在干旱和半干旱地区，土壤水蒸气的吸附和凝结过程受到地下水深度和非饱和带岩性的影响

《Journal of Hydrology》：Soil water vapor adsorption and condensation governed by groundwater depth and vadose zone lithology in arid and semi-arid regions

土壤水汽吸附与凝结构成干旱区重要非降水水源，但两者区分不足导致凝结水估算偏高。通过宁夏干旱区九种不同岩土类型和地下水深度的土壤柱实验，结合分层微流室称重与温湿度监测，定量解析了水汽吸附与凝结的时空特征及其与地下水深和土质的关系。研究发现：浅层地下水（<2.5m）显著贡献凝结水，其影响随深度递减；水汽吸附在0-5cm层（19:00-01:00）和5-10cm层（10:00-13:00）呈现差异时空分布；细粒土壤凝结量及持续时间更长；传统微流室法因未区分吸附与凝结，导致表层土壤水汽吸附贡献率达40%以上。研究成果为干旱区凝结水定量评估提供理论支撑。

　　

李然|冯海波|薛艳红|周建伟|方磊|苏丹辉|郑晓明|谭思琪|郑慧媛|马永祥

中国地质大学环境科学学院，武汉430074，中国

摘要

在干旱和半干旱生态系统中，土壤水蒸气的吸附和凝结是重要的非降水水源。然而，目前的研究未能明确区分这两个过程，这导致了对凝结水量的大幅高估。为了阐明不同地下水深度和非饱和带岩性对水蒸气吸附和凝结物形成的影响，在宁夏干旱的银川地区建立了九个具有不同岩性和地下水位的土壤柱。通过分层微渗仪称重和不同土壤深度的温度-湿度监测，定量分析了水蒸气吸附和凝结物形成的时空动态。实验结果表明：（1）浅层地下水是凝结物形成的重要水蒸气来源，其贡献随着地下水深度的增加而逐渐减少；（2）19:00–01:00期间，水蒸气主要在0–5厘米的土壤层（约0.1毫米/天）中吸附；而在10:00–13:00期间，5–10厘米层中的吸附占主导；（3）随着地下水深度的增加，凝结物形成的主要水蒸气来源从土壤孔隙水蒸气转变为大气水蒸气；当地下水深度达到2.5米时，细砂和粉砂土壤中水蒸气对凝结物形成的贡献接近临界阈值；（4）在相同的地下水深度条件下，质地更细的土壤表现出更多的凝结物量和更长的凝结持续时间；（5）传统的微渗仪方法可能会高估干旱地区的凝结物量。在0–5厘米土壤层的质量增加过程中，水蒸气吸附平均贡献约为40%，这一比例在更深地下水深度下进一步增加。本研究为干旱和半干旱地区凝结水量的精确估算奠定了定量基础，同时加深了对与凝结物形成相关的生态水文过程的理解。

引言

干旱和半干旱地区的降水量显著低于潜在的蒸散量（Kaseke等人，2017年），导致这些地区严重缺水。作为重要的非降水水源，凝结水为植物和动物的生存以及这些生态系统中的微生物活动提供了关键的水分（Kaseke等人，2017年；Wang等人，2017b年；Yu等人，2020年）。凝结水的形成是由辐射冷却驱动的（Beysens等人，2007年；Tomaszkiewicz等人，2015年），当叶片表面或土壤温度降至露点温度以下（即相对湿度达到100%时）时会发生水蒸气凝结（Agam和Berliner，2006年；Tomaszkiewicz等人，2015年；Uclés等人，2013年）。与降水相比，凝结水具有形成频率高、产量更稳定和持续时间更长的优势（Hao等人，2012年）。在某些干旱地区，年凝结水量甚至超过降水量（Agam和Berliner，2006年；Zhuang和Zhao，2014年）。除了凝结水外，水蒸气吸附也是干旱和半干旱地区另一个重要的水源（Yu等人，2020年）。当土壤温度高于露点温度且土壤孔隙相对湿度低于空气相对湿度时，会发生土壤水蒸气吸附，这一过程由电分子力驱动（Agam和Berliner，2006年；Amer，2015年）。水蒸气吸附过程主要受土壤颗粒比表面积的影响（Agam和Berliner，2006年），与凝结水不同，被吸附的水通常不能被植物利用（Agam和Berliner，2006年），但在补偿干旱和半干旱地区的土壤水分不足方面起着重要作用。水蒸气吸附和凝结都参与了干旱和半干旱地区的生态水文循环（Kaseke等人，2017年）。在中国宁夏的干旱地区，水蒸气吸附和吸附-凝结水分别占年降水量的大约14%（Zhang等人，2024年）和10%-18%（Ma等人，2022年；Pan等人，2010年）。因此，明确区分它们的形成机制和水分贡献对于提高干旱地区水资源评估的准确性至关重要。

土壤凝结水的水蒸气来源主要包括大气水蒸气和土壤孔隙水蒸气（Jacobs等人，1999年）。其形成模式受多种因素影响，包括气象条件、地形特征、土壤性质和植被覆盖。近年来，一些研究表明地下水也是凝结水生成的重要来源（Kaseke等人，2017年；Tian等人，2023年；Wang等人，2017b年）。地下水深度的变化会改变表层土壤的含水量，从而影响表层土壤的热性质。然而，地下水对凝结水形成的定量贡献仍不明确，特别是关于地下水深度和非饱和带性质对凝结过程的综合影响。

目前，关于土壤凝结水的研究主要依赖于模型估算和仪器测量。基于能量平衡的建模方法无法可靠地区分凝结水和水蒸气吸附（Uclés等人，2013年）。由于操作简便，广泛采用了仪器测量方法，包括布板法（Uclés等人，2013年）、人工凝结表面（Lekouch等人，2011年；Nilsson，1996年；Tuure等人，2020年；Uclés等人，2013年）、叶片湿度传感器（Gao等人，2020年；Kidron等人，2000年）和微渗仪。然而，前三种方法由于介质材料和土壤介质的显著差异而无法提供真实的露水量（Jacobs等人，2008年；Uclés等人，2013年），也无法区分凝结和水蒸气吸附（Agam和Berliner，2006年）。在现有方法中，微渗仪是最常用的凝结水观测仪器（Meissner等人，2007年；Richards，2004年），显示出相对较高的测量精度（Uclés等人，2014年）。然而，大多数使用这种方法的研究未能区分水蒸气吸附和凝结水，常常将土壤质量的增加全部归因于凝结（Wang等人，2017b年）。在干旱和半干旱地区，表层土壤层中的水蒸气吸附非常普遍（Hao等人，2012年），其量甚至可能超过凝结量（Hao等人，2012年）。未能区分这两个过程可能导致对凝结水的系统高估，从而影响对它们在水分平衡、能量循环和碳循环中贡献的评估。此外，仅使用表面温度和露点温度之间的大小关系来区分凝结和水蒸气吸附无法反映土壤内部的真实热湿条件（Pan等人，2010年；Uclés等人，2013年），从而导致测量误差。

为了解决这些问题，本研究在多个深度进行了基于温度-湿度的现场监测和微渗仪实验，系统研究了地下水和非饱和带岩性对水蒸气吸附、凝结水形成时间和产量的影响。本研究的目标是：（1）定量分析不同地下水深度下土壤凝结水的水蒸气来源变化；（2）确定显著影响凝结水形成过程的关键地下水深度阈值；（3）提供不同地下水深度和土壤岩性条件下土壤水蒸气吸附的定量评估，并识别干旱地区凝结水估算中的系统误差。这些发现为全面评估干旱/半干旱生态系统中凝结水形成机制及其生态水文意义提供了关键的科学证据。

实验地点

实验地点位于中国宁夏回族自治区银川市的贺兰县，属于干旱气候区。该地区年平均温度为8.5°C，昼夜温差较大，年降水量为193毫米（主要集中在夏季），年蒸发量为1717毫米，远超过降水量。在试验地点建立了气象监测区和土壤柱监测区（图1）。

土壤温度的变化

由于土壤柱的温度变化模式相似，本研究以地下水位为2米的粉砂柱为例，分析了0–60厘米深度范围内的温度变化。如图4所示，0–30厘米深度的土壤温度表现出每日周期性变化，温度变化的幅度随深度增加而减小。表层土壤的最大日温差可达41°C，提供了有利的

地下水在凝结水形成中的关键作用

目前的研究主要集中在大气条件对凝结水的影响上，而常常忽视了地下水对非降水水源的贡献。一些研究甚至认为可以忽略土壤水对凝结的贡献（Pan等人，2018年）。这一观点在地下水层较深的干旱地区是成立的。然而，当地下水层较浅时，不应忽视来自地下水和土壤水的水蒸气供应。

结论

通过监测不同地下水深度和岩性土壤柱中的温度和湿度以及凝结水，本研究区分了土壤水蒸气吸附和凝结水的生成时间和量。进一步探讨了它们与地下水深度和土壤性质的关系，并阐明了地下水深度如何影响凝结水的水蒸气来源。

结果表明，土壤温度和湿度是

CRediT作者贡献声明

李然：撰写——初稿、方法论、概念化。冯海波：撰写——审稿与编辑、研究、资金获取。薛艳红：资源、数据管理。周建伟：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。方磊：资源、研究。苏丹辉：撰写——审稿与编辑、研究。郑晓明：撰写——审稿与编辑。谭思琪：研究。郑慧媛：研究。马永祥：研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了宁夏回族自治区重点研发计划（项目编号：2023BEG02051）和湖北省自然科学基金（青年项目，B类）（项目编号：2025AFB139）的支持。