植物群落雨水截留功能的分析
——以濟南千佛山公園為例

盧昱均，張德順，劉 鳴，韓永軍

(同濟大學，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].上海農業學報，2020，36(4)：83-88

園林植物群落對大氣降水的作用主要表現為三個過程：1)降水落到植被的葉、枝、干構成的樹體表面，在表面張力與重力均衡時，雨滴被吸附于表面，這一部分被稱為樹冠截留，與林冠截留量和葉面積指數(LAI)密切相關[1]；2)一部分降水經冠層截留后形成穿透雨，由直接通過林冠的間隙到達地表的自由穿落雨和濺落產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到達植物根系活躍生長的土壤表層或形成地表徑流[3]。

城市園林綠地系統具有承載游憩、美化環境、優化空氣、雨水調蓄以及節能減排等作用[4]。 其中雨水調蓄作用主要體現在：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大氣降水[5]；多個角度削減降雨對地面的侵蝕、沖刷，延緩地表徑流的產生時間，一定程度上降低洪峰集中出現的概率。

依據中國主要城市園林植物區劃，濟南屬于北部暖溫帶針葉林闊葉林區。 前人對濟南城市園林植物群落的研究多集中在觀賞效果、滯塵、固碳釋氧、抗病蟲害、氣候適應性等方面，而對園林植被群落對雨水徑流的調蓄效益研究較少。 本研究通過研究典型植物群落的雨水徑流調蓄能力，為有針對性地科學選擇和合理配置植物，提升和改善濟南園林綠地理水調洪功能提出可行性建議。

1 材料與方法

濟南地處東經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，市區面積3 257 km2。 千佛山公園位于泰山余脈北麓沖積傾斜過度地帶，呈南高北低的單斜構造地形，南部山區大氣降雨形成的地下水在北側山麓形成富水帶，在地面以眾多上升泉的形式呈現。

隨著濟南城市規模的不斷擴張，城市道路硬化率不斷加大，大氣降水地表下滲率變小，加之濟南市暴雨時空分布極不均勻，導致其枯水期泉水停噴、暴雨季節城市內澇頻發[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。 本研究選擇的試驗地點為濟南千佛山風景區5.75 hm2的范圍內，對該區域內10 種不同植物群落類型的雨水徑流調蓄能力進行綜合研究，為濟南園林綠化植被群落選擇與更新提供借鑒意義。

1.1 試驗材料

2016 年6—8 月選取10 種單喬植物群落：白皮松(Pinus bungeana)、圓柏(Sabina chinensis)、側柏(Platycladus orientalis)、龍柏(Sabina chinensis ‘Kaizuca’)、女貞(Ligustrum lucidum)、楸樹(Catalpa bungei)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、國槐(Sophora japonica)、黃櫨(Cotinus coggygria)、美人梅(Prunus×blireana‘Meiren’)進行雨水徑流截留實測。 所選的群落均為濟南常用園林建群種，其中，黃櫨、側柏是目前濟南植被結構的優勢種[7]，具有一定的地域代表性。 試驗樣地種植密度相近，植物縱橫間距3—4 m。同時，在林外空間同等立地條件上設置對照組。

1.2 試驗方法

1.2.1 林冠穿透雨收集

采用隨機布點的方式收集穿透雨[8-9]。 每樣方15 m×10 m，采用5 點采樣法布置穿透雨接收裝置，每個樣方點設置5 個林內收集器和3 個林外收集器，共計80 個雨水自制承雨筒，承雨筒直徑為25 cm。 根據降雨預報以及實際降雨情況，在每場降雨結束后2 h 內收集測量各收集器內的穿透雨量，求其平均值，作為穿透雨量TF(mm)。 試驗期間，共收集9 場降雨的透流雨和林外降雨實測數據。

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 葉片持水能力測量

在不影響樹木整體美觀性和生長狀況的情況下，取植株相同部位的葉片10—15 片，柏類植物取1—2個小枝，置于密封袋當中儲存。 當日用0.001 g 精度的電子秤測量葉片鮮重(L1)；將10 種葉片攤開分別放到托盤之中，往托盤中注入水，浸泡葉片24 h，取出葉片，靜置，葉片表面不再向下滴水時測量葉片濕重(L2)。 計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 枯落物持水能力測試

根據林分組成和地貌部位選擇10 塊具有代表性的標準地，隨機布設50 cm×50 cm 的樣方，用鋼板尺測量枯落物的總厚度，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簽的自封袋，帶回實驗室中稱重、風干，以干物質量計算累積量。 在室溫20 ℃條件下采用浸泡法計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為浸泡前質量，m2為浸泡24 h 后質量。

1.2.4 表層土壤孔隙度測量

在10 個植物樣地中分別于每個樣地四個角點及中心點上用環刀取樣，蓋好保濕，回實驗室內稱取重量(m1)，精確值0.1。 環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，浸泡12 h 后測重(m2)。 將環刀放置在鋪有干砂的平底盤中12 h，網孔面與干砂接觸，稱重(m3)。 再將環刀放置在空的平托盤中靜置12 h，稱重(m4)。 將環刀放入105 ℃烘箱烘至恒重(m5)。 稱取空環刀重量(m6)，測量得出環刀體積(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，穿透雨越少。 基于林外總降水量與林內穿透雨的相關關系，可間接確定林冠層的雨水截留能力[13]。 由圖1 可知，闊葉樹種穿透雨率在72.12%—80.50%；柏類樹種穿透雨率在37.83%—63.88%；針葉樹種白皮松穿透雨率為75.43%。 說明柏類樹種林冠截留能力較好，闊葉類樹種較差。

2.1.2 各植物群落葉片持水能力

由圖2 可知，闊葉類樹種葉片持水量在0.08—0.16 mm，白皮松葉片持水量為0.12 mm，柏類植物葉片持水量為0.62—0.78 mm。 龍柏葉片持水能力最強，楸樹葉片持水能力最差。

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，積蓄量僅為14.13 t∕hm2，持水量僅優于美人梅和女貞，這與松針質量較輕，且大多是未分解狀態，原有濕度較小有關。 楸樹枯落物厚度最小，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，單位面積內疊加數量較多有關。

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[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柏、黃櫨、白皮松。 非毛孔孔隙度較大的有圓柏、側柏、女貞。 毛管孔隙對雨水徑流有滯留作用，這部分水分是植物根系吸收的養分來源之一，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關系，與冠幅呈顯著負相關。 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。

表2 各變量相關性分析Table 2 Correlation analysis of various variables

2.3 主成分分析

對各變量進行主成分分析(KMO=0.628，P ＜0.01)，最終選擇3 個特征值＞1 的公因子作為主成分，其累計貢獻率達到83.60%，概括了10 個植物群落雨洪調蓄能力的主要相關信息。 由林冠截留率、葉片持水量、冠幅、土壤總孔隙度4 項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；葉面積指數成為第三成分公因子。

根據第一、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 個群組：側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的有楸樹、刺槐、國槐、黃櫨、圓柏、龍柏6個群落，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個群落，白皮松群落降雨截留能力優于前兩者(圖4a)。 根據第一、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 個群組：側柏群落葉面積指數較低、降雨截留能力較優；女貞、圓柏、龍柏群落葉面積指數較高；美人梅、楸樹、黃櫨、國槐、刺槐、白皮松群落葉面積指數較低(圖4b)。

3 結論與討論

葉片持水能力與林冠截留能力存在正相關關系。 柏類植物葉片具有強持水力，其林冠截留能力較強，這一結果與前人研究的結果一致[15]。

本試驗發現，樹木枝葉在空間的分布上差異較大，當觀測點處在多重樹冠重疊處或林冠邊緣時，產生觀測點的穿透雨量高于林外大氣降雨量的林冠負截留現象。 其原因為冠層枝葉對林內穿透降雨產生漏斗式的集聚效應，當選用承雨面積較小的穿透雨觀測設備時，該現象較為突出[16]。 我國學者在對祁連山的云杉林冠截留特征研究時，發現樣地中89 個雨量筒中的6 個呈現出穿透雨量多于林外大氣降雨量的情況[17]。 國外學者對亞馬遜雨林、馬來西亞熱帶雨林的研究中，也出現了29%的觀測點和123 個觀測點中有101 個截留雨量大于林外降雨的現象[18-19]。

干旱和半干旱地區枯落物持水能力對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的最大持水率、最大持水量來表示[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[22]。 不同立地條件下，不同樹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制類似于林冠截留過程[23]，其截留量與地被物的種類、貯水能力有關，與林地單位面積地被物成正比[24]。

3.1 柏類植物群落具有良好的雨水徑流調蓄功能

園林植物對降雨的截留調蓄作用是一個復雜的過程，本研究中各植物群落雨水徑流能力由強及弱依次為：圓柏、側柏、龍柏、黃櫨、刺槐、國槐、楸樹、女貞、美人梅、白皮松。 柏類植物群落綜合雨水調蓄能力優于樣方中所有闊葉類植物，可以在濟南城市樹種規劃設計中作為優選樹種。 柏類植物群落林冠層雨水攔蓄能力和枯落物持水能力均強，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似于蠟質的膜，較難吸附大量水分[26]。 而柏類植物葉片表面結構雖與白皮松類似，但其鱗形葉片著生緊湊，分解過程中溫度得以保持，以致分解程度較白皮松高，水分吸附能力也較強。 降雨強度和持續時間、葉面積、葉片形狀和葉片大小決定了不同植物種類的降雨截留能力[27]，柏類植物群落冠層良好的雨水截留能力與其枝葉構造密不可分。

3.2 柏類樹種與闊葉樹種結合以提升群落雨水徑流調蓄功能

闊葉類植物群落中黃櫨、刺槐、國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植物，但樹形良好、秋色葉，能豐富景觀層次，在以柏類樹種作為調節雨水徑流的植物群落主要建群樹種情況下，可考慮叢植點綴。 楸樹、女貞、美人梅、白皮松群落雨水徑流調節能力不強，可根據實際需求，在植物配置時替換為其他樹種。