滇池流域典型湿地植物需水规律试验研究

李 晨，崔远来，顾世祥，邓 雯，韩焕豪

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021)

0 引 言

湿地是指天然或人工的、永久或暂时的静水或流水、淡水或微咸水及咸水沼泽地、泥炭地或水域地带，包括低潮时水深不超过6 m的海水区[1]。此外，湿地还包括邻近的河流、湖泊沿岸、沿海区域，以及位于湿地内岛屿。湿地是最重要的生态系统之一，在维持生物多样性和人类社会经济、文化、科学、美学和娱乐等方面都具有极端重要性。在影响湿地生态系统的诸多因子中，水是湿地形成的最根本原因，也是其生态演化过程的主要控制因子。湿地水分消耗主要包括：湿地植物的蒸腾、湿地水面蒸发、适当的渗漏、湿地中野生动物及微生物需水。其中湿地植物的蒸发蒸腾是湿地需水量的重要组成部分。植物蒸发蒸腾量也叫植物需水量(Crop Evapotranspiration，ETC)，指在正常生育状况和良好水肥条件下，作物整个生育期中消耗于蒸发蒸腾的水量，一般认为是植株蒸腾量与株间土壤(或水面)蒸发量之和。它是分析和计算灌溉制度和灌溉用水量的依据，也是地区或流域水资源配置、水利工程规划设计的基本依据之一。目前，国内外有关湿地植物需水规律及补充灌溉定额方面的研究不多，湿地灌溉用水管理缺少依据。仅有的少量研究，研究者多是选取某一短时段去研究湿地植物蒸发蒸腾量或者比较白天与夜晚的蒸发蒸腾的差异，很少能够进行一个完整生育期的观测[2-6]。此外，在相关研究中研究者所选择的湿地植物种类较单一，很少考虑将多种湿地植物一起进行研究和比较[4-6]。为净化水质和美化环境，滇池周边建有大量人工湿地，但其需水规律不明，用水管理缺少依据，因此，本文以滇池周边典型湿地为对象开展湿地需水规律研究，一方面为湿地植物灌溉用水管理提供依据，也为地区用水定额的编制以及水资源配置提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在滇池环湖湿地中滇池北岸的西亮塘人工湿地中进行，地理位置为：北纬24°56′21.64″，东经102°44′0.15″，海拔高程1 888 m。试验点属北纬低纬度亚热带——高原山地季风气候，日照长、霜期短、年平均气温15℃，年均日照2 200 h，无霜期240 d。气候温和，四季如春，多年平均降水量1 035 mm，且降雨集中在5-10月，占全年的85%左右。

1.2 试验处理与设计

试验为期2年，但由于试验准备等客观原因，第一年实际试验数据记录时间为2016年7月13日-2016年12月31日，未能完全涵盖各湿地植物的完整生育期；第二年2017年3月1日-2017年12月31日，完全涵盖各典型湿地植物完整生育期。

试验针对不同湿地植物种类设置处理，各处理未设置重复。试验在种植湿地植物的小区中开展，湿地植物均为多年生植物，种植于2014年，每年冬天对植物地上部分进行收割，植物密度与长势基本与滇池周边大型湿地类似，有较好的代表性。各试验小区底部为水泥衬砌，垂直渗漏可以忽略，边壁为水泥砖石衬砌，理论上无侧向渗漏，经实际观测在高水位时存在少量的侧向渗漏，为消除或减小其对需水量结果的影响，需根据不同小区不同水位对侧向渗漏进行修正。香蒲小区副生小块再力花(面积约2 m2)；菖蒲小区副生香菇草(面积约8 m2)；其他植物小区副生植物可以忽略不计，具体种植情况如表1所示。

表1 各小区种植情况

各小区由管道(明渠)供水，在供水管道(明渠)上安装水表及阀门，用于计量进出小区的水量(试验小区平面示意图如图1所示)。小区中均安装Hobo自计水位计，用于测量小区水位变化；在试验小区边设置一小型气象站。

图1 试验小区平面示意图

1.3 观测项目与方法

针对不同湿地植物类型处理，观测如下主要指标：

(1)试验小区水位。采用自计水位计计量，通过将放置在试验小区水层和空气中的自记水位计记录的压力差换算为水层深度，达到记录水层水位的目的。

(2)灌水量。通过水表计量。每天早上8点记录一次水表读数，相邻两天的水表读数之差即为灌水量或者排水量。将水表记录的水量与小区面积相除得到以水层深度表示的灌水量或者排水量。同时与灌水前后自计水位计反映的水位变化作对比。

(3)排水量。与灌水量的计量方法相同。

(4)渗漏量。底部为水泥衬砌，垂直渗漏可以忽略，高水位存在少量侧向渗漏。

(5)气象要素通过气象站自动记录。观测的指标包括：最高气温、最低气温、平均气温、日照时数、风速、相对湿度、大气压、净辐射。

(6)湿地植物生长发育动态指标。①湿地植物地表以上部分干物质量。2016年从7月18日至9月27日，约每半个月测量一次干物质量，共计5次。2017年从6月至11月每月月中测量一次干物质量，共计6次。干物质量测量采用烘干称重法。②叶面积指数。测量时间和频率与地表以上部分干物质量测量相同。叶面积指数(Leaf area index,LAI)采用比叶重法[6]。

2 结果与分析

2.1 湿地植物生育期划分

通过查阅文献资料[7-12]，将试验湿地植物的生育期划分为萌发期、快速发育期、开花期、果实期和枯萎期，各植物生育期具体划分如表2所示。

2.2 参考作物蒸发蒸腾量

由气象资料采用Penman-Montieth公式计算得到参考作物蒸发蒸腾量(Reference crop Evapotranspiration，ET0)，如图2所示。2016年，逐月日均ET0呈现双峰值，峰值分别在4月和8月，两峰值均为4.5 mm/d，出现双峰值的原因主要在于7、8月的日照时数明显较6月高，气温高，蒸发蒸腾作用强烈；ET0变化范围为1.9～4.5 mm/d。2017年，ET0呈先增大后减小的趋势，其峰值出现在5月份为4.7 mm/d，7、8月份ET0差距很小，与2016年趋势略有不同。两年相比，2016年的7、8月份ET0较2017年高约0.7 mm/d，9-12月仍稍高，但越往后差距越小，至12月份已基本相同。

表2 湿地植物生育期划分

图2 ET0变化趋势

2.3 不同湿地植物小区灌、排水量

试验期内各试验小区仅依靠当地的降雨量难以保证植株的正常生长，需要不定期向小区进行灌水，同时水层过深时需要排水，试验期内各小区灌、排水情况如表3所示。

2.3.1 灌水量

由表3可知，2016年试验期不同小区灌水量变化范围为130～393.5 mm，灌水量平均值300.7 mm。灌水次数变化范围在5～14次之间，平均灌水次数9.3次，试验期灌水频率大约是每两周灌水一次。其中水葱灌水量最大，为393.5 mm，是均值的1.31倍，灌水次数8次；美人蕉灌水量最小，为130 mm，是均值的0.43倍，灌水次数9次。2017年，试验期不同小区灌水量变化范围为275～726 mm，灌水量平均值417 mm。试验期灌水次数变化范围在6～14次之间，平均灌水次数10.4次。其中红鞘水竹芋灌水量最大，为726 mm，是均值的1.74倍，灌水次数14次；菖蒲灌水量最小，为267 mm，是均值的0.64倍，灌水次数6次。与2016年相比，2017年各小区灌水量基本都有增加，主要是因为2017年试验期更长，同时降雨情况也直接影响灌水量。两年同期灌水量存在较大差异，但很大程度上是由同期降雨量决定。

表3 各小区灌、排水统计表

2.3.2 排水量

2016年试验期，香蒲和红鞘水竹芋小区试验期未发生排水，排水最多的是水葱小区为130 mm，其次是菖蒲小区。由降雨利用率可以看出，除水葱以外其他小区对降雨利用的效率都达到了85%以上，香蒲和红鞘水竹芋的降雨利用率更是达到了100%，这主要是由小区具有较高边壁以及湿地植物的耐湿性决定。试验期水葱的降雨利用率比较低的主要原因是水葱小区边壁高度相对其他小区要低5 cm左右，因而在7、8月暴雨之后发生的排水较多。2017年试验期，各个小区均有排水，范围在107～262 mm。排水最多的仍然是水葱小区为262 mm(水葱小区由于地势较低，发生大降雨时，其他小区排水进入，导致其灌水最多，排水也最多)，其次为菖蒲小区为250 mm，最少的是红鞘水竹芋，只有107 mm。除水葱外各小区的降雨利用率均在80%以上，最小的水葱小区为78.4%，最大的红鞘水竹芋小区为91.2%；降雨利用率整体上较2016年均都有所下降，主要是由于2017年7、8月的降雨量较2016年更大(尤其是7月份)，导致排水量和排水次数明显增加。综合来看，各小区都比较充分地利用了雨水。

2.4 不同湿地植物生长发育动态

2.4.1 叶面积指数LAI变化规律

叶面积指数LAI是反映植物群体大小和生长状况的动态指标，是影响植物蒸发蒸腾量的一个重要因素。图3表明(水葱没有叶片，无LAI)，各小区湿地植物LAI基本上随着生育期呈先增大后减小的趋势。两年的试验期中，各小区湿地植物基本上在8月LAI达到最大值(红鞘水竹芋峰值出现在9月)，最大值范围在1.47～3.42之间，在此阶段植物生长达到最旺盛的时期；在试验期内，LAI最小的时期是11月，此时除红鞘水竹芋外，其他湿地植物基本上都已进入或者即将进入枯萎期。需要注意的是LAI受种植密度影响，在全部小区中，LAI最大的是香蒲，在8月中旬达到了3.42；美人蕉和菖蒲LAI相对较低，两年的最大LAI分别为1.77、1.91和1.49、1.47。一个重要原因是它们的种植密度较低，此外也与其长势不佳有关。红鞘水竹芋在8、9、10月的LAI差距很小，这主要是由于其生长期较长，此段时间基本上处于开花结果期，其枯黄期在12月。对于各小区植物，LAI在两年内的变化趋势基本一致，无明显差异，与植物的生长发育规律具有一致性。

图3 湿地植物叶面积指数变化

2.4.2 地表干物质量变化规律

同叶面积指数一样，地表干物质量也是反映植物群体大小和生长状况的动态指标，一般认为干物质量的累积速度与植物需水量之间存在密切的关系。图4表明，各小区湿地植物的地表干物质量变化规律呈现随时间先增加后减少的趋势。各小区干物质量最大的具体时间虽各有不同，但从生育期来看，枯萎期前一生育期末(对香蒲、菖蒲、红鞘水竹芋是果实期，对美人蕉和水葱是开花期)达到了最大值，而后有减少的趋势，但下降量均比较小。各小区植物在8月份前的增长速度较快，这是因为这段时间大体上是各植物快速生育的时期。在各小区中，香蒲同期干物质量最大；美人蕉最小。

图4 湿地植物地表干物质量变化

2.5 不同湿地植物需水量ETc变化

根据试验数据按照水量平衡原理来计算不同湿地植物实际需水量，公式如下：

ETc=h1-h2+p+m-d-s

(1)

式中：ETc为湿地日需水量，mm；h1为某日初始湿地水深，mm；h2为次日初始湿地水深，mm；m为当日内灌水量，mm；P为当日内降水量，mm；d为当日内排水量，mm；s为当日内渗漏量，mm，本次试验在高水位时考虑少量侧向渗漏。

2.5.1 湿地植物总需水量

由于2016年从7月份开始观测，因此仅分析2017年湿地植物总需水量。2017年全生育期内，5种湿地植物总需水量变化范围是1 088.6～1 638.1 mm，平均值为1 260.2 mm。红鞘水竹芋需水量最大为1 638.1 mm，是平均值的1.30倍；水葱最小为1 088.6 mm，是平均值的0.86倍。

图5 各湿地植物试验期总需水量

2.5.2 湿地植物逐月日均需水量

图6表明，对5种湿地植物而言，试验期总体需水规律基本是一致的：先增大而后逐渐减小，某些植物(如菖蒲)可能在某些年份出现双峰，第二峰值一般出现在8月份。需水规律大体上与它们同期的叶面积指数和干物质量累积速度随时间的变化规律相符，从侧面佐证了试验数据以及规律的合理性。5种湿地植物的全生育期日均需水量范围是4.50～5.49 mm/d。其中香蒲和红鞘水竹芋最大，美人蕉次之，水葱第四，菖蒲最小。将5种湿地植物进行比较可以发现，红鞘水竹芋与美人蕉具有同样的叶型(卵圆形)，在枯萎期之前同期的需水量相差在10%～20%；香蒲和菖蒲的生育期大体相同，生长特性也具有相似性(如都具有线型叶片，生长高度约为2～3 m)，同期的需水量菖蒲只有香蒲的75%左右，其主要的原因可能在于菖蒲的种植密度只有香蒲的80%左右且种植不够均匀；香蒲是空心维管束状植物，有利于水分从根部向叶片的输送，而美人蕉虽然叶片很大，但叶片较厚，属角质蒸腾，故在相同的叶面积指数下，香蒲的平均需水量较美人蕉大，这与王峰等人的研究结果[5]一致；水葱不具有叶片，蒸发蒸腾相对具有大量叶片的植物较弱，因而其需水量接近最小。

图6 湿地植物逐月日均需水量变化趋势

2.6 作物系数及其变化规律

根据参考作物蒸发蒸腾量ET0以及实测得到的ETc，根据公式计算得香蒲、菖蒲、红鞘水竹芋、水葱和美人蕉5种湿地植物逐月及全生育期作物系数，结果如表4所示。

表4 湿地植物作物系数

5种湿地植物2017年全生育期作物系数均值范围为1.21～1.66，其中红鞘水竹芋最大(1.66)，香蒲次之(1.57)，美人蕉居中(1.43)，菖蒲较小(1.29)，水葱最小(1.21)。香蒲、菖蒲、红鞘水竹芋以及水葱四种在2016年7月作物系数较2017年同期明显偏小，这与2016年6月、7月ET0处于低值区有关，也可能与2016年7月刚开始试验数据误差较大有关。水葱两年的作物系数存在明显差异，2016年7-10月的作物系数逐月增加，而2017年同期明显逐月下降，二者趋势完全相反，对作物系数相关研究[13，14]指出，随着植物逐渐进入生育末期，叶面积指数逐渐下降，相应的蒸腾作用也会下降，作物系数一般呈下降趋势。推测该植物2016年的需水量数据可能存在较大误差，从而导致作物系数的较大误差。

5种湿地植物的作物系数基本呈现先增大后减小的趋势，这与植物的地表干物质量和叶面积指数的变化规律基本相符。除水葱外的其他4种植物，两年的作物系数存在差异，但同期数值差距较小(7月除外)，可认为作物系数在不同年份变化不大。作物系数在不同年型之间的具体变化规律有待更长时间的试验研究。

3 结 语

本文通过对所选取的5种滇池流域典型湿地植物进行需水规律试验，分析了滇池流域典型湿地植物的需水规律和需水量，计算得到了各湿地植物的作物系数，以期为区域湿地水资源管理提供依据。

结果表明，各湿地植物叶面积指数和地表干物质量基本上是随着生育期呈先增大后减小的趋势，峰值出现的时间不完全一样，香蒲、菖蒲、红鞘水竹芋出现在果实期，美人蕉和水葱则是开花期，枯萎期均出现下降现象。总体上看，叶面积指数和地表干物质量的变化规律与植物需水规律具有一致性。

5种湿地植物全生育期总需水量变化范围是1 088.6～1 638.1 mm，平均值为1 260.2 mm。总需水量最大的是红鞘水竹芋，最小的为水葱。各湿地植物需水规律基本一致：随生育期呈先增大后减小的趋势，某些植物(如菖蒲)可能在特定年份出现双峰，第二峰值一般出现在8月份。5种湿地植物的全生育期日均需水量范围是4.50～5.49 mm/d。其中香蒲和红鞘水竹芋最大，美人蕉次之，水葱再次之，菖蒲最小。由于生育期长短不同，不同植物日均需水量大小关系与总需水量并不一致。

5种湿地植物的作物系数基本呈现先增大后减小的趋势，这与植物的逐月日均需水量和叶面积指数的变化规律基本相符；除水葱外的其他4种植物，两年的作物系数存在差异，但同期数值差距较小，可认为作物系数在不同年份变化不大。5种湿地植物全生育期作物系数均值范围为1.21～1.66，其中红鞘水竹芋最大(1.66)，香蒲次之(1.57)，美人蕉居中(1.43)，菖蒲第四(1.29)，水葱最小(1.21)。

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