北京延慶平原區(qū)主要造林樹種生態(tài)需水估算*

董熙，周靜平，胡海棠，郝應(yīng)富，陶歡，李存軍

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；2.紅塔煙草(集團)有限責(zé)任公司，云南 玉溪 653100)

2012年春北京市啟動百萬畝平原造林工程，至2014年底工程主體任務(wù)完成。平原造林工程是促進可持續(xù)發(fā)展所實施的重大生態(tài)工程和民生工程[1]。平原造林作為城市景觀，是城市環(huán)境的重要組成，環(huán)境、社會和經(jīng)濟效益大。保障百萬畝平原造林生長并充分發(fā)揮生態(tài)效益必然會消耗一定的水量，而水資源已是制約北京市可持續(xù)發(fā)展的一個重要問題，因此，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、推薦農(nóng)業(yè)節(jié)水和發(fā)展現(xiàn)代林業(yè)等問題迫在眉睫[2]。平原造林地除了工程節(jié)水、設(shè)備節(jié)水外，合理灌溉及如何提高水分利用效率也是重要的研究內(nèi)容，這些方法應(yīng)用的首要工作是估算人工林地水分需求[1]。

近年來，隨著中國新時期生態(tài)文明目標(biāo)的提出及建設(shè)，百萬畝造林、退耕還林等一系列生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程的實施，對于植被生態(tài)需水的研究也越來越受到重視。生態(tài)需水是指為了保證植被生態(tài)系統(tǒng)健康生長，并確保其生態(tài)服務(wù)功能得到正常發(fā)揮而必須消耗的一部分水量[3]。在人工造林區(qū)人工林地的生態(tài)系統(tǒng)中，系統(tǒng)蒸散耗水量是其主要的水分支出項[4],因此本文將其作為森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水量。本研究以平原造林地主要人工造林樹種刺槐(Robiniapseudoacacia)、楊樹(Populuscanadensis)和油松(Pinustabulaeformis)為研究對象，通過對主要造林樹種的生態(tài)需水估算，以期為后續(xù)人工林地的養(yǎng)護管理決策提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京延慶位于北京市西北部，年降雨量較少，土壤水分虧損。延慶平原造林地以楊樹、刺槐和油松為主，大多為2012年退耕還林(草)政策實施后栽植。于2014年分3次對平原林地地區(qū)進行調(diào)研，采集樹種GPS坐標(biāo)、樹木基本影像信息等，將GPS定位儀記錄的不同樹種覆蓋樣點坐標(biāo)與遙感影像相對應(yīng)，后期根據(jù)采集回來的影像信息確定典型樹種。研究區(qū)人工林地大多數(shù)為純林地，林內(nèi)多種樹種共存的情況極少，林地群落具有明顯的單優(yōu)性特點，林內(nèi)優(yōu)勢樹種相同，所以選擇主要造林樹種代表該地區(qū)。

1.2 人工林地生態(tài)需水定額的計算方法

1.2.1 生態(tài)需水定額的計算方法

對于人工林地不同樹種的生態(tài)需水量的計算，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的推薦，考慮不同種類人工林的覆蓋面積(Ap)，其計算公式為ET=ET0×KC×Ks×Ap×10-3①，式中，ET為植被生態(tài)需水量(m3)；ET0為參考作物蒸散量(mm/d)；Kc為植被系數(shù)；Ks為土壤水分系數(shù)；Ap為樹種分布面積(hm2)[5]。

1.2.2 林木的主要耗水時段

延慶人工造林地區(qū)典型造林樹種均為移栽樹種，到2014年為止移栽時間2-3年左右。林地的耗水時段主要集中在生長季節(jié)，即每年的4-10月。因此，在計算延慶人工造林耗水支出時，亦以其生長季(4-10月)作為生態(tài)需水量的計算時段。

1.2.3 參考作物蒸散量ET0的計算

使用Penman-Monteith公式，采用氣象站逐日、逐月氣象數(shù)據(jù)，計算延慶研究區(qū)內(nèi)逐日、逐月參考作物蒸散量(ET0)，最后根據(jù)模型確定參考作物的生態(tài)需水量。

1.2.4 土壤水分系數(shù)Ks值

Jensen公式可以用來確定土壤含水水分供應(yīng)不充足的情況下，人工林地的實際蒸散量隨土壤水分含量的變化情況[7]。根據(jù)Jensen公式，當(dāng)Sw≤S≤S*時，有，Ks=ln[(S-Sw)/(S*-Sw)×100+1]/ln101③。式中，S為土壤實際含水量；Sw為土壤凋萎含水量；S*為土壤臨界含水量。

得到了人工林地的土壤臨界含水量(S*)、土壤暫時凋萎含水量(St)、土壤凋萎含水量(Sw)和生長阻滯含水量(Sr)，林木暫時凋萎含水量(St)和生長阻滯含水量(Sr)分別是能保證林木基本生存和正常生長時的土壤含水量下限，將S=Sr和S=St分別代入公式，就可以得到相應(yīng)的Ks值[8]。

1.3 生態(tài)缺水定額的計算方法

植被生態(tài)缺水計算公式為，QEWP=ETP-Pe④;SEWP=QEWP×AP×10-3⑤。式中，QEWp為植被生態(tài)缺水定額(mm)；ETp為植被生態(tài)需水定額(mm)；SEWp為植被生態(tài)缺水量(m3)；Pe為生長期有效降雨量(mm)，其計算公式為，Pe=α×P⑥。式中，α為降雨入滲系數(shù)，當(dāng)一次降雨小于5mm時，α=0；當(dāng)一次降雨在5-50mm之間時，α=1；當(dāng)一次降雨>50mm時，α=0.7-0.8；P為日降雨量(mm)[9-10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被系數(shù)Kc

林木系數(shù)Kc是運用Penman-Monteit公式、參考作物蒸散量來計算作物需水量或?qū)嶋H蒸散量的關(guān)鍵性參數(shù)。本研究限于實驗儀器設(shè)備等原因，暫無法精確獲得Kc，所以本文所用的植被系數(shù)Kc是借鑒前人[9-10]以及結(jié)合本文試驗地的實際情況確定的(表2)。

表2 生長期各月份植被系數(shù)Kc

2.2 土壤水分系數(shù)Ks值

根據(jù)Jensen公式來計算延慶地區(qū)平原林地的土壤水分修正系數(shù)。計算各值見表3。

表3 土壤水分修正系數(shù)Ks

2.3 主要造林樹種的面積

利用0.5m分辨率的Pleiades衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過ENVI軟件對不同樹種進行面向?qū)ο蠓诸?，利用ArcGIS軟件制作不同樹種的矢量圖并進行面積統(tǒng)計，獲得不同樹種的面積(圖1)。本研究只針對林地中的典型樹種的生態(tài)需水進行估算，其他樹種以及地被植物不做考慮，主要造林樹種面積見表4。從表4可以看出，楊樹林分面積最廣，為1 152hm2，油松林分面積次之，為452hm2，刺槐林分的面積為228hm2。

圖1 不同樹種面積矢量圖

hm2

2.4 適宜與最小的生態(tài)需水定額

人工林地生態(tài)需水量就是該地區(qū)人工林生態(tài)系統(tǒng)的蒸散耗水量，其大小受氣候、林木種類以及土壤水分條件的綜合影響[10]。典型人工林造林樹種生態(tài)需水各參數(shù)值及生長季各月平均最小生態(tài)需水量見表5。計算結(jié)果與葉兵[11]、陳麗華等[12]的研究結(jié)論相符合。

表5 生長季典型造林樹種各月平均最小生態(tài)需水量

由表5可知，不同樹種的人工林的生態(tài)需水定額主要集中在6-8月，4月、10月的生態(tài)需水定額較低。生長季主要人工林樹種最小生態(tài)需水量分別為刺槐150.38mm、楊樹179.00mm、油松116.97mm。這是由林木的生長狀況及生物量決定的，油松為針葉幼齡林，枝葉不茂盛，生物量較小，所以蒸散量較小；刺槐、楊樹枝葉茂盛，生物量較大，所以蒸散量較大。

圖2 生長期各樹種最小生態(tài)需水量變化趨勢

3種典型造林樹種的最小生態(tài)需水量均在8月出現(xiàn)峰值，是生長期林地需水的轉(zhuǎn)折點，4-8月呈上升趨勢，8-10月呈下降趨勢。在生長期6月，油松的最小生態(tài)需水量高于刺槐林的最小生態(tài)需水量，在生長期末段10月，楊樹的最小生態(tài)需水量與刺槐的最小生態(tài)需水量基本持平。

人工林地不同樹種生態(tài)需水各參數(shù)值及生長季各月平均適宜生態(tài)需水量見表6。

表6 生長期典型造林樹種適宜需水量

生長季適宜生態(tài)需水量為刺槐364.13mm、楊樹432.58mm、油松282.74mm，雖然造林樹種不同，但其生態(tài)需水量均主要集中在6-9月份，占植被生長期總需水的65%左右，同最小生態(tài)需水量的情況相同，生態(tài)需水量的最小值月均為4月。

圖3 生長期各樹種適宜生態(tài)需水量變化趨勢

研究區(qū)適宜生態(tài)需水量4-8月呈上升趨勢，8-10月呈下降趨勢，大致都呈拋物線形變化。8月是研究區(qū)主要人工林樹種生態(tài)需水量的峰值，即8月是該區(qū)人工林主要樹種蒸散的峰值，這和8月的氣候條件有關(guān)。8月份研究區(qū)平均氣溫達22.81℃，最高氣溫達32.4℃，人工林地蒸散強烈，則該月人工林地的生態(tài)需水量相應(yīng)最高。

油松、刺槐和楊樹林地的最小生態(tài)需水量和適宜生態(tài)需水量在4月均比較接近，這主要是由于在4月份研究區(qū)氣溫較低，并且降水量也較少，平均溫度僅為14.17℃，典型人工林樹種的枝葉才剛剛開始萌發(fā)，各項生理活動強度還較低，隨著溫度的升高各項生理活動強度也逐漸升高。

2.5 實際生態(tài)需水量

在植被蒸散理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)解譯遙感影像數(shù)據(jù)得到人工林地不同樹種面積分類結(jié)果，將3種主要造林樹種的蒸散量與植被覆蓋面積(Ap)相乘，得到這3種主要造林樹種的生態(tài)需水量(表7-表8)。

表7 典型造林樹種生長期最小實際需水量

從表7-表8可以看出,2014年研究區(qū)人工林地的主要3種造林樹種的最小實際需水量分別約為刺槐343.53m3、楊樹2 062.08m3、油松528.84m3；適宜實際需水量為刺槐830.22m3、楊樹4 983.67m3、油松1 278.12m3，在生長期3種主要造林樹種的總適宜生態(tài)需水量為7 092.0m3。

表8 典型造林樹種生長期適宜實際需水量

2.6 生態(tài)虧缺水量

2.6.1 最小生態(tài)虧缺水量

生長季延慶研究區(qū)主要造林樹種的最小生態(tài)需水量依次為刺槐150.38mm、楊樹179.00mm、油松116.97mm。與同期降水量相比較，無論是哪種主要造林樹種，即使是在枯水年份，降雨量仍然大于生態(tài)需水量，所以降雨量可以滿足人工林地主要造林樹種在生長期生理活動所需要的水分。即研究區(qū)人工林地在最小生態(tài)需水量等級下未發(fā)生水分虧缺，生長期的降雨量可以至少保證人工林地主要造林樹種的基本生存需水量。

表9 2014年生長期各樹種生態(tài)需水定額

2.6.2 適宜生態(tài)虧缺水量

北京延慶人工林地主要造林樹種生長季的適宜生態(tài)需水量分別為刺槐364.13mm、楊樹432.58mm、油松282.74mm。同期有效降水量與生態(tài)需水量相比，僅平水年和豐水年能滿足主要人工林的適宜生態(tài)需水量。而在2014年為枯水年，生長季的刺槐、油松、楊樹生態(tài)需水量均大于同期有效降雨量(表9)，生態(tài)虧缺需水量為刺槐90.59mm、油松8.20mm、楊樹138.04mm。

上述結(jié)果表明北京延慶典型造林樹種在豐水年和平水年可以正常生長發(fā)育，并且沒有出現(xiàn)由于缺水造成的林木生長不良、長勢衰弱等問題。但枯水年不能保證典型人工造林地樹種的正常生長發(fā)育。在2014年，降雨量不足，發(fā)生干旱，部分區(qū)域以人工灌溉補充水分，與實地調(diào)查以及咨詢相關(guān)管理部門的情況基本吻合。

3 結(jié)論與討論

本文從林地水量平衡理論和內(nèi)涵出發(fā)，分析了延慶人工造林區(qū)林地典型造林樹種的主要耗水支出，并在分析氣候因子、土壤水分含量以及林木本身種類對林地耗水影響的基礎(chǔ)上，在ENVI、GIS的支持下，結(jié)合研究區(qū)的高分遙感影像數(shù)據(jù)、地面氣象資料，計算了該地區(qū)林地生長季的最小生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水定額[13]。并在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)有典型造樹種的面積分布，計算了研究區(qū)典型造林樹種的最小生態(tài)需水量和適宜生態(tài)需水量。研究結(jié)果表明，刺槐、楊樹和油松最小生態(tài)需水量分別是150.38mm、179.00mm和116.97mm，適宜生態(tài)需水量分別為364.13mm、432.58mm和282.74mm。適宜生態(tài)需水條件下，研究區(qū)人工林地的主要3種造林樹種的最小實際需水量分別約為刺槐343.53m3、楊樹2 062.08m3、油松528.84m3；適宜實際需水量為刺槐830.22m3、楊樹4 983.67m3、油松1 278.12m3?？菟?，刺槐、楊樹、油松生態(tài)虧缺水量分別為90.59mm、138.04mm和8.20mm。

Penma-monteith是確定農(nóng)田參考作物蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法[14]。它同時考慮了氣象因素和動力學(xué)因素，使得計算結(jié)果更符合實際情況，已經(jīng)得到大量實例的成功驗證。該計算方法在農(nóng)作物需水量計算中應(yīng)用較廣，而本文則將其應(yīng)用在人工林地生態(tài)需水量的計算上。生態(tài)需水目前尚處于起步階段,在具體研究方法上也存在著需要改進的地方。在本文的計算方法中未能體現(xiàn)植被類型之間的具體差異,因此應(yīng)進一步深入研究不同植被類型的耗水差異及其耗水的生理生態(tài)機制，進一步完善植被耗水量的計算方法。

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