合肥地區(qū)常綠景觀樹(shù)種冠層雨水截留能力研究

姚雪晗，楊 帆，唐文莉，傅松玲

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院，合肥 230011；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院，合肥 230036)

隨著城市化程度的提高，地球表面最原始的透水性下墊面變成了不透水的硬化鋪裝，這一變化影響了雨水的截留、下滲和蒸發(fā)等環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致地表徑流的增加，加劇了城市內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度[1-2]。

國(guó)際上雨水資源處置和管理的理念已經(jīng)從傳統(tǒng)的將雨水收集后經(jīng)管道排放，變成了強(qiáng)調(diào)雨水的蓄滲、緩排和利用[3-4]。在大中型城市提出的“海綿城市”目標(biāo)中，降低城市地表徑流，提高環(huán)境保水能力的措施，越來(lái)越受到重視[5]。植物冠層對(duì)雨水的截留，既能夠有效的降低地表徑流，又能夠優(yōu)化水循環(huán)，對(duì)降水再分配具有重要的水文生態(tài)意義[6-8]。因此，植物冠層的雨水截留能力已經(jīng)越來(lái)越受到重視[9]。

目前，大多數(shù)關(guān)于雨水截留的研究主要是針對(duì)森林林冠，如油松(Hnustabuliformis)林[10-11]、毛竹[12](Phyllostachysheterocycla)林以及落葉松[13](Larixgmelinii)林等，而針對(duì)城市綠地中園林植物的研究相對(duì)較少。冠層截留整個(gè)過(guò)程復(fù)雜多樣，它受到多個(gè)方面的影響，包括物種組成、植物配置密度、樹(shù)種的新老程度、冠層成分厚度、葉片自身吸水性的差別以及樹(shù)種冠層本身的因素等，也受到大氣中降雨特征的影響，如降水量、降水強(qiáng)度、降雨時(shí)間長(zhǎng)短等影響[14]。由于各地的自然情況不同，樹(shù)種冠層截留的測(cè)定結(jié)果也會(huì)有所差別，所以要想精確的得出冠層的截留效果，就不能使用實(shí)際觀測(cè)截留量的方法，而冠層截留能力就可以比較客觀的反映不同氣候、不同地區(qū)和不同樹(shù)種的冠層截留作用[15-16]。

本試驗(yàn)以合肥地區(qū)常見(jiàn)的10種常綠喬木樹(shù)種冠層的雨水截留量作為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M浸水法，測(cè)定各樹(shù)種冠層的雨水截流能力，進(jìn)行葉片最大儲(chǔ)水能力試驗(yàn)，通過(guò)植物冠層儲(chǔ)水總量和植株單位占地面積儲(chǔ)水量2個(gè)主要指標(biāo)，分析常見(jiàn)景觀植物的冠層儲(chǔ)水能力特征、差異以及儲(chǔ)水潛力，選擇雨水截留能力較強(qiáng)的植物，為今后合肥地區(qū)景觀植物的選擇提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 合肥地區(qū)自然概況

安徽省合肥市是長(zhǎng)江中下游城市群的核心城市之一，生態(tài)城市的建設(shè)是城市發(fā)展的必然要求。合肥地處中緯度地區(qū)，境內(nèi)有丘陵崗地、低山殘丘、低洼平原3種地貌，以丘陵為主。隸屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，其年平均氣溫15.8 ℃，年平均降水995.3 mm，年平均日照1 902.0 h。

1.2 HemiView林地冠層數(shù)字分析系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 本試驗(yàn)在測(cè)定葉面積指數(shù)時(shí)，選擇HemiView林地冠層數(shù)字分析系統(tǒng)，系統(tǒng)由一個(gè)180°魚(yú)眼鏡頭和一臺(tái)高分辨率數(shù)碼單反相機(jī)(nikon coolpix P5100)組成，從植物冠層下方或森林地面向上取像,再將數(shù)碼相機(jī)的高清晰度影像載入HemiView軟件，進(jìn)行分析處理。軟件能夠通過(guò)分析太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，測(cè)量葉面積指數(shù)(LAI)、葉面傾角、葉面積指數(shù)的空間分布、冠層郁閉度、光照間隙及間隙分布狀況等多種冠層參數(shù)。

1.2.2 使用方法 (1)測(cè)量時(shí)間選擇為晴天 9:00以前或16:00以后，測(cè)量時(shí)將儀器放在需要測(cè)量的植物下方，調(diào)節(jié)好支架的平衡，保證指北針指向正北方，根據(jù)光照條件設(shè)置合適的曝光參數(shù)。

(2)試驗(yàn)人員離開(kāi)3 m以外，使用遙控器操控相機(jī)進(jìn)行拍照采集。

(3)將采集好的高清圖像導(dǎo)入HemiView軟件，對(duì)照片進(jìn)行處理后，即可分析出各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 10種常綠喬木名錄

合肥地區(qū)常綠樹(shù)木多種多樣。本研究在合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園，逍遙津公園和廬州公園中，選擇20 m×20 m的樣各5塊，記錄15塊樣地中所有常綠喬木出現(xiàn)的頻度，選擇的頻度最高的10種常綠喬木(表1)，分別記錄每個(gè)喬木的種類，數(shù)量、樹(shù)高、冠幅、葉面積指數(shù)等植物形態(tài)特征數(shù)據(jù)[17]。然后每個(gè)樹(shù)種隨機(jī)選擇10株生長(zhǎng)狀況良好的健康喬木作為標(biāo)準(zhǔn)木，并用冠層分析系統(tǒng)測(cè)定其葉面積指數(shù)(LAI)，用胸徑尺和卷尺測(cè)定胸徑和冠幅。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 測(cè)量葉片儲(chǔ)水能力 通過(guò)浸泡法[18-19]測(cè)定供試材料葉片浸水前后的重量差來(lái)明確植被冠層葉片的潛在最大截留量。

(1)植物葉片選取：選取供試樹(shù)種標(biāo)準(zhǔn)木的標(biāo)準(zhǔn)枝，每株植物分別選取20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)葉片，使用高枝剪隨機(jī)剪下20個(gè)葉片，放入自封袋保存并記錄，并使用冠層分析儀(nikon coolpix P5100)拍攝照片。將這10種常綠喬木葉片帶回實(shí)驗(yàn)室。

通過(guò)已標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣M，并計(jì)算M的特征值ωj(j=1，2，3，…17)，按照ω1≥ω2≥ω3≥…≥ω17排序，列出其特征向量ej.

表1 10種常綠喬木名錄Table 1 List of 10 everygreen tree species

(2)葉面積測(cè)定：使用手持式葉面積儀(CI-203)測(cè)定每個(gè)葉片的葉面積。

(3)葉面積指數(shù)(LAI)的測(cè)定：將數(shù)碼相機(jī)中拍攝的冠層照片導(dǎo)入HemiView軟件中，計(jì)算每種植物的葉面積指數(shù)。

(4)葉片最大儲(chǔ)水能力測(cè)定：使用鑷子將葉片放在精度為0.01的電子天平快速稱量，得到浸水前質(zhì)量-葉片鮮質(zhì)量(M1)，然后將葉片浸入水中5 min，用鑷子輕輕取出，等枝葉上的水珠不再下滴時(shí)用吸水紙吸去葉背面水滴，并且再次稱量，得到浸水后質(zhì)量(M2)，2次稱量值的差值為植被吸附水量即最大截留量，用下式計(jì)算：

I=M2-M1

M1為植株鮮質(zhì)量(g)，M2為植株浸水后質(zhì)量(g)，I為最大截留量(g) 。

葉片面積S的測(cè)定使用CI-203手持式葉面積儀，單位葉片面積的最大吸附水量即最大截留量為：G=I/S，其中G為單位面積葉片吸附水量(g/m2)；S為葉片面積(m2)。

Vt反映的是單一植株個(gè)體的冠層儲(chǔ)水能力，而VP則能夠反映出這個(gè)植物種類整體的儲(chǔ)水 能力。

Vt=GSGLAI

Vt為植物冠層儲(chǔ)水總量(g)；G為單位面積葉片儲(chǔ)水量(g/m2)；LAI為葉面積指數(shù)；SG為植物冠層投影面積(m2)。

VP=Vt/SG

VP為植物單位占地面積儲(chǔ)水量；Vt為植物冠層儲(chǔ)水總量(g)；SG為植物冠層投影面積(m2)。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理 葉面積指數(shù)的測(cè)定，采用圖像處理軟件Hemiview。使用統(tǒng)計(jì)軟件Excel 2013進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。采用DPS_7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析、相關(guān)性分析和通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 10種常綠喬木冠層截留能力統(tǒng)計(jì)

1株植物的冠層雨水截留能力主要體現(xiàn)為冠層儲(chǔ)水總量和植株單位占地面積儲(chǔ)水量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)上。由數(shù)據(jù)結(jié)果(表2)可看出，在這10種常綠植物中，冠層儲(chǔ)水總量較大的植物為雪松 (87 529.42 g)、龍柏(23 572.04 g)和廣玉蘭 (20 457.07 g)，較小的為枇杷(1 300.43 g)和枸骨 (2 712.46 g)；單位占地面積儲(chǔ)水量較大的為龍柏(1 132.17 g/m2)，雪松(1 061.30 g/m2)、楊梅(990.74 g/m2)，較小的是構(gòu)骨(156.42 g/m2)和枇杷(178.08 g/m2)。

由表3可知，在供試樹(shù)種中，不同樹(shù)種的冠幅、葉片平均面積、葉片儲(chǔ)水量、葉面積指數(shù)、冠層總儲(chǔ)水量和單位占地面積儲(chǔ)水量，均差異顯著 (P=0.009 9)，其中雪松和龍柏，在植物冠層總儲(chǔ)水量和單位占地面積儲(chǔ)水量的表現(xiàn)最為優(yōu)秀。

2.2 冠層截留能力與植株各因素的關(guān)系

2.2.1 冠層截留能力與各因素的相關(guān)性分析 由表4可見(jiàn)，冠層儲(chǔ)水總量與冠幅在P=0.01水平上呈正相關(guān)(r=0.91)，單位占地面積儲(chǔ)水量與葉面積指數(shù)在P=0.05水平上呈正相關(guān)(r= 0.72)，冠層總儲(chǔ)水量與單位占地面積儲(chǔ)水量在P=0.05水平上呈正相關(guān)(r=0.64)。由此可見(jiàn)，供試植株的冠幅對(duì)冠層儲(chǔ)水總量影響較大，而其單位占地面積儲(chǔ)水能力受葉面積指數(shù)影響 較大。

表2 10種常綠喬木冠層截留能力統(tǒng)計(jì)Table 2 Rainfall interception data of ten evergreen tree species

2.2.2 冠層儲(chǔ)水總量與植株各因素的關(guān)系 冠層儲(chǔ)水總量可以直接反映該株喬木樹(shù)冠在降雨時(shí)所能夠截留雨水的總量。由通徑分析(表5)可見(jiàn)，供試植株的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)冠層儲(chǔ)水總量直接作用由大到小依次為平均冠幅(r=0.815 0)，葉面積指數(shù)(r=0.163 0)，葉片平均儲(chǔ)水量(r= 0.124 9)，平均葉片面積(r=-0.089 8)。由此可見(jiàn)，冠幅對(duì)于冠層儲(chǔ)水總量的正向貢獻(xiàn)最大，其次是葉面積指數(shù)和葉片平均儲(chǔ)水量。葉面積指數(shù)通過(guò)平均冠幅(r=0.420 7)對(duì)于冠層儲(chǔ)水總量的間接正向貢獻(xiàn)也相對(duì)較大。所有指標(biāo)對(duì)于冠層儲(chǔ)水總量的直接和間接的負(fù)向效應(yīng)均相對(duì)較小。

表3 各指標(biāo)方差分析表Table 3 ANOVA table of each index

表4 冠層截留能力與各因素相關(guān)性Table 4 Correlation analysis between canopy interception ability and each factor

表5 冠層儲(chǔ)水總量與植株各因素的通徑分析Table 5 Path analysis between total canopy water storage and each factor

2.2.3 單位占地面積儲(chǔ)水量與植株各因素的關(guān)系 植株的葉面積指數(shù)，反映單位面積土地上該植株的葉片數(shù)量，間接影響植物對(duì)于雨水的截留能力。由表6可見(jiàn)，供試植株的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)單位占地面積儲(chǔ)水量直接作用由大到小依次為葉片平均儲(chǔ)水量(r=1.316 8)、葉面積指數(shù)(r= 0.736 3)、平均冠幅(r=-0.072 9)和平均葉片面積(r=-1.181 6)。可見(jiàn),葉片平均儲(chǔ)水量對(duì)于植物單位占地面積儲(chǔ)水量的正向貢獻(xiàn)最大，其次是葉面積指數(shù)；葉面積指數(shù)通過(guò)平均葉片面積(r=0.404 7)對(duì)單位占地面積儲(chǔ)水量有著正向貢獻(xiàn)。冠幅對(duì)于冠層儲(chǔ)水總量的正向貢獻(xiàn)也相對(duì)較大，其他指標(biāo)對(duì)于單位占地面積儲(chǔ)水量的間接影響均相對(duì)較小。

表6 單位占地面積儲(chǔ)水量與植株各因素的通徑分析Table 6 Path analysis between water storage per cover unit and each factors

3 討 論

松柏科植物葉片多為小且密集的簇生類型，互相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用水的張力固著在葉片彼此之間的水量相對(duì)更多，且樹(shù)體高大冠幅寬廣。本研究中，同樣葉片表面積內(nèi)，雪松和龍柏的相對(duì)儲(chǔ)水能力更強(qiáng)，再加上其樹(shù)冠寬廣較大，整株植物的冠層儲(chǔ)水總量明顯大于其他樹(shù)種。枇杷和構(gòu)骨各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)較差，可能因?yàn)殍凌说闹l層次間距較大，葉片在小枝上著生的也并不緊密，較低的葉面積指數(shù)使其在單位占地面積上無(wú)法獲得更高的儲(chǔ)水量。這與郭勝男等[15]、劉艷麗等[20]、高雁等[21]和游宇等[22]的研究結(jié)果基本一致。

本研究中，通徑分析顯示，葉面積指數(shù)對(duì)于植物的單位占地面積儲(chǔ)水量有著較高的正向貢獻(xiàn)，而此項(xiàng)指標(biāo)對(duì)冠層截留能力的影響，前人的研究相對(duì)較少。本試驗(yàn)中表現(xiàn)較好的雪松、龍柏和楊梅，都有著相對(duì)較高的葉面積指數(shù)，這意味著每一株植物的葉片總面積相對(duì)較大，在同樣的樹(shù)冠投影面積之下，其整個(gè)冠層則能夠儲(chǔ)存較多的雨水。 反之，試驗(yàn)中表現(xiàn)較差的枇杷和構(gòu)骨，葉面積指數(shù)都相對(duì)較低。因此，葉面積指數(shù)對(duì)于植物截留雨水能力的影響可能是以后對(duì)于城市景觀樹(shù)種冠層截留能力研究的方向。

合理的林木種類搭配以及林冠覆蓋率的增加都能有效減少雨水產(chǎn)流，林冠截留效果應(yīng)該納入海綿城市建設(shè)的考慮范疇，相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算也應(yīng)該考慮林冠所產(chǎn)生的作用。

本研究認(rèn)為，合肥地區(qū)在日后的城市景觀常綠樹(shù)種的選擇中，可以相對(duì)重點(diǎn)的使用以上幾種樹(shù)種或選擇冠幅較大，葉面積指數(shù)較高的樹(shù)種作為園林植物基礎(chǔ)種植，從而獲得更好的雨水?dāng)r蓄功能。本項(xiàng)目后續(xù)將繼續(xù)研究更多類型的城市園林樹(shù)種，以期能夠進(jìn)一步為城市綠地植物的選擇和配植起到一定的指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

以合肥地區(qū)10種景觀常綠樹(shù)種冠層的雨水截留能力為研究對(duì)象，采用了創(chuàng)新的研究理論和實(shí)驗(yàn)室浸水的方法，測(cè)定出10種常綠景觀樹(shù)種冠層的雨水截留能力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，雨水截留能力相對(duì)較好的植物為雪松、龍柏、楊梅和廣玉蘭等。其中，植株冠幅對(duì)其冠層儲(chǔ)水總量正向影響較大，葉片儲(chǔ)水能力和葉面積指數(shù)對(duì)于植株單位占地面積儲(chǔ)水量影響較大。