北京延庆平原区主要造林树种生态需水估算*

董熙，周静平，胡海棠，郝应富，陶欢，李存军

(1.北京农业信息技术研究中心，北京 100097；2.红塔烟草(集团)有限责任公司，云南 玉溪 653100)

2012年春北京市启动百万亩平原造林工程，至2014年底工程主体任务完成。平原造林工程是促进可持续发展所实施的重大生态工程和民生工程[1]。平原造林作为城市景观，是城市环境的重要组成，环境、社会和经济效益大。保障百万亩平原造林生长并充分发挥生态效益必然会消耗一定的水量，而水资源已是制约北京市可持续发展的一个重要问题，因此，调整农业结构、推荐农业节水和发展现代林业等问题迫在眉睫[2]。平原造林地除了工程节水、设备节水外，合理灌溉及如何提高水分利用效率也是重要的研究内容，这些方法应用的首要工作是估算人工林地水分需求[1]。

近年来，随着中国新时期生态文明目标的提出及建设，百万亩造林、退耕还林等一系列生态环境建设工程的实施，对于植被生态需水的研究也越来越受到重视。生态需水是指为了保证植被生态系统健康生长，并确保其生态服务功能得到正常发挥而必须消耗的一部分水量[3]。在人工造林区人工林地的生态系统中，系统蒸散耗水量是其主要的水分支出项[4],因此本文将其作为森林生态系统的生态需水量。本研究以平原造林地主要人工造林树种刺槐(Robiniapseudoacacia)、杨树(Populuscanadensis)和油松(Pinustabulaeformis)为研究对象，通过对主要造林树种的生态需水估算，以期为后续人工林地的养护管理决策提供理论支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

北京延庆位于北京市西北部，年降雨量较少，土壤水分亏损。延庆平原造林地以杨树、刺槐和油松为主，大多为2012年退耕还林(草)政策实施后栽植。于2014年分3次对平原林地地区进行调研，采集树种GPS坐标、树木基本影像信息等，将GPS定位仪记录的不同树种覆盖样点坐标与遥感影像相对应，后期根据采集回来的影像信息确定典型树种。研究区人工林地大多数为纯林地，林内多种树种共存的情况极少，林地群落具有明显的单优性特点，林内优势树种相同，所以选择主要造林树种代表该地区。

1.2 人工林地生态需水定额的计算方法

1.2.1 生态需水定额的计算方法

对于人工林地不同树种的生态需水量的计算，根据联合国粮农组织(FAO)的推荐，考虑不同种类人工林的覆盖面积(Ap)，其计算公式为ET=ET0×KC×Ks×Ap×10-3①，式中，ET为植被生态需水量(m3)；ET0为参考作物蒸散量(mm/d)；Kc为植被系数；Ks为土壤水分系数；Ap为树种分布面积(hm2)[5]。

1.2.2 林木的主要耗水时段

延庆人工造林地区典型造林树种均为移栽树种，到2014年为止移栽时间2-3年左右。林地的耗水时段主要集中在生长季节，即每年的4-10月。因此，在计算延庆人工造林耗水支出时，亦以其生长季(4-10月)作为生态需水量的计算时段。

1.2.3 参考作物蒸散量ET0的计算

使用Penman-Monteith公式，采用气象站逐日、逐月气象数据，计算延庆研究区内逐日、逐月参考作物蒸散量(ET0)，最后根据模型确定参考作物的生态需水量。

1.2.4 土壤水分系数Ks值

Jensen公式可以用来确定土壤含水水分供应不充足的情况下，人工林地的实际蒸散量随土壤水分含量的变化情况[7]。根据Jensen公式，当Sw≤S≤S*时，有，Ks=ln[(S-Sw)/(S*-Sw)×100+1]/ln101③。式中，S为土壤实际含水量；Sw为土壤凋萎含水量；S*为土壤临界含水量。

得到了人工林地的土壤临界含水量(S*)、土壤暂时凋萎含水量(St)、土壤凋萎含水量(Sw)和生长阻滞含水量(Sr)，林木暂时凋萎含水量(St)和生长阻滞含水量(Sr)分别是能保证林木基本生存和正常生长时的土壤含水量下限，将S=Sr和S=St分别代入公式，就可以得到相应的Ks值[8]。

1.3 生态缺水定额的计算方法

植被生态缺水计算公式为，QEWP=ETP-Pe④;SEWP=QEWP×AP×10-3⑤。式中，QEWp为植被生态缺水定额(mm)；ETp为植被生态需水定额(mm)；SEWp为植被生态缺水量(m3)；Pe为生长期有效降雨量(mm)，其计算公式为，Pe=α×P⑥。式中，α为降雨入渗系数，当一次降雨小于5mm时，α=0；当一次降雨在5-50mm之间时，α=1；当一次降雨>50mm时，α=0.7-0.8；P为日降雨量(mm)[9-10]。

2 结果与分析

2.1 植被系数Kc

林木系数Kc是运用Penman-Monteit公式、参考作物蒸散量来计算作物需水量或实际蒸散量的关键性参数。本研究限于实验仪器设备等原因，暂无法精确获得Kc，所以本文所用的植被系数Kc是借鉴前人[9-10]以及结合本文试验地的实际情况确定的(表2)。

表2 生长期各月份植被系数Kc

2.2 土壤水分系数Ks值

根据Jensen公式来计算延庆地区平原林地的土壤水分修正系数。计算各值见表3。

表3 土壤水分修正系数Ks

2.3 主要造林树种的面积

利用0.5m分辨率的Pleiades卫星数据，通过ENVI软件对不同树种进行面向对象分类，利用ArcGIS软件制作不同树种的矢量图并进行面积统计，获得不同树种的面积(图1)。本研究只针对林地中的典型树种的生态需水进行估算，其他树种以及地被植物不做考虑，主要造林树种面积见表4。从表4可以看出，杨树林分面积最广，为1 152hm2，油松林分面积次之，为452hm2，刺槐林分的面积为228hm2。

图1 不同树种面积矢量图

hm2

2.4 适宜与最小的生态需水定额

人工林地生态需水量就是该地区人工林生态系统的蒸散耗水量，其大小受气候、林木种类以及土壤水分条件的综合影响[10]。典型人工林造林树种生态需水各参数值及生长季各月平均最小生态需水量见表5。计算结果与叶兵[11]、陈丽华等[12]的研究结论相符合。

表5 生长季典型造林树种各月平均最小生态需水量

由表5可知，不同树种的人工林的生态需水定额主要集中在6-8月，4月、10月的生态需水定额较低。生长季主要人工林树种最小生态需水量分别为刺槐150.38mm、杨树179.00mm、油松116.97mm。这是由林木的生长状况及生物量决定的，油松为针叶幼龄林，枝叶不茂盛，生物量较小，所以蒸散量较小；刺槐、杨树枝叶茂盛，生物量较大，所以蒸散量较大。

图2 生长期各树种最小生态需水量变化趋势

3种典型造林树种的最小生态需水量均在8月出现峰值，是生长期林地需水的转折点，4-8月呈上升趋势，8-10月呈下降趋势。在生长期6月，油松的最小生态需水量高于刺槐林的最小生态需水量，在生长期末段10月，杨树的最小生态需水量与刺槐的最小生态需水量基本持平。

人工林地不同树种生态需水各参数值及生长季各月平均适宜生态需水量见表6。

表6 生长期典型造林树种适宜需水量

生长季适宜生态需水量为刺槐364.13mm、杨树432.58mm、油松282.74mm，虽然造林树种不同，但其生态需水量均主要集中在6-9月份，占植被生长期总需水的65%左右，同最小生态需水量的情况相同，生态需水量的最小值月均为4月。

图3 生长期各树种适宜生态需水量变化趋势

研究区适宜生态需水量4-8月呈上升趋势，8-10月呈下降趋势，大致都呈抛物线形变化。8月是研究区主要人工林树种生态需水量的峰值，即8月是该区人工林主要树种蒸散的峰值，这和8月的气候条件有关。8月份研究区平均气温达22.81℃，最高气温达32.4℃，人工林地蒸散强烈，则该月人工林地的生态需水量相应最高。

油松、刺槐和杨树林地的最小生态需水量和适宜生态需水量在4月均比较接近，这主要是由于在4月份研究区气温较低，并且降水量也较少，平均温度仅为14.17℃，典型人工林树种的枝叶才刚刚开始萌发，各项生理活动强度还较低，随着温度的升高各项生理活动强度也逐渐升高。

2.5 实际生态需水量

在植被蒸散理论的基础上，根据解译遥感影像数据得到人工林地不同树种面积分类结果，将3种主要造林树种的蒸散量与植被覆盖面积(Ap)相乘，得到这3种主要造林树种的生态需水量(表7-表8)。

表7 典型造林树种生长期最小实际需水量

从表7-表8可以看出,2014年研究区人工林地的主要3种造林树种的最小实际需水量分别约为刺槐343.53m3、杨树2 062.08m3、油松528.84m3；适宜实际需水量为刺槐830.22m3、杨树4 983.67m3、油松1 278.12m3，在生长期3种主要造林树种的总适宜生态需水量为7 092.0m3。

表8 典型造林树种生长期适宜实际需水量

2.6 生态亏缺水量

2.6.1 最小生态亏缺水量

生长季延庆研究区主要造林树种的最小生态需水量依次为刺槐150.38mm、杨树179.00mm、油松116.97mm。与同期降水量相比较，无论是哪种主要造林树种，即使是在枯水年份，降雨量仍然大于生态需水量，所以降雨量可以满足人工林地主要造林树种在生长期生理活动所需要的水分。即研究区人工林地在最小生态需水量等级下未发生水分亏缺，生长期的降雨量可以至少保证人工林地主要造林树种的基本生存需水量。

表9 2014年生长期各树种生态需水定额

2.6.2 适宜生态亏缺水量

北京延庆人工林地主要造林树种生长季的适宜生态需水量分别为刺槐364.13mm、杨树432.58mm、油松282.74mm。同期有效降水量与生态需水量相比，仅平水年和丰水年能满足主要人工林的适宜生态需水量。而在2014年为枯水年，生长季的刺槐、油松、杨树生态需水量均大于同期有效降雨量(表9)，生态亏缺需水量为刺槐90.59mm、油松8.20mm、杨树138.04mm。

上述结果表明北京延庆典型造林树种在丰水年和平水年可以正常生长发育，并且没有出现由于缺水造成的林木生长不良、长势衰弱等问题。但枯水年不能保证典型人工造林地树种的正常生长发育。在2014年，降雨量不足，发生干旱，部分区域以人工灌溉补充水分，与实地调查以及咨询相关管理部门的情况基本吻合。

3 结论与讨论

本文从林地水量平衡理论和内涵出发，分析了延庆人工造林区林地典型造林树种的主要耗水支出，并在分析气候因子、土壤水分含量以及林木本身种类对林地耗水影响的基础上，在ENVI、GIS的支持下，结合研究区的高分遥感影像数据、地面气象资料，计算了该地区林地生长季的最小生态需水定额和适宜生态需水定额[13]。并在此基础上结合现有典型造树种的面积分布，计算了研究区典型造林树种的最小生态需水量和适宜生态需水量。研究结果表明，刺槐、杨树和油松最小生态需水量分别是150.38mm、179.00mm和116.97mm，适宜生态需水量分别为364.13mm、432.58mm和282.74mm。适宜生态需水条件下，研究区人工林地的主要3种造林树种的最小实际需水量分别约为刺槐343.53m3、杨树2 062.08m3、油松528.84m3；适宜实际需水量为刺槐830.22m3、杨树4 983.67m3、油松1 278.12m3。枯水年，刺槐、杨树、油松生态亏缺水量分别为90.59mm、138.04mm和8.20mm。

Penma-monteith是确定农田参考作物蒸散量的标准方法[14]。它同时考虑了气象因素和动力学因素，使得计算结果更符合实际情况，已经得到大量实例的成功验证。该计算方法在农作物需水量计算中应用较广，而本文则将其应用在人工林地生态需水量的计算上。生态需水目前尚处于起步阶段,在具体研究方法上也存在着需要改进的地方。在本文的计算方法中未能体现植被类型之间的具体差异,因此应进一步深入研究不同植被类型的耗水差异及其耗水的生理生态机制，进一步完善植被耗水量的计算方法。

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