高陡岩质边坡覆绿植物生态需水量计算

张 杨，冯文新,董宏炳，宁立波，李 煜

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074;2.河南地矿职业学院，河南 郑州 451464；3.温州工程勘察院有限公司，浙江 温州 325006)

长久以来，矿山露天开采、道路修建等人类工程活动在促进地区经济发展和城市建设的同时，形成了大量裸露的高陡岩质边坡，不仅破坏了原有的自然景观和人居环境，还严重破坏了原有的生态系统，易造成水土流失、引发地质灾害等问题，高陡岩质边坡的生态恢复工作逐渐受到人们的重视[1]。

目前常用的边坡生态覆绿方法有客土喷播法、植生槽法、植生袋法、阶梯爆破法、钢筋水泥框格法等[2]，这些技术主要通过工程技术手段对边坡基质进行重塑，虽能在短时间内达到覆绿效果，但由于未考虑植物在边坡上生长的地境条件，植被十分依赖后期人工养护，无法自然存活。针对此，基于生态地质学所提出的地境再造法[3]逐渐引起人们的关注。该法结合植物根系主功能区和植物地境(植物根群生长的地下环境)调查结果以及岩壁裂隙发育特征，以高陡边坡地下生境重建和植物群落重建为着重点，用以实现边坡长久覆绿。由于岩质边坡极端的生境条件，边坡内部水量能否满足植物需要，将是地境再造技术是否可行的关键，对岩质边坡植被生长起着至关重要的作用。

在裂隙岩体中，一方面由于岩石介质的特性和裂隙发育的随机性，另一方面由于发育有连通裂隙的岩体中汽液转化较为频繁，目前对岩体非饱和带水以及水量计算的研究相对较少。裂隙岩体内赋存的液态水是植被生长所需的主要水分来源[4]，其中植物能够吸收利用的毛管水、有效薄膜水、部分重力水才是生态水。因此，不能简单地通过岩土体含水量的多寡来判断植物能否在岩质边坡存活，还需要计算植物的生态需水量并与之对比来说明岩体能否供给充足的水分以满足植物生长的需要。目前国内外对生态需水的研究主要集中在农田林地灌溉[5]、河流生态[6]等方面，而对其他生态系统(淡水湿地、沙漠绿洲等)生态需水的研究则相对较少，对岩质边坡生态需水量及其计算方法更鲜有研究。为此，本文在皖南安庆集贤关采石场选取高陡岩质边坡作为试验场，应用地境再造法对其进行覆绿试种，选用改进的彭曼公式法计算试验场种植区边坡植物的生态需水量，并结合后期试验场边坡植物的野外调查结果，分析了试验场边坡植物的生态需水情况以及该技术的适用性。

1 裂隙岩体生态需水量的计算方法

裂隙岩体生态需水量，是指岩体生态系统为维持其坡面植物生长、发挥生态功能所需要消耗和占用的水资源量，这部分水量包含植物吸收用于蒸散、生长及其他生态需水要求的水量。目前常用的植物生态需水量计算方法有：直接计算法(需水定额法)[7]、间接计算法(潜水蒸发)[8]、基于生物量的计算方法[9]、微气象法中改进的彭曼公式法[10]、结合实测资料与遥感地理信息系统的计算方法[11-12]等。由于岩质边坡复杂多变的环境条件，难以准确定量测定植物生态需水量。岩质边坡裂隙岩体下垫面情况不同于土壤，液态水不直接受下伏的饱水带补给，内部情况变化复杂，因此直接、间接等计算方法并不适用；遥感地理信息系统虽然使用广泛，但主要应用于大尺度范围的生态需水量计算，无法应用于植被稀疏的局部岩质边坡。

植被作为高陡岩壁上的主体生物，是岩质边坡生态系统的主要水分耗散者，植物主要利用根系吸取水分，但吸收的水分仅有少部分用于生长代谢活动，绝大部分都由蒸腾作用散失掉。因此，岩质边坡植物生态需水量可以通过岩壁上植被蒸腾耗水量来推算。微气象法中改进的彭曼公式法是将能量平衡理论和空气动力学技术相结合，从微气象角度计算植物潜在蒸散量，其结果只与气象因素有关，主要体现了不同地区、不同时期大气蒸发能力对植物生态需水量的影响。因此，可选用改进的彭曼公式法计算基础资料较齐全区域的植物潜在蒸散量，进而推算植物实际生态需水量。此方法理论上比较成熟完整，实际运用中具有很好的操作性，目前已广泛应用于湿润或干旱地区植物生态需水量的计算。

1.1 计算参考植物的潜在蒸散量

改进的彭曼公式法主要利用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式计算参考植物的潜在蒸散量，彭曼-蒙蒂斯公式是联合国粮农组织(FAO)在1998年提出的最新修正彭曼公式，公式中参考植物的潜在蒸散量ET0主要考虑气象因素对植物需水量的影响，受蒸发面的液体扩散及其向上空的气体紊流过程的物理作用的影响[13]。FAO将参考作物的潜在蒸发蒸腾量定义为一种假想的参考作物冠层的蒸发蒸腾速率[14]，其计算公式如下：

(1)

式中：ET0为参考植物的潜在蒸发蒸腾量(mm/d)；Δ为温度与饱和水汽压关系曲线在某一温度T处的切线斜率(kPa/℃)；Rn为植物表面的净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)];T为每日平均气温(℃)；ed、ea分别为实际水汽压以及相应温度下的饱和水汽压(kPa)；γ为湿度表常数(kPa/℃)；u2为2 m高处风速(m/s)。

1.2 计算植物的实际生态需水量

植物的实际生态需水量ETc受植物根系吸水、气孔开闭等生理过程的综合影响。计算植物的实际生态需水量，需要根据试验测定的植物蒸发蒸腾量(即蒸散量)和计算的参考植物蒸发蒸腾量，分析确定植物系数Kc。植物系数Kc是表示实际植物表面与参照植物表面的蒸发蒸腾量(即蒸散量)之间差异的系数，随植物种类、生长发育阶段而异[15]。其计算公式如下：

ETc=Kc·ET0

(2)

式中：Kc为植物系数，其值是同一时间段内的试验实测植物最大需水量与其潜在蒸散量的比值(无量纲)；ET0为某一时间段内参考植物的潜在蒸散量(mm)；ETc为相应时间段内植物的实际生态需水量(mm)。

将植物的实际需水量ETc作为生态需水定额，由岩壁上植物的蒸散面积即可计算植物用于蒸散耗失的生态需水量。

2 研究区与覆绿工程概况

2.1 研究区概况

研究区位于安徽省安庆市北部的大龙山集贤关，属安庆市宜秀区，距安庆市区中心约10 km，距长江约9.5 km，其中心地理坐标为E117°0′53″、N30°35′35″，海拔约为110 m，其地理位置见图1。区内交通状况良好，水路交通便利。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Location map of the study area

安庆市属北亚热带湿润季风气候，具有气候温和、四季分明、雨热同季等特点。据安庆市安庆站1978年至2017年的气象资料，安庆市全年以东北风为主，年均气温为16.0～19.0℃；年均太阳辐射总量为407～491 kJ/(cm2·a)；年均降水量为1 385 mm，年内降水分布不均，主要集中在5～10月份，占全年总降水量的80%以上；年均蒸发量为917 mm，各月份差异较大，主要集中在3～6月份。

2.2 覆绿工程概况

集贤关采石场目前已被关停并进行恢复治理，本研究在宕口选取某高陡岩质边坡岩体裂隙较发育区域为试验场。试验场高陡岩质边坡坡向为NE45°(315°∠78°)，坡度均在70°以上，坡面高约30～45 m，坡顶有约0.3 m的原生土，试验区出露的地层岩性主要为三叠系下统南陵湖组(T1n)灰白色中厚层微晶灰岩。试验场边坡岩壁以构造裂隙、成岩裂隙为主，存在部分卸荷裂隙。前期野外踏勘主要调查试验场周边岩体裂隙发育情况，并采用球体法进行岩体裂隙率测量，岩体裂隙率均值在2.95%。

本次研究应用地境再造法对试验场进行覆绿试种，种植区长约28 m、高约9 m。为了保证覆绿植物成活，在选择打孔间距与位置时，应尽可能使种植孔连通更多裂隙以使植物汲取更多的水分和养分，同时还需考虑植物生长的自疏性和种间竞争。因此，结合边坡表面裂隙发育情况，以1 m左右间距共布设187个种植孔，见图2(a)。另外，在设计种植孔规格时，综合考虑了植物生长地境范围[16]、裂隙岩体凝结水形成深度[17]以及边坡地质条件等因素，将种植孔深度设计为50 cm、孔径均为20 cm[见图2(b)]，这样不仅可以保证种植孔能够为植物提供基本生长的地境范围，还能使种植孔内赋存更多的水量。

图2 种植区及种植孔剖面示意图Fig.2 Diagrams of planting area and planting hole profile

3 边坡覆绿植物生态需水量计算

3.1 植物的实际生态需水量计算

3.1.1 参考植物的潜在蒸散量计算

采用彭曼-蒙蒂斯公式计算试验场地表参考植物的潜在蒸散量时，需要用到试验场附近如温度、相对湿度、水汽压、风速数据等气象数据[18]。通过收集试验场附近的气象站资料，得到安庆市2017年6月至2018年6月每日自零点始每隔3 h全天各项气象数据，将每日的平均气温、相对湿度、水汽压、风速、研究区经纬度等参数数据代入公式(1)，逐日计算参考植物的潜在蒸散量，并将计算结果绘制成柱形图，见图3。

图3 安庆市2017年6月至2018年6月每日参考植物 的潜在蒸散量柱状图Fig.3 Histogram of daily reference plant evapotran- spiration in Anqing City from June 2017 to May 2018

由图3可见，安庆地区由气象条件决定的参考植物的潜在蒸散量主要集中于春季和夏季：开春后，气温回升，植物发芽生长，蒸腾作用增强，这个状态将持续到入秋后，之后气温下降，植物生长活动减弱，其蒸散量降低。逐日累加2017年6月至2018年6月整年研究区参考植物的潜在蒸散量ET0为995.3 mm。

3.1.2 植物的实际需水量计算

由于植物实际地表覆盖、冠层特性、植物空气动力阻力与参照植物完全不同，各类因素导致的植物需水差异主要体现在植物系数Kc中。植物系数主要通过试验获得，但目前大多研究所用的植物系数是在假定土壤水分适宜植物生长的情况下获得的，并未考虑土壤水分亏缺对植物的限制作用。但在高陡岩质边坡的特殊地域环境和干旱胁迫下，植物受水分影响的生长限制不能忽略，岩壁上植株相对较矮小且生长缓慢，目前对这种情况下植物系数的研究甚少。

乔木需水要高于灌木[19]，不同需水量的植物有着不同的植物系数。本文参考现有高速公路边坡种植如迎春、连翘、油松等乔灌木的植物系数研究成果[20]，植物系数Kc取值为0.60～0.80，将其代入公式(2)，计算2017年6月至2018年6月整年试验场边坡裂隙岩体供给植物蒸散消耗的生态需水量ETc约为597.18～796.24 mm，将其作为植物的生态需水定额。

3.2 种植区裂隙岩体单元中植物生态需水量计算

3.2.1 计算单元选取

综合考虑种植孔布设间距及规格、植物生长地境范围、裂隙岩体凝结水形成深度以及边坡地质条件等因素，将种植区边坡均化为由一个个以种植孔为中心、范围为1 m×1 m×1 m所组成的浅部裂隙岩体单元，通过研究与计算裂隙岩体单元水量情况推广至整个种植区边坡。单元内裂隙岩体浅部为直径20 cm、深50 cm的圆柱状种植孔，孔内填满种植土。裂隙岩体单元作为岩体边坡的局部区域，同岩体具有相同的特性：单元岩体内发育有一定规模的裂隙；裂隙岩体单元为岩壁上植物提供了生长立地所需的土壤、水分环境，同时也是岩体内部与外界进行水量、热量等交换的接触面。植物由根系从种植孔中吸水，同时也主要通过孔口向外界蒸散耗水。

3.2.2 裂隙岩体单元中植物生态需水量计算

覆绿苗木在种植初期处于适应边坡环境的重要时期，此时的植物生态需水情况将决定其今后是否能在岩壁上生长。不同类型、不同种类覆绿植物都有着不同的冠层，一方面由于覆绿年限较短，植物植株矮小、冠幅有限，另一方面植物叶面积会随着季节发生改变。因此，在计算时将植物冠层近似视为孔口大小，那么可以计算裂隙岩体单元中植物用于蒸散耗失的需水量，即生态需水量为

m需水=ρ液πR2ETc×10-3

(3)

式中：m需水为裂隙岩体单元中植物用于蒸散耗失的需水量(kg)；ρ液为液态水密度，取值为103kg/m3；R为种植孔半径(m)；ETc为针对不同种类植物确定相应的植物系数，并计算得到的植物生态需水定额(mm)。

将具体数值代入公式(3)，可计算得到裂隙岩体单元中每年满足植物蒸散耗失的生态水量为18.75～25.00 kg。由于不同类型、不同种类植物所需的生态水量不同，地境再造法种植的植物虽然可以从边坡中吸取一定的水量，但部分耗水量较大的乔木可能无法汲取充足的水分，从而导致这些乔木产生萎蔫，严重时干枯甚至死亡。若能将裂隙岩体内赋存的水量与计算得到的裂隙岩体单元中植物生态需水量进行对比，从理论上说明边坡岩壁供给植物吸收的水量是否可以满足其蒸散消耗，进而判断无需人工养护的地境再造技术是否适用于该地区。

4 植物生长状况分析

植物生长状况主要体现在两个方面:一是植物成活率；二是植物长势。裂隙发育的岩质边坡，土壤浅薄，水分驻留时间短，扎根于岩壁裂隙中的植物在其生长过程中可能长期无法满足蒸散需水而干枯甚至死亡。植物生长状况决定了其物质积累量的多少，会直接反映在株高、茎粗、叶面积等生理形态上。但由于岩壁上水肥条件有限，植物本身生长缓慢，加之覆绿年限较短，植物生长量变化不明显。因此,本文主要对种植区植物的成活率进行调查，以验证植物生态需水量对植物生长的影响以及地境再造技术在该地区的适用性。

4.1 植物成活率调查

安庆集贤关试验场于2016年12月完成植被种植工作，选取的乔木有黄栌、黑松、刺槐，灌木有连翘、迎春、金银花，藤本有爬山虎，本地种有构树等，后于2017年秋季选取乔木火炬树对未成活孔位和部分导水性较差的孔位进行了补种。本研究先后在2017年7月、2018年6月、2019年4月对安庆集贤关试验场植物成活率进行了3次野外调查，其调查结果见表1。

对比试验场植物成活率3次野外调查结果(见表1)可以看出：

(1) 种植区植物总体成活情况较好，不同类型植物的成活情况有所差异，其成活率由高到低依次为藤本、灌木、乔木。其中，种植区灌木的成活率为80%以上，基本都可以成活，说明裂隙岩体向植物提供的水量基本能满足灌木的生长需要；乔木的成活率为55%左右，远低于灌木的成活率。

表1 2017年、2018年、2019年安庆集贤关试验场植物成活率野外调查统计结果Table 1 Statistical results of plant survival rate survey in the test site in Anqing Jixianguan in 2017,2018 and 2019

(2) 经野外调查，乔木中火炬树、黑松的成活率较高，黄栌、刺槐的成活率较低。郭连生等[21]对华北常见造林树种耐旱性的研究表明，乔木的耐旱性以黑松最好，刺槐、黄栌的耐旱性较差，这与本文种植区植物成活率的野外调查结果基本一致。

(3) 对比前后3次野外调查结果，在后期调查时发现前期调查存活的植物出现了干枯死亡，其中以乔木的干枯死亡率最高，灌木的变化不大。

综合以上野外调查结果说明，试验场裂隙岩体向植物提供的水量基本能满足灌木的生长需要，但并不能满足所有乔木生长需水的要求，部分乔木长期干旱易造成植株干枯甚至死亡。

4.2 植物生长现状调查

后期种植区植物生长状况调查结果表明，覆绿植物成活情况总体较好，灌木较乔木的成活率高、长势好，说明利用地境再造技术对试验场岩质边坡进行复绿工程是可行的。试验场植物仅在栽种时进行过人工灌溉，后期未进行人工养护，目前已自然生长两年多。开始时由于植物种植年限较短，植物对岩壁的覆盖度不高，但随着植物生长逐渐适应岩壁上的环境，已形成一定规模的植物群落，试验场种植区植物覆盖变化情况见图4。

图4 2017年、2018年和2019年安庆集贤关试验场植物 覆盖变化情况图Fig.4 Pictures showing the changes of plant coverage of planting area in the test site in Anqing Jixianguan from 2017 to 2019

此外，在野外调查时发现各种植孔内还生长有部分野生本地种，如野菊花、黄荆、狗尾草等，这也从侧面说明试验场覆绿工程有助于其植物群落的恢复。

5 结 论

在安庆集贤关试验场高陡岩质边坡应用地境再造技术进行覆绿试种，选用适用于裂隙岩体边坡植物生态需水量的计算方法计算了试验场种植区边坡植物的生态需水量，并结合后期植物生长状况的野外调查结果，分析试验场种植区边坡植物生态需水情况以及该技术的适用性，得到如下结论：

(1) 选用改进的彭曼公式法，通过收集研究区气象数据，计算了参考植物的潜在蒸散量，并选用合适的植物系数修正得到植物的实际生态需水定额；通过概化试验场裂隙岩体单元，计算裂隙岩体单元中植物每年用于蒸散消耗的生态需水量为18.75～25.00 kg，不同类型、不同种类植物的生态需水量都有所不同。

(2) 通过对试验场种植区植物成活率进行野外调查，结果表明：不同类型植物的成活情况有所差异，灌木整体的成活率远高于乔木，乔木中火炬树、黑松的成活率较高，黄栌、刺槐的成活率较低；前期调查存活的植物出现了干枯死亡，其中以乔木的干枯死亡率较高，灌木的变化不大。

(3) 试验场边坡植物生态需水量计算结果表明：该边坡裂隙岩体有可能无法向部分耗水量较大的乔木供给充足的水量；结合植物野外存活率调查结果，岩体向植物提供的水量基本能满足灌木的生长需要，但并不能满足所有乔木生长需水的要求，部分乔木长期干旱易造成植株干枯甚至死亡。

(4) 试验场边坡植物目前未经人工养护已自然生长两年多，后期植物生长现状调查结果表明：覆绿植物成活情况较好，已形成一定规模的植物群落，说明利用地境再造技术对试验场岩质边坡进行覆绿是可行的。