土壤凝结水指地表温度达到露点时，大气和土壤孔隙中的水汽由气态水凝结而成的液态水^［1］。凝结水对个体高大的维管束植物直接利用价值有限^［2］，却是干旱生态系统微生物、藻类、地衣、苔藓和昆虫等微小生物体和浅根植物赖以生存的必要水分来源^［3-8］。地表日凝结水量虽然不多，但形成十分普遍，且因其累积量相当可观而被广泛关注。凝结水的累积量在同一地区年降水量中所占的比重最高可达26%^［9］，是干旱地区除降雨之外最主要的水分补给来源。因此，摸清凝结水的时空分布特征对全面而深入地了解区域水分循环和地表生物地球化学循环过程具有重要的意义。在水分极度匮乏的干旱沙区，相关研究显得尤为必要。

由于地表凝结水的普遍性和重要性，对其形成和蒸发过程的研究也引起了国内外学者的广泛关注^［10-18］，相关研究也集中在凝结水的时空差异^［19-20］及其影响因素^{［3，21-23］}等方面。Kidron^［10］采用布板法，选择表面光滑、粗糙的玻璃和颜色深浅不同的鹅卵石作为凝结水收集表面，通过改变放置位置和遮阴条件等处理，研究了凝结水的形成过程，发现下垫面性质、大小、位置、遮阴条件都会影响凝结水的形成，并指出表面光滑、面积较大、距地面较高等处理均会增加地表凝结水量，而遮阴、靠近障碍物等处理会降低地表凝结水量。土壤作为自然条件下水分凝结的表面，性质差异及有无结皮覆盖也会对凝结水的形成过程产生重要的影响^［24-25］。干燥的土壤导热率更低，地面不易从深层土壤获得热量，导致地表温度迅速下降^［25］，并且干燥的土壤在夜间温度降低时对空气中的水分吸附作用更强^［26］，有利于凝结水形成。对裸沙和不同类型生物土壤结皮覆盖地表凝结水形成和蒸发特征的观测结果表明，与裸沙相比，生物土壤结皮的覆盖显著增加了地表凝结水量，且生物土壤结皮表面凝结水量随着结皮发育程度的增加而增加^{［14，18，27-28］}。除此之外，地表凝结水的时空差异与气象条件的变化密切相关，风速、空气温度、地表温度、大气地表温度差的变化均对地表凝结水的形成过程产生重要的影响^{［18，22，29］}。

除下垫面条件和气象条件，海拔^［21］和地形起伏^［3，23］也会对地表凝结水的形成过程产生重要的影响。随着海拔增加，地表凝结水量增加^［21］。地形起伏越大，即坡度越大，凝结水量越小^［3］。西坡和北坡凝结水量较高，而南坡和东坡凝结水量较低。除地形起伏等空间差异对地表凝结水的形成过程产生影响之外，植物群落的特征也对地表凝结水的形成过程产生重要的影响。植物高度会影响地表凝结水的形成。对科尔沁沙地不同类型植被对凝结水形成过程的研究结果表明，与高大的樟子松群落相比，农田群落形成的凝结水量更高，即低矮的植物群落更有利于地表凝结水的形成^［30］。对毛乌素沙地植物群落对地表凝结水量影响的研究表明，臭柏群落地表凝结水量最大，油蒿群落次之，裸沙最少，沙地植被的覆盖改变了近地面空气温湿度，有利于地表凝结水的形成^［31］。此外，植被的生长状态也会影响凝结水的形成。凝结水量会随着农作物的生长而增加，而在农作物收获后，凝结水量迅速减少^［32］。沙坡头地区人工固沙灌丛区地表凝结水形成特征的研究表明，灌木林会拦截空气中的水汽向下运移，导致冠层下地表凝结水量的减少^{［13，19］}，且不同类型固沙植物冠层下地表凝结水量有所不同，甚至在同一个植物群落不同高度上地表凝结水也表现出一定的差异，即随着垂直高度的增加，凝结水量增加^［13］。显然，植物类型和形态特征的差异也是影响地表凝结水时空分布差异的重要因素，但相关研究目前仍然较为薄弱。

毛乌素沙地是中国四大沙地之一，是多层次的生态过渡带^［33］。随着近几十年的防沙治沙和植被生态修复，沙丘表面广泛发育了人工固沙植被^［34］，被誉为“灌木的王国”。随着相关研究的不断深入，该地区地表凝结水形成和蒸发过程的相关研究也引起了广泛关注，但相关研究结果多局限在不同类型地表凝结水的形成规律^［20］、水汽来源^［35］、影响因素^{［18，31，36-38］}及生态效应^{［16，39-43］}等方面，而有关不同类型固沙灌丛影响下地表凝结水形成和蒸发过程时空差异的研究仍缺乏系统的报道，研究现状与该地区广泛分布的人工固沙灌丛和普遍发生的水分凝结现象相比是极不对称的。为此，本研究选择毛乌素沙地南缘沙区不同类型的人工固沙灌丛，观测固沙灌丛影响下地表凝结水的形成和蒸发过程，分析地表凝结水与气象因子之间的关系，探明固沙灌丛下地表凝结水的时空变化规律及其原因，为准确评价固沙灌丛对地表微环境的影响提供科学依据。

研究区位于毛乌素沙地南缘（图1），是鄂尔多斯高原向黄土高原的过渡区，行政区划上隶属于陕西省榆林市靖边县海则滩乡（37°46′N、108°53′E，海拔1 300 m），属于温带大陆性半干旱季风气候，表现为昼夜温差较大、雨热同期的特点。研究区多年平均气温8.4 ℃，多年平均降水量381.4 mm，集中在7—9月。降水变率较大，最大降水量达744.6 mm（1964年），最小降水量仅205 mm（1965年）。研究区多年平均蒸发量为2 484.5 mm，为多年平均降水量的6.32倍^［44］。研究区地表景观呈流动、半固定、固定沙丘和湖盆滩地相间的分布格局，沙丘沉积物机械组成以细沙为主，中沙次之^［45］。研究区主要的天然植物有油蒿（Artemisia ordosica）、沙米（Agriophylium squarrosum）、软毛虫实（Corispermum puberulum）、沙竹（Psammochloa villosa）等。随着近几十年的飞播造林和植被生态修复，研究区植被盖度显著提高，沙丘表面定植了大面积的人工植被，主要有油蒿、沙柳（Salix psammophlia）、柠条（Caragana korshinskii）、小叶杨（Populus simonii）、羊柴（Hedysarum mongdicum）、紫穗槐（Amorpha fruticosa）和沙地柏（Sabina vulgaris）等^［44］。

设置样地时，在研究区选择植被发育良好、地形差异较小的典型样地，选择具有代表性的柠条、沙柳和油蒿各3株作为重复。所选的目标植物空间距离和形态结构尽量接近，尚不能满足要求时可采取适度的修剪等处理，使同一种植物不同个体之间的差异尽量接近。所选目标植物的基本特征见表1。确定目标灌丛植物后，在每株灌丛下分别设置东（E）、南（S）、西（W）和北（N）4个方向，并在每个方向上设置灌木根部、1/2的冠幅和冠幅外缘3个观测点，并布设自制微型蒸渗仪（图1右）。另外，在观测点附近，选择无固沙灌丛影响的空旷区域，设置3个裸沙样品作为对照。为降低因样品过多、测量时间过长而导致的试验误差，在各目标植物观测点中心位置搭建简易帐篷，降低样品搬运距离的同时避免微风对观测结果产生的影响。此外，制作托盘（可容纳12~15个样品），以缩短在样品搬运过程中所需的时间。

地表凝结水的观测至今没有国际通用的方法。考虑当前微型蒸渗仪因其测量结果可靠且能够连续观测等优点，本研究也采用该方法。本研究所采用的微型蒸渗仪由直径7.5 cm、高10 cm的PVC管制成，底部采用250目的金属筛网封底，内填裸沙（过50目筛滤出细根和枯落物等），保证蒸渗仪中的裸沙不会有外漏，且与外界保持水汽交换。蒸渗仪内填埋裸沙后，将其置于预先埋设好的直径为9 cm的外管内。布设蒸渗仪时，外管上边缘高出地面1 cm，内管土面与周边地表齐平，目的是尽量避免周边风沙颗粒跃入内置蒸渗仪而对观测结果产生影响。观测期间，如果遇到降雨事件，则停止观测。

试验观测在2021年7—9月展开。地表凝结水的观测采用精度为0.01 g的电子天平，通过早晚（19:00，07:00）各称重1次蒸渗仪的方法实现，即两次称重的质量差值视为当天地表凝结水形成的量。称重时，用干毛巾把蒸渗仪周边擦拭干净，以免蒸渗仪底部粘有沙粒等细颗粒物和侧壁上形成的凝结水对观测结果的影响。为探明凝结水的形成和蒸发过程，本试验选择2021年9月27—29日对蒸渗仪重量变化进行加密观测，即每隔2 h对其测定1次。同时用精度为0.5 ℃的直角温度计测量各观测点0~5 cm层土壤温度。同时通过自动气象站（距观测点约1 km）获取观测期间地表温度、空气温度、相对湿度和风速等逐小时气象数据。

地表凝结水量用蒸渗仪质量之差表示。蒸渗仪质量增加时视为形成了凝结水，质量减少时视为水分从地表蒸发。最后将以质量表示的凝结水量转换成以高度表示的凝结水量，具体转换公式为：

式中：H为凝结水量（mm）；m为微型蒸渗仪的质量差（g）；r为微型蒸渗仪半径（cm）；ρ为水的密度（kg·m^-3）。

对不同类型灌丛的不同方向和不同位置日凝结水数据进行平均（n=36），作为该种灌丛下地表日凝结水量。求同一方向不同位置凝结水观测结果的平均值（n=9），作为该方向的地表凝结水量。求同一位置不同方向上凝结水观测结果的平均值（n=12），作为该位置的地表凝结水量。文中所有数据均以平均值±标准误差表示。不同类型固沙灌丛影响下地表凝结水总量之间的差异、同一类型灌丛下不同位置和不同方向之间的差异采用单因素方差分析方法，并经过LSD检验；灌丛类型、不同方向和不同位置对地表凝结水量的影响采用多因素方差分析方法；地表凝结水量与气象因素之间的关系分析采用Pearson相关分析法。所有原始数据处理使用Microsoft Excel软件，制图用Origin 2018软件，统计分析采用SPSS Statistics 25软件。

试验期间共观测了23次凝结水。除降雨天气以外，几乎每天都能观测到凝结水，且对照和固沙灌丛下地表日凝结水量之间的差异较大（图2）。地表日均凝结水量和累计凝结水量之间也表现出较大差异，其值由大到小依次表现为对照0.127 mm和2.921 mm，沙柳0.090 mm和2.074 mm，油蒿0.087 mm和1.991 mm，柠条0.085 mm和1.961 mm（图3）。与对照相比，沙柳、油蒿和柠条下地表凝结水量分别减少了29%、32%和33%。方差分析结果表明，对照处理日均凝结水量和累计凝结水量均显著高于固沙灌丛影响区，但不同类型固沙灌丛之间地表日均凝结水量和累积凝结水量之间差异不显著（图3）。

不同类型固沙灌丛影响下，地表凝结水的时空分布特征有差异（图4），地表凝结水整体上从灌丛根部向灌丛外围呈增加趋势，即靠近灌丛根部区地表凝结水量最少，1/2冠幅处次之，灌丛冠幅外缘地表凝结水量最大（图4）。在不同方向上，地表凝结水也表现出一定的差异，整体上表现为东侧凝结水量偏小，西侧和南侧凝结水量相对较大（图5）。进一步分析结果表明，各固沙灌丛下不同位置地表累计凝结水量之间差异显著（P<0.05），而不同方向上地表累计凝结水量之间的差异不显著（图6）。多因素方差分析结果表明，灌丛类型和不同方向对地表凝结水量的影响较有限，而灌丛下不同位置对地表凝结水量的影响显著（P<0.05，表2）。

凝结水自19:00开始形成，到次日08:00时达到最高点，随后开始蒸发（图7）。灌丛植物的存在减少了地表凝结水量，改变了水分凝结过程。对照地表凝结水形成速率快，固沙灌丛影响下地表凝结水的形成过程变缓，且不同类型固沙灌丛下地表凝结水的形成和蒸发过程有差异。凝结水自19:00开始形成，形成速率表现为对照处理最大，柠条和沙柳次之，油蒿最小；在23:00—01:00时，地表凝结水的形成过程变缓，与对照处理相比，固沙灌丛下地表凝结水的形成速率明显降低，不同类型固沙灌丛下地表凝结水的形成速率表现为沙柳>柠条>油蒿；从01:00开始，地表凝结水形成速率加快，至03:00—05:00时，各样地地表凝结水的形成过程的差异进一步加大，即除对照处理和沙柳样地地表凝结水继续形成以外，柠条和油蒿样地地表凝结水甚至还有少量蒸发且油蒿的地表蒸发量略高于柠条；自05:00开始，地表凝结水继续加快形成，至07:00—08:00时，各样地地表凝结水量达到其峰值。自08:00开始，夜间形成的凝结水开始蒸发。在08:00—10:00期间，对照处理地表凝结水蒸发速率最大，沙柳与柠条居中，而油蒿蒸发速率最小，夜间形成的地表凝结水持续至13:00—15:00时基本蒸发殆尽。与对照相比，固沙灌丛影响下，地表凝结水的形成和蒸发过程变得缓慢，表明固沙灌丛的存在一定程度上减缓了水分凝结和蒸发过程。

固沙灌丛影响下不同位置和不同方向上地表温度表现出一定差异（图8）。在夜间，沙柳和柠条下不同位置地表温度基本表现为由根部到冠幅外缘递减，油蒿下不同位置地表温度基本表现为根部>冠幅外缘>冠幅1/2处；午时，油蒿和柠条下不同位置地表温度表现为由根部到冠幅外缘递增，沙柳灌丛下不同位置地表温度表现为冠幅1/2处>冠幅外缘>根部；而在不同方向上地表温度则波动较大，没有呈现出明显的规律。

地表凝结水的形成、蒸发与大气温度、对照地表温度呈显著负相关关系，与空气相对湿度和空气地表温度差呈显著正相关关系，与风速之间的相关性不显著（表3）。夜间空气温度开始降低，到次日06:00—07:00时达到最低，不同类型固沙灌丛下地表凝结水量开始增加，到次日08:00左右达到最大。随着太阳辐射的增加，空气温度开始升高，夜间形成的地表凝结水开始蒸发（图9）。与空气温度相比，空气相对湿度的变化趋势波动较大，自19:00开始空气相对湿度增加，凝结水开始形成，到凌晨01:00—02:00和04:00—05:00空气相对湿度出现降低的现象，地表凝结水量也随之下降，至07:00左右空气相对湿度达到其最大值，随后开始迅速降低，地表形成的凝结水也开始蒸发。地表温度的变化趋势与空气温度的变化趋势基本同步，19:00开始地表温度降低，到次日06:00时，地表温度达到其最小值，凝结水也达到其最大值。随着地表温度的增加，夜间形成的凝结水开始蒸发。凝结水形成过程与风速变化之间的关系不明显。空气地表温度差与地表凝结水量变化之间的分析结果表明，空气地表温度差与凝结水的变化趋势基本一致，但前者变化比后者略提前。对照处理及不同类型固沙灌丛下地表温度的监测结果表明，对照处理地表温度始终高于固沙灌丛影响区，且白天不同类型固沙灌丛影响下地表温度由高到低依次表现为沙柳、柠条和油蒿，夜间油蒿样地地表温度则高于其他固沙灌丛影响区。在凝结水的形成和蒸发过程中，与对照相比，固沙灌丛区地表温度与空气温度之间的差异在白天减小，在夜间略微增大。

凝结水是干旱缺水地区除降雨之外最主要的水分补给来源^［11］。凝结水的来源包括近地面空气中的水汽、土壤中的水汽和植物周围呼吸或蒸腾出的水汽^［31］。本研究发现，与对照相比，固沙灌丛的存在降低了灌丛下地表凝结水量（图3），研究结果与Pan等^［13］在沙坡头地区的研究结果基本一致。由于90%的地表凝结水都来自近地面空气中的水汽^［19］，而固沙灌丛枝叶等构型特征会拦截近地面的水汽到达地表的量，从来源上减少了地表凝结水的形成^［13］；另一方面，在固沙灌丛的遮荫作用下，灌丛下地表温度低于灌丛外，导致灌丛下地表蒸发量较小，使表层土壤含水量高于裸地和灌丛外围地区^［46-47］。与干燥的土壤相比，湿润的土壤导热率更高，更易于从深层土壤中获得热量，导致地表温度差减小，不利于水汽凝结^［25］。对毛乌素沙地臭柏和油蒿群落地表凝结水的观测结果发现，不同类型的植物群落会促进凝结水形成，呈臭柏群落凝结水量最大，油蒿群落次之，裸地最小^{［31，38］}，研究结果与我们的结果不一致，原因可能涉及以下几个方面：首先是由于受植物群落的影响，枝叶会遮挡太阳辐射并削弱空气热量上下层的交换，降低空气温度；其次植物的存在增加了地表的粗糙度，且枝叶对气流具有阻挡作用，减小了近地面的风速；再者植物的蒸腾作用也会增加近地表的空气相对湿度。草地、灌木林、混交林的日平均温度较裸地（无植物影响的空旷地）分别降低了0.58、1.12、1.51 ℃，日土壤平均温度分别降低了0.55、6.2、8.75 ℃，而日均相对湿度分别增加了1.67%、9.67%、12.1%^［48］。由此可见，植物群落可以降低空气温度和地表温度，增加大气相对湿度，从而促进凝结水的形成。在同一植物群落中，植物间空地的地表凝结水量高于灌丛下凝结水量^［19］，固沙灌丛下地表凝结水量降低，且由外边缘至灌丛根部呈持续降低的趋势（图4）。这可能是由于灌丛根部的枝条密集，能够拦截更多的水汽，形成的凝结水量也自然比较少；随植物枝条外延，次级枝条发育，枝条逐渐分散，密度降低，对水汽的拦截作用也相对减弱，形成的凝结水量也较多。

不同类型固沙灌丛下地表凝结水量也表现出一定差异（图3）。与对照相比，沙柳、油蒿和柠条下地表凝结水量分别减少了29%、32%和33%。不同类型固沙灌丛影响区地表凝结水量的差异可能与其枝条构型差异有关。柠条的枝条较沙柳来说更密集，冠幅较油蒿来说更大（表1），一方面能够拦截更多的水汽，减少了凝结水的来源；另一方面，构型结构密集、复杂的灌丛遮阴作用更明显，拦截更多的太阳辐射，使地表保持较低的温度，导致地表凝结水量减少。与柠条和油蒿相比，沙柳冠幅更大，但是其枝条较稀疏，对近地面水汽的拦截作用和遮阴作用不如前者，地表形成的凝结水量也较多。白天随着空气温度的增加，地表温度也随之上升，夜间形成的凝结水开始蒸发。由于固沙灌丛的遮阴作用，灌丛下地表吸收的太阳辐射与对照相比较少，地表温度低^［49］，导致灌丛下地表蒸发速率也变缓。但是灌丛下地表凝结水量小于对照处理（图3），造成灌丛下地表凝结水蒸发所需的时间仍然小于对照处理。

此外，在固沙灌丛影响下，不同位置地表凝结水量的差异同样可以用地表温度的变化进行解释。在白天，固沙灌丛具有遮荫作用，即地表温度由根部至冠幅外缘递增的趋势，而在夜间基本相反（图8）。主要的原因是由于靠近根部灌丛枝叶更加密集，白天地表能接收的太阳辐射能量较有限，地表温度升高的幅度相对较小，而冠幅外围的地表受冠幅遮阴作用较小，能够吸收较多的太阳辐射能量，白天地表温度较高；夜间枝叶阻碍了大气与灌丛下近地表的气流交换，在灌丛根部阻碍作用尤为强烈，导致夜间灌丛下地表温度表现出由根部到冠幅外缘递减的趋势。凝结水主要在夜间形成，凝结水量与地表温度呈现相反的趋势，即地表温度越高，凝结水量越少。因此，灌丛下地表温度的差异导致了不同位置地表凝结水量的差异。与固沙灌丛下不同位置地表凝结水量的显著差异不同的是，固沙灌丛不同方向上地表凝结水量差异不显著（图5）。在白天，随着太阳的东升西落，灌丛四周地表可以在白天同一时间内接受到不同强度的太阳辐射，导致灌丛四周地表温度的变化具有动态性和复杂性（图8），可能导致灌丛植物影响区不同方向上地表凝结水量的差异不显著。

气象因子与地表凝结水量之间的关系十分密切。受气象因子和下垫面条件的影响，地表凝结水的形成和蒸发过程变得十分复杂^{［17，27，38，50］}。本研究的结果表明，地表凝结水的变化与空气湿度的变化呈显著正相关关系，与空气温度和地表温度的变化呈显著负相关关系（图9）。研究结果与李玉灵等^［29］在毛乌素沙地凝结水影响因素的研究结果一致。成龙等^［22］在青海省高寒沙区关于凝结水与近地表温湿度关系的研究中也得到类似的研究结果。当地表温度接近或低于空气温度时，空气中的水汽受温度梯度的影响逐渐向地面移动，地表出现水分凝结现象，而风速与地表凝结水之间的关系不明显（图9）。有研究结果表明，风速对凝结水形成的影响比较复杂，在较大时间尺度（月尺度和季节尺度）上风速与凝结水量呈负相关关系^［17］，可能是本研究在小时间尺度上（昼夜尺度）上未能发现风速对凝结水的显著影响的原因。

固沙灌丛可能是通过改变冠幅下地表微环境来影响地表凝结水的。不同类型固沙灌丛的冠幅大小、枝叶疏密、枝条与地面夹角等特征差异（表1），都会导致不同类型固沙灌丛下地表气象条件发生变化。究其原因，可能是灌丛枝叶对太阳辐射的拦截作用削弱了其到达地面的能量^［51］。白天对照处理地表温度高于灌丛植物影响区且大气温度在小尺度上的差异很小，导致大气与对照地表温度差大于大气与固沙灌丛下地表温度差，导致对照处理的土壤表层蒸发量较大，土壤含水量较低。干燥的土壤更有利于在气温降低时吸附空气中的水汽，加之大气地表温度差与凝结水量呈正相关关系^{［36，52］}，即白天大气地表温度差的增加有利于凝结水的形成^［26］，这可能是对照处理地表凝结水量大于固沙灌丛影响区的主要原因。需要说明的是，本研究发现07:00之后，地表仍然能观测到水分凝结现象，并持续到08:00左右。所以，本试验采用的时间节点低估了该地区地表凝结水量。在以后的观测过程中，把相应的时间节点做调整，以便获得更加准确的结果。

固沙灌丛的存在显著降低了地表凝结水量，沙柳、油蒿和柠条冠幅灌丛下地表凝结水量与对照处理相比分别降低了29%、32%和33%。地表凝结水量自灌丛外缘至灌丛根部呈显著降低的趋势，而在不同方向上的差异不显著。地表凝结水自19:00开始形成，至次日08:00达到峰值，期间地表凝结水的形成过程基本表现出增加—平缓—增加的趋势，夜间油蒿和柠条样地凝结水甚至还有所蒸发。夜间形成的凝结水在次日13:00—15:00蒸发殆尽。凝结水与空气相对湿度呈显著正相关关系，与空气温度和地表温度呈显著负相关关系，与风速变化之间的相关性不显著。白天固沙灌丛下地表温度由外向里呈降低趋势，而夜间正好相反。固沙灌丛削弱了太阳辐射，缓冲了地表温度变化，从而减缓了地表水分凝结和蒸发过程。