北京市不同草种节水潜力预测

摘要:从论述北京市水资源总量及构成入手,发现北京市生活用水总量呈逐年递增的态势。引用其他专家的实验成果数据,根据北京市5种常见草种的最大最小蒸散量计算得出各草种的节水潜力,进而根据时间序列模型预测未来几年北京市草坪面积变化趋势,计算几种草种的节水潜力大小。得出暖季型草种节水潜力以及未来节水空间均较大的结论。

关键词:水资源;冷季型草;暖季型草;节水潜力

收稿日期:2010-07-30

作者简介:金 笙(1965―),女,北京人,副教授,主要从事应用统计、数量经济学、农林经济管理方面研究。

中图分类号:S688.402.4

文献标识码:A

文章编号:1674-9944(2010)08-0162-04

1 引言

在过去的50年里,北京曾经出现过4次全市范围的严重缺水。北京多年平均降水595mm,年均可利用水资源41 亿m3。北京市人口已接近1500万人,人均水资源量不足240 m3。仅为全国人均量的1/8,世界人均量的1/20,远低于联合国划定人均1000 m3的缺水下限,是水资源严重短缺的特大城市[1]。

据统计草坪的年平均用水量为7720m3/万m2[2],根据2005年园林绿化普查数据显示,北京地区的草坪面积为9690万m2[3]。因此,草坪的总灌溉用水量大约为7480.68万t,占2005年北京市用水总量的2%,占生活用水的5%。可见,如果能更好的利用草坪的自身特点采取相应的节水灌溉措施或推广节水抗旱草种,能够对节约北京市水资源起到重要作用。为了更加直观的表现目前北京市草坪用水的变化趋势以及各草种可能的节水潜力,本文利用统计学等方法对北京市草坪面积的未来发展趋势、草种节水潜力进行预测。

2 北京市常见草种的面积分布

北京从20世纪80年代开始进行草坪绿地建设,1984年北京铺建草坪303万m2。从90年代开始,随着申办奥运每年大约新建草坪150多万m2,并且势头正向街区景观和机关大院扩展[4]。北京地区草种类型是以冷季型草种为主,占到近80%的比例,而相比之下暖季型草种只占12.85%,此外还有8.61%的地被植物。冷季型草种中又以草地早熟禾(Poa pratensis L)、高羊茅(Festuca elata Keng)、多年生黑麦草(Lolium perenne L)居多。暖季型草种中在北京地区种植比较广的是野牛草(Buchloe dactyloides (Nutt))和结缕草(Zoysia japonica Steud)。此外,不同草种或相同草种的不同品种的混播草坪也占着相当大的比例。图1为北京各草种的面积分布[5]。

图1 北京常见草种面积分布

3 北京市常见5种草种的节水潜力

3.1 节水潜力概念

不同的草坪草种及不同的品种间的草坪耗水量和耐旱性均存在较大的差异,通过选择适当的草坪草节水具有较大的潜力。节水潜力与草坪草蒸散量大小直接相关。蒸散量指的是农田土壤蒸发和植物蒸腾的总耗水量。也称实际蒸散、腾发量或总蒸发量,单位为mm。本文研究的草坪节水潜力为水分充足条件下和限定条件下草坪草最大蒸散量与最小蒸散量的差值。

3.2 5种常见草种节水潜力计算

北京市目前常见的5种草坪草为草地早熟禾、高羊茅、黑麦草、野牛草、结缕草。中国农业大学博士赵炳祥、胡林等在“常用五种草坪草蒸散量及作物系数的研究”[6]一文中,分别在充足水分条件下和限定水分条件下进行实验,测度不同草种在一个生长季里的最大蒸散量和最小蒸散量。本文根据其试验数据结果,计算两者的差值,即为不同草种的节水潜力。下表即为北京5种常见草种的节水潜力计算过程(表1)。

表1 北京地区各草种节水潜力分析表mm/a•m2

草种草地早熟禾高羊茅黑麦草野牛草结缕草

最大蒸散量(1)802.3838.4781.6706.8654.3

最小蒸散量(2)747.9771.5694.7563.5490.0

节水潜力(3)=(1)-(2)54.466.986.9143.3164.3

由上表计算结果,可以看出野牛草、结缕草的节水潜力明显大于其他3种草。在草种划分中,草地早熟禾、高羊茅、黑麦草属于冷季型草种,冷季型草坪草能忍受一定低温,5℃开始生长,15~25℃最适宜生长,耐热性差,耐修剪、耐践踏,绿期长,观赏效果好,但需要精细管理;野牛草、结缕草属于暖季型草种,相对于冷季型草,暖季型草能忍耐较高的温度,15℃开始生长,25~35℃生长最适宜,主要生长季节在夏季,寒冷的冬天一般要休眠。暖季型草在节水潜力上要大于冷季型草,且蒸散量绝对值暖季型草也小于冷季型草。因此可以得出结论相对于冷季型草来说,暖季型草比较节水。

4 北京市草坪面积变化趋势预测

为了对各种草坪的节水量进行预测,需要先预测出草坪的面积,然后根据不同的草种的节水潜力乘以面积得到各草种节水潜力的节水量。

4.1 模型选择

要预测北京市草坪用水量及各草种的节水潜力,首先要预测草坪面积的变化趋势。表2是1990~2008年北京市公园绿地的面积数值。

表2 1990-2008年公园绿地的面积数值hm2

年份1990199119921993199419951996199719981999

公园绿地面积7110427942134452522150175147540863516457

年份200020012002200320042005200620072008

公园绿地面积71397554790791151044611365117881210112316

根据《北京城市园林绿化普查资料汇编2005》中的数据,公园绿地占所有绿地面积的比例为26.99%,而草坪面积占所有绿地面积的比例2000年为21%,2005年为25%。根据这几个比例关系以及上表各年的公园绿地面积数值,可以推算出1990~2008年的草坪面积数值。1990~2000年草坪面积占全部园林绿地面积的比例按20%估算,2001~2008年草坪面积占所有园林绿地面的比例按25%估算,公共绿地面积占所有绿地面积的比例统一按25%估算。得到1990~2008年实有草坪面积数据表见表3。

表3 1990~2008年北京市实有草坪面积hm2

年份1990199119921993199419951996199719981999

草坪面积7110427942134452522150175147540863516457

年份200020012002200320042005200620072008

草坪面积71397554790791151044611365117881210112316

根据上表的数据,利用SPSS软件做出趋势散点图如图2。

图2 1990~2008年草坪面积散点图

通过观察草坪面积数值的散点图可以看出,有明显上升的趋势,考虑到草坪绿地面积与往年的数据有非常强的相关性, 因此考虑采用时间序列建模的方法进行预测。

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4.2 时间序列模型预测基本思想

本文采用ARMA模型[7]。建模之前首先要通过平稳性检验,SPSS给出了LB统计量以及其显著性标准sig值,滞后6阶的sig值若均小于0.05则说明不为白噪声,序列之间存在相关性,可以进行时间序列建模。

判断模型阶数的理论基础包括若平稳的时间序列的自相关系数(ACF)拖尾,而偏自相关系数(PACF)p阶截尾,则可以建ARI(p,d)模型;若平稳的时间序列的 (ACF) q阶截尾,而(PACF)拖尾,则可以建IMA (d,q)模型;若平稳序列(ACF) 、(PACF)均拖尾则可以建立ARIMA(p,d,q)模型。

4.3 时间序列模型预测北京市草坪面积

利用spss软件[8],做出北京市1990~2008年草坪实有面积自相关、偏自相关图如图3、图4。

图3 草坪面积数值自相关图

图4 草坪面积数值偏相关图

观察变量的自相关和偏自相关图,发现变量均呈现自相关系数拖尾、偏自相关系数截尾的特征,因此可以拟合AR(P)模型进行预测。分别对各自变量拟合AR(1)、AR(2)、AR(3)模型,得到的参数检验结果见表4。

2010年8月

绿 色 科 技

第8期

表4 AR(P)模型检验结果

xT检验值Sig.

AR(1)常数项2.0900.016

AR117.2980.000

AR(2)常数项3.8990.001

AR19.9220.000

AR2-3.9380.001

AR(3)常数项4.63670.000

AR16.7000.000

AR2-0.19650.847

AR3-1.63100.124

由上表检验结果可以看出,AR(1)、AR(2)模型系数通过检验,AR(3)模型系数未通过检验。因此选择AR(1)、AR(2)模型,进而对其残差进行白噪声检验,若残差序列为白噪声,为纯随机性序列,即已不包含有用信息,可以认为对xt序列信息提取充分;若不为白噪声,则认为对xt的信息提取不充分,模型未通过检验。分别对AR(1)、AR(2)模型进行白噪声检验的结果显示,AR(2)模型残差序列各阶Sig值均显著大于0.05,可以认为是白噪声序列,模型通过检验。

因此,通过建模与模型检验,本文选择AR(2)模型对x变量进行预测分析,得到2010~2015年的草坪面积数值如下表所示,同时下表还显示各草种按图1计算的比例得到的面积预测值,见表5。

表5 2010~2015年的草坪面积预测值hm2

比率/%201020112012201320142015

总草坪面积10012634 12862 13108 13369 1364313927

草地早熟禾41.885291.50 5386.99 5490.02 5599.34 5714.10 5833.05

高羊茅9.811239.91 1262.29 1286.43 1312.05 1338.94 1366.81

黑麦草3.09390.89 397.94 405.55 413.63 422.11 430.89

野牛草11.761485.47 1512.28 1541.20 1571.89 1604.11 1637.50

结缕草2.19276.37 281.36 286.74 292.45 298.45 304.66

其他31.274021.964098.874180.494266.174354.974021.95

5 北京市草坪用水量及节水潜力预测

根据上节所作的对草坪面积数值的趋势预测,可以计算出北京市草坪用水量及不同草种节水潜力的数值。按每万平方米草坪的年平均用水量为7720m3[2]进行计算,根据草坪面积预测数值,2010~2015年北京市草坪年平均用水量如表6所示。

表6 2010-2015年的草坪用水量预测万t

年份201020112012201320142015

总草坪用水9753.45 9929.46 10119.38 10320.87 10532.40 10751.64

草地早熟禾4085.04 4158.76 4238.30 4322.69 4411.29 4503.11

高羊茅957.21 974.49 993.12 1012.90 1033.66 1055.18

多年生黑麦草301.77307.21313.08319.32325.87332.65

野牛草1146.78 1167.48 1189.81 1213.50 1238.37 1264.15

结缕草213.36 217.21 221.36 225.77 230.40 235.20

表7计算的各种草种节水潜力数值计算各草种的全年节水潜力预测值。计算方法为根据草坪面积的预测数值中,按各草种在总面积中的比率再分别与各草种的节水潜力(表1)中的第3行做乘积,得到各草种的一个生长季的节水潜力数值。按生活用水4元/t(北京市水价),可以计算出1年节水潜力的金额,因此得到全年的节水量如表7。总体节水潜力占总草坪用水量的0.6%,可达70万t左右,北京市城市居民人均年用水量30t计,可供近2.3万人1年的用水,年金额可以节约近300万元。

表7 2010~2015年各草种节水潜力预测万t

年份201020112012201320142015

草地早熟禾28.7929.3129.8730.4631.0831.73

高羊茅8.298.448.618.788.969.14

黑麦草3.403.463.523.593.673.74

野牛草21.2921.6722.0922.5322.9923.47

结缕草4.544.624.714.804.905.01

∑66.3167.5068.7970.1671.6073.09

金额(万元)265.22270.01275.17280.65286.40292.36

6 结语

通过前面的分析可以看出,在北京市水资源日益供不应求的今天,生活用水却日益上升,这其中,绿化用水量的大幅上升也是其中的一个重要的原因,降低绿化用水量则必须选用合适的草坪植被。通过本文研究得出结论,暖季型草坪草不仅耗水量比冷季型草坪草要少,而且节水潜力也比冷季型草坪草要大。通过预测未来几年北京市草坪用水量的数值及各不同草种的未来节水能力大小,发现将现有按现有的草坪分布计算总体的草坪节水潜力可达0.6%,可达约70万t,北京市城市居民人均年用水量30t计,可供2.3万人1年的用水,年金额可以节约近300万元。可见按现有的草种面积建坪进行节水的潜力实际上是十分有限的,说明现有草种面积比例是不合理的。如果草坪要节水一是减少面积,二是要进行草种替换。

参考文献:

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[7] 王 燕.应用时间序列分析[M].北京:中国人民大学出版社, 2005.

[8] 薛 薇.SPSS统计分析方法及应用[M].武汉:电子工业出版社,2004.

Predicted Water-saving Forecast of Different Grass Species

Jin Sheng, Liu Junchang, Qi Hongchao

(Beijng Forestry Univerity School of Management, Beijing,100083,China)

Abstract: This paper discusses the total water resources and constitute a start in Beijing,found that the total water in Beijing was increasing year by year trend,which is caused by increased urban green space to increase public environmental water are not unrelated.This experimental results of other experts cited the data,according to five common grass species in Beijing evapotranspiration calculated maximum and minimum water saving potential in the grass,then according to the time series model to predict the future trend of recent years,Beijing lawn area,calculated the size of water-saving potential of several grass species.Draw warm-season grasses and future water saving potential of space are large conclusions.

Key words: water, cool-season grass, warm-season grass ,water saving potential

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