沙漠植物露水形成的再评估：基于实验方法挑战传统估算模型

《Plant and Soil》：Dew formation on desert plants – challenging estimates based on an experimental approach

本研究针对传统估算植物露水量方法的局限性，通过实验方法系统评估了叶片向光面与背光面露水沉积差异、遮荫效应及叶面积指数(LAI)对非降雨水(NRW)形成的影响。结果表明叶片背光面露水量仅为向光面的一半，遮荫会显著提高叶温并抑制露水形成，且LAI与露水量并非简单线性关系。该研究为准确评估沙漠灌木的水分收支提供了新视角，对修正植物生理生态模型具有重要意义。

　　

在干旱的沙漠环境中，每一滴水都关乎生存。长期以来，科学界普遍认为露水是沙漠植物重要的水分补充来源，甚至可能占到年降水量的相当比例。然而，这种认知背后隐藏着一个关键问题：我们真的准确测量了植物实际获得的露水量吗？

传统估算方法存在三大假设：叶片向光面(adaxial)和背光面(abaxial)凝结的露水量相同；植物冠层内所有叶片都能有效形成露水；叶面积指数(LAI)越高，植物获得的露水总量就越多。这些假设导致学者们常常将单面测量值乘以2，再乘以LAI(可达3.5)，最终得出植物冠层露水量可达周围环境数倍甚至十倍的结论。例如在黄土高原地区，就有研究估算枣树每日露水量可达2.4毫米，而该地区年露水总量还不足10毫米。

Giora J. Kidron等研究人员对这些传统假设提出了质疑。他们指出，露水形成本质上是一个热力学过程，当基质温度(T_s)降至露点温度(T_d)以下时，水蒸气才会凝结成液态水。而影响这一过程的关键因素是天空可视因子(SVF)——即基质表面可见天空的比例。SVF值越低(如被遮挡或部分遮挡)，夜间辐射冷却效率就越差，基质温度越高，露水形成量自然越少。

更为关键的是，并非所有非降雨水都能称为“真正的露水”。研究表明，只有当积累量达到0.1毫米时，水蒸气才会发生凝结形成液态水，这才是植物能够通过叶片吸收利用的“有效露水”。而传统方法往往将所有非降雨水(包括未凝结的水汽)都计入露水量，这可能导致结果被严重高估。

为了验证这些科学问题，研究人员在以色列内盖夫沙漠开展了一系列精巧的实验。

关键技术方法

研究团队于2024年10月至2025年2月在內盖夫高原辛河谷开展实地实验。主要技术包括：1)使用叉状木质结构(FLS)分离测量叶片向光面和背光面的露水沉积；2)采用分支密度实验评估遮荫对露水形成的影响；3)设计支架(SCAF)和瓦片(TILE)实验模拟冠层多层结构及部分遮荫效应；4)利用布板法(CPM)在不同高度测量参考露水量；5)通过温度传感器连续监测不同位置的温度变化。

研究结果

叶片两面露水沉积存在显著差异

通过将刺芹叶片固定于FLS装置，并随机选择一面用尼龙覆盖隔离露水的方法，研究人员精确比较了向光面和背光面的露水沉积情况。结果清晰显示，向光面获得的露水量平均是背光面的2.08倍(图4)。肉眼观察也证实了这一差异，向光面形成了明显更大的水滴(图5)。与参考布片相比，叶片两面总和仅比布片高12%，远低于传统“乘以2”的假设。

遮荫效应显著降低露水形成

通过将海桐花分支捆扎成不同密度(DEN1-4)的实验发现，随着叶片密度增加(遮荫指数从0.65升至0.95)，单位叶面积的露水量明显下降(图6)。即使是最低密度的情况下，露水量也低于0.1毫米的液态水阈值。

支架实验进一步证实了直接遮荫的强烈影响：最上层(暴露)布片的平均露水量为0.133毫米，而紧邻其下的第二层骤降至0.054毫米，下层更是降至0.04毫米左右(图7a,b)。部分遮荫同样具有显著影响——瓦片实验中，下层布片获得的露水量比上层低约40%，对应温度监测显示下层夜间温度平均高出0.2℃。

在实际橄榄树冠层中的测量结果更为惊人：附着在叶片上的布片获得的露水量介于0.004-0.081毫米之间，边缘叶片(平均0.027毫米)略高于冠层内部(0.018毫米)，但均未达到0.1毫米的液态水阈值。红外测温显示，这些叶片的温度从未降至露点以下。

温度监测数据支持了上述发现：50厘米高灌木冠层下25厘米处的夜间最低温度平均比开阔地高0.5℃(图8)，这种温度差异直接导致了露水形成的减少。

重新评估沙漠植物的露水贡献

基于2021-2023年的实际露水测量数据，研究人员建立了新的估算模型。考虑叶片朝向(水平叶片的向光面获得参考值的80%，背光面获得50%)、遮荫(下层为上层的60%)和冠层位置(第二层为第一层的40%，第三层为30%)等因素，他们计算了不同露水强度下植物的实际获得量。

结果表明，只有当CPM_0.7测量值≥0.15毫米(相当于1米高处≥0.23毫米)时，植物冠层才会形成有效液态露水。在这种条件下，虽然某些暴露叶片可能获得0.4-0.5毫米的露水，但整个冠层的平方米平均量仅为0.21-0.35毫米/天。统计显示，2021-2023年间仅有11天满足这一条件，植物冠层年露水总量约为2.85毫米，反而比开阔地测量值(4.9毫米)低约40%。

研究结论与意义

这项研究对传统露水估算方法提出了根本性质疑。首先，叶片背光面的露水量仅为向光面的一半，直接“乘以2”的做法不正确。其次，遮荫和部分遮荫通过提高叶温和降低水汽交换，显著抑制露水形成。第三，冠层密度(LAI)与露水总量并非简单正比关系，多层叶片间的相互遮荫反而会降低整体露水获得量。

更重要的是，研究强调了区分液态露水(≥0.1毫米)和水汽的重要性。只有液态水才能被植物叶片吸收利用，而传统方法往往将两者混为一谈，导致结果虚高。

这些发现对沙漠植物生理生态研究具有深远意义。虽然不否认叶片具有吸收露水的能力，但研究表明在内盖夫沙漠这样的环境中，植物实际能够获得的液态露水量非常有限，远低于先前估计。这对于重新评估露水在沙漠植物水分收支中的作用、植物对干旱胁迫的适应策略以及生态系统水分循环模型都具有重要启示。

该研究呼吁科学界重新审视露水在沙漠植物生活中的作用，建议未来研究应更精确地区分液态露水和水汽，并充分考虑冠层结构、叶片朝向和局部微气候对露水形成的综合影响。只有在准确量化的基础上，才能正确理解露水对沙漠生态系统的真实贡献。