北京平原地区森林、经济植物及农作物耗水特征比较
2018-03-16杨振寅
杨振寅
摘要 为探究比较北京平原地区森林、经济植物和农作物耗水特征,调查了北京平原区7种典型树种造林模式、4种经济植物种植模式和2种主要农业(作物)模式,从植被的耗水特征及对地下水补给的角度评价典型森林、经济植物与农作物耗水特性。结果表明,平原区主要农作物的生育期平均耗水量是687.5 mm,而森林植被和经济植物的耗水量分为419.3 mm和505.6 mm。在一年内,种植小麦和玉米的农田平均耗水量比森林植被的生育期平均耗水量高39.0%,比经济植物生育期平均耗水量高26.4%。平原区森林植被地下水的补给量最高可达93.6 mm,补给量最低也为61.5 mm,其平均补给量为75.9 mm,为农作物补给量的1.9倍。经济植物平均地下水补给量为56.0 mm,为农作物补给量的1.4倍。总体来说,植树造林和种植经济植物对地下水的补给要优于种植农作物,也比农作物更节水。
关键词 森林;经济植物;农作物;耗水特征;北京平原地区
中图分类号 S271;S184;S715 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2018)03-0169-03
平原地区是北京市人口、产业的聚集区和首都功能主要承载区,与山区相比森林总量偏低、生态功能不强[1]。针对这一状况,2012年,结合京津冀一体化生态建设,推进湿地建设和恢复,形成京津保地区大规模生态过渡带,北京市决定实施平原地区百万亩造林工程,营造多处大规模、有特色、多功能的城市森林景观。经过4年的努力,北京平原造林工程建设任务全面完成,共计造林7万hm2、植树5 400万株以上,京昆高速沿线形成面积约2 000 hm2的绿色走廊,北京新机场周边实现绿化3 333.33 hm2 [2]。北京平原地区的森林覆盖率由之前的14.85%提高到25%,全市森林覆盖率由37.6%提高到41%,营造了林海绵延、绿道纵横、公园镶嵌、林水相依的森林景观,全市形成了城市青山环抱、周边森林环绕的生态格局。此外,平原造林工程还实现了7万多名当地农民绿岗就业增收[3]。
1 北京平原地区概况
1.1 基本情况
北京平原地区内地带性植被类型是暖温带落叶阔叶林,并间有温性针叶林的分布,平原区乔木种主要分布在农田和城镇,只在河岸两旁局部洼地发育着以芦苇、香蒲、慈姑等为主的洼生植被,但是多数洼地已经被开辟为鱼塘,在撂荒地及田埂、路旁多杂草;湖泊、水塘中发育着沉水和浮叶的水生植被。造林的主要乔木树种有金叶榆、白蜡、国槐、柳树、杨树、核桃,这些树种适合北京地区的气候条件,节水耐旱、滞尘作用明显。尤其在京津保接壤交界地区,以通州、大兴、房山等区域为重点,建设大片森林,使得北京全市新增666.67 hm2以上绿色板块23处、66.67 hm2以上大片森林210处,50多条重点道路、河道绿化带得到加宽加厚,构建了色彩丰富、绿量宽厚的平原地区绿色廊道骨架[4]。此外,北京平原地区有大片种植苹果树、梨树、桃树和西瓜的经济林地和种植小麦、玉米的农耕地[5-6]。
1.2 气候特征
项目区地处北京平原,地理坐标为东经115.7°~117.4°、北纬39.4°~41.6°,海拔20~60 m,属于暖温带大陆性季风气候区。区域多年平均降水量660 mm,主要集中于6—9月。多年平均气温为11.5 ℃;最冷月(1月)平均气温为-8~-4 ℃,绝对最低气温为-22 ℃;最热月(7月)平均气温为23~26 ℃,绝对最高气温为42.2 ℃。>0 ℃年积温4 100~5 500 ℃,>10 ℃年积温3 600~4 800 ℃,无霜期211 d。降水及温度分布特征见图1。
1.3 主要造林树种、经济树种及农作物概况
1.3.1 典型森林植被。北京地区主要栽植高大乔木和亚乔木,花灌木较少。在北京平原区造林试点进行样地林业调查,调查样地内的乔木树种主要包括国槐、白蜡、杨树+黄栌、金叶榆+火炬树、银杏、柳树。根据实地考察以及向当地相关林业部门工作人员了解,当地造林的主要树种配置模式有白蜡+树莓、国槐+紫花苜蓿、柳树+紫穗槐、杨树+栎树、金叶榆+刺槐、白蜡+杨树+胡枝子、银杏+油松7种主要造林配置模式(表1)。
1.3.2 经济植物。在北京平原区造林试点进行样地林业调查,调查发现在造林样地内除了种植乔木树种外,还种植有苹果树、桃树、梨树以及西瓜等经济树种。这些主要经济树种的配置模式如表2所示。与乔木树种相比,每年在这些经济树种和作物的栽培过程中均采取了灌溉等人为经营措施。
1.3.3 农作物。当地主要农作物为冬小麦、玉米(表3),这些农作物需要比经济植物更为频繁的灌溉等人为经营措施。
2 森林、经济植物和农作物耗水特征
2.1 森林植被耗水特征
一般平原区造林树种除在造林初期有少量灌溉外,其在生长生育阶段吸收利用的水分均来自自然降水或地下水;而农作物在整个生育周期(播种到成熟收获)所需的水分仅依靠天然降水或地下水还不够,还需要大量灌溉水。因此,在量化森林植被耗水和農作物耗水时有所区别,森林植被耗水量仅为植株蒸腾水量,而农作物生长涉及农业灌溉,其耗水量包括作物蒸腾耗水量和农田土壤蒸发量。调查人员根据实测数据并查阅相关文献,对上述调查的森林植被和农作物进行耗水量化分析,得出以下结果:在所有造林试点的不同树种配置模式中,白蜡、杨树+胡枝子配置模式的生育期耗水量最大,达到494.3 mm;银杏+油松配置模式的生育期耗水量最小,为312.0 mm;森林植被的平均耗水量为419.3 mm(表4)。
2.2 经济植物耗水特征
平原区经济植物为了达到其最佳经济效益,每年需要对其采取灌溉等管理措施。因此,经济植物在整个生长周期除了利用天然降水或地下水外,还需要灌溉水。在量化经济植物植被耗水和森林乔木耗水时有所区别,森林植被耗水量仅为植株蒸腾水量,而经济植物生长涉及农业灌溉,其耗水量包括植物蒸腾耗水量和土壤蒸发量。经济树种灌溉穴规格为0.5 m×0.5 m,因而土壤蒸发量面积按照0.25 m2计算。苹果、桃树和梨的生育期约为6个月,西瓜的生育期为90 d左右。调查人员根据实测数据并查阅相关文献,对上述调查的主要经济树种和作物进行耗水量化分析,得出以下结果:在所有经济型植物的不同配置模式中,西瓜地生育期耗水量最小,为232.1 mm;桃树样地生育期耗水量最大,为612.8 mm;这些经济植物的平均耗水量为505.6 mm(表5)。endprint
2.3 农作物耗水特征
北京平原区的冬小麦一般在9月下旬或10月上旬播种,次年1—2月为休眠期,6月初成熟收获,计其生育期为8个月(240 d),除去其休眠期,将小麦耗水天数计为180 d。小麦按照等株行距5 cm×15 cm,因而单株所占面积为0.007 5 m2,小麦地单株耗水量即为单株小麦蒸腾量与0.007 5 m2土壤蒸发量之和。而玉米一般在每年的6月中下旬播种,10月初成熟收获,计其生育期为4个月(120 d),耗水天数为120 d。玉米按照等株行距0.3 m×0.6 m,因而单株所占面积为0.18 m2,玉米地单株耗水量即为单株玉米蒸腾量与0.18 m2土壤蒸发量之和。对当地主要高耗水作物冬小麦、玉米的耗水特征进行对比分析,结果如表6所示。可以看出,在玉米和小麦的生育期内,小麦的耗水量远大于玉米的耗水量,而且典型晴天耗水量小麦也高于玉米。小麦和玉米生育期内的耗水量分别为728.9、646.2 mm,主要农作物生育期平均耗水量是687.5 mm。
2.4 森林、经济植物及农作物耗水特征比较
从7种主要树种造林模式、4种经济植物种植模式和2种主要农业(作物)模式地下水补给量来看,所有森林造林地配置模式的年耗水量远低于玉米和冬小麦的生育期耗水量,经济植物虽然涉及灌溉但是年内耗水量也远低于玉米的和小麦的生育期耗水量,具体如图2所示。在一年内,按照玉米和冬小麦轮作的耕作方式,农田种植小麦和玉米的年平均耗水量比造林地的年平均耗水量高39.0%,比经济植物平均耗水量高26.4%。农作物虽然个体较小,但单位面积的植株量巨大,导致其因灌溉需要蒸散消耗的总水量很大;造林植被虽然树高、冠幅都超过农作物,但其单位面积的植株量少,也无需农业灌溉,故其蒸腾耗水总量要远小于农作物。
3 不同植被地下水补给特征
根据本次调查范围内样地信息归纳、总结,将7种主要造林(树种)模式、4种经济植物种植模式和2种主要农业(作物)模式根据水量平衡原理,计算得出所有种植模式的地下水补给量。
3.1 造林植被地下水补给量特征
北京平原地区森林植被地下水位补给量计算公式表示为地下水位补给量=降水量-乔木截留量-灌木截留量-草本截留量-乔木耗水量-灌木耗水量-草本耗水量-土壤持水量。通过水量平衡原理计算,7种主要造林模式地下水补给量不同,平均为75.9 mm;补给量最低值出现在白蜡、杨树+胡枝子造林模式中,补给量为61.5 mm;补给量最高的造林模式为银杏+油松,补给量高达93.6 mm;所有造林模式的地下水补给量相差不大,最高补给量为最低补给量的1.52倍(表7)。
3.2 经济植物地下水补给量特征
北京种植经济植物地下水位补给量的计算方法与森林植被略有不同,因为经济作物涉及灌溉,所以水分的输入还包括灌溉量。经济植物地下水位补给量计算公式表示为地下水位补给量=灌溉量+降水量-经济植物耗水量-林下灌草耗水量-经济植物截留量-林下灌草截留量-土壤持水量。通过水量平衡原理计算,其平均补给量为56.0 mm;补给量最大值出现在西瓜经济植物中,补给量为77.2 mm;补给量小植为梨树经济植物中,补给量为42.5 mm;最高补给量为最低补给量的1.8倍(表8)。
3.3 农作物地下水补给量特征
北京种植农作物地下水位补给量的计算方法与森林植被略有不同,与经济植物类似,种植农作物水位补给量计算公式表示为地下水位补给量=灌溉量+降水量-农作物植物耗水量-林下灌草耗水量-农作物植物截留量-林下灌草截留量-土壤持水量。通过水量平衡原理计算表明,小麦种植地补给量为31.3 mm,玉米种植地补给量为47.6 mm,平均补给量为39.4 mm。
3.4 森林、经济树种和农作物地下水补给量特征比较
从7种主要树种造林模式、4种经济植物种植模式和2种主要农业(作物)模式地下水补给量(图3)来看,小麦地和玉米地地下水的平均补给量为39.4 mm,平均补给量不超过50 mm;而7种造林模式地下水的补给量最高可达93.6 mm,补给量最低也为61.5 mm,其平均补给量为75.9 mm,为农作物补给量的1.9倍;经济植物平均地下水补给量为56.0 mm,为农作物补给量的1.4倍。虽然农作物有灌溉等人为经营措施,但森林植被和经济植物地下水补给量显著高于小麦地和玉米地,这主要是由于森林植被和经济植物耗水量要低于农作物,而持水量要大于农作物,土壤的理化性质可能要优于农作物地块,说明植树造林和种植经济植物对地下水的补给要优于种植农作物。
4 结论
此次调查从7种典型树种造林模式、4种经济植物种植模式和2种主要农业(作物)模式的耗水特性及对地下水补给的角度评价典型森林植被、经济植物及农作物耗水特性,结果如下。
(1)平原地区主要农作物生育期平均耗水量687.5 mm,而森林植被和经济植物的耗水量分为419.3 mm和505.6 mm。在一年内,种植小麦和玉米农田的平均耗水量比森林植被的生育期平均耗水量高39.0%,比经济植物生育期平均耗水量高26.4%,这说明在北京平原地区植树造林和种植经济植物比种植农作物更节水。
(2)平原地区森林植被地下水的补给量最高可达93.6 mm,补给量最低为61.5 mm,其平均补给量为75.9 mm,為农作物补给量的1.9倍。经济植物平均地下水补给量为56.0 mm,为农作物补给量的1.4倍。这说明植树造林和种植经济植物对地下水的补给要优于种植农作物。
调查结果表明,北京平原区森林植被和经济植物的营造取得了良好的节水效果和地下水补给效应,已有的成功种植模式可以在京津区其他区进一步开展工作,并将成功的种植经验进行归纳、总结,并且进行推广学习,从林业方面为当地百姓提供良好的生存环境,提高地下水下渗量,保证和提高当地人民的生活水平和经济水平。
5 参考文献
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