G1京哈高速公路綠色廊道植物需水量研究

劉維權(quán)

（河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島 066000）

G1京哈高速公路綠色廊道植物需水量研究

劉維權(quán)

（河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島 066000）

該文應(yīng)用FAO推薦的Penman-Monteith方法對(duì)G1京哈高速公路綠色廊道的參照作物蒸散量，6種常見綠化植物的植物系數(shù)和需水量進(jìn)行研究。結(jié)果表明：整個(gè)生長(zhǎng)期，參照作物蒸散量呈單峰型曲線，6月達(dá)到峰值，為187.2 mm，10月達(dá)到最低值；6種植物的植物系數(shù)在整個(gè)生長(zhǎng)期均呈現(xiàn)單峰型曲線，各個(gè)生長(zhǎng)月的植物系數(shù)和品種間存在極顯著差異（p＜0.05），其中紅葉李的植物系數(shù)最大，為0.98，五葉地錦的植物系數(shù)最小，為0.70。6種植物在整個(gè)生長(zhǎng)期總需水量表現(xiàn)為：紅葉李＞高桿金葉榆＞馬藺＞油松＞檜柏＞五葉地錦。

參照作物蒸散量；植物需水量；植物系數(shù)；綠化植物

引言

高速公路綠色廊道是指沿高速公路系統(tǒng)布置的綠色廊道，是重要的生態(tài)廊道和自然系統(tǒng)，能夠?qū)Ω咚俟芳把鼐€起到保護(hù)、提升的作用。高速公路的建設(shè)影響了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡，而高速公路廊道在協(xié)調(diào)道路建設(shè)與環(huán)境之間的矛盾、營造舒適的公路景觀環(huán)境和提高行車的安全性以及當(dāng)?shù)匚幕慕ㄔO(shè)方面起到舉足輕重的作用。

我國的高速公路綠化研究隨著高速公路通車?yán)锍痰母咚侔l(fā)展進(jìn)入井噴期。自20世紀(jì)90年代以后，我國交通部先后制訂了《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)規(guī)范（試行）》（JTJ 005-96）和《公路環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ/T 006-98）等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這些規(guī)范對(duì)高速公路建設(shè)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)、景觀與綠化設(shè)計(jì)等做了原則性的規(guī)定，規(guī)定應(yīng)充分調(diào)查沿線的工程地質(zhì)、地形地貌、水土狀況、氣候條件、植被種類等綜合采用生物防護(hù)和工程防護(hù)措施，做好水土保持工作，同時(shí)，選用適當(dāng)?shù)泥l(xiāng)土植物對(duì)路基邊坡、廊道進(jìn)行綠化，防止水土流失[1-2]。建設(shè)部也發(fā)布了《城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計(jì)規(guī)范》，提出在節(jié)約水資源基礎(chǔ)上、復(fù)合生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)[3]。

因此，在綠色廊道的設(shè)計(jì)中，選擇節(jié)水型植物就成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，研究植物節(jié)水的主要指標(biāo)是植物的耗水性，而體現(xiàn)植物耗水性能的重要指標(biāo)就是植物系數(shù)kp（又叫作物系數(shù)）[4]。目前，在農(nóng)業(yè)上，我國學(xué)者已經(jīng)通過采用FAO推薦的Penman-Monteith方法和試驗(yàn)測(cè)得了包括小麥、棉花、玉米等作物的參照作物需水量和逐月的作物系數(shù)[5]。隨著城市園林綠化的快速發(fā)展，也有不少學(xué)者通過借鑒農(nóng)業(yè)的研究方法得出了不同植被類型園林植物的植物系數(shù)[6-7]。利用參照作物需水量和植物系數(shù)可以估算出植物實(shí)際需水量。

因此，本研究針對(duì)G1京哈高速公路綠色廊道的實(shí)際情況，選擇10個(gè)標(biāo)段中6種有代表性的植物油松Pinus tabulaeformis、檜柏Sabina chinensis、高桿金葉榆Ulmus pumilacv.Jinye、紅葉李Prunus cerasifera、馬藺Iris lacteavar.chinensis、五葉地錦Parthenocissus quinquefolia為研究對(duì)象，利用Penman-Monteith公式計(jì)算潛在蒸散量，運(yùn)用水量平衡方程計(jì)算實(shí)際需水量，并通過研究土壤含水量對(duì)植物生長(zhǎng)影響，計(jì)算出6種植物的植物系數(shù)kp，并對(duì)其與水分的相關(guān)性進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。研究結(jié)果對(duì)G1京哈高速公路沿線景觀設(shè)計(jì)中植物的選擇具有重要的參考價(jià)值，同時(shí)對(duì)灌溉用水量的精準(zhǔn)測(cè)算具有指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于G1京哈高速公路京秦段，地處東亞大陸東岸，北緯39°21′～39°59′，東經(jīng)116°20′～118°50′。位于北京市東部，天津市北部及東南部，河北省東北部。西接北京市香河縣、天津市寶坻區(qū)，北接河北省玉田縣，橫跨46縣。受蒙古高壓的影響，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。一年之中四季分明，春秋短，冬夏長(zhǎng)，年平均氣溫10～12℃，年平均降水量630～650 mm。

G1京哈高速公路京秦段綠色廊道工程竣工于2015年，屬于人工植被群落。本研究主要對(duì)景觀節(jié)點(diǎn)（包括互通區(qū)、立交區(qū)、中央分隔帶、景區(qū)景點(diǎn)、服務(wù)區(qū)收費(fèi)站景觀帶）的油松、檜柏、高桿金葉榆、紅葉李、馬藺、五葉地錦6種植物進(jìn)行研究。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)間為2016年4-10月。運(yùn)用常規(guī)林業(yè)調(diào)查法，每月中旬在沿線隨機(jī)選取有油松、檜柏、高桿金葉榆、紅葉李、馬藺、五葉地錦6種植物的樣方1 m×2 m，同種植物樣方試驗(yàn)重復(fù)3次。所有樣方采用人工土鉆取土烘干稱重法測(cè)定土壤含水量，田間持水量測(cè)量采用環(huán)刀法進(jìn)行室內(nèi)測(cè)定，從4-10月每月中旬測(cè)定1次，3次重復(fù)取平均值。

各樣地取土深度為0～0.5 m，其中0～0.1 m土層每隔10 cm采集土樣，0.1～0.5 m土層每隔20 cm采集土樣，考慮深度和含水量的變化計(jì)算剖面平均含水量，并計(jì)算土壤剖面儲(chǔ)水量。

選取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)無病蟲害、長(zhǎng)勢(shì)良好的植物作為被調(diào)查對(duì)象，采用平均法計(jì)算各種植物的規(guī)格，如表1。

表1 調(diào)查植物平均規(guī)格

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文計(jì)算參照作物蒸散量所采用的氣象數(shù)據(jù)為國家氣象局中國氣象局網(wǎng)和G1京哈高速公路京秦段綠色廊道工程沿線盧龍縣、遷安市、灤縣、豐潤區(qū)、撫寧區(qū)、秦皇島6地的地面氣象站1981-2010年逐月氣象數(shù)據(jù)包括月平均日照時(shí)數(shù)、月平均氣溫、月最大降水量、月平均日照時(shí)數(shù)、月平均風(fēng)速、月平均相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)，見表2。

1.4 參照作物蒸散量的計(jì)算

FAO推薦的Penman-Monteith方法是目前農(nóng)業(yè)上采用最多的計(jì)算可能蒸散量的方法，也是目前最新的理論方法，在農(nóng)業(yè)上稱為參考作物蒸散量。這里定義可能蒸散量為一種假想?yún)⒄兆魑锕趯拥恼羯⑺俾?，假設(shè)作物植株高度為0.12 m，固定的作物表面阻力為70 m·s-1，反射率為0.23，非常類似于表面開闊、高度一致、生長(zhǎng)旺盛、完全覆蓋地面而水分充分適宜的綠色草地的蒸散量。FAO Penman-Monteith修正公式表達(dá)如公式（1）：

式中：PE為可能蒸散量（mm·d-1）；Rn為地表凈輻射（MJ·m-2·d-1），是指收入的凈短波輻射和支出的凈長(zhǎng)波輻射之差；G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1），運(yùn)用復(fù)雜模式可以計(jì)算出，相對(duì)于凈輻射Rn來說，土壤熱通量G是很小的量，特別是當(dāng)?shù)乇碇脖桓采w，計(jì)算時(shí)間尺度是24 h或更長(zhǎng)。Tmean為平均氣溫（℃）；u2為2 m高處風(fēng)速（m·s-1）；es為飽和水氣壓（kPa）；ea為實(shí)際水氣壓（kPa）；△為飽和水氣壓曲線斜率（kPa·℃-1）；γ為干濕表常數(shù)（kPa·℃-1）。計(jì)算理論來自聯(lián)合國糧農(nóng)組織FAO及我國氣象局推薦的Penman-Monteith的相關(guān)計(jì)算方式[8]。

表2 G1京哈高速京秦段綠色廊道工程沿線累年氣象數(shù)據(jù)（1981-2010年）

1.5 植物需水量的計(jì)算

植物需水量是指植物生長(zhǎng)期內(nèi)總吸水量與凈余總干物質(zhì)重量（扣除呼吸作用的消耗等）的比率，由于植物所吸收的水分絕大部分用于蒸騰，所以需水量一般等同于作物蒸散量ETc（mm·d-1）。

農(nóng)業(yè)上，作物實(shí)際需水量ETc（mm·d-1），是參照作物蒸散量PE與“作物系數(shù)”kc的積，如公式（2）

根據(jù)各地的試驗(yàn)，作物需水系數(shù)kc不僅隨作物而變化，更主要的是隨作物的生長(zhǎng)階段而異。生長(zhǎng)初期和末期的kc較小，中期的kc較大。有植物和水利研究人員認(rèn)為，林業(yè)和景觀綠化的植物需水量可以用植物系數(shù)kp來計(jì)算[4]，因此景觀綠化植物的需水量公式為：

也就是說體現(xiàn)植物耗水特征的重要指標(biāo)就是植物系數(shù)kp，我國學(xué)者已取得了不同自然類型區(qū)內(nèi)小麥、玉米、棉花等主要作物逐月的和全生長(zhǎng)季的作物系數(shù)，并用于估算作物需水量[5]。20世紀(jì)90年代以來，許多學(xué)者開始將作物需水量的計(jì)算方法應(yīng)用到林業(yè)、自然植被群落、園林綠化上，采用參考植物的潛在蒸散量和植物系數(shù)來計(jì)算植被生態(tài)需水量[9-11]。這些研究者所用的植物系數(shù)大多是在假定土壤水分適宜植物生長(zhǎng)的情況下獲得，未考慮土壤水分虧缺對(duì)植物的限制作用，而在高速公路廊道的特殊地域環(huán)境下和干旱脅迫下，植物受水分供給影響的生長(zhǎng)限制不能忽略。因此，要計(jì)算出植物需水量就必須計(jì)算出植物系數(shù)kp。

根據(jù)作物系數(shù)的定義，考慮土壤供水狀況的影響，植物系數(shù)[12-14]

式中：kp為植物系數(shù)；ETa為某a時(shí)段實(shí)際蒸散量；f（θ）為土壤水分限制因子，稱為土壤水分修正函數(shù)；θ為土壤質(zhì)量含水量(%)；PEa為某a時(shí)段參照蒸散量。

ETa通過以下公式計(jì)算，根據(jù)HOLMES的理論，干旱或半干旱區(qū)計(jì)算植物蒸散量，可以忽略深層滲透量[15]，按照水量平衡方程式，在沒有灌溉補(bǔ)充水分前提下，可以簡(jiǎn)化為公式（5）：

式中：ETa為某a時(shí)段實(shí)際蒸散量(mm)；P為a時(shí)段降水量(mm)；R為生長(zhǎng)期地表徑流量(mm)，地表徑流量用徑流系數(shù)方法計(jì)算（表3）；△Sa為a時(shí)段土壤儲(chǔ)水量(mm)。

表3 徑流系數(shù)

徑流系數(shù)的地區(qū)差異：α值變化于0～1，濕潤地區(qū)α值大，干旱地區(qū)α值小。我國臺(tái)灣地區(qū)河流年平均徑流系數(shù)>0.7，表明徑流十分豐富；徑流貧乏的海灤河平原，年平均徑流系數(shù)僅有0.1。根據(jù)計(jì)算時(shí)段的不同，可分為多年平均徑流系數(shù)、年平均徑流系數(shù)和洪水徑流系數(shù)等。徑流系數(shù)綜合反映流域內(nèi)自然地理要素對(duì)降水-徑流關(guān)系的影響。

f（θ）水分限制因子的計(jì)算，采用非線性水分修正函數(shù)，見公式（6）[16]：

式中：θf為田間持水量(%)；c為擬合參數(shù)。由公式(6)可知，當(dāng)根系層土壤平均含水量大于或者等于田間持水量時(shí)f（θ）=1，植物生長(zhǎng)不受水分限制。

2 結(jié)果與分析

2.1 G1京哈高速公路綠色廊道生長(zhǎng)期參照作物蒸散量的月變化

根據(jù)公式（1），計(jì)算參考作物需水量，利用G1京哈高速京秦段綠色廊道6地氣象站的多年平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按照國家GB/T 20481-2006標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算Tmean，u2，Δ，es，ea，Rn，G，γ，其中日平均氣溫Tmean取每日最高氣溫和最低氣溫平均值。es飽和水氣壓以當(dāng)時(shí)段日最高氣溫、日最低氣溫計(jì)算出來的飽和水氣壓的平均值，結(jié)果見表4。由表4可以看出，整個(gè)生長(zhǎng)期，參照作物需水量呈單峰型曲線，6月達(dá)到峰值，為187.2 mm，7-9月的參考作物需水量降低，10月達(dá)到最低值，為59.1 mm。整個(gè)生長(zhǎng)期總體參照作物需水量平均為786.6 mm。

表4 G1京哈高速京秦段綠色廊道工程植物生長(zhǎng)期參照作物蒸散量的月變化mm

2.2 6種植物生長(zhǎng)期植物系數(shù)kp

6種植物在生長(zhǎng)期各月的植物系數(shù)見圖1。

圖1 6種植物生長(zhǎng)期植物系數(shù)

由圖1可知，6種植物的植物系數(shù)在4、5月較低，隨著時(shí)間的推移開始逐漸走高，到7、8月達(dá)到峰值，后又迅速降低直至生長(zhǎng)期結(jié)束。生長(zhǎng)初期，植物對(duì)水分的需求較小，隨著生長(zhǎng)中期的到來，對(duì)水分的需求會(huì)有一個(gè)高峰，至生長(zhǎng)末期對(duì)水分的需求也降低到原始水平。同時(shí)，方差分析結(jié)果表明（表5），6種植物在整個(gè)生長(zhǎng)期的植物系數(shù)不僅種間具有極顯著差異，各個(gè)生長(zhǎng)月也有極顯著差異（p＜0.01）。6種植物整個(gè)生長(zhǎng)期的植物系數(shù)平均值表現(xiàn)為：紅葉李＞高桿金葉榆＞馬藺＞油松＞檜柏＞五葉地錦。由此可知，一年移栽的植物中，闊葉灌木具有比針葉喬木和草本更大的植物系數(shù)，對(duì)水分的需求更大。

表5 6種植物不同月份植物系數(shù)kp的方差分析

2.3 6種植物生長(zhǎng)期需水量

依據(jù)公式（3）計(jì)算G1京哈高速公路綠色廊道6種植物需水量結(jié)果見圖2。數(shù)據(jù)顯示，整個(gè)生長(zhǎng)期，紅葉李需水量最高為828.83 mm，其次為高桿金葉榆770.51 mm，五葉地錦的需水量最低583.09 mm，油松、檜柏和馬藺分別為655.91 mm、640.28 mm和691.66 mm。整體上來說，闊葉灌木比針葉喬木和草本對(duì)水分需求更大，可能與灌木自身生理特性和生態(tài)特性有關(guān)。

圖2 6種植物生長(zhǎng)期需水量

3 討 論

本文通過植物生長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究和相關(guān)地區(qū)氣象資料，計(jì)算了G1京哈高速公路綠色廊道植物參照作物蒸散量和6種植物的植物系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出植物的實(shí)際需水量。

3.1 整個(gè)生長(zhǎng)期，參照作物需水量呈單峰型曲線，6月達(dá)到峰值，為187.2 mm，7-9月的參考作物需水量降低，10月達(dá)到最低值，為59.1 mm。整個(gè)生長(zhǎng)期總體參照作物需水量平均為786.6 mm。

3.2 6種植物的植物系數(shù)在整個(gè)生長(zhǎng)期均呈現(xiàn)單峰型曲線，各個(gè)生長(zhǎng)月的植物系數(shù)和品種間均有顯著差異，6種植物整個(gè)生長(zhǎng)期的植物系數(shù)平均值表現(xiàn)為：紅葉李＞高桿金葉榆＞馬藺＞油松＞檜柏＞五葉地錦。闊葉灌木具有比針葉喬木和草本更大的植物系數(shù)，對(duì)水分的需求更大。

3.3 6種植物在整個(gè)生長(zhǎng)期總需水量呈現(xiàn)：紅葉李＞高桿金葉榆＞馬藺＞油松＞檜柏＞五葉地錦，即紅葉李的需水量較大，五葉地錦的需水量較小。

［1］JTJ005-96.公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)規(guī)范(試行［)S］.

［2］JTJ/T006-98.公路環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GJJ75-97.城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］吳元芝，黃明斌，趙世偉.黃土高原植被演替不同階段植物系數(shù)的變化與適應(yīng)性平價(jià)［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2008，（5）：849-857.

［5］劉玉春，姜紅安，李存東，等.河北省棉花灌溉需水量與灌溉需求指數(shù)分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，（19）：98-104.

［6］邱振存，管健，孫仕軍.節(jié)水型園林植物優(yōu)化灌溉制度的制定［J］.北方園藝，2011，（15）：139-143.

［7］張瓊瑛，李紹才.公路巖質(zhì)邊坡綠化灌溉需水量研究［J］.節(jié)水灌溉，2013，（2）:10-16.

［8］GB/T20481-2006.氣象干旱等級(jí)［S］.

［9］陳麗華，王禮先.北京市生態(tài)用水分類及森林植被生態(tài)用水定額的確定［J］.水土保持研究，2001，8(4)：161-164．

［10］何永濤，李文華，李貴才，等.黃土高原地區(qū)森林植被生態(tài)需水研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2004，25(3)：35-39．

［11］馬義虎，陳麗華，余新曉.晉南人工刺槐林需水量計(jì)算及分析［J］.水土保持研究，2005，12(6)：89-91．

［12］雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動(dòng)力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1998，185-214．

［13］錢允祺.農(nóng)業(yè)氣象學(xué)［M］.西安：興界圖書出版公司，1997，55．

［14］趙勇，王玉坤，多巖松.作物騰發(fā)量計(jì)算中的一些問題的探討［J］.南水北調(diào)與水利科技，2005，3(1)：57-59．

［15］HOLMES J W.Measuring evapotranspiration by hydrological methods［J］.Agric Water Management，1984，(8):29-40.

［16］歐陽竹，羅毅，蓋廣明，等.一個(gè)預(yù)測(cè)冬小麥根系層儲(chǔ)水量的概念性模型［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2002，21（6）：593-599.

（責(zé)任編輯：董莉莉）

Researches on water demand of plants in green corridor of G1 Beijing-Harbin highway

LIU Weiquan
（Jing-QinOfficeofHebeiHighway Administration Bureau,Qinhuangdao066000,China）

In this study,Penman-Monteith formula which was recommend by FAO was used to research the reference crop evapotranspiration of green corridor of G1 Beijing-Harbin Highway,and plant coefficients and water demand of 6 common green plants.The results indicated that:in the whole grow ing period,reference crop evapotranspiration presented unimodal type curve,peak value appeared in June,which was 187.2 mm,and lowest value appeared in October;plant coefficients of 6 common plants were all unimodal type curves,and in every grow ing month,plant coefficients of different plants were highly significant different(p＜0.05).A ll of these 6 plants,plant coefficient of Prunus cerasifera was highest,0.98 and that of Parthenocissus quinquefolia was lowest,0.70.The water demand rank of 6 plant species was as follow:Prunus cerasifera>Ulmus pumila cv.jinye>Iris lactea var.chinensis>Pinus tabulaeformis>Sabina chinensis>Parthenocissus quinquefolia.

reference crop evapotranspiration;water demand;plant coefficient;green plant

S718.43

A

1001-1714（2017）02-0010-05

2016-12-27

河北省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（Y-2014024）。

劉維權(quán)（1977-），男，工程師，從事園林綠化工作。E-mail：62643535@qq.com。