劉文娜, 賈劍波, 涂志華, 余新曉

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院 教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室， 北京 100083；2.中南林業(yè)科技大學 林學院， 湖南 長沙 410004； 3.遼寧石油化工大學 生態(tài)環(huán)境研究院， 遼寧 撫順 113001)

北京山區(qū)林地凝結(jié)水特征研究

劉文娜1, 賈劍波2, 涂志華3, 余新曉1

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院 教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室， 北京 100083；2.中南林業(yè)科技大學 林學院， 湖南 長沙 410004； 3.遼寧石油化工大學 生態(tài)環(huán)境研究院， 遼寧 撫順 113001)

[目的] 研究北京山區(qū)林地凝結(jié)水的發(fā)生情況及分布特征，為該地區(qū)的水資源合理利用提供科學依據(jù)。 [方法] 利用首都圈森林生態(tài)定位站的大型稱重式蒸滲儀對北京山區(qū)4種林地的凝結(jié)水進行2 a連續(xù)觀測，同時監(jiān)測林地各項氣象因子，分析不同林地凝結(jié)水的分布特征以及影響因子。 [結(jié)果] (1)北京山區(qū)非生長季凝結(jié)水出現(xiàn)天數(shù)和凝結(jié)水量較生長季多，非生長季月平均凝結(jié)水量約4.5 mm，生長季月平均凝結(jié)水量約1. 6 mm； (2) 4種林分年凝結(jié)水量大小關(guān)系表現(xiàn)為草地(38 mm)>栓皮櫟( 36 mm)>油松 (30 mm)> 側(cè)柏(25 mm)，與年凝結(jié)水出現(xiàn)天數(shù)大小關(guān)系相同，灌草叢是產(chǎn)生凝結(jié)水的主要場所，闊葉林產(chǎn)生的凝結(jié)水遠高于針葉林； (3) 空氣溫度和相對濕度對凝結(jié)水的產(chǎn)生起到?jīng)Q定性作用。 [結(jié)論] 北京山區(qū)林地凝結(jié)水在時間上分布不均，受環(huán)境因子和植被因子的綜合影響。

凝結(jié)水; 蒸滲儀; 時空分布特征; 溫度梯度; 葉表面屬性

凝結(jié)水對于降雨稀少地區(qū)植物的生長具有非常重要的影響，凝結(jié)水被植物葉片攔截，可降低葉片表面溫度，減少植物蒸騰的水分耗損[1]，甚至有研究[2-4]表明，植物葉片可以直接吸收凝結(jié)水，從而降低內(nèi)部水分虧缺。雖然凝結(jié)水日凝結(jié)量較小，但其作為一種長期穩(wěn)定的水資源，在干旱時期維持植物生長、保證生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面起著重要的作用[5]。人類對凝結(jié)水的研究明顯具有區(qū)域性。目前，國內(nèi)外對干旱區(qū)半干旱和熱帶雨林地區(qū)的凝結(jié)水的研究較多，對干旱區(qū)半干旱去凝結(jié)水產(chǎn)量和產(chǎn)生規(guī)律有一定的研究[6-9]。而對低海拔區(qū)暖溫帶的華北平原地區(qū)報道較少[5]，對凝結(jié)水總量的分析目前還沒有報道。且最近40 a來，北方非生長季(秋冬季)寒潮減弱，微量降水事件顯著減少，使得非生長季成為干旱時期[10]。一般認為凝結(jié)水的產(chǎn)生有兩種形式：一是植物或地表直接從空氣中獲得凝結(jié)露水，屬于水分純輸入；二是由于植物自身吐水形成，是水分發(fā)生轉(zhuǎn)移的過程。傳統(tǒng)的凝結(jié)水收集方法主要有微型測滲儀法和人造凝結(jié)面法[11-12]等，兩種方法都存在不足：微型測滲儀大多都是自制測滲儀[13]，只能測小植株的凝結(jié)水，而不能進行大型喬木凝結(jié)水測量，且大部分關(guān)于植物表面凝結(jié)露水的研究均沒有將凝結(jié)露水與植物吐水分別開來[14]；人造凝結(jié)面法吸收凝結(jié)水的凝結(jié)面是玻璃板[12]，這與植物的葉片表面屬性不同，無法代表林地下凝結(jié)水。大型稱重蒸滲儀利用稱重系統(tǒng)連續(xù)而精確的測定土壤與植被水分的變化量，能夠排除植物吐水形成的露水，而且是整體測量，排除了設(shè)立適宜高度測定的難題，被認為是測定凝結(jié)水的最好方法[15]。本研究利用大型蒸滲儀，對位于華北平原半濕潤半干旱代表區(qū)的北京山區(qū)林地凝結(jié)水的特征量進行連續(xù)2 a的觀測與統(tǒng)計，記錄到露、霧、霜等所有形式的凝結(jié)水，研究該地區(qū)不同林地的凝結(jié)水發(fā)生情況、凝結(jié)水量以及時空分布特征，對精確計算北京地區(qū)水量輸入量具有重要的參考價值，也可為該地區(qū)的水資源合理利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗區(qū)位于北京林業(yè)大學西山教學實習林場，距離北京市區(qū)西30 km處，北緯40°3′46.13″—40°3′46.79″，東經(jīng)116°5′45.47″—116°5′44.71″。海拔145 m，氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫦撅L型大陸性氣候，年均溫8.5～9.5 ℃，≥10 ℃有效積溫3 385～4 210 ℃，無霜期150 d左右，多年平均降水量700 mm，其中7—9月占全年降水量的70%以上。試驗區(qū)油松和側(cè)柏、栓皮櫟純林較多，土層厚度40—60 cm，通氣透水性較差。林下灌木有荊條(Vitexnegundo)、酸棗(Ziziphusjujuba)、孩兒拳頭(Grewiabiloba)和構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)，蓋度80%以上。

1.2 研究方法

所用的大型稱重式蒸滲儀由土體、稱重系統(tǒng)和水分監(jiān)測系統(tǒng)組成，表面積為4 m2(2 m×2 m)，總深度為2.3 m，用原狀土填滿。最小分辨率為40 g,對應能分辨出0.01 mm水深。4臺蒸滲儀按照矩形模式排列，分別為草地、側(cè)柏、栓皮櫟和油松。每一臺周圍為分別種植長勢良好的同一樹種形成純林，林分密度大致為2 500株/hm2，草地周圍不種。觀測時間為2011年1月到2012年12月，觀測頻率為10 min/次。同時，在蒸滲儀旁邊布設(shè)了HOBO全自動小型氣象站，可實時采集距地表不同高度的溫度(5,10,30,100,200 cm)、濕度、風速、太陽輻射、雨量、氣壓、露點等多項微氣象因子信息，觀測頻率為10 min/次。另外，利用葉面積儀(LI-3000 C便攜式葉面積儀，美國LI-COR公司)，冠層分析儀(LAI-2200C植物冠層分析儀，美國LI-COR公司)和土壤水分測定儀(EC H2O土壤含水量監(jiān)測系統(tǒng)，美國Decagon公司)分別測定同頻率的葉面積、葉面積指數(shù)(LAI)和表層土壤水分。

凝結(jié)水的測定用無降水輸入時蒸滲儀重量的增加量來表示，但重量的增加并不都是凝結(jié)水引起的。因此，根據(jù)凝結(jié)水的形成過程，符合以下條件即作為凝結(jié)水量： (1) 凈輻射≤0的時段(夜間); (2) 一個夜晚增重不大于200 g(0.05 mm); (3) 相對濕度90%以上; (4) 平均風速≤0.5 m/s; (5) 晴朗少云[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 凝結(jié)水天數(shù)時間分布特征

圖1—2分別為2011和2012年4種林地各月凝結(jié)水天數(shù)統(tǒng)計圖。整體趨勢為非生長季多、生長季少。北京山區(qū)非生長季溫度較低，早晚溫差大，使得夜間溫度常常低于露點溫度，因此出現(xiàn)凝結(jié)水的夜晚數(shù)量明顯多于生長季。據(jù)統(tǒng)計，2011和2012年出現(xiàn)凝結(jié)水的夜晚數(shù)量約占整年的45%左右。其中，2011年非生長季(1—2月和9—12月)側(cè)柏、油松、栓皮櫟和草地出現(xiàn)凝結(jié)水夜晚數(shù)量分別為107，106，139和142 d，分別占到全年的62.6%，58.7%，66.8%和67.7%。2012年非生長季(1—2月和9—12月)側(cè)柏、油松、栓皮櫟和草地出現(xiàn)凝結(jié)水夜晚數(shù)量分別為133，98，154和179 d，分別占到全年的52.9%，51.3%，57.1%和60.7%。同時，從各月來看，非生長季出現(xiàn)凝結(jié)水的夜晚約占到整月的82%～85%左右，生長季約占20%～25%之間。

圖1 研究區(qū)2011年4種林地凝結(jié)水天數(shù)統(tǒng)計

圖2 研究區(qū)2012年4種林地凝結(jié)水天數(shù)統(tǒng)計

通過SPSS 13.0方差分析，發(fā)現(xiàn)兩年內(nèi)草地出現(xiàn)凝結(jié)水的天數(shù)與側(cè)柏、油松出現(xiàn)天數(shù)方差分析的Sig值分別為0.001和0.000，均小于0.05，說明草地與側(cè)柏、油松出現(xiàn)凝結(jié)水天數(shù)有顯著性差異；栓皮櫟與側(cè)柏、油松方差分析的Sig.值分別為0.009和0.003，均小于0.05，說明其存在顯著性差異。定量分析發(fā)現(xiàn)，草地出現(xiàn)凝結(jié)水的天數(shù)要多于3種喬木。尤其是非生長季，出現(xiàn)天數(shù)占90%以上。全年出現(xiàn)天數(shù)平均達到了240 d以上，比栓皮櫟多10 d左右，比油松和側(cè)柏多40～50 d左右。側(cè)柏和油松曲線的波動性較大，主要是因為針葉樹葉面積變化的規(guī)律性沒有闊葉樹和草地明顯。

生長季的栓皮櫟(闊葉樹)出現(xiàn)凝結(jié)水天數(shù)大于油松、側(cè)柏(針葉樹)出現(xiàn)天數(shù)，分析原因可能是葉面積指數(shù)不同。在生長季，對3臺蒸滲儀中栓皮櫟、油松、側(cè)柏取20片葉子進行葉面積指數(shù)(LAI)測定。測得結(jié)果為，栓皮櫟平均LAI為3.32，油松平均LAI為2.43，側(cè)柏平均LAI為2.98，栓皮櫟(闊葉樹)平均LAI大于油松、側(cè)柏(針葉樹)，使栓皮櫟的葉表面更容易沉降水汽。在非生長季，由于栓皮櫟屬溫帶落葉闊葉，其枯枝落葉脫落至地表，覆蓋在土壤表層，使得地面接收到的輻射、溫度和土壤蒸發(fā)力存在差異，土壤貼地層的溫度降低，更接近露點溫度，夜間出現(xiàn)凝結(jié)水可能性較大，而油松、側(cè)柏屬溫帶常綠針葉林，非生長季地表無枯枝落葉覆蓋，貼地層溫度較栓皮櫟高，因此夜間凝結(jié)水出現(xiàn)天數(shù)較少。

2.2 凝結(jié)水量時間分布特征

圖3—4分別為2011和2012年側(cè)柏、油松、栓皮櫟和草地各月凝結(jié)水量的統(tǒng)計結(jié)果。與各月凝結(jié)水天數(shù)的整體趨勢相同，非生長季的平均月水量為4.5 mm左右，而生長季只有1.6 mm左右。最大值出現(xiàn)在12月或1月，最小值出現(xiàn)在6—7月。年內(nèi)凝結(jié)水總量約為33 mm左右，全年曲線表現(xiàn)為凹形。由此可以看出，溫度變化依然是水汽沉降的最關(guān)鍵因素。據(jù)統(tǒng)計，2011和2012年的凝結(jié)水量分別平均約占全年降水量的4.61%和4.23%左右。其中，2011年間側(cè)柏、油松、栓皮櫟和草地全年凝結(jié)水量分別為26.2，30，37.9和38.7 mm，分別占到全年降水量的3.64%，4.16%，5.26%和5.37%。2012年間側(cè)柏、油松、栓皮櫟和草地全年凝結(jié)水量分別為24.39，30.47，35.25和41.06 mm，分別占到全年降水量的3.15%，3.92%，4.55%和5.29%。由于2012年1—2月無降水輸入，導致空氣相對濕度明顯低于2011年，因此各樹種凝結(jié)水量也低于2011年同期，表明空氣的相對濕度也是影響水汽沉降的重要因素。

圖3 研究區(qū)2011年4種林地的月凝結(jié)水量統(tǒng)計

通過SPSS 13.0方差分析，發(fā)現(xiàn)側(cè)柏的月凝結(jié)水量與草地、栓皮櫟的月凝結(jié)水量方差分析的Sig分別為0.039，0.027均小于0.05，說明側(cè)柏月凝結(jié)水量與草地、栓皮櫟存在差異。定量分析發(fā)現(xiàn)，草地凝結(jié)水量要多于3種喬木，11—12月凝結(jié)水量平均達到5 mm左右。分析原因主要包括： (1) ，草地的覆蓋率與喬木密度不同。3種喬木的林分密度大致為2 500株/hm2，草地蓋度為85%，較高蓋度的草覆蓋在地表，增大空氣與植被的接觸面積，增大凝結(jié)水量； (2) 草地貼地層溫度更接近露點溫度。利用氣象站對地表處和距地面5，10，30，100，200 cm處溫度的測量發(fā)現(xiàn)，30 cm以下的貼地層空氣溫度存在明顯的梯度，距地面越近，溫度越低，接近露點溫度。因此可以推斷，由于秋冬季夜晚貼地層溫度遠低于30 cm以上空氣溫度，使得貼地30 cm以上空氣中的水汽很容易冷凝沉降在植物葉片表面，而冠層高度的空氣與貼地層空氣之間存在溫度梯度，因此水汽冷凝沉降的時間相應的縮短。所以草地產(chǎn)生的凝結(jié)水量要高于3種喬木； (3) 草地土壤的干燥程度大。利用土壤水分測定儀測定4種植被下表層土壤水分，發(fā)現(xiàn)秋冬季的草地土壤比其他林地土壤含水率低，因此空氣中的水汽不僅僅冷凝于植物體表，同時也被土壤吸收。

圖4 研究區(qū)2012年4種林地的月凝結(jié)水量統(tǒng)計

從針闊葉樹種間對比來看，栓皮櫟產(chǎn)生的凝結(jié)水量高于油松和側(cè)柏，年平均凝結(jié)水量比側(cè)柏和油松多10 mm左右。其與凝結(jié)水出現(xiàn)天數(shù)的規(guī)律相同，原因也相同。同時，栓皮櫟的凝結(jié)水產(chǎn)生量呈明顯的季節(jié)性，曲線的規(guī)律性明顯而穩(wěn)定，而側(cè)柏和油松的變化雖然符合秋冬多、春夏少的規(guī)律，但季節(jié)性不太明顯，曲線的波動性較大，表明針葉樹凝結(jié)水量的影響因素不僅僅是由于葉片的數(shù)量、面積大小以及葉表面屬性占主導影響，溫度、相對濕度和輻射等氣象因子的影響也較為明顯。

2.3 凝結(jié)水量與氣候因子的關(guān)系

2.3.1 凝結(jié)水量與相對濕度的關(guān)系 可用線性方程對平均凝結(jié)水量與相對濕度進行很好地擬合(R2=0.713 2)。通過擬合分析結(jié)果可以看出，相對濕度是影響凝結(jié)水量的一個重要因子，凝結(jié)水量與相對濕度存在正相關(guān)關(guān)系，相對濕度越大，空氣中水汽含量越多，凝結(jié)水的量也就越大。當某一地區(qū)相對濕度大于55%的時候，就會產(chǎn)生凝結(jié)水。

2.3.2 凝結(jié)水量與平均溫度的關(guān)系 可用線性方程對平均凝結(jié)水量與平均溫度進行很好地擬合(R2=0.782 2)。通過擬合分析結(jié)果可以看出，溫度對凝結(jié)水量的影響顯著，凝結(jié)水量與平均溫度存在負相關(guān)關(guān)系，平均溫度越高，蒸發(fā)量越大，凝結(jié)水的量越小。高溫會加速輻射冷卻，但大氣逆輻射也會增大，削弱冷卻，導致凝結(jié)水量降低。

3 結(jié)論與討論

(1) 北京山區(qū)非生長季凝結(jié)水夜晚數(shù)量約占全月的82%～85%左右，凝結(jié)水量月平均為4.5 mm，生長季凝結(jié)水夜晚數(shù)量約占全月的20%～25%左右，凝結(jié)水量月平均為1.6 mm，全年出現(xiàn)凝結(jié)水的夜晚數(shù)量約占整年的45%左右，凝結(jié)水年平均占總降水量的3%左右，這說明山區(qū)林地在非生長季出現(xiàn)凝結(jié)水的天數(shù)和凝結(jié)水量都較生長季的多。劉文杰等[9]在西雙版納熱帶季節(jié)雨林里觀測林冠穿透霧水時發(fā)現(xiàn)，霧水極大的彌補了降雨量的不足，且在降雨少的年份，這種作用更為重要。這說明凝結(jié)水對于北京山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水分輸入有一定的影響，尤其是非生長季無降水的情況下，凝結(jié)水可以為淺根性植物提供少量水資源，維持補給土壤水分。

(2) 不同林地比較來看，凝結(jié)水出現(xiàn)天數(shù)和凝結(jié)水量大小關(guān)系均表現(xiàn)為：草地>栓皮櫟>油松>側(cè)柏。草地年凝結(jié)水量約為38 mm左右，要明顯高于喬木林31 mm，闊葉林年凝結(jié)水量約為36 mm左右，要高于針葉林的26 mm。從各樹種之間凝結(jié)水天數(shù)與量表現(xiàn)出的差異可以看出，凝結(jié)水發(fā)生天數(shù)多少和凝結(jié)水量大小除了受季節(jié)變化的影響外，還受下墊面植被的影響，這與葉有華等[17]的研究結(jié)論一致。

(3) 草地出現(xiàn)凝結(jié)水天數(shù)和凝結(jié)水量大于喬木的主要原因是蓋度、貼地層溫度和土壤水分的影響，貼地30 cm空氣中的水汽很容易冷凝沉降在植物葉片表面，草地的葉片處在貼地30 cm內(nèi)，因此可以推斷出灌草叢是產(chǎn)生凝結(jié)水的主要場所；闊葉樹出現(xiàn)凝結(jié)水天數(shù)和凝結(jié)水量大于針葉樹的主要原因是生長季的葉面積指數(shù)不同，闊葉樹葉面積指數(shù)大，沉降的水汽多，非生長季枯落物層厚度和枯落物量不同，使得地面接收到的輻射、溫度和土壤蒸發(fā)力存在差異，所以不同樹木的土壤產(chǎn)生的凝結(jié)水量也不盡相同。綜合上面的規(guī)律，研究不同樹種沉降凝結(jié)水的能力，對增加地區(qū)凝結(jié)水量有重要的參考價值。因此，對于北方非生長季干旱時期，增加地表植被的覆蓋，還有利于促進凝結(jié)水的沉降，增加大氣濕度。

(4) 從各樹種凝結(jié)水量與空間分布差異可知，溫度梯度和相對濕度是影響凝結(jié)水的最主要因素，溫度越高，越不利于凝結(jié)水的形成；相對濕度也對凝結(jié)水的產(chǎn)生有較大影響，相對濕度越高，凝結(jié)水形成越多。因此，空氣溫度和相對濕度對凝結(jié)水的產(chǎn)生起到?jīng)Q定性作用。2012年非生長季的凝結(jié)水量和凝結(jié)天數(shù)平均值均小于2011年非生長季，分析可能由于近年來氣候變暖導致冬季氣溫升高，降水減少，有可能會導致凝結(jié)水的含量下降，影響生態(tài)系統(tǒng)水分輸入，這些方面仍需進一步研究。

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Condensed Water Characteristics of Forest Land in Beijing Mountainous Areas

LIU Wenna1， JIA Jianbo2， TU Zhihua3， YU Xinxiao1

(1.KeyLaboratoryofSoilandWaterConservationandDesertificationCombatingofEducationMinistry，SchoolofSoilWaterConservation，BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China； 2.SchoolofForestry，CentralSouthUniversityofForestryandTechnology，Changsha，Hu’nan410004，China； 3.InstituteofEco-environmentalSciences，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushun,Liaoning113001，China)

[Objective] Studying the occurrence and distribution characteristics of condensed water of forest land in Beijing mountain areas in order and to provide a support for rational utilization of water resources. [Methods] We used four high precision weighing lysimeters at a site of China forest ecosystem research network(CFERN) during 2011—2012 to observe the distribution characteristics of woodland condensed water and meteorological factors in Beijing mountain area, and to analyze the distribution characteristics and the impact factors of condensed water in different kinds of woodlands. [Results] (1) There existed significant difference of woodland condensed water for different seasons in Beijing mountain area. The days and amounts of condensed water in the autumn and winter were far longer and higher than the corresponding values observed in spring and summer. The mean amount of monthly condensation water was about 4.5 mm in non-growing season, was 1.6 mm in growing season. (2) The order of the condensation water capacity in four forests was: grassland (38 mm)>Quercusvariabilisplantations(36 mm)>Pinustabulaeformispureplantations (30 mm) >Platycladusorientalisplantations(25 mm). The amount of condensed water of grassland was more than that of trees, and the broadleaf forest was more than the value of coniferous forest. (3) We can learn from the amount, the spatial and temporal characteristics of those different species that the temperature gradient, relative humidity and the leaf surface properties were the most important affecting factors on air water condensation. [Conclusion] The temporal distribution of condensed water of forest land is non-uniform in Beijing mountain areas, and the condensed water distribution was affected both by environmental and vegetation factors.

condensed water; lysimeter; spatial and temporal characteristics; temperature gradient; leaf surface properties

2015-02-13

2015-04-07

國家自然科學基金重點項目“基于穩(wěn)定同位素的典型森林生態(tài)系統(tǒng)水、碳過程及其耦合機制研究”(41430747)； 國家自然科學基金青年項目(41401013)； 科技創(chuàng)新服務能力建設(shè)—協(xié)同創(chuàng)新中心—林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心(2011協(xié)同創(chuàng)新中心)(市級)(PXM2016_014207_000038)

劉文娜(1994—),女(漢族),山東省濟南市人,碩士研究生，研究方向為森林水文與水土保持。E-mail:lwnfdxl@163.com。

余新曉(1961—),男(漢族),甘肅省平?jīng)鍪腥耍┦?，教授，主要從事森林水文與水土保持方面的研。E-mail:yuxinxiao8888@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.050

A

1000-288X(2016)06-0298-05

S157.2

文獻參數(shù)：劉文娜, 余新曉, 賈劍波, 等.北京山區(qū)林地凝結(jié)水特征研究[J].水土保持通報，2016,36(6)：298-302.