城市綠地節(jié)水機(jī)制與技術(shù)研究*

彭婷婷 關(guān)慶偉

南京林業(yè)大學(xué) 南京 210037

綠地系統(tǒng)可以優(yōu)化城市環(huán)境，改善城市小氣候，調(diào)節(jié)水分循環(huán)。我國(guó)城市人均擁有綠地面積11.18 m2［1］，每平方米綠地每日平均用水量為0.002 ～0.004 m3。2010 ―2012年第一次全國(guó)水利普查公報(bào)顯示，我國(guó)現(xiàn)有園林草地灌溉面積53.3 億m2，年生態(tài)環(huán)境用水達(dá)106.3 億m3［2］。

城市綠地植物生長(zhǎng)環(huán)境特殊，其灌溉既要滿足植物正常生長(zhǎng)、發(fā)揮正常生態(tài)效益的耗水需求，又要少用水，應(yīng)建設(shè)節(jié)水型綠地［3］。對(duì)此國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，主要集中在節(jié)水機(jī)制和技術(shù)兩方面。

1 節(jié)水機(jī)制

植物節(jié)水機(jī)制的研究主要包括植物抗旱以及節(jié)水的生理、遺傳基礎(chǔ)等方面。

植物耗水受多因素綜合作用，包括植物自身屬性、環(huán)境因素以及干擾等其他因素［4-6］。水分虧缺時(shí)，不同植物的抗旱節(jié)水機(jī)制不同。水分虧缺對(duì)植物生理過(guò)程影響的先后次序?yàn)樯L(zhǎng)、蒸騰、光合、運(yùn)輸［7］。水分在植物體內(nèi)的傳輸與氣孔調(diào)節(jié)、水容調(diào)節(jié)、滲透調(diào)節(jié)、水孔蛋白調(diào)節(jié)、貯水調(diào)節(jié)、氣穴和栓塞調(diào)節(jié)等方面密切相關(guān)。通過(guò)這些方面協(xié)同調(diào)節(jié)維持植物體內(nèi)水分平衡或建立新的水分平衡［8］。水分虧缺會(huì)引起葉片和根系的生長(zhǎng)、組織排列和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，葉片萎蔫、卷曲，表面蠟質(zhì)含量高［9］，細(xì)胞壁厚度和彈性增加，氣孔長(zhǎng)寬密度和分布變化［10］，細(xì)胞間隙變小等，根在水平或垂直方向的伸展、根長(zhǎng)、密度、具有強(qiáng)吸收功能的細(xì)根的數(shù)量、根/冠比、根面積/葉面積比、根內(nèi)水流動(dòng)的垂直和橫向阻力發(fā)生變化等等［11］。

植物抗旱耐旱的根本原因在于遺傳基礎(chǔ)的差異。大量可遺傳的變異是進(jìn)行植物抗性育種的基礎(chǔ)［12］。1998年和2001年，美國(guó)先后啟動(dòng)“植物抗逆基因組學(xué)”及“植物水分利用效率基因組”項(xiàng)目，分析與抗旱節(jié)水相關(guān)的重要基因，目前發(fā)現(xiàn)相關(guān)基因有3 類(lèi)［13］:1)功能蛋白基因，在植物抗旱過(guò)程中起直接保護(hù)作用，包括滲透調(diào)節(jié)基因、抗氧化保護(hù)劑、分子伴侶;2)參與干旱脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號(hào)因子;3)負(fù)責(zé)調(diào)控基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子。

2 節(jié)水技術(shù)

綜合上述節(jié)水機(jī)制，節(jié)水主要通過(guò)減少灌溉用水量和提高水分利用率來(lái)解決，主要通過(guò)以下3 個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn):1)充分利用水資源，減少水的蒸發(fā)、滲漏、流失;2)增強(qiáng)土壤儲(chǔ)水;3)提高植物水分利用效率。

2.1 雨水利用與中水回用

減少淡水資源消耗的方式可概括為對(duì)雨水和中水的集蓄利用和滲透利用［14］，具體措施包括:1)增加植被。提高綠地面積，建立喬灌草結(jié)合的合理植被類(lèi)型，可增加對(duì)雨水的直接利用。2)利用地形變化蓄積雨水。利用山坡綠地、下凹式綠地及其他林地中的微地形蓄積雨水，可延長(zhǎng)雨水在綠地內(nèi)滯留時(shí)間。3)建滲水井、滲水邊溝、坡地蓄水溝等。匯集綠地內(nèi)暫時(shí)不能消耗的雨水，逐漸向綠地下層土壤擴(kuò)散。4)透水性鋪裝。利用滲水性地磚、嵌草路面、疏松粒料、多孔瀝青與多孔混凝土等透水材料，處理基層結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪設(shè)。5)屋面雨水收集系統(tǒng)，包括屋頂集水區(qū)、雨水輸送系統(tǒng)和雨水貯存系統(tǒng)［15］。6)中水回用。將民用建筑物或居住小區(qū)內(nèi)使用后的部分排水如生活廢水經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理并檢驗(yàn)合格后用于建筑物或居住小區(qū)內(nèi)澆灌綠地［16-17］。

在這一方面，一要注重量的收集;二需注重質(zhì)的處理，對(duì)貯藏水進(jìn)行消毒、砂濾、殺菌等，避免細(xì)菌、病毒滋生。其中，中水的水質(zhì)處理尤為重要。目前中水處理技術(shù)包括重力砂過(guò)濾、旋轉(zhuǎn)式生物萃取、膜生物反應(yīng)器以及基于過(guò)濾和紫外消毒的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［18］。

2.2 合理灌溉

1)非充分灌溉。把有限的水量用在植物需水的關(guān)鍵期，制定動(dòng)態(tài)的優(yōu)化灌溉制度。2)局部灌溉。以植物根系局部濕潤(rùn)為技術(shù)特征，技術(shù)模式是采用滴灌［19］、滲灌［20］、微灌［21］和無(wú)壓灌等技術(shù)進(jìn)行灌溉。適時(shí)地將水肥送入到植物根區(qū)，提高灌溉水的利用效率。3)調(diào)控虧水灌溉。在植物生長(zhǎng)發(fā)育的某些時(shí)期施加水分脅迫，使光合產(chǎn)物向不同組織器官傾斜分配。4)根系分區(qū)交替灌溉。僅在根系一側(cè)灌水，控制根系活動(dòng)層的土壤在垂直或水平面的某個(gè)區(qū)域干燥。干燥區(qū)交替出現(xiàn)，使不同部位根系交替經(jīng)受干旱鍛煉，提高水分利用效率［8］。

此外，還可以采用高標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)代園林灌溉設(shè)施，根據(jù)植物種類(lèi)、土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，科學(xué)合理地選用灌溉方法和強(qiáng)度［22］。對(duì)單一草地、疏林草地或模紋植物栽植綠地使用噴灌，喬木比較密集的綠地采取滴灌方式。

2.3 優(yōu)化植物配置

1)堅(jiān)持運(yùn)用鄉(xiāng)土植物，適時(shí)適地選擇節(jié)水植物與耐旱植物［23-24］。鄉(xiāng)土樹(shù)種養(yǎng)護(hù)成本低，對(duì)灌溉水的需求少;節(jié)水植物的水資源利用率較高，實(shí)際需水量相對(duì)較低;耐旱植物對(duì)干旱的忍受能力強(qiáng)。2)進(jìn)行合理配置:一是營(yíng)建復(fù)合群落結(jié)構(gòu)，可在29 m2面積上參考1 ∶ 6 ∶ 20 的指標(biāo)配置喬、灌、草［25］。二是根據(jù)需水量進(jìn)行配置。根據(jù)喬＜灌＜模紋植物＜草坪的灌溉需求順序選擇植物，相同需水量植物配置在一起。3)控制密度。在城市塊狀綠地及城市山體中，控制在理論造林密度［26］范圍可有效減少水分需求，并降低水分脅迫對(duì)植物影響。

2.4 土壤養(yǎng)護(hù)

通過(guò)技術(shù)措施提高土壤飽和含水量，減少深層滲漏，提高灌溉水或降水利用率，主要措施包括:1)施肥。采取埋肥、增施有機(jī)肥等技術(shù)，培肥土壤，提高土壤吸水、持水能力。利用城市生態(tài)系統(tǒng)的特殊性運(yùn)用城市中生物污泥堆肥［27］。2)使用保水劑。借用農(nóng)業(yè)中的保水劑使用技術(shù)，運(yùn)用拌土、拌種、蘸根等方法，結(jié)合當(dāng)?shù)亟邓⑼寥捞匦?、植物特性等因素施用保水劑?8］。第1 次澆足水，以后要根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)水，避免土壤含鹽量高時(shí)施用。3)地面覆蓋。目前國(guó)外盛行MULCH 覆蓋，覆蓋物主要是樹(shù)皮、木片、松針、干草、堆肥等有機(jī)物，也可以是砂礫、小鵝卵石、聚苯乙烯膜等無(wú)機(jī)物。其中地膜覆蓋的土壤增濕效果最為明顯［29］。應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境選擇覆蓋物種類(lèi)、厚度［30］和覆蓋顆粒大小［31］。

2.5 管理技術(shù)

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)、國(guó)際灌排委員會(huì)(ICID)、國(guó)際水管理研究院(IWMI)等組織的專(zhuān)家經(jīng)過(guò)多年研究認(rèn)為，通過(guò)提高管理水平有著很大的節(jié)水增產(chǎn)潛力。在這方面的措施包括:大力宣傳、推廣節(jié)水灌溉的重要意義，豎立節(jié)水意識(shí)，號(hào)召公民廣泛參與;建立以水權(quán)、水市場(chǎng)理論為基礎(chǔ)的管理體制，形成以經(jīng)濟(jì)手段為主的節(jié)水機(jī)制;制定相關(guān)政策，規(guī)范管理，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展;構(gòu)建合理的節(jié)水標(biāo)準(zhǔn)體系框架，掌握植物的生理規(guī)律，適時(shí)適度地進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)水的目的。

3 展望

水資源不足和水污染已成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和城市發(fā)展的關(guān)鍵制約因素。當(dāng)前節(jié)水已成為城市綠地建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題，是城市可持續(xù)發(fā)展的必然要求。鑒于以上節(jié)水型綠地建設(shè)的研究成果，今后節(jié)水綠地建設(shè)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn):1)大氣中的二氧化碳80%左右來(lái)源于城市。在進(jìn)行節(jié)水型綠地建設(shè)時(shí)，應(yīng)在關(guān)注節(jié)水機(jī)理研究的同時(shí)加強(qiáng)碳水平衡方面的研究，以增加城市綠地的固碳潛力，減少城市碳排放。2)我國(guó)地域遼闊，降水分布不平衡，對(duì)于不同地區(qū)的節(jié)水型綠地建設(shè)應(yīng)各有側(cè)重。對(duì)南方及東部降水充足的地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)研究植物蒸騰機(jī)理及水循環(huán)，對(duì)北方內(nèi)陸地區(qū)則應(yīng)研究不同樹(shù)種間蒸騰耗水量的差異。3)伴隨多學(xué)科的發(fā)展和學(xué)科間的滲透，GIS 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。提倡應(yīng)用GIS 技術(shù)，建立降雨數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)降雨的時(shí)間、空間分布特性合理進(jìn)行節(jié)水建設(shè)。4)城市綠地節(jié)水研究相對(duì)于農(nóng)業(yè)節(jié)水研究比較落后。城市綠地節(jié)水建設(shè)可借鑒農(nóng)藝技術(shù)，進(jìn)一步研究塊狀綠地密度調(diào)控技術(shù)、栽植方向等，以提高葉面積指數(shù)、降低無(wú)效蒸發(fā)。

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