高陡巖質邊坡覆綠植物生態需水量計算

張 楊，馮文新,董宏炳，寧立波，李 煜

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074;2.河南地礦職業學院，河南 鄭州 451464；3.溫州工程勘察院有限公司，浙江 溫州 325006)

長久以來，礦山露天開采、道路修建等人類工程活動在促進地區經濟發展和城市建設的同時，形成了大量裸露的高陡巖質邊坡，不僅破壞了原有的自然景觀和人居環境，還嚴重破壞了原有的生態系統，易造成水土流失、引發地質災害等問題，高陡巖質邊坡的生態恢復工作逐漸受到人們的重視[1]。

目前常用的邊坡生態覆綠方法有客土噴播法、植生槽法、植生袋法、階梯爆破法、鋼筋水泥框格法等[2]，這些技術主要通過工程技術手段對邊坡基質進行重塑，雖能在短時間內達到覆綠效果，但由于未考慮植物在邊坡上生長的地境條件，植被十分依賴后期人工養護，無法自然存活。針對此，基于生態地質學所提出的地境再造法[3]逐漸引起人們的關注。該法結合植物根系主功能區和植物地境(植物根群生長的地下環境)調查結果以及巖壁裂隙發育特征，以高陡邊坡地下生境重建和植物群落重建為著重點，用以實現邊坡長久覆綠。由于巖質邊坡極端的生境條件，邊坡內部水量能否滿足植物需要，將是地境再造技術是否可行的關鍵，對巖質邊坡植被生長起著至關重要的作用。

在裂隙巖體中，一方面由于巖石介質的特性和裂隙發育的隨機性，另一方面由于發育有連通裂隙的巖體中汽液轉化較為頻繁，目前對巖體非飽和帶水以及水量計算的研究相對較少。裂隙巖體內賦存的液態水是植被生長所需的主要水分來源[4]，其中植物能夠吸收利用的毛管水、有效薄膜水、部分重力水才是生態水。因此，不能簡單地通過巖土體含水量的多寡來判斷植物能否在巖質邊坡存活，還需要計算植物的生態需水量并與之對比來說明巖體能否供給充足的水分以滿足植物生長的需要。目前國內外對生態需水的研究主要集中在農田林地灌溉[5]、河流生態[6]等方面，而對其他生態系統(淡水濕地、沙漠綠洲等)生態需水的研究則相對較少，對巖質邊坡生態需水量及其計算方法更鮮有研究。為此，本文在皖南安慶集賢關采石場選取高陡巖質邊坡作為試驗場，應用地境再造法對其進行覆綠試種，選用改進的彭曼公式法計算試驗場種植區邊坡植物的生態需水量，并結合后期試驗場邊坡植物的野外調查結果，分析了試驗場邊坡植物的生態需水情況以及該技術的適用性。

1 裂隙巖體生態需水量的計算方法

裂隙巖體生態需水量，是指巖體生態系統為維持其坡面植物生長、發揮生態功能所需要消耗和占用的水資源量，這部分水量包含植物吸收用于蒸散、生長及其他生態需水要求的水量。目前常用的植物生態需水量計算方法有：直接計算法(需水定額法)[7]、間接計算法(潛水蒸發)[8]、基于生物量的計算方法[9]、微氣象法中改進的彭曼公式法[10]、結合實測資料與遙感地理信息系統的計算方法[11-12]等。由于巖質邊坡復雜多變的環境條件，難以準確定量測定植物生態需水量。巖質邊坡裂隙巖體下墊面情況不同于土壤，液態水不直接受下伏的飽水帶補給，內部情況變化復雜，因此直接、間接等計算方法并不適用；遙感地理信息系統雖然使用廣泛，但主要應用于大尺度范圍的生態需水量計算，無法應用于植被稀疏的局部巖質邊坡。

植被作為高陡巖壁上的主體生物，是巖質邊坡生態系統的主要水分耗散者，植物主要利用根系吸取水分，但吸收的水分僅有少部分用于生長代謝活動，絕大部分都由蒸騰作用散失掉。因此，巖質邊坡植物生態需水量可以通過巖壁上植被蒸騰耗水量來推算。微氣象法中改進的彭曼公式法是將能量平衡理論和空氣動力學技術相結合，從微氣象角度計算植物潛在蒸散量，其結果只與氣象因素有關，主要體現了不同地區、不同時期大氣蒸發能力對植物生態需水量的影響。因此，可選用改進的彭曼公式法計算基礎資料較齊全區域的植物潛在蒸散量，進而推算植物實際生態需水量。此方法理論上比較成熟完整，實際運用中具有很好的操作性，目前已廣泛應用于濕潤或干旱地區植物生態需水量的計算。

1.1 計算參考植物的潛在蒸散量

改進的彭曼公式法主要利用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計算參考植物的潛在蒸散量，彭曼-蒙蒂斯公式是聯合國糧農組織(FAO)在1998年提出的最新修正彭曼公式，公式中參考植物的潛在蒸散量ET0主要考慮氣象因素對植物需水量的影響，受蒸發面的液體擴散及其向上空的氣體紊流過程的物理作用的影響[13]。FAO將參考作物的潛在蒸發蒸騰量定義為一種假想的參考作物冠層的蒸發蒸騰速率[14]，其計算公式如下：

(1)

式中：ET0為參考植物的潛在蒸發蒸騰量(mm/d)；Δ為溫度與飽和水汽壓關系曲線在某一溫度T處的切線斜率(kPa/℃)；Rn為植物表面的凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)];T為每日平均氣溫(℃)；ed、ea分別為實際水汽壓以及相應溫度下的飽和水汽壓(kPa)；γ為濕度表常數(kPa/℃)；u2為2 m高處風速(m/s)。

1.2 計算植物的實際生態需水量

植物的實際生態需水量ETc受植物根系吸水、氣孔開閉等生理過程的綜合影響。計算植物的實際生態需水量，需要根據試驗測定的植物蒸發蒸騰量(即蒸散量)和計算的參考植物蒸發蒸騰量，分析確定植物系數Kc。植物系數Kc是表示實際植物表面與參照植物表面的蒸發蒸騰量(即蒸散量)之間差異的系數，隨植物種類、生長發育階段而異[15]。其計算公式如下：

ETc=Kc·ET0

(2)

式中：Kc為植物系數，其值是同一時間段內的試驗實測植物最大需水量與其潛在蒸散量的比值(無量綱)；ET0為某一時間段內參考植物的潛在蒸散量(mm)；ETc為相應時間段內植物的實際生態需水量(mm)。

將植物的實際需水量ETc作為生態需水定額，由巖壁上植物的蒸散面積即可計算植物用于蒸散耗失的生態需水量。

2 研究區與覆綠工程概況

2.1 研究區概況

研究區位于安徽省安慶市北部的大龍山集賢關，屬安慶市宜秀區，距安慶市區中心約10 km，距長江約9.5 km，其中心地理坐標為E117°0′53″、N30°35′35″，海拔約為110 m，其地理位置見圖1。區內交通狀況良好，水路交通便利。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Location map of the study area

安慶市屬北亞熱帶濕潤季風氣候，具有氣候溫和、四季分明、雨熱同季等特點。據安慶市安慶站1978年至2017年的氣象資料，安慶市全年以東北風為主，年均氣溫為16.0～19.0℃；年均太陽輻射總量為407～491 kJ/(cm2·a)；年均降水量為1 385 mm，年內降水分布不均，主要集中在5～10月份，占全年總降水量的80%以上；年均蒸發量為917 mm，各月份差異較大，主要集中在3～6月份。

2.2 覆綠工程概況

集賢關采石場目前已被關停并進行恢復治理，本研究在宕口選取某高陡巖質邊坡巖體裂隙較發育區域為試驗場。試驗場高陡巖質邊坡坡向為NE45°(315°∠78°)，坡度均在70°以上，坡面高約30～45 m，坡頂有約0.3 m的原生土，試驗區出露的地層巖性主要為三疊系下統南陵湖組(T1n)灰白色中厚層微晶灰巖。試驗場邊坡巖壁以構造裂隙、成巖裂隙為主，存在部分卸荷裂隙。前期野外踏勘主要調查試驗場周邊巖體裂隙發育情況，并采用球體法進行巖體裂隙率測量，巖體裂隙率均值在2.95%。

本次研究應用地境再造法對試驗場進行覆綠試種，種植區長約28 m、高約9 m。為了保證覆綠植物成活，在選擇打孔間距與位置時，應盡可能使種植孔連通更多裂隙以使植物汲取更多的水分和養分，同時還需考慮植物生長的自疏性和種間競爭。因此，結合邊坡表面裂隙發育情況，以1 m左右間距共布設187個種植孔，見圖2(a)。另外，在設計種植孔規格時，綜合考慮了植物生長地境范圍[16]、裂隙巖體凝結水形成深度[17]以及邊坡地質條件等因素，將種植孔深度設計為50 cm、孔徑均為20 cm[見圖2(b)]，這樣不僅可以保證種植孔能夠為植物提供基本生長的地境范圍，還能使種植孔內賦存更多的水量。

圖2 種植區及種植孔剖面示意圖Fig.2 Diagrams of planting area and planting hole profile

3 邊坡覆綠植物生態需水量計算

3.1 植物的實際生態需水量計算

3.1.1 參考植物的潛在蒸散量計算

采用彭曼-蒙蒂斯公式計算試驗場地表參考植物的潛在蒸散量時，需要用到試驗場附近如溫度、相對濕度、水汽壓、風速數據等氣象數據[18]。通過收集試驗場附近的氣象站資料，得到安慶市2017年6月至2018年6月每日自零點始每隔3 h全天各項氣象數據，將每日的平均氣溫、相對濕度、水汽壓、風速、研究區經緯度等參數數據代入公式(1)，逐日計算參考植物的潛在蒸散量，并將計算結果繪制成柱形圖，見圖3。

圖3 安慶市2017年6月至2018年6月每日參考植物 的潛在蒸散量柱狀圖Fig.3 Histogram of daily reference plant evapotran- spiration in Anqing City from June 2017 to May 2018

由圖3可見，安慶地區由氣象條件決定的參考植物的潛在蒸散量主要集中于春季和夏季：開春后，氣溫回升，植物發芽生長，蒸騰作用增強，這個狀態將持續到入秋后，之后氣溫下降，植物生長活動減弱，其蒸散量降低。逐日累加2017年6月至2018年6月整年研究區參考植物的潛在蒸散量ET0為995.3 mm。

3.1.2 植物的實際需水量計算

由于植物實際地表覆蓋、冠層特性、植物空氣動力阻力與參照植物完全不同，各類因素導致的植物需水差異主要體現在植物系數Kc中。植物系數主要通過試驗獲得，但目前大多研究所用的植物系數是在假定土壤水分適宜植物生長的情況下獲得的，并未考慮土壤水分虧缺對植物的限制作用。但在高陡巖質邊坡的特殊地域環境和干旱脅迫下，植物受水分影響的生長限制不能忽略，巖壁上植株相對較矮小且生長緩慢，目前對這種情況下植物系數的研究甚少。

喬木需水要高于灌木[19]，不同需水量的植物有著不同的植物系數。本文參考現有高速公路邊坡種植如迎春、連翹、油松等喬灌木的植物系數研究成果[20]，植物系數Kc取值為0.60～0.80，將其代入公式(2)，計算2017年6月至2018年6月整年試驗場邊坡裂隙巖體供給植物蒸散消耗的生態需水量ETc約為597.18～796.24 mm，將其作為植物的生態需水定額。

3.2 種植區裂隙巖體單元中植物生態需水量計算

3.2.1 計算單元選取

綜合考慮種植孔布設間距及規格、植物生長地境范圍、裂隙巖體凝結水形成深度以及邊坡地質條件等因素，將種植區邊坡均化為由一個個以種植孔為中心、范圍為1 m×1 m×1 m所組成的淺部裂隙巖體單元，通過研究與計算裂隙巖體單元水量情況推廣至整個種植區邊坡。單元內裂隙巖體淺部為直徑20 cm、深50 cm的圓柱狀種植孔，孔內填滿種植土。裂隙巖體單元作為巖體邊坡的局部區域，同巖體具有相同的特性：單元巖體內發育有一定規模的裂隙；裂隙巖體單元為巖壁上植物提供了生長立地所需的土壤、水分環境，同時也是巖體內部與外界進行水量、熱量等交換的接觸面。植物由根系從種植孔中吸水，同時也主要通過孔口向外界蒸散耗水。

3.2.2 裂隙巖體單元中植物生態需水量計算

覆綠苗木在種植初期處于適應邊坡環境的重要時期，此時的植物生態需水情況將決定其今后是否能在巖壁上生長。不同類型、不同種類覆綠植物都有著不同的冠層，一方面由于覆綠年限較短，植物植株矮小、冠幅有限，另一方面植物葉面積會隨著季節發生改變。因此，在計算時將植物冠層近似視為孔口大小，那么可以計算裂隙巖體單元中植物用于蒸散耗失的需水量，即生態需水量為

m需水=ρ液πR2ETc×10-3

(3)

式中：m需水為裂隙巖體單元中植物用于蒸散耗失的需水量(kg)；ρ液為液態水密度，取值為103kg/m3；R為種植孔半徑(m)；ETc為針對不同種類植物確定相應的植物系數，并計算得到的植物生態需水定額(mm)。

將具體數值代入公式(3)，可計算得到裂隙巖體單元中每年滿足植物蒸散耗失的生態水量為18.75～25.00 kg。由于不同類型、不同種類植物所需的生態水量不同，地境再造法種植的植物雖然可以從邊坡中吸取一定的水量，但部分耗水量較大的喬木可能無法汲取充足的水分，從而導致這些喬木產生萎蔫，嚴重時干枯甚至死亡。若能將裂隙巖體內賦存的水量與計算得到的裂隙巖體單元中植物生態需水量進行對比，從理論上說明邊坡巖壁供給植物吸收的水量是否可以滿足其蒸散消耗，進而判斷無需人工養護的地境再造技術是否適用于該地區。

4 植物生長狀況分析

植物生長狀況主要體現在兩個方面:一是植物成活率；二是植物長勢。裂隙發育的巖質邊坡，土壤淺薄，水分駐留時間短，扎根于巖壁裂隙中的植物在其生長過程中可能長期無法滿足蒸散需水而干枯甚至死亡。植物生長狀況決定了其物質積累量的多少，會直接反映在株高、莖粗、葉面積等生理形態上。但由于巖壁上水肥條件有限，植物本身生長緩慢，加之覆綠年限較短，植物生長量變化不明顯。因此,本文主要對種植區植物的成活率進行調查，以驗證植物生態需水量對植物生長的影響以及地境再造技術在該地區的適用性。

4.1 植物成活率調查

安慶集賢關試驗場于2016年12月完成植被種植工作，選取的喬木有黃櫨、黑松、刺槐，灌木有連翹、迎春、金銀花，藤本有爬山虎，本地種有構樹等，后于2017年秋季選取喬木火炬樹對未成活孔位和部分導水性較差的孔位進行了補種。本研究先后在2017年7月、2018年6月、2019年4月對安慶集賢關試驗場植物成活率進行了3次野外調查，其調查結果見表1。

對比試驗場植物成活率3次野外調查結果(見表1)可以看出：

(1) 種植區植物總體成活情況較好，不同類型植物的成活情況有所差異，其成活率由高到低依次為藤本、灌木、喬木。其中，種植區灌木的成活率為80%以上，基本都可以成活，說明裂隙巖體向植物提供的水量基本能滿足灌木的生長需要；喬木的成活率為55%左右，遠低于灌木的成活率。

表1 2017年、2018年、2019年安慶集賢關試驗場植物成活率野外調查統計結果Table 1 Statistical results of plant survival rate survey in the test site in Anqing Jixianguan in 2017,2018 and 2019

(2) 經野外調查，喬木中火炬樹、黑松的成活率較高，黃櫨、刺槐的成活率較低。郭連生等[21]對華北常見造林樹種耐旱性的研究表明，喬木的耐旱性以黑松最好，刺槐、黃櫨的耐旱性較差，這與本文種植區植物成活率的野外調查結果基本一致。

(3) 對比前后3次野外調查結果，在后期調查時發現前期調查存活的植物出現了干枯死亡，其中以喬木的干枯死亡率最高，灌木的變化不大。

綜合以上野外調查結果說明，試驗場裂隙巖體向植物提供的水量基本能滿足灌木的生長需要，但并不能滿足所有喬木生長需水的要求，部分喬木長期干旱易造成植株干枯甚至死亡。

4.2 植物生長現狀調查

后期種植區植物生長狀況調查結果表明，覆綠植物成活情況總體較好，灌木較喬木的成活率高、長勢好，說明利用地境再造技術對試驗場巖質邊坡進行復綠工程是可行的。試驗場植物僅在栽種時進行過人工灌溉，后期未進行人工養護，目前已自然生長兩年多。開始時由于植物種植年限較短，植物對巖壁的覆蓋度不高，但隨著植物生長逐漸適應巖壁上的環境，已形成一定規模的植物群落，試驗場種植區植物覆蓋變化情況見圖4。

圖4 2017年、2018年和2019年安慶集賢關試驗場植物 覆蓋變化情況圖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，在野外調查時發現各種植孔內還生長有部分野生本地種，如野菊花、黃荊、狗尾草等，這也從側面說明試驗場覆綠工程有助于其植物群落的恢復。

5 結 論

在安慶集賢關試驗場高陡巖質邊坡應用地境再造技術進行覆綠試種，選用適用于裂隙巖體邊坡植物生態需水量的計算方法計算了試驗場種植區邊坡植物的生態需水量，并結合后期植物生長狀況的野外調查結果，分析試驗場種植區邊坡植物生態需水情況以及該技術的適用性，得到如下結論：

(1) 選用改進的彭曼公式法，通過收集研究區氣象數據，計算了參考植物的潛在蒸散量，并選用合適的植物系數修正得到植物的實際生態需水定額；通過概化試驗場裂隙巖體單元，計算裂隙巖體單元中植物每年用于蒸散消耗的生態需水量為18.75～25.00 kg，不同類型、不同種類植物的生態需水量都有所不同。

(2) 通過對試驗場種植區植物成活率進行野外調查，結果表明：不同類型植物的成活情況有所差異，灌木整體的成活率遠高于喬木，喬木中火炬樹、黑松的成活率較高，黃櫨、刺槐的成活率較低；前期調查存活的植物出現了干枯死亡，其中以喬木的干枯死亡率較高，灌木的變化不大。

(3) 試驗場邊坡植物生態需水量計算結果表明：該邊坡裂隙巖體有可能無法向部分耗水量較大的喬木供給充足的水量；結合植物野外存活率調查結果，巖體向植物提供的水量基本能滿足灌木的生長需要，但并不能滿足所有喬木生長需水的要求，部分喬木長期干旱易造成植株干枯甚至死亡。

(4) 試驗場邊坡植物目前未經人工養護已自然生長兩年多，后期植物生長現狀調查結果表明：覆綠植物成活情況較好，已形成一定規模的植物群落，說明利用地境再造技術對試驗場巖質邊坡進行覆綠是可行的。