滇池流域典型濕地植物需水規(guī)律試驗(yàn)研究

李 晨，崔遠(yuǎn)來(lái)，顧世祥，鄧 雯，韓煥豪

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，昆明 650021)

0 引 言

濕地是指天然或人工的、永久或暫時(shí)的靜水或流水、淡水或微咸水及咸水沼澤地、泥炭地或水域地帶，包括低潮時(shí)水深不超過(guò)6 m的海水區(qū)[1]。此外，濕地還包括鄰近的河流、湖泊沿岸、沿海區(qū)域，以及位于濕地內(nèi)島嶼。濕地是最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，在維持生物多樣性和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)、文化、科學(xué)、美學(xué)和娛樂(lè)等方面都具有極端重要性。在影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的諸多因子中，水是濕地形成的最根本原因，也是其生態(tài)演化過(guò)程的主要控制因子。濕地水分消耗主要包括：濕地植物的蒸騰、濕地水面蒸發(fā)、適當(dāng)?shù)臐B漏、濕地中野生動(dòng)物及微生物需水。其中濕地植物的蒸發(fā)蒸騰是濕地需水量的重要組成部分。植物蒸發(fā)蒸騰量也叫植物需水量(Crop Evapotranspiration，ETC)，指在正常生育狀況和良好水肥條件下，作物整個(gè)生育期中消耗于蒸發(fā)蒸騰的水量，一般認(rèn)為是植株蒸騰量與株間土壤(或水面)蒸發(fā)量之和。它是分析和計(jì)算灌溉制度和灌溉用水量的依據(jù)，也是地區(qū)或流域水資源配置、水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本依據(jù)之一。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)濕地植物需水規(guī)律及補(bǔ)充灌溉定額方面的研究不多，濕地灌溉用水管理缺少依據(jù)。僅有的少量研究，研究者多是選取某一短時(shí)段去研究濕地植物蒸發(fā)蒸騰量或者比較白天與夜晚的蒸發(fā)蒸騰的差異，很少能夠進(jìn)行一個(gè)完整生育期的觀測(cè)[2-6]。此外，在相關(guān)研究中研究者所選擇的濕地植物種類較單一，很少考慮將多種濕地植物一起進(jìn)行研究和比較[4-6]。為凈化水質(zhì)和美化環(huán)境，滇池周邊建有大量人工濕地，但其需水規(guī)律不明，用水管理缺少依據(jù)，因此，本文以滇池周邊典型濕地為對(duì)象開(kāi)展?jié)竦匦杷?guī)律研究，一方面為濕地植物灌溉用水管理提供依據(jù)，也為地區(qū)用水定額的編制以及水資源配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在滇池環(huán)湖濕地中滇池北岸的西亮塘人工濕地中進(jìn)行，地理位置為：北緯24°56′21.64″，東經(jīng)102°44′0.15″，海拔高程1 888 m。試驗(yàn)點(diǎn)屬北緯低緯度亞熱帶——高原山地季風(fēng)氣候，日照長(zhǎng)、霜期短、年平均氣溫15℃，年均日照2 200 h，無(wú)霜期240 d。氣候溫和，四季如春，多年平均降水量1 035 mm，且降雨集中在5-10月，占全年的85%左右。

1.2 試驗(yàn)處理與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為期2年，但由于試驗(yàn)準(zhǔn)備等客觀原因，第一年實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為2016年7月13日-2016年12月31日，未能完全涵蓋各濕地植物的完整生育期；第二年2017年3月1日-2017年12月31日，完全涵蓋各典型濕地植物完整生育期。

試驗(yàn)針對(duì)不同濕地植物種類設(shè)置處理，各處理未設(shè)置重復(fù)。試驗(yàn)在種植濕地植物的小區(qū)中開(kāi)展，濕地植物均為多年生植物，種植于2014年，每年冬天對(duì)植物地上部分進(jìn)行收割，植物密度與長(zhǎng)勢(shì)基本與滇池周邊大型濕地類似，有較好的代表性。各試驗(yàn)小區(qū)底部為水泥襯砌，垂直滲漏可以忽略，邊壁為水泥磚石襯砌，理論上無(wú)側(cè)向滲漏，經(jīng)實(shí)際觀測(cè)在高水位時(shí)存在少量的側(cè)向滲漏，為消除或減小其對(duì)需水量結(jié)果的影響，需根據(jù)不同小區(qū)不同水位對(duì)側(cè)向滲漏進(jìn)行修正。香蒲小區(qū)副生小塊再力花(面積約2 m2)；菖蒲小區(qū)副生香菇草(面積約8 m2)；其他植物小區(qū)副生植物可以忽略不計(jì)，具體種植情況如表1所示。

表1 各小區(qū)種植情況

各小區(qū)由管道(明渠)供水，在供水管道(明渠)上安裝水表及閥門，用于計(jì)量進(jìn)出小區(qū)的水量(試驗(yàn)小區(qū)平面示意圖如圖1所示)。小區(qū)中均安裝Hobo自計(jì)水位計(jì)，用于測(cè)量小區(qū)水位變化；在試驗(yàn)小區(qū)邊設(shè)置一小型氣象站。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)平面示意圖

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目與方法

針對(duì)不同濕地植物類型處理，觀測(cè)如下主要指標(biāo)：

(1)試驗(yàn)小區(qū)水位。采用自計(jì)水位計(jì)計(jì)量，通過(guò)將放置在試驗(yàn)小區(qū)水層和空氣中的自記水位計(jì)記錄的壓力差換算為水層深度，達(dá)到記錄水層水位的目的。

(2)灌水量。通過(guò)水表計(jì)量。每天早上8點(diǎn)記錄一次水表讀數(shù)，相鄰兩天的水表讀數(shù)之差即為灌水量或者排水量。將水表記錄的水量與小區(qū)面積相除得到以水層深度表示的灌水量或者排水量。同時(shí)與灌水前后自計(jì)水位計(jì)反映的水位變化作對(duì)比。

(3)排水量。與灌水量的計(jì)量方法相同。

(4)滲漏量。底部為水泥襯砌，垂直滲漏可以忽略，高水位存在少量側(cè)向滲漏。

(5)氣象要素通過(guò)氣象站自動(dòng)記錄。觀測(cè)的指標(biāo)包括：最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對(duì)濕度、大氣壓、凈輻射。

(6)濕地植物生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)指標(biāo)。①濕地植物地表以上部分干物質(zhì)量。2016年從7月18日至9月27日，約每半個(gè)月測(cè)量一次干物質(zhì)量，共計(jì)5次。2017年從6月至11月每月月中測(cè)量一次干物質(zhì)量，共計(jì)6次。干物質(zhì)量測(cè)量采用烘干稱重法。②葉面積指數(shù)。測(cè)量時(shí)間和頻率與地表以上部分干物質(zhì)量測(cè)量相同。葉面積指數(shù)(Leaf area index,LAI)采用比葉重法[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地植物生育期劃分

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料[7-12]，將試驗(yàn)濕地植物的生育期劃分為萌發(fā)期、快速發(fā)育期、開(kāi)花期、果實(shí)期和枯萎期，各植物生育期具體劃分如表2所示。

2.2 參考作物蒸發(fā)蒸騰量

由氣象資料采用Penman-Montieth公式計(jì)算得到參考作物蒸發(fā)蒸騰量(Reference crop Evapotranspiration，ET0)，如圖2所示。2016年，逐月日均ET0呈現(xiàn)雙峰值，峰值分別在4月和8月，兩峰值均為4.5 mm/d，出現(xiàn)雙峰值的原因主要在于7、8月的日照時(shí)數(shù)明顯較6月高，氣溫高，蒸發(fā)蒸騰作用強(qiáng)烈；ET0變化范圍為1.9～4.5 mm/d。2017年，ET0呈先增大后減小的趨勢(shì)，其峰值出現(xiàn)在5月份為4.7 mm/d，7、8月份ET0差距很小，與2016年趨勢(shì)略有不同。兩年相比，2016年的7、8月份ET0較2017年高約0.7 mm/d，9-12月仍稍高，但越往后差距越小，至12月份已基本相同。

表2 濕地植物生育期劃分

圖2 ET0變化趨勢(shì)

2.3 不同濕地植物小區(qū)灌、排水量

試驗(yàn)期內(nèi)各試驗(yàn)小區(qū)僅依靠當(dāng)?shù)氐慕涤炅侩y以保證植株的正常生長(zhǎng)，需要不定期向小區(qū)進(jìn)行灌水，同時(shí)水層過(guò)深時(shí)需要排水，試驗(yàn)期內(nèi)各小區(qū)灌、排水情況如表3所示。

2.3.1 灌水量

由表3可知，2016年試驗(yàn)期不同小區(qū)灌水量變化范圍為130～393.5 mm，灌水量平均值300.7 mm。灌水次數(shù)變化范圍在5～14次之間，平均灌水次數(shù)9.3次，試驗(yàn)期灌水頻率大約是每?jī)芍芄嗨淮?。其中水蔥灌水量最大，為393.5 mm，是均值的1.31倍，灌水次數(shù)8次；美人蕉灌水量最小，為130 mm，是均值的0.43倍，灌水次數(shù)9次。2017年，試驗(yàn)期不同小區(qū)灌水量變化范圍為275～726 mm，灌水量平均值417 mm。試驗(yàn)期灌水次數(shù)變化范圍在6～14次之間，平均灌水次數(shù)10.4次。其中紅鞘水竹芋灌水量最大，為726 mm，是均值的1.74倍，灌水次數(shù)14次；菖蒲灌水量最小，為267 mm，是均值的0.64倍，灌水次數(shù)6次。與2016年相比，2017年各小區(qū)灌水量基本都有增加，主要是因?yàn)?017年試驗(yàn)期更長(zhǎng)，同時(shí)降雨情況也直接影響灌水量。兩年同期灌水量存在較大差異，但很大程度上是由同期降雨量決定。

表3 各小區(qū)灌、排水統(tǒng)計(jì)表

2.3.2 排水量

2016年試驗(yàn)期，香蒲和紅鞘水竹芋小區(qū)試驗(yàn)期未發(fā)生排水，排水最多的是水蔥小區(qū)為130 mm，其次是菖蒲小區(qū)。由降雨利用率可以看出，除水蔥以外其他小區(qū)對(duì)降雨利用的效率都達(dá)到了85%以上，香蒲和紅鞘水竹芋的降雨利用率更是達(dá)到了100%，這主要是由小區(qū)具有較高邊壁以及濕地植物的耐濕性決定。試驗(yàn)期水蔥的降雨利用率比較低的主要原因是水蔥小區(qū)邊壁高度相對(duì)其他小區(qū)要低5 cm左右，因而在7、8月暴雨之后發(fā)生的排水較多。2017年試驗(yàn)期，各個(gè)小區(qū)均有排水，范圍在107～262 mm。排水最多的仍然是水蔥小區(qū)為262 mm(水蔥小區(qū)由于地勢(shì)較低，發(fā)生大降雨時(shí)，其他小區(qū)排水進(jìn)入，導(dǎo)致其灌水最多，排水也最多)，其次為菖蒲小區(qū)為250 mm，最少的是紅鞘水竹芋，只有107 mm。除水蔥外各小區(qū)的降雨利用率均在80%以上，最小的水蔥小區(qū)為78.4%，最大的紅鞘水竹芋小區(qū)為91.2%；降雨利用率整體上較2016年均都有所下降，主要是由于2017年7、8月的降雨量較2016年更大(尤其是7月份)，導(dǎo)致排水量和排水次數(shù)明顯增加。綜合來(lái)看，各小區(qū)都比較充分地利用了雨水。

2.4 不同濕地植物生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)

2.4.1 葉面積指數(shù)LAI變化規(guī)律

葉面積指數(shù)LAI是反映植物群體大小和生長(zhǎng)狀況的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，是影響植物蒸發(fā)蒸騰量的一個(gè)重要因素。圖3表明(水蔥沒(méi)有葉片，無(wú)LAI)，各小區(qū)濕地植物L(fēng)AI基本上隨著生育期呈先增大后減小的趨勢(shì)。兩年的試驗(yàn)期中，各小區(qū)濕地植物基本上在8月LAI達(dá)到最大值(紅鞘水竹芋峰值出現(xiàn)在9月)，最大值范圍在1.47～3.42之間，在此階段植物生長(zhǎng)達(dá)到最旺盛的時(shí)期；在試驗(yàn)期內(nèi)，LAI最小的時(shí)期是11月，此時(shí)除紅鞘水竹芋外，其他濕地植物基本上都已進(jìn)入或者即將進(jìn)入枯萎期。需要注意的是LAI受種植密度影響，在全部小區(qū)中，LAI最大的是香蒲，在8月中旬達(dá)到了3.42；美人蕉和菖蒲LAI相對(duì)較低，兩年的最大LAI分別為1.77、1.91和1.49、1.47。一個(gè)重要原因是它們的種植密度較低，此外也與其長(zhǎng)勢(shì)不佳有關(guān)。紅鞘水竹芋在8、9、10月的LAI差距很小，這主要是由于其生長(zhǎng)期較長(zhǎng)，此段時(shí)間基本上處于開(kāi)花結(jié)果期，其枯黃期在12月。對(duì)于各小區(qū)植物，LAI在兩年內(nèi)的變化趨勢(shì)基本一致，無(wú)明顯差異，與植物的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律具有一致性。

圖3 濕地植物葉面積指數(shù)變化

2.4.2 地表干物質(zhì)量變化規(guī)律

同葉面積指數(shù)一樣，地表干物質(zhì)量也是反映植物群體大小和生長(zhǎng)狀況的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，一般認(rèn)為干物質(zhì)量的累積速度與植物需水量之間存在密切的關(guān)系。圖4表明，各小區(qū)濕地植物的地表干物質(zhì)量變化規(guī)律呈現(xiàn)隨時(shí)間先增加后減少的趨勢(shì)。各小區(qū)干物質(zhì)量最大的具體時(shí)間雖各有不同，但從生育期來(lái)看，枯萎期前一生育期末(對(duì)香蒲、菖蒲、紅鞘水竹芋是果實(shí)期，對(duì)美人蕉和水蔥是開(kāi)花期)達(dá)到了最大值，而后有減少的趨勢(shì)，但下降量均比較小。各小區(qū)植物在8月份前的增長(zhǎng)速度較快，這是因?yàn)檫@段時(shí)間大體上是各植物快速生育的時(shí)期。在各小區(qū)中，香蒲同期干物質(zhì)量最大；美人蕉最小。

圖4 濕地植物地表干物質(zhì)量變化

2.5 不同濕地植物需水量ETc變化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照水量平衡原理來(lái)計(jì)算不同濕地植物實(shí)際需水量，公式如下：

ETc=h1-h2+p+m-d-s

(1)

式中：ETc為濕地日需水量，mm；h1為某日初始濕地水深，mm；h2為次日初始濕地水深，mm；m為當(dāng)日內(nèi)灌水量，mm；P為當(dāng)日內(nèi)降水量，mm；d為當(dāng)日內(nèi)排水量，mm；s為當(dāng)日內(nèi)滲漏量，mm，本次試驗(yàn)在高水位時(shí)考慮少量側(cè)向滲漏。

2.5.1 濕地植物總需水量

由于2016年從7月份開(kāi)始觀測(cè)，因此僅分析2017年濕地植物總需水量。2017年全生育期內(nèi)，5種濕地植物總需水量變化范圍是1 088.6～1 638.1 mm，平均值為1 260.2 mm。紅鞘水竹芋需水量最大為1 638.1 mm，是平均值的1.30倍；水蔥最小為1 088.6 mm，是平均值的0.86倍。

圖5 各濕地植物試驗(yàn)期總需水量

2.5.2 濕地植物逐月日均需水量

圖6表明，對(duì)5種濕地植物而言，試驗(yàn)期總體需水規(guī)律基本是一致的：先增大而后逐漸減小，某些植物(如菖蒲)可能在某些年份出現(xiàn)雙峰，第二峰值一般出現(xiàn)在8月份。需水規(guī)律大體上與它們同期的葉面積指數(shù)和干物質(zhì)量累積速度隨時(shí)間的變化規(guī)律相符，從側(cè)面佐證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及規(guī)律的合理性。5種濕地植物的全生育期日均需水量范圍是4.50～5.49 mm/d。其中香蒲和紅鞘水竹芋最大，美人蕉次之，水蔥第四，菖蒲最小。將5種濕地植物進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，紅鞘水竹芋與美人蕉具有同樣的葉型(卵圓形)，在枯萎期之前同期的需水量相差在10%～20%；香蒲和菖蒲的生育期大體相同，生長(zhǎng)特性也具有相似性(如都具有線型葉片，生長(zhǎng)高度約為2～3 m)，同期的需水量菖蒲只有香蒲的75%左右，其主要的原因可能在于菖蒲的種植密度只有香蒲的80%左右且種植不夠均勻；香蒲是空心維管束狀植物，有利于水分從根部向葉片的輸送，而美人蕉雖然葉片很大，但葉片較厚，屬角質(zhì)蒸騰，故在相同的葉面積指數(shù)下，香蒲的平均需水量較美人蕉大，這與王峰等人的研究結(jié)果[5]一致；水蔥不具有葉片，蒸發(fā)蒸騰相對(duì)具有大量葉片的植物較弱，因而其需水量接近最小。

圖6 濕地植物逐月日均需水量變化趨勢(shì)

2.6 作物系數(shù)及其變化規(guī)律

根據(jù)參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0以及實(shí)測(cè)得到的ETc，根據(jù)公式計(jì)算得香蒲、菖蒲、紅鞘水竹芋、水蔥和美人蕉5種濕地植物逐月及全生育期作物系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 濕地植物作物系數(shù)

5種濕地植物2017年全生育期作物系數(shù)均值范圍為1.21～1.66，其中紅鞘水竹芋最大(1.66)，香蒲次之(1.57)，美人蕉居中(1.43)，菖蒲較小(1.29)，水蔥最小(1.21)。香蒲、菖蒲、紅鞘水竹芋以及水蔥四種在2016年7月作物系數(shù)較2017年同期明顯偏小，這與2016年6月、7月ET0處于低值區(qū)有關(guān)，也可能與2016年7月剛開(kāi)始試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大有關(guān)。水蔥兩年的作物系數(shù)存在明顯差異，2016年7-10月的作物系數(shù)逐月增加，而2017年同期明顯逐月下降，二者趨勢(shì)完全相反，對(duì)作物系數(shù)相關(guān)研究[13，14]指出，隨著植物逐漸進(jìn)入生育末期，葉面積指數(shù)逐漸下降，相應(yīng)的蒸騰作用也會(huì)下降，作物系數(shù)一般呈下降趨勢(shì)。推測(cè)該植物2016年的需水量數(shù)據(jù)可能存在較大誤差，從而導(dǎo)致作物系數(shù)的較大誤差。

5種濕地植物的作物系數(shù)基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這與植物的地表干物質(zhì)量和葉面積指數(shù)的變化規(guī)律基本相符。除水蔥外的其他4種植物，兩年的作物系數(shù)存在差異，但同期數(shù)值差距較小(7月除外)，可認(rèn)為作物系數(shù)在不同年份變化不大。作物系數(shù)在不同年型之間的具體變化規(guī)律有待更長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)所選取的5種滇池流域典型濕地植物進(jìn)行需水規(guī)律試驗(yàn)，分析了滇池流域典型濕地植物的需水規(guī)律和需水量，計(jì)算得到了各濕地植物的作物系數(shù)，以期為區(qū)域濕地水資源管理提供依據(jù)。

結(jié)果表明，各濕地植物葉面積指數(shù)和地表干物質(zhì)量基本上是隨著生育期呈先增大后減小的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)的時(shí)間不完全一樣，香蒲、菖蒲、紅鞘水竹芋出現(xiàn)在果實(shí)期，美人蕉和水蔥則是開(kāi)花期，枯萎期均出現(xiàn)下降現(xiàn)象?？傮w上看，葉面積指數(shù)和地表干物質(zhì)量的變化規(guī)律與植物需水規(guī)律具有一致性。

5種濕地植物全生育期總需水量變化范圍是1 088.6～1 638.1 mm，平均值為1 260.2 mm?？傂杷孔畲蟮氖羌t鞘水竹芋，最小的為水蔥。各濕地植物需水規(guī)律基本一致：隨生育期呈先增大后減小的趨勢(shì)，某些植物(如菖蒲)可能在特定年份出現(xiàn)雙峰，第二峰值一般出現(xiàn)在8月份。5種濕地植物的全生育期日均需水量范圍是4.50～5.49 mm/d。其中香蒲和紅鞘水竹芋最大，美人蕉次之，水蔥再次之，菖蒲最小。由于生育期長(zhǎng)短不同，不同植物日均需水量大小關(guān)系與總需水量并不一致。

5種濕地植物的作物系數(shù)基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這與植物的逐月日均需水量和葉面積指數(shù)的變化規(guī)律基本相符；除水蔥外的其他4種植物，兩年的作物系數(shù)存在差異，但同期數(shù)值差距較小，可認(rèn)為作物系數(shù)在不同年份變化不大。5種濕地植物全生育期作物系數(shù)均值范圍為1.21～1.66，其中紅鞘水竹芋最大(1.66)，香蒲次之(1.57)，美人蕉居中(1.43)，菖蒲第四(1.29)，水蔥最小(1.21)。

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