青綠苔草蒸散特性及與其他草坪地被的比較研究

袁小環(huán), 武菊英, 滕文軍, 陳佳楠

(北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心，農(nóng)業(yè)部華北都市農(nóng)業(yè)重點實驗室，北京 100097)

苔草屬植物是北京地區(qū)建植草坪地被的優(yōu)勢選擇[1]。近年來，經(jīng)系統(tǒng)的資源收集評價，篩選出多種適于北京園林應(yīng)用的苔草屬草坪地被植物[2-3]。一直以來，種子產(chǎn)量低、發(fā)芽困難是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素[4-5]，而青綠苔草(Carexleucochlora)具有較高的種子產(chǎn)量(22.5 g·m-2)，發(fā)芽率可達(dá)92%，經(jīng)層積催芽發(fā)芽指數(shù)可由7.88提高到18.15[6]，既可穴盤育苗用作地被植物，亦可直接播種建植草坪。

抗旱、節(jié)水、灌溉需求低是北京地區(qū)對草坪地被的重要要求。根據(jù)青綠苔草春季返青早而北京地區(qū)春季干旱的情況，本研究團(tuán)隊曾采用盆栽稱重法研究春季青綠苔草花果期的蒸散特性與灌溉需水量[7]，以及虧缺灌溉對青綠苔草生長的影響[8-9]。上述研究基于盆栽環(huán)境，難以避免邊際效應(yīng)產(chǎn)生的不利影響，而且僅研究生長季內(nèi)某一時段的蒸散耗水，不能準(zhǔn)確、全面認(rèn)識這一新型草坪地被植物的蒸散特性。

為揭示青綠苔草的蒸散特性，為園林應(yīng)用和灌溉管理提供科學(xué)基礎(chǔ)，本文采用自動稱重式大型蒸滲儀，2012-2014年連續(xù)3個生長季測定青綠苔草草坪的生長速率，計算了其作物系數(shù)；2016年測定了不同栽植密度下青綠苔草地被的蒸散速率；將青綠苔草草坪地被的蒸散特性與高羊茅(Festucaarundinacea)草坪、野牛草(Buchloedactyloides)草坪、山麥冬(Liriopespicata)地被進(jìn)行了對比分析；對各草坪地被的灌溉需水量進(jìn)行估測。

1 材料與方法

試驗區(qū)位于北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)的國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗示范基地內(nèi)，北緯40°10′36″，東經(jīng)116°26′13″，海拔36 m[10]。

采用自動稱重式蒸滲儀測量和記錄蒸散數(shù)據(jù)。蒸滲儀邊長1.3 m，深2.3 m(底部為0.3 m深河沙，上部為2 m原狀土)，測量分辨率為16.9 g，相當(dāng)于蒸滲儀內(nèi)水分變化0.01 mm。

1.1 草坪地被建植與管理

2011年8月12日在蒸滲儀中播種建植青綠苔草、高羊茅和野牛草草坪，播種量分別為13 g·m-2、30 g·m-2、15 g·m-2。每種草坪播種2個蒸滲儀。不定期修剪草坪，使高度保持在10～15 cm。蒸滲儀內(nèi)20 cm深度安裝SoilSpec張力計(澳大利亞)，每日上午9時觀測土水勢。當(dāng)土水勢降低到-20 kPa時(體積含水量為21%，相當(dāng)于田間持水量32%的66%)噴灌，直至土水勢達(dá)到-0.03～0 kPa。

2015年3月31日在蒸滲儀中栽植建植山麥冬和青綠苔草地被，山麥冬栽植密度為16 株叢·m-2，青綠苔草栽植密度分別為16 株叢·m-2、36 株叢·m-2。5月29日在蒸滲儀中播種建植青綠苔草草坪，播種量13 g·m-2。每處理1個蒸滲儀，計4個。及時清除雜草，采取微噴方式補(bǔ)充水分，使20 cm深度的土壤水勢維持在-20～0 kPa。

1.2 草坪地被蒸散數(shù)據(jù)采集

蒸滲儀數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為10 min。草坪蒸散采集時間為2012—2014年生長季，地被蒸散采集時間為2016年生長季，即每年4月1日至10月31日。剔除由于草坪修剪、儀器故障等產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)。在月蒸散計算中，采取近鄰差補(bǔ)和局部均值差補(bǔ)方法進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)差補(bǔ)。

1.3 氣象數(shù)據(jù)采集與參照作物蒸散計算

距離蒸滲儀100 m處安裝Dynamet氣象站(美國Dynamax公司)，與蒸滲儀數(shù)據(jù)采集保持同步，自動測量并記錄氣象數(shù)據(jù)：空氣溫度、空氣相對濕度、太陽輻射和高度兩米的風(fēng)速，用于計算參照作物蒸散(reference evapotranspiration,ET0)。

氣象站坐落于空地，周圍10 m范圍內(nèi)為苔草和低矮禾草，株高30～100 cm；西側(cè)30 m處有1行高約15 m的楊樹，北側(cè)70 m處有1排8間平房。

采用Penman-Monteith 公式計算ET0[11]：

式中，ET0為參照作物蒸散(mm·d-1)，Rn為冠層表面凈輻射(MJ·m-2·d-1)，G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)，T為平均氣溫(°C)，u2為2米高處風(fēng)速(m·s-1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實際水汽壓(kPa)，Δ 為飽和水汽壓—溫度曲線斜率(kPa·°C-1)，γ為濕度計常數(shù)(kPa·°C-1)。

Dynamet氣象站觀測到太陽輻射(Rs)，根據(jù)Fao-56文件推薦的方法計算凈輻射Rn，代入Penman-Monteith公式[11]。

1.4 作物系數(shù)計算

作物系數(shù)(crop coefficient, Kc)為作物在水分充足條件下的蒸散(crop evapotranspiration, ETc)與 ET0的比值。

Kc=ETc/ET0

2 結(jié)果與分析

2.1 青綠苔草蒸散特性

在北京地區(qū)，每月的參照作物蒸散強(qiáng)度不同，呈現(xiàn)單峰(2012年、2014年)或雙峰(2013年)趨勢(表1)。蒸散速率5月最高為4.18±0.27 mm·d-1，10月最弱，為1.71±0.18 mm·d-1。

青綠苔草草坪的蒸散趨勢與參照作物蒸散相同。5月的蒸散速率最高為3.96±0.23 mm·d-1，為需水量最高的月份。10月的蒸散速率最低為1.24±0.17 mm·d-1。作物系數(shù)在各月間亦有差別，仍是5月最高為0.95±0.03，10月最低為0.73±0.09。

剔除異常記錄后，84天的蒸散數(shù)據(jù)被采用(圖1)。青綠苔草草坪和地被的蒸散強(qiáng)度表現(xiàn)出相似趨勢?？傮w來說，草坪的蒸散速率高于地被，高密度栽植(36株叢·m-2)的青綠苔草地被的蒸散速率高于

低密度(16株叢·m-2)栽植的同種地被。經(jīng)線性回歸：

y36/m2=0.85xturf，R2=0.88

y16/m2=0.80xturf，R2=0.81

圖1 青綠苔草草坪與兩種栽植密度的青綠苔草地被的生長季日蒸散速率Fig.1 Daily evapotranspiration of C. leucochlora turf and groundcover at two planting densities during the growing season

2.2 青綠苔草與其他草坪地被的蒸散比較

建植第二年草坪地被生長旺盛，充分反映蒸散耗水水平。因此，采取該年生長季的數(shù)據(jù)，對比分析青綠苔草與其他草坪地被的蒸散。

3種草坪2012年生長季的蒸散趨勢相似，5月蒸散速率最高，10月蒸散速率最低。青綠苔草草坪的蒸散速率明顯低于高羊茅草坪，略高于野牛草草坪。以平均值計算，高羊茅、野牛草草坪的蒸散速率分別是青綠苔草草坪的1.40倍、0.98倍。本結(jié)果驗證了前人報道，冷季型草坪的蒸散量顯著高于暖季型草坪[12-13]。

圖2 青綠苔草、高羊茅、野牛草草坪的生長季蒸散速率Fig.2 Evapotranspiration of C. leucochlora, F. arundinacea, and B. dactyloides turfs during the growing season

101天的蒸散數(shù)據(jù)表明(圖3)，具有相同栽植密度(16株叢·m-2)的青綠苔草地被和山麥冬地被進(jìn)行比較，兩者的蒸散曲線相似，5月蒸散強(qiáng)度最高，其次為4月、6月。經(jīng)線性回歸：y山麥冬=1.11x青綠苔草，R2=0.73

圖3 相同栽植密度下青綠苔草地被和山麥冬地被的生長季日蒸散速率Fig.3 Daily evapotranspiration of C. leucochlora groundcover and L. spicata groundcover at the same planting density during the growing season

2.3 各草坪地被灌溉需水量

由表1、圖2可知，各種草坪整個生長季不同階段的蒸散速率和作物系數(shù)均有較大差異，以自然月為單位測算灌溉需水量比較合理[13]。將各種草坪地被的蒸散量與降水量的差值視為灌溉最大需水量。降水量采用近60年(1951—2010年)的均值，北京地區(qū)4月—10月的降水量分別為20.3 mm、35.2 mm、74.2 mm、175.6 mm、176.8 mm、51.7 mm、24.2 mm，生長季總降水量為558 mm[14]。

結(jié)果如表2所示。5月灌溉需水量最多，其次為4月，說明春季是草坪地被最需要灌溉的時段。7、8兩月所有草坪地被均不需灌溉。青綠苔草地被9月無需灌溉，6、10兩月灌溉需水量也較低。按照灌溉需水量排序，由低到高分別為青綠苔草地被(16株叢·m-2)、青綠苔草地被(36株叢·m-2)、野牛草草坪、青綠苔草草坪、山麥冬地被、高羊茅草坪。

表2 各草坪地被生長季灌溉需水量Table 2 Irrigation water demand of turfs and groundcovers during the growing season

3 討論與結(jié)論

植被的蒸散既反映了植物本身的特性，又受氣候條件、土壤水分條件、植物生長狀態(tài)的影響。潘全山等的研究結(jié)果表明，播量與修剪留茬高度均與草地早熟禾的蒸散量正相關(guān)[15]。在3～12 cm范圍內(nèi)，隨修剪高度的提高，草坪蒸散量增加[16]。本文中草坪的蒸散結(jié)果基于10～15 cm的高度，測定的蒸散速率處于較高水平。

表2中數(shù)據(jù)為水分供應(yīng)充足條件下各草坪地被最大需水量。青綠苔草的蒸散量隨著灌溉量的減少而降低，但能維持正常生長[8-9]。為節(jié)約用水，可以采取一定程度的虧缺灌溉，降低用水量。通常情況下，暖季型草的抗干旱脅迫能力比冷季型草高[12]，能耐受較高的虧缺水平。在景觀要求較低的生態(tài)恢復(fù)場地，青綠苔草、野牛草、山麥冬建植形成的草坪地被可不采取人工灌溉，雨養(yǎng)維持。

本研究表明，青綠苔草在不同月份的蒸散速率不同，5月最高為3.96±0.23 mm·d-1；作物系數(shù)在各月間亦有差別，為0.73±0.09～0.95±0.03。建植方式影響青綠苔草的蒸散，草坪的蒸散速率略高于地被。栽植密度亦影響青綠苔草地被的蒸散速率，高密度下蒸散較強(qiáng)。

與北京地區(qū)代表性的草坪地被植物相比較，青綠苔草的蒸散速率明顯低于高羊茅草坪，略低于山麥冬地被，略高于野牛草草坪。以平均值計算，高羊茅、山麥冬、野牛草的蒸散速率分別是青綠苔草的1.40倍、1.11倍、0.98倍。

在充足水分供應(yīng)條件下對生長季所需灌溉量進(jìn)行估測，從低到高依次為青綠苔草地被(110.9～136.2 mm)、野牛草草坪(167.1 mm)、青綠苔草草坪(191.7 mm)、山麥冬地被(233.6 mm)、高羊茅草坪(352.2 mm)。在北京地區(qū)的園林應(yīng)用中，除生長季正常灌溉外，草坪地被每年還需灌溉返青水和凍水40～80 mm。