盧昱均，張德順，劉 鳴，韓永軍

(同濟(jì)大學(xué)，上海200092)

盧昱均，張德順，劉鳴，等.植物群落雨水截留功能的分析[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2020，36(4)：83-88

園林植物群落對(duì)大氣降水的作用主要表現(xiàn)為三個(gè)過(guò)程：1)降水落到植被的葉、枝、干構(gòu)成的樹(shù)體表面，在表面張力與重力均衡時(shí)，雨滴被吸附于表面，這一部分被稱(chēng)為樹(shù)冠截留，與林冠截留量和葉面積指數(shù)(LAI)密切相關(guān)[1]；2)一部分降水經(jīng)冠層截留后形成穿透雨，由直接通過(guò)林冠的間隙到達(dá)地表的自由穿落雨和濺落產(chǎn)生的雨滴兩部分組成[2]；3)未被闊落物吸收的部分雨水則會(huì)到達(dá)植物根系活躍生長(zhǎng)的土壤表層或形成地表徑流[3]。

城市園林綠地系統(tǒng)具有承載游憩、美化環(huán)境、優(yōu)化空氣、雨水調(diào)蓄以及節(jié)能減排等作用[4]。 其中雨水調(diào)蓄作用主要體現(xiàn)在：利用林冠層、林木莖干、林地上富集的枯枝落葉層、根系層以及疏松而深厚的林下表層土壤攔截和蓄儲(chǔ)大氣降水[5]；多個(gè)角度削減降雨對(duì)地面的侵蝕、沖刷，延緩地表徑流的產(chǎn)生時(shí)間，一定程度上降低洪峰集中出現(xiàn)的概率。

依據(jù)中國(guó)主要城市園林植物區(qū)劃，濟(jì)南屬于北部暖溫帶針葉林闊葉林區(qū)。 前人對(duì)濟(jì)南城市園林植物群落的研究多集中在觀(guān)賞效果、滯塵、固碳釋氧、抗病蟲(chóng)害、氣候適應(yīng)性等方面，而對(duì)園林植被群落對(duì)雨水徑流的調(diào)蓄效益研究較少。 本研究通過(guò)研究典型植物群落的雨水徑流調(diào)蓄能力，為有針對(duì)性地科學(xué)選擇和合理配置植物，提升和改善濟(jì)南園林綠地理水調(diào)洪功能提出可行性建議。

1 材料與方法

濟(jì)南地處東經(jīng)116°110′—117°44′，北緯36°02′—37°31′，居于山東省中部，市域總面積為8 177 km2，市區(qū)面積3 257 km2。 千佛山公園位于泰山余脈北麓沖積傾斜過(guò)度地帶，呈南高北低的單斜構(gòu)造地形，南部山區(qū)大氣降雨形成的地下水在北側(cè)山麓形成富水帶，在地面以眾多上升泉的形式呈現(xiàn)。

隨著濟(jì)南城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，城市道路硬化率不斷加大，大氣降水地表下滲率變小，加之濟(jì)南市暴雨時(shí)空分布極不均勻，導(dǎo)致其枯水期泉水停噴、暴雨季節(jié)城市內(nèi)澇頻發(fā)[6]。 園林綠地是城市中有限的大氣降水與地下水交流的界面。 本研究選擇的試驗(yàn)地點(diǎn)為濟(jì)南千佛山風(fēng)景區(qū)5.75 hm2的范圍內(nèi)，對(duì)該區(qū)域內(nèi)10 種不同植物群落類(lèi)型的雨水徑流調(diào)蓄能力進(jìn)行綜合研究，為濟(jì)南園林綠化植被群落選擇與更新提供借鑒意義。

1.1 試驗(yàn)材料

2016 年6—8 月選取10 種單喬植物群落：白皮松(Pinus bungeana)、圓柏(Sabina chinensis)、側(cè)柏(Platycladus orientalis)、龍柏(Sabina chinensis ‘Kaizuca’)、女貞(Ligustrum lucidum)、楸樹(shù)(Catalpa bungei)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、國(guó)槐(Sophora japonica)、黃櫨(Cotinus coggygria)、美人梅(Prunus×blireana‘Meiren’)進(jìn)行雨水徑流截留實(shí)測(cè)。 所選的群落均為濟(jì)南常用園林建群種，其中，黃櫨、側(cè)柏是目前濟(jì)南植被結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)種[7]，具有一定的地域代表性。 試驗(yàn)樣地種植密度相近，植物縱橫間距3—4 m。同時(shí)，在林外空間同等立地條件上設(shè)置對(duì)照組。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 林冠穿透雨收集

采用隨機(jī)布點(diǎn)的方式收集穿透雨[8-9]。 每樣方15 m×10 m，采用5 點(diǎn)采樣法布置穿透雨接收裝置，每個(gè)樣方點(diǎn)設(shè)置5 個(gè)林內(nèi)收集器和3 個(gè)林外收集器，共計(jì)80 個(gè)雨水自制承雨筒，承雨筒直徑為25 cm。 根據(jù)降雨預(yù)報(bào)以及實(shí)際降雨情況，在每場(chǎng)降雨結(jié)束后2 h 內(nèi)收集測(cè)量各收集器內(nèi)的穿透雨量，求其平均值，作為穿透雨量TF(mm)。 試驗(yàn)期間，共收集9 場(chǎng)降雨的透流雨和林外降雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

式中：I為穿透降雨率(%)；TF為穿透雨量(mm)；P為降水量(mm)。

1.2.2 葉片持水能力測(cè)量

在不影響樹(shù)木整體美觀(guān)性和生長(zhǎng)狀況的情況下，取植株相同部位的葉片10—15 片，柏類(lèi)植物取1—2個(gè)小枝，置于密封袋當(dāng)中儲(chǔ)存。 當(dāng)日用0.001 g 精度的電子秤測(cè)量葉片鮮重(L1)；將10 種葉片攤開(kāi)分別放到托盤(pán)之中，往托盤(pán)中注入水，浸泡葉片24 h，取出葉片，靜置，葉片表面不再向下滴水時(shí)測(cè)量葉片濕重(L2)。 計(jì)算葉片持水總量及持水率[10-11]，即：

式中：W為葉片持水總量(g)；h為葉片持水量(cm)，后續(xù)表格中換算為mm；S為葉片面積(cm2)，ρ為水的密度(g∕cm3)。

1.2.3 枯落物持水能力測(cè)試

根據(jù)林分組成和地貌部位選擇10 塊具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)地，隨機(jī)布設(shè)50 cm×50 cm 的樣方，用鋼板尺測(cè)量枯落物的總厚度，半分解層厚度、未分解層厚度并記錄。 將取得的枯落物收集至帶有標(biāo)簽的自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室中稱(chēng)重、風(fēng)干，以干物質(zhì)量計(jì)算累積量。 在室溫20 ℃條件下采用浸泡法計(jì)算林下枯落物最大持水量、持水率[12]。

式中：R0為枯落物最大持水量；R′為枯落物最大持水率，m1為浸泡前質(zhì)量，m2為浸泡24 h 后質(zhì)量。

1.2.4 表層土壤孔隙度測(cè)量

在10 個(gè)植物樣地中分別于每個(gè)樣地四個(gè)角點(diǎn)及中心點(diǎn)上用環(huán)刀取樣，蓋好保濕，回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)稱(chēng)取重量(m1)，精確值0.1。 環(huán)刀有濾孔的一端放好濾紙后蓋上蓋子浸入水中，另一端保持敞開(kāi)，浸泡12 h 后測(cè)重(m2)。 將環(huán)刀放置在鋪有干砂的平底盤(pán)中12 h，網(wǎng)孔面與干砂接觸，稱(chēng)重(m3)。 再將環(huán)刀放置在空的平托盤(pán)中靜置12 h，稱(chēng)重(m4)。 將環(huán)刀放入105 ℃烘箱烘至恒重(m5)。 稱(chēng)取空環(huán)刀重量(m6)，測(cè)量得出環(huán)刀體積(v)。

式中：P 為土壤總孔隙度；P1為土壤毛管孔隙度；P2為土壤非毛管孔隙度。

2 結(jié)果與分析

2.1 各植物群落變量分析

2.1.1 各植物群落穿透雨

同等降雨情況下，林冠截留能力越強(qiáng)，穿透雨越少。 基于林外總降水量與林內(nèi)穿透雨的相關(guān)關(guān)系，可間接確定林冠層的雨水截留能力[13]。 由圖1 可知，闊葉樹(shù)種穿透雨率在72.12%—80.50%；柏類(lèi)樹(shù)種穿透雨率在37.83%—63.88%；針葉樹(shù)種白皮松穿透雨率為75.43%。 說(shuō)明柏類(lèi)樹(shù)種林冠截留能力較好，闊葉類(lèi)樹(shù)種較差。

2.1.2 各植物群落葉片持水能力

由圖2 可知，闊葉類(lèi)樹(shù)種葉片持水量在0.08—0.16 mm，白皮松葉片持水量為0.12 mm，柏類(lèi)植物葉片持水量為0.62—0.78 mm。 龍柏葉片持水能力最強(qiáng)，楸樹(shù)葉片持水能力最差。

2.1.3 各植物群落枯落物持水能力

由表1 可知，白皮松林下枯落物厚度為1 cm，在10 種植物中最大，積蓄量?jī)H為14.13 t∕hm2，持水量?jī)H優(yōu)于美人梅和女貞，這與松針質(zhì)量較輕，且大多是未分解狀態(tài)，原有濕度較小有關(guān)。 楸樹(shù)枯落物厚度最小，平均厚度僅為0.1 cm，但積蓄量較大，為21.58 t∕hm2，這與枯落物分解程度較高，枯落物濕度高，單位面積內(nèi)疊加數(shù)量較多有關(guān)。

表1 10 種植被群落枯落物的持水能力Table 1 Litterwater holding capacity of ten communities

2.1.4 各植物群落表層土壤孔隙度

林下土壤對(duì)雨水的蓄存和入滲均取決于表層土壤孔隙度的大小和性質(zhì)[14]。 由圖3 可知，10 種單喬植被群落林下表層土壤總孔隙度在38.24%—50.91%。 總孔隙度較大的有側(cè)柏、黃櫨、白皮松。 非毛孔孔隙度較大的有圓柏、側(cè)柏、女貞。 毛管孔隙對(duì)雨水徑流有滯留作用，這部分水分是植物根系吸收的養(yǎng)分來(lái)源之一，毛管孔隙度較大的有刺槐、白皮松、龍柏。

2.2 各變量相關(guān)性分析

由表2 可知，林冠截留率與葉片持水量、枯落物積蓄量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與冠幅呈顯著負(fù)相關(guān)。 枯落物持水量與葉片持水量、林冠蓋度、枯落物積蓄量呈顯著正相關(guān)。

表2 各變量相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of various variables

2.3 主成分分析

對(duì)各變量進(jìn)行主成分分析(KMO=0.628，P ＜0.01)，最終選擇3 個(gè)特征值＞1 的公因子作為主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到83.60%，概括了10 個(gè)植物群落雨洪調(diào)蓄能力的主要相關(guān)信息。 由林冠截留率、葉片持水量、冠幅、土壤總孔隙度4 項(xiàng)因子共同組成第一主成分公因子，為降雨截留因子；枯落物持水量、林冠蓋度、枯落物持水率、枯落物積蓄量4 項(xiàng)因子共同組成第二成分命名為枯落物持水因子；葉面積指數(shù)成為第三成分公因子。

根據(jù)第一、第二主成分公因子得分，可將10 種單喬層園林植物群落分為3 個(gè)群組：側(cè)柏群落具有較好的降雨截留能力，且枯落物持水能力居中；枯落物持水能力較強(qiáng)的有楸樹(shù)、刺槐、國(guó)槐、黃櫨、圓柏、龍柏6個(gè)群落，其中圓柏、龍柏群落兼具良好的降雨截留能力；枯落物持水能力較弱的有美人梅、女貞、白皮松3個(gè)群落，白皮松群落降雨截留能力優(yōu)于前兩者(圖4a)。 根據(jù)第一、第三主成分公因子得分，同樣可將10種單喬層園林植物群落分為3 個(gè)群組：側(cè)柏群落葉面積指數(shù)較低、降雨截留能力較優(yōu)；女貞、圓柏、龍柏群落葉面積指數(shù)較高；美人梅、楸樹(shù)、黃櫨、國(guó)槐、刺槐、白皮松群落葉面積指數(shù)較低(圖4b)。

3 結(jié)論與討論

葉片持水能力與林冠截留能力存在正相關(guān)關(guān)系。 柏類(lèi)植物葉片具有強(qiáng)持水力，其林冠截留能力較強(qiáng)，這一結(jié)果與前人研究的結(jié)果一致[15]。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樹(shù)木枝葉在空間的分布上差異較大，當(dāng)觀(guān)測(cè)點(diǎn)處在多重樹(shù)冠重疊處或林冠邊緣時(shí)，產(chǎn)生觀(guān)測(cè)點(diǎn)的穿透雨量高于林外大氣降雨量的林冠負(fù)截留現(xiàn)象。 其原因?yàn)楣趯又θ~對(duì)林內(nèi)穿透降雨產(chǎn)生漏斗式的集聚效應(yīng)，當(dāng)選用承雨面積較小的穿透雨觀(guān)測(cè)設(shè)備時(shí)，該現(xiàn)象較為突出[16]。 我國(guó)學(xué)者在對(duì)祁連山的云杉林冠截留特征研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)樣地中89 個(gè)雨量筒中的6 個(gè)呈現(xiàn)出穿透雨量多于林外大氣降雨量的情況[17]。 國(guó)外學(xué)者對(duì)亞馬遜雨林、馬來(lái)西亞熱帶雨林的研究中，也出現(xiàn)了29%的觀(guān)測(cè)點(diǎn)和123 個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)中有101 個(gè)截留雨量大于林外降雨的現(xiàn)象[18-19]。

干旱和半干旱地區(qū)枯落物持水能力對(duì)林下地表層土壤保持水分的作用十分明顯[20]。 枯落物的持水能力常用干物質(zhì)的最大持水率、最大持水量來(lái)表示[21]。 枯落層持水量的大小，取決于其自身林下枯枝落葉層的厚度和性質(zhì)[22]。 不同立地條件下，不同樹(shù)種枯落物的持水能力及分解情況有很大差異。 研究表明，水分在林下枯落物層的傳輸機(jī)制類(lèi)似于林冠截留過(guò)程[23]，其截留量與地被物的種類(lèi)、貯水能力有關(guān)，與林地單位面積地被物成正比[24]。

3.1 柏類(lèi)植物群落具有良好的雨水徑流調(diào)蓄功能

園林植物對(duì)降雨的截留調(diào)蓄作用是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，本研究中各植物群落雨水徑流能力由強(qiáng)及弱依次為：圓柏、側(cè)柏、龍柏、黃櫨、刺槐、國(guó)槐、楸樹(shù)、女貞、美人梅、白皮松。 柏類(lèi)植物群落綜合雨水調(diào)蓄能力優(yōu)于樣方中所有闊葉類(lèi)植物，可以在濟(jì)南城市樹(shù)種規(guī)劃設(shè)計(jì)中作為優(yōu)選樹(shù)種。 柏類(lèi)植物群落林冠層雨水?dāng)r蓄能力和枯落物持水能力均強(qiáng)，多重覆蓋分叉的枝葉能有效地滯留水分于葉表之間的縫隙之中，枯落物也具有同樣特性。 枯落物分解程度越高，持水能力越高[25]。 白皮松葉表面有一層類(lèi)似于蠟質(zhì)的膜，較難吸附大量水分[26]。 而柏類(lèi)植物葉片表面結(jié)構(gòu)雖與白皮松類(lèi)似，但其鱗形葉片著生緊湊，分解過(guò)程中溫度得以保持，以致分解程度較白皮松高，水分吸附能力也較強(qiáng)。 降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間、葉面積、葉片形狀和葉片大小決定了不同植物種類(lèi)的降雨截留能力[27]，柏類(lèi)植物群落冠層良好的雨水截留能力與其枝葉構(gòu)造密不可分。

3.2 柏類(lèi)樹(shù)種與闊葉樹(shù)種結(jié)合以提升群落雨水徑流調(diào)蓄功能

闊葉類(lèi)植物群落中黃櫨、刺槐、國(guó)槐群落具有較好的雨水截留能力，雖在平抑暴雨中作用不及柏類(lèi)植物，但樹(shù)形良好、秋色葉，能豐富景觀(guān)層次，在以柏類(lèi)樹(shù)種作為調(diào)節(jié)雨水徑流的植物群落主要建群樹(shù)種情況下，可考慮叢植點(diǎn)綴。 楸樹(shù)、女貞、美人梅、白皮松群落雨水徑流調(diào)節(jié)能力不強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際需求，在植物配置時(shí)替換為其他樹(shù)種。