高寒沙区生物土壤结皮对吸湿凝结水的影响

成 龙,贾晓红,*,吴 波,李元寿,赵雪彬,周 虹

1 中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091 2 中国气象科学研究院,北京 100081 3 青海共和荒漠生态系统国家定位观测研究站,青海共和 813000

高寒沙区,海拔高、温度低、降水稀少、蒸发量高,形成了独特的自然环境。水分是影响动植物生存与分布的关键性非生物因子,任何方式的水分来源都可能为高寒沙区生态系统带来积极的影响,在水资源稀缺的区域,除降水外,吸湿凝结水是重要的水分来源。

荒漠生态系统中生物土壤结皮因其特殊的生理特征,在干旱、半干旱地区扮演了重要的角色,是荒漠生态系统的构建者之一。生物土壤结皮 (biological soil crusts, BSCs) 以隐花植物(蓝藻、苔藓、地衣和土壤微生物)为主体,土壤表层颗粒与隐花植物生物体假根和生长需要产生的分泌物或是自身的菌丝体胶结,形成的十分复杂的复合体[1]。伴随着土地退化、沙化和荒漠化现象的加剧,有关干旱、半干旱地区的研究逐渐增多,BSCs在这些植被恢复区和荒漠生态系统中广泛分布,在某些地区的覆盖率达到了40%以上[1- 2],周期性缺水、缺少维管植物的沙漠、冻原和岩面等,其覆盖率几乎达到了70%。荒漠生态系统中生物土壤结皮吸湿凝结水的研究逐渐引起了重视,相关试验证实了吸湿凝结水的存在,内盖夫沙漠一年有195 d可以生成吸湿凝结水,吸湿凝结水总量33 mm[3]；毛乌素沙地,吸湿凝结水量可占据年均降雨量的12.6%[4]。对于灌木、半灌木等需水量较高的植物,吸湿凝结水的存在没有太大意义,且吸收困难,利用价值有限[5],但对于荒漠系统中的各类昆虫[6]、微生物、结皮[7-8]等生物来说,是赖以生存的水源之一。此外,吸湿凝结水具有提高荒漠地区植物种子萌芽[9],促进沙丘稳定[10-11]等多方面的作用,因此有关荒漠地区吸湿凝结水凝结特征的研究具有十分重要的生态水文意义。

国外对吸湿凝结水的研究在20世纪40年代就开始进行了,迄今已有70余年,吸湿凝结水研究的相关技术已经十分纯熟[12-13],相关理论(影响因素、形成机理等)已经十分完善[14- 17]。我国相关方面的研究还有一定程度的欠缺,研究主要集中在腾格里沙漠[18-19]、古尔班通古特沙漠[20]、毛乌素沙地[4]等区域[21],鲜见高寒沙区吸湿凝结水的相关报告,与我国的荒漠生态系统分布是不对称的。基于这种现象,本文选择地处于青藏高原的共和盆地,采用微型蒸渗仪观测了青海共和沙地夏秋季节吸湿凝结水形成量及形成过程,分析了采样深度和结皮类型对它们的影响,探讨了吸湿凝结水量同气温和湿度关系,可为高寒沙区生态系统管理及生态水文学研究提供借鉴。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省海南州沙珠玉乡青海省治沙试验站,36°16′N,100°16′E,海拔高度2871 m,是青海省林业厅的下属单位。地处于青藏高原东北部的共和盆地,是青海省荒漠化土地的主要分布区,占地面积5.2×102km2,土地沙化面积约为1.74×102km2。所处环境的影响,该区具有明显的高原性大陆气候特征,降水稀少,主要集中在夏季夜晚,时间短,雨量下,降水十分不均匀,年降水量246.3 mm；降雨的同时常常伴有大风,平均风速3 m/s,主要是西北风；低温且温差大,年平均温度2.4℃,年最高温度39℃；光照时间长,年太阳辐射量为158431×4.18 kJ/cm2[22]；蒸发量高,年蒸发量1716.7 mm。

为治理土地的沙化,青海省治沙实验站于19世纪60年代建成,至今已有60多年的历史,形成了以灌木：柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKom.)、沙棘(HippophaerhamnoidesLinn)、柽柳(TamarixchinensisLour.)为主,多年生草本：赖草(Leymus) 、甘草(GlycyrrhizauralensisFisch)、针茅(StipacapillataLinn.)、早熟禾(PoaannuaL.)、等,高大乔木：青杨(PopuluscathayanaRehd.)、小叶杨(PopulussimoniiCarr)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.)为辅,同时伴有大面积的苔藓、藻类等隐花植物,形成了复杂的植物群落。研究对象为生物土壤结皮,生长年限的不同,生物土壤结皮的发育程度不同,随着时间的推移,生物土壤结皮的随着流沙、物理结皮、藻类结皮、地衣、苔藓结皮的发育顺序进行更替,同时存在一定的伴生现象。本试验对不同年限的生物土壤结皮厚度进行了调查,综合考虑,研究样地设置在1977年植被恢复区。

1.2 研究方法

吸湿凝结水的测量没有统一的方法,微渗仪法是目前公认的较精确的方法之一[23],本试验采用微渗仪法对吸湿凝结水凝结和蒸散过程进行观测[24- 25]。

1.2.1 样地设置

研究区地处高寒沙区,未见相关研究报道,2016年6月—2016年10月,利用自制微渗仪对研究区吸湿凝结水进行了观测,微渗仪由内环和外环两部分组成[20],内环直径10 cm,外环直径15 cm；试验共有4个处理,每个处理5个重复,选取具有代表性的苔藓结皮、藻类结皮、物理结皮,用流沙作为对照；取样时在不破坏结皮的前提下,将内环垂直压入土壤,用300目纱网封底,取样高度分别为2、3、5、10 cm(为防止测量过程对样品的影响,取样样品装至内环顶部1 cm处)。样品采集与样方设置均需避开灌丛、乔木的影响。

1.2.2 生物土壤结皮吸湿凝结水凝结特征观测

2016年6月15日开始试验,2016年10月8日停止观测,观测过程中,每日19:00和次日7:00用精度为0.01 g的电子天平称取样品,两次测量结果的差值即为夜间吸湿凝结水量。测量过程中,选取晴朗无云少风的夜晚进行凝结和蒸散过程的观测,2016年7月19日19:00开始观测,直至样品重量趋于稳定时结束,时间间隔1 h。

1.2.3 气象条件观测

在样地安装有em50(北京力高泰科技有限公司)数据采集器,对空气温湿度进行观测。

1.2.4 数据分析

观测结果以质量表示吸湿凝结水生成量,转换为以高度表示的吸湿凝结水量,计算公式如下：

H=10m/ρπr2

式中,H为吸湿凝结水量(mm)；m为吸湿凝结水质量即样品重量变化量(g)；ρ为水的密度(g/cm3)；r为自制微渗仪半径(cm)[21]。

取样过程中,所取样品土壤深度的不同,会影响吸湿凝结水量的观测结果。在腾格里沙漠[18-19]、古尔班通古特沙漠[20]、毛乌素沙地[4]等区域[21]的观测过程中,证实了吸湿凝结水主要集中在土壤3 cm,本试验将10 cm取样深度下测得的吸湿凝结水量作为当日吸湿凝结水总量,计算不同取样深度下测得吸湿凝结水生成量占吸湿凝结水总量比例(图2) 。

采用SPSS(双变量相关性分析、因子分析)和Excel进行数据分析与绘图。

2 结果与分析

2.1 吸湿凝结水量相关特征分析

观测期间,共测得59次吸湿凝结水发生现象,除降雨、大风等不适宜观测的天气外,每天都有吸湿凝结水的产生。

随着取样土壤深度的增加,日吸湿凝结水量逐渐增加；不同地表类型日吸湿凝结水量存在差异(图1)。取样深度2 cm的日吸湿凝结水量,苔藓结皮和藻类结皮高于物理结皮与流沙,但苔藓结皮、藻类结皮、物理结皮与流沙之间存在差异但并无明显规律；取样深度3 cm,日吸湿凝结水量大致呈现为：流沙<物理结皮<藻类结皮<苔藓结皮,但趋势不明显；而取样深度5、10 cm,日吸湿凝结水量表现为：流沙<物理结皮<藻类结皮<苔藓结皮,且趋势明显。

图1 不同地表类型(取样深度)日吸湿凝结水量变化特征Fig.1 The daily contents of hygroscopic and condensate water on different sand surface (sample depth)

图2 不同地表类型吸湿凝结水总量 Fig.2 The total amounts of hygroscopic and condensate water on different sand surface不同字母之间代表差异显著(P<0.05)

不同地表类型产生的吸湿凝结水总量存在差异(图2)。取样深度2、5、10 cm的吸湿凝结水总量表现为：流沙<物理结皮<藻类结皮<苔藓结皮,吸湿凝结水量随着结皮发育的程度呈现增加的趋势,且不同地表类型所产生的吸湿凝结水总量差异显著(P<0.05)；生物土壤结皮产生的吸湿凝结水总量显著大于流沙产生的吸湿凝结水总量(P<0.05)；取样深度3 cm的吸湿凝结水总量表现为：流沙<物理结皮<藻类结皮<苔藓结皮,其中藻类结皮、物理结皮吸湿凝结水总量差异不显著(P>0.05),苔藓结皮、流沙与藻类结皮和物理结皮之间吸湿凝结水量差异显著(P<0.05)。

2.2 取样深度与吸湿凝结水的关系

以10cm深度的日吸湿凝结水量为当日吸湿凝结水总量,计算不同取样深度日吸湿凝结水生成量占日吸湿凝结水总量比例的结果表明,不同取样深度的比例变化为 2 cm<3 cm<5 cm,且取样深度2 cm和3cm的比例在观测期呈波动性变化,而5 cm深度的比例在整个测定期呈稳定变化趋势(图3)。取样深度2 cm的比例变异系数在不同地表类型为：苔藓结皮0.253、藻类结皮0.259、物理结皮0.434、流沙0.415,取样深度3 cm变异系数为：苔藓结皮0.209、藻类结皮0.181、物理结皮0.217、流沙0.292,取样深度2和3 cm出观测结果变异系数较大。取样深度5 cm的日吸湿凝结水占日吸湿凝结水总量的比例较高,最低86.57%,最高达到了98.92%,所占比例基本达到了90%以上,且变异系数较小：苔藓结皮0.030、藻类结皮0.030、物理结皮0.031、流沙0.029。

图3 不同取样深度生物土壤结皮吸湿凝结水量Fig.3 The hygroscopic and condensate water contents of biological soil crust in different sample depth

不同取样深度对吸湿凝结水总量有影响(图4),但地表类型对吸湿凝结水总量无影响；取样深度2 cm的吸湿凝结水总量与取样深度3、5、10 cm吸湿凝结水量之间差异显著(P<0.05)；取样深度3 cm处测得吸湿凝结水总量与取样深度5、10 cm处吸湿凝结水总量之间差异显著(P<0.05)；取样深度5 cm处吸湿凝结水总量与取样深度10 cm吸湿凝结水总量之间差异不显著(P>0.05)。

图4 不同取样深度吸湿凝结水量 Fig.4 The total amounts of hygroscopic and condensate water in different sample depth不同字母之间代表差异显著(P<0.05)

2.3 不同类型地表的吸湿凝结及蒸散日动态过程

为更好的了解吸湿凝结水凝结与蒸散过程,通过对吸湿凝结水的日动态观测结果表明,不同地表类型吸湿凝结水的凝结和蒸散过程呈现出单峰曲线(图5),吸湿凝结水量表现为：流沙<物理结皮<藻类结皮<苔藓结皮。取样深度2 cm处物理结皮与流沙之间差异不显著(P>0.05),结皮(苔藓结皮和藻类结皮)与流沙之间差异显著(P<0.05)；取样深度3、5、10 cm吸湿凝结水量不同地表类型吸湿凝结水量之间差异均显著(P<0.05)。相同地表类型取样深度2、3 cm与取样深度5 cm和10 cm之间差异显著(P<0.05)；取样深度5 cm与10 cm吸湿凝结水量之间差异不显著(P>0.05)。

凝结过程分为两个阶段(图5),日出前的凝结现象以及日出后的蒸散现象,凝结现象自19:00开始,至次日7:00结束,吸湿凝结水量最大值出现在次日7:00；蒸散现象自次日7:00至次日12:00,持续时间5 h,12:00吸湿凝结水基本已蒸发完。蒸散过程苔藓结皮吸湿凝结水量下降最快,流沙次之,藻类结皮和物理结皮吸湿凝结水量下降居中。

图5 不同地表类型凝结及蒸散过程Fig.5 Condensation and evaporation process of different soil surface

2.4 大气温湿度与日凝结水量之间关系

因吸湿凝结水生成时间为19：00至次日7：00,所以采用该时间段内大气温湿度平均值分析日吸湿凝结水量与其的相关关系。大气温度降低,湿度升高,吸湿凝结水量增加,大气温度升高,湿度降低,吸湿凝结水量降低(图5和图6)；大气温度与吸湿凝结水量呈负相关关系,大气湿度与吸湿凝结水量呈正相关关系,且相关性与取样深度和地表类型无关(图7)。

图6 夜间大气温湿度变化特征Fig.6 Changes of atmospheric temperature and humidity at night

图7 大气温湿度与吸湿凝结水量相关性Fig.7 Correlations between hygroscopic and condensate water contents and atmospheric humiture

3 讨论

其他研究表明,吸湿凝结水主要来源于空气和土壤中的水汽,吸湿凝结水量的大小受取样深度、地表类型、周围植被等因素的影响[3,18- 19]。在腾格里沙漠沙坡头区[1]、毛乌素沙漠[3]和古尔班通古特沙漠[19]等地区吸湿凝结水主要发生在0—3 cm内,3—10 cm土壤深度,虽然存在吸湿凝结水,但因其凝结量较少,可以忽略不计[19-20,26]。通过对高寒沙区不同地表类型的2、3、5、10 cm土壤深度的吸湿凝结水量研究表明,高寒沙区生物土壤结皮吸湿凝结水量与所取样品土壤深度密切相关；土壤2、3 cm的吸湿凝结水量波动大,差异明显,不可作为代表性取样深度；土壤5 cm处观测结果占总吸湿凝结水量(10 cm土壤深度)的90%以上,且较为稳定,可作为代表性取样深度进行试验。在农田生态系统中,凝结水量较高时,凝结水会出现下渗现象,水分下渗深度较高,所取样品土壤深度低于下渗深度时,就会引起观测结果的不准确；本研究观测的吸湿凝结水量较小,基本保持在土壤浅表层,入渗深度不深。另一方面,取样深度造成观测结果的偏差可能与吸湿凝结水来源有关, 一方面大气温度在没有达到露点温度时就有凝结现象的产生,即来自大气中的水分的吸收凝结部分；另一方面因土壤温度梯度的影响,深层土壤水分向上转移,并在近地表某一深度的土壤处凝结[27],这一现象的发生,决定着不同研究区域生物土壤结皮吸湿凝结水的取样深度[18]。本研究中,5 cm和10 cm取样深度形成的吸湿凝结水量差异不显著,5 cm取样深度可作为高寒沙区吸湿凝结水相关研究的代表性土壤深度。

吸湿凝结水的凝结、蒸散过程与地表类型密切相关。不同类型的生物土壤结皮因其结构和组成成分的差异,会对吸湿凝结水量产生不同的影响[19,23,28]。在干旱区或半干旱区生物土壤结皮吸湿凝结水的研究表明：吸湿凝结水量随结皮发育程度的增加而增加,结皮发育程度越高,吸湿凝结水量越大；生物土壤结皮吸湿凝结水量显著高于流沙[19,23,28]。吸湿凝结水量的多少受多方面的影响,在古尔班通古特的研究表明夜晚,苔藓结皮温度下降较快,至近地表温度以下时,空气中水汽在地表凝结；白天增温快,夜晚降温迅速,较大的日夜温差有利于吸湿凝结水的生成[26]；另一方面,研究区藓类结皮属于变水植物,变水的特征决定其含水量随周围环境的变化而变化,经过一日的高温,空气湿度迅速下降,由于干旱缺水,苔藓植物体皱缩,进入休眠状态,遇到水分(即使量很少)之后恢复生理活性,恢复活性的苔藓结皮苔藓植物体裸露在结皮表面,与其他类型的结皮相比具有较大的表面积,在吸湿凝结水形成过程中捕捉空气中水分具备更大的优势；凝结面机械组成也会影响吸湿凝结水的形成,土壤粉粒和黏粒等细颗粒物含量越高,凝结面表面捕水的毛管作用力越大,即越有利于吸湿凝结水的形成,在鄂尔多斯沙地的研究证明,随着结皮的发育程度的增高,土壤粉粒和黏粒等细颗粒物含量随之增加[29]。苔藓结皮较大的表面积、较高的日温差和较高的细颗粒物含量都有利于吸湿凝结水的产生,本研究结果也表明夜间苔藓结皮的吸湿凝结水量最大。藻类结皮、物理结皮和流沙与苔藓结皮相比具备空气接触面积小和土壤细颗粒物少的特点,而在这三者之中,接触面积：藻类结皮>物理结皮>流沙,土壤细颗粒物含量：藻类结皮>物理结皮>流沙[29],这导致吸湿凝结水量：藻类结皮>物理结皮>流沙。本研究中,吸湿凝结水量：苔藓结皮>藻类结皮>物理结皮>流沙,与腾格里沙漠沙坡头区[1]、毛乌素沙漠[3]和古尔班通古特沙漠[19]等地区吸湿凝结水相关研究结果一致。

吸湿凝结水的蒸散过程中,一方面苔藓结皮与其他类型结皮相比具备增温速度快,空气接触面积大等特点；另一方面苔藓结皮具备明显植物体,夜间产生的吸湿凝结水附着在植物体表面,日出后,吸湿凝结水直接暴露于空气中,有利于吸湿凝结水的蒸发,综合导致苔藓结皮蒸散速率高于其他结皮类型。藻类结皮,是由藻类菌丝体与土壤颗粒胶结形成的薄膜,由于其特殊的水分运移方式,产生的吸湿凝结水转移到土壤表层的下方[3]；相关研究证明,日出时,温度与水分适宜,藻类恢复生理活性,藻丝体从胶鞘游至表层,进行生理代谢活动,随着表层温度的升高,为避免水分的散失,藻丝体退至土壤下层[23],特殊的水分运移方式和特殊的藻丝体运动方式可能是藻类结皮吸湿凝结水持续时间较长的原因。物理结皮是土壤颗粒板结所形成的一种特殊的结皮类型,其上部未见明显的植物存在,由于表层的板结,对水分的运输起到了一定的阻碍作用,吸湿凝结水产生后,渗入物理结皮下层,致使吸湿凝结水的蒸发速度较慢。而流沙的土壤孔隙大,持水能力差,表层与近地表温度升高,吸湿凝结水迅速蒸发[26]。本研究中,吸湿凝结水蒸发速率：苔藓结皮>流沙>物理结皮>藻类结皮。

4 结论

通过对处于高寒沙区共和盆地开展吸湿凝结水凝结特征的初步观测,得到以下结论：

不同地表类型产生的吸湿凝结水表现规律如下：流沙<物理结皮<藻类结皮<苔藓结皮,生物土壤结皮吸湿凝结水量显著大于流沙(P<0.05)；

在该地区吸湿凝结水主要集中在土壤表层5 cm处,取样深度5 cm可作为高寒沙区吸湿凝结水研究的代表性土层；

吸湿凝结水产生时间在19:00至次日7:00,持续时间为7:00—12:00,持续时间5 h,吸湿凝结水产生与持续时间与地表类型和取样深度无关；

吸湿凝结水量与大气温湿度密切相关,与大气温度呈正相关关系,与大气湿度呈负相关关系。