基于可持續(xù)景觀設(shè)計(jì)的園林植物需水量評估
——以美國加州庭院景觀為例

袁溯陽

張 鯤*

王 霞

蘇珊·陳

1 背景

水是人類的生命之源，對于生產(chǎn)生活至關(guān)重要。而中國屬于缺水嚴(yán)重的國家[1]，且水污染極為嚴(yán)重[2]。伴隨著我國城市綠地興建及人民審美素養(yǎng)提升，園林綠地面積持續(xù)擴(kuò)大[3]，園林植物的灌溉需水量隨之日益增長，成為除生產(chǎn)生活用水外的又一大用水項(xiàng)目，對城市有限的水資源構(gòu)成了新的壓力。灌溉一直是用水大戶，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局(USDA-SCS)主持的一項(xiàng)有效降雨量研究[4]表明，園林植物由于根系較淺，其依靠降雨補(bǔ)充水分的效率遠(yuǎn)低于農(nóng)業(yè)植物，這說明園林植物普遍需要更多灌溉水分來維持其生長和景觀效果。正如《中國建設(shè)報(bào)》所登載的文章“如何為缺水城市解綠化之渴”[5]，平衡景觀品質(zhì)與節(jié)約用水之間的矛盾已成為一個(gè)亟待解決的問題。盡管園林節(jié)水技術(shù)日新月異，然而我國基于景觀設(shè)計(jì)階段的園林植物需水量評估研究與實(shí)踐工作幾乎處于空白階段。

筆者在美國加州參加了園林景觀的設(shè)計(jì)工作，了解到當(dāng)?shù)匾呀⒘送晟频挠糜谥笇?dǎo)設(shè)計(jì)的園林植物用水量評估方法且由政府強(qiáng)制實(shí)施達(dá)10年之久。其中園林植物需水量評估可以對待建園林景觀未來具體用水量進(jìn)行量化計(jì)算，并為政府監(jiān)管園林用水浪費(fèi)提供切實(shí)依據(jù)。這些技術(shù)和法規(guī)對于我國風(fēng)景園林行業(yè)科學(xué)有效利用水資源具有實(shí)際借鑒價(jià)值與重要指導(dǎo)意義。

2 可持續(xù)景觀與園林植物需水量

“可持續(xù)景觀”(Sustainable Landscape)的定義眾多，可簡單理解為在全生命周期內(nèi)資源節(jié)約、環(huán)境友好、與自然和諧共生的景觀[6]。這些年，我國基于可持續(xù)景觀理論，加快節(jié)約型社會建設(shè)[7]，包括政府、學(xué)界、社會共同參與，以風(fēng)景園林學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，形成了諸多具有中國特色的水資源保護(hù)利用相關(guān)的園林理論，例如海綿城市[8]和節(jié)約型園林[9]等。但我國的景觀設(shè)計(jì)節(jié)水研究多為定性描述，或聚焦于園林節(jié)水的技術(shù)方法，在設(shè)計(jì)層面尚缺對用水的量化考慮[10]。設(shè)計(jì)中對可持續(xù)的園林用水設(shè)計(jì)多基于主觀經(jīng)驗(yàn)。所謂可持續(xù)種植設(shè)計(jì)，大多為概念性設(shè)計(jì)策略，如適地適樹、群落營造、特殊生境種植等。我國風(fēng)景園林行業(yè)目前嚴(yán)重缺乏針對設(shè)計(jì)的定量園林植物需水量計(jì)算方法，無法為設(shè)計(jì)師提供輔助和佐證。

定量研究方面，我國目前關(guān)于 “植物需水量”(Plants Water Needs)的理論主要來自農(nóng)林灌溉研究，由于園林植物種植與農(nóng)業(yè)明顯不同，故其灌溉需水量有別于農(nóng)業(yè)灌溉的理論和公式。傳統(tǒng)農(nóng)作物需水量計(jì)算方法無法有效描述園林植物需水量的實(shí)際情況。2011年，邱振存等[4]首次根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，利用園林系數(shù)法和參考作物騰發(fā)量來研究園林植物需水量的估算，并將園林植物需水量(Water Needs of Landscape Plantings)定義為降雨不足以維持園林植物的健康、外觀，以及適度生長時(shí)，向園林植物提供所需的補(bǔ)充水量，即除有效降雨以外的園林植物凈需水量。但該研究停留于公式推導(dǎo)和理論介紹階段，其中參數(shù)籠統(tǒng)且缺少論證。其后有一些關(guān)于草坪草等少數(shù)植物種的需水量研究，但植物種類單一，難以運(yùn)用到實(shí)踐中[11-12]。2019年出現(xiàn)了基于對前文中邱振存等[4]研究的實(shí)際應(yīng)用探索[13]，但理論支撐較薄弱，科學(xué)性不足。另一方面，2012年自“海綿城市”提出以來，國內(nèi)風(fēng)景園林設(shè)計(jì)領(lǐng)域雖開始重視生態(tài)景觀、可持續(xù)景觀，以及水資源保護(hù)與利用等議題，但對景觀用水的潛在浪費(fèi)仍然缺乏關(guān)注。缺乏對種植設(shè)計(jì)中園林植物用水的認(rèn)識，不僅可能造成未來建成后景觀灌溉不足、效果不佳，也可能導(dǎo)致潛在水資源浪費(fèi)，進(jìn)而增加后續(xù)養(yǎng)護(hù)管理和政府節(jié)水監(jiān)管的難度。

國外在園林植物需水量領(lǐng)域的研究起步較早，美國在20世紀(jì)80年代即有發(fā)表相關(guān)文獻(xiàn)和理論[14-15]，并在部分地區(qū)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目。國際相關(guān)研究和實(shí)踐集中在園林植物需水量和水效率景觀(Water Efficient Landscape)兩大方面。美國加州是全球率先推廣園林植物用水量評估管理的地區(qū)，也是相關(guān)研究成果最多的地區(qū)。早在1992年加州水資源管理局和加州大學(xué)等聯(lián)合出版了《園林植物品種用水分類》及后續(xù)的《加州園林植物灌溉需水量導(dǎo)則》[16]，并在實(shí)踐中不斷驗(yàn)證及修訂。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為2014年由加州城市園藝中心和加州大學(xué)戴維斯分校等發(fā)表的《園林植物品種用水分類第四版》(WUCOLS IV)[17]。

3 美國加州園林植物需水量評估體系

3.1 背景

地處美國西岸的加州屬于地中海氣候，漫長的夏季干燥少雨，水資源緊缺。立足于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)與教育資源優(yōu)勢，其政府機(jī)構(gòu)和當(dāng)?shù)刂咝＜把芯克茉缇烷_始了對包括園林植物在內(nèi)的植物需水量的研究，近年來仍不斷有新的成果出現(xiàn)[18-19]。隨著景觀科學(xué)用水實(shí)踐的持續(xù)推進(jìn)，加州這類可節(jié)水的景觀被定義為“水效率景觀”(Water Efficient Landscape)[20]，而其中對景觀未來用水量的計(jì)算被稱為“水預(yù)算”(Water Budget)。水預(yù)算的對象為植物和水景，其中由植物需水量計(jì)算主導(dǎo)，且將水景等價(jià)于高用水量植物進(jìn)行計(jì)算，故加州水效率景觀的水預(yù)算評估可被看作園林植物需水量評估。

WUCOLS項(xiàng)目，全稱為“景觀物種用水分類”(Water Use Classification of Landscape Species)項(xiàng)目，由加州水資源管理局的用水效率辦公室發(fā)起并資助，目前使用《加州園林植物灌溉需水量導(dǎo)則》[16]和《園林植物品種用水分類第四版》[17]作為指導(dǎo)依據(jù)。其中把加州劃分為6個(gè)氣候大區(qū)，包括北部中心海岸、中央山谷、南部海岸、南部內(nèi)陸、中高級沙漠和低級沙漠，并將每個(gè)氣候大區(qū)與其他氣候分區(qū)對應(yīng)，如Sunset氣候地域劃分和CIMIS ET0地域劃分。其中植物目錄提供了3 546個(gè)園林植物品種對應(yīng)的需水量評價(jià)，涵蓋了加州苗圃中絕大多數(shù)園林植物，并建立數(shù)據(jù)庫方便風(fēng)景園林師在配置植物時(shí)查詢使用[21](表1)。這些評價(jià)結(jié)合公式能快速計(jì)算出設(shè)計(jì)場地的預(yù)計(jì)景觀用水量。以加州高校測算及大量園藝師的集體經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，WUCOLS項(xiàng)目目標(biāo)為用戶提供最全面、最新的園林植物水需求信息，使得園林用水變得更加高效準(zhǔn)確。項(xiàng)目根本作用是為風(fēng)景園林專業(yè)人員提供有關(guān)園林植物物種需水量的指導(dǎo)。

隨著WUCLOS項(xiàng)目的不斷完善，以及公眾節(jié)水意識的不斷提升，逐漸成為政府監(jiān)管園林用水的理論依據(jù)，終于加州州法開始對園林水預(yù)算進(jìn)行明確規(guī)定。2009年加州政府在《水資源法》中增加第2.7章，即《標(biāo)準(zhǔn)水效率景觀條例》(Model Water Efficient Landscape Ordinance)[20]。加州水資源管理局和郡市政府開始使用WUCOLS評估來幫助轄區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)保護(hù)水資源的目標(biāo)，并強(qiáng)制執(zhí)行與園林植物需水量相關(guān)的水預(yù)算要求。

3.2 計(jì)算方法

用于估算建成后園林植物需水量的預(yù)計(jì)總用水量(Estimated Total Water Use，ETWU)，以及由政府劃定的園林用水紅線——最大用水限額(Maximum Applied Water Allowance，MAWA)是整個(gè)計(jì)算過程中最核心的2個(gè)數(shù)據(jù)，它們都是基于參考作物騰發(fā)量來計(jì)算的。參考作物騰發(fā)量(ET0)是大量高效地確定園林植物需水的基礎(chǔ)，可由測滲儀測量消耗水的重量直接測得。園林植物需水量評估常采用灌水良好、生長茁壯、修剪整齊(8～15cm)的冷季型草坪草進(jìn)行參考作物騰發(fā)量測定。20世紀(jì)加州已統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對全州各市縣的參考作物騰發(fā)量進(jìn)行了測定，為植物需水量估算打下基礎(chǔ)。

3.2.1 預(yù)計(jì)總用水量(ETWU)

所謂預(yù)計(jì)總用水量，是指園林植物凈需水量，即園林植物為維持生長和景觀效果的總需水量減去有效降雨量。

在2011年，邱振存[4]等參考加州水資源管理局1999年出版的《園林植物品種用水分類》第三版中的內(nèi)容，對利用園林系數(shù)法和參考作物騰發(fā)量來估算園林植物需水量的部分方法進(jìn)行一些概念化討論。其基本計(jì)算原理如下：

圖1 庭院景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)的場地現(xiàn)狀

圖2 加州水效率景觀設(shè)計(jì)風(fēng)格參考

圖3 庭院景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目園林植物種植平面圖及植物配置

式中，EWU為預(yù)計(jì)用水量，即園林植物需水量；ET0為參考作物騰發(fā)量；KL為園林系數(shù)。其中，KL的影響因素很多，受植物品種選擇、栽植密度、小氣候環(huán)境等共同決定。但具體情況多樣，為保證輔助設(shè)計(jì)并廣泛推廣，經(jīng)多年的研究與實(shí)踐驗(yàn)證，加州相關(guān)導(dǎo)則和條例給出了現(xiàn)實(shí)的解決辦法。

首先在加州每個(gè)郡市都有提供各自參考的作物騰發(fā)量(ET0)。依據(jù)加州6個(gè)植物生長氣候大區(qū)，每種植物在不同氣候大區(qū)中，會聯(lián)合當(dāng)?shù)貓@藝師協(xié)會進(jìn)行討論，依據(jù)植物品種普及程度順序，定性評定每一種園林植物的植物因子(Plant Factor，PF)，或稱為植物系數(shù)，即有效反映不同園林植物品種相對于參考作物的植物需水量的多少，其結(jié)果可在WUCOLS附錄或網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫查詢[22]。而當(dāng)?shù)卦盒€會依據(jù)社會反饋抽檢復(fù)檢PF值。具體而言，WUCLOS項(xiàng)目將加州幾乎所有園林植物品種的需水量對應(yīng)PF值分為4檔：高(H)、中(M)、低(L)、非常低(VL)，分別對應(yīng)數(shù)據(jù)0.7～1.0、0.3～0.6、0.1～0.3、0～0.1[17]。PF值的認(rèn)定在不同氣候大區(qū)內(nèi)也不盡相同。通常相同灌溉區(qū)中植物PF值相同更有利于造景和養(yǎng)護(hù)，若不同時(shí)，則常以其中最高PF值作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。園林水景被劃分至最高需水量的區(qū)域，PF值為1.0，面積即水面面積。而經(jīng)市政府認(rèn)定的人工濕地或雨水花園等不需灌溉的設(shè)施可以不計(jì)入預(yù)計(jì)總用水量計(jì)算。

圖4 庭院景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目灌溉平面圖及灌溉分區(qū)圖示

綜上，現(xiàn)行的加州預(yù)計(jì)總用水量的計(jì)算方法如下：

式中，ETWU為預(yù)計(jì)總用水量(加侖/年)；ET0為參考作物騰發(fā)量(英寸/年)，一般由當(dāng)?shù)乜な姓o出；0.62為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；α為各灌溉區(qū)代號；PF為植物因子；HA為灌溉區(qū)域面積(平方英尺)；IE為灌溉效率系數(shù)，一般噴灌為0.75，滴灌為0.81，更高灌溉效率向政府申請；SLA指特殊園林景觀區(qū)面積(平方英尺)，即可食用景觀區(qū)域、循環(huán)用水景觀區(qū)域、積極活動(dòng)區(qū)(如公園或球場草坪)等[24]。對特殊園林景觀區(qū)特殊對待，表現(xiàn)出不同的景觀設(shè)計(jì)政策引導(dǎo)。

3.2.2 最大用水限額(MAWA)

最大用水限額是政府規(guī)定的最大園林用水的限制條件，由項(xiàng)目所在地的位置、場地面積、園林布置和灌溉方式等共同決定。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)水效率景觀條例》相關(guān)規(guī)定，計(jì)算方法如下：

式中，M A W A 為最大用水限額(加侖/年)；ET0為參考作物騰發(fā)量(英寸/年)；0.62為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；ETAF為參考作物騰發(fā)量調(diào)整因子，可對照當(dāng)?shù)卣o出的限定標(biāo)準(zhǔn)，通常為0.5～0.7；LA為園林景觀區(qū)總面積(平方英尺)，包括種植區(qū)、草坪區(qū)、水景區(qū)，不包括硬質(zhì)鋪裝；SLA為特殊園林景觀區(qū)面積(平方英尺)。

3.2.3 計(jì)算比較

得出結(jié)果后驗(yàn)證并保證預(yù)計(jì)總用水量小于最大用水限額。

4 美國加州園林植物需水量評估實(shí)例

4.1 場地設(shè)計(jì)

該庭院景觀設(shè)計(jì)項(xiàng)目位于美國加州庫比蒂諾(Cupertino)市，系美國硅谷中心地帶，交通便利、社區(qū)優(yōu)質(zhì)，為拆除原主屋后的新建住宅項(xiàng)目。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)的場地(圖1)除保留樹木外，已完成全部的拆除工作。本設(shè)計(jì)呼應(yīng)建筑設(shè)計(jì)樣式，參考加州現(xiàn)代水效率景觀的一般設(shè)計(jì)風(fēng)格(圖2)，遵守州郡市相關(guān)設(shè)計(jì)法規(guī)與水效率景觀規(guī)范，并應(yīng)用于園林植物需水量評估。圖3、4分別為該項(xiàng)目的園林種植平面圖和灌溉平面圖。

表2 項(xiàng)目概況

4.2 園林植物需水量評估

在風(fēng)景園林師完成上述圖紙?jiān)O(shè)計(jì)之后，根據(jù)前文計(jì)算方法，依法進(jìn)行園林植物需水量評估，并參照項(xiàng)目設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果填寫水效率景觀檢查表(Water Efficient Landscape Checklist)[22]和水預(yù)算工作表(Water Budget Worksheet)[23]。下文中所有計(jì)算均已將英制單位轉(zhuǎn)換為公制單位。

表1 部分園林植物品種對應(yīng)各氣候大區(qū)的需水量植物因子(PF)示例

在進(jìn)行園林用水量評估之前，首先確定庫比蒂諾市的規(guī)定ET0值為45.3。然后填寫水效率景觀檢查表[22]，先填入對應(yīng)面積數(shù)據(jù)(均不含硬質(zhì)鋪裝，表2)，并依水效率規(guī)定定性檢查，用于快速核驗(yàn)待建項(xiàng)目對應(yīng)的基本限制性指標(biāo)，其主要內(nèi)容包括：草坪寬度與面積；種植區(qū)低需水量植物比例、外來入侵種、同灌溉區(qū)植物需水量差異；景觀土壤厚度、裸土面積、土地徑流量；灌溉設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；水景設(shè)計(jì)等。

本設(shè)計(jì)滿足檢查表全部要求。進(jìn)而根據(jù)法律要求，總園林區(qū)域面積超過500平方英尺(約46.5m2)，需進(jìn)行預(yù)計(jì)總用水量及最大用水限額的計(jì)算，并填寫水預(yù)算工作表。

計(jì)算時(shí)首先根據(jù)區(qū)域內(nèi)園林植物品種、灌溉方式和與建筑相對位置，將園林區(qū)域共分為7個(gè)灌溉區(qū)(Hydrozone，圖4)，并統(tǒng)計(jì)各區(qū)信息，依次填寫表3。根據(jù)前文方法和公式2計(jì)算得出常規(guī)園林區(qū)域預(yù)計(jì)總用水量為100 165升/年(如表3中的Y)。因3.6m2的小菜園屬于特殊園林景觀區(qū)，其ETAF恒為1，計(jì)算得其預(yù)計(jì)用水量148升/年(如表3中Z)。最后加得預(yù)計(jì)總用水量(表3中Y、Z之和)約100 313升/年。

比照當(dāng)?shù)貙?yīng)的法定居住區(qū)ETAF限制值(此處為0.55)，確定是否合法。法定ETAF代入公式3，可得法定最大用水限額(MAWA)為114 486升/年，大于ETWU滿足要求。此時(shí)還需繼續(xù)計(jì)算園林區(qū)域的平均ETAF，將表3中所得數(shù)據(jù)代入圖5中的公式，也是水預(yù)算工作表的必填項(xiàng)。根據(jù)不同郡市的要求，這里作為水預(yù)算計(jì)算的補(bǔ)充，將圖5所得全場地平均ETAF值代入公式3，可得場地最大用水限額為106 260升/年，仍大于ETWU值。

圖5 ETAF計(jì)算用表

顯然預(yù)計(jì)總用水量(ETWU)小于最大用水限額(MAWA)，則此園林植物設(shè)計(jì)的用水量符合法律要求，提交所有材料，通過市政府相關(guān)審核，并在圖紙上加蓋通過印章，作為施工的依據(jù)。

5 討論

在我國風(fēng)景園林可持續(xù)種植設(shè)計(jì)中，主觀經(jīng)驗(yàn)仍為主導(dǎo)[10]，缺少有效數(shù)據(jù)提供支撐，難以實(shí)現(xiàn)或規(guī)范可持續(xù)景觀的建設(shè)。設(shè)計(jì)階段對用水評估及監(jiān)管措施的缺失，極大限制了我國眾多節(jié)水技術(shù)革新與應(yīng)用的實(shí)施效果。現(xiàn)有基于主觀的設(shè)計(jì)策略著實(shí)無法滿足新時(shí)代可持續(xù)景觀建設(shè)的具體量化需求。

而美國加州現(xiàn)行以植物需水量為核心的園林用水設(shè)計(jì)評估方法和管理措施是一個(gè)可實(shí)施且較完善的方案，充分體現(xiàn)了可持續(xù)景觀和水資源保護(hù)的精神，也對園林景觀項(xiàng)目中可能的植物用水浪費(fèi)加以限制。其快速計(jì)算出未來景觀的大致用水量，足以達(dá)到指導(dǎo)設(shè)計(jì)、規(guī)范審核、方便維護(hù)的目的。創(chuàng)新性有以下幾點(diǎn)：1)先于多數(shù)國家和地區(qū)推行可實(shí)施的園林植物需水量相關(guān)評估方法和管理措施；2)針對園林植物栽植特點(diǎn)，如多種植物搭配及其所處環(huán)境條件，提出了相對科學(xué)的計(jì)算方法；3)大大輔助了可持續(xù)的景觀設(shè)計(jì)，同時(shí)也迫使風(fēng)景園林師參與灌溉設(shè)計(jì)，使園林植物灌溉用水更加科學(xué)準(zhǔn)確；最終，為建立一個(gè)有法可依的園林節(jié)水監(jiān)管體系打下了基礎(chǔ)。

當(dāng)然美國加州的園林植物需水量相關(guān)的評估方法和管理措施還有一些局限性：首先《園林植物品種用水分類》中的植物信息完善更新速度較慢；其次，在現(xiàn)行的計(jì)算方法對園林植物種植密度的影響缺乏考慮，可能是顧及植物生長周期及各物種間形態(tài)差異；最后，這種嚴(yán)格的計(jì)算方法和管理措施限制條件繁多，可能會降低設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)空間與工作效率。

關(guān)于建立我國的園林植物需水量量化評估體系，筆者提出以下建議。

1)建立統(tǒng)一的參考作物騰發(fā)量(ET0)測定標(biāo)準(zhǔn)，以國內(nèi)相關(guān)研究為基礎(chǔ)，通過各地政府與高校合作，測算各地的ET0。

2)早期可直接參考加州現(xiàn)有的園林植物需水量相關(guān)評估方法。而后依據(jù)我國氣候分區(qū)，或按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境景觀——綠化種植設(shè)計(jì)》(03J012—2)中的11個(gè)園林植物種植氣候大區(qū)[24]，聯(lián)合各區(qū)內(nèi)園藝協(xié)會、園林苗圃從業(yè)者和當(dāng)?shù)馗咝？蒲性簩ΤＲ妶@林植物的測定評級，確定PF，逐步擴(kuò)展更多園林植物品種，確定我國自己的園林植物品種用水量評級。

表3 預(yù)計(jì)總用水量計(jì)算用表

3)我國具有互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，更多園林植物愛好者可參與進(jìn)來，從而加快園林植物需水量數(shù)據(jù)的更新與糾正。

4)對園林植物用水量評估的順利實(shí)施亦離不開政府的法規(guī)與監(jiān)管。其中也應(yīng)制定應(yīng)用于我國的園林用水最大限額，充分結(jié)合我國國情，包括考慮自動(dòng)灌溉與否、城鄉(xiāng)景觀差異、節(jié)水技術(shù)應(yīng)用的需水量計(jì)算豁免等。

5)繼續(xù)園林植物需水量評估研究，逐步完善加州評估中的缺點(diǎn)，建立更加完善且符合國情的園林植物需水量評估方法。

注：文中圖片均由袁溯陽拍攝或繪制。

致謝：感謝美國SC Design建筑事務(wù)所提供的幫助。