基于可持续景观设计的园林植物需水量评估<br/>——以美国加州庭院景观为例

基于可持续景观设计的园林植物需水量评估
——以美国加州庭院景观为例

2021-03-04袁溯阳

中国园林 2021年1期

关键词：需水量园林植物加州

袁溯阳

张鲲*

王霞

苏珊·陈

1 背景

水是人类的生命之源，对于生产生活至关重要。而中国属于缺水严重的国家[1]，且水污染极为严重[2]。伴随着我国城市绿地兴建及人民审美素养提升，园林绿地面积持续扩大[3]，园林植物的灌溉需水量随之日益增长，成为除生产生活用水外的又一大用水项目，对城市有限的水资源构成了新的压力。灌溉一直是用水大户，根据美国农业部土壤保持局(USDA-SCS)主持的一项有效降雨量研究[4]表明，园林植物由于根系较浅，其依靠降雨补充水分的效率远低于农业植物，这说明园林植物普遍需要更多灌溉水分来维持其生长和景观效果。正如《中国建设报》所登载的文章“如何为缺水城市解绿化之渴”[5]，平衡景观品质与节约用水之间的矛盾已成为一个亟待解决的问题。尽管园林节水技术日新月异，然而我国基于景观设计阶段的园林植物需水量评估研究与实践工作几乎处于空白阶段。

笔者在美国加州参加了园林景观的设计工作，了解到当地已建立了完善的用于指导设计的园林植物用水量评估方法且由政府强制实施达10年之久。其中园林植物需水量评估可以对待建园林景观未来具体用水量进行量化计算，并为政府监管园林用水浪费提供切实依据。这些技术和法规对于我国风景园林行业科学有效利用水资源具有实际借鉴价值与重要指导意义。

2 可持续景观与园林植物需水量

“可持续景观”(Sustainable Landscape)的定义众多，可简单理解为在全生命周期内资源节约、环境友好、与自然和谐共生的景观[6]。这些年，我国基于可持续景观理论，加快节约型社会建设[7]，包括政府、学界、社会共同参与，以风景园林学和生态学等学科为基础，形成了诸多具有中国特色的水资源保护利用相关的园林理论，例如海绵城市[8]和节约型园林[9]等。但我国的景观设计节水研究多为定性描述，或聚焦于园林节水的技术方法，在设计层面尚缺对用水的量化考虑[10]。设计中对可持续的园林用水设计多基于主观经验。所谓可持续种植设计，大多为概念性设计策略，如适地适树、群落营造、特殊生境种植等。我国风景园林行业目前严重缺乏针对设计的定量园林植物需水量计算方法，无法为设计师提供辅助和佐证。

定量研究方面，我国目前关于 “植物需水量”(Plants Water Needs)的理论主要来自农林灌溉研究，由于园林植物种植与农业明显不同，故其灌溉需水量有别于农业灌溉的理论和公式。传统农作物需水量计算方法无法有效描述园林植物需水量的实际情况。2011年，邱振存等[4]首次根据国外经验，利用园林系数法和参考作物腾发量来研究园林植物需水量的估算，并将园林植物需水量(Water Needs of Landscape Plantings)定义为降雨不足以维持园林植物的健康、外观，以及适度生长时，向园林植物提供所需的补充水量，即除有效降雨以外的园林植物净需水量。但该研究停留于公式推导和理论介绍阶段，其中参数笼统且缺少论证。其后有一些关于草坪草等少数植物种的需水量研究，但植物种类单一，难以运用到实践中[11-12]。2019年出现了基于对前文中邱振存等[4]研究的实际应用探索[13]，但理论支撑较薄弱，科学性不足。另一方面，2012年自“海绵城市”提出以来，国内风景园林设计领域虽开始重视生态景观、可持续景观，以及水资源保护与利用等议题，但对景观用水的潜在浪费仍然缺乏关注。缺乏对种植设计中园林植物用水的认识，不仅可能造成未来建成后景观灌溉不足、效果不佳，也可能导致潜在水资源浪费，进而增加后续养护管理和政府节水监管的难度。

国外在园林植物需水量领域的研究起步较早，美国在20世纪80年代即有发表相关文献和理论[14-15]，并在部分地区应用于实际项目。国际相关研究和实践集中在园林植物需水量和水效率景观(Water Efficient Landscape)两大方面。美国加州是全球率先推广园林植物用水量评估管理的地区，也是相关研究成果最多的地区。早在1992年加州水资源管理局和加州大学等联合出版了《园林植物品种用水分类》及后续的《加州园林植物灌溉需水量导则》[16]，并在实践中不断验证及修订。现行标准为2014年由加州城市园艺中心和加州大学戴维斯分校等发表的《园林植物品种用水分类第四版》(WUCOLS IV)[17]。

3 美国加州园林植物需水量评估体系

3.1 背景

地处美国西岸的加州属于地中海气候，漫长的夏季干燥少雨，水资源紧缺。立足于当地经济与教育资源优势，其政府机构和当地知名高校及研究所很早就开始了对包括园林植物在内的植物需水量的研究，近年来仍不断有新的成果出现[18-19]。随着景观科学用水实践的持续推进，加州这类可节水的景观被定义为“水效率景观”(Water Efficient Landscape)[20]，而其中对景观未来用水量的计算被称为“水预算”(Water Budget)。水预算的对象为植物和水景，其中由植物需水量计算主导，且将水景等价于高用水量植物进行计算，故加州水效率景观的水预算评估可被看作园林植物需水量评估。

WUCOLS项目，全称为“景观物种用水分类”(Water Use Classification of Landscape Species)项目，由加州水资源管理局的用水效率办公室发起并资助，目前使用《加州园林植物灌溉需水量导则》[16]和《园林植物品种用水分类第四版》[17]作为指导依据。其中把加州划分为6个气候大区，包括北部中心海岸、中央山谷、南部海岸、南部内陆、中高级沙漠和低级沙漠，并将每个气候大区与其他气候分区对应，如Sunset气候地域划分和CIMIS ET0地域划分。其中植物目录提供了3 546个园林植物品种对应的需水量评价，涵盖了加州苗圃中绝大多数园林植物，并建立数据库方便风景园林师在配置植物时查询使用[21](表1)。这些评价结合公式能快速计算出设计场地的预计景观用水量。以加州高校测算及大量园艺师的集体经验为依据，WUCOLS项目目标为用户提供最全面、最新的园林植物水需求信息，使得园林用水变得更加高效准确。项目根本作用是为风景园林专业人员提供有关园林植物物种需水量的指导。

随着WUCLOS项目的不断完善，以及公众节水意识的不断提升，逐渐成为政府监管园林用水的理论依据，终于加州州法开始对园林水预算进行明确规定。2009年加州政府在《水资源法》中增加第2.7章，即《标准水效率景观条例》(Model Water Efficient Landscape Ordinance)[20]。加州水资源管理局和郡市政府开始使用WUCOLS评估来帮助辖区内实现保护水资源的目标，并强制执行与园林植物需水量相关的水预算要求。

3.2 计算方法

用于估算建成后园林植物需水量的预计总用水量(Estimated Total Water Use，ETWU)，以及由政府划定的园林用水红线——最大用水限额(Maximum Applied Water Allowance，MAWA)是整个计算过程中最核心的2个数据，它们都是基于参考作物腾发量来计算的。参考作物腾发量(ET0)是大量高效地确定园林植物需水的基础，可由测渗仪测量消耗水的重量直接测得。园林植物需水量评估常采用灌水良好、生长茁壮、修剪整齐(8～15cm)的冷季型草坪草进行参考作物腾发量测定。20世纪加州已统一标准对全州各市县的参考作物腾发量进行了测定，为植物需水量估算打下基础。

3.2.1 预计总用水量(ETWU)

所谓预计总用水量，是指园林植物净需水量，即园林植物为维持生长和景观效果的总需水量减去有效降雨量。

在2011年，邱振存[4]等参考加州水资源管理局1999年出版的《园林植物品种用水分类》第三版中的内容，对利用园林系数法和参考作物腾发量来估算园林植物需水量的部分方法进行一些概念化讨论。其基本计算原理如下：

图1 庭院景观设计项目设计时的场地现状

图2 加州水效率景观设计风格参考

图3 庭院景观设计项目园林植物种植平面图及植物配置

式中，EWU为预计用水量，即园林植物需水量；ET0为参考作物腾发量；KL为园林系数。其中，KL的影响因素很多，受植物品种选择、栽植密度、小气候环境等共同决定。但具体情况多样，为保证辅助设计并广泛推广，经多年的研究与实践验证，加州相关导则和条例给出了现实的解决办法。

首先在加州每个郡市都有提供各自参考的作物腾发量(ET0)。依据加州6个植物生长气候大区，每种植物在不同气候大区中，会联合当地园艺师协会进行讨论，依据植物品种普及程度顺序，定性评定每一种园林植物的植物因子(Plant Factor，PF)，或称为植物系数，即有效反映不同园林植物品种相对于参考作物的植物需水量的多少，其结果可在WUCOLS附录或网上数据库查询[22]。而当地院校会还会依据社会反馈抽检复检PF值。具体而言，WUCLOS项目将加州几乎所有园林植物品种的需水量对应PF值分为4档：高(H)、中(M)、低(L)、非常低(VL)，分别对应数据0.7～1.0、0.3～0.6、0.1～0.3、0～0.1[17]。PF值的认定在不同气候大区内也不尽相同。通常相同灌溉区中植物PF值相同更有利于造景和养护，若不同时，则常以其中最高PF值作为计算标准。园林水景被划分至最高需水量的区域，PF值为1.0，面积即水面面积。而经市政府认定的人工湿地或雨水花园等不需灌溉的设施可以不计入预计总用水量计算。

图4 庭院景观设计项目灌溉平面图及灌溉分区图示

综上，现行的加州预计总用水量的计算方法如下：

式中，ETWU为预计总用水量(加仑/年)；ET0为参考作物腾发量(英寸/年)，一般由当地郡市政府给出；0.62为单位转换系数；α为各灌溉区代号；PF为植物因子；HA为灌溉区域面积(平方英尺)；IE为灌溉效率系数，一般喷灌为0.75，滴灌为0.81，更高灌溉效率向政府申请；SLA指特殊园林景观区面积(平方英尺)，即可食用景观区域、循环用水景观区域、积极活动区(如公园或球场草坪)等[24]。对特殊园林景观区特殊对待，表现出不同的景观设计政策引导。

3.2.2 最大用水限额(MAWA)

最大用水限额是政府规定的最大园林用水的限制条件，由项目所在地的位置、场地面积、园林布置和灌溉方式等共同决定。根据《标准水效率景观条例》相关规定，计算方法如下：

式中，M A W A 为最大用水限额(加仑/年)；ET0为参考作物腾发量(英寸/年)；0.62为单位转换系数；ETAF为参考作物腾发量调整因子，可对照当地政府给出的限定标准，通常为0.5～0.7；LA为园林景观区总面积(平方英尺)，包括种植区、草坪区、水景区，不包括硬质铺装；SLA为特殊园林景观区面积(平方英尺)。

3.2.3 计算比较

得出结果后验证并保证预计总用水量小于最大用水限额。

4 美国加州园林植物需水量评估实例

4.1 场地设计

该庭院景观设计项目位于美国加州库比蒂诺(Cupertino)市，系美国硅谷中心地带，交通便利、社区优质，为拆除原主屋后的新建住宅项目。该项目设计时的场地(图1)除保留树木外，已完成全部的拆除工作。本设计呼应建筑设计样式，参考加州现代水效率景观的一般设计风格(图2)，遵守州郡市相关设计法规与水效率景观规范，并应用于园林植物需水量评估。图3、4分别为该项目的园林种植平面图和灌溉平面图。

表2 项目概况

4.2 园林植物需水量评估

在风景园林师完成上述图纸设计之后，根据前文计算方法，依法进行园林植物需水量评估，并参照项目设计和计算结果填写水效率景观检查表(Water Efficient Landscape Checklist)[22]和水预算工作表(Water Budget Worksheet)[23]。下文中所有计算均已将英制单位转换为公制单位。

表1 部分园林植物品种对应各气候大区的需水量植物因子(PF)示例

在进行园林用水量评估之前，首先确定库比蒂诺市的规定ET0值为45.3。然后填写水效率景观检查表[22]，先填入对应面积数据(均不含硬质铺装，表2)，并依水效率规定定性检查，用于快速核验待建项目对应的基本限制性指标，其主要内容包括：草坪宽度与面积；种植区低需水量植物比例、外来入侵种、同灌溉区植物需水量差异；景观土壤厚度、裸土面积、土地径流量；灌溉设施技术标准；水景设计等。

本设计满足检查表全部要求。进而根据法律要求，总园林区域面积超过500平方英尺(约46.5m2)，需进行预计总用水量及最大用水限额的计算，并填写水预算工作表。

计算时首先根据区域内园林植物品种、灌溉方式和与建筑相对位置，将园林区域共分为7个灌溉区(Hydrozone，图4)，并统计各区信息，依次填写表3。根据前文方法和公式2计算得出常规园林区域预计总用水量为100 165升/年(如表3中的Y)。因3.6m2的小菜园属于特殊园林景观区，其ETAF恒为1，计算得其预计用水量148升/年(如表3中Z)。最后加得预计总用水量(表3中Y、Z之和)约100 313升/年。

比照当地对应的法定居住区ETAF限制值(此处为0.55)，确定是否合法。法定ETAF代入公式3，可得法定最大用水限额(MAWA)为114 486升/年，大于ETWU满足要求。此时还需继续计算园林区域的平均ETAF，将表3中所得数据代入图5中的公式，也是水预算工作表的必填项。根据不同郡市的要求，这里作为水预算计算的补充，将图5所得全场地平均ETAF值代入公式3，可得场地最大用水限额为106 260升/年，仍大于ETWU值。

图5 ETAF计算用表

显然预计总用水量(ETWU)小于最大用水限额(MAWA)，则此园林植物设计的用水量符合法律要求，提交所有材料，通过市政府相关审核，并在图纸上加盖通过印章，作为施工的依据。

5 讨论

在我国风景园林可持续种植设计中，主观经验仍为主导[10]，缺少有效数据提供支撑，难以实现或规范可持续景观的建设。设计阶段对用水评估及监管措施的缺失，极大限制了我国众多节水技术革新与应用的实施效果。现有基于主观的设计策略着实无法满足新时代可持续景观建设的具体量化需求。

而美国加州现行以植物需水量为核心的园林用水设计评估方法和管理措施是一个可实施且较完善的方案，充分体现了可持续景观和水资源保护的精神，也对园林景观项目中可能的植物用水浪费加以限制。其快速计算出未来景观的大致用水量，足以达到指导设计、规范审核、方便维护的目的。创新性有以下几点：1)先于多数国家和地区推行可实施的园林植物需水量相关评估方法和管理措施；2)针对园林植物栽植特点，如多种植物搭配及其所处环境条件，提出了相对科学的计算方法；3)大大辅助了可持续的景观设计，同时也迫使风景园林师参与灌溉设计，使园林植物灌溉用水更加科学准确；最终，为建立一个有法可依的园林节水监管体系打下了基础。

当然美国加州的园林植物需水量相关的评估方法和管理措施还有一些局限性：首先《园林植物品种用水分类》中的植物信息完善更新速度较慢；其次，在现行的计算方法对园林植物种植密度的影响缺乏考虑，可能是顾及植物生长周期及各物种间形态差异；最后，这种严格的计算方法和管理措施限制条件繁多，可能会降低设计师的设计空间与工作效率。

关于建立我国的园林植物需水量量化评估体系，笔者提出以下建议。

1)建立统一的参考作物腾发量(ET0)测定标准，以国内相关研究为基础，通过各地政府与高校合作，测算各地的ET0。

2)早期可直接参考加州现有的园林植物需水量相关评估方法。而后依据我国气候分区，或按照行业标准《环境景观——绿化种植设计》(03J012—2)中的11个园林植物种植气候大区[24]，联合各区内园艺协会、园林苗圃从业者和当地高校科研院对常见园林植物的测定评级，确定PF，逐步扩展更多园林植物品种，确定我国自己的园林植物品种用水量评级。