G1京哈高速公路绿色廊道植物需水量研究

刘维权

（河北省高速公路京秦管理处，河北 秦皇岛 066000）

G1京哈高速公路绿色廊道植物需水量研究

刘维权

（河北省高速公路京秦管理处，河北 秦皇岛 066000）

该文应用FAO推荐的Penman-Monteith方法对G1京哈高速公路绿色廊道的参照作物蒸散量，6种常见绿化植物的植物系数和需水量进行研究。结果表明：整个生长期，参照作物蒸散量呈单峰型曲线，6月达到峰值，为187.2 mm，10月达到最低值；6种植物的植物系数在整个生长期均呈现单峰型曲线，各个生长月的植物系数和品种间存在极显著差异（p＜0.05），其中红叶李的植物系数最大，为0.98，五叶地锦的植物系数最小，为0.70。6种植物在整个生长期总需水量表现为：红叶李＞高杆金叶榆＞马蔺＞油松＞桧柏＞五叶地锦。

参照作物蒸散量；植物需水量；植物系数；绿化植物

引言

高速公路绿色廊道是指沿高速公路系统布置的绿色廊道，是重要的生态廊道和自然系统，能够对高速公路及沿线起到保护、提升的作用。高速公路的建设影响了当地的生态平衡，而高速公路廊道在协调道路建设与环境之间的矛盾、营造舒适的公路景观环境和提高行车的安全性以及当地文化的建设方面起到举足轻重的作用。

我国的高速公路绿化研究随着高速公路通车里程的高速发展进入井喷期。自20世纪90年代以后，我国交通部先后制订了《公路建设项目环境评价规范（试行）》（JTJ 005-96）和《公路环境保护设计规范》（JTJ/T 006-98）等行业标准，这些规范对高速公路建设的生态环境保护、景观与绿化设计等做了原则性的规定，规定应充分调查沿线的工程地质、地形地貌、水土状况、气候条件、植被种类等综合采用生物防护和工程防护措施，做好水土保持工作，同时，选用适当的乡土植物对路基边坡、廊道进行绿化，防止水土流失[1-2]。建设部也发布了《城市道路绿化规划与设计规范》，提出在节约水资源基础上、复合生态环境的基础上进行景观设计[3]。

因此，在绿色廊道的设计中，选择节水型植物就成为当前研究的热点，研究植物节水的主要指标是植物的耗水性，而体现植物耗水性能的重要指标就是植物系数kp（又叫作物系数）[4]。目前，在农业上，我国学者已经通过采用FAO推荐的Penman-Monteith方法和试验测得了包括小麦、棉花、玉米等作物的参照作物需水量和逐月的作物系数[5]。随着城市园林绿化的快速发展，也有不少学者通过借鉴农业的研究方法得出了不同植被类型园林植物的植物系数[6-7]。利用参照作物需水量和植物系数可以估算出植物实际需水量。

因此，本研究针对G1京哈高速公路绿色廊道的实际情况，选择10个标段中6种有代表性的植物油松Pinus tabulaeformis、桧柏Sabina chinensis、高杆金叶榆Ulmus pumilacv.Jinye、红叶李Prunus cerasifera、马蔺Iris lacteavar.chinensis、五叶地锦Parthenocissus quinquefolia为研究对象，利用Penman-Monteith公式计算潜在蒸散量，运用水量平衡方程计算实际需水量，并通过研究土壤含水量对植物生长影响，计算出6种植物的植物系数kp，并对其与水分的相关性进行比较评价。研究结果对G1京哈高速公路沿线景观设计中植物的选择具有重要的参考价值，同时对灌溉用水量的精准测算具有指导意义。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

研究区位于G1京哈高速公路京秦段，地处东亚大陆东岸，北纬39°21´～39°59´，东经116°20´～118°50´。位于北京市东部，天津市北部及东南部，河北省东北部。西接北京市香河县、天津市宝坻区，北接河北省玉田县，横跨46县。受蒙古高压的影响，属暖温带半湿润大陆性季风气候。一年之中四季分明，春秋短，冬夏长，年平均气温10～12℃，年平均降水量630～650 mm。

G1京哈高速公路京秦段绿色廊道工程竣工于2015年，属于人工植被群落。本研究主要对景观节点（包括互通区、立交区、中央分隔带、景区景点、服务区收费站景观带）的油松、桧柏、高杆金叶榆、红叶李、马蔺、五叶地锦6种植物进行研究。

1.2 试验方法

试验时间为2016年4-10月。运用常规林业调查法，每月中旬在沿线随机选取有油松、桧柏、高杆金叶榆、红叶李、马蔺、五叶地锦6种植物的样方1 m×2 m，同种植物样方试验重复3次。所有样方采用人工土钻取土烘干称重法测定土壤含水量，田间持水量测量采用环刀法进行室内测定，从4-10月每月中旬测定1次，3次重复取平均值。

各样地取土深度为0～0.5 m，其中0～0.1 m土层每隔10 cm采集土样，0.1～0.5 m土层每隔20 cm采集土样，考虑深度和含水量的变化计算剖面平均含水量，并计算土壤剖面储水量。

选取试验区内无病虫害、长势良好的植物作为被调查对象，采用平均法计算各种植物的规格，如表1。

表1 调查植物平均规格

1.3 数据来源

本文计算参照作物蒸散量所采用的气象数据为国家气象局中国气象局网和G1京哈高速公路京秦段绿色廊道工程沿线卢龙县、迁安市、滦县、丰润区、抚宁区、秦皇岛6地的地面气象站1981-2010年逐月气象数据包括月平均日照时数、月平均气温、月最大降水量、月平均日照时数、月平均风速、月平均相对湿度等气象数据，见表2。

1.4 参照作物蒸散量的计算

FAO推荐的Penman-Monteith方法是目前农业上采用最多的计算可能蒸散量的方法，也是目前最新的理论方法，在农业上称为参考作物蒸散量。这里定义可能蒸散量为一种假想参照作物冠层的蒸散速率，假设作物植株高度为0.12 m，固定的作物表面阻力为70 m·s-1，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面而水分充分适宜的绿色草地的蒸散量。FAO Penman-Monteith修正公式表达如公式（1）：

式中：PE为可能蒸散量（mm·d-1）；Rn为地表净辐射（MJ·m-2·d-1），是指收入的净短波辐射和支出的净长波辐射之差；G为土壤热通量（MJ·m-2·d-1），运用复杂模式可以计算出，相对于净辐射Rn来说，土壤热通量G是很小的量，特别是当地表植被覆盖，计算时间尺度是24 h或更长。Tmean为平均气温（℃）；u2为2 m高处风速（m·s-1）；es为饱和水气压（kPa）；ea为实际水气压（kPa）；△为饱和水气压曲线斜率（kPa·℃-1）；γ为干湿表常数（kPa·℃-1）。计算理论来自联合国粮农组织FAO及我国气象局推荐的Penman-Monteith的相关计算方式[8]。

表2 G1京哈高速京秦段绿色廊道工程沿线累年气象数据（1981-2010年）

1.5 植物需水量的计算

植物需水量是指植物生长期内总吸水量与净余总干物质重量（扣除呼吸作用的消耗等）的比率，由于植物所吸收的水分绝大部分用于蒸腾，所以需水量一般等同于作物蒸散量ETc（mm·d-1）。

农业上，作物实际需水量ETc（mm·d-1），是参照作物蒸散量PE与“作物系数”kc的积，如公式（2）

根据各地的试验，作物需水系数kc不仅随作物而变化，更主要的是随作物的生长阶段而异。生长初期和末期的kc较小，中期的kc较大。有植物和水利研究人员认为，林业和景观绿化的植物需水量可以用植物系数kp来计算[4]，因此景观绿化植物的需水量公式为：

也就是说体现植物耗水特征的重要指标就是植物系数kp，我国学者已取得了不同自然类型区内小麦、玉米、棉花等主要作物逐月的和全生长季的作物系数，并用于估算作物需水量[5]。20世纪90年代以来，许多学者开始将作物需水量的计算方法应用到林业、自然植被群落、园林绿化上，采用参考植物的潜在蒸散量和植物系数来计算植被生态需水量[9-11]。这些研究者所用的植物系数大多是在假定土壤水分适宜植物生长的情况下获得，未考虑土壤水分亏缺对植物的限制作用，而在高速公路廊道的特殊地域环境下和干旱胁迫下，植物受水分供给影响的生长限制不能忽略。因此，要计算出植物需水量就必须计算出植物系数kp。

根据作物系数的定义，考虑土壤供水状况的影响，植物系数[12-14]

式中：kp为植物系数；ETa为某a时段实际蒸散量；f（θ）为土壤水分限制因子，称为土壤水分修正函数；θ为土壤质量含水量(%)；PEa为某a时段参照蒸散量。

ETa通过以下公式计算，根据HOLMES的理论，干旱或半干旱区计算植物蒸散量，可以忽略深层渗透量[15]，按照水量平衡方程式，在没有灌溉补充水分前提下，可以简化为公式（5）：

式中：ETa为某a时段实际蒸散量(mm)；P为a时段降水量(mm)；R为生长期地表径流量(mm)，地表径流量用径流系数方法计算（表3）；△Sa为a时段土壤储水量(mm)。

表3 径流系数

径流系数的地区差异：α值变化于0～1，湿润地区α值大，干旱地区α值小。我国台湾地区河流年平均径流系数>0.7，表明径流十分丰富；径流贫乏的海滦河平原，年平均径流系数仅有0.1。根据计算时段的不同，可分为多年平均径流系数、年平均径流系数和洪水径流系数等。径流系数综合反映流域内自然地理要素对降水-径流关系的影响。

f（θ）水分限制因子的计算，采用非线性水分修正函数，见公式（6）[16]：

式中：θf为田间持水量(%)；c为拟合参数。由公式(6)可知，当根系层土壤平均含水量大于或者等于田间持水量时f（θ）=1，植物生长不受水分限制。

2 结果与分析

2.1 G1京哈高速公路绿色廊道生长期参照作物蒸散量的月变化

根据公式（1），计算参考作物需水量，利用G1京哈高速京秦段绿色廊道6地气象站的多年平均统计结果，按照国家GB/T 20481-2006标准，分别计算Tmean，u2，Δ，es，ea，Rn，G，γ，其中日平均气温Tmean取每日最高气温和最低气温平均值。es饱和水气压以当时段日最高气温、日最低气温计算出来的饱和水气压的平均值，结果见表4。由表4可以看出，整个生长期，参照作物需水量呈单峰型曲线，6月达到峰值，为187.2 mm，7-9月的参考作物需水量降低，10月达到最低值，为59.1 mm。整个生长期总体参照作物需水量平均为786.6 mm。

表4 G1京哈高速京秦段绿色廊道工程植物生长期参照作物蒸散量的月变化mm

2.2 6种植物生长期植物系数kp

6种植物在生长期各月的植物系数见图1。

图1 6种植物生长期植物系数

由图1可知，6种植物的植物系数在4、5月较低，随着时间的推移开始逐渐走高，到7、8月达到峰值，后又迅速降低直至生长期结束。生长初期，植物对水分的需求较小，随着生长中期的到来，对水分的需求会有一个高峰，至生长末期对水分的需求也降低到原始水平。同时，方差分析结果表明（表5），6种植物在整个生长期的植物系数不仅种间具有极显著差异，各个生长月也有极显著差异（p＜0.01）。6种植物整个生长期的植物系数平均值表现为：红叶李＞高杆金叶榆＞马蔺＞油松＞桧柏＞五叶地锦。由此可知，一年移栽的植物中，阔叶灌木具有比针叶乔木和草本更大的植物系数，对水分的需求更大。

表5 6种植物不同月份植物系数kp的方差分析

2.3 6种植物生长期需水量

依据公式（3）计算G1京哈高速公路绿色廊道6种植物需水量结果见图2。数据显示，整个生长期，红叶李需水量最高为828.83 mm，其次为高杆金叶榆770.51 mm，五叶地锦的需水量最低583.09 mm，油松、桧柏和马蔺分别为655.91 mm、640.28 mm和691.66 mm。整体上来说，阔叶灌木比针叶乔木和草本对水分需求更大，可能与灌木自身生理特性和生态特性有关。

图2 6种植物生长期需水量

3 讨 论

本文通过植物生长期的试验研究和相关地区气象资料，计算了G1京哈高速公路绿色廊道植物参照作物蒸散量和6种植物的植物系数，进而计算出植物的实际需水量。

3.1 整个生长期，参照作物需水量呈单峰型曲线，6月达到峰值，为187.2 mm，7-9月的参考作物需水量降低，10月达到最低值，为59.1 mm。整个生长期总体参照作物需水量平均为786.6 mm。

3.2 6种植物的植物系数在整个生长期均呈现单峰型曲线，各个生长月的植物系数和品种间均有显著差异，6种植物整个生长期的植物系数平均值表现为：红叶李＞高杆金叶榆＞马蔺＞油松＞桧柏＞五叶地锦。阔叶灌木具有比针叶乔木和草本更大的植物系数，对水分的需求更大。

3.3 6种植物在整个生长期总需水量呈现：红叶李＞高杆金叶榆＞马蔺＞油松＞桧柏＞五叶地锦，即红叶李的需水量较大，五叶地锦的需水量较小。

［1］JTJ005-96.公路建设项目环境评价规范(试行［)S］.

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（责任编辑：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

河北省交通运输厅科技计划项目（Y-2014024）。

刘维权（1977-），男，工程师，从事园林绿化工作。E-mail：62643535@qq.com。