（土壤学专业论文）颐和园园林绿地复合系统水分变化特征及耗水规律.pdf

摘要 探索和研究园林复合植被系统的水分消耗规律，对于指导园林节水灌溉具有一定的应用价 值。本试验实地监测北京市颐和园内乔草组合，灌草组合和纯草三种植被复合系统条件下的土壤 含水量、基质势、降雨量和灌溉量的空间分布以及草坪的生长动态等。利用分布式水量平衡原理， 计算和分析了园林绿地复合系统内的水分变化特征和水分消耗规律。结果表明，降雨和灌溉量在 园林绿地复合系统内的再分配和分布情况具有非常大的空间变异性；在7 ，8 月份，】m 下界面 产生了大量的渗漏，7 - 1 1 月份乔草组合的平均渗漏量达到了2 1 0 5m m ，从而导致了水分的大量 浪费；不同组合下的耗水规律、渗漏状况和草坪生长状况有一定的差异性。最后，针对以上试验 结果，主要结论及建议如下； ( 1 ) 试验期间，乔草组合和纯草表现为低耗水，高渗漏，低土体补水量；灌革组合表现为高耗水， 低渗漏，高土体补水量。 ( 2 ) 灌草组合和乔草组合下的草坪长势较差，两种组合下，草坪色度大于6 的面积占各组合总面 积的比例平均值小于5 0 ；在7 月份到9 月中旬草坪容易发生病害。 ( 3 ) 在灌溉制度方面，建议非雨季应根据植被群落的水分消耗规律和天气状况，确定灌水定额； 雨季应停止全面系统灌溉。防止水分渗漏，以临时性补灌为主。同时加强排水措施； 关键词：园林，复合植被系统。喷灌，耗水规律 i l a b s t r a c t s t u d yo nt h ew a t e rc o n s u m p t i o no f c o m p o u n dp l a n te c o s y s t e mi sv a l u a b l et od i r e c tt h ew a t e r - s a v i n g i r r i g a t i o no f ag u r d e n 1 1 me x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti nt h es u m m e rp a l a c ef r o mj u n et on o v e m b e ri n 2 0 0 6 i nt h i ss t u d y , t h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no f t h es o i lw a t e rc o n t e n ta n ds o l lw a t e rp o t e n t i a l w a sm e a s u r e de v e r y d a yu n d e rd i f f e r e n tc o m p o u n dp l a t oe c o s y s t e m s ，w h i c hi n c l u d e ：a r b o r sa n d t u r f g r a s s ，s h r u b b e r ya n dm r f g r a s s ，t u r f g r a s s t h ei r r i g a t i o na m o u n ta n dr a i n f a l lw e r em e a s u r e dd u r i n g t h ee x p e r i m e n t ；t h eg r o w i n gt r e n do f t h et u f f g r a s sw a sm e a s u r e dt o o b a s e do nd i s t r i b u t e dw a t e rb a l a n c e m e t h o d ，t h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no ft h ew a t e rc o n s u l _ i p t i o no ft h et h r e ek i n d so fe c o s y s t e m w a sa n a l y s e d 1 1 1 er e s u l ts h o w e dt h a tt h er e d i s t r i b u t i o no fr a i n f a l la n dt h ei r r i g a t i o nh a dg r e a tv a i l a n c e i nt h ec o m p o u n de c o s y s t e m l e a k a g ea p p e a r e di nj u l ya n da u g u e s t f r o m j u l yt on o v e m b e r , t h e j a ：r g a s tl e a k a g eo ft h el a y e ra tl md e p t hw a s2 1 0 5m m w h i c hh a dl e dt oag r e a tw a s t eo fw a t e a t “：s o u r c e i nt h ef i n a l t h ew a t e rc o n s o m p t i o no f t h ed i f f e r e n tc o m p o u n dp l a n te c o s y s t e mw a sa n a l y s e d b a s e do nt h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t , t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ， ( 1 ) a m o n gt h et h r e ek i n do f p l a n tc o m b i n a t i o n , t h ea r b o r sa n dt u f f g r a s s ，a n dt h et u f f g r a s sh a dal o w e r w a t e rc o n s u m p t i o n , h i g t l e ri e a k a g e ，a n dl o w e ri n c r e a s eo fw a t e rs t o r a g ei n1ms o i lc o l u m n ；t h e s h r u b b e r ya n dt u r f g r a s sh a dah i g h e rw a t e rc o n s u m p t i o n ，l o w e rl e a k a g e ，h i g h e ri n c r e a s eo fw a t e r s t o r a g e ( 2 ) t h et u f f g r a s si nt h ec o m b i a n t i o n sh a dal o w e rq u a l i t y t h ea v e r a g ea r e a , w h i c hg r e e ni n d e xo f t u r f g r a s si sl a r g e rt h a n6 w a sl o w e rt h a np e r c e n t5 0 t h en w f g r a s si nt h ec o m b i n a t i o nw a sa p tt o d i s e a s ef r o mj u l yt ot h em i d d l eo f s e p t ( 3 ) i nt h ed r ys e a s o n , o nt h eb a s eo f p l a n t sd i s t r i b u t i o na n dw e a t h e r , w ec a r lm a k ec e r t a i nt h ei r r i g a t i o n w a t e rq u o ma n di r r i g a t i o ni n t e r v a l i nt h em i n ys e a s o n , w es h o u l ds t o pt h ew o r k i n go fi r r i g a t i o n s y s t e mt op r e v e n tw a t e rl e a k a g e ，a n dp a ya t t e n t i o nt od r a i n a g e k e y w o r dg a r d e n , c o m p o u n dp l a n te c o s y s t e m , s p r i n k l e ri r r i g a t i o n , w a t e rc o n s u m p t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：拐镧娣 1 时间：滴年莎月柏 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：另卅司骛 导师弛慈3 移 时间：神年多月同 时间： 2 出7 年乡月彦日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 在园林的养护管理中，灌溉是保持园林景观的一种重要养护手段。良好的水分供应可以促进 植物的健康生长，避免高温伤害，保持良好的景观效果。缺水将会导致植物生长受阻，如叶片变 小，花期变短等现象；但过量的水分也会对植物生长发育产生不利影响。水分饱和的土壤会影响 根系功能，对整个植株生长不利，从而影响园林景观效果。因此，了解园林绿地的耗水规律，对 于促进植株的生长和提高水分利用效率具有重要意义。一般认为，建植园林绿地是一种耗水量较 大的绿化方式。这在水资源相对不足的北方城市，情况显得更为严峻。由于水资源短缺，在农业 用水、城市生活用水、工业用水以及生态环境用水之间存在着激烈矛盾，形成城市用水和工业用 水挤占农业用水- 农业用水又挤占生态用水的局面。 近几年，北京市的城市大园林建设有了长足发展，截止到2 0 0 3 年底，城区建成绿地为 2 8 5 4 4 8 6 公顷。但是由于没有完善的园林绿地灌溉制度，园林绿地节水意识并不强，绿地灌溉多 用水车或皮管漫灌近几年，虽然城市园林绿地安装喷灌设施的比例有了很大的增加，但园林绿 地何时应该灌溉，灌溉量究竟为多少都没有量化概念，大部分绿地仍然凭借管理者的经验进行灌 溉，水资源浪费现象较为普遍。据统计。目前北京市每平方米园林绿地年灌溉用水量约1m 。- i 2 m ( 中国自然资源丛书编撰委员会，1 9 9 4 ；鲁琦，2 0 0 2 ) 。以4 0 的绿地采用人工灌溉来估算， 其用水量也是非常惊人的。年耗水量约i 亿立方米，绿地的用水量已经占到了农业用水的1 2 0 。 随着“绿色奥运”和2 0 1 0 年规划目标的逐步实现，北京城市园林绿地的总量还将进一步增加， 如果今后继续以现有的灌溉模式管理绿地，城市绿地将成为城市用水的大户，绿化用水与城市生 产、生活争夺永资源的矛盾也将更为尖锐。 近年来，在北京园林绿地的水分管理中在不断尝试、发展和普及喷灌、滴灌、渗灌等各种灌 溉形式。大面积的绿地草坪，基本都采用喷灌方式，但由于操作不当或认识上有误区等原因，常 常过量喷洒而形成地表径流和无效下渗造成水资源损失。高大乔木灌溉则大多采用皮管直接浇 灌，这不仅造成用水量的增加，还由于浇灌水分不充足，使水分主要集中在土壤表层，导致树木 根系向上生长，引起树木倒伏。 以北京颐和园为例，在2 0 0 2 年开始，引进了以智能化的方式控制的灌溉系统。目前已取得了 明显的节水效果但由于园林绿地的智能化节水灌溉技术的研究报道很少，关于园林绿地复合系 统耗水规律的基础研究更少，导致目前还没有将自动化节水灌溉技术与园林绿地复合系统耗水特 点有机的结合在一起，在实际工作中无法进行科学的指导，严重影响了新技术的应用和推广 对于单一植被类型的绿地，由于均一性高，管理相对简单。但是，由于景观园林追求空间的 异质性和复杂性，使得复合系统内的水分运动和变化情况亦更加复杂。 因此，在了解草坪草和单一植被类型耗水规律的基础上系统地了解园林复合系统内的水分 动态和水分消耗规律，将有助于为园林绿地的节水灌溉提供理论依据。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 常用草坪草燕散的研究进展 与大部分农作物相比，草坪草是一种比较特殊的植物群体，由于草坪能够完全覆盖地面，草 坪的蒸教作用以蒸腾为主，棵问蒸发可以忽略不计。 近几年，对不同品种和不同水分处理下草坪草的蒸散耗水有较多的研究。其中，在对绿化常 用草坪草如高羊茅、草地早熟禾、野牛草和结缕草的蒸散的研究表明，冷季性草坪草( 高羊茅和 草地早熟禾) 和暖季性草坪草( 野牛草和结缕草) 的蒸散量差异显著；其中冷季型大于暖季型草 坪( 韩建国等，2 0 0 1 ：孙强等，2 0 0 4 ) ：草坪不同品种间或品种内的耗水量也存在差异( 潘全山 等，2 0 0 1 ；赵炳祥等，2 0 0 3 ；孙强等，2 0 0 3 ) 。另外，修剪留茬高度、施肥等对耗水量也存在影 响( 潘全山等，2 0 0 0 ) 温度对蒸散量存在很大的影响，对不同品种的高羊茅，当温度由2 5 摄氏 度升高到3 5 摄氏度时，蒸散量增加1 卜l - 7 倍( 赵炳祥等，2 0 0 3 ) 暖季型草坪草的夏季日平均最大蒸发量为3 o - 9 0m m ，而冷季型草坪草的最大蒸发量为 3 6 - 1 2 6 i n m ( 赵炳祥等，2 0 0 3 ) 。b e a r d1 9 8 5 年对暖季性草坪蒸散量的分级中，将小于4 m m d a y 的蒸散量视为最低，将大于9m md a y 。视为很高，可见当时认为草坪草具有较高的蒸散量( b e a r d ， 1 9 8 5 ) 。k n e e b o n e 等认为草坪具有奢侈耗水的特性，土壤含水量较高时，草坪具有较大的蒸散量 ( k n e e b o n ee ta 1 ，1 9 8 4 ) ，但是，当草坪受到水分胁迫如涝害，生长受限时，是否也具有较高的 蒸散耗水量? 目前尚没有详细的研究。 l 番 一 薰 鏊5 ls v 2 i 肆鹩，冀 图卜1 常见草坪草不同季节蒸散量( 张新民等，2 0 0 4 ) f 培i - ie v a p o t r a n s p i r a t i o no f t h ec o m l m o nt u r f g r a s si nd i f f e r e n ts c a s 草坪草的耗水随时间呈双峰型变化( 图卜1 ) ，第一个耗水高峰期出现在5 月中旬至6 月末，第 二个耗水高峰期出现在7 月中旬到9 月中旬( 张新民等，2 0 0 4 ；刘丽芳等，2 0 0 6 ) ： 由于草坪草的根系分布较浅，主要分布在0 - 3 0c m ( 李云侠等，1 9 9 9 ) 的土层内，随着季节变 化，具有一定的波动，在降雨较少的春秋季节，根系较深；降雨频繁的夏季，根系较浅。根重密 度随土层深度指数衰减关系( 孙强等，2 0 0 5 ) 。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 从灌溉的指标而言，草坪灌溉管理中灌溉控制土壤水分的下限可以降低到4 0 - 6 0 的田间 持水量( 刘丽芳等，2 0 0 6 ) ；另外，联合国粮农组织关于冷季型草坪草，发生水分胁迫时的含水 量，也有一定的参考( r i c h a r de t a l ，1 9 9 8 ) 。 裹i - i 草坪革夏季平均燕散率( 1 9 9 6 年以前的报道) f 赵炳祥等，2 0 0 3 ：c a r r o w , 1 9 9 5 ) t a b l e l - im e a ns u m m e re v o p o t r a n s p i m t i o nr a t e so f t u r f g r a s s ( t h cs u m m a r yo f t h er e p o r t sr e s u l tb e f o r e1 9 9 6 ) 冷季型草坪草 暖季型草坪草 夏季平均蒸散量o 嘶寸1 )相对顺序 野牛草 杂交狗牙根 假俭草 5 o 7 0 3 1 7 0 3 8 9 0 很低 低 普通狗牙根3 0 9 0 一菇动r 3 5 1 0 0 一 硬羊茅 邱氏羊茅 紫羊茅 美洲雀稗 7 o 8 5 7 ，o 8 5 7 0 8 5 6 0 8 5 中等 海滨雀稗6 o 8 5 钝叶草 3 3 8 i 多年生黑麦草 6 6 1 1 2 地毯草8 8 1 0 0 狼尾草 8 5 l o 0 高羊茅 2 7 1 2 6很高 匍匐翦股颖 5 0 1 0 0 一年生早熟禾 1 0 草地早熟禾 1 0 多年生黑麦草 1 0 表卜1 中，蒸散量测定是用小型蒸渗仪在田间或室内水分充足的条件下测得的，反映了其最 大蒸发速率，但是与田闻实际情况存在很大的差异，实际蒸散量往往低4 0 - 6 0 ( c a r r o w ，1 9 9 5 ) 表1 2 北京绿化常用草坪草耗水情况表 t a b l ei - 2e v a p o t r a n s p i r a t i o no f t h ec o m m o f lt u f f g r a s si nb e i j i n g 植物生育期燕散量 灌罗震水资料来源 种类 ( m ) l m j 高羊茅6 3 0 - 8 3 13 9 4 - 5 1 7韩建国等( 0 1 ) 赵炳样( 0 3 ) ，孙强( 0 3 ) 等 草地早熟禾 5 6 1 7 3 43 4 4 4 7 l张新民( 0 4 ) ，孙强等( 0 3 ，0 4 ) 野牛草 6 1 0 - 7 5 93 3 2 - 3 7 2赵炳祥( 0 3 ) ，孙强等( 0 4 ) 结缕草 6 1 2 7 0 13 1 5 - 3 2 6赵炳样( 0 3 ) 孙强等( 0 4 ) 注：生育期燕散量和灌溉需水量年际变化较大) 草坪草生育期内的年际蒸散量变化较大，不同年份相差达2 0 0m m ，但一般年耗水量都在5 0 0 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 m i l l 以上( 表1 - 2 ) 。 另外。就研究方法而言，主要有水量平衡法和小型蒸渗仪法。目前很多研究人员采用小型蒸 渗仪并设置不同的水分梯度的方法，研究草坪的蒸散。由于小型蒸渗仪在一定程度上限制了根系 的生长，一定程度上降低了草坪的抗旱性，增加了水分的消耗使蒸散量偏大：水量平衡法测定 相对更加准确一些。 1 2 2 常用园林绿化树种耗水量的研究进展 测定树木或林分耗水的方法较多如水量平衡法、微气象学法和植物生理学方法等；从研究尺 度上来讲，主要包括枝叶尺度、单株尺度，林分尺度和区域尺度等( 郭孟霞等，2 0 0 6 ) 。 乔灌木个体耗水性指的是乔灌木个体的根系从土壤中吸收水分并通过叶片蒸腾耗散的能力； 乔灌木群体耗水性指的是单位时间、单位面积林她的蒸散耗水量。 对于乔灌木个体耗水特性的研究主要整树容器法和一些植物生理学方法。整树容器法由 l a d e f o g e d 首先提出。m i g h t 等进行过实际应用和测定 p ) 其中，干燥度可以由下式求得( 1 d ) s v = r ( 1 & 一) 。 式中：r 表示降雨强度，v 表示蒸发速率，t 为透流率，；s 为林冠郁闭度，；b 为林冠叶 面积指数；c 为叶片的垂直透影率；p 为降雨量，m m ；p o 为透流临界雨量，m m ：1 一s 表示未郁 闭部分的透流率；s e “表示郁闭部分的透流率。其中指数部分是参与了植被辐射传播理论中 光的透过函数的形式，d 表示干燥度，o s d s l ，d = 1 表示林冠枝叶完全干燥，d = 0 表示林冠 枝叶处于完全饱和的吸水状态。 1 2 4 复合植被系统燕散作用的研究进展 复合植被系统与相对均质的植被生态系统相比，无论从地上还是地下都具有非常复杂的空间 异质性，其水分消耗也异常复杂。 目前，在对复合系统的研究中，主要集中在农林复合系统如防护林与农作物( 吴运英，1 9 9 1 ： 孟平等，1 9 9 5 ；b r e n n e r ，1 9 9 6 ) 、果园与农作物( 陆光明，1 9 9 3 ) 等。另外，在对复合系统的研 究中，往往只是研究复合系统对单一作物的耗水规律的影响，对于复合系统的整体耗水情况和各 个植物种类之间的耗水比例的研究并不多。 对于农林复合系统，在研究的结论上，根据张劲松等( 张劲松，2 0 0 1 ；张劲松等，2 0 0 3 ) 的 综述中对农林生态系统耗水的描述可知，有关农林复合系统中作物或牧草的蒸腾效应的正负问 题，至今还未形成完全统一的认识。目前，大致存在2 种结论：一种认为，由于林木的防护作用， 导致作物或牧草的冠层温度升高和气孔导度增加，从而会增加作物( 牧草) 的蒸腾耗水量( b r e n n e r ， 1 9 9 6 ) 防护林对风速的降低。只有在水分充足的情况下，才有可能起到降低蒸散的作用；另一 种则认为，由于林木的遮阴、风速及湍流交换作用的减弱等原因，农林复合系统将具有降低作物 或牧草的蒸腾强度及土壤蒸发强度的作用：降低的幅度还与作物生长季节以及天气类型有关( 孟 平等，1 9 9 5 ；吴运英，1 9 9 1 ；陆光明，1 9 9 3 ) 另外，也不能肯定复合系统具有改善土壤水分状况 的作用 对于复合系统的土壤水分效应与时空分布，大多数是针对复合系统中的单种植物进行研究 的，从整体的角度来定量研究复合系统土壤水分问题的研究尚少( 张劲松，2 0 0 1 ) 。 综上所述，对于单一草坪或常用绿化树种的耗水情况。目前已经有较多的研究，但是，由于 园林植被系统具有非常高的空间异质性，对于园林复合系统整体的耗水规律以及内部的相互关系 研究很少。系统了解园林复合系统的整体的耗水规律，才能正确指导园林灌溉。 系统了解复合植被系统内部的水分变化和时空分布动态以及不同植被组合的耗水特点，有助 于正确指导园林节水灌溉和自动喷灌系统的推广和应用。 7 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 研究目标、研究内容与技术路线 1 3 1 研究目标 利用分布式水量平衡基本原理，初步研究不同类型园林植被复合系统的水分消耗规律，为园 林节水灌溉提供理论依据。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 频率域反射仪测定土壤含水量的校正与田间验证。 ( 2 ) 复合系统内冠层叶面积指数、草坪色度及不同植被类型的土壤水分变化特征及耗水规 律。 1 3 3 技术路线 8 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 技术路线 f i g 1 - 1w o r k i n gf r a m e 9 中国农业大学硕士学位论文第二章材料与方法 2 1 试验地概况 第二章材料与方法 试验地位于北京市颐和园玉带桥北侧，植被组成复杂，较好的代表了颐和园的植被群落特征。 地处东经1 1 6 2 6 度，北纬3 9 胂度，占地9 9 5 亩。 试验地的土壤类型比较复杂，主要为人工回填土，空间变异性大。土壤基本属性如下， 表2 _ 1 土壤基本属性 t a b l e2 - 1s o i lb a s i cp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p o r t i c s 表2 - 2 土壤物理化学属性 t a b l e2 - 2s o i lp h y s i c a l dc h e m i c a lp r o p o n i e s 土壤水分特征曲线拟和参数 土鬻次见 口 。 。 缸 盯。洲即硝 0 - 2 00 5 7 3 1 0 3 2 3 90 1 4 2 60 0 2 3 21 3 0 7 10 2 3 57 1 8 4 砂壤1 4 02 3 3 6 2 5 1 36 7 4 2 00 6 0 8 4 0 3 4 7 20 1 3 4 60 0 5 2 51 2 0 5 70 1 7 0 62 1 2 4 6 粉壤1 2 4 2 2 0 92 3 1 37 5 7 6 0 - 1 0 0 0 6 0 6 10 3 6 7 40 0 9 1 70 0 1 8 21 2 9 6 30 2 2 8 61 0 9 3 4 粉壤1 1 2 1 1 9 82 3 0 07 9 5 注1 为饱和舍水量，f m ，lo f c 为田问持水量，m 3m - 3 ；6 k 为萎蔫点含水量，矗f n ，：t ：z ，n ，m 均 为拟和参数：缸为饱和导水率，栅d a y s 了- 为土壤质地 为土壤有机质，g k g 1 # 上酊为电导率，m sm 1 植被类型比较复杂，乔木1 4 种，灌木1 4 种， 紫花地丁，二月花、蒲公英、旋覆花等零星点缀， 采用美国农部制标准；p 6 为土壤容重，g c m ；o m 地被以高羊茅、早熟禾为主，其他小型地被如 植被类型见表2 - 3 。 中国农业大学硕士学位论文第二章材料与方法 表2 - 3 试验区内的植被类型 t a b l c 2 - 3t h ek i n d so f p l a n t si nt h ee x p e r i m e n t a lf i e l d 2 3 4 j 6 乔术 7 8 9 1 0 i l 1 2 1 3 1 4 l j 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 灌木2 l 2 2 2 3 2 4 2 j 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 地被3 l 白皮松 油松 桑树 玉兰 楸树 臭椿 旱柳 垂柳 龙爪槐 山桃 金枝槐 西府海棠 栾树 碧桃 紫叶桃 紫叶季 金银术 外卅女贞 毛樱桃 紫叶小襞 紫藤 贴梗海棠 连翘 紫蔽 白t 香 榆叶梅 沙地柏 荷包牡丹 地被菊 高革矛 3 2 早熟禾 3 3 二月兰 3 4 紫花地丁 7 4 _ 2 3 2 5 1 8 3 _ 2 4 l 工 2 4 貂 9 6 9 75 0 1 0 2 3 嚣j 2 l j 3 l j 1 2 8 拍4 3 9 2 孙 3 2 3 j l 3 3 4 1 1 3 7 兑 l j 石 1 3 4 3 嚣j 2 6 4 试验地内安装雨鸟系列喷灌系统，喷头为地埋旋转式喷头，喷头型号为r s 0 ，正常工作压力 3 2 7 l 9 2 l 圩5 l 3 9 j n 4 2 3 3 2 9 i l弭27 中国农业大学硕士学位论文 第二章材料与方法 为o 2 5 m p a 左右，射程为1 0 4 m 左右，流量为0 6 5 m 3 1 1 1 左右。 试验地采用分区轮灌的方式。基本灌溉制度为：喷灌时间为3 月一1 1 月，每周喷灌4 次，分 别为周一、二、四，五灌溉；每个灌溉区每次喷灌时间为1 5 分钟，喷灌量为lm m 5m m 左右。 全年喷灌1 0 0 次左右，平均灌溉水量为2 0 0m m 左右。 其他管理措施如割革，打药等，根据草坪的生长状况进行确定。 2 2 试验设计 根据试验地内的植被类型组合特征和灌溉小区的划分，将试验地划分为三种不同的植被组合 方式，并且在每个小区内设置了三个重复。各小区及测定点分布情况见图2 1 ， 图2 1 试验小区、测定点及主要植被类型分布围 f i g 2 - 1t h ed i s t r i b u t i o no f t h em a i np l a n t si nt h ee x p e r i m e n tf i e l d ，t h en i n et e s tp l o t sa n dt h ep o i n to f t h et u b eo f t h e f d r 土壤含水量利用频率域反射仪( f d r ) 进行测定频率域反射仪为套管式水分测定仪，在测 定前需要安装f r d 套管；套管的定点是在各个小区植被类型的基础上进行的，在每个小区上选 择数量绝对优势的树种，根据树种的胸茎或冠幅确定标准株，f i ) r 套管安装在标准株的内，距离 周围乔木或灌木主干的距离为1 - 2m ，并使f d r 套管位于各个周围乔木或灌木的中间位置，设置 三个重复，使三个重复位于标准株内。 中国农业大学硕士学位论文第二章材料与方法 ii m 各小区的的植被类型及优势树种如下所示， 表2 - 4 各小区的主要植被类型 t a b l e2 - - 4t h em a i nv a r i e t i e so f t h en i n ep l o t s 2 3 测定项目与方法 2 3 1 基本方法 对农林复合系统的研究中，研究土壤水分动态虽然有的研究深度达到了地下2 0 0c m ( 吴发启 等，2 0 0 3 ) ，但是很多对灌木和乔木的研究中表明，植物的主要吸收根系分布在0 - 1 0 0c m 的空间 范围内。张宇清在对5 年生河北杨的根系调查中发现，9 8 的根系生物量集中在0 - 6 0 的土层中( 张 宇清等，2 0 0 2 ) ；多枝怪柳和柠条的根系虽然可以达到7 5 7c m 和4 3 7c m ，但是主要吸收根系仍然 在0 - 1 0 0c m 土层内( 张宇清等，2 0 0 6 ) ；姚迎九等( 姚迎九等，2 0 0 3 ) 在对1 8 年生的樟树的根系 调查中发现在0 - 6 0 c m 土体根系生物量占总根生物量的比例接近9 4 。对大部分乔木或灌木而言， 虽然根系可以达到很深，但是0 - 1 0 0c m 是植物的主要耗水层。因此，在测定园林复合系统的蒸散 耗水量时，将土壤水分动态的监测深度设定为0 - 1 0 0c m 。 以水量平衡方法为基本参考，计算各小区植物系统的蒸散量。在无地表径流的条件下。土壤 水分平衡方程可表达为： s = p 手，手d e t c i n1 lr【1 1 其中。s 表示lm 土体内储水的变化量，n l m ；p 为有效降雨量，m m ；，为灌溉量，f i l m ；d 为 地下l m 界面的水分通量，m m ，以向上为正；e t c 为植物实际蒸散量，m m ；i n 为冠层截留蒸发， m m ；r 为地表径流，i n t o 。 考虑到降雨在复合系统中的复杂性，水量平衡公式中( 尸一如手r ) 可以综合为一项，即 有效降雨；以测定点为依据，当水流走时r 为负值，当水流入时r 为正值；由于地表径流非常复 杂。通过降雨前后短时间内测定i1 1 1 土体的贮水量的变化，确定为有效降雨。 卫 e t = e 丁，尸 【2 】 = i r 其中，i ，为划分的小区数目；e t , ，为每个小区的蒸散量；p f ，为对应的权重系数。 1 3 中国农业大学硕士学位论文第二章材料与方法 根据各小区的水分动态变化规律和耗水情况，采用分布式的水量平衡基本方法。以各小区的 面积为权重，对不同的植被组合的耗水规律进行研究。 2 3 2 测定项目 ( 1 ) 试验测定时间为2 0 0 6 年6 月2 0 日至1 1 月1 6 日。 c 2 ) 2 0 0 5 年4 月利用全站仪和g p s 对试验地的轮廓坐标和经纬度进行了测定，并利用 a r c g i s 9 0 对试验地的轮廓图进行了绘制；在对地形进行数字化的基础上，对试验地及各小区面 积进行了统计。 ( 3 ) 气象数据气象数据是通过试验地附近的小型气象站( r a i n b i r d ) 获得，主要参数包括： 风速、最高和最低温度，相对湿度、风速、太阳辐射、降雨量和e t o 等；同时，在试验地布置了 雨量筒，对降雨量进行实际测定。 ( 4 ) 土壤参数 有机质含量：在挖取剖面时，根据分层特点，分层取样测定，利用铬酸氧化滴定的外热源法， 以邻一菲罗啉为指示剂，用f e 2 + 标准溶液滴定，最终确定有机质含量； p h ：根据土壤分层特征，分别称取通过i m m 孔径筛子的风干土样，按水土比为2 5 ：l ，利 用p h 计进行测定。 电导率；根据土壤分层特征，分别称取通过i m m 孔径筛子的风干土样。按水土比为5 ：l 。 利用电导率仪进行测定；土壤质地：根据土壤分层特征，对各层土壤利用吸管法测定，并根据美 国农部制土壤质地分类标准，对土壤质地进行了划分； 饱和导水率：在2 0 0 5 年4 月挖取土壤剖面时，根据土壤的分层特点，利用大环刀取原状土， 采用定水头法进行测定，测定时每层设置三个重复；所用仪器为西安理工大学水资源研究所研制 的饱和渗透仪； 土壤水分特征曲线：根据土壤分层特征，在挖取土壤剖面时，利用小环刀( 高1c m ，直径 7 5e r a ) 取原状土，在实验室内利用张力台和压力板方法测定，最后采用v e n g e n u c h t e n ( i 9 8 0 ) 方程 拟和土壤水分特征曲线。 ( 5 ) 土壤含水量的监测利用频率域反射仪( f d r ) 进行测定，每天上午7 ：0 0 8 ：0 0 进行测定， 测定深度为lm ，每1 0c m 测定一次，喷灌或降雨前后进行加测频率域反射仪在使用前进行了 仪器的校正和验证，详见第三章。 ( 6 ) 基质势的监测每天上午8 ：o o 点进行测定；深度情况分别为：纯草( 2 0 ，7 5 ，9 0 ，1 0 5 c m ) ， 乔草或灌草组合( 4 5 ，7 5 ，9 0 , 1 0 5 锄) ：张力计( s o i l s p e c ，a u s t r a l i a ) 安装在f d r 套管的附近。 ( 7 ) 冠层叶面积指数( l a d 的测定分别在生长初期( 2 0 0 6 年4 月1 5 日) 和旺盛期( 2 0 0 6 年9 月1 5 日) 利用冠层分析仪( c i 11 0 ，a m e r i c a n ) 及配套软件进行测量和分析。 ( 8 )草坪色度( g 【) 的测定g r 通过草坪色度计( t c m 5 0 0 ，a m e r i c a n ) 直接进行测定；在 每个f d r 套管附近选择长势相近的草坪im x 1m 的样方，每次在样方中测定；仪器每次测定范 围为直径为7 6c m 的圆形区域；样方内每次测定1 0 次，取平均值；每个月份选择一个剪草周期， 每两天测定一次。草坪颜色是草坪、草地质量的关键指示，与草坪的水分状态有很大的相关性。 传统草坪颜色的评估完全依赖人的判断。草坪色度计( t c m5 0 0 ，a m e r i c a n ) 提供了客观，精确测 量草坪色彩的方法，消除了人对于草坪质量变化的主观错误；草坪色度变化范围为：0 - 9 9 。一般 1 4 中国农业大学硕士学位论文 第二章材料与方法 当草坪色度大于6 时，生长状况视为良好，而此时对应的草坪n d v i 应该大于0 6 。 2 3 3 计算方法 ( 1 ) 有效降雨量的计算 在降雨前后分别测定1m 土体的贮水量，降雨后测定数值与降雨前测定数值之差为有效降雨 量：一般为降雨后至少6 小时测定，最长时间不超过2 4 个小时。 ( 2 ) 土体贮水量 土体的贮水量( r a m ) 是指im 土体总贮水量，根据f d r 所测定的每层土体的体积含水量累 加获得，测定周期为每天测定一次。 ( 3 ) 1m 下界面的水分通量： 根据d a r c y 定律求得： q = - k ( h ) g r a d h a t 【3 】 k 0 0 为l i n 处的导水率，掣a d h 为1 m 处的水势梯度，t 为时间间隔“小时。 旧通过在9 0 c m 和1 0 5c m 深度处所安装的张力计获得。k ( b ) f hlm 处的基质势和水分特 征曲线获得。公式如下： k ( 矗) = 墨 1 + ( 叫”r 置，为饱和导水率，h i m d 一；见为饱和含水量，1 1 1 3 m 4 ；p 含水为残余含水量，m 3m 3 ；口，以 均为拟和参数。 ( 4 ) 草坪胁迫点的确定 根据实验室测定的表层土壤豹基本属性( 田间持水量，0 ，3 6 3 9om f ；萎蔫点含水量，0 1 4 1 6 m 3 m - 3 ) 和刷讲目关标准( r i c h a r de t a l ，t 9 9 8 ) 可以确定草坪发生水分胁迫时的含水量。 尉讲日关标准如下： z 4 形= 1 0 0 0 ( 0 月c 一) z ， 【5 】5 t a w 代表根层厚度的有效水含量( m m ) ；表示田间持水量，m 3 m - 3 ；表示萎蔫点含 水量，m 3m 3 ；z ，代表根层深度。m r a w = p x t a w r a w 代表根层未发生水分胁迫时，根层土体的含水量( m m ) ；p 代表发生水分胁迫时的水 分损耗系数； 其中，p 因作物种类不同而不同根据尉d 标准，冷季型草坪草的p 为0 4 由于p 值是根据蒸散量e t 约为5h i m d a y 。1 确定的，可以根据实际情况对p 值进行校正 1 5 中国农业大学硕士学位论文第二章材料与方法 p 。p + 0 0 4 ( 5 - e t o )【7 】 e 如为实际蒸散量。 根据试验期间内平均的e t ；为2 6 咖d - 1 左右，发生水分胁迫的p 值为0 5 。以草坪受水分胁迫 为基本指标，根据表层土壤的基本属性，从而可以确定当草坪开始发生水分胁迫时的体积含水量 为0 2 5 2 7 一m 。 ( 5 ) 草坪色度的空间分布特征 在试验地内，利用草坪色度计定点测定，按照1 0m x1 0m 等网格取点测量，确定坐标后，在 a r c g i s 9 o 中，利用距离反比权重法进行插值获得。 ( 6 ) 冠层l a i 的空间分布特征 测定叶面积指数时的空间布点是通过植被的空间分布状况及以各小区的面积为权重，确定域 终布点数。 在各小区内均匀布点；各小区( w i ，w 2 ，w 3 ，w 4 ，w 5 ，w 6 ，w 7 ，w 8 ，w 9 ) 所取样点个数 分别为：6 ，7 ，7 ，7 ，4 6 ，3 ，4 。2 ： ( 7 ) 透流量的测定 按照测定叶面积指数时所定点位置，分别放置直口小桶( 直径1 9c m ，高1 5c m ) 4 5 个，降 雨前后进行测定，计算该点的透流量和透流率 ( 8 ) 灌溉量的测定 在测定降雨量的空问分布的布点方法的基础上，在每根f o r 套管周围分舜j 放置直口小桶( 直 径1 9c m ，高1 5c m ) ，小桶总计7 4 个。于喷灌前后测定每次实际喷灌量；测定3 次，取平均值； ( 9 ) 其他 每天记录草坪生长状况如是否有病害等；日常管理措施如：割草时间，剪草高度，喷药时间， 喷药量等。 2 3 4 数据处理 在进行数据处理和分析中用到了e x c e l 2 0 0 3 ，s p s s1 1 5 ，p h o t o s h o p 7 0 ，s u r f e r 7 - o 和a r c g i s 9 0 等数据处理和图象分析工具。 1 6 中国农业大学硕士学位论文第三章频率域反射仪的校正与田间验证 第三章频率域反射仪的校正与田问验证 3 1 频率域反射仪的基本原理及研究进展 频率域反射仪( f r e q u e n c yd o m a i nr e f l e c t o m e t o , ，简称f d r ) 是连续动态监测土壤体积含水量 的一种有效工具，其根据电磁脉冲原理，测定土壤的感应频率，从而求出体积含水量。 由于f d r 对土壤类型具有较大的敏感度，虽然f d r 仪器自身带有默认的模型参数，但是在 具体使用时，由于田间土壤构成的复杂性和空间变异性，一般都需要对参数进行校正，其准确度 取决于其使用的新的模型参数。 本实验所用f d r 为d i v i n e r2 0 0 0 ( s e n t e k , 2 0 0 1 ) ，它是一种套管式土壤水分测定仪。它作为一 种经济、有效的测定体积含水量的一种仪器，被许多学者所认可( s t a r re ta i ，1 9 9 8 ；c h a n z ye ta l ，1 9 9 8 ； s h a f f e r e t a l ，1 9 9 8 ；f a r e s 眈a l ，2 0 0 0 ) 。d i v i n e r 2 0 0 0 采用的是平行的环式电极组成电容，其周围的土 壤充当电介质。工作频率为远大于1 0 0m h z 。 在土壤的三相体系中，空气的介电常数为1 ，纯水的介电常数为8 0 4 ，土壤固相的介电常数为 3 , - , 7 ( 2 0 ，1 0 a ) ，因此，土壤含水量的变化，对土壤的介电常数起决定性的作用。f d r 就是根 据土壤表观介电常数或电容的改变，来测定土壤体积含水量。 总电容与表观介电常数的关系如下； c = g 【8 】 式中，g 代表与电极的几何形状和电极之间的距离有关的常数；占石代表土壤的表观介电常数，单 位为f m 一 f d r 在机器的固定工作频率作用下，可测定其感应频率即： f = ( 2 万c ) 4【9 】 式中，三代表自感系数，取决于线圈本身的几何形状、尺寸、匝数以及介质的性质单位为h ；c 代表总电容，包括土壤电容和仪器电容，单位为f 。 d i v i n e r 2 0 0 0 采用频率值的归一化值( s f ) 与土壤体积含水量建立关系，从而减小实验误差 s f = ( e e ) ( f o e ) 。 【1 0 】 式中，尼代表探头在空气中的频率值，凡代表在水中的频率值，e 代表在土壤中的频率值， 单位均为h z 土壤体积含水量与s f 的