm和3.75 mm（图1）。沙漠降雨以后，更换蒸渗仪中的原状土，下雨后第一天夜晚凝结水形成均为负值，说明雨后土壤水分含量较高在春季风速相对较大的情况下夜晚表层土壤表现为蒸发。但较大降雨后第二天开始后续几天凝结水形成量一般较多。

2.2 影响土壤凝结水形成的因素

2.2.1 土壤机械组成和生物因素

土壤的机械组成能显著的影响凝结水的形成，用筛网筛选不同粒级的土壤放入直径5.5 cm的铝盒进行凝结水的测定。另外，用清水清洗除去土壤的纯地衣和苔藓，自然风干后,略微压实到土壤相同高度,也放入铝盒测定凝结水形成特征。根据春季测定结果，土壤颗粒平均粒径越细，凝结水形成就越大。纯地衣和苔藓凝结水形成数量也相当于100～200目的细粒土壤（图2），说明地表地衣和苔藓生物含量较多时有利于凝结水形成。

采集表层0～1 cm土壤经过前处理后，用激光粒度分析仪MasterSizer2000进行测定，测量范围0.02～2 000 μm。不同发育阶段表层土壤机械组成的变化随着生物结皮发育程度的提高，砂粒的平均粒径有下降的趋势。这与人工固沙区不同固沙年限发育的结皮砂粒粒径变化特点相同。随着生物结皮不同演替阶段，0～1 cm表层土壤机械组成向细粒级物质增加变化（表1）。

流沙、浅色藻类结皮和深色藻类结皮的平均粒径＞0.2 mm，地衣和藻类结皮土壤平均粒径＜0.2 mm。流沙不含粘粒和粉砂粒，0.05～0.25 mm粒径的细砂粒只占39%左右，而＞0.25 mm粒径的粗砂和中砂沙粒占61%左右，因而流沙的水分渗透能力较强，表层土壤水分保持能力弱。随生物结皮演替，浅色和深色藻结皮中开始出现粘粒，处于演替晚期阶段的地衣和苔藓结皮粘粒和粉砂粒显著增加。0.05～0.10 mm粒径的细砂含量随着演替阶段不断增加，从流沙的1.20%增至地衣的15.41%和苔藓的19.94%。

2.2.2 土壤有机体

根据结皮分布特点，以不破坏表层土壤结构的方式在沙垄垄顶采集流沙，沙垄中上部采集浅色藻结皮，沙垄中部采集黑色藻结皮，沙垄中下部采集地衣和苔藓结皮，每种类型采样重复5～8个，为不破坏结皮结构,采样前先湿润地表，在地表湿润状态下,以塑料环刀采集结皮原状土,厚度约15 mm，未破坏结构的结皮连同环刀放入样品盒，小心带回试验室。用于固定的结皮土壤样品先在60℃条件下烘干48 h。参照制备松散土壤薄片的方法，环氧树脂中加入相当于其重量13%的三乙醇胺作为固定剂，充分混合后，用于结皮土壤的浸渍，浸渍24 h，并在浸渍过程中抽真空，使其能够充分排出土壤中的气体，浸渍过程中可以适当提高室内温度以降低浸渍剂的粘稠度。浸渍好的样品在65℃烘干24 h，再经过切片和磨片等，制成厚度为0.03 mm的土壤薄片用于显微观察。

土壤表层0～10 mm所含有机体平均面积百分率上看，地衣平均有机体面积最高达到13.5%，其次是苔藓为7.2%，再次是深色藻类为2.6%，而流沙和浅色藻类结皮无有机体分布。有机体的分布层次特征表现为深色藻结皮有机体主要分布于表层0～10 mm处，1～3 mm仍有少量有机体分布,而3～10 mm有机体分布极少。地衣和苔藓有机体分布层次明显深于藻类,地衣主要分布于表层0～4 mm处，在表层0～10 mm土壤层次中呈下降趋势。地衣表层0～1 mm所含有机体的面积达到50%以上，远高于相同层次苔藓和深色藻结皮的有机体含量。苔藓有机体在土壤表层0～1 mm未表现明显的变化特点，在0～4 mm主要为活着的植株体和假根，表层下4～8 mm为大量的棕色假根，这些假根同地衣表层下棕色有机体可能对土壤中有机质增加起了重要作用（图3）。

根据生物结皮演替过程中土壤颗粒随着结皮向后期演替砂粒的平均粒径有下降的趋势，地衣和苔藓土壤0.05～0.10 mm粒径的细砂含量较高以及含有粘粒和粉砂粒，并且地衣和苔藓表层生物有机体含量也较高，而地衣和苔藓生物体凝结水形成数量相当于100～200目的细粒土壤（图2），因而凝结水会随着生物结皮演替有显著的增加趋势。

2.2.3 气象条件

春季观测期间5月2日至5月31日距地表5、10、20、50、100、200 cm高度平均风速分别为1.47、2.08、2.29、2.69、3.17、3.60 m/s，距地表2 m高度内，随着高度增高，风速呈线性增加趋势（图4）。

气象条件影响凝结水的形成。综合春季和秋季观测结果，以纱网为底的2 cm地衣凝结水形成量与日均温度、日均相对湿度和日均风速的相关性分别为-0.001、0.328*、-0.133，凝结水形成与日均相对湿度呈显著正相关，而与日均风速及日均温度的负相关系数未达到显著水平。日均温度与日均相对湿度两气象要素呈极显著的负相关，相关系数达到-0.518**（图5），*与**分别表示达到显著水平与极显著水平。

2010年以春季的观测结果分析表明，夜晚的风速与凝结水形成相关性很低，在距地表5、10、20、50、100、200 cm六层高度风速中，5 cm高度风速与凝结水形成量为负相关且相关程度最高。由于凝结水形成受土壤质地、土壤水分、空气湿度等多种因素影响，而且受水分条件的影响最大，因此风速的影响常常被其它因素的变化而掩盖。在其它气象条件相近的情况下风速对凝结水形成影响会有直接的表现，如2010年5月8日距地表2 m高度夜晚风速均值为5.64 m/s，相邻的5月7日和5月9日风速分别为3.89 m/s和1.60 m/s，地衣凝结水形成量5月7日至5月9日分别为0.13 mm、0.08 mm和0.10 mm，风速对凝结水形成有明显的影响，使5月8日凝结水形成量平均减少了26.8%。另外，由于这3 d为降雨后6～8 d，土壤水分呈现降低趋势，7日虽然平均风速较9日大，但土壤水分含量相对较高，因而凝结水形成量相对较多。

2.2.4 土壤温、湿度

研究结果表明以纱网为底的2 cm地衣凝结水形成量与土壤日均相对湿度呈显著正相关，而与日均温度的负相关未达到显著水平。地衣凝结水形成量与距地表0 cm、5 cm和10 cm土壤夜间温度呈负相关性，其中与10 cm土壤温度负相关最大接近显著水平，而与2.5 cm和5 cm土壤湿度呈正相关性且相关性分别达到极显著和显著水平，说明土壤湿度和温度对凝结水形成有显著的影响，尤其是表层土壤水分含量高有利于凝结水的形成。

3 结论

（1）古尔班通古特沙漠表层土壤凝结水形成总量随着表层土壤生物演替从流沙、藻类、地衣和苔藓依次增加，这主要是由于结皮发育后期土壤颗粒中细粒颗粒含量增加的同时生物有机体含量也相对较高，这两者均有利于凝结水形成。

（2）凝结水形成量与日均相对湿度、土壤湿度呈显著正相关，而与日均风速、日均温度、土壤温度呈负相关，说明在空气和土壤湿度相对较高而风速和空气、土壤温度较低时更有利于土壤凝结水的形成。

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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

陈荣毅，魏文寿，王敏仲，等.古尔班通古特沙漠地表土壤凝结水形成影响因素分析[J].沙漠与绿洲气象，2015，9（1）：1-5.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.01.001

2014-04-17；

2014-06-19

新疆自然科学基金项目（2009211B41），国家科技支撑计划（2012BAC23B01）和国家自然科学基金项目（40801019）共同资助。

陈荣毅（1978-），男，副研究员，主要从事荒漠生态与农业气象研究。E-mail:chenry63@sohu.com