李嘉樂，李新宇，段敏杰，王 行

(北京市園林科學(xué)研究院/園林綠地生態(tài)功能評(píng)價(jià)與調(diào)控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100102)

近些年，北京市頻遭短歷時(shí)、高強(qiáng)度、局地性暴雨沖擊，導(dǎo)致城區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)澇現(xiàn)象。園林樹木能有效的截留雨水，緩解強(qiáng)降雨對(duì)地表造成的沖擊，減少強(qiáng)降雨對(duì)城市造成的損失[1]。選擇雨水截留能力強(qiáng)、適合北京市的園林樹木，是城市綠地建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。

植物冠層截留是植物截留雨水的重要環(huán)節(jié)[2]，植物冠層對(duì)雨水的截留能力主要研究方法包括間接測量法和直接測量法，間接測量法即水量平衡法廣泛應(yīng)用于森林對(duì)雨水截留的研究，直接測量法包括稱重法、浸水法、噴霧法等，操作簡單、能快速獲取數(shù)據(jù)[3]。國外學(xué)者對(duì)森林冠層的雨水截留率研究較為深入，通過建立模型，分析不同林分條件下冠層的雨水截留率，發(fā)現(xiàn)林冠截留能夠有效減少其下墊面的雨水徑流體積[4-6]。國內(nèi)有學(xué)者以城市孤植樹及喬灌混交群落為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)不同植物個(gè)體雨水截留能力存在的差異[7-9]。目前針對(duì)北方城市常見園林樹木冠層截留能力評(píng)價(jià)的研究較少?；诖耍髡咄ㄟ^測定北京市常用的園林樹木單位葉面積截留量，估算整株植物的雨水截留能力，進(jìn)而評(píng)價(jià)篩選雨水滯留能力較強(qiáng)園林樹木，以期發(fā)揮綠地截留雨水的生態(tài)作用，減少城市內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生。

1 材料及方法

1.1 整體概況

以北京市園林科學(xué)研究院及周邊綠地為采樣地點(diǎn)，該試驗(yàn)區(qū)位于北京市東四環(huán)邊(北緯39.97°，東經(jīng)116.46°)，植物種類豐富，植物生長環(huán)境一致。

共選取27種應(yīng)用頻率較高的樹木，其中喬木15種，灌木12種，包括針葉樹3種，闊葉樹24種，每種樹木選擇3株，均為生長狀況良好且規(guī)格常見，調(diào)查其基本數(shù)據(jù)取平均，樹種規(guī)格參照2019北京市第九次綠化普查數(shù)據(jù)，確保不同樹種之間比較的相對(duì)公平，根據(jù)“北京園林植物生態(tài)效益的經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估軟件”計(jì)算其綠量，具體數(shù)據(jù)見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 樣本采集 于2020年7月分別對(duì)喬木及灌木各進(jìn)行1次集中采樣，采樣時(shí)間為雨后5 d且晴朗無風(fēng)的天氣。每種植物選擇3株長勢良好的成年健壯植株，每種植物共采集20片標(biāo)準(zhǔn)葉片，葉片均采自樹冠下方，選擇表面干凈、大小中等的成熟葉片，放入低溫保溫箱，帶回實(shí)驗(yàn)室在4 ℃以下冷藏保存24 h。

表1 試驗(yàn)園林樹木種類與規(guī)格試驗(yàn)植物規(guī)格Tab.1 Species and specifications of landscape trees observed

1.2.2 葉面積測定 使用LI-3000C葉面積儀進(jìn)行葉面積測定，闊葉樹種將每種植物葉片以5片為1組，分成4組，直接通過儀器分組記錄植物葉面積。針葉樹種用枝剪裁剪成5個(gè)5 cm長的1簇為1組，共4組，將每1個(gè)針葉剝離，放平通過儀器測量葉面積。

1.2.3 葉片吸水能力測定 按照測量葉面積的分組，將每組葉片進(jìn)行稱量，稱量前用棉簽對(duì)葉表面灰塵進(jìn)行清潔，電子天平精度為0.0001，得到葉片浸水前的質(zhì)量(M1)，將葉片浸水5 min后取出，葉片不再滴水后，稱質(zhì)量(M2)，再將葉片浸水5 min后取出，稱質(zhì)量(M3)。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，計(jì)算以下結(jié)果：

1)葉片吸水量I5=M2-M1，I10=M3-M1。其中，I5為浸水5 min的吸水量(g)，M1為浸水前的質(zhì)量(g)，M2為浸水5 min的質(zhì)量(g)。I10為浸水10min的吸水量(g)，M1為浸水前的質(zhì)量(g)，M3為浸水10min的質(zhì)量(g)。

1.2.4 綠量的計(jì)算 綠量是指植物葉片面積總量的大小。測量27種植物的胸徑、冠幅、株高，將所得數(shù)據(jù)輸入“北京園林植物生態(tài)效益的經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估軟件”，通過建立各植物體的一元、二元綠量計(jì)算回歸模型，得出植物綠量[10]，各樹種綠量計(jì)算結(jié)果見表1。

兼顧植物單位葉面積雨水截留量以及整株植株冠層雨水截留量，通過聚類分析法[11,12]，評(píng)價(jià)植物冠層的雨水截留能力。聚類分析選用K-均值聚類方法，選擇植物5 min單位葉面積吸水量、10 min單位葉面積吸水量以及植物5 min整株植株冠層雨水截留量共3個(gè)評(píng)價(jià)因子，評(píng)價(jià)試驗(yàn)植物的雨水截留能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 單位葉面積吸水能力分析

2.1.1 喬木單位葉面積吸水能力分析 從圖1可以看出喬木共15種，針葉喬木3種，闊葉喬木12種。5 min單位葉面積吸水量從高到低分別是雪松、圓柏、欒樹、油松、國槐。最高的雪松為374.65 g/m2，遠(yuǎn)高于其他喬木，是銀杏(92.94 g/m2)的4.0倍。

10 min單位葉面積吸水量從高到低排序與5 min基本一致，最高的是雪松為428.94 g/m2，其次為圓柏、欒樹、油松、國槐。單位葉面積吸水量最低的是銀杏，為115.32 g/m2，雪松單位葉面積吸水量是銀杏的3.7倍。

試驗(yàn)喬木10 min的單位葉面積吸水量均高于5 min，存在顯著差異，但增幅不同。增長最快的是臭椿和圓柏，10 min單位葉面積吸水量是5 min的1.49和1.47倍。增長最慢的是欒樹、紫葉李和雪松，10 min單位葉面積吸水量是5 min的1.16、1.16和1.14倍。

2.1.2 灌木單位葉面積吸水能力分析 12種闊葉灌木，5 min單位葉面積吸水量從高到低分別是榆葉梅、紫薇、金銀木、月季、連翹。吸水量最高的榆葉梅為251.38 g/m2，最低的是紅瑞木，為93.05 g/m2，榆葉梅單位葉面積吸水量是紅瑞木的2.7倍。

10min單位葉面積吸水量從高到低為榆葉梅、連翹、紫薇、金銀木、珍珠梅。最大的榆葉梅為266.77 g/m2，最小的丁香為116.31 g/m2，榆葉梅單位葉面積吸水量是丁香的2.3倍。

試驗(yàn)灌木10 min的單位葉面積吸水量均高于5 min，存在顯著差異。增長最快的是連翹、紅瑞木，10 min單位葉面積吸水量是5 min的1.44和1.40倍。增長最慢的是紫薇和榆葉梅，10 min單位葉面積吸水量是5 min的1.07和1.06倍。

2.2 不同樹木冠層截留能力分析

從圖2 可見，通過單位葉面積吸水量，及不同植物的綠量，可計(jì)算出植株冠層的雨水截留能力，分析不同個(gè)體之間截留能力的差異。

對(duì)比喬木整株樹的5 min截留能力，截留能力最高的是雪松為106.02 kg，其次是國槐為82.05 kg，毛白楊、臭椿、紫葉李、欒樹的截留能力在40～50 kg，銀杏、懸鈴木、西府海棠的截留能力較差，均小于10 kg。雪松的截留量是西府海棠的18.1倍。

對(duì)比灌木植株冠層的5 min截留能力，截留能力最強(qiáng)的是榆葉梅為12.09 kg，其次是金銀木為5.52 kg，其余灌木截留量均小于2.5 kg，最小的紫葉小檗為0.07 kg，榆葉梅的截留量是紫葉小檗的172.7倍。

2.3 樹木冠層截留能力評(píng)價(jià)

以上文提到的3個(gè)因子作為聚類分析的3個(gè)評(píng)價(jià)因子。將27種樹木分為喬灌2類，對(duì)不同樹種3個(gè)因子分別運(yùn)用S-N-K法進(jìn)行兩兩比較，結(jié)果顯示，各樹種之間存在顯著性差異。喬木在多重方差兩兩比較下，5 min單位葉面積吸水能力共分成3組，10 min單位葉面積吸水能力共分成4組，冠層截留能力共分成6組。灌木在多重方差兩兩比較下，5 min單位葉面積吸水能力共分成4組，10 min單位葉面積吸水能力共分成6組，冠層截留能力共分成5組。各組間均存在顯著性差異。

為方便研究成果推廣應(yīng)用，將樹木冠層截留能力分成高、中、低3個(gè)等級(jí)。選擇K-均值聚類方法，經(jīng)過迭代運(yùn)算，得到聚類結(jié)果。對(duì)聚類結(jié)果的類別進(jìn)行方差分析，經(jīng)方差齊性檢驗(yàn)顯著性均大于0.05，說明可以使用單因素方差分析，單因素方差分析P<0.005，即聚類效果好。

15種喬木聚合成3類，強(qiáng)截留能力的有1種，為雪松；中截留能力的有2種，為圓柏、欒樹；弱截留能力的有12種喬木(表2)。

12種灌木聚合成3類，強(qiáng)截留能力的有1種，為榆葉梅；中截留能力的有5種，分別為紫薇、金銀木、月季、連翹、珍珠梅；其余6種灌木屬于截留能力弱。

3 討論與結(jié)論

采用浸水法對(duì)植物葉片的吸水性能進(jìn)行研究并評(píng)價(jià)樹木冠層雨水截留能力，該方法易操作，環(huán)境影響較小，是目前采用較多的一種研究方法[7-9]。選用綠量計(jì)算整株植株截留雨水能力，對(duì)比同類型的相關(guān)研究，結(jié)果更能科學(xué)地計(jì)算葉片間重疊部分截留的雨水量。尤其考慮到城市中園林樹木的種植形式，主要以單株植物為單位發(fā)揮生態(tài)效益，該方法更能反映出植物冠層截留雨水能力的差異，為進(jìn)一步深入研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表2 植物截留能力分類結(jié)果Tab.2 Sorting results of tree rainfall interception capacity

研究結(jié)果顯示不同植物葉片吸水及冠層截留雨水的能力差異顯著，雪松的單位葉面積及冠層截留雨水量都是所有植物中最大的，遠(yuǎn)高于其他樹種，截留能力最強(qiáng)。此外，圓柏截留能力也較好。針葉樹的單位葉面積雨水截留量大于闊葉樹種，與其他研究結(jié)果一致[7]。按照冠層截留雨水綜合能力大小對(duì)樹木進(jìn)行分類，喬木中，雪松屬于強(qiáng)雨水截留能力植物，圓柏、欒樹截留雨水能力居中；灌木中，榆葉梅屬于強(qiáng)雨水截留能力植物，紫薇、金銀木、月季、連翹、珍珠梅雨水截留能力植物居中。在北方新建和已建城市綠地改造與海綿城市建設(shè)過程中，宜綜合考慮樹木對(duì)雨水的截留作用，從種類選擇、配置比例、冠層覆蓋率等方面做出合理規(guī)劃。