趙 峰，劉玉純，劉卓成

(1.深圳市國(guó)藝園林有限公司，深圳 518000； 2.北京林業(yè)大學(xué) 草坪研究所，北京 100083)

當(dāng)前水資源短缺和水體污染問題引發(fā)了嚴(yán)重的水生態(tài)安全問題，影響了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]，改善區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)，加強(qiáng)涵養(yǎng)水源，防止水土流失迫在眉睫。土壤是涵養(yǎng)水源的主要層次[2]，但是土壤需要冠層截留雨水來發(fā)揮其能力[3]。冠層截留作為森林水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)土壤水分收支、地表徑流形成、河川徑流調(diào)節(jié)等具有重要影響[4]。水土保持林通過冠層截留降水[5]，改變水分的傳輸過程，減少地表徑流，防止土壤侵蝕[6]，冠層截留與降水的關(guān)系復(fù)雜，冠層截留受降水特征和植被特性等多種因素的影響和制約[7-9]，植物的冠層結(jié)構(gòu)、枝條、葉面積、生物量等均可以改變降水截流量[10]。

公園綠地應(yīng)用的植物種類主要為當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土植物[11]。但植物配置的研究方向多為園林植物造景質(zhì)量，對(duì)于綜合研究不同植物配置下的冠層截留量，以期得到更高降水截流量的植物配置的研究較少。趙思金[12]選擇4種優(yōu)良水土保持灌木荊條(Vitexnegundovar.heterophyll)為研究對(duì)象,調(diào)查分析其根系分布特征及地上、地下生物量相關(guān)性及有效根密度的差異。

在深圳光明新區(qū)新城公園研究了華南地區(qū)常見植物配置在不同降水量條件下的冠層截留量，以期得到能夠更好截留降水，減少地表徑流的植物配置。對(duì)公園綠地有選擇的進(jìn)行植物配置，改變水分的傳輸過程，減少地表徑流具有一定的指導(dǎo)意義，為我國(guó)華南地區(qū)公園綠地水源涵養(yǎng)植物配置體系建設(shè)提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于深圳市光明新區(qū)新城公園，中心位置N 22°46′34.20″ ，E 113°54′44.22″。屬亞熱帶海洋性氣候，年平均氣溫23℃，雨量充沛，年降水量1 926 mm。深圳市公園綠地土壤質(zhì)地以砂壤和輕壤土為主，pH較自然土壤明顯增高，以中性和微酸性為主，有機(jī)質(zhì)含量較低。

1.2 植物配置

主要選擇公園內(nèi)現(xiàn)有的植物配置種類，根據(jù)光明新區(qū)新城公園植物配置的基本情況，按照單層結(jié)構(gòu)，二層結(jié)構(gòu)，三層結(jié)構(gòu)劃分，各植物配置見表1。

表1 不同植物配置

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

雨水截流試驗(yàn)于2016年7月～2017年2月進(jìn)行，在試驗(yàn)期間對(duì)5次自然降水過程中的降水量和植物截流雨水情況進(jìn)行測(cè)定。采取小區(qū)觀測(cè)法，所觀測(cè)小區(qū)按照現(xiàn)有植物配置在公園中的具體情況設(shè)立，所選樣地植株分布在同一海拔高度，地勢(shì)較為平坦且植被生長(zhǎng)狀況良好，郁閉度相同，每個(gè)處理3次重復(fù)，觀測(cè)小區(qū)面積為5 m×5 m。每日中午12∶00開始測(cè)定，次日中午12∶00結(jié)束，使用氣象站記錄的24 h降水量，并利用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置和方法測(cè)定降水過程中的穿透水量和莖流量。

地表設(shè)置PVC管制作的承雨槽，鋪設(shè)于地面，高度低于草本植被冠層，在降水發(fā)生時(shí)，穿過植物冠層的雨水進(jìn)入承雨槽中并被其下端集雨裝置收集，由此測(cè)定其穿透水量。集雨裝置與承雨槽兩端傾斜角15°，PVC管長(zhǎng)度為2.5 m，直徑為15.0 cm(圖1)；將高分子吸水材料粘附于喬木、灌木、草本植物緊貼于地面的根部，外表面用隔水材料包裹，于降水結(jié)束后進(jìn)行稱重，通過質(zhì)量增加量計(jì)算其吸水量，即為其莖流量[13]。樹干莖流量的計(jì)算公式：

式中：S為樹干莖流量(mm)；N為樹干徑級(jí)數(shù)；Si為徑級(jí)i的單株樹干莖流量(mL)；Mi為徑級(jí)i的樹木株數(shù)；A為樣地面積(m2)。

冠層截留量的計(jì)算公式：

I=P-T-S

式中：I為冠層截留量(mm)；P為林外降水量(mm)；T為穿透降水量(mm)；S為樹干徑流量(mm)。

圖1 透過水收集裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the water collection device

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 15.0進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物配置冠層截留率與降水量的關(guān)系

根據(jù)觀測(cè)林冠層截留量與降水強(qiáng)度數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)，不同植物配置之間冠層截留率有明顯差異。當(dāng)降水量為6.10 mm時(shí)，各處理冠層截留率最大，截留率39.96%～80.05%。當(dāng)降水量為88.50 mm時(shí)，各處理冠層截留率降到最低，為25.88%～66.15%(圖2)。

不同植物配置模式在所有降水條件下的平均截流率從高到低依次為處理5>3>4>1>2>6>8>7。鳳凰木和腎蕨的配置模式綜合截留率最大，且顯著高于其他處理(圖3)。

圖2 不同植物配置冠層截留率與降水量Fig.2 Relationship between canopy interception rate (%)and rainfall (mm) in different plant configuration patterns

圖3 不同植物配置模式的平均截留率Fig.3 Average interception of the type of plant configuration

各處理的冠層截留率隨降水量變化的函數(shù)表達(dá)式見表2所示，接近對(duì)數(shù)函數(shù)曲線變化規(guī)律，且擬合曲線的R2值除處理5為0.842 6外均高于0.9，擬合程度較高。由此可見，隨著降水量的逐漸增大，8種主要植物配置類型冠層截留率變化趨勢(shì)均為先劇烈下降，后趨于平緩下降(表2)。

2.2 不同植物配置莖流率與不同降水強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)觀測(cè)莖流率與降水強(qiáng)度數(shù)據(jù)資料分析，相同降水條件下，不同植物配置之間莖流率有明顯差異，處理3、4、1、2的莖流率顯著大于處理5、6、8、7(圖4)。

圖4 不同植物配置莖流率與降水量Fig.4 The relationship between the stem flow rate (%) and rainfall (mm) in different plant configuration patterns

莖流率隨降水量增大的變化趨勢(shì)能夠擬合為一元二次函數(shù)曲線，R2值較大，為0.910 5～0.988 7，隨著降水量的逐漸增大，8種主要植物配置類型莖流率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)(表3)。

2.3 不同植物配置雨水穿透率與不同降水強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)觀測(cè)雨水穿透率與降水強(qiáng)度數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)，不同植物配置之間雨水穿透率有明顯差異，處理5(鳳凰木+腎蕨)的冠層截留率明顯大于處理7(小葉榕)。研究區(qū)3種主要喬木類型的雨水穿透率大小依次為處理6(桃心花木)<處理8(鳳凰木)<處理7(小葉榕)，研究區(qū)大葉喬木雨水穿透率更低，是因?yàn)榇笕~的喬木郁閉度和葉面積指數(shù)更高。其中，降水量與不同植物配置雨水穿透率線條并沒有交叉，說明不同的降水量條件下8種植物配置的雨水穿透能力排名相同，雨水穿透率從低到高依次為，處理5<3<4<1<2<6<8<7(圖5)。

表2 冠層截留率隨降水量變化的函數(shù)表達(dá)式

注：公式中P為降水量

表3 莖流率隨降水量變化的函數(shù)表達(dá)式

圖5 不同植物配置雨水穿透率與降水量關(guān)系Fig.5 The relationship between rinfall penetration rate (%) and rainfall (mm) in different plant configuration patterns

雨水穿透率隨降水量變化的擬合接近指數(shù)函數(shù)曲線，R2為0.842 4～0.983 4，擬合程度較高(表4)，說明隨著降水量的增大，植物冠層對(duì)于雨水的截流作用逐漸降低。

3 討論

冠層截流是植物削減地表徑流、發(fā)揮水土保持功能的重要方式，植物冠層在降水中保持的水分，還能夠改善綠地及附近環(huán)境的小氣候，冠層截流是植物配置發(fā)揮生態(tài)功能的重要指標(biāo)[14-17]。研究中，不同植物配置之間冠層截留率有明顯差異，是不同的植物配置下，林型、林分密度、冠層郁閉度、葉面積指數(shù)等植被特征不同，造成了截流雨水能力的不同。隨著降水量的逐漸增大，冠層截留率變化趨勢(shì)均為先劇烈下降，后趨于平緩下降趨勢(shì)。此種變化規(guī)律與徐軍[18]對(duì)五角楓(Acerelegantulum)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)等6種

表4 雨水穿透率隨降水量變化的函數(shù)表達(dá)式

針闊植物林冠的研究結(jié)果及規(guī)律相同。分析其原因是因?yàn)樵诮邓亢艿蜁r(shí)或降水初期，林冠截流水量快速上升，此時(shí)截流水量在較低的降水量中所占比例很大；隨著降水量的增加，樹冠枝葉表層不斷濕潤(rùn)，林冠層接收水分達(dá)到飽和直至穩(wěn)定，此時(shí)隨著降水量的增加，截流量在總的降水量中所占比例變小，即截流率趨于平緩下降；在較大雨水的強(qiáng)作用下，降落下來的雨滴速度過快，動(dòng)能不斷增大從而增強(qiáng)撞擊林冠層表面截留的雨水，使其不斷滴落離開葉表面，這樣就使得林冠截流量相應(yīng)的減少[19]。

林冠截留是一個(gè)復(fù)雜、綜合的動(dòng)態(tài)過程[20]，包括冠層吸附和冠層蒸發(fā)兩部分，二者同時(shí)發(fā)生，林冠截留主要受到降水特征、林冠郁閉度、干燥程度、葉面積指數(shù)、葉片及樹皮表面的吸水能力等影響。試驗(yàn)8個(gè)處理的冠層截留率在30%～70%，其中，處理5高于紅松、落葉松混交林的平均冠層截留率(66.10%)[21]，總體數(shù)據(jù)低于于立忠等[21]對(duì)5種人工林研究的數(shù)值。與之相比，此次研究所涉及的降水強(qiáng)度更大，降水歷時(shí)更短，而小雨量級(jí)的降水截留率要遠(yuǎn)高于其他雨量級(jí)的截留率；同時(shí)試驗(yàn)地屬熱帶季風(fēng)氣候，比于立忠等[21]的研究地區(qū)(遼寧)的溫帶大陸性氣候空氣濕度大、蒸發(fā)量小，而兩次研究均將蒸發(fā)量算在冠層截流中。在這樣的情況下，試驗(yàn)處理仍表現(xiàn)出十分接近人工混播林的冠層截流率，是因?yàn)樵囼?yàn)中植物層次更豐富，多層次的冠層形成了較高的郁閉度，從而能吸附更多的降雨。不同處理的截留率明顯不同，結(jié)構(gòu)層數(shù)多的配置一般高于層數(shù)少的配置，而對(duì)于少量的降雨，截留率可以超過。單層次喬木配置中大葉喬木冠層截留率更高，因?yàn)榇笕~的喬木郁閉度和葉面積指數(shù)更高。

樹干莖流能匯集降雨直接到達(dá)根際區(qū)，流速較傳統(tǒng)的雨水更緩慢，根際區(qū)植物根系發(fā)達(dá)，因此，樹干莖流對(duì)水土的沖擊侵蝕作用弱，且對(duì)樹干周圍的土壤水分、養(yǎng)分含量及微生物的活動(dòng)具有重要作用[22]。研究結(jié)果表明，相同降水條件下，不同植物配置之間莖流率有明顯差異，是因不同的植物配置下，林型、樹干徑級(jí)數(shù)、葉面積指數(shù)等植被特征不同，造成在同等降雨量條件下產(chǎn)生不同的莖流率。處理3(鳳凰木+四季桂+希茉莉)、處理4(鳳凰木+四季桂+冷水花)、處理1(鳳凰木+四季桂)、處理2(鳳凰木+希茉莉)莖流率比其他的植物配置方式高，對(duì)降雨重新分配效果好。因此，相比于單獨(dú)的喬木，喬灌草結(jié)合的植物配置方式具有更高的莖流率。此外，隨著降水量的逐漸增大，8種主要植物配置類型莖流率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。劉章文等[22]的研究表明樹干莖流量與降水量之間顯著正線性相關(guān)，此規(guī)律與此次研究的結(jié)果一致。由此可見，隨著降水量的增大，在一定范圍內(nèi)莖流逐漸上升，當(dāng)降水量達(dá)到59.10 mm時(shí)，各處理莖流率達(dá)到最大。之后隨著降水量的上升，莖流率逐漸下降，說明當(dāng)降水量大到一定程度的時(shí)候，冠層中葉片和枝條截留降雨達(dá)到飽和，此時(shí)雨水不經(jīng)過樹干匯集形成樹干莖流，而是直接通過葉片流下，形成穿透雨水，造成莖流率下降。當(dāng)降水量為59.10 mm時(shí)，各處理莖流率達(dá)到最大，為3.11%～15.55%，處理1～4的莖流率均高于萬艷芳等[23]研究所測(cè)得鮮黃小檗(5.5%)和甘青錦雞兒(4.1%)等灌木株叢的樹干莖流率，說明試驗(yàn)中喬灌草、喬灌搭配的植物配置在降水中能夠產(chǎn)生更多的樹干莖流。

綠地生態(tài)系統(tǒng)的林內(nèi)穿透雨量主要受林外降水量、觀測(cè)點(diǎn)與樹干之間的距離、觀測(cè)點(diǎn)上方的冠層厚度、枝葉層厚度等影響[24]。不同植物配置之間雨水穿透率有明顯差異，是因不同的植物配置下,葉面積指數(shù)，冠層郁閉度，林分密度等植被特征不同，處理7(小葉榕)會(huì)透過更多的雨水，這與冠層截留率正好相反，說明在植物配置中，如果因?yàn)檩^高的冠層郁閉度造成的雨水穿透率較低，那么其相應(yīng)的冠層截留率較高。因此，可以說處理7(小葉榕)配置方式的雨水穿透能力比其他的植物配置方式高，對(duì)降雨阻滯能力弱，在同樣條件下會(huì)產(chǎn)生更多的地表徑流，因此在以提高冠層截留，減少地表徑流為目的的植物配置方式中，應(yīng)當(dāng)更多的采用雨水穿透率更低的植物配置方式，例如處理5(鳳凰木+腎蕨)或處理3(鳳凰木+四季桂+希茉莉)所代表的喬灌草配置方式或喬灌配置方式。

隨著降水量的逐漸增大，8種植物配置類型雨水穿透率均呈逐漸上升的趨勢(shì)。此規(guī)律和于立忠等[21]的研究結(jié)果穿透雨率與林外降量呈顯著的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系相一致。當(dāng)降水量為6.10 mm時(shí)，各處理雨水穿透率最小，雨水穿透率18.78%～57.39%；當(dāng)降水量為88.50 mm時(shí)，各處理雨水穿透率達(dá)到最大，為31.78%～71.52%，結(jié)果均低于對(duì)人工紅松林的研究報(bào)道(穿透水率為74.43%)，說明試驗(yàn)中多層次的植物配置模式具有更強(qiáng)大的削減徑流、保持水土的功能。

4 結(jié)論

隨降水量的增大，人工綠地生態(tài)系統(tǒng)的冠層截流率變化接近對(duì)數(shù)函數(shù)曲線呈逐漸下降趨勢(shì)；林間穿透水量所占百分比變化規(guī)律與之相反，也接近對(duì)數(shù)函數(shù)變化趨勢(shì)上升后趨于平穩(wěn)；樹干莖流率變化接近一元二次函數(shù)曲線，先上升后逐漸下降。三者擬合程度均較高。植物配置方式中鳳凰木+腎蕨的組合冠層截流率最高，控制穿透水、削減地表徑流的功能最強(qiáng)，具有最優(yōu)秀的水土保持作用。其他植物配置模式中截流效率表現(xiàn)出多層次搭配高于低層次數(shù)、大葉植物高于小葉植物的規(guī)律。