G1高速公路绿色廊道植物系数对比研究

梁 琪

(河北省高速公路京秦管理处，河北 秦皇岛 066000)

G1高速公路绿色廊道植物系数对比研究

梁 琪

(河北省高速公路京秦管理处，河北 秦皇岛 066000)

以G1京哈高速京秦段k250+800-k259中北戴河互通区和路侧边坡的油松、红叶李、高杆金叶榆、连翘、迎春5种植物为研究对象，利用当地气象数据，运用Penman-Monteith公式计算参照作物蒸散量；分别测定土壤剖面含水量、田间持水量和径流量，运用公式计算植物系数，探讨植物的需水量。结果表明：①整个生长期，参照作物蒸散量由低到高，再到低，呈单峰型变化，6月达到峰值，为187.9 mm，而10月达到最低值，仅为55.6 mm。② 5种植物平均植物系数大小排序为红叶李>连翘>高杆金叶榆>迎春>油松，植物需水能力反之。红叶李、连翘、迎春和油松在路侧边坡的植物系数均低于互通区，说明这4种植物对外界土壤含水量有较高的敏感度；高杆金叶榆在2个区域的植物系数无差别，说明敏感度低，对外界土壤含水量的变化适应能力也更强。

高速公路；绿色廊道；参照作物蒸散量；植物系数

随着高速公路建设的快速发展和大规模建设，对其路域范围内的生态环境和生态系统产生了较大的干扰和破坏。大量的填挖工程，施工期长，施工场地范围大，对原始地貌、植被造成了破坏，导致了生态环境恶化，生态系统失衡。高速公路绿色廊道工程是高速公路建设工程的一部分，因此，也具有绿化工程周期长、覆盖区域广、形式种类多、路域生态环境复杂的特点。具体表现为由于挖填土木工程导致的绿化土壤环境的破坏引发的水纹、微生物生态、土壤中氧气微循环、土壤基质变化给绿化及景观设计带来了一定的难度。同时使得高速公路绿色廊道普遍存在植物赖以生存的土壤贫瘠、保水性差、植被生长差等现象，尤其是在北方地区炎热的夏天如果不进行灌溉养护，便会严重影响廊道景观品质。因此，开展高速公路绿色廊道植物耗水规律的研究，科学实现绿色廊道的养护管理具有重要意义。

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了井喷期。自20世纪90年代以后，我国交通部先后制订了JTJ 005—96公路建设项目环境评价规范(试行)[1]和JTJ/T 006—98公路环境保护设计规范[2]等行业标准，建设部也发布了GJJ 75—97城市道路绿化规划与设计规范[3]，提出在节约水资源、复合生态环境的基础上进行景观设计。

植物系数是体现植物耗水特征的重要指标，需水量较低的植物具有较低的植物系数[4]。自20世纪90年代开始，许多学者开始意识到用植物系数研究农作物需水量，可以对灌溉需水量作出科学预估。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的园林植物的植物系数[6-7]。

本研究针对G1京哈高速公路绿色廊道的生态环境的复杂性，分别选择相同路段G1京哈高速京秦段k250+800-k259中北戴河互通区和路侧边坡的油松(PinustabuliformisCarrière)、红叶李(Prunussimonii)、高杆金叶榆(Ulmuspumilacv.jinye.)、连翘(PrunuscerasiferaEhrh.)、迎春(Jassminumnudiflorum)5种植物作为研究对象，采集当地气象数据，利用Penman-Monteith公式计算潜在蒸散量，运用土钻法和环刀法分别测算植物所在区域土壤剖面含水量和田间持水量，运用公式计算植物系数，利用SPSS软件进行方差分析。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G1京哈高速京秦段k250+800-k259，地处东亚大陆东岸，北纬39°21′—39°59′、东经116°20′—118°50′。位于河北省秦皇岛市北戴河区。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，年平均气温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 ℃，年平均湿度65%左右，年均降水量630～650 mm。

G1京哈高速公路京秦段绿色廊道工程京秦段k250+800-k259竣工于2015年，属于人工植被群落。本研究选取北戴河互通区和京秦段k250+800-k259路侧边坡的油松、红叶李、高杆金叶榆、连翘和迎春5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，选取试验区内无病虫害、长势良好的油松、红叶李、高杆金叶榆、连翘、迎春5种中等规格的植物作为被调查对象，每种植物选取3株作为重复。采用平均法计算各种植物的规格，结果见表1。

表1 供试植物概况

每月中旬采用人工土钻取土，烘干称重法测定土壤含水量；采用环刀法取样，室内测定田间持水量。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。4—10月每月中旬测定1次，3次重复取平均值。根据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。

路侧边坡的径流量采用常规边坡径流试验，在路侧边坡分别选取2 m×2 m的带有目标植物种的样方，每种植物样方重复3次，结果取平均值。在样方下方设置集水槽，统计各月收集的降水量。

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国家气象局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 G1京哈高速京秦段绿色廊道工程京秦段k250+800-k259累年气象数据(1981—2010年)

*：资料来源于国家气象局中国气象局网及当地气象站。

1.4参照作物蒸散量的计算

采用国家气象局发布的GB/T 20481—2006中推荐的FAO的Penman-Monteith方法[8]。该计算方法是目前农业上采用最多的计算参照作物蒸散量的方法，也是目前最新的理论方法。这里定义参照作物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。

(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得出，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)；△为饱和水气压曲线斜率(kPa·℃-1)；γ为干湿表常数(kPa·℃-1)。

1.5植物系数的计算

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、全生长季的作物系数，并用于估算作物需水量[3]。20世纪90年代以来，许多学者开始将植物系数的计算方法应用到林业、自然植被群落、园林绿化上[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，而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[12-14]：

(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)；ΔSa为a时段土壤储水量(mm)。

地表径流量的计算：由于北戴河互通区的植物生境类似于公园绿地，因此参照公园绿地的计算方法[16]，采用降水量与径流系数之积，公园绿地径流系数为0.15；路侧边坡的径流量植物采用边坡径流试验方式测得。

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(3)[17]：

(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。

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(1)式，计算参照作物蒸散量，其中日平均气温取每日最高气温和最低气温平均值。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来计算，结果见表3。由表3可以看出，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。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，原因是绿色廊道工程k250+800-k259所在的北戴河区在这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 植物生长期参照作物蒸散量的月变化

2.2生长期植物系数kp

5种植物在不同区域的生长期各月的植物系数见表4。从表4可以看出，5种植物的植物系数在4、5月较低，随着时间的推移逐渐走高，到7、8月达到峰值，后又迅速降低直至生长期结束。整个生长期5种植物的平均植物系数大小排序为红叶李>连翘>高杆金叶榆>迎春>油松；除高杆金叶榆外，其余4种植物的植物系数均为互通区大于路侧边坡。整个生长期植物系数的差额大小排序为连翘>红叶李>迎春>油松>高杆金叶榆。

利用SPSS软件分别将各植物的植物系数进行不同月份、区域的双因素方差分析，结果见表5。从表5可以看出，只有高杆金叶榆的植物系数在不同区域的P值>0.05，这说明不能拒绝假设，即不同区域的高杆金叶榆的植物系数没有显著差异；而其他P值均<0.05，说明假设不成立，即在不同月份和不同区域油松、红叶李、连翘、迎春的植物系数均有显著差异。从植物系数kp的计算公式可以看出，植物系数与根系对土壤水分的利用和需求能力有重要的相关性，因此也就说明这5种植物在生长期的各月对土壤水分的需求各不相同。从植物系数的差额(表4)可以看出，红叶李、连翘、迎春和油松在路侧边坡的植物系数均低于互通区，说明这4种植物对外界土壤含水量有较高的敏感度。高杆金叶榆在2个区域的植物系数无差别，说明敏感度低，对外界土壤含水量的变化适应能力也更强。其中连翘的植物系数互通区比路侧边坡更大，由于路侧边坡的土壤含水量较低，这说明对生长环境的水分最敏感，红叶李、迎春和油松具有中等敏感度，而高杆金叶榆几乎不敏感。原因可能有2种：一是连翘对土壤的含水量具有较高的感知能力，可以随土壤含水量变化而迅速调整自身需水量，二是连翘根系的蓄水能力差，对外界土壤的水分变化不能及时进行储水。其它植物也具有上述可能性，更准确的结果需要进行根系生理及生态方面的研究。总体看，红叶李对水分的需求最大，其次为连翘、高杆金叶榆、迎春，油松对水分的需求最小。由于目前水资源的缺乏，高速公路绿色廊道在设计中更应选择较为节水的植物。

表4 不同区域植物在生长期的植物系数

3 小结

表5 各植物的植物系数方差分析P值表

*：α=0.05。

本研究选择G1京哈高速京秦段k250+800-k259中北戴河互通区和路侧边坡的5种植物油松、红叶李、高杆金叶榆、连翘、迎春作为研究对象，利用当地气象数据，运用Penman-Monteith公式计算参照作物蒸散量；分别测定植物所在区域土壤剖面含水量、田间持水量和径流量，运用公式计算植物系数；利用SPSS软件进行方差分析。研究结果表明：①整个生长期，参照作物蒸散量由低到高，再到低，呈单峰型变化，6月达到峰值，为187.9 mm，而10月达到最低值，仅为55.6 mm。② 5种植物平均植物系数大小排序为红叶李>连翘>高杆金叶榆>迎春>油松，植物需水能力反之。红叶李、连翘、迎春和油松在路侧边坡的植物系数均低于互通区，说明这4种植物对外界土壤含水量有较高的敏感度；高杆金叶榆在2个区域的植物系数无差别，说明敏感度低，对外界土壤含水量的变化适应能力也更强。

研究结果可为G1京哈高速公路绿色廊道植被灌溉量的精确计算提供参考，对高速公路后期养护灌溉具有实际指导意义。

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ComparativeStudyonPlantCoefficientsofGreenCorridorinG1Expressway

LIANGQi

(Hebeiprovincialhighway，Beijing-Qinmanagementoffice，Qinhuangdao066000，Hebei，China)

Abstract：This paper selectsPinustabuliformisCarrière，Prunussimonii，Ulmuspumilacv.jinye.，PrunuscerasiferaEhrh，Jassminumnudiflorumof roadside slope in Beidaihe interchange area，G1 Jinghagaosu Beijing Qinhuangdao k250+800-k259 as the research object，using the local meteorological data，calculating reference crop evapotranspiration using Penman-Monteith formula respectively；determination of soil moisture profile，soil water and runoff coefficient，calculation formula of the use of plants，the plants need water.The results showed that the whole growth period，reference crop evapotranspiration from low to high to low，a unimodal distribution，the peak in June，187.9 mm in October and reached the lowest value is only 55.6 mm.Compared with the average plant coefficients of five kinds of plants，Prunussimonii>PrunuscerasiferaEhrh.>Jassminumnudiflorum>Ulmuspumilacv.jinye.>PinustabuliformisCarrière，plant water requirement and ability；PinustabuliformisCarrière，Prunussimonii，PrunuscerasiferaEhrh.andJassminumnudiflorumwere lower in roadside slope，indicating the sensitivity of the four plants had higher soil moisture content to the outside world.Ulmuspumilacv.jinye.had no difference in the plant coefficient of the two region shows low sensitivity，stronger ability to adapt to the change of external soil moisture.

highway；green corridor；reference crop evapotranspiration；plant coefficient

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.03.021

2017-01-27；

： 2017-03-24

河北省交通运输厅科技计划项目(Y-2014024)

梁琪(1976—)，男，黑龙江伊春人，河北省高速公路京秦管理处高工，从事公路绿化研究。E-mail：lqi917@163.com。

S731.8

： A

： 1002-7351(2017)03-0106-06