全 文 ：湖 北 农 业 科 学 2009 年
第 48 卷第 11 期
2009年 11 月
湖北农业科学
Hubei Agricultural Sciences
Vol． 48 No.11
Nov．，2009
收稿日期：2009－06－06
基金项目：国家自然科学基金项目（30760207）
作者简介：李洪波（1979－），男，内蒙古赤峰人，在读博士研究生，主要从事水土保持与荒漠化防治研究，（电话）13948115160
（电子信箱）shachenbo＠tom．com；通讯作者，王林和，教授，博士生导师，（电子信箱）wlinhe＠hotmail．com。
凝结水是指大气中水汽直接在地面或地物表
面以及低空的凝结物，包括霜、露、雾、雾淞、土壤吸
附水和植物吸附水等［1］。 目前对凝结水的研究主要
集中在两个方面， 一是不同地区的土壤凝结水，主
要涉及其观测方法、形成机理、数量特征、影响因子
和日、季节动态等［2－4］；二是植物凝结水，主要涉及植
被冠层凝结水发生规律、垂直分布、影响因子等［5，6］，
Jacobs 等［7，8］用 Bowen 比能量公式（BREB）和土壤扩
散方法（SD）估算农作物冠层凝结水的形成能力，并
且用 Leick 盘和吸水纸实际测定出不同冠层高度凝
结量与蒸散过程。
植被冠层拦截到凝结水是否对植物本身有作
用，已成为一个重要的科学问题。 国际上许多学者
对此已展开试验研究，Gouvra 等 ［9］利用荧光粉示踪
法和离体枝条压力室法测定 5 种生长在古城墙裂
缝中的植物能够吸收利用凝结水；地中海地区夏季
植被遭受严重的干旱胁迫，Munne-bosch 等 ［10］通过
测定植物的 CO2同化率、气孔传导率和相对光合作
内蒙古半干旱区臭柏冠层凝结水的形成和作用
李洪波 1a，白爱宁 1a，张国盛 1b，王林和 1a，杨新林1c，张 瑜 2
（1．内蒙古农业大学，a．生态环境学院；b．林学院；c．科技园区，呼和浩特 010019；2．山东省泰安市水利和渔业局，山东 泰安 271000）
摘要：为探讨凝结水对臭柏的作用，采用人造凝结面法、离体枝条法和盆栽封袋法，分析了在干旱季节臭
柏冠层凝结水的形成和作用。 结果表明，臭柏冠层凝结能力从大到小依次为 100、50、150 和 5 cm，其中
100 cm 处凝结时间最长，能够代表冠层拦截凝结水的能力，该处凝结水的发生分为 3 个阶段，即发生前
期（14∶00～22∶00）、发生时段（22∶00 至次日 8∶00）和蒸发时段（8∶00~14∶00）。 人造凝结面和离体枝条凝结
水拦截量都与凝结持续时间呈线性正相关。高密度栽植的臭柏冠层可以不间断地向土壤方向输入水汽。
通过盆栽封袋法证明凝结水对臭柏作用显著。
关键词：臭柏冠层；凝结水；形成和作用；内蒙古半干旱区
中图分类号：S715．2 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2009）11－2706-06
Dew Formation and Effect by Canopy of Sabina vulgaris in Semi－arid Area
of Inner Mongolia
LI Hong－bo1a，BAI Ai－ning1a，ZHONG Guo－sheng1b，WANG Lin－he1a，YANG Xin－lin1c，ZHANG Yu2
（1． Inner Mongolia Agriculture University， a． College of Ecology and Environmental Science； b．College of Forestry；c．Science and Technology
Park， Huhhot 010019， China；2．Taian Water Conservancy and Fishery Bureau，Taian 271000，Shandong，China）
Abstract： For researching of the effect of dew on Sabina vulgaris， using methods of artificial condensation surface，detached
shoots and bag closure of potted culture to determine dew formation and absorption by canopy of Sabina vulgaris on arid
season． The results indicated that the capacity of dew formation was the biggest on 100cm of Sabina vulgaris canopy，which
can represent capacity of the whole canopy． There were three periods that were the previous period of dew formation（14∶00～
22∶0）， the period of dew formation （22∶00～8∶00）， the evaporated period of dew （8∶00～14∶00）， respectively． The intercepting
quantity of dew by artificial condensation surface and detached shoots were linear positive correlation with dew duration．
Sabina vulgaris canopy of high density could uninterrupted provide water vapor to soil direction， at the same time， effect of
dew was significant to Sabina vulgaris．
Key words： canopy of Sabina vulgaris； dew； formation and effect；semi－arid area in Inner Mongolia
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2009.11.061
第 11 期
用效率等生理指标，证明了地中海乡土常绿灌木熏
衣草（Lavandula stoechas）的叶片能够吸收凝结水；
Oliveira 等 ［11］应用热比率法测定出巴西稀树大草原
上的 Vellozia flavicans 发生有节律的树液倒流现
象，证明该植物叶片能够吸收利用凝结水；在南部
非洲 Namib 沙漠，Martin 等 ［12］调查发现 46 种景天
科青锁龙属（Crassula）植物中有 27种植物的表皮能
够利用排水器吸收叶表面的水分；Burgess 等［13］利用
热脉冲、同位素示踪、电子天平称重等方法表明美
国海岸红杉（Sequoia sempervirens）的叶片能够直接
吸收凝结水。 在中国，对植物叶片吸收凝结水的研
究处于起步阶段，郑玉龙等 ［14］采用蒸馏喷雾法得出
西双版纳地区 10 种附生植物和非附生植物的叶片
都能够吸收凝结水。
毛乌素沙地是中国的典型半干旱地区，年均降
水量为 360 mm左右，而年均蒸发量却为降水量的 6
倍之多，但在这样严酷的生境条件下，臭柏（Sabina
vulgaris）群落（总面积 261．7 km2）却能旺盛生长 ［15］，
因此探讨在干旱期内臭柏群落如何解决自身水分
需求问题具有重大意义。 王哲等［16］和罗玉昌等［17］采
用称重法初步探明了该区土壤凝结水的形成与转
化的基本过程；李玉灵等 ［18］在 2002 年 5～10 月间运
用称重法对臭柏群落林间空地表层土壤凝结水进
行了观测，得出各月均有凝结水发生。 本研究基于
内蒙古农业大学科技园区牧草地试验站开展臭柏
冠层凝结水形成能力和作用的研究，为评定凝结水
对于毛乌素沙地生态作用提供科学依据。
1 材料与方法
1．1 材料
1．1．1 研究区概况 试验地位于呼和浩特市内蒙
古农业大学科技园区牧草地试验站，地理位置为东
经 110°49′，北纬 40°44′，海拔 1 063 m。 呼和浩特市
属中温带半干旱大陆性季风气候区。 冬季漫长而寒
冷，春季干旱多风，夏季温热短促，且降水集中。 春
秋季气温变化剧烈，无霜期较短，气温年日较差大，
雨热同季，积温有效性高，日照充足，降水量偏少，
蒸发量大，气候干燥。年平均气温为 3．0～7．4℃；全年
无霜期为 85～150 d；年平均降水量为 250～535 mm，
降水主要集中在 6～8 月，占年降水量的 60％～65％；
大部分地区年日照时数为 2 800～3 100 h。
1．1．2 试验样地 臭柏苗圃样地东西宽 6 m，南北长
150 m，臭柏为 6 年生扦插苗，平均高度为 150 cm，
高密度栽植，覆盖度为 100％。
1．2 方法
1．2．1 人造凝结面和臭柏枝条拦截凝结水试验 选
定在秋季干旱期 2008 年 9 月 27 日至 10 月 4 日和
10 月 10～15 日开展试验。 采用尺寸为 160 cm×230
cm塑料布作为人造凝结面；臭柏离体枝条来自盆栽
臭柏苗，小枝长度 6～8cm，枝条含水率为 53．99％；每
日 21∶00 进行第一次称重（W1），把人造凝结面称重
后平放于自制铁架上，铁架高度 100 cm，臭柏小枝
称重后用自封袋袋口夹住小枝切口处，长度能够夹
住为宜，然后把自封袋连同小枝固定在 100 cm高度
处冠层，次日 7∶00 第二次称重（W2），两次重量之差
为人造凝结面和臭柏枝条凝结水拦截量（W2－W1），3
次重复，用万分之一天平称量。
人造凝结面和臭柏枝条单位面积凝结水拦截
量计算公式如下：
单位面积凝结水拦截量＝（W2－W1） ／ （S×ρ）
式中 ，W1 和 W2 分别代表当日 21 ∶00 和次日
7∶00 同一小枝的重量，单位为 g；S 代表面积，单位
为 mm2，ρ代表水的密度，单位为 10－3g/mm3。
1．2．2 臭柏冠层对凝结水作用试验 试验于 2008
年 10 月 10～15 日进行。 选择进行干旱胁迫的 6 盆
臭柏，枝条水势在 1．3MPa 左右，花盆直径 25 cm、高
度 20 cm，苗高 65 cm、冠幅 45 cm×50 cm，分为两
组，具体测定方法为每天 7∶20 和 17∶30 用压力室分
别测定每盆臭柏同一枝条的水势，3 次重复；3 盆用
塑料袋密封， 防止冠层和盆内土壤接收外界水分；
另外 3 盆用塑料袋封住盆内土壤，防止土壤接收外
界水分，但是冠层接收外界水分不受影响。 封袋时
间为每日 17∶30至次日 7∶20。
1．2．3 冠层内温度、 相对湿度和风速测定 温度、
相对湿度和风速使用便携式气象监测仪 （Kestrel
4500）测定，设定梯度为离地面高度 5、50、100、150
和 200 cm，数据记录间隔时间为 20 min。
2 结果与分析
2．1 臭柏冠层不同梯度凝结持续时间
植物冠层凝结水是指冠层温度和周围气温达
到露点，空气相对湿度达到 100％时，大气中的水汽
在冠层上凝结而成的液态水。 凝结持续时间是指在
冠层上发生水汽凝结时间的总和。 对 9 月 27 日至
10月 2日（第一阶段）和 10 月 10～15 日（第二阶段）
凝结持续时间进行统计，结果如图 1。 由图 1 可知，
凝结持续时间第一阶段明显长于第二阶段，前者冠
层内各梯度均值为 9．05 h，后者为 2．92 h；两个阶段
的冠层 100 cm处凝结时间持续最长，可以代表冠层
的凝结能力。 根据气温和相对湿度变化得到臭柏冠
层 100 cm 处凝结水形成可分为 3 个时间阶段 ，
8∶00～14∶00 为气温上升、相对湿度下降的蒸发阶段，
李洪波等：内蒙古半干旱区臭柏冠层凝结水的形成和作用 2707
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14∶00～22∶00为气温下降、相对湿度上升的凝结水发
生前期阶段，22∶00 至次日 8∶00 为凝结水发生时段，
此时气温等于露点，相对湿度维持在 100％。
2．2 臭柏冠层凝结水发生的影响因素
臭柏冠层凝结水的形成与气温、风速、相对湿
度和植物种类等因素有密切的关系。 当气温与露点
之差为 0 时，空气相对湿度达到 100％时，开始发生
水汽凝结，否则不发生。 风将直接影响气温、露点和
相对湿度， 因而是影响凝结水形成的最重要因素。
由图 2、3 可知，仅有 10 月 2～3 日和 10 月 3～4 日在
凝结水发生阶段受到风的影响， 尤其是 10 月 3～4
日风速在 0．4～1．0 m/s， 气温与露点之差维持在
11．2～21．0℃，相对湿度在 25．2％～46．3％，因此不会有
凝结水的形成。
2．3 臭柏冠层 100 cm 处人造凝结面和臭柏离体
枝条拦截能力
通过单日内臭柏冠层 100 cm 处人造凝结面和
臭柏离体枝条拦截量图（图 4）中可以看出，在有凝
结发生的夜晚，人造凝结面和臭柏枝条都能够拦截
到凝结水，二者拦截能力相当。总体上，9月 28日至
10 月 2 日单日人造凝结面拦截量和枝条拦截量总
体上是大于 10 月 10～15 日的凝结量， 出现这种状
况原因是 9 月 28 日至 10 月 2 日臭柏冠层凝结持
续时间较 10 月 10～15 日的单日平均长约 2.00 h，9
月 28 日至 10 月 2 日臭柏冠层凝结持续时间为
10．33～12．33 h，10月 10～15日为 7．33～9．33 h。 为此，
以凝结持续时间为横坐标，拦截量为纵坐标，绘制
9 月 27~28 日
10 月 1~2 日
10 月 11~12 日
9 月 28~29 日
10 月 2~3 日
10 月 12~13 日
9 月 29~30 日
10 月 3~4 日
10 月 13~14 日
9 月 30 日至 10 月 1 日
10 月 10~11 日
10 月 14~15 日
图 2 臭柏冠层 100 cm 处气温与露点温度差变化趋势
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9 月 27~28 日
10 月 1~2 日
10 月 11~12 日
9 月 28~29 日
10 月 2~3 日
10 月 12~13 日
9 月 29~30 日
10 月 3~4 日
10 月 13~14 日
9 月 30 日至 10 月 1 日
10 月 10~11 日
10 月 14~15 日
图 3 臭柏冠层 100 cm 处相对湿度变化趋势
14
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凝
结
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时
间
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5 50 100 150 200
冠层离地面高度/cm
图 1 臭柏冠层不同梯度凝结持续时间
9 月 27 日至 10 月 2 日
10 月 10~15 日
时间
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第 11 期
图 7 10 月 1～2 日臭柏冠层不同梯度相对湿度变化趋势
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5cm
50cm
100cm
150cm
200cm
时间
凝结持续时间与凝结水拦截量关系散点图，得出人
造凝结面拦截量与枝条拦截量与凝结持续时间都
呈线性正相关，线性方程分别为y赞 1＝0．003 3x1＋0．000 7，
r12＝0．866 2；y赞 2＝0．003 3x2－0．001 5，r22＝0．817 1（图 5）。
2．4 臭柏冠层内水汽运移规律
产生温度梯度是发生水汽运移的根本动力，以
10 月 1～2 日为例（图 6 和图 7），在蒸发阶段（8∶00～
14∶00），随着太阳的升起，冠层 50 cm 处气温急剧上
升，始终高于其他梯度的气温，并且 5 cm 处气温始
终低于所有梯度的气温，从而形成向上和向下两个
方向的温度降低梯度；同时，冠层 50 cm处相对湿度
急剧下降， 其值总处于最低，5 cm 处相对湿度始终
高于其他梯度的相对湿度，从而形成向上和向下两
个方向的相对湿度递增梯度。 由此得出蒸发阶段内
的各时刻水汽以 50 cm为分界线分别在向上和向下
两个方向上发生运移。 在凝结水发生前期 （14∶00～
22∶00）， 冠层 5 cm 处气温始终低于其他梯度的气
温，而相对湿度正相反，冠层 5 cm 处相对湿度总是
高于其他梯度，从而形成向下温度降低的梯度和向
下升高的相对湿度梯度，由此可得出凝结水发生前
期的各个时刻水汽是从冠层顶端往下发生运移的。
在凝结发生阶段，冠层顶端 200 cm处的气温始终高
于其他梯度，而相对湿度则低于其他梯度，所以水
汽总是从大气中往冠层内移动，同凝结发生前期水
汽运移方向一致。 因此，臭柏冠层是天然的水汽冷
凝器。即使在蒸发阶段，冠层 50 cm处水汽也是向下
图 5 凝结水拦截量与凝结持续时间关系图
0.06
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凝
结
水
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量
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2 4 6 8 10 12 14
凝结持续时间/h
人造凝结面拦截量
枝条拦截量
（线性）人造凝结面拦截量
（线性）枝条拦截量
0.06
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凝
结
水
拦
截
量
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m
9
月
28
~2
9
日
9
月
29
~3
0
日
9
月
30
日
至
10
月
1
日
10
月
1~
2
日
10
月
2~
3
日
10
月
3~
4
日
10
月
10
~1
1
日
10
月
11
~1
2
日
10
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12
~1
3
日
10
月
13
~1
4
日
10
月
14
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人造凝结面拦截量
枝条拦截量
图 4 臭柏冠层 100 cm 处凝结水拦截量
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图 6 10 月 1～2 日臭柏冠层不同梯度气温变化趋势
5cm
50cm
100cm
150cm
200cm
时间
时间
李洪波等：内蒙古半干旱区臭柏冠层凝结水的形成和作用 2709
湖 北 农 业 科 学 2009 年
运移的，所以说高密度栽植的臭柏冠层不但防止冠
层下土壤水的蒸发， 而且不间断地向土壤输入水
汽，由此可得出土壤在有植物覆盖的情况下可以产
生比裸地更多的凝结水。
2．5 盆栽封袋法测定臭柏冠层对凝结水的作用
水势是植物水分状况和水分变化的指示。 由图
8可知，通过测定 10 月 10 日晚间枝条的初始水势，
全封闭花盆枝条水势为－1．36MPa，不封闭花盆枝条
水势为－1．33MPa，是基本一致的。接下来的 4 d夜间
在有凝结水的持续作用下，全封闭花盆枝条早晨和
晚上枝条水势呈直线下降趋势，晚间枝条水势从
－1．36MPa 下 降 至 －2．29MPa， 早 间 枝 条 水 势 从
－1．53MPa下降至－2．27MPa；不封闭花盆枝条晚间水
势呈现微降的趋势， 水势从－1．33MPa 下降至－1．55
MPa，早间枝条水势呈现微升趋势，水势从－1．14MPa
上升至－1．09MPa。 从以上数据可以反映出，全封闭
花盆的枝条得不到凝结水的补给，植物体内水分散
失很快，水势呈现明显下降趋势，而不封闭枝条的
水势能够维持在基本恒定的状态。
以 10月 10～11日、10月 11～12日、10 月 12～13
日和 10 月 13～14 日 4 d 中全封闭花盆枝条和不封
闭花盆枝条早晚的水势变化量作为纵坐标，凝结水
拦截量作为横坐标，绘制枝条水势变化量与凝结水
拦截量关系散点图（图 9），由图 9 可知，不封闭花盆
枝条水势随着凝结水拦截量的增加而提高，在产生
凝结量相当的夜晚（3 点和 4 点），其水势增量也是
基本相同，分别是 0．44MPa 和 0．46MPa；全封闭花盆
枝条水势变化量和凝结水拦截量的关系中存在两
个正常点（6 点和 8 点），枝条水势变化量小，都增加
0．02MPa， 与之对应的 2 点和 4 点的水势增量分别
是 0．30MPa 和 0．46MPa； 图中 5 点夜间产生较小的
凝结水拦截量为 0．008mm，全封闭枝条的水势是下
降的，变化量为－0．17MPa，说明其枝条水分是散失
的，而 1 点与 5 点是截然相反的，其水势是增加的；
7 点是个异常点，同 3 点一致，枝条发生水势增量，
出现这种情况可能的原因是花盆封闭不严，水汽进
入花盆，枝条叶片吸收水分，出现水势增量，这一现
象从图 8 中也得到了体现，10 月 13 日早间全封闭
花盆枝条水势升高幅度很大。 总而言之，凝结水在
干旱季节对臭柏的作用巨大。
3 讨论
1）在研究期内臭柏冠层有凝结水发生，凝结水
发生可分为 3 个时段： 凝结水发生前期 （14∶00～
22∶00），气温逐渐下降至露点，相对湿度逐渐增加至
100％；凝结水发生时段（22∶00 至次日 8∶00），气温维
持在露点，相对湿度维持在 100％；凝结水蒸发时段
（8∶00～14∶00），气温逐渐升高，偏离露点，相对湿度
逐渐下降。 李玉灵 ［18］指出毛乌素沙地臭柏群落下
0.0～1．5 cm 表层土壤凝结水 9 月份和 10 月份的持
续时间分别是 13∶49 至次日 7∶57 和 14∶54 至次日
8∶31，这一结果与本次试验结果冠层“凝结水发生前
期”＋“凝结水发生时段”（14∶00 至次日 8∶00）基本一
致，这一时段的水汽从冠丛顶部向冠层和地面持续
发生运移，相对湿度开始逐渐增加，由于土壤具有
特殊的物理化学性质，具有主动吸附空气中水汽的
能力 ［19］，所以在凝结水发生前期土壤就开始增重，
这一部分水叫土壤吸附水。
2）臭柏冠层 100 cm处凝结持续时间最长、最为
稳定，能代表各冠层拦截凝结水的能力，所以试验
中只测定冠层中部 100 cm处冠层拦截凝结水情况。
同时，拦截量与凝结持续时间呈线性正相关，根据
拦截量与凝结持续时间的线性方程和不同梯度凝
结水持续时间，可以计算得到臭柏冠层凝结水垂直
分布情况， 凝结能力从大到小依次为 100、50、150
和 5 cm。
本研究采用离体枝条直接测定臭柏冠层的拦
截能力，此方法的优点是凝结介质是一致的，能够
真实反映冠层的拦截能力，缺点是当冠层凝结总量
大于枝条最大拦截能力时，多余的水量会滴落到地
面或形成径流，此时该方法所测得的凝结水量不能
图 8 10 月 10～14 日盆栽臭柏枝条水势变化
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
水
势
/M
Pa
10
月
10
日
晚
10
月
11
日
早
10
月
11
日
晚
10
月
12
日
早
10
月
12
日
晚
10
月
13
日
早
10
月
13
日
晚
10
月
14
日
早
全封闭花盆枝条水势
不封闭花盆枝条水势
时间
图 9 10 月 10～14 日枝条水势变化量与凝结水拦截量
关系散点图
全封闭枝条
不封闭枝条
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2
-0.3
枝
条
水
势
变
化
量
/M
Pa
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04
5 凝结水拦截量/mm
1
2
4
3
6 8
7
2710
第 11 期
（责任编辑 郑 威）
代表凝结总量，反之，拦截量则可以代表凝结总量。
大多学者使用间接的方法得到冠层凝结的发生数
量，这些间接的方法包括能量公式、卫星遥感、各类
凝结盘、吸水纸等，这些方法的优点是能够得到持
续发生的凝结水总量，缺点是由于理论上或凝结介
质的差异， 有时不能反映冠层的真实凝结能力。
Jacobs 等［7，8］用 Bowen 比率能量公式（BREB）和土壤
扩散方法（SD）估算农作物冠层凝结水的形成能力，
并且用 Leick 盘和吸水纸实际测定出不同冠层高度
凝结量与蒸散过程。 阎百兴等 ［20，21］选用滤纸、杨木
棒、向日葵秆、玻璃杯 4 种材质的凝结水收集器观
测毛果苔草 （Carex lasiocarpa） 沼泽群落和大豆
（Glycine max）冠层凝结水的形成。
3）本研究首次采用盆栽封袋法，测定出凝结
水对受到一定水分胁迫的臭柏苗木是有作用的，因
为在有凝结水作用的情况下，不封闭枝条的水势能
够维持在一定的水平状态下，而全封闭的枝条得不
到凝结水的补给，植物体内水分散失很快，水势呈
现明显下降趋势。 目前测定植物叶片是否吸收凝结
水主要的方法有离体喷雾法 ［9，14］、荧光粉示踪、D 和
18O 同位素示踪 ［13］、植物解剖 ［12］和热脉冲 ［11，13］等，结
果得到许多植物的叶片都是能够吸收利用凝结水
的，因此有必要在接下来的试验中采用这些方法进
一步验证凝结水对臭柏的作用。
4）本研究不足之处是由于臭柏叶面积小，无法
用热量传感器测定叶温，仅通过冠层内的相对湿度
来反映其凝结能力。
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李洪波等：内蒙古半干旱区臭柏冠层凝结水的形成和作用 2711