新疆乌鲁木齐市复合绿地耗水特性研究

洪 明， 谷爱莲， 张 磊， 王江华， 孙世洋

(1. 新疆农业大学水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052； 2. 乌鲁木齐市红山公园， 新疆 乌鲁木齐 830092)

城市绿地是城市生态系统的重要组成部分，具有维持和改善城市生态环境的重要功能，城市园林绿化也是衡量城市现代化水平的重要指标[1]。截至2015年，乌鲁木齐市城区绿化覆盖面积2.87×105hm2，建成园林绿地面积1.59×105hm2，绿化覆盖率达40.3%[2]。地处内陆的乌鲁木齐市随着国家“一带一路”战略的实施，逐渐成为我国联系欧洲和中亚的重要桥头堡城市。2013年全市水资源总量为10.682×108m3，人均水资源量仅为319 m3，约为全国人均水资源量的1/7，世界的1/23，是我国30个严重缺水的城市之一[3]。2012年红山公园用水量约为2.16×104m3·hm-2，照此估算乌鲁木齐市园林绿地年均灌溉用水量约为3.3×108m3，约占乌鲁木齐市水资源总量的30.4%。近年来，随着人口增加、社会经济及城镇化水平的不断发展，水资源短缺的矛盾日趋突显，水资源供需矛盾已成为制约乌鲁木齐社会经济发展的主要瓶颈。在现有的水资源供需状况下如何用较少的水资源养护好城市绿地，发挥其正常的生态功能成为城市园林绿地管理亟待破解的难题之一[1]。确定城市绿地的耗水特性无疑成为制约节水灌溉技术在园林绿地建设中推广应用的关键。国内外学者对农作物的需水特性及灌溉制度进行了大量的研究，积累了较为成熟的方法，如水量平衡法、大型蒸渗仪法、热脉冲法等、涡度相关法等[3-7]，但城市绿地耗水特性研究相对滞后。王瑞辉等人采用水量平衡和热脉冲相结合的方法对单一乔木、灌木、草地及复合绿地的耗水特性与灌溉制度进行了研究，并进行单株到群落的尺度扩展，为城市绿地灌溉研究提供了可借鉴的研究方法[8-14]。但有关乌鲁木齐市园林绿地耗水特性研究鲜有报道，乌鲁木齐市的公园绿地中，主要以“草坪+白榆”的复合绿地为主，本文以乌鲁木齐市红山公园的园林绿地中典型的“草坪+白榆”复合绿地为研究对象，开展城市复合绿地灌溉试验，探索典型复合绿地的耗水特性，以期为新疆园林绿地节水灌溉技术推广及节水型园林建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4—10月在乌鲁木齐市红山公园东区进行；试验区地理位置：87°36′75″ E，43°48′20″ N。试验区平均海拔910.6 m，年均太阳辐射总量513.98 kJ·cm-2，年均日照时数2 628 h，年均气温6.8℃，≥10℃的年均积温3 500℃左右，多年平均无霜期178 d，年均降水量232.43 mm，年均蒸发量2 200 mm左右，多年平均风速2.4 m·s-1[15]。试验区平均土层厚度约在1.0 m左右，多为公园修建之初的回填土，经检测主要以粉砂土和粉壤土为主。0～100 cm深度平均干容重1.41 g·cm-3，田间持水量在28.1%～38.5%之间变化，0～100 cm深度平均田间持水量32.3%，pH值8.5。灌溉水取自乌鲁木齐市城市供水管网。

1.2 供试材料

此次主要研究对象为榆树与草地共生的绿地系统。其中园区内榆树树种为白榆(UlmuspumilaL.)属于新疆的土生树种，平均胸径29 cm，树高15 m左右，株距3～5 m不等，冠幅2～3 m左右。草坪主要由早熟禾(PoapratensisL.)、高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)和黑麦草(Loliumperenne L.)按照5∶3∶2的比例组成。

图1 试验测点布置图Fig31 Layout of measure point

1.3 试验方法

1.3.1灌溉方法 试验区的绿地采用喷灌法进行灌溉，喷头采用旋转角度可调的旋转式喷头，工作压力25 m，喷洒半径8 m，喷头流量0.84～1.62 m3·h-1。在试验开始前对园区采用的微喷头进行了水力性能的测试。

1.3.2试验设置 采用定周期变定额的灌溉试验，共设5个处理。通过实地调研，以45 mm作为中水平的灌溉定额(T3)，向下分别递减20%和40%的T3处理的灌溉量，得到T2和T1处理的灌溉量，向上递增20%得到T4处理的灌溉量，以园区现有的灌溉制度作对照(CK)；为减小土壤空间变异等带来的试验误差，各处理均设3个重复，试验小区随机布置，试验方案设置如表1所示。

表1 试验处理及采用的灌溉制度 Tabe 1 Treatments and irrigation program used in the experiment

1.3.3试验方法 研究的整体思路如下：试验前选取典型树，采用分层挖掘的方法对试验区榆树的吸水根系(直径小于2 mm)在水平及垂直方向上的分布进行了分析。在此基础上参考已有的研究经验[16]，确定了在距树75 cm和150 cm的位置各布设一根水分探管(见图1)，测定深度100 cm，并认为该深度内土壤水分的变化是由“草坪+白榆”复合绿地的蒸散发所导致。同时在上述两个测点附近布设自制的高度20 cm，直径16 cm的微型蒸渗仪，微型蒸渗仪底部用通气透水的筛网固定。由于在埋设蒸渗仪时候切断了土壤表层榆树根系，因此可近似认为微型蒸渗仪重量的变化主要是由于灌溉和蒸渗仪中草坪的蒸腾蒸发导致。将某时间段内，用0～100 cm土壤水分的变化量减去该时段微型蒸渗仪的水分变化量就可近似得到单株榆树的蒸散发量。

1.3.4草坪管理 各试验处理的草坪养护与公园的其他草坪相同，全年共修剪三次，每次留茬3～5 cm，并将草屑清除。修剪控水2-3天后进行灌溉，以利于茬口愈合。整个试验期间，杂草均人工拔除，使用杀虫剂时，所有试验处理均同时喷施。

1.4 参数测定及方法

灌溉量：每个试验小区喷头竖管上安装1块旋翼式水表，用于计量灌水量。

土壤含水量：土壤含水量采用Diviner2000水分廓线仪分层测定，在测定前用烘干法对仪器进行校核，测定深度分别为100 cm，每10 cm一层，每次灌溉前后各测定1次，降雨后加测。

气象数据：在公园开阔的草坪上安装watchdog自动气象站进行气象数据观测。

草坪蒸散量：采用自制的微型蒸渗仪(高20 cm，外径16 cm)和电子天平通过称重法测定，每3天测定一次，降雨后加测。

耗水模数及作物系数：某个时段实测耗水量与主要生育期内累计耗水量比值即可得到该时段复合绿地的耗水模数；某个时段实测耗水量与参考作物蒸发蒸腾量(通过自动气象站的气象数据计算获得)的比值即可得到该时段的复合绿地的作物系数。

草坪生长量：用钢尺每隔7天左右测定一次不同处理的草坪高度，同时做好记录。

1.5 数据分析

试验数据处理及作图采用Excel 2013，数据用DPS 9.5进行统计分析及显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同灌水处理下草坪逐月耗水量变化

由表2可知，各处理复合绿地中草坪在5—9月逐月日均耗水量分别在2.27～2.74 mm·d-1，2.32～3.37 mm·d-1，2.68～3.88 mm·d-1，2.28～2.82 mm·d-1和1.41～2.27 mm·d-1之间变化，5-9月均呈现出先增大后减小的趋势，各处理日均耗水量在7月份达到最大值，试验的T1～T4处理各月的日均耗水量均随着灌水定额的增大而增大；T1～T3处理各月的日均耗水量均小于对照处理CK的；其中T1在6月、7月、9月与CK处理比较差异显著，其余各月差异不显著。T2、T3仅在7月与CK处理比较差异显著，其余各月差异不显著。T4仅在6月与CK处理比较差异显著，其余各月差异均不显著。T1除7月、8月外，其余各月的日均耗水量均显著小于T3处理的，表明与中水平灌溉相比，灌水定额减小40%会显著减小复合绿地中草坪的日耗水量。T2处理各月的日均耗水量均较T3处理的小，但均无显著差异，T4处理各月的日均耗水量均大于T3处理的，除6月、7月差异显著外，其余各月差异均不显著，结果表明灌水定额减少或增加20%并不会显著减小或增加复合绿地中草坪的日均耗水量。

表2 各灌水处理下草坪的逐月日均耗水量/mm·d-1Table 2 Daily water consumption of lawn under each treatment by month/mm·d-1

注：同列不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同

Note:Different letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level. The same as below

2.2 不同灌水处理下榆树逐月耗水量变化

由表3可知，各处理复合绿地中榆树在5—9月逐月日均耗水量分别在1.44～2.51 mm·d-1，2.30～3.92 mm·d-1，2.24～3.98 mm·d-1，2.96～5.01 mm·d-1和1.95～2.67 mm·d-1之间变化，各处理基本呈现出先增大后减小的趋势，各处理日均耗水量在8月份达到最大值，除7月外，T1～T4处理各月的日均耗水量整体随着灌水定额的增大而增大；T1～T3处理各月的日均耗水量均小于对照处理CK的；其中T1、T2处理除9月外与CK处理比较差异不显著外，其余各月均差异显著；T3处理与CK处理比较，仅在6月差异显著外，其余各月的差异均不显著。T4处理的耗水量仅在8月略大于CK处理的，其中各月的日均耗水量均小于CK处理的，除7月份差异显著外，其余各月差异均不显著。结果表明，试验的T1、T2处理与CK处理比较显著降低了复合绿地中榆树的耗水量；T3、T4处理一定程度上也降低了榆树的日均耗水量，但差异并不显著。T1处理的日均耗水量均小于T3处理的，除5月和9月差异不显著外，其余各月差异均显著，表明与中水平灌溉相比，灌水定额减小40%会显著减小复合绿地中榆树的日均耗水量。T2处理日均耗水量均小于T3处理的，其中除7月差异显著外，其余各月差异均不显著，表明与中水平灌溉相比，灌水定额减小20%不会显著减小复合绿地中榆树的日耗水量。T4处理除7月外，其余各月的日均耗水量均大于T3处理的，其中6月差异显著，其余各月差异均不显著。表明与中水平灌溉相比，灌水定额增加20%不会显著增加复合绿地中榆树的日耗水量。

表3 各灌水处理下榆树的逐月日均耗水量/mm·d-1Table 3 Daily water consumption of elm under each treatment by month/mm·d-1

2.3 不同灌水处理下“草坪+榆树”复合绿地逐月耗水量变化

由表4可知，各处理“草坪+榆树”复合绿地在5—9月逐月日均耗水量分别在3.7～4.97 mm·d-1，4.62～7.04 mm·d-1，4.92～7.32 mm·d-1，5.23～7.82 mm·d-1和3.35～4.94 mm·d-1之间变化，且均呈现出先增大后减小的趋势，各处理日均耗水量在8月份达到最大。试验的T1～T4处理各月的日均耗水量均随灌水定额的增大而增大；T1～T3处理各月的日均耗水量均小于对照处理CK的，其中T1、T2与CK处理比较差异显著，T3与CK处理比较差异不尽相同，T4与CK处理比较差异不显著。T1处理除9月外，其余各月的日均耗水量均显著小于T3的，表明与中水平灌溉相比，灌水定额减小40%会显著减小复合绿地的日耗水量。T2处理除5月和9月外，其余各月的日均耗水量均显著小于T3的，表明灌水定额减小20%会显著减小复合绿地夏季的耗水量。T4处理除6月、8月较T3处理差异显著外，其余各月的日均耗水量均与T3处理差异不显著，表明灌水定额增大20%，整体不会显著增加复合绿地的耗水量。

表4 各灌水处理“草坪+榆树”复合绿地逐月耗水量/mm·d-1Table 4 Daily water consumption of compound green space under each treatment by month/mm·d-1

2.4 不同灌水处理下复合绿地耗水组成

由表5可知，各处理5—9月复合绿地累积耗水量在668.5～966.4 mm之间变化。随着灌水定额的增加，各处理累积耗水量逐渐增加。试验的T1～T4处理中，T4处理的累积耗水量与对照CK处理接近，T1～T3处理累积耗水量分别较对照CK处理减小30.8%，18.1%和8.8%。各灌水处理下，复合绿地中草坪的耗水量在336.0～457.1 mm之间变化，且随着灌水定额的增加，各处理草坪的累积耗水量也逐渐增加。试验的T1～T4处理中，T4处理的累积耗水量较对照CK处理的增加了7.9%，T1～T3处理累积耗水量分别较对照CK处理减小20.7%，11.2%和5.0%。复合绿地中榆树的耗水量在332.5～542.9 mm之间变化，且随着灌水定额的增加，各处理榆树的累积耗水量也逐渐增加。试验的T1～T4处理累积耗水量分别较对照CK处理减小38.8%，30.1%，14.9%和8.5%。各处理下，复合绿地耗水中榆树的耗水占比在49.7%～54.4%之间变化，均较对照CK处理的小，且随着灌水定额先增大后减小，占比在T3处理时达到最大值。与中水平灌溉T3相比较，灌水定额减小40%时，试验中的复合绿地中草坪和榆树的耗水量几近相等。灌水定额减小或增加20%时，试验中的复合绿地中草坪和榆树的耗水量之比均为1∶1.1，中水平灌溉时两者比例约为1∶1.2。

表5 不同灌水处理下复合绿地耗水组成Table 5 Daily water consumption proportion of compound green space under each treatment

2.5 不同灌水处理下“草坪+榆树”复合绿地的耗水模数及作物系数

由表6易知，各处理的耗水模数变化大体一致：从5—9月，各处理耗水模数整体呈现先增大后减小的趋势，且在8月耗水模数达到峰值，然后下降。各处理6—8月耗水总量均占各处理耗水总量的70%左右，各处理5月和9月的耗水量约占各处理耗水总量15%左右。各处理5—9月平均作物系数在0.84～1.21之间变化，T1～T4处理的平均作物系数均小于对照CK处理的。同一月不同处理作物系数随灌水定额的增大而增大，生育期内平均作物系数也遵循上述规律。8月各处理的作物系数达到峰值。由于乌鲁木齐市5月上旬草坪才开始萌发、榆树尚处于展叶期，因此复合绿地的耗水主要以蒸发为主，因此5月的耗水模数和作物系数均较小。9月复合绿地耗水主要以草坪和树冠的蒸散发为主，由于当地气温较夏季(6—8月)下降迅速，草坪草和榆树也逐渐向休眠期过渡，在温度和植物物候期的双重作用下，各处理的耗水模数与作物系数较8月有一定程度的降低。

表6 各处理复合绿地的耗水模数及作物系数Table 6 Water consumption modulus and crop coefficient of different growth period

2.6 不同灌水处理下草坪日均生长量的变化

观测时段内，各处理草坪生长量自5月16日起开始测定，截止10月7日，共分3茬打草。分别为：第1茬(5月16日至6月20日)，第2茬(6月27日至8月3日)，第3茬(8月11日至10月7日)。观测时段内草坪日均生长量如图2所示。

由图2可知，在观测时段内，T1～T4处理草坪日均生长量均随着灌水定额的增大而增大。且各灌水处理草坪的日均生长量均小于CK处理的。在观测的三个不同时间阶段，各处理第1茬草的日均生长量最大，第2茬草次之，各处理草坪日均生长仅为第1茬草的39.7%～45.3%；第3茬草的日均生长量最小，仅为第1茬的30.8%～38.6%。第1茬各处理草坪的生长量的均值在0.65～0.81 cm·d-1之间变化，T1～T4处理草坪日均生长量较CK处理分别低19.7%,14.8%,9.0%和6.4%。第2茬各处理草坪的生长量的均值在0.26～0.36 cm·d-1之间变化，T1～T4处理草坪日均生长量较CK处理分别低28.4%,17.2%,13.4%和4.9%。第3茬各处理草坪的生长量的均值在0.21～0.31 cm·d-1之间变化，T1～T4处理草坪日均生长量较CK处理分别低33.1%,32.0%,11.6%和7.2%。但在0.05的显著性水平下，三个观测时段内，各处理草坪日均生长量与CK处理的均无显著性差异。

就各灌水处理的草坪草日均生长量而言，各阶段T1和T2处理草坪日均生长量较CK处理的均低15%以上，第3茬更是低了32%以上。T1处理草坪日均生长量较T3处理的均低12%以上；第1茬、第2茬T2处理草坪日均生长量较T3低了4.4%～6.4%；T4处理草坪日均生长量较T3高了2.8%～9.9%。

图2 各处理草坪日均生长量Fig.2 Average daily growth of each treatment

3 讨论与结论

复合绿地中草坪与榆树主要生育期逐月日均耗水量随着灌水定额的增大而增大，试验结果与何军、毛振华等人[17-18]的研究结论一致。复合绿地中草坪主要生育期逐月日均耗水量整体呈现先增大后减小的单峰变化。赵炳祥、张新民等人[19-20]关于北京地区单一草坪耗水特性研究结果表明5—9月草坪呈现先减小后增大再减小的双峰曲线变化。试验结果与上述研究有一定出入，分析认为，乌鲁木齐市特殊的气候条件及复合绿地的植被构成共同导致了生育期内草坪的耗水量变化整体呈现单峰变化趋势。众多研究表明，草坪的蒸散量受降雨影响较大，阴雨天气，使得太阳辐射减小，空气湿度居高不下，会显著降低草坪的蒸散量，反之，晴天的高温低湿会显著增加草坪的蒸散量[21-22]。通过对比乌鲁木齐市多年降雨资料，75%的降雨频率对应的同一时段降雨量为102.6 mm，观测时段内的总降雨量小于乌鲁木齐市75%频率下的降雨量，属于偏枯年份，试验所得的复合绿地的耗水量适用于枯水年，对于平水及丰水年复合绿地的耗水量应比试验结果小。其中T1处理的作物系数与充分供水的单一结缕草草坪接近，T2处理的与充分供水的单一黑麦草草坪的接近；T3、T4处理与充分供水的高羊茅草坪接近[19-20]。中水平供水的复合绿地的作物系数与夏玉米相近[23]；复合绿地8月的作物系数显著大于其他各月，在利用作物系数和彭曼公式确定复合绿地的灌水量时不能简单的按照平均作物系数来确定，研究结果与Carrow[24]和Aronson[25]在美国湿润地区的草坪作物系数研究结论一致。复合绿地中草坪日均生长量均随着灌水定额的增大而增大，减小灌溉量可一定程度上减缓草坪生长速度，特别是灌水定额减小40%的T1处理减缓程度最低，灌水定额减小或增加20%(T2、T4)处理对草坪日均生长量均无显著影响(P<0.05)。在观测时段内，各灌水处理草坪在主要生育期内均能维持其生长，但T1处理的草坪在需水高峰期往往出现由于水分亏缺而导致枯黄，从而影响草坪的美观程度，因此在灌溉保证率不高的情况下，公园里的观赏型复合绿地不建议过分降低灌水定额，综合考虑复合绿地耗水及草坪的生长情况，在降水频率为75%的枯水年，乌鲁木齐市与试验区类似且养护水平相近的复合绿地的喷灌灌水定额可定为36 mm，灌水周期5～7 d。研究所得结果可为枯水年乌鲁木齐市周边地区典型的“草坪+白榆”复合绿地喷灌灌溉制度的制定提供一定的理论参考。