G1高速公路綠色廊道植物系數(shù)對(duì)比研究

梁 琪

(河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島 066000)

G1高速公路綠色廊道植物系數(shù)對(duì)比研究

梁 琪

(河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島 066000)

以G1京哈高速京秦段k250+800-k259中北戴河互通區(qū)和路側(cè)邊坡的油松、紅葉李、高桿金葉榆、連翹、迎春5種植物為研究對(duì)象，利用當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，運(yùn)用Penman-Monteith公式計(jì)算參照作物蒸散量；分別測(cè)定土壤剖面含水量、田間持水量和徑流量，運(yùn)用公式計(jì)算植物系數(shù)，探討植物的需水量。結(jié)果表明：①整個(gè)生長(zhǎng)期，參照作物蒸散量由低到高，再到低，呈單峰型變化，6月達(dá)到峰值，為187.9 mm，而10月達(dá)到最低值，僅為55.6 mm。② 5種植物平均植物系數(shù)大小排序?yàn)榧t葉李>連翹>高桿金葉榆>迎春>油松，植物需水能力反之。紅葉李、連翹、迎春和油松在路側(cè)邊坡的植物系數(shù)均低于互通區(qū)，說明這4種植物對(duì)外界土壤含水量有較高的敏感度；高桿金葉榆在2個(gè)區(qū)域的植物系數(shù)無差別，說明敏感度低，對(duì)外界土壤含水量的變化適應(yīng)能力也更強(qiáng)。

高速公路；綠色廊道；參照作物蒸散量；植物系數(shù)

隨著高速公路建設(shè)的快速發(fā)展和大規(guī)模建設(shè)，對(duì)其路域范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的干擾和破壞。大量的填挖工程，施工期長(zhǎng)，施工場(chǎng)地范圍大，對(duì)原始地貌、植被造成了破壞，導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境惡化，生態(tài)系統(tǒng)失衡。高速公路綠色廊道工程是高速公路建設(shè)工程的一部分，因此，也具有綠化工程周期長(zhǎng)、覆蓋區(qū)域廣、形式種類多、路域生態(tài)環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為由于挖填土木工程導(dǎo)致的綠化土壤環(huán)境的破壞引發(fā)的水紋、微生物生態(tài)、土壤中氧氣微循環(huán)、土壤基質(zhì)變化給綠化及景觀設(shè)計(jì)帶來了一定的難度。同時(shí)使得高速公路綠色廊道普遍存在植物賴以生存的土壤貧瘠、保水性差、植被生長(zhǎng)差等現(xiàn)象，尤其是在北方地區(qū)炎熱的夏天如果不進(jìn)行灌溉養(yǎng)護(hù)，便會(huì)嚴(yán)重影響廊道景觀品質(zhì)。因此，開展高速公路綠色廊道植物耗水規(guī)律的研究，科學(xué)實(shí)現(xiàn)綠色廊道的養(yǎng)護(hù)管理具有重要意義。

我國(guó)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)入了井噴期。自20世紀(jì)90年代以后，我國(guó)交通部先后制訂了JTJ 005—96公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境評(píng)價(jià)規(guī)范(試行)[1]和JTJ/T 006—98公路環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)部也發(fā)布了GJJ 75—97城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計(jì)規(guī)范[3]，提出在節(jié)約水資源、復(fù)合生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)。

植物系數(shù)是體現(xiàn)植物耗水特征的重要指標(biāo)，需水量較低的植物具有較低的植物系數(shù)[4]。自20世紀(jì)90年代開始，許多學(xué)者開始意識(shí)到用植物系數(shù)研究農(nóng)作物需水量，可以對(duì)灌溉需水量作出科學(xué)預(yù)估。目前，在農(nóng)業(yè)上，我國(guó)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的園林植物的植物系數(shù)[6-7]。

本研究針對(duì)G1京哈高速公路綠色廊道的生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性，分別選擇相同路段G1京哈高速京秦段k250+800-k259中北戴河互通區(qū)和路側(cè)邊坡的油松(PinustabuliformisCarrière)、紅葉李(Prunussimonii)、高桿金葉榆(Ulmuspumilacv.jinye.)、連翹(PrunuscerasiferaEhrh.)、迎春(Jassminumnudiflorum)5種植物作為研究對(duì)象，采集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，利用Penman-Monteith公式計(jì)算潛在蒸散量，運(yùn)用土鉆法和環(huán)刀法分別測(cè)算植物所在區(qū)域土壤剖面含水量和田間持水量，運(yùn)用公式計(jì)算植物系數(shù)，利用SPSS軟件進(jìn)行方差分析。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G1京哈高速京秦段k250+800-k259，地處東亞大陸東岸，北緯39°21′—39°59′、東經(jīng)116°20′—118°50′。位于河北省秦皇島市北戴河區(qū)。地處北半球中緯度暖溫帶，季風(fēng)型大陸性氣候，受中國(guó)東部沿海季風(fēng)環(huán)流的影響，海洋性特征明顯，多風(fēng)、濕度大、雨量適中，四季分明，春秋短，冬夏長(zhǎng)，年平均氣溫10～12 ℃，年均日照時(shí)間2700～2850 h；年均氣溫8.8～11.3 ℃；盛夏日平均氣溫22～25 ℃，年平均濕度65%左右，年均降水量630～650 mm。

G1京哈高速公路京秦段綠色廊道工程京秦段k250+800-k259竣工于2015年，屬于人工植被群落。本研究選取北戴河互通區(qū)和京秦段k250+800-k259路側(cè)邊坡的油松、紅葉李、高桿金葉榆、連翹和迎春5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，選取試驗(yàn)區(qū)內(nèi)無病蟲害、長(zhǎng)勢(shì)良好的油松、紅葉李、高桿金葉榆、連翹、迎春5種中等規(guī)格的植物作為被調(diào)查對(duì)象，每種植物選取3株作為重復(fù)。采用平均法計(jì)算各種植物的規(guī)格，結(jié)果見表1。

表1 供試植物概況

每月中旬采用人工土鉆取土，烘干稱重法測(cè)定土壤含水量；采用環(huán)刀法取樣，室內(nèi)測(cè)定田間持水量。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。4—10月每月中旬測(cè)定1次，3次重復(fù)取平均值。根據(jù)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。

路側(cè)邊坡的徑流量采用常規(guī)邊坡徑流試驗(yàn)，在路側(cè)邊坡分別選取2 m×2 m的帶有目標(biāo)植物種的樣方，每種植物樣方重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。在樣方下方設(shè)置集水槽，統(tǒng)計(jì)各月收集的降水量。

1.3氣象數(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(guó)家氣象局中國(guó)氣象局網(wǎng)和秦皇島地面氣象站1981—2010年逐月氣象數(shù)據(jù)，包括月平均日照時(shí)間、月平均氣溫、月最大降水量、月平均風(fēng)速、月平均相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)。

表2 G1京哈高速京秦段綠色廊道工程京秦段k250+800-k259累年氣象數(shù)據(jù)(1981—2010年)

*：資料來源于國(guó)家氣象局中國(guó)氣象局網(wǎng)及當(dāng)?shù)貧庀笳尽?/p>

1.4參照作物蒸散量的計(jì)算

采用國(guó)家氣象局發(fā)布的GB/T 20481—2006中推薦的FAO的Penman-Monteith方法[8]。該計(jì)算方法是目前農(nóng)業(yè)上采用最多的計(jì)算參照作物蒸散量的方法，也是目前最新的理論方法。這里定義參照作物蒸散量為一種假想?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。

(1)

式中：PE為可能蒸散量(mm·d-1)；Rn為地表凈輻射(MJ·m-1·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)算得出，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)乇肀恢脖桓采w，計(jì)算時(shí)間尺度是24 h或更長(zhǎng)時(shí)；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)。

1.5植物系數(shù)的計(jì)算

植物耗水特征的重要指標(biāo)就是植物系數(shù)kp，我國(guó)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、全生長(zhǎng)季的作物系數(shù)，并用于估算作物需水量[3]。20世紀(jì)90年代以來，許多學(xué)者開始將植物系數(shù)的計(jì)算方法應(yīng)用到林業(yè)、自然植被群落、園林綠化上[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，而在高速公路廊道的特殊地域環(huán)境及干旱脅迫下，植物受水分供給影響的生長(zhǎng)限制不能忽略。因此，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)可用下式計(jì)算[12-14]：

(2)

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的計(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：ETa=P-R+ΔSa，式中：ETa為某a時(shí)段實(shí)際蒸散量(mm)；P為a時(shí)段降雨量(mm)；R為生長(zhǎng)期地表徑流量(mm)；ΔSa為a時(shí)段土壤儲(chǔ)水量(mm)。

地表徑流量的計(jì)算：由于北戴河互通區(qū)的植物生境類似于公園綠地，因此參照公園綠地的計(jì)算方法[16]，采用降水量與徑流系數(shù)之積，公園綠地徑流系數(shù)為0.15；路側(cè)邊坡的徑流量植物采用邊坡徑流試驗(yàn)方式測(cè)得。

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(3)[17]：

(3)

式中：θf為田間持水量(%)；c為擬合參數(shù)。由(3)式可知，當(dāng)根系層土壤平均含水量≥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)(1)式，計(jì)算參照作物蒸散量，其中日平均氣溫取每日最高氣溫和最低氣溫平均值。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來計(jì)算，結(jié)果見表3。由表3可以看出，整個(gè)生長(zhǎng)期，參照作物需水量呈低—高—低的單峰型變化，6月達(dá)到峰值，為187.9 mm，而10月達(dá)到最低值，僅為55.6 mm。參照作物蒸散量受氣溫和光照、風(fēng)速等影響因子的增強(qiáng)而增強(qiáng)，實(shí)際計(jì)算結(jié)果與理論判斷一致。8月、9月的參考作物需水量降低，原因是綠色廊道工程k250+800-k259所在的北戴河區(qū)在這2個(gè)月的降水量較大，導(dǎo)致實(shí)際水汽壓高，與理論判斷一致。

表3 植物生長(zhǎng)期參照作物蒸散量的月變化

2.2生長(zhǎng)期植物系數(shù)kp

5種植物在不同區(qū)域的生長(zhǎng)期各月的植物系數(shù)見表4。從表4可以看出，5種植物的植物系數(shù)在4、5月較低，隨著時(shí)間的推移逐漸走高，到7、8月達(dá)到峰值，后又迅速降低直至生長(zhǎng)期結(jié)束。整個(gè)生長(zhǎng)期5種植物的平均植物系數(shù)大小排序?yàn)榧t葉李>連翹>高桿金葉榆>迎春>油松；除高桿金葉榆外，其余4種植物的植物系數(shù)均為互通區(qū)大于路側(cè)邊坡。整個(gè)生長(zhǎng)期植物系數(shù)的差額大小排序?yàn)檫B翹>紅葉李>迎春>油松>高桿金葉榆。

利用SPSS軟件分別將各植物的植物系數(shù)進(jìn)行不同月份、區(qū)域的雙因素方差分析，結(jié)果見表5。從表5可以看出，只有高桿金葉榆的植物系數(shù)在不同區(qū)域的P值>0.05，這說明不能拒絕假設(shè)，即不同區(qū)域的高桿金葉榆的植物系數(shù)沒有顯著差異；而其他P值均<0.05，說明假設(shè)不成立，即在不同月份和不同區(qū)域油松、紅葉李、連翹、迎春的植物系數(shù)均有顯著差異。從植物系數(shù)kp的計(jì)算公式可以看出，植物系數(shù)與根系對(duì)土壤水分的利用和需求能力有重要的相關(guān)性，因此也就說明這5種植物在生長(zhǎng)期的各月對(duì)土壤水分的需求各不相同。從植物系數(shù)的差額(表4)可以看出，紅葉李、連翹、迎春和油松在路側(cè)邊坡的植物系數(shù)均低于互通區(qū)，說明這4種植物對(duì)外界土壤含水量有較高的敏感度。高桿金葉榆在2個(gè)區(qū)域的植物系數(shù)無差別，說明敏感度低，對(duì)外界土壤含水量的變化適應(yīng)能力也更強(qiáng)。其中連翹的植物系數(shù)互通區(qū)比路側(cè)邊坡更大，由于路側(cè)邊坡的土壤含水量較低，這說明對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的水分最敏感，紅葉李、迎春和油松具有中等敏感度，而高桿金葉榆幾乎不敏感。原因可能有2種：一是連翹對(duì)土壤的含水量具有較高的感知能力，可以隨土壤含水量變化而迅速調(diào)整自身需水量，二是連翹根系的蓄水能力差，對(duì)外界土壤的水分變化不能及時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)水。其它植物也具有上述可能性，更準(zhǔn)確的結(jié)果需要進(jìn)行根系生理及生態(tài)方面的研究?？傮w看，紅葉李對(duì)水分的需求最大，其次為連翹、高桿金葉榆、迎春，油松對(duì)水分的需求最小。由于目前水資源的缺乏，高速公路綠色廊道在設(shè)計(jì)中更應(yīng)選擇較為節(jié)水的植物。

表4 不同區(qū)域植物在生長(zhǎng)期的植物系數(shù)

3 小結(jié)

表5 各植物的植物系數(shù)方差分析P值表

*：α=0.05。

本研究選擇G1京哈高速京秦段k250+800-k259中北戴河互通區(qū)和路側(cè)邊坡的5種植物油松、紅葉李、高桿金葉榆、連翹、迎春作為研究對(duì)象，利用當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，運(yùn)用Penman-Monteith公式計(jì)算參照作物蒸散量；分別測(cè)定植物所在區(qū)域土壤剖面含水量、田間持水量和徑流量，運(yùn)用公式計(jì)算植物系數(shù)；利用SPSS軟件進(jìn)行方差分析。研究結(jié)果表明：①整個(gè)生長(zhǎng)期，參照作物蒸散量由低到高，再到低，呈單峰型變化，6月達(dá)到峰值，為187.9 mm，而10月達(dá)到最低值，僅為55.6 mm。② 5種植物平均植物系數(shù)大小排序?yàn)榧t葉李>連翹>高桿金葉榆>迎春>油松，植物需水能力反之。紅葉李、連翹、迎春和油松在路側(cè)邊坡的植物系數(shù)均低于互通區(qū)，說明這4種植物對(duì)外界土壤含水量有較高的敏感度；高桿金葉榆在2個(gè)區(qū)域的植物系數(shù)無差別，說明敏感度低，對(duì)外界土壤含水量的變化適應(yīng)能力也更強(qiáng)。

研究結(jié)果可為G1京哈高速公路綠色廊道植被灌溉量的精確計(jì)算提供參考，對(duì)高速公路后期養(yǎng)護(hù)灌溉具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

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ComparativeStudyonPlantCoefficientsofGreenCorridorinG1Expressway

LIANGQi

(Hebeiprovincialhighway，Beijing-Qinmanagementoffice，Qinhuangdao066000，Hebei，China)

Abstract：This paper selectsPinustabuliformisCarrière，Prunussimonii，Ulmuspumilacv.jinye.，PrunuscerasiferaEhrh，Jassminumnudiflorumof roadside slope in Beidaihe interchange area，G1 Jinghagaosu Beijing Qinhuangdao k250+800-k259 as the research object，using the local meteorological data，calculating reference crop evapotranspiration using Penman-Monteith formula respectively；determination of soil moisture profile，soil water and runoff coefficient，calculation formula of the use of plants，the plants need water.The results showed that the whole growth period，reference crop evapotranspiration from low to high to low，a unimodal distribution，the peak in June，187.9 mm in October and reached the lowest value is only 55.6 mm.Compared with the average plant coefficients of five kinds of plants，Prunussimonii>PrunuscerasiferaEhrh.>Jassminumnudiflorum>Ulmuspumilacv.jinye.>PinustabuliformisCarrière，plant water requirement and ability；PinustabuliformisCarrière，Prunussimonii，PrunuscerasiferaEhrh.andJassminumnudiflorumwere lower in roadside slope，indicating the sensitivity of the four plants had higher soil moisture content to the outside world.Ulmuspumilacv.jinye.had no difference in the plant coefficient of the two region shows low sensitivity，stronger ability to adapt to the change of external soil moisture.

highway；green corridor；reference crop evapotranspiration；plant coefficient

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.03.021

2017-01-27；

： 2017-03-24

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

梁琪(1976—)，男，黑龍江伊春人，河北省高速公路京秦管理處高工，從事公路綠化研究。E-mail：lqi917@163.com。

S731.8

： A

： 1002-7351(2017)03-0106-06