黃土高原干旱半干旱區(qū)生物結(jié)皮覆蓋土壤水汽吸附與凝結(jié)特征

李勝龍，肖 波,3，孫福海

·農(nóng)業(yè)水土工程·

黃土高原干旱半干旱區(qū)生物結(jié)皮覆蓋土壤水汽吸附與凝結(jié)特征

李勝龍1,2，肖 波1,2,3※，孫福海1,2

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學土地科學與技術(shù)學院，北京 100193；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北耕地保育重點實驗室，北京 100193；3. 中國科學院水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100）

生物結(jié)皮是一種廣泛分布于干旱半干旱地區(qū)土壤表層的特殊復(fù)合體，為揭示其對土壤水汽吸附與凝結(jié)過程的影響，該研究通過室內(nèi)定量水汽吸附試驗和野外對水汽凝結(jié)的連續(xù)觀測，對黃土高原典型生物結(jié)皮（藻結(jié)皮、藻蘚混生結(jié)皮、蘚結(jié)皮）與裸沙的水汽吸附和凝結(jié)特征進行對比研究。結(jié)果表明：生物結(jié)皮的覆蓋顯著提升了表層土壤的水汽吸附能力，其平均水汽吸附量比裸沙高66.7%。不同類型生物結(jié)皮水汽吸附能力差異顯著，表現(xiàn)為蘚結(jié)皮最高，混生結(jié)皮次之，而藻結(jié)皮最低。GAB（Guggenheim-Anderson-de Boer）吸附模型能較好的描述生物結(jié)皮土壤水汽吸附與解吸附過程，模擬結(jié)果決定系數(shù)2>0.99、均方根誤差RMSE<0.001 2 g/g及平均相對偏差百分比<16.0%；此外，生物結(jié)皮加劇了土壤水汽吸附與解吸附曲線之間的滯后效應(yīng)，其滯后指數(shù)平均是裸沙的2.0～2.9倍。水汽凝結(jié)結(jié)果顯示，水汽凝結(jié)過程均受氣溫與相對濕度等氣象因子制約，且生物結(jié)皮覆蓋下表層土壤的水汽凝結(jié)和蒸發(fā)過程相較于裸沙更為迅速。同時，生物結(jié)皮的日均水汽凝結(jié)量是裸沙的1.6～1.8倍。綜上，干旱和半干旱地區(qū)生物結(jié)皮覆蓋顯著提高了表層土壤的水汽吸附能力、并增加了水汽凝結(jié)量，對區(qū)域表層土壤的水分運動過程產(chǎn)生了重要影響。

土壤；水分；水汽吸附量；GAB模型；凝結(jié)水；微型蒸滲儀；黃土高原

0 引 言

中國干旱和半干旱面積超過2.56×106km2，區(qū)域荒漠化嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱[1-2]。黃土高原作為典型的干旱和半干旱區(qū)，受特殊地質(zhì)背景與氣象因素影響，該區(qū)域與的風蝕、水蝕作用強烈。由于該區(qū)不僅干旱缺水，且近現(xiàn)代以來長期的不合理土地利用方式，使得該區(qū)土壤沙化和水土流失程度加劇[3-4]。研究顯示，黃土高原年侵蝕量超過10 000 t/(km2?a)，嚴重制約了區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善及經(jīng)濟建設(shè)[2]。自20世紀70年代起，黃土高原地區(qū)實施的水土流失治理措施（退耕還林、還草等）取得顯著成效[1]。在植被恢復(fù)及生態(tài)重建過程中，生物結(jié)皮廣泛發(fā)育（覆蓋度約30%～40%），部分地區(qū)覆蓋度超過70%[5]。

生物結(jié)皮（Biological soil crusts或biocrusts）是由微生物、藍綠藻、地衣、苔蘚等微小生物體與沙粒膠結(jié)形成的特殊復(fù)合體[6-7]。作為地表生態(tài)景觀及生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，雖然生物結(jié)皮自身較薄，但其能顯著影響表層土壤理化性質(zhì)，提升表層土壤的養(yǎng)分含量，改善土壤結(jié)構(gòu)[5,7]。同時，其特殊的結(jié)構(gòu)不僅會降低水分入滲過程，提升表層土壤含水率，而且其較高的熱導率會使得土壤表層增溫、降溫過程加快，最終影響表層物質(zhì)能量循環(huán)與轉(zhuǎn)換（如水分蒸發(fā)與凝結(jié)）[7-9]。因此，生物結(jié)皮在干旱半干旱區(qū)的土壤生態(tài)、土壤水文、土壤生物和地球化學循環(huán)過程及區(qū)域生態(tài)修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用[6,8,10]。

土壤水汽吸附是水汽以膜狀水和吸濕水等形式逐層附著在土壤顆粒表面的過程，其在水汽擴散、有機組分的吸附和揮發(fā)等過程中具有重要作用[11-12]。一般而言，水汽吸附過程主要受土壤顆粒的比表面積影響，而不同質(zhì)地土壤顆粒比表面積的差異會顯著影響水汽吸附能力[11,13]。為探究土壤水汽吸附過程，通常以水汽吸附等溫（Water vapor Sorption Isotherms，WSIs）曲線描述給定環(huán)境條件下土壤含水率與相對濕度之間的關(guān)系[11]。為量化及模擬水汽吸附過程，已有較多吸附模型被用于土壤水汽吸附過程的研究，如Brunauer-Emmett-Teller（BET）模型和Guggenheim-Anderson-de Boer（GAB）模型等，均能較好模擬土壤水汽吸附過程[11,14]。此外，水汽吸附和解吸附曲線兩者并不能完全重合，滯后效應(yīng)（Hysteresis effect）明顯，而探究水汽吸附的滯后效應(yīng)也能準確評估不同質(zhì)地土壤水汽吸附能力[14]。目前，針對生物結(jié)皮覆蓋下土壤水汽吸附特征的研究較少，僅有的相關(guān)研究則忽略吸附過程，缺乏生物結(jié)皮水汽吸附過程及內(nèi)在機理的探討[15-16]。因此，準確量化生物結(jié)皮水汽吸附特征，能量化表層土壤水汽傳輸與凝結(jié)的影響。

土壤水汽凝結(jié)是蒸發(fā)的逆過程，雖然凝結(jié)量較蒸發(fā)或降雨少，卻能為植物及小型動物（如土壤線蟲和昆蟲）提供必要的生存水源[8,17]。凝結(jié)水的水汽來源主要包括土壤內(nèi)部水汽傳輸和近地表空氣，受空氣水汽壓和土壤表層溫度梯度的影響，水汽由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)凝結(jié)于土壤表層，從而補充干旱地區(qū)表層土壤水分[18]。研究顯示，在極其干旱地區(qū)（如內(nèi)蓋夫沙地），凝結(jié)水量可占據(jù)年均降雨量的12.6%，且凝結(jié)水在提高植物種子萌芽率和促進沙丘穩(wěn)定方面具有重要作用[18-19]。生物結(jié)皮廣泛分布于荒漠地區(qū)表層，其水汽凝結(jié)過程研究也是荒漠區(qū)土壤水文研究的重點。生物結(jié)皮不僅改變土壤理化性質(zhì)，顯著提升水汽凝結(jié)量，同時其不同結(jié)皮類型也會影響水汽凝結(jié)特征[17-19]。因此，探究生物結(jié)皮水汽凝結(jié)特征，對揭示和量化生物結(jié)皮在干旱和半干旱區(qū)域地表水量平衡的作用上具有重要意義。

隨著黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境的綜合治理，生物結(jié)皮在提升土壤涵養(yǎng)水源功能及區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)上的作用越來越重要，然而其對表層土壤水汽吸附與凝結(jié)的影響亟需深入探討。基于此，本研究以黃土高原典型生物結(jié)皮為研究對象，通過室內(nèi)水汽吸附試驗及野外水汽凝結(jié)的測定，對比生物結(jié)皮及無結(jié)皮土壤水汽吸附與凝結(jié)特征差異，揭示生物結(jié)皮覆蓋下土壤水汽吸附及凝結(jié)過程特征與發(fā)生機制。研究結(jié)果可深化對生物結(jié)皮水汽傳輸過程的認識，從而為區(qū)域生態(tài)治理及決策提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木市六道溝小流域（110°21′～110°23′ E，38°46′～38°51′ N），流域海拔1 094.0～1 273.9 m，總面積為6.86 km2。該區(qū)地處溫帶大陸性氣候區(qū)，年均氣溫7～9 ℃，雨熱同季，無霜期243～275 d。多年平均降水量和蒸發(fā)量分別為409和1 337 mm[4]，其中年降水量的70%～85%集中在4－9月。研究區(qū)是典型的水蝕風蝕生態(tài)脆弱區(qū)，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土和砂土[7,19]。在多年退耕還林（草）過程中，該區(qū)植被恢復(fù)較好，檸條（）、油松（）、沙柳（）及苜蓿（）等分布較廣。生物結(jié)皮在該區(qū)域廣泛分布，且受人為干擾較小。

1.2 試驗設(shè)計與土樣采集

本研究包括室內(nèi)生物結(jié)皮水汽吸附過程試驗和野外凝結(jié)過程測定試驗兩部分。其中，室內(nèi)采用自動水汽吸附儀測定土壤水汽吸附與解吸附過程；野外試驗以自制微型蒸滲儀（Micro-lysimeter）測定土壤水汽凝結(jié)過程及日凝結(jié)量。

野外試驗與樣品采集于2019年8－10月進行。生物結(jié)皮和無結(jié)皮土樣均在典型風沙土表層采集。采樣前通過現(xiàn)場調(diào)查，設(shè)置裸沙、藻結(jié)皮、混生結(jié)皮（藻蘚混生）與蘚結(jié)皮4種處理。選擇地形平坦且生物結(jié)皮發(fā)育良好的地塊圍圈2 m×2 m小區(qū)（每個處理3個重復(fù)）。采用直徑9 cm、高2 cm的培養(yǎng)皿采集生物結(jié)皮土樣。采樣時，先以噴壺在生物結(jié)皮表層噴灑去離子水，減少對結(jié)皮層的破壞。之后將土樣帶回室內(nèi)進行理化性質(zhì)分析測定（每個處理各采9個重復(fù)土樣）。采用涂膜法測定生物結(jié)皮表層（0～2 cm）土壤容重（裸沙容重以烘干法測定，105 ℃烘干24 h）；苔蘚生物量的測定也以烘干法測定，先小心取一定面積（約4 cm2）的結(jié)皮土樣放入網(wǎng)篩中小心沖洗并收集蘚類植物，于烘箱中 85 ℃殺青30 min，再于65 ℃烘至恒質(zhì)量后以獲得苔蘚生物量。其后，將剩余土樣風干過篩，用重鉻酸鉀外加熱法測定有機質(zhì)及吸管法測定顆粒組成（國際制分類）[20]。各位點表層土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 不同處理的土壤理化性質(zhì)

注：不同字母表示不同處理間在0.05水平上差異顯著，下同。

Note: Different letters across data rows indicate significantly difference among different treatments at 0.05 level, same as below.

1.3 水汽吸附與解吸附試驗

本文使用全自動水汽吸附儀（Decagon Devices Inc., Pullman, WA, USA）測定土壤水汽吸附與解吸附過程[11,13]。測定過程中，儀器自動對土壤樣品進行干燥和加濕處理，并以高精度磁天平測定樣品的質(zhì)量變化，從而獲得水汽吸附量，每個處理測3次。測定時，每次稱取3.5 g過2 mm篩的風干土樣（混生結(jié)皮和蘚結(jié)皮需剪除蘚株之后再過篩），均勻平鋪在儀器測定的封閉容器內(nèi)。采用動態(tài)露點等溫線模式自動對樣品進行風干或加濕，該模式下不需手動控制水分含量和水活度w（Water activity；指吸濕物質(zhì)在較小的密閉容器內(nèi)與周圍空間達到平衡時的相對濕度，該值介于0～1.0）。測定完成后，將樣品放入105 ℃烘箱烘干12 h后測定干土質(zhì)量，進而獲取土壤質(zhì)量含水率與w的關(guān)系。

1.4 水汽凝結(jié)特征試驗

本研究以表層土壤非降雨補充形式獲得的水分（Non-rainfall water）表征水汽凝結(jié)量，以微型蒸滲儀連續(xù)稱重獲取的質(zhì)量變化代表水汽凝結(jié)量。微型蒸滲儀選用內(nèi)徑10.5 cm、高3 cm的PVC材料進行制作[21]。采樣時，先將結(jié)皮表層噴灑去離子水，小心將微型蒸滲儀垂直砸入土體，采取表層0～3 cm土壤，削平土壤底端后，以300目（約0.085 mm）紗網(wǎng)封底保證上下水汽傳輸連通效果。生物結(jié)皮與裸沙處理各設(shè)5個重復(fù)。同時，為真實反映實際水汽凝結(jié)條件，挑選地形平坦且無遮擋區(qū)域埋入內(nèi)徑15.5 cm、高4 cm的大PVC環(huán)（露出地表1 cm），將各蒸滲儀土樣置于上述大環(huán)中，以減少外界干擾。

自2019年9月27日開始，于每天日落（約18:30，北京時間，下同）和次日日出（約06:30）用電子天平（±0.01 g）對樣品進行稱質(zhì)量，兩者差值即為當日水汽凝結(jié)量，每次稱質(zhì)量前均以實驗棉小心擦干凈PVC表面露珠及土樣下端以減少誤差。期間若遇陰雨天，則及時遮蓋土樣以減少降雨影響，待天晴后繼續(xù)測定。本研究共進行了15次有效測量（期間無明顯降雨）。此外，挑選連續(xù)晴朗且無大風的天氣，以每2 h為間隔從18:00至次日18:00對土樣進行連續(xù)稱質(zhì)量，獲取水汽連續(xù)的凝結(jié)與蒸發(fā)過程。水汽凝結(jié)量以水深（，mm，式（1））進行計算。

式中為2次測定的質(zhì)量之差，g；，水密度，此處取1.0 g/cm3；為蒸滲儀內(nèi)半徑，本試驗為5.25 cm。

此外，整個野外試驗過程中均以小型氣象站連續(xù)測定空氣溫度、相對濕度和凝結(jié)點等氣象因素（距離地面2.0 m，測定時間間隔為5 min），以探究氣象因素對水汽凝結(jié)的影響。

1.5 水汽吸附過程模擬及滯后指數(shù)計算

本研究采用GAB模型對土壤水汽吸附過程進行模擬。GAB模型在土壤水汽吸附研究中使用較廣，該模型能準確對各類土壤較大范圍的w（>0.8）水汽吸附特征進行模擬，且多數(shù)研究結(jié)果顯示該模型對黏粒、有機質(zhì)含量較高的土壤有較高擬合度[11,13-14]。該模型模擬過程見式（2）。

式中θ為土壤質(zhì)量含水率，g/g；0為土壤單層水汽吸附量，g/g；為描述純液態(tài)和單層吸附的水分子自由焓差的能量常數(shù)，無量綱；參數(shù)表示純液態(tài)和單層以上層中水分子的自由焓差，無量綱；w為水活度，無量綱[11,14]，本研究水汽吸附儀測定范圍為0.03～0.93。

本研究以供試土樣水汽吸附與解吸附曲線圍成的面積量化土壤水汽滯后效應(yīng)，即滯后指數(shù)（），見式（3），評價生物結(jié)皮對表層土壤水汽吸附的影響，值越大代表滯后效應(yīng)越明顯。

式中di為水汽解吸附擬合函數(shù)所圍成的面積，無量綱；ai為水汽吸附擬合函數(shù)所圍成面積，無量綱。

同時，為評價GAB 模型在生物結(jié)皮與裸沙土壤水汽吸附曲線的擬合效果，本研究采用決定系數(shù)2和均方根誤差RMSE（式（4））以及平均相對偏差百分比（）（式（5））等進行綜合評價。

式中θ為實測土壤含水率，g/g；θ為模型擬合所得土壤含水率，g/g；為測定樣品數(shù)量。

本文運用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理，用IBM SPSS Statistics 22進行方差分析與相關(guān)性分析（雙變量），以O(shè)riginPro 2019進行GAB模型擬合與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物結(jié)皮土壤水汽吸附與解吸附特征

如圖1，土壤水汽吸附量隨w的增加逐漸上升，且對比各曲線斜率可知，受生物結(jié)皮覆蓋影響，結(jié)皮層土壤水汽吸附過程較快，且極大提升土壤水汽吸附量。在w為0.03～0.93條件下，裸沙表層土壤水汽吸附量平均從0.002 g/g上升至0.009 g/g，藻結(jié)皮、混生結(jié)皮和蘚結(jié)皮水汽吸附量均高于0.015 g/g，平均高出裸沙的66.7%。其中蘚結(jié)皮水汽吸附量由0.002 g/g上升至0.020 g/g，其吸附量是裸沙的1.0～2.2倍。

圖1 不同處理土壤水汽吸附及解吸過程

為精確對比不同處理水汽吸附特征差異，本研究選取w>0.8時水汽吸附量進行分析。如圖2，水汽吸附量從大到小依次為蘚結(jié)皮、混生結(jié)皮、藻結(jié)皮、風沙土（=178.27，<0.001），且生物結(jié)皮類型的不同也會導致水汽吸附特征產(chǎn)生顯著差異。各處理中，裸沙平均水汽吸附量僅為0.008 g/g，而藻結(jié)皮在該階段平均水汽吸附量（0.012 g/g）是裸沙的1.5倍。相對于裸沙和藻結(jié)皮，結(jié)皮表層蘚株的形成能顯著提升水汽吸附量。w>0.8時，混生結(jié)皮和蘚結(jié)皮的水汽吸附量為0.014和0.016 g/g，分別是裸沙的1.8和2.0倍。

注：不同字母表示不同處理在0.01水平上差異顯著。

2.2 生物結(jié)皮土壤水汽吸附過程模擬及其滯后特征

表2顯示土樣GAB模型模擬的2均在0.99以上，RMSE均低于0.0012 g/g，且均低于16.0%，模擬效果較好。其中，GAB模型中參數(shù)0為土壤單層水汽吸附量，是指在整個水汽吸附曲線中w介于0.20～0.21之間的土壤水含率，該值能反映土壤初始吸附速率的快慢。通過對比實測值和擬合值可知，各土樣在0.20

表3顯示，在吸附曲線中，0與土壤容重呈顯著負相關(guān)關(guān)系（=-0.96，<0.05）；而解吸附曲線內(nèi)，0與土壤砂粒含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系（=-0.97，<0.05），其參數(shù)與容重和砂粒呈顯著正相關(guān)關(guān)系（≥0.96，<0.05）。解吸附過程較吸附過程平緩，在相同含水率下，解吸附曲線含水率高于吸附曲線。對比值（滯后指數(shù)）可知，各土壤表層吸附與解吸附曲線之間滯后作用明顯，且生物結(jié)皮增大表層土壤的（表2），其滯后指數(shù)整體是裸沙的2.0～2.9倍。此外，不同生物結(jié)皮從大到小依次為蘚結(jié)皮、混生結(jié)皮、藻結(jié)皮、裸沙，表明生物結(jié)皮水汽吸附滯后效應(yīng)更明顯。

表2 GAB模型擬合參數(shù)

注：0為土壤單層水汽吸附量，g?g-1；為描述純液態(tài)和單層吸附的水分子自由焓差的能量常數(shù)；為純液態(tài)和單層以上層中水分子的自由焓差；為平均相對偏差百分比，%；為滯后指數(shù)。

Note:0is the soil water content at monolayer coverage, g?g-1;is the energy constant that depicts the difference in free enthalpy of the water molecules in the pure liquid state and in the monolayer;represents the difference in free enthalpy of the water molecules in the pure liquid and the layers above the monolayer;is mean relative percentage deviation modulus, %;is hysteresis index.

表3 土壤理化性質(zhì)與GAB模型擬合參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

注：*表示變量在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note: * indicates the variables significantly correlated at the 0.05 level (both sides).

2.3 生物結(jié)皮覆蓋土壤水汽凝結(jié)過程特征

氣溫和相對濕度對水汽凝結(jié)影響較大（圖3和表4）。凝結(jié)量與氣溫呈顯著負相關(guān)關(guān)系（||>0.65，<0.001），而其與相對濕度呈顯著正相關(guān)（>0.75，<0.001）。在氣溫和相對濕度的影響下，土壤單日水汽凝結(jié)過程呈現(xiàn)為先增加，在06:00－08:00達到最大值；之后凝結(jié)水迅速蒸發(fā)減少，并在14:00－15:00達到最低值（圖3）。其中10月凝結(jié)點與氣溫比9月低，相對濕度較9月高，導致整體上水汽凝結(jié)量較9月高。在單日周期內(nèi)，日出前后（約07:00）凝結(jié)點與氣溫達到最低，而相對濕度最高，各位點凝結(jié)量均達到最大值。而在日落前3～4 h（約15:00），氣溫達到最大，而相對濕度和凝結(jié)點較低，各土樣的水汽凝結(jié)量蒸發(fā)耗盡后土壤含水率達到最低值，隨后逐漸吸濕且質(zhì)量回升。

對比水汽凝結(jié)曲線斜率可知，生物結(jié)皮覆蓋下表層土壤水汽凝結(jié)速率和蒸發(fā)速率均高于裸沙（圖3a和3b）。其中，生物結(jié)皮在9月單日水汽凝結(jié)量最大值超過0.27 mm，平均是裸沙的（0.18 mm）的1.5倍；而在10月所測的水汽凝結(jié)量較9月有所上升，其中生物結(jié)皮所測得的單日水汽凝結(jié)量均超過0.29 mm，平均是裸沙（0.21 mm）的1.4倍。此外，土壤水汽凝結(jié)量均在15:00達到最小值，此時生物結(jié)皮土壤吸濕凝結(jié)水分與裸沙差異較小，甚至出現(xiàn)結(jié)皮層土壤水汽凝結(jié)量低于裸沙的現(xiàn)象，如9月測定的藻結(jié)皮、混生結(jié)皮和蘚結(jié)皮水汽凝結(jié)量蒸發(fā)較快，在12:00之后均低于裸沙（圖3c）。而15:00之后，各位點土壤則重新出現(xiàn)水汽吸濕凝結(jié)而質(zhì)量增加現(xiàn)象。

圖3 不同處理土壤水汽累積凝結(jié)量及氣象因子

表4 土壤水汽日凝結(jié)水量與氣象要素相關(guān)性分析

注：*和**分別表示凝結(jié)量與氣象因子在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。

Note: Symbols of *and** mean significantly correlation between meteorological factors and daily vapor condensation at the 0.05 and 0.01 level, respectively.

2.4 生物結(jié)皮覆蓋土壤水汽日凝結(jié)特征差異

生物結(jié)皮覆蓋下土壤水汽凝結(jié)量顯著高于裸沙，其水汽日凝結(jié)量平均為裸沙的1.6～1.8倍（表5）。其中，蘚結(jié)皮水汽凝結(jié)平均達0.20 mm，而裸沙平均僅為0.11 mm。在水汽凝結(jié)總量上，生物結(jié)皮水汽凝結(jié)總量整體高于2.7 mm，比裸沙總量（1.67 mm）提高61.7%（表5）。此外，生物結(jié)皮水汽凝結(jié)的最大值和最小值均高于裸沙。不同結(jié)皮類型水汽日凝結(jié)量雖無顯著差異，但蘚結(jié)皮日凝結(jié)量最高（0.20 mm），平均比裸沙、藻結(jié)皮和混生結(jié)皮高81.8%、11.1%和5.3%（表5）。

表5 不同處理水汽日凝結(jié)量描述統(tǒng)計

3 討 論

3.1 生物結(jié)皮對表層土壤水汽吸附的影響

本研究中，生物結(jié)皮顯著提升表層土壤水汽吸附能力，其水汽吸附量比裸沙高66.7%。一般而言，土壤團聚體大小分布特征、土壤黏粒含量以及有機質(zhì)含量等是影響水汽吸附能力的重要因素，不同質(zhì)地土壤理化性質(zhì)差異較大，直接導致土壤水汽吸附能力不同[11-12]。生物結(jié)皮廣泛分布于干旱和半干旱地區(qū)地表，雖自身較薄（一般幾毫米至幾厘米），但其對表層土壤理化性質(zhì)及土壤結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生重要影響[21-22]。本研究中，生物結(jié)皮顯著提升了土壤黏粒含量及有機質(zhì)含量含量（表1）。土壤的黏土礦物含量較高時會增大土壤顆粒的比表面積，增加水汽附著點，從而顯著提高水汽吸附能力；此外，土壤有機質(zhì)自身含有的親水官能團（如羥基、酚類和羧基）可與水分子形成氫鍵而成為吸附中心，土壤有機質(zhì)較高能在增加水分子吸附位點的同時增加水汽吸附量[11,14]，綜上，生物結(jié)皮較高的黏粒和有機質(zhì)含量導致其水汽吸附量高于裸沙。

此外，土壤團聚體、孔隙結(jié)構(gòu)及黏土礦物類型等也會影響水汽吸附量[21]。在極其干旱條件下，水分以吸濕水和膜狀水等形式附著于土壤顆粒表層。Arthur等[13]研究土壤施加生物炭后水汽吸附特征結(jié)果表明，生物炭的添加能提高土壤比表面積，增加細小團聚體比重并改善土壤結(jié)構(gòu)，顯著提升土壤水汽吸附能力。由于土壤孔隙連通性強有利于水汽的對流與彌散，且土壤孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙分布狀況對水汽吸附具有較大影響[12,23]。研究表明，不同黏土礦物（高嶺石、蒙脫石、伊利石）會使得土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大差異，從而導致土壤水汽吸附能力不同[11,14]。生物結(jié)皮具有特殊的表層結(jié)構(gòu)，且蘚結(jié)皮較其他類型結(jié)皮的細小孔隙率較高，孔隙連通性增強[22,24]，從而蘚結(jié)皮水汽吸附能力最強。

3.2 生物結(jié)皮對表層土壤水汽吸附滯后效應(yīng)的影響

生物結(jié)皮顯著提升表層土壤水汽吸附能力，也增大水汽吸附滯后效應(yīng)，其滯后指數(shù)是裸沙的2.0～3.0倍。在土壤干濕循環(huán)過程中，滯后效應(yīng)普遍發(fā)生在土壤水分特征曲線中，如接觸角理論、“瓶頸”效應(yīng)以及土壤膨脹收縮作用等理論均對該現(xiàn)象有較為充分的解釋，并闡明了土壤幾何形狀對水分特征曲線滯后效應(yīng)的影響[25]。生物結(jié)皮廣泛分布在干旱和半干旱地區(qū)土壤表層，結(jié)皮層土壤結(jié)構(gòu)性較風沙土更佳，這是導致其水汽吸附和解吸附的干濕循環(huán)中滯后作用較為明顯的主要原因。此外，相對于一般土壤水分運動過程（如入滲和蒸發(fā)），水汽吸附過程主要以膜狀水和吸濕水的變化為主，該過程的滯后效應(yīng)主要受土壤理化性質(zhì)的影響[11,13]。研究表明，土壤有機質(zhì)含量的共價鍵和氫鍵的作用對水汽吸附、解吸附曲線滯后現(xiàn)象產(chǎn)生較大影響[13]。尤其是在砂質(zhì)土壤中，土壤有機質(zhì)和黏粒含量的增加，會導致水汽在解吸附過程中需要消耗更多的能量將水分從土壤顆粒表面移除，而滯后效應(yīng)隨有機質(zhì)含量和黏土礦物含量的增加而越明顯[23,26]。除此之外，不同生物結(jié)皮類型對表層土壤理化性質(zhì)影響程度不同，尤其是蘚結(jié)皮極大提升0～5 cm土壤團聚體、含水率、有機碳甚至總氮含量[27]，此類因素均導致蘚結(jié)皮水汽滯后指數(shù)顯著高于裸沙及其他類型結(jié)皮。

除理化性質(zhì)外，生物結(jié)皮自身特殊屬性也會對滯后效應(yīng)產(chǎn)生較大影響[28-29]。研究顯示，藻類、地衣或生物結(jié)皮等菌類會分解有機質(zhì)，使得土壤表面形成蠟質(zhì)外層，這不僅提高土壤的斥水性，也會擴大滯后效應(yīng)[28]。Ding等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在水汽吸附與解吸附過程中，去除蠟質(zhì)層有機物質(zhì)的土壤滯后效應(yīng)顯著低于未去除的土壤，且通過改變有機質(zhì)組成成分能顯著影響水汽吸附的滯后效應(yīng)。生物結(jié)皮（尤其是蘚結(jié)皮和地衣結(jié)皮等）在提升土壤黏粒含量的同時，不僅會提高土壤斥水性，也會提升有機質(zhì)含量。如有研究顯示生物結(jié)皮表層0～1 cm有機碳含量能達到40 g/kg以上[27]，這使得吸濕和脫濕曲線中滯后作用差異愈發(fā)明顯，也解釋了生物結(jié)皮水汽吸附量及滯后指數(shù)均高于裸沙的現(xiàn)象。

3.3 生物結(jié)皮對表層土壤水汽凝結(jié)和蒸發(fā)過程的影響

本研究顯示，生物結(jié)皮土壤水汽凝結(jié)量顯著高于裸沙，其日凝結(jié)量平均是裸沙的1.2～2.4倍。通常土壤表層凝結(jié)水的水汽來源主要有3種：近地面空氣中水汽、土壤內(nèi)部水汽、植物蒸騰和呼吸作用所散逸的水汽[21]。受日氣溫差和地溫差[18]、近地表空氣相對濕度和近地表氣溫[30]、土壤含水率[17,19]和風速[31]等因素的影響，表層土壤水汽特征產(chǎn)生較大分異。且土壤質(zhì)地的差異會改變地表下墊面地表反射率，影響表層土壤微氣象，最終導致土壤凝結(jié)水量不同[18,30]。如前文所述，生物結(jié)皮一方面極大改變表層土壤理化性質(zhì)，且結(jié)皮層作為特殊的表層土壤，其地表粗糙度較高[32-33]。尤其是蘚結(jié)皮，相較于藻結(jié)皮和混生結(jié)皮，其蘚株不僅增加地表粗糙度[33]，還會很大程度上攔截地表水汽，從而提高凝結(jié)水的形成速率和增加水汽凝結(jié)量[21,34]。研究顯示，土壤表層0～3 cm土壤凝結(jié)水整個土壤剖面凝結(jié)量的大部分，且蘚結(jié)皮能提升凝結(jié)水形成速率平均達到0.04 mm/h[21]。此外，也有研究顯示不同類型生物結(jié)皮的水汽凝結(jié)量差異顯著，凝結(jié)量從大到小表現(xiàn)為苔蘚結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮和裸沙，蘚結(jié)皮日凝結(jié)量是其他結(jié)皮的1.3～1.5倍[32]。這也印證了本研究中蘚結(jié)皮水汽凝結(jié)量最高的結(jié)果。

此外，生物結(jié)皮覆蓋會改變土壤熱特性，導致表層土壤增溫、降溫過程和水熱平衡能力發(fā)生改變，最終影響水汽凝結(jié)過程。目前生物結(jié)皮能顯著增加表層土壤溫度已經(jīng)成為共識[4,35]，一方面，生物結(jié)皮較深的顏色能降低地表反射率從而提升表層土壤吸熱能力；另一方面，生物結(jié)皮層較高的熱導率和熱容量會造成其增溫和降溫速率明顯高于裸沙[4,36]，在增大日溫差的同時也提升水汽凝結(jié)量。Chamizo等[27]和Kidron等[8,19]也發(fā)現(xiàn)，蘚結(jié)皮表層溫度顯著高于無結(jié)皮，生物結(jié)皮的0～5 cm土壤平均溫差較無結(jié)皮高3.9 ℃。綜上，蘚結(jié)皮表層溫度的急劇變化，使得水汽凝結(jié)過程較裸沙更快、凝結(jié)量更高。

4 結(jié) 論

1）黃土高原生物結(jié)皮對表層土壤水汽吸附具有顯著影響。由于生物結(jié)皮黏粒含量和有機質(zhì)含量顯著高于裸沙，表層土壤水汽吸附能力顯著提升，藻結(jié)皮、混生結(jié)皮和蘚結(jié)皮平均水汽吸附量比裸沙高66.7%。且不同生物結(jié)皮類型的水汽吸附能力從大到小為為蘚結(jié)皮、混生結(jié)皮和藻結(jié)皮。

2）生物結(jié)皮覆蓋提升了表層土壤的水汽吸附與解吸附的滯后效應(yīng)，結(jié)皮層滯后指數(shù)整體上是裸沙的2.0～2.9倍。其中，蘚結(jié)皮滯后指數(shù)最高，而裸沙最低。此外，GAB模型能夠較好模擬生物結(jié)皮覆蓋土壤水汽吸附和解吸附過程，模型模擬結(jié)果的2>0.99，RMSE<0.001 2 g/g，且平均相對偏差百分比<16.0%，

3）受近地面氣象及地表下墊面等因素的共同影響，生物結(jié)皮顯著提升表層土壤水汽凝結(jié)量，其日平均水汽凝結(jié)量平均是裸沙的1.6～1.8倍。且不同結(jié)皮類型水汽凝結(jié)量表現(xiàn)為蘚結(jié)皮最高，混生結(jié)皮其次，藻結(jié)皮最低。

致謝：感謝陳沖副教授及李淵博、王芳芳等研究生對本文試驗數(shù)據(jù)獲取提供的幫助。

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Characteristics of water vapor sorption and condensation in biocrusts covered surface soil in arid and semiarid areas of the Loess Plateau, China

Li Shenglong1,2, Xiao Bo1,2,3※, Sun Fuhai1,2

(1.,,100193,;2.(),,100193,;3.,,,712100,)

Water vapor movement is one of the several important components of total (hydrological) water flux in the vadosezone of drylands. When the soil water content is relatively low, the vapor sorption and condensation naturally become vitalwater sources for plants, insects, and small animals, particularly in arid andsemiarid drylandswith quite small rainfall. Biocrusts (biological soil crusts) covera large portion of the terrestrial soil surface of drylands, and they greatly changesurface soil water and heat movement through regulating the energy balance of surface soil. However, the influences of the critical upper layerof soil, biocrusts, on water vapor sorption and condensation have not yet been fully understood. Therefore, it is necessary toinvestigate the characteristics of water vapor sorption and condensation in biocrustsand their influential factors to quantifyvapor water supplement from biocrusts, for a better understanding of biocrust effects on vapor movement in drylands. This studywas conducted to explore the essential features of vapor sorption andcondensation in cyanobacteria crusts (cyano-crusts), cyanobacteria and moss mixed crusts (mixed crusts), moss crusts(more than 30 yrs), and bare sand (aeolian sand). Anautomatic measurement was performed to analyze the vapor sorption(adsorption and desorption directions) of biocrusts and bare sand in laboratory, and a field measurement was implementedtomeasure the vapor condensationof the different treatment, including the condensation process and daily amount of vaporcondensation. The results showedthat the vapor sorption amount increased with the water activity (w), and the biocrusts significantly increased vapor sorptionamount as compared withthe bare sand. The vapor sorption amount of the biocrusts was averagely 66.7% higher than thatof the bare sand; and as an example, that of the moss crusts was 1.0-2.2 times higher than that of bare sand. The simulation results implied that the GAB (Guggenheim-Anderson-de Boer) model was capable ofdescripting vapor sorption isotherms of the biocrusts, with2>0.99, RMSE<0.001 2 g/g, and(mean relative percentagedeviation modulus) <16.0%. The significant hysteresis effects were observed according to the hysteresis index in Water vaporSorption Isotherms (WSIs)of the different treatment,which was in the decreasing order of moss crusts, mixed crusts, cyano-crustsand bare sand. The hysteresis indexof the biocrusts was 2.0-2.9 timeshigher than that of the bare sand. Moreover, the results of vapor condensation showed that the watervapor mostly condensed from sunset to sunrise for all the treatments, and then it gradually evaporated and reached theminimum at about 15:00. The condensation and evaporation rates of water vapor in the biocrusts were much faster than that ofthe bare sand. Especially in September, the amount of vapor condensation in the biocrusts was averagely 1.5 times higher than thatin the bare sand. The reason for this resultwas that the vapor condensation depended strongly on the meteorological factors, including airtemperature and relative humidity. Furthermore, the daily condensation amount of the biocrusts was averagely was 1.6-1.8 times higher than that of bare sand. Particularly, the condensation amount of different types of biocrusts was varied, and thecondensation amount of the moss crustswas the highest and which was 81.8%, 11.1%, and 5.3% higher than that of the bare sand,cyano-crusts, and mixed crusts, respectively. Therefore, the vapor sorption and condensation of biocrusts play an importantrole in soil vapor movement, because that i) the biocrusts cover soil surfaceand enhance vapor sorption amount due to the higherclay and organic matter contents; and ii) the biocrusts increase vapor condensation amount through improving soil properties andgenerating mulching effect (e.g., moss crusts). In conclusion, biocrusts should be highly considered in studying water transport in arid and semiarid drylands of Chinese Loess Plateau and similar regions around the world.

soils; moisture; vapor sorption amount; GAB model; dew water; mirco-lysimeter; Loess Plateau

李勝龍，肖波，孫福海. 黃土高原干旱半干旱區(qū)生物結(jié)皮覆蓋土壤水汽吸附與凝結(jié)特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(15)：111-119.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.014 http://www.tcsae.org

Li Shenglong, Xiao Bo, Sun Fuhai. Characteristics of water vapor sorption and condensation in biocrusts covered surface soil in arid and semiarid areas of the Loess Plateau, China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 111-119. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.014 http://www.tcsae.org

2020-04-05

2020-07-27

國家自然科學基金（41671221）；中國科學院“西部引進人才”項目（2019）

李勝龍，博士生，主要從事土壤物理與水土保持研究。Email：lslccnu1993@163.com

肖波，博士，副教授，博士生導師，主要從事土壤物理與水土保持研究。Email：xiaobo@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.014

S152.7; S157.1

A

1002-6819(2020)-15-0111-09