4種植物所構建的滯留系統調控道路雨水的效用

李妍汶 王海洋 李慧 張自豪 張丹華

摘要：在生物滯留系統中，通過模擬自然降雨強度，對4種地被植物調蓄道路雨水以及自身耐水淹抗干旱能力進行研究。結果表明：（1）植物層滯留雨水時間為4.8～14.0 h，系統可以滯留雨水7.0～17.9 h，且隨著進水量的加大，植物層和系統層差異顯著（P<0.05）。在基質相同的條件下，同種植物在不同進水量情況下滯留雨水時間差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同進水量條件下滯留雨水時間差異顯著（P<0.05）。（2）3種降雨強度不同植物系統的蒸發量與植物蒸騰量不超過7%，生物滯留系統基質蓄水量穩定在13.68 L/m3。（3）4種地被植物在不同水分處理的適應能力均可作為道路地被植物，且推薦依次為狼尾草、頭花蓼、地瓜藤、玉龍草。

關鍵詞：生物滯留;道路雨水;地被植物;適應能力

中圖分類號： X171.4? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0208-05

收稿日期：2017-01-06

基金項目：重慶市應用開發計劃（編號：cstc2014yykfA9001）。

作者簡介：李妍汶（1991—），女，河南新鄉人，碩士研究生，助理園林工程師，主要從事風景園林生態研究。E-mail：lear0705@foxmail.com。

通信作者：王海洋，博士，碩士研究生導師，主要從事生態學與植物學研究。E-mail：whyswau@126.com。

生物滯留，作為一種新型的雨洪管理技術是海綿城市的重要組成部分。目前國內外對道路生物滯留方面研究主要集中在水文效應[1]、生物滯留池的模型與結構[2-3]、凈化水質效用[4]、透水路面[5]等方面。沒有研究系統與不同植物對不同降雨強度“滯”與“蓄”的能力，對一些耐淹抗旱的本土野生植物的開發重視不夠[6]，且忽略了植物本身的造景美化功能等。本研究通過模擬道路雨水徑流，比較4種植物在道路兩邊生長的適應能力以及在生物滯留系統中調控道路雨水的效用，對指導選擇適當植物與解決城市雨水問題具有切實意義。

1 試驗區域與方法

1.1 試驗區域概況

試驗場地位于重慶市北碚區西南大學，降水主要集中在的5～10月[7]。道路雨水采樣點選在西南大學瀝青道路，雙向車道，地長10 m、寬5 m，坡度3.5°，車流量96輛/h，只有1個雨水篦。

1.2 生物滯留系統設計

1.2.1 植物選擇 選擇適宜在重慶地區道路旁生長，具有耐淹抗旱性質和觀賞價值的頭花蓼（Polygonum capitatum）、玉龍草（Ophiopogon bodinieri）、狼尾草（Pennisetum alopecuroides）、地瓜藤（Caulis Fici Tikouae）[8-9]4種植物。種植密度分別為25株/m2、40株/m2、100株/m2、27枝/m2。

1.2.2 生物滯留系統設計 根據海綿城市技術指南中的復雜型生物滯留設施各項要求（蓄水層200～300 m，覆蓋層 50～100 mm，土壤250～1 200 mm，沙100 mm，礫石200～300 mm），模擬定量試驗于5個面積為2 m2（長1 m，寬2 m），高1 m的箱子。從下至上分別是200 mm礫石、100 mm沙子、400 mm土壤、50 mm的覆蓋層，250 mm的蓄水層。其中礫石粒徑為10 mm，沙子容重為1.41 g/cm3，土壤容重為 1.49 g/cm3。開有上下2個出水口，分別位于蓄水層以下以及礫石層以下。沒有考慮雨水溢流管接雨水管渠，直接研究模擬生物滯留設施滯蓄的效果。

1.3 試驗處理與測定

1.3.1 進水設計

1.3.1.1 試驗場地降雨特點 降雨雨強采用杭州路格科技L99-YL智能雨量記錄儀，安置在實驗場地，每5 min記錄1次數據（圖1）。經分析數據可得，4、5、6、7、8月的降雨量分別為72.3、111.5、312、177.5、17.6 mm，降雨次數分別是195、173、140、56、7次。8月少降雨，處于干旱期。小雨、中雨、大雨的概率較大，且小雨占絕大數，暴雨集中出現在5—7月，次數較少，降雨多發于夜晚（圖2）。

1.3.1.2 進水徑流量設計 根據我國降雨等級表（中國氣象局）3種降雨強度的最大值，將小雨、中雨、大雨12 h的降雨量分別設為5、15、30 mm。測定瀝青路面道路徑流系數約為0.9。經計算，小雨、中雨、大雨50 m2道路1.5 h進水量分別為30、90、170 L。

1.3.2 指標測定

1.3.2.1 植物層與系統滯留雨水時間與水量的測定[6] 生物滯留設施中的4種不同植物加上對照組共5組處理。植物層測定為上開下關，從蓄水層出水;系統滯留為上關下開，從系統底部出水。不同的降雨類型（小雨、中雨、大雨）分別重復3次，共計90組。試驗處理1、2、3是4種植物在小雨、中雨、大雨3種情況下模擬植物層出水的情況。試驗處理4、5、6是4種植物在小雨、中雨、大雨3種情況下模擬整個系統層出水的情況。傾倒配制溶液1.5 h，每5 min對出水量測定1次，直至水流完，測定出植物層與系統延緩雨水的時間與水量。

1.3.2.2 系統雨水分配比例和生物滯留系統蓄水量的測定 通過對系統設計的進水量、測量的出水量、土壤含水量，在誤差范圍內，計算出植物蒸騰量，并比較4種植物的異同。

1.3.2.3 植物在不同水處理下適應能力測定 2016年4—8月進行試驗，記錄和測定4種地被植物在小雨、中雨、大雨、正常灌水、停止灌水5 d、停止灌水10 d時的生長特性（存活率、株高、總葉片數、形態、地上地下生物量）和生理特性（葉片和土壤水勢）。

2 結果與分析

2.1 植物層滯留雨水時間的比較

在模擬的生物滯留系統處理1、2、3中，植物層滯留雨水時間為4.8～14 h，占生物滯留系統總體滯留時間的7356%，其中滯留小雨4～8 h，中雨7～12 h，大雨8～14 h。不同降雨條件下，4種植物滯留雨水的情況不同，整體上出水平穩。隨著雨強的不斷加大，植物可以延緩雨水的時間也越長?？傮w上按滯留時間長短可排序為狼尾草>地瓜藤>頭花蓼>玉龍草。

對4種植物在不同降雨條件下滯留雨水時間進行方差分析（表1）可知，同種植物在不同進水量情況下滯留雨水時間差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同進水量條件下滯留雨水時間差異顯著（P<0.05），但整體來說，頭花蓼與玉龍草滯留雨水時間差異不顯著（P>0.05），與狼尾草和地瓜藤滯留雨水時間顯著（P<0.05）。

2.2 整體系統滯留雨水時間與水量的比較

在模擬的不同雨強的道路徑流處理4、5、6下，系統整體滯留雨水時間為7.0～17.8 h。雨水經過整個系統后流速變慢，在植物根、莖、葉中的滯留以及基質滯蓄的雙重作用下，初始階段，土壤濕度增加，系統并不出水。隨著基質逐漸達到飽和，系統開始出水，流速逐漸增大，在一定時間段，流速達到最大，而后持續平穩流速（圖3）。

總體上，不管在任何降雨類型下，按照滯蓄時長可排序為狼尾草+基質>地瓜藤+基質>頭花蓼+基質>玉龍草+基質。

在基質相同的基礎上，植物的作用顯而易見。植物和基質的滯蓄效果明顯好于單一種植植物，并隨著雨強的增大，基質的效用越來越明顯。對4種植物在不同降雨條件下滯留雨水時間進行方差分析（表2）可知，同種植物在不同進水量情況下滯留雨水時間差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同進水量條件下滯留雨水時間差異顯著（P<0.05）。

2.3 系統雨水分配比例和植物與系統蓄水過濾的能力比較

進水量增大，系統出水量增多且隨之比例增大。不管是任何類型的降雨強度，不同種的植物，系統基質蓄水量穩定在27.36 L。進水量比例增大，蓄水量比例相對減小，蒸發蒸騰量相對增加。不管在小雨、中雨、大雨的情況下，按照蒸發量都依次為地瓜藤>頭花蓼>狼尾草>玉龍草。

在小雨、中雨、大雨3種情況下，生物滯留系統出水量占總水量的比例依次為90.13%、65.01%、77.07%;蒸發與植物蒸騰量依次約為3.25%、4.55%、6.67%，總體上沒有超過7%;土壤蓄水量基本不變，本次試驗模擬了生物滯留池系統，2 m3可以蓄水約27.36 L。

2.4 4種地被植物在不同水分條件下的適應能力的比較

生物滯留池、生物滯留型植草溝等一系列雨水設施存在一些積水和干涸暴曬時間[10]。植物在經過不同降雨強度的沖刷與淹和不同時長的暴曬與干旱后，形態、生長和生理特征會出現明顯差異[11]。

2.4.1 存活率與形態 小雨徑流下，只有4種地被植物表現良好，沒有死亡情況。模擬中雨和徑流時，4種植株出現不同程度的葉片發黃萎蔫甚至死亡，頭花蓼葉片紅色變暗淡，但在反復模擬試驗后，4種植株存活率都在95%以上，作為生物滯留設施地被植物，表現型良好。停止灌水后，4種地被草本形態上發生了明顯的變化。隨著干旱程度的加重，停止灌水15 d后，玉龍草一部分死亡，地瓜藤部分葉片干枯與死亡，頭花蓼葉片部分干枯卷曲，紅色變淺，狼尾草葉片少部分枯黃，大部分低垂。

2.4.2 接觸地面葉子枯黃比例 通過雨季觀察接觸地面部分葉子枯黃情況作為耐濕性的評價指標[12]。隨著進水量的加大，4種植株接觸地面的葉子開始出現少許枯黃。接觸地面葉子枯黃的比例為從大到小依次為玉龍草>地瓜藤>頭花蓼>狼尾草。

2.4.3 株高 隨著降雨徑流強度的增大，株高也下降。在干旱條件下，株高都有所下降，且比徑流淹沒時明顯多，說明對水分脅迫反應敏感。隨著干旱脅迫程度的增大，株高下降的趨勢愈明顯。4種地被植物的株高對干旱敏感順序從大到小依次為玉龍草>地瓜藤>頭花蓼>狼尾草。

2.4.4 葉片數量 道路徑流的淹沒會影響4種地被植物葉片的分蘗?？偟膩碚f，4種地被植物株高對徑流淹沒的敏感性順序為地瓜藤>玉龍草>頭花蓼>狼尾草。干旱程度的不同明顯影響到4種地被植物的分蘗，并隨著干旱程度的增大，葉片數量也下降。影響最大的是玉龍草，影響最小的是狼尾草?？偟膩碚f，4種地被植物葉片數對干旱敏感按從大到小的順序為玉龍草>頭花蓼>地瓜藤>狼尾草。

2.4.5 生物量 在道路雨水徑流淹沒脅迫后，4種地被植物的地上地下生物量有不同程度的下降，總的來說，4種地被植物地上生物量對徑流淹沒的敏感性順序為地瓜藤>頭花蓼>狼尾草>玉龍草，4種地被植物地下生物量對徑流淹沒的敏感性順序為玉龍草>狼尾草>頭花蓼>地瓜藤。

隨著干旱程度的不斷加大，4種地被植物的生物量不斷下降且顯著。其中，地上生物量下降最明顯的是玉龍草，在輕度、重度脅迫下分別下降41.01%、48.96%。表現最好的是狼尾草，在輕度和重度脅迫分別下降27.96%、31.97%。

地下生物量下降最明顯的是仍然是玉龍草，在輕度、重度脅迫下分別下降26.35%、34.25%。最后仍然是狼尾草，在輕度、重度脅迫中分別下降15.84%、21.53%。

綜上所得，不管是地上生物量還是地下生物量，其對水分的敏感程度按照大小排序為玉龍草>地瓜藤>頭花蓼>狼尾草。

2.4.6 土壤水勢 隨著干旱脅迫程度的加重，4種地被植物土壤水勢的絕對值也變大。其中，狼尾草的土壤水勢絕對值一直保持較低水平，在干旱脅迫中最能利用土壤中的水分。其次是頭花蓼和地瓜藤相近，最后是玉龍草。土壤水勢絕對值變大速率由大到小依次為玉龍草>地瓜藤>頭花蓼>狼尾草。對4種植物在不同水分條件下土壤水勢進行方差分析（表3）可知，同種植物的土壤水勢在不同水分條件下與正常灌水比較差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同灌水條件下差異顯著（P<0.05）?？傮w來說，狼尾草與地瓜藤和玉龍草差異顯著（P<0.05），頭花蓼與玉龍草差異顯著（P<0.05）。

2.4.7 葉水勢 同一生境條件下，抗旱性強的植物一般葉水勢下降速度慢且幅度小，能保持其水分平衡;抗性弱的植物下降速度快，水分平衡保持差[13-14]。隨著干旱脅迫的加重，4種地被植物的水勢呈下降趨勢，且變化規律為脅迫初期葉片水勢變化緩慢，隨著脅迫程度加重和時間延長，葉水勢急劇下降。與正常灌水相比較，狼尾草葉水勢變化幅度最小，在輕度、重度脅迫下分別下降 11.03%、71.46%。其次是頭花蓼和地瓜藤，相差幅度不大。在輕度干旱脅迫下分別下降6069%、70.30%，在重度干旱脅迫下分別下降190.88%、220.70%。變化幅度最大的是玉龍草，在輕度、重度脅迫下分別下降83.48%、277.49%。所以根據其下降幅度大小排序依次是玉龍草>地瓜藤>頭花蓼>狼尾草（表4）。對4種植物在不同水分條件下葉片水勢進行方差分析可知，同種植物的葉片水勢在不同水分條件下與正常灌水比較差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同灌水條件下葉片水勢差異顯著（P<0.05）（表4）。

2.4.8 綜合評價 根據閻曉容等的方法[15]，利用指標排序疊加法對4種地被植物在不同水分條件下綜合能力進行評價。按照耐水淹能力中的存活率、接觸地面葉子的枯黃比例、株高、葉片數、地上生物量和地下生物量6個因素以及抗旱能力中形態、株高、葉片數量、地上地下生物量、土壤水勢、葉片水勢7個因素進行綜合評價。各因素的第1名4分，第2名3分，第3名2分，第4名1分。最后將各指標的分值累計，分數越高的地被植物相應的耐水淹和抗旱綜合能力越強。

在抗道路徑流水淹能力中，4種地被植物得分大小依次為狼尾草>頭花蓼>玉龍草>地瓜藤。在抗旱能力中，得分大小依次為狼尾草>頭花蓼>地瓜藤>玉龍草（表5）。綜上所述，4種地被植物綜合耐水淹抗旱能力大小依次為狼尾草>頭花蓼>地瓜藤>玉龍草。

3 結論

模擬的生物滯留系統中，植物層滯留雨水時間為 4.8～14.0 h，占生物滯留系統總體滯留時間的73.56%。隨著雨強的不斷加大，植物可以延緩雨水的時間也越長。總體上，按滯留時間長短可排序為狼尾草>地瓜藤>頭花蓼>玉龍草。

系統可以滯留雨水7.0～17.9 h，在基質相同的基礎上，植物的作用是顯而易見的。植物和基質的滯蓄效果明顯好于單一種植植物，并隨著雨強的增大，基質的效用越來越明顯。

不管是任何類型的降雨強度，不同種的植物系統的蒸發與植物蒸騰量不超過7%，2 m3的生物滯留系統基質蓄水量穩定在27.36 L。

在不同水分條件下的適應能力中，4種地被植物得分大小依次為狼尾草>頭花蓼>地瓜藤>玉龍草。玉龍草具有較強的耐水淹能力，觀賞價值高。且4種植物均滿足道路兩邊耐水淹耐干旱的條件，推薦使用。

所得結論可應用于道路、廣場等生物滯留設施，例如在寬5 m、長10 m的道路中，用2 m3狼尾草種植的生物滯留系統可以延緩大雨17 h左右。

參考文獻：

[1]張 軍，張 松，柏雙友，等. 生物滯留系統的水文效應與污染物的去除研究[J]. 環境工程，2015（8）：17-21.

[2]馬效芳，陶 權，姚 景，等. 生物滯留池用于城市雨水徑流控制研究現狀和展望[J]. 環境工程，2015（6）：6-9，29.

[3]高曉麗. 道路雨水生物滯留系統內填料的研究[D]. 太原：太原理工大學，2014.

[4]孟瑩瑩，王會肖，張書函，等. 基于生物滯留的城市道路雨水滯蓄凈化效果試驗研究[J]. 北京師范大學學報（自然科學版），2013（增刊1）：286-291.

[5]秦 祎. 透水路面-生物滯留聯合應用設計及應用研究[D]. 北京：北京建筑大學，2014.

[6]楊世蜀，王海洋. 人工生物蓄水過濾系統對雨水的滯留與過濾功效[J]. 環境工程學報，2015（5）：2259-2264.

[7]陳虹利，李廷勇，周福莉，等. 基于場降雨數據的大氣降水化學特征分析——以重慶市北碚區西南大學為例[J]. 西南大學學報（自然科學版），2012（2）：105-113.

[8]楊麗娟. 重慶市耐旱園林植物的調查篩選及應用研究[D]. 重慶：西南大學，2009.

[9]薛彥斌. 三種藤本地被植物抗旱性及在邊坡綠化中的應用研究[D]. 重慶：西南大學，2010.

[10]郭翀羽. 植草溝與緩沖帶徑流控制效能研究[D]. 北京：北京建筑大學，2013.

[11]高艷芝，宗俊勤，孟 璠，等. 不同暖季型草坪草種耐淹性能評價[J]. 草地學報，2014（5）：1021-1030.

[12]劉可心. 水淹脅迫下10種草種耐水淹能力的研究[D]. 長沙：湖南農業大學，2009.

[13]Kramer P J，Boyerj J S. Water relation of plants and soils[M]. San Diego：Academic Press，1995.

[14]余 莉. 幾種地被植物的引種栽培及適應性研究[D]. 北京：北京林業大學，2005.

[15]張 科. 重慶市六種園林草本地被植物的耐旱性評價[D]. 重慶：西南大學，2010.孔 偉，張 飛，郭 杰，等. 兼顧經濟發展與資源稟賦的增量建設用地區域配置研究[J]. 江蘇農業科學，2019，47（5）：213-217.