夜间水汽交换过程是生态系统水循环的重要组成部分，对维持生态系统水量平衡和植物生理发育具有十分重要的意义。水汽凝结（露水）和夜间蒸散发是生态系统夜间水循环的重要组成部分。露水是干旱地区动植物、微生物的重要水源，露水能够抑制叶片蒸腾并有助于固碳，从而有利于提高水分利用效率。已有研究还表明露水能作为农业灌溉的补充水源。夜间蒸散发将引发黎明前叶片水势和土壤水势的不平衡，较高的夜间蒸散发可加速早晨的碳积累，从而有助于提高农作物产量。目前关于夜间水汽交换的研究仍较少，已有研究主要集中在干旱半干旱或者热带地区。农田生态系统占地球陆地面积的40%，集约化农业发展目前面临着严重的缺水问题，这对于中国华北地区以高耗水作物为主，地下水急剧减少的地区尤为紧迫。土地科学与空间规划学院郭晓楠老师利用涡度相关系统对栾城农业生态系统展开长期连续观测，先后揭示出农田生态系统露水形成特征及生物物理调控机理、夜间水分流失（蒸散发与露水的差值）在多时间尺度的生物物理调控机制及对干旱事件的响应。

基于涡度相关观测系统获取夜间水汽通量，将潜热通量为负值的部分理解为有水汽凝结发生，根据露水发生的特定条件进行数值剔除后，利用边缘分布抽样（Marginal Distribution Sampling, MDS）法进行数据插补。该农田生态系统4-9月年平均露水量为7.61±0.02mm，占同时期降水量的2.5%。干旱时期露水量为3.11mm，占降水量的3.4%。小麦主要生育期露水主要受气孔导度和水汽压差影响，玉米生育期主要受气孔导度调控。整个生长季内，51.1%~72.0%的干旱事件发生在小麦生长季内。干旱时间、持续时间和干旱程度共同影响着露水量。该项研究阐明了不用作物生长时期露水的时间动态，为未来极端气候背景下非降水性水分（尤其是露水）的可持续利用做成贡献。

图1. 小麦和玉米生长期生物物理因子对露水量的调控

基于连续五年的高频水热通量观测数据，采用随机森林方程和结构方程模型，作者从多个时间尺度（日尺度，季节尺度，年际尺度）分析了生长季（4-9月）小麦和玉米夜间水分流失量（夜间蒸散发与水汽凝结的差值）受多种生物物理因子的调控机制。日尺度上，夜间水分流失量主要受地表温度与空气温度的差值调控；季节尺度上，小麦主要生长期夜间水分流失受饱和水汽压差、风速和气孔导度调控，玉米生长期的夜间水分流失受饱和水汽压差、气孔导度和净辐射调控；年际尺度上，夜间水分流失主要受地表温度和空气温度差值、土壤水共同调控。在干旱年份，饱和水汽压差和气孔导度对夜间水分流失起主要控制作用。干旱时期夜间水流失量占降水百分比（19.6%）显著大于非干旱时期夜间水分流失占降水的百分比（4.0%）。研究结果强调了生物物理因素在调节夜间水分流失中的重要性，并且应更加关注夜间水分流失在气候变化背景下对碳水循环的影响。

图2. 非生物和生物因素对夜间水分流失影响的结构方程分析

以上研究成果以“Biophysical controls of dew formation in a typical cropland and its relationship to drought in the North China Plain”和“Dynamics and biophysical controls of nocturnal water loss in a winter wheat-summer maize rotation cropland: a multi-temporal scale analysis”为题在水文学著名学术期刊Journal of hydrology 和农林环境领域著名期刊Agricultural and forest meteorology 发表。河北地质大学郭晓楠老师为第一作者，中科院农业资源中心张玉翠研究员为论文通讯作者。北京林业大学查天山教授和美国新罕布什尔大学肖劲峰教授对以上研究给与了指导和帮助。研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划，河北省自然科学基金创新项目和河北省重点研发计划项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128945

 https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2023.109701