高寒草甸蒸發(fā)凝結(jié)過程機(jī)制研究

李春杰

（南陽師范學(xué)院地理科學(xué)與旅游學(xué)院，河南 南陽 473061）

0 引言

青藏高原是世界第三極，其凍土環(huán)境對寒區(qū)氣候、水文、生態(tài)十分敏感。在氣候變化與人類活動(dòng)的雙重壓力下，多年凍土區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受到嚴(yán)重影響，改變了區(qū)域的水分收支狀況［1-2］。蒸發(fā)凝結(jié)過程是地氣系統(tǒng)能量和物質(zhì)交換的主要載體，陸面過程通過感熱、潛熱及輻射通量的變化反饋于氣候系統(tǒng)［3-4］。蒸發(fā)凝結(jié)過程作為重要的水文現(xiàn)象和水文過程，改變了水分在土壤淺層的分布狀況，也會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)中能量潛熱和顯熱的分配，從而對區(qū)域氣候、水文、凍土環(huán)境和生態(tài)過程產(chǎn)生影響［5］。

土壤淺層包氣帶是蒸發(fā)凝結(jié)過程的界面，包氣帶最大的特點(diǎn)是固、水、氣三相并存，包氣帶表層孔隙與外界連通性好，其液態(tài)水容易轉(zhuǎn)化成氣態(tài)水逸散出地表而蒸發(fā)［6］。蒸發(fā)凝結(jié)水對氣候變化響應(yīng)敏感，可以作為氣候變化的指示器，是目前全球生態(tài)水文界研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。蒸發(fā)凝結(jié)過程機(jī)制的解析，有助于加深對于高寒地區(qū)水循環(huán)過程的理解［7］。筆者定量分析了高寒草甸蒸發(fā)凝結(jié)過程及其特殊生態(tài)意義，可為蒸發(fā)凝結(jié)過程機(jī)理模型的建立、水循環(huán)過程研究、水量平衡分析、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)［8-9］。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原長江源治多縣典型小流域，年平均氣溫為-3.2℃，平均相對濕度為56%，最大風(fēng)速32m/s，太陽輻射量超過6185MJ·m-2。氣候寒冷干燥，氣溫氣壓均較低，四季變化不明顯。年均降水量為347mm，主要集中在6、7、8、9四個(gè)月份，降水以降雪過程為主，年均蒸發(fā)量為1483mm。主要土壤類型為高寒草甸土，植物群落為高寒草甸植被群落。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)植被覆蓋度將高寒草甸按未退化、中度退化和嚴(yán)重退化3種退化程度分類。蒸發(fā)凝結(jié)過程觀測采用自制微型蒸滲儀（Micro-Lysimeter）。微型蒸滲儀由圓柱形鍍鋅鋼板制成，其內(nèi)徑為70mm，管壁厚度3mm，布設(shè)5cm、10cm、20cm三種深度（圖1）?？刂茖?shí)驗(yàn)分2組處理：第一組用不銹鋼薄板將底部密封，使底部與下方水汽完全隔絕；第二組用400目尼龍網(wǎng)封底，底部與下方水汽通道處于連通狀態(tài)。

圖1 高寒草甸土壤凝結(jié)水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖示

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法。在每日20：00和翌日早晨8：00利用電子天平稱重（精度0.01g），測定微型蒸滲儀重量的變化，翌日早晨8：00與前一日20：00重量的差值即為凝結(jié)量，早晨8：00與前日20：00重量的差值即為蒸發(fā)量。然后在每天早晨8：00和晚上20：00稱量微型蒸滲儀的重量，其前后重量的差值為土壤水分蒸發(fā)量。根據(jù)公式1計(jì)算獲得凝結(jié)量值，所采用的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)均為當(dāng)?shù)氐胤綍r(shí)。

式中：H為蒸發(fā)凝結(jié)量（mm）；M1土壤的重量前值（g）；M2土壤重量的后值（g）；r為凝結(jié)水量（mm）；π為試筒內(nèi)徑（mm）；ρ為水的密度（g·mm-3）。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 不同退化程度的高寒草甸蒸發(fā)、凝結(jié)過程

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，隨著高寒草甸的退化，蒸發(fā)量和凝結(jié)量都逐漸減少，蒸發(fā)量均遠(yuǎn)高于凝結(jié)量。蒸發(fā)量的均值為1.69mm/d，累計(jì)蒸發(fā)量未退化、中度退化、嚴(yán)重退化的累計(jì)值分別為334.2、312.6和283.1mm。高寒草甸土壤凝結(jié)量的均值為0.13mm/d，未退化、中度退化、嚴(yán)重退化的高寒草甸累計(jì)值分別為28.5、25.6和20.9mm，蒸發(fā)量約為凝結(jié)量的12倍［10-11］。凝結(jié)水汽通量的最大值為0.32mm/d，而日均蒸發(fā)的水汽通量的最大值卻為4.04mm/d，土壤蒸發(fā)通量遠(yuǎn)大于凝結(jié)通量，說明在土壤表層與大氣、土壤深層包氣帶的水分交換中，蒸發(fā)過程占主導(dǎo)地位，蒸發(fā)強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于凝結(jié)的強(qiáng)度（見表2）。5cm深度的微型蒸滲儀的蒸發(fā)量最大，大于10cm和20cm，說明0～5cm土壤水分蒸發(fā)活動(dòng)最為劇烈。同時(shí)土壤的凝結(jié)汽通量中，深度5cm的蒸滲儀凝結(jié)量要遠(yuǎn)大于10cm和20cm的蒸滲儀，從蒸發(fā)凝結(jié)過程可以發(fā)現(xiàn)0～5cm土壤剖面的地氣水分和能量交換最為劇烈。隨著植被的退化，高寒草甸土壤的蒸發(fā)凝結(jié)量均有所下降。

表1 不同退化程度高寒草甸日均蒸發(fā)量核算

表2 不同退化程度高寒草甸的蒸發(fā)和凝結(jié)通量

在生長期5～10月觀測到的未退化、中度退化和嚴(yán)重退化高寒草甸的蒸發(fā)量為399.0、357.8和291.8mm，隨著高寒草甸的退化累計(jì)蒸發(fā)量和日均蒸發(fā)量都呈現(xiàn)減小的趨勢（見表3）。未退化、中度退化和嚴(yán)重退化高寒草甸累計(jì)凝結(jié)量為28.5、25.6和20.9mm（見表1），隨著植被退化累計(jì)凝結(jié)量逐漸下降［12］。在活動(dòng)層完全融化期，凍結(jié)層上水的蒸發(fā)量所占的比例很大，主要是通過毛細(xì)管作用上升到地面，使蒸發(fā)源源不斷進(jìn)行，一般可占總蒸發(fā)量的20%左右，不同植被退化程度下高寒草甸土壤蒸散發(fā)量也存在顯著差異，未退化高寒草甸植被散發(fā)量最大（見表3）。

表3 不同退化程度的高寒草甸的蒸發(fā)量隨季節(jié)變化規(guī)律mm

2.2 生長期不同月份的蒸發(fā)凝結(jié)量變化

從5月份開始月蒸發(fā)量呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，在7月份蒸發(fā)量達(dá)到最大值，是陸面蒸發(fā)量最大的月份，從8月份開始散發(fā)量又開始持續(xù)減少（表3）。

不同退化程度高寒草甸土壤吸收和釋放熱量的速度不同，地表及深層土壤的溫度變化規(guī)律也不同，從而影響土壤中水汽運(yùn)移，導(dǎo)致不同退化高寒草甸土壤的凝結(jié)量的不同（表4），在7月份凝結(jié)量達(dá)到最大值，是陸面蒸發(fā)量最大的月份。未退化高寒草甸凝結(jié)量最大，隨著寒草甸退化凝結(jié)量開始下降，嚴(yán)重退化高寒草甸凝結(jié)量最少。蒸發(fā)量和凝結(jié)量表現(xiàn)出先略微增加，然后逐漸減少的趨勢，7月份的月均蒸發(fā)量和凝結(jié)量分別為62.2mm和4.7mm［13-15］。隨著高寒草甸退化，蒸發(fā)凝結(jié)通量發(fā)生了劇變，蒸發(fā)凝結(jié)過程改變了淺層土壤水分的分布格局，對于青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要意義［16］。

表4 不同退化程度的高寒草甸的凝結(jié)量隨季節(jié)變化規(guī)律mm

3 結(jié)語

蒸發(fā)凝結(jié)過程是伴隨著水分和能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜地氣交互過程，尤其是在青藏高原區(qū)，凝結(jié)水的產(chǎn)量和形成機(jī)制一直都是關(guān)注的熱點(diǎn)問題。凝結(jié)水的產(chǎn)生使土壤表層的含水量增加，從而改變了土壤的熱力學(xué)性質(zhì)。在高寒草甸植被退化的背景下，寒區(qū)土壤的凝結(jié)水量整體呈現(xiàn)出減少的趨勢?；顒?dòng)層凍融層會(huì)對蒸發(fā)凝結(jié)過程產(chǎn)生重要影響。凝結(jié)水在高寒草甸生長期的不同月份及不同的退化程度下，具有不同的規(guī)律。凝結(jié)水的形成深度主要集中0～5cm土壤范圍內(nèi)，同時(shí)0～5cm土壤蒸發(fā)最為劇烈。隨著高寒草甸退化凝結(jié)量逐漸減少，蒸發(fā)和凝結(jié)過程改變了淺層土壤水分的分布格局，對于青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要意義。