應(yīng)用拱棚-空調(diào)法對極干旱區(qū)降水的模擬回收

李紅壽, 汪萬福, 詹鴻濤, 邱 飛, 武發(fā)思, 張國彬

(1. 敦煌研究院保護所， 敦煌 736200； 2. 古代壁畫保護國家文物局重點科研基地， 敦煌 736200)

應(yīng)用拱棚-空調(diào)法對極干旱區(qū)降水的模擬回收

李紅壽1,2,*, 汪萬福1,2, 詹鴻濤1, 邱 飛1, 武發(fā)思1,2, 張國彬1,2

(1. 敦煌研究院保護所， 敦煌 736200； 2. 古代壁畫保護國家文物局重點科研基地， 敦煌 736200)

拱棚法監(jiān)測表明極干旱區(qū)存在潛水蒸發(fā)，而土壤溫濕度監(jiān)測表明，土壤水分具備向下運轉(zhuǎn)的條件，這意味著拱棚所監(jiān)測的水分可能來自降水，極干旱區(qū)并不存在深埋潛水蒸發(fā)。因此，研究降水的最終去向非常重要。為此筆者應(yīng)用拱棚-空調(diào)法進行對極干旱區(qū)降雨模擬回收。結(jié)果表明，在極干旱條件下占該區(qū)85%以上頻次的5 mm的降水經(jīng)90 d可完全蒸發(fā)和回收。回收過程中，棚內(nèi)地上50 cm 的相對濕度(RH)和絕對濕度(AH)分別較棚外增高12.10%和3.50 g/m3，這使降水的回收時間大為延長；另外，土壤內(nèi)部的溫濕度監(jiān)測表明，灑水后30 cm土壤的溫度、RH、AH分別高于棚外對照1.46 ℃、4.17%和2.50 g/m3，說明有一定數(shù)量的降水通過膜下土壤側(cè)向流向了外部，增加了收集時間?；厥諏嶒炞C明極干旱區(qū)降水可完全蒸發(fā)，該區(qū)存在潛水蒸發(fā)與GSPAC(Groundwater-Soil-Plant-Atmosphere Continuum)水分的向上運轉(zhuǎn)。

降水；極干旱地區(qū)；潛水蒸發(fā)

降水是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是地下水的主要來源[1]，也是決定土壤水分含量和植被分布的關(guān)鍵性因素[2]。降水缺乏是導(dǎo)致荒漠化的主要根源[3]，在干旱半干旱區(qū)降水脈動對植被影響尤為明顯[4]。眾多學(xué)者對降水過程進行了研究，目前降水及蒸發(fā)過程的研究一般是通過入滲深度的觀察[5]、土壤含水量的測定[6]、蒸滲儀稱重法[7]或微波遙感[8]等方法來進行的。

劉新平等研究發(fā)現(xiàn)，在科爾沁干旱流沙區(qū)小于13.4 mm的降水對深層土壤水分起不到補充作用[9]。筆者在敦煌莫高窟調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該極干旱區(qū)85%的降水小于5 mm，能夠達到13.4 mm的降雨數(shù)年不足一次，而該區(qū)鉆探發(fā)現(xiàn)150 m內(nèi)的深層土壤含水量穩(wěn)定在1.0%—1.5%之間[10]。如果降水不是該深層土壤水分的來源，那么它們只能來自地下水。2008年筆者用稱重法對5、10、16 mm模擬降水過程進行了的監(jiān)測，結(jié)果表明，0—60 cm土壤水分經(jīng)過8、12、16 d即可完全恢復(fù)到原來較低的含水量，據(jù)此推斷該區(qū)降水可較快蒸發(fā)[11]；同時，由于拱棚監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在遠離降水時該區(qū)仍存在水分蒸發(fā)，由此判定：極干旱深埋潛水區(qū)存在潛水蒸發(fā)[11]。

研究發(fā)現(xiàn)，0—60 cm土壤存在日溫度下的水分波動，即使遠離降雨時，0—60 cm土壤內(nèi)的日波動量高達9.27 mm[11]，這些水分99.8%在日波動過程中進入溫濕度較低的下層，僅有2‰的形成有效蒸發(fā)，流失于大氣[12,13]。且進入土壤深處的水分主要是以水汽形式向下運移的，受土壤顆粒及鹽分吸濕的影響，在進入過程中并不引起60 cm以下深層RH或AH的升高[14]。從0—60 cm土壤空氣的溫濕度日波動看，白天的溫濕度的確較高，具備水汽向下運移的條件[12]。而隨著研究的深入和土壤空氣溫濕度監(jiān)測范圍的擴大，發(fā)現(xiàn)年尺度上深層土壤溫度和AH變化與淺層日變化類似，存在年周期性的波動(圖1)。

根據(jù)水汽運移規(guī)律，較高的溫度、濕度是水分向外運移的充分條件。冬季上層土壤溫度較低，AH也較低。顯然，如果深層土壤水分立足于潛水來源，那么大約從10月到次年5月，存在潛水向上運移的充分條件；而5—10月上層溫度較高，AH也較高，水汽濃度由上向下遞減，存在水分由上向下運移的充分條件。同時夏季是主要的降雨期，由此推斷深層水分可能來自于降水。因此，深層土壤水分到底是來源于潛水還是降水，亦即：在極干旱區(qū)土壤內(nèi)水分循環(huán)宏觀上是GSPAC(地下水→土壤→植被→大氣)向上運轉(zhuǎn)還是降水向地下水(潛水)的循環(huán)，值得進一步的研究。它關(guān)系到干旱區(qū)鹽分來源[15]、礦物運轉(zhuǎn)[16]等地球物理化學(xué)循環(huán)[17]基本方向的定性。

圖1 深層土壤空氣溫濕度的年變化Fig.1 Yearly changes of air temperature and humidity in deep soil

因此，當(dāng)5—10月淺層土壤在降水作用下具備了較充足的水分時，降水有可能跟隨日溫度的波動以水汽形式“注入”深層，成為深層土壤水分的主要來源，然后在遠離降雨時形成蒸發(fā)[15]。降雨后由于干土層的保墑性能較強[18]，蒸發(fā)量較小，因此可長期保持蒸發(fā)存在。因而，之前用拱棚法測定的蒸發(fā)水分可能并非來自潛水，而通過降水入滲深度的觀察和土壤含水量的測定等也都并不能確定降水的確切去向。因此，降水最終是蒸發(fā)于大氣了還是以水汽形式進入了地下，無從得知，只是習(xí)慣性地認為蒸發(fā)于大氣了。

更何況基于同樣的水汽運移的基本理論和各自的監(jiān)測的結(jié)果，眾多研究者有類似的認識：張強等認為，在敦煌綠洲邊緣存在大氣水分向土壤深層的運移與補充[19]；李訓(xùn)華認為，沙漠包氣帶存在晝夜與季節(jié)性的水分向下運移和凝結(jié)[20]；張亞哲等認為，在西北地區(qū)日溫差較大的夏秋季，白天氣溫和地表溫度高于包氣帶溫度，氣態(tài)水在溫度梯度作用下存在向包氣帶低溫處的運移、凝結(jié)與聚集，使包氣帶含水量增大[21]。因此，確定降水的最終走向是極干旱土壤水分研究的關(guān)鍵。本文通過拱棚降水模擬回收，以確定降水的最后去向和降水的蒸發(fā)特征。

另外，水分是造成莫高窟洞窟珍貴文物劣變的主要原因，洞窟壁畫彩塑的酥堿、霉變、起甲、空鼓等都有水分的參與[10]。洞窟水分的來源一直是洞窟文物保護最為棘手的問題，如果能夠確定戈壁深層土壤水分來自降水，這就意味著莫高窟洞窟水分也可能來自降水，那么，通過窟頂防水處理即可從根本上解決莫高窟洞窟水分問題，使珍貴壁畫得以長久保存。因此，戈壁降水回收模擬實驗對莫高窟珍貴文物的保護也具有特別的意義。

1 研究區(qū)域狀況

實驗于2009- 07- 06—2009- 10- 22日在莫高窟窟頂戈壁距洞窟群1 km處進行，圖2。該區(qū)潛水埋深超過200 m，窟頂戈壁上層4 m為疏松礫砂，下層為膠結(jié)礫砂巖，屬第四紀酒泉組[10]。0—50 cm是一富鹽層，平均含鹽量為4.4%，主要以Na2SO4和NaCl為主，含水量在2.0%—9.0%之間隨日溫度的變化波動[14]。土壤空隙度在20%—30%之間。該區(qū)氣候極其干燥，年平均RH為31%，年降水量42.2 mm，年潛在蒸發(fā)量為4347.9 mm；太陽輻射強度可高達1.1 kW/m，年日照率71%；溫度11.23 ℃，風(fēng)速為4.1 m/s(2005年)。根據(jù)莫高窟氣象站記錄，該區(qū)2008年5次共降水8.20 mm、2009年5月扣棚之前7次共降水1.80 mm。

圖2 實驗區(qū)位置及拱棚-空調(diào)系統(tǒng)Fig.2 The site of experiment and the greenhouse air-conditioning system

2 研究方法

常言道：覆水難收。筆者查閱了大量的國內(nèi)外資料，并未找到有效回收降水的可靠方法。所幸的是，筆者為了測定深埋潛水的蒸發(fā)量，發(fā)明了拱棚-空調(diào)凝結(jié)法，它成功收集了蒸發(fā)水分[13]，該方法可完全應(yīng)用于降水的模擬回收。該方法是在拱棚法[11]的基礎(chǔ)上在棚內(nèi)安裝空調(diào)。首先利用塑料拱棚的密閉性形成一個與大氣完全隔絕的封閉系統(tǒng)，然后通過空氣的內(nèi)循環(huán)(根據(jù)空調(diào)風(fēng)扇的循環(huán)量計算，相對于0.1 m/s的風(fēng)速)和空調(diào)的冷凝來收集蒸發(fā)水分，降低棚內(nèi)濕度，并利用空調(diào)的制冷作用抑制拱棚的溫室效應(yīng)，使棚內(nèi)的溫濕度保持與外界大氣接近。

2009年5—7月，筆者正在利用這一方法進行潛水蒸發(fā)量的測定[13]，當(dāng)筆者意識到降水去向研究的重要性后，在測定了基本的蒸發(fā)數(shù)量后，及時轉(zhuǎn)入了降水的模擬回收實驗，針對降水水汽是否進入深層進行專門的研究。如果降水存在較大數(shù)量的水汽入地，那么在2008—2009年枯水背景下，土壤整體處于極干旱狀態(tài)，較小的降水極易被土壤吸濕吸附，水汽入土后將難以完全回收。調(diào)查發(fā)現(xiàn)敦煌地區(qū)85%頻次的降雨都小于5 mm，因此，首先以具有代表性的5 mm降雨進行測試，以確定降水蒸發(fā)基本特征、蒸發(fā)過程和降水是否能夠完全回收。

實驗回收的拱棚-空調(diào)系統(tǒng)的搭建與安裝為：用聚氯乙烯塑料膜和竹材在戈壁上搭建一個密閉的拱棚，完全隔絕與外界大氣的交流。拱棚呈半球形，高1.8 m，半徑3.1 m，面積30 m2，體積30 m3，棚膜邊緣埋入土壤30 cm；內(nèi)置一臺2 kW的春蘭空調(diào)，自動調(diào)控棚內(nèi)的溫濕度(圖2)。

同時，在棚內(nèi)外的地上50 cm及棚內(nèi)10、20、30、40 cm分別埋設(shè)HOBO溫濕度監(jiān)測儀，并在30 cm這一與棚膜埋深一致的關(guān)鍵層位埋設(shè)HOBO對照，每10 min記錄1次數(shù)據(jù)。并通過烘干法檢測灑水前后5、10、20、30、40、50、60 cm的土壤濕度(9:30)。一切就緒后，棚內(nèi)均勻灑水5 mm(150 kg)，通過空調(diào)的冷凝排水管將凝結(jié)水分導(dǎo)出棚外，用密閉塑料袋收集，用稱重法監(jiān)測日(8:30)蒸發(fā)量，并及時觀測入滲深度。

該區(qū)水面蒸發(fā)實驗表明，在當(dāng)?shù)?月份晴朗天氣下可達8—22 mm[22]。一般降雨過程有1—2 d的陰天，如果灑水后立即開啟空調(diào)冷凝收集，水分極易蒸發(fā)而缺少入滲過程，實驗可能失實。因此2009- 07- 06日灑水后為模擬自然蒸發(fā)狀況，在當(dāng)日和次日不開啟空調(diào)，使水分能夠有一個較充分的入滲。

另外，需要說明的是2010—2012年筆者在該實驗點搭建同樣大小的拱棚，用5 kW的空調(diào)對遠離降雨的自然戈壁進行了長達3 a的監(jiān)測。結(jié)果表明戈壁存在4.80 mm/a左右的穩(wěn)定背景(潛水)蒸發(fā)。本文將結(jié)合該實驗的部分結(jié)果加以分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水蒸發(fā)量的收集與分析

7月8日、9日和10日前3d的蒸發(fā)水分的收集量分別為41.270、13.430、10.115 kg，之后的蒸發(fā)量如圖3。98 d共收集水分152.896 kg，超過了原灑水量(150 kg)2.896 kg，說明降水可完全蒸發(fā)。至10月5日完成降水回收后，地表仍存在較穩(wěn)定的蒸發(fā)，表明存在潛水來源。蒸發(fā)量受氣候影響存在一定的波動，陰天無蒸發(fā)。蒸發(fā)量隨回收的完成逐漸減小。

圖3 蒸發(fā)水分的收集過程Fig.3 The evaporation water collecting process

回收數(shù)量充分表明，5 mm的降水可完全蒸發(fā)，但完成的時間為90 d，遠大于以前5 mm灑水實驗8 d的實驗結(jié)果[11]。這固然有以前灑水實驗未考慮陰天影響的原因，但這樣大的時間差異另有它因，筆者結(jié)合拱棚內(nèi)的具體情況加以分析。

3.2 棚內(nèi)外的溫濕度的對比分析

根據(jù)棚內(nèi)外地上50 cm 的HOBO監(jiān)測，棚內(nèi)、外的RH和AH分別為：36.7%、24.6%；8.4、4.9 g/m3，外界大氣濕度明顯要低，棚內(nèi)較高的空氣濕度是導(dǎo)致回收時間延長的主要原因。拱棚封閉使水分的蒸發(fā)受到較大的抑制，尤其是灑水初期棚內(nèi)(+50 cm)濕度較高(圖4)，受空調(diào)功率的限制，未能及時回收蒸發(fā)水汽，使棚內(nèi)濕度與外界一致。這與自然降水過程有較大的差異。

圖4 棚內(nèi)灑水前后溫濕度變化及與棚外30 cm的對比Fig.4 Changes of temperature and humidity before and after water sprinkled in 30 cm soil of the greenhouse and the control

棚內(nèi)灑水前、灑水后和蒸發(fā)末期土壤內(nèi)的溫濕度變化如圖4。棚內(nèi)灑水前的RH、AH較灑水后明顯要小，而溫度差異相對較小，主要受天氣晴朗程度的影響。土壤入滲觀測表明，降水入滲深度正好與空氣濕度升高的層位與時間相吻合，雖然最大入滲深度為20 cm，但水汽的影響深度至少可到達30 cm，使其AH增高，說明有一定數(shù)量的水汽進入了下層。隨著降水的蒸發(fā)和季節(jié)溫度的下降，土壤內(nèi)的溫濕度都逐漸降低。但回收完成后濕度并未因降水的完全回收而突然降低，說明潛水支持作用的存在。受2009- 09- 30日0.76 mm降雨影響，棚外末期30 cm濕度高于棚內(nèi)。

由于棚膜邊緣入土30 cm，因此30 cm是土壤內(nèi)外水分交流的關(guān)鍵層位。圖4“灑水后”的10 d 內(nèi)30 cm棚內(nèi)與棚外對照相比，AH平均高出3.30 g/m3，溫度也明顯高于棚外，這樣可以確定有部分水分流失于棚外土壤。由于空調(diào)功率較小，空調(diào)未能完全抑制住拱棚的增溫和封閉增濕效應(yīng)。即使在灑水前的45 d，棚內(nèi)30 cm的溫度、RH和AH別高出外界對照0.53 ℃、2.67%和1.04 g/m3。因此，縱使不做灑水模擬，棚內(nèi)一直有部分源自地下的水分側(cè)向流失于棚外[13]。此次灑水后棚內(nèi)30 cm全程的平均溫度、RH和AH分別較棚外相應(yīng)深度高1.46 ℃、4.17%和2.50 g/m3。模擬降水使棚內(nèi)濕度明顯增大，導(dǎo)致較多的水分流失于棚外。因此，加大空調(diào)功率和棚膜的埋深深度，可有效降低水分的流失，縮短回收時間。

另外，空調(diào)風(fēng)扇的循環(huán)量僅相當(dāng)于0.1 m/s的風(fēng)速，而棚外實際的風(fēng)速為4.1 m/s，這也是導(dǎo)致降水回收時間加長的另一原因。在回收初期地面潮濕時風(fēng)速對蒸發(fā)具有重要影響。另外棚膜的存在一定程度上降低了太陽輻射強度及溫度，這也不利于水分的蒸發(fā)。

2010—2012年戈壁蒸發(fā)監(jiān)測表明，潛水年蒸發(fā)量隨季節(jié)溫度的降低而降低。根據(jù)2009年監(jiān)測的基礎(chǔ)蒸發(fā)量[13]和年蒸發(fā)趨勢估算，即使在棚內(nèi)較高濕度環(huán)境下，5 mm灑水至少應(yīng)在灑水后的第40天左右完全蒸發(fā)。但為了收夠尚差的27 kg水分，花費了50 d，實際上這些水分應(yīng)當(dāng)是背景蒸發(fā)，即來源于地下潛水的蒸發(fā)水分。這也就是說，至少有27 kg的水分流失于棚外。

在完成模擬降水的回收后(10- 05—10- 13)，平均蒸發(fā)量為279 g/d，高于2010年同期的250 g/d。初步證明降水對潛水蒸發(fā)有較大的影響，具有一定的引導(dǎo)作用，可引導(dǎo)潛水蒸發(fā)量增大。需要說明的是2010年由于空調(diào)功率的加大，測定的蒸發(fā)量較2009年同期[13]增大了44%。因此，若不存在降水的引導(dǎo)作用，降水蒸發(fā)完成后的蒸發(fā)量至少應(yīng)明顯小于2010年同期。拱棚的存在使降水蒸發(fā)完成后土壤形成了利于潛水蒸發(fā)的溫濕度新邊界條件。

當(dāng)然，根據(jù)圖3降水蒸發(fā)的遞減特征，仍可懷疑最后的蒸發(fā)的存在是更早時期較大降水的遺存。但同樣根據(jù)圖3蒸發(fā)特征——降雨后的前11 d即可蒸發(fā)60%的水分，對2008—2009年的降水蒸發(fā)進行保守估算，結(jié)果表明，該拱棚在2009年灑水前不應(yīng)當(dāng)存在0.021 g m-2d-1這樣高蒸發(fā)量。而2010—2012年連續(xù)3 a測定的年蒸發(fā)量也應(yīng)遞減，且遠小于遠4.80 mm/a，而監(jiān)測結(jié)果表明背景蒸發(fā)相當(dāng)穩(wěn)定。由此綜合推斷，戈壁土壤存在潛水來源與蒸發(fā)。

3.3 土壤水分的變化

從土壤水分含量看，棚內(nèi)水分在灑水前與完成灑水收集后的土壤濕度如圖5。

土壤含水量在灑水前的6月30日60 cm內(nèi)的平均含水量為2.61%，回收完成后的10月14日為3.24%，不但未出現(xiàn)減少，反而出現(xiàn)了較明顯的增加。這表明60 cm土壤得到了地下潛水的補充。

如果土壤水分完全來源于降水，那么其含水量必然受降水的主導(dǎo)與控制，當(dāng)土壤經(jīng)過長期的干旱蒸發(fā)過程后，土壤含水量將顯著下降，極干土壤空氣濕度也應(yīng)隨降水出現(xiàn)較大的波動，事實上圖1中(2010- 05- 25—2010- 05- 31日共降水5.2 mm)的降雨在50 cm下看不到明顯的升高，反而受溫度降低的影響，AH甚至有所降低；反過來，如本實驗，若土壤水來源于降水，那么當(dāng)完成降水回收后，土壤的水分含量至少而不應(yīng)增加。這樣，將深層土壤5—10月AH的增高(圖1)理解為因溫度增高，導(dǎo)致土壤結(jié)合水分(吸濕吸附水分、膜狀水分和鹽分結(jié)晶水)分解更為合理。

從圖1的土壤溫度的時空變化序列看，受外界氣候的影響，土壤內(nèi)不同層位的溫度由上到下隨時間存在年波動變化。在土壤開始由上到下的升溫初期，結(jié)合水分分解，AH逐漸增大，但由于下層溫度較高、AH更大，因此在溫度升高過程中上層分解的結(jié)合水分大部分不能進入下層土壤，而只能蒸發(fā)于大氣。當(dāng)5月以后整體溫濕度分布為上層高于下層時，根據(jù)水汽運移規(guī)律，上層土壤分解的水分會大量應(yīng)向下層運轉(zhuǎn)，但由于分解的水汽數(shù)量較大，向下的運轉(zhuǎn)能力相對不足，因此有少量的水汽會逆向向上運轉(zhuǎn)，進入日變溫層(0—60 cm)的水分，在日溫度影響下形成日波動蒸發(fā)。

當(dāng)土壤溫度隨外界氣候溫度開始下降時，與升溫過程的結(jié)合水分分解完全相反，隨溫度的下降土壤馬上開始了對水分的吸收(吸濕吸附)，但由于其下層溫度的遲滯，此時下層仍有部分層位處在升溫和分解水分過程，這部分分解形成的水汽不但可滿足上層土壤因降溫而吸收的水分數(shù)量，而且仍能穿透降溫土層，形成較強的蒸發(fā)。因此，在5—10月溫度完全逆轉(zhuǎn)期500 cm整體上處于“水汽通脹”狀態(tài)，形成了上層溫濕度較高的分布格局，而并非降水水汽進入所致。因此，不能簡單機械的看待水分分布，應(yīng)從土壤溫度在空間層位的時序變化中細致分析。10月至次年5月，深層上行水汽主要補充之前土壤蒸發(fā)流失的水分，蒸發(fā)的水分非常有限。

淺層土壤內(nèi)含水量受日溫度變化的影響，存在波動[11- 14]，土壤空氣濕度也隨之波動，如圖4。這種波動是土壤溫度變化造成的，導(dǎo)致土壤水分的在上下空間來回波動運移。白天在太陽輻射下，土壤溫度升高，結(jié)合水分分解形成水汽，水汽大部分會向溫濕度較低的下層運移；夜間上層溫度降低，下層的溫濕度較高，水汽向上運移，恢復(fù)和補充白天高溫下向下驅(qū)趕及蒸發(fā)的水分。0—60 cm的9.27 mm的水分就是這樣在晝夜變化中上下來回運移，保持動態(tài)平衡的；年尺度(圖5)上，深層水分的活動與淺層土壤日尺度完全相似。

從5 mm模擬降水回收看，灑水后受外界干燥氣候的影響，蒸發(fā)水汽絕大部分流失于大氣，不存在降水通過水汽日波動大量“注入”深層的而不蒸發(fā)的情況，這可從灑水初期較大的回收量可以證明。2009年外部大氣的AH不足6.0 g/m3，一直遠低于50 cm下土壤濕度(圖1)，全年不存在大氣水分進入深層土壤的可能；源自潛水的高濃度水汽明顯抵制了降水水汽的大量進入。這對于莫高窟的文物保護來說，意味著進行窟頂防水處理不但不能從根本上預(yù)防水害，而且還有可能因表層的人為封閉而致使?jié)撍舭l(fā)受到抑制，進而增大進入洞窟內(nèi)的水汽量，對洞窟文物產(chǎn)生不良的后果。因此，科學(xué)認識降水對深埋潛水蒸發(fā)的影響對極干旱區(qū)的文物保護、生態(tài)修復(fù)和水分循環(huán)等有重要意義。

4 結(jié)論

通過拱棚-空調(diào)法進行的5 mm降水模擬實驗證明，極干旱區(qū)占莫高窟85%頻次的5 mm的灑水能夠完全蒸發(fā)，通過空調(diào)的凝結(jié)得到了充分的回收。土壤內(nèi)溫濕度監(jiān)測表明，棚內(nèi)溫濕度較高，有較大數(shù)量的水分通過棚膜邊緣側(cè)向逸出到了棚外土壤，使灑水的蒸發(fā)回收時間延長。實驗初步證明降水對深層水分的蒸發(fā)具有一定的引導(dǎo)作用。由于土壤溫度的日波動，部分可降水通過水汽進入土壤深層，但實驗排除了降水水汽大量“注入”深層不能蒸發(fā)的可能。在年尺度上，溫度波動是引起土壤空氣濕度變化的根源。5—10月土壤溫度的升高導(dǎo)致了土壤結(jié)合水分的分解，使深層土壤“水汽通脹”，AH增高，抑制了降水水汽的進入，也使空氣濕度呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)分布；10月至次年5月，土壤深層溫濕度較低，處于吸濕狀態(tài)，吸收源自潛水的水分。降水模擬回收證明極干旱區(qū)存在潛水蒸發(fā)，降水可完全蒸發(fā)。在極干旱區(qū)包氣帶的水分循環(huán)是GSPAC向上運移，潛水蒸發(fā)使干旱戈壁形成了富鹽土層，礦物成分透露了豐富的深層地礦信息。深埋潛水向上運轉(zhuǎn)的確定在深埋潛伏礦物勘探和地球生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)中有重要意義。

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Application of a greenhouse air-conditioning method to simulate take-back of rainfall in an extremely arid area

LI Hongshou1,2,*,WANG Wanfu1,2,ZHAN Hongtao1, QIU Fei1,WU Fasi1,2,ZHANG Guobin1,2

1TheConservationInstituteofDunhuangAcademy,Dunhuang736200,China2KeyScientificResearchBaseofConservationforAncientMural,DunhuangAcademy,StateAdministrationforCulturalHeritage,Dunhuang736200,China

A preliminary greenhouse air-conditioning method demonstrates that there is phreatic water evaporation of deeply buried phreatic water in an extremely arid area. Soil-moisture monitoring shows that most daily fluctuation of moisture in the shallow soil layer of 0—60 cm enters deeper layers as water vapor; only 2‰ of this daily fluctuation water enters the atmosphere and evaporates. Monitoring of 0—500 cm soil depths shows that during May through October (the principal rainy season), temperature and absolute humidity in upper soil layers are greater than in lower layers. According to the law of water vapor migration, moisture moves from regions of higher temperature and humidity to those with lower temperature and humidity. Thus, in the aforementioned season within an extremely arid area, conditions may be suitable for rainwater vapor to move downward to the subsoil. This may mean that some rainwater does not evaporate into the atmosphere but penetrates the earth in such areas, and precipitation is likely the main source of deep soil moisture. This suggests there is no phreatic water evaporation of deeply buried phreatic water in extremely arid areas. Based on this hypothesis, a closed greenhouse with air-conditioning system was constructed in the arid area of the Mogao Grottoes in the Gobi Desert. In this greenhouse, we conducted a simulation recycling experiment of 5-mm precipitation via an air-conditioning condensation method. In this way, we first traced where rainwater went. Temperature and humidity were controlled by refrigeration and air-conditioning condensation, which made the temperature and humidity inside the greenhouse approach that of the outside. To understand characteristics of rainfall evaporation in extremely arid areas, the quantity of condensation water was monitored daily. We analyzed temperature and humidity variations, which were monitored by HOBO monitors in the soil, to understand the rainfall infiltration and evaporation process. This confirmed the ultimate flow direction of precipitation, and whether it completely evaporated. This approach was used to determine if there was phreatic water evaporation. The results showed that 5 mm of precipitation, which represented 85% of the frequency of precipitation in this area, completely evaporated. The relative and absolute humidities of the 50 cm above ground within the greenhouse were 12.10% and 3.50 g/m3greater than outside it, respectively. These results caused the experimental time to be longer than for actual evaporation. In addition, soil temperature and humidity monitoring indicated that after water was sprinkled in the greenhouse, soil temperature, relative humidity and absolute humidity at 30 cm depth were greater by 1.46℃, 4.17% and 2.50 g/m3than the outside control, respectively. This means that during evaporation, a certain amount of rainfall reached the outside through the greenhouse side soil, under the greenhouse film. This was another reason why the precipitation evaporation collection time was greatly extended. The collection time of 90 days may be much longer than the actual time for natural evaporation, but it confirmed the effectiveness of the rainfall recycling experiment. After complete take-back of all the simulated rainwater, soil moisture did not decline, but increased. The phreatic evaporation speed also increased, which means that precipitation pulsation has a certain control on evaporation of the phreatic water. It was demonstrated that there is phreatic evaporation, and soil water was supplemented by this water. Groundwater-Soil-Plant-Atmosphere Continuum (GSPAC) movement was upward, and the precipitation could completely evaporate.

precipitation; extremely arid area; phreatic water evaporation

國家自然基金項目(41363009, 31070344, 31260136); 國家科技支撐項目(2013BAC07B02); 甘肅省科技計劃項目(1308RJZF290); 敦煌研究院院級課題(201306)

2013- 01- 29; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201301290185

*通訊作者Corresponding author.E-mail: dhlhs69@163.com

李紅壽， 汪萬福， 詹鴻濤， 邱飛， 武發(fā)思， 張國彬.應(yīng)用拱棚-空調(diào)法對極干旱區(qū)降水的模擬回收.生態(tài)學(xué)報,2014,34(21):6182- 6189.

Li H S,Wang W F,Zhan H T, Qiu F,Wu F S,Zhang G B.Application of a greenhouse air-conditioning method to simulate take-back of rainfall in an extremely arid area.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6182- 6189.