馬瑞莎，喬長錄*，葛瑞晨

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子 832000）

0 引言

【研究意義】凝結(jié)水是干旱半干旱地區(qū)除降水之外水資源的重要組成部分[1]，這種以“非降水”形態(tài)形成的水分對生態(tài)系統(tǒng)以及水量平衡具有重要意義，尤其是在干旱半干旱地區(qū)，凝結(jié)水是非常重要的水資源之一[2-3]?！狙芯窟M展】凝結(jié)水在干旱半干旱地區(qū)的重要性一直是國內(nèi)研究的熱點問題，國外關(guān)于凝結(jié)水的研究主要集中沿海沙漠地區(qū)[3-4]，如Beysens 等[5]對法國波爾多市區(qū)南部貝佩薩克鎮(zhèn)的凝結(jié)水和雨水的理化性質(zhì)進行了檢測，詳細闡述了城市沿海地區(qū)凝結(jié)水和雨水的化學(xué)和生物特性；Matimati 等[6]對南非干旱區(qū)的凝結(jié)水進行了研究，得出凝結(jié)水在維持梨香和裂頭蕨2 種肉質(zhì)植物的生長和存活起著至關(guān)重要的作用；Hanisch 等[7]對馬達加斯加西南部半干旱海岸地區(qū)的凝結(jié)水進行了實際觀測研究，發(fā)現(xiàn)馬達加斯加西南部沿海地區(qū)，凝結(jié)水在水分平衡中起著重要作用；Atashi 等[8]對約旦10 個地點40 年的空間、季節(jié)和年凝結(jié)水量進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)地地中海氣候比半干旱氣候更易產(chǎn)生凝結(jié)水。國內(nèi)對凝結(jié)水的研究始于20 世紀60 年代，主要集中在北方干旱半干旱地區(qū)[9]，如潘顏霞等[10]采用PVC 管手動稱重法和布板法對沙坡頭地區(qū)不同地形凝結(jié)水的形成特征進行了探究，發(fā)現(xiàn)地形是影響干旱區(qū)凝結(jié)水形成特征的重要因子。方靜等[11]通過控制試驗，對黑河中游的凝結(jié)水開展觀測，建立了凝結(jié)水形成速率與近地層氣象因子之間的多元回歸方程，得出凝結(jié)水與微氣象因子的關(guān)系；郭曉楠等[12]運用微型蒸滲儀、渦度相關(guān)法和Penman-Monteith 公式，對寧夏鹽池沙生灌木生態(tài)系統(tǒng)的凝結(jié)水進行了測定和估算，進一步說明凝結(jié)水是維持荒漠生態(tài)系統(tǒng)功能的重要穩(wěn)定水源；成龍等[13]通過對高寒沙區(qū)凝結(jié)水的研究，總結(jié)出高寒沙區(qū)凝結(jié)水凝結(jié)過程與溫濕度的關(guān)系；王忠靜等[14]用渦度相關(guān)法從能量平衡的角度說明凝結(jié)水在干旱區(qū)水量平衡中不容忽視的作用，宜在水量平衡方程中顯式表達凝結(jié)水過程和凝結(jié)水項；Yu 等[15]基于輻射冷卻理論和凝結(jié)水形成的物理機制，揭示了凝結(jié)水在場區(qū)、流域和區(qū)域尺度上的凝結(jié)量和持續(xù)時間及其影響因素，指出了氣候變化下露珠濕度變化規(guī)律研究中存在的問題。Feng 等[16]在青藏高原典型高寒草地生態(tài)系統(tǒng)凝結(jié)水的研究中發(fā)現(xiàn)：氣溫升高會顯著減少凝結(jié)水量和凝結(jié)持續(xù)時間，并且會改變凝結(jié)水的季節(jié)分布。【切入點】綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者從凝結(jié)水觀測方法與水量量測、持續(xù)時間、影響因素等方面進行了廣泛研究，但對于膜下滴灌棉田凝結(jié)水的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文擬依托石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站膜下滴灌棉田水文循環(huán)觀測實驗，探討膜下滴灌棉田凝結(jié)水的產(chǎn)生時間、動態(tài)變化、影響因素等。進一步探討覆膜對棉田凝結(jié)水的影響機理以及凝結(jié)水對干旱區(qū)棉花生長的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站進行，該站位于瑪河流域中游綠洲灌區(qū)內(nèi)，地理位置處于85°59'47″E，44°19'28″N，屬中溫帶大陸性干旱氣候，年均日照時間為2865h，多年平均降雨量為207 mm、蒸散量為1660 mm，晝夜溫差大，氣溫季節(jié)性變化較大，無霜期為170d。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗于2019 年4 月20 日—10 月5 日在石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站進行，氣象數(shù)據(jù)主要通過試驗站內(nèi)的自動氣象站完成，監(jiān)測距離地面2m 高處的溫度、濕度、降水、輻射、日照時間、風速、風向及氣壓等數(shù)據(jù)，記錄間隔為1h。

1.2.2 凝結(jié)水監(jiān)測

試驗棉田采用“干播濕出”的方式，播種深度為3～4cm，全生育期內(nèi)的凝結(jié)水量由 3 臺規(guī)格為2m×2m×2m 型號為QYZS-2010 的大型稱重式蒸滲儀進行實時監(jiān)測，為減小風速、空氣濕度、土壤溫度、土壤含水率、土壤組成和質(zhì)地等多種因素對觀測試驗的影響，保證數(shù)據(jù)的可靠性，其中2 臺設(shè)置為覆膜滴灌方式，1 臺設(shè)置為不覆膜滴灌方式，蒸滲儀有效蒸散面積為4.0m2。試驗期內(nèi)通過測量蒸滲儀內(nèi)土壤質(zhì)量變化量引起的位移傳感器變化間接量測蒸散量、滲漏量和凝結(jié)量，蒸滲儀精度為0.02mm，數(shù)據(jù)采集時間間隔1h。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 對氣象數(shù)據(jù)的缺失數(shù)值進行補缺，使用Excel2016、Origin9.1 進行試驗數(shù)據(jù)的處理和繪圖。為提高蒸滲儀數(shù)據(jù)的精度，首先剔除數(shù)據(jù)壞點以及有雨雪天氣的數(shù)據(jù)，隨后參考季辰等[17]提出的蒸滲儀數(shù)據(jù)篩選方法，設(shè)定一個值δ 篩選數(shù)據(jù)，保留滿足|xi-xa|<δ 計算凝結(jié)量，在保留數(shù)據(jù)中按照yj-yi計算，所得負值累加即為凝結(jié)水量。其中xi為蒸滲儀數(shù)據(jù)，xa為蒸滲儀數(shù)據(jù)的平均值，δ為蒸滲儀數(shù)據(jù)標準差的1.5 倍，yi前一時刻蒸滲儀數(shù)據(jù)，yj為后一時刻蒸滲儀數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 全生育期凝結(jié)水動態(tài)變化

為驗證試驗數(shù)據(jù)的準確性，本研究將不同覆膜條件下大型稱重式蒸滲儀所測得的全生育期12h 凝結(jié)水動態(tài)變化進行比對，結(jié)果如圖1 所示。

2.1.1 典型日凝結(jié)水日變化

凝結(jié)水量與溫度、濕度、季節(jié)變化等氣象因素密切相關(guān)，為減少不確定因素對研究結(jié)果的影響，本研究中剔除大風、雨雪、陰天、數(shù)據(jù)不全以及數(shù)據(jù)不合理的日期，在各個生育期中選取1 個晴天、無風、數(shù)據(jù)正常的典型日。分別選取棉田全生育期內(nèi)出苗期第1 天、春夏交替日、夏季平均氣溫最高日、夏秋交替日，即4 月20 日、5 月30 日、8 月2 日、9 月27 日作為典型日，探討膜下滴灌棉田凝結(jié)水的日變化規(guī)律。典型日凝結(jié)水日變化如圖2 所示。

由圖2 可知，水汽從00:00 以后凝結(jié)過程開始，一直到 08:00 結(jié)束，歷時8h。全生育期4 個典型日凝結(jié)水動態(tài)變化中，蒸散過程與凝結(jié)過程交替進行。凝結(jié)過程可分為3 個階段：第1階段從（00:00—03:00），凝結(jié)速率緩慢增加，1h 后凝結(jié)速率開始下降，直到凝結(jié)和蒸散達到一個相互抵消的狀態(tài)（即凝結(jié)水量=0）。第2 階段（03:00—07:00），當氣溫逐步趨近于露點時，凝結(jié)速率迅速增加，并且在04:00—05:00 凝結(jié)速率達到最大。第3 階段（07:00—09:00）在日出之前，氣溫逐步回升，凝結(jié)水持續(xù)減少隨后轉(zhuǎn)為蒸散。

從圖2 中00:00—08:00 的觀測結(jié)果中可以看出，春夏交替階段的凝結(jié)速率要高于夏秋交替階段，夏秋交替階段的水汽停止凝結(jié)的時間較早，經(jīng)歷較長一段時間后逐步轉(zhuǎn)為蒸散狀態(tài)，這與其他3 個典型日略有不同；8 月2 日的平均氣溫最高，晝夜溫差較大，水汽的凝結(jié)受到了一定程度的影響，凝結(jié)變化起伏較為劇烈。綜上可知，在相同的觀測條件下，氣象條件的變化可以引起凝結(jié)水量的差異，也會影響凝結(jié)水的動態(tài)變化。這是由于在初春時期，氣溫回升較快，土壤溫度回升較慢，有利于凝結(jié)水的產(chǎn)生，在春夏交替階段，每日13:00—17:00 的太陽輻射逐步增強，地面吸熱升溫加快，在夜間地溫迅速降低，近地面氣溫的降低速率較低，近地面氣溫高于低溫，故凝結(jié)速率相對較快，凝結(jié)量相對較多[10,18]。

2.1.2 全生育期凝結(jié)水動態(tài)變化

棉田全生育期的每日凝結(jié)水量如圖3 所示。由圖3 可知，在棉田全生育期內(nèi)均有凝結(jié)水產(chǎn)生，每日產(chǎn)生的凝結(jié)水量大約在0.1～1mm 之間，其中夏季產(chǎn)生的凝結(jié)量最多，春季其次，秋季最少。這是因為夏秋季節(jié)交替的階段，氣溫降至露點的時間延遲，日出前的水汽凝結(jié)時間縮短，所以凝結(jié)量相對較少。

表1 典型日選取時間節(jié)點及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)Table1 Select time nodes and relevant meteorological data of typical days

2.2 不同生育期凝結(jié)水量動態(tài)變化

棉花生長過程中，不同階段對水量的需求也有所不同，為減少不確定因素對研究結(jié)果的影響，分別在苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期內(nèi)選取生育期開始、生育期結(jié)束、平均溫度最高、平均溫度最低4 個典型日進行分析研究，旨在說明不同生育期棉田凝結(jié)水的動態(tài)變化規(guī)律。典型日選取的時間節(jié)點、相關(guān)氣象數(shù)據(jù)及不同生育期凝結(jié)水變化動態(tài)過程如表1 和圖4—圖8 所示。

4 個不同的生育期階段，花齡期的蒸散量與凝結(jié)水量均高于其他3 個時期。苗期與吐絮期的凝結(jié)速率先逐漸增多，隨后逐漸減少直至停止凝結(jié)，蕾期與花鈴期凝結(jié)速率先增大后減小，再逐漸增大隨后減小，最后停止凝結(jié)。苗期、蕾期、花鈴期持續(xù)時間相同，一般在00:00 開始凝結(jié)，直至次日08:00 結(jié)束，各生育期的凝結(jié)速率都是在01:00—03:00 達到最大，隨后開始緩慢下降；通過對比花鈴期4 個典型日可以看出，7 月7 日的凝結(jié)相較于其他典型日較高，這是由于7月7 日平均氣溫最高，晝夜溫差相對較大，為水汽凝結(jié)提供了有利條件；其他3 個典型日的凝結(jié)與蒸散過程頻繁交替，凝結(jié)水量相對較低，原因是白天蒸散量較大，地面處于干燥狀態(tài)，水汽凝結(jié)初期產(chǎn)生的凝結(jié)水快速消耗，又轉(zhuǎn)為一種微小的蒸散狀態(tài)，經(jīng)過多次凝結(jié)-蒸散轉(zhuǎn)換之后，隨著氣溫逐漸降低，凝結(jié)過程逐步趨于一種穩(wěn)定的凝結(jié)狀態(tài)。

2.3 不同生育期凝結(jié)水量比較

圖9 為覆膜條件下不同生育期12h 凝結(jié)水累加量。由圖9 可知，從凝結(jié)水量看花鈴期最多，其次是蕾期和吐絮期，苗期最少?；ㄢ徠谂c蕾期平均溫度相對較高，夜間平均溫度較低，晝夜溫差較大，白天干燥許久的土壤空氣濕度增加，凝結(jié)速率變快，便產(chǎn)生了非?？捎^的凝結(jié)水量。苗期經(jīng)歷時間較短，凝結(jié)速率不穩(wěn)定，受自然條件中不確定因素影響較大，所以苗期產(chǎn)生的凝結(jié)量微乎其微。吐絮期正值夏秋季節(jié)，氣溫降至露點的時間延遲，日出前的水汽凝結(jié)時間縮短，所以凝結(jié)量相對較少。

2.4 不同覆蓋方式對凝結(jié)水量的影響

比較2 種不同覆蓋方式的凝結(jié)水量可知（表2），2 種處理方式下的凝結(jié)水量均趨于先增大后減小的變化規(guī)律。由表2 可知，覆膜全育期凝結(jié)量為72.12 mm，各生育期的凝結(jié)水量分別為19.35、15.18、27.55、10.04 mm，不覆膜全育期凝結(jié)量為89.2 mm，各生育期的凝結(jié)水量分別為18.9、21.29、33.55、15.46 mm，2種不同處理方式下的凝結(jié)水量都在花鈴期達到最大，不覆膜條件下的凝結(jié)量比覆膜條件下的凝結(jié)水量高23.68%。覆膜與不覆膜2 種方式不會影響水汽凝結(jié)的動態(tài)變化規(guī)律，不覆膜條件下更有利于凝結(jié)水的產(chǎn)生。這是因為2 種滴灌條件下，各個生育期均在08:00—12:00 蒸散速率達到最大。覆膜滴灌條件下，蒸散量大，凝結(jié)水以露珠的形式凝結(jié)在膜上，次日早晨日出之后，膜上的凝結(jié)水便會快速蒸散，覆膜條件不利于凝結(jié)水進入土壤（圖10）。

表2 不同覆膜方式下全生育期內(nèi)凝結(jié)水量Table 2Condensation amount in the whole growth period under different coverage methods

2.5 凝結(jié)水與氣象因素的關(guān)系

從凝結(jié)水的形成條件來看，各生態(tài)系統(tǒng)影響凝結(jié)水形成的最關(guān)鍵因子均為相對濕度，另一個重要因素就是空氣溫度[18]。本研究根據(jù)所測得的凝結(jié)水量與近地層的相對濕度（RH）、露點溫度（Td）、地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）做了相關(guān)性分析和多元線性回歸模型，結(jié)果見表3。

表3 凝結(jié)水量與氣象影響因子相關(guān)系數(shù)Table3the correlation coefficient between dew amount and meteorological factor

在覆膜滴灌條件下，對凝結(jié)水量和氣象因子進行多元相關(guān)性分析表明，棉田凝結(jié)水量與相對濕度（RH）、露點溫度（Td）正相關(guān)，與地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）負相關(guān)，其擬合公式為Idew=0.303+0.002RH+0.004Ta，R2=0.595，P<0.05。

在不覆膜滴灌條件下，凝結(jié)水量和氣象因子的多元相關(guān)性分析表明：棉田凝結(jié)水量與相對濕度（RH）、露點溫度（Td）正相關(guān)，與地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）負相關(guān)。其擬合公式為：Idew=-0.523-0.003Ta-0.005Ts+0.002RH ， R2=0.669 ，P<0.05。

3 討論

凝結(jié)水的產(chǎn)生因地域、土質(zhì)、作物類型、試驗方法等的不同會呈現(xiàn)出一定的差異，針對本試驗棉田，根據(jù)凝結(jié)水量與相對濕度（RH）、露點溫度（Td）、地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）5 個氣象因子的多元相關(guān)關(guān)系，初步得出凝結(jié)水量的多元回歸結(jié)果，由于回歸方程R2并不高，對于膜下滴灌棉田凝結(jié)水量的估算以及與氣象因子的關(guān)系還需更進一步的研究。

凝結(jié)水作為維系干旱區(qū)主要食物鏈的水分來源之一，在干旱區(qū)水分平衡研究中意義重大[19]。凝結(jié)水量少，存在時間短，對于水資源充足地區(qū)研究意義無足輕重，但在干旱半干旱區(qū)，以及水資源匱乏的沙漠生境，凝結(jié)水是重要的水資源[20-21]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)滴灌棉田凝結(jié)水的動態(tài)變化與其他作物以及裸地的研究結(jié)果一致；就凝結(jié)水量而言，花鈴期水量最大；不覆膜條件凝結(jié)水量高于覆膜條件的。

本研究中，苗期凝結(jié)水量覆膜條件下高于不覆膜條件，原因可能是：①苗期，覆膜延緩了土壤溫度的變化，使得土壤溫度與空氣溫度形成較大的溫差，有利于凝結(jié)水的生成；②覆膜會引起土壤熱通量和凈輻射的變化，地表和土壤溫度升高導(dǎo)致土壤蒸發(fā)、空氣中水汽增多，從而增加空氣相對濕度，有利于凝結(jié)水形成[22-23]，2 種猜想在以后研究中也需要進一步驗證。

除了苗期以外其他生育期，不覆膜條件下的凝結(jié)水量高于覆膜條件，原因可能是：①隨著棉花葉片逐漸增多，棉田冠層以下降溫較慢，不覆膜條件下風可以帶走棉田冠層以下釋放的熱量，使得溫度盡早達到露點[18]；②與不覆膜條件相比，覆膜條件下地表溫度降溫慢，晝夜溫差相對較小，凝結(jié)速率變慢，故凝結(jié)水生成量少于不覆膜條件。

凝結(jié)水量隨著地域、不同時段的環(huán)境因素、試驗條件等的不同而呈現(xiàn)出明顯的差異，新疆地區(qū)滴灌棉田凝結(jié)水相對于其他研究結(jié)果水量較多，可能有以下3 個原因：①棉花在蕾鈴期時葉片數(shù)量會迅速增長，葉面積指數(shù)和凝結(jié)面增多，凝結(jié)水量也隨之增多。葉片遮擋也可以抑制土壤水分的蒸散，保持了冠層的濕潤，提高了相對濕度；②花齡期正值7、8 月，氣溫較高，棉田白天蒸散量大，地表較為干燥，可以產(chǎn)生數(shù)量較多的凝結(jié)水，這與方靜等[24]凝結(jié)水研究中提出的觀點一致；③試驗地的土壤含鹽量相對較高時，土壤吸濕系數(shù)和抗蒸散能力增強，地表晝夜溫差增大，提高了凝結(jié)水生成量[25]。

膜下滴灌棉田全育期內(nèi)的凝結(jié)水量為72.12 mm約占灌水量（412 mm）的17.50%，占年平均降水量（207 mm）的34.84%。在干旱環(huán)境中的棉田可以通過吸收凝結(jié)水補充自身需要的水分，抵御干旱，促進種子萌發(fā)。由此可見，凝結(jié)水作為一種淡水資源，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)更是不可或缺的，對于棉花的生長也具有重要意義。

4 結(jié)論

1）滴灌棉田每日從00:00 開始凝結(jié)，至08:00 結(jié)束，歷時8h；凝結(jié)過程可分為緩慢凝結(jié)、快速凝結(jié)和轉(zhuǎn)為蒸散3 個過程。凝結(jié)量和蒸散量均為：花鈴期>蕾期>吐絮期>苗期。

2）全生育期覆膜比不覆膜凝結(jié)水量少17.08 mm，占凝結(jié)水總量的23.68%。

3）不覆膜滴灌條件更有利于凝結(jié)水的產(chǎn)生，覆膜滴灌條件下，凝結(jié)水會以露珠的形式凝結(jié)在膜上，次日早晨日出之后，膜上的凝結(jié)水便會快速蒸散，覆膜條件不利于凝結(jié)水進入土壤。

4）覆膜與不覆膜2 種條件下，棉田凝結(jié)水量均與相對濕度（RH）、露點溫度（Td）正相關(guān)，與地表溫度（Ts）、風速（Ws）、環(huán)境溫度（Ta）負相關(guān)。