环境因子对敦煌莫高窟洞窟水分蒸发的影响

环境因子对洞窟水分蒸发有重要影响.在敦煌莫高窟72窟蒸发水分的收集过程中,通过对窟内温度和湿度的控制,分析窟内温湿度对水分蒸发的影响及作用机理,并根据围岩水分蒸发机理,探讨影响水分蒸发的外部环境因子.结果表明,洞窟2.0℃的温度变化即可对水分蒸发产生显著影响,短期内蒸发量可增大1倍以上.温度高、蒸发量大,可导致窟内相对湿度增加,因此目前全球性的气温升高对洞窟文物将产生不利影响.敦煌地区降雨量的增加增大了空气潮湿过程激活壁画盐分的可能.莫高窟所处的地理位置、地热、地形结构、围岩孔隙度和洞窟结构本身对围岩水分蒸发有重要影响.本文从环境因素揭示了莫高窟壁画能够保存至今的关键原因,为今后洞窟文物的更好保护提供了新思路.     

极干旱地区土壤与大气水分的相互影响

基于建立在莫高窟窟顶的密闭拱棚,通过监测棚内凝结水量和空气温湿度,对极干旱地区典型极干旱气候条件下土壤与大气水分的相互影响进行综合分析。棚内凝结水量和空气温湿度的监测结果表明,在热动力作用下存在地下水分向大气输送的过程,其原因主要是在温度作用下土壤结合水分的分解蒸发与土壤盐分的吸湿吸附的交替作用。这也是形成所谓“土壤凝结水分”与“土壤水分呼吸”的根源。当温度升高时,土壤结合水分分解蒸发“呼出”水分,当温度降低时土壤盐分吸湿吸附,“吸入”大气水分,形成土壤与大气不对称水分交流。称质量实验表明：土壤水分的变化与空气温度的变化完全对应;有深层水分支持的土壤吸收大气水分的能力相对较差。极干旱地区土壤与大气水分的相互影响研究结果能为莫高窟珍贵文物的保护提供参考。     

极干旱地区土壤与大气水分的相互影响

基于建立在莫高窟窟顶的密闭拱棚,通过监测棚内凝结水量和空气温湿度,对极干旱地区典型极干旱气候条件下土壤与大气水分的相互影响进行综合分析。棚内凝结水量和空气温湿度的监测结果表明,在热动力作用下存在地下水分向大气输送的过程,其原因主要是在温度作用下土壤结合水分的分解蒸发与土壤盐分的吸湿吸附的交替作用。这也是形成所谓"土壤凝结水分"与"土壤水分呼吸"的根源。当温度升高时,土壤结合水分分解蒸发"呼出"水分,当温度降低时土壤盐分吸湿吸附,"吸入"大气水分,形成土壤与大气不对称水分交流。称质量实验表明:土壤水分的变化与空气温度的变化完全对应;有深层水分支持的土壤吸收大气水分的能力相对较差。极干旱地区土壤与大气水分的相互影响研究结果能为莫高窟珍贵文物的保护提供参考。     

用拱棚法对极干旱区GSPAC水分运转的分析

在典型极干旱气候条件下,在敦煌莫高窟窟顶戈壁上搭建封闭塑料拱棚,经235 d的膜面凝结水分的持续抽取和土壤水分监测表明:在潜水埋深200 m以下的极干旱区,有2.1 g.m-2.d-1的水分向上运转与输出;在长期的水分输出后,土壤湿度不但没有下降,反而上升,明显高于初始湿度和对照;棚内外土壤空气相对湿度、绝对湿度和温度的监测发现,存在水分向上连续运转的条件和机制,可排除水分来自外部土壤和大气侧入的可能。由此判定,在埋深较深的极干旱地区存在潜水蒸发,潜水是土壤水分的重要来源,并通过土壤的"呼吸"与大气保持着交流。土壤盐分对土壤水分的运转和时空异质分布有重要影响。极干旱气候、地热和上层土壤的温度变化是引起GSPAC水分运转和潜水蒸发的根本原因。     

用隔绝法对极干旱区土壤水分来源的分析

 通常认为极干旱区土壤水分来源于降水、大气或凝结水,深埋区不存在潜水蒸发。然而通过使用拱棚法初步证明在极干旱深埋区存在潜水蒸发,而潜水是土壤水分的重要来源。为了进一步求证土壤水分来源,开挖200 cm×200 cm×200 cm的土坑,完全隔绝与下层土壤及四周的水分联系,回填后监测土壤10、30、50、100、150 cm的空气温湿度;同时设置与四周隔绝但底面联通的对照坑。27 d后都模拟25 mm降雨。监测发现模拟降雨前联通土壤的水分含量、空气相对湿度、绝对湿度都明显高于隔绝土壤。1 a后远离降雨时土壤水分的检测发现隔绝土壤水分含量低于联通对照,但因隔绝土壤处于潜水蒸发漫溢的相同气象环境,其湿度不会无限下降。隔绝对比实验反演证明深埋极干旱区存在潜水蒸发。     

影响莫高窟小气候的环境因子对比分析

应用不同时空尺度对莫高窟的小气候进行对比分析,发现莫高窟的地形地貌、水系统、植被等环境因子对其小气候有重要影响。莫高窟的小地形结构和水系统对其风速、湿度、太阳辐射等有显著影响。2005年4—12月窟前与窟顶月平均相比,太阳辐射总量降低411．21MJ／m^2,地表温度降低2．7℃,相对湿度增大9％,风速降低3．7m／s。窟前月较差小于戈壁0．9℃。但对于气温而言,主要受较大尺度因素的控制,窟前、窟顶、戈壁均处于同一温度层。2004年莫高窟日较差比敦煌小4．8℃。莫高窟的环境因子使莫高窟周边形成了更为稳定的小气候,非常有利于文物保护,这也是千年莫高窟保存至今的一个重要原因。     

用拱棚法对极干旱区沙地水分来源的定性分析

在潜水埋深超过200 m的敦煌莫高窟极干旱沙漠区,用拱棚法和微型空气湿度监测仪对流沙水分的时空分布格局进行监测,并对水分的来源进行分析。拱棚膜面凝结水分的持续抽取表明,在典型干旱气候条件下,有源源不断的沙地水分蒸发,其中1.25 g·m-2·d-1的水分在膜面凝结。沙地水分的时空动态分布格局表明,存在水分向上运移的温湿度条件。由此判定,除降水之外地下潜水蒸发是沙地水分最基础的来源。实验表明,干沙层虽然对沙地水分蒸发具有极强的抑制作用,但在升温过程中仍存在水分蒸发;在降温过程不但可从下层流沙吸收大量的水分,而且可吸收大气水分。沙地的蒸发量大于来自大气的吸湿量,总有少量的水分流失。沙地水分潜水来源的确定,不但对沙漠化的治理提供了新思路,而且对莫高窟文物的保护具有十分重要的意义。