G1京哈高速公路绿色廊道植物灌溉需水量研究

张 乾

(河北省高速公路京秦管理处，河北 秦皇岛 066000)

高速公路绿色廊道的建设是国土绿化的重要部分，对于保护和修复公路沿线受破坏的自然生态系统、行车安全和区域文化衔接及传承具有重要的作用。国内外高速公路绿化人员及相关专家对于景观设计、植物选择、绿化施工、施工技术、绿化效果等实践和理论进行不断地探索。早在20世纪60—70年代，欧美、日本就相继出台了有关公路建设和绿化的法律法规及规范性文件，如1965年美国制定了《公路美化规定》，1975年前苏联制定了《公路建筑和景观设计规范》，日本于1965年颁布了《日本干线公路环境保护法规》，又在1976年制定了《公路绿化技术基准》[1]。与此同时，道路生态学也在欧美各国蓬勃发展，2002年以R.T.T.Forman教授为首的景观生态学家们在多年研究的基础上出版了《道路生态学：科学与解答》一书，为公路的生态恢复提供了科学的理论与方法[2]。

公路的生态恢复包括对路基边坡、廊道的植被恢复以及水土保持[3-4]。建设部也发布了《城市道路绿化规划与设计规范》，提出在节约水资源与复合生态环境的基础上进行景观设计[5]。2015年联合国发表《世界水资源开发公告》指出，全球滥用水的情况非常严重，并且我国是严重缺水的国家之一。从目前的走势来看，到2030年，世界各国将面临“全球水亏缺”。灌溉是农林业的根本，而精准灌溉就是一种有效地节水措施。因此，如何实现精准灌溉就成为农林业研究人员研究工作的重点之一。

本研究选取G1京哈高速公路绿色廊道北戴河互通区5种植物：红叶李(PrunuscerasiferaEhrhart f.atropurpurea(Jacq.)Rehd.Prunus simonii)、连翘(Forsythiasuspensa(Thunb.)VahlPrunus cerasifera Ehrh.)、高杆金叶榆(Ulmuspumilacv.Jinye.)、迎春(JasminumnudiflorumLindl.Jassminum nudiflorum)和油松(PinustabulaeformisCarr.Pin.Tab.)，运用Penman-Monteith方法计算参照作物蒸散量，并通过试验测得植物系数，计算植物需水量，利用有效降雨量，最终计算植物灌溉需水量，并运用回归分析拟合植物系数与灌溉需水量的关系，建立预测灌溉需水量模型。研究结果对G1京哈高速公路植物养护具有实际意义，同时为灌溉用水量的精准测算提供一种切实可行的方法。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于G1京哈高速绿色廊道北戴河互通区，地处东亚大陆东岸，北纬39°21′—39°59′、东经116°20′—118°50′。地处北半球中纬度暖温带，季风型大陆性气候，受中国东部沿海季风环流的影响，海洋性特征明显，多风、湿度大、雨量适中，四季分明，春秋短，冬夏长，年均气温10～12 ℃，年均日照时间2700～2850 h；年均气温8.8～11.3 ℃；盛夏日平均气温22～25 ℃，空气湿度较大，年均湿度65%，年均降水量630～650 mm。G1京哈高速公路京秦段绿色廊道工程北戴河互通区竣工于2015年，属于人工植被群落，坡度小于10°。

1.2 试验方法

2016年4—10月。在研究区域选取含有油松、红叶李、高杆金叶榆、连翘和迎春5种植物种的3个样方，每个样方15 m×5 m，长边与坡向平行，垂直于等高线。各样方每种植物选取3株无病虫害、长势良好的植株作为被调查对象，调查树高、胸径或地径，采用平均法计算各种植物的规格，详见表1。

采用人工土钻取土烘干称重法测定土壤含水量，采用环刀法测量田间持水量[6]。取样深度分别为0～10、10～30、30～50 cm，4—10月每月中旬测定1次，各样方3次重复取平均值。根据土层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。

表1 调查植物平均规格

*：H为株高；D为胸径；d为地径。

1.3 气象数据来源

本文计算参照作物蒸散量所采用的气象数据为中国气象局网和秦皇岛地面气象站1981—2010年逐月气象数据，包括月平均日照时间、月平均气温、月最大降水量、月平均风速、月平均相对湿度等气象数据(表2)。

表2 G1京哈高速京秦段绿色廊道工程北戴河互通区累年气象数据(1981—2010年)

*：资料来源于中国气象局网及秦皇岛气象站。

1.4 数据处理及计算依据

1)参照作物蒸散量计算依据：采用国家气象局发布的GB/T 20481—2006中推荐的FAO的Penman-Monteith方法[7]。该方法是目前农业上最新的计算参照作物蒸散量的方法。

(1)

式中：PE为可能蒸散量(mm·d-1)；Rn为地表净辐射(MJ·m-1·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，特别是当地表被植被覆盖，计算时间尺度是24 h或更长时；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)；Δ为饱和水气压曲线斜率(kPa·℃-1)；γ为干湿表常数(kPa·℃-1)。

2)植物系数计算依据：体现植物耗水特征的重要指标就是植物系数kp，是一种有效估算作物需水量的方法[3，8-9]。在高速公路廊道的特殊地域环境及干旱胁迫下，植物受水分供给影响的生长限制不能忽略。因此，根据作物系数的定义，考虑土壤供水状况的影响，植物系数可用下式计算[10-14]：

(2)

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的计算，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：ETa=P-R+ΔSa，式中：ETa为某a时段实际蒸散量(mm)；P为a时段降雨量(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，按照GB 50015—2009中公园绿地的径流系数α=0.15；ΔSa为a时段土壤储水量(mm)[16]。

f(θ)水分限制因子采用非线性水分修正函数[16]计算：

(3)

式中：θf为田间持水量(%)；c为拟合参数。由(3)式可知，当根系层土壤平均含水量≥田间持水量时f(θ)=1，植物生长不受水分限制。

3)植物需水量计算依据：农业上，作物实际需水量ETc，是参照作物蒸散量PE与“作物系数”kc的积。林业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来计算植物群落的植物系数[9]，因此本文计算景观绿化植物的需水量公式为：ETc=kpPE。

4)灌溉需水量计算依据：由于互通区绿化地势较为平稳，土壤性质较为单一，植被生境气候往往具有城市景观绿地的特征，即小气候影响较为严重。干旱、寒冷、炎热、雨涝季节等极端气候对这一地带的影响较其他区域大。同时在绿化造景方面有特殊的文化和功能意义，在植物选择、植物配置上更精细，因此绿地养护的精细程度以及生境条件与农作物栽培类似，所以计算灌溉需水量的方式也参考农作物[8]，表示为：Si=ETc-Pe，式中：Si为灌溉水量；Pe为有效降水量。

2 结果与分析

2.1 G1京哈高速公路绿色廊道北戴河互通区参照作物需水量

由表3可看出，整个生长期，参照作物需水量呈低—高—低的单峰型变化，6月达到峰值，为187.9 mm；而10月达到最低值，仅为55.6 mm。根据公式(1)可以看出参照作物蒸散量受气温和光照、风速等影响因子的增强而增强，实际计算结果与理论判断一致。8月、9月的参考作物需水量降低，可能是因为绿色廊道工程北戴河互通区在这2个月的降水量较大，导致实际水汽压高，与理论判断一致。

表3 G1京哈高速京秦段绿色廊道北戴河互通区植物参照作物蒸散量的月变化

2.2 植物系数kp

由表4可看出，5种植物的植物系数在4月、5月较低，随着时间的推移开始逐渐走高，到7月达到峰值，后又迅速降低直至生长期结束。整个生长期5种植物的平均植物系数大小依次为：红叶李>连翘>高杆金叶榆>迎春>油松。

表4 植物生长期植物系数

2.3 植物需水量

从表5可看出，5种植物需水量大小依次为：红叶李(757.19 mm)>连翘(740.47 mm)>迎春(709.76 mm)>高杆金叶榆(706.43 mm)>油松(604.10 mm)，表明油松比其它植物更节水。整体看来，6—8月3个月的植物需水量比其它月份多，可能的原因是G1京哈高速公路绿色廊道北戴河互通区的植物在6—8月处于生长高峰期，8月比6月、7月植物需水量较少的原因是空气湿度较大，导致大气水汽压过高，蒸散量随之降低。4—5月为植物生长初期，相对其他月份，需水量较低，进入9—10月植物生长进入末期，相应需水量也较低。在整个生长期，植物需水量呈现低—高—低的单峰型变化。

表5 5种植物需水量

2.4 灌溉需水量

从表6可看出，整个生长期中植物在4月、10月的灌溉需水量为负值，即有效降水量可以满足植物对水分的需求，不需要额外补充水分。整个生长季，植物灌溉需水量从5月开始，呈低—高—低的单峰型变化，绝大多数植物种的最大灌溉需水量出现在6月，7月次之。可以看出灌溉需水量的变化符合植物的生长规律，在快速生长期相应的灌溉需水量增大，在生长进入缓慢时灌溉需水量减少。

表6 5种植物灌溉需水量

2.5 灌溉需水量与植物系数回归预测模型

通过前面的论述，植物的灌溉需水量与植物系数有相关性，利用SPSS软件，分别将植物系数与灌溉需水量进行回归关系来预测灌溉需水量，结果见表7。从回归预测分析来看，这5种植物的植物系数与灌溉需水量具备正相关的回归关系，R2值均大于0.8，回归拟合优度比较高，可以作为利用植物系数预测灌溉需水量的模型。如果能增加多年的植物系数和灌溉需水量数据，那么拟合的回归关系将更加贴合实际。

表7 G1绿色廊道北戴河互通区植物灌溉需水量(y)与植物系数(x)的回归模型

3 结论与讨论

通过对G1京哈高速京秦段绿色廊道北戴河互通区5种植物参照作物需水量研究结果表明：5种植物需水量随月份呈低—高—低的单峰型变化，6月达到峰值，一方面与植物的生长规律相吻合，另一方面也是受气象因子影响所致；5种植物的植物系数也随月份呈单峰型变化，且整个生长期内5种植物的平均植物系数大小依次为：红叶李>连翘>高杆金叶榆>迎春>油松；各植物需水量在整个生长期随月份也呈单峰型变化，各植物需水量大小依次为：红叶李>连翘>迎春>高杆金叶榆>油松，可见，油松需水量最小，最节水，其次为高杆金叶榆、迎春等；整个生长期中，5种植物灌溉需水量从5月开始，呈单峰型变化，其中6月、7月灌溉量最大；对灌溉需水量与植物系数的回归预测模型拟合结果表明，二者之间呈正相关的回归关系，且R2值大于0.8，回归拟合优度比较高，可以作为利用植物系数预测灌溉需水量的模型。

灌溉用水量的精准测算是节水灌溉的研究基础，只有准确测量植物灌溉需水量，才能有效地达到节水灌溉的目标。华北地区是我国最严重的缺水区域之一，降水和需水严重不平衡，同时高速公路地域偏远，远离城市，供水极其困难。因此通过精准地测量植物灌溉需水量就成为绿色廊道节水的重要措施。

本文参考农业精准灌溉研究方法，结合高速公路绿色廊道特殊地域和生境条件，选取G1京哈高速公路绿色廊道北戴河互通区5种植物红叶李、连翘、高杆金叶榆、迎春和油松，运用Penman-Monteith方法计算参照作物蒸散量，并通过试验测得植物系数，计算植物需水量，利用有效降雨量，最终计算植物灌溉需水量，并运用回归分析拟合植物系数与灌溉需水量的关系，建立预测灌溉需水量模型。研究结果对G1京哈高速公路植物养护具有实际意义，同时为灌溉用水量的精准测算提供一种切实可行的方法。

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