北京常用樹木葉片吸水性能與冠層雨水截留能力評價

李嘉樂，李新宇，段敏杰，王 行

(北京市園林科學研究院/園林綠地生態功能評價與調控技術北京市重點實驗室，北京 100102)

近些年，北京市頻遭短歷時、高強度、局地性暴雨沖擊，導致城區內部出現嚴重的內澇現象。園林樹木能有效的截留雨水，緩解強降雨對地表造成的沖擊，減少強降雨對城市造成的損失[1]。選擇雨水截留能力強、適合北京市的園林樹木，是城市綠地建設的重要環節。

植物冠層截留是植物截留雨水的重要環節[2]，植物冠層對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用于森林對雨水截留的研究，直接測量法包括稱重法、浸水法、噴霧法等，操作簡單、能快速獲取數據[3]。國外學者對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，發現林冠截留能夠有效減少其下墊面的雨水徑流體積[4-6]。國內有學者以城市孤植樹及喬灌混交群落為研究對象，發現不同地區不同植物個體雨水截留能力存在的差異[7-9]。目前針對北方城市常見園林樹木冠層截留能力評價的研究較少。基于此，作者通過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，進而評價篩選雨水滯留能力較強園林樹木，以期發揮綠地截留雨水的生態作用，減少城市內澇災害的發生。

1 材料及方法

1.1 整體概況

以北京市園林科學研究院及周邊綠地為采樣地點，該試驗區位于北京市東四環邊(北緯39.97°，東經116.46°)，植物種類豐富，植物生長環境一致。

共選取27種應用頻率較高的樹木，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格常見，調查其基本數據取平均，樹種規格參照2019北京市第九次綠化普查數據，確保不同樹種之間比較的相對公平，根據“北京園林植物生態效益的經濟價值評估軟件”計算其綠量，具體數據見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 樣本采集 于2020年7月分別對喬木及灌木各進行1次集中采樣，采樣時間為雨后5 d且晴朗無風的天氣。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片標準葉片，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，帶回實驗室在4 ℃以下冷藏保存24 h。

表1 試驗園林樹木種類與規格試驗植物規格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5 cm長的1簇為1組，共4組，將每1個針葉剝離，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，將每組葉片進行稱量，稱量前用棉簽對葉表面灰塵進行清潔，電子天平精度為0.0001，得到葉片浸水前的質量(M1)，將葉片浸水5 min后取出，葉片不再滴水后，稱質量(M2)，再將葉片浸水5 min后取出，稱質量(M3)。根據測得的數據，計算以下結果：

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為浸水前的質量(g)，M2為浸水5 min的質量(g)。I10為浸水10min的吸水量(g)，M1為浸水前的質量(g)，M3為浸水10min的質量(g)。

1.2.4 綠量的計算 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，將所得數據輸入“北京園林植物生態效益的經濟價值評估軟件”，通過建立各植物體的一元、二元綠量計算回歸模型，得出植物綠量[10]，各樹種綠量計算結果見表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]，評價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個評價因子，評價試驗植物的雨水截留能力。

2 結果與分析

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，可計算出植株冠層的雨水截留能力，分析不同個體之間截留能力的差異。

對比喬木整株樹的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。

對比灌木植株冠層的5 min截留能力，截留能力最強的是榆葉梅為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價

以上文提到的3個因子作為聚類分析的3個評價因子。將27種樹木分為喬灌2類，對不同樹種3個因子分別運用S-N-K法進行兩兩比較，結果顯示，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用，將樹木冠層截留能力分成高、中、低3個等級。選擇K-均值聚類方法，經過迭代運算，得到聚類結果。對聚類結果的類別進行方差分析，經方差齊性檢驗顯著性均大于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 討論與結論

采用浸水法對植物葉片的吸水性能進行研究并評價樹木冠層雨水截留能力，該方法易操作，環境影響較小，是目前采用較多的一種研究方法[7-9]。選用綠量計算整株植株截留雨水能力，對比同類型的相關研究，結果更能科學地計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揮生態效益，該方法更能反映出植物冠層截留雨水能力的差異，為進一步深入研究提供基礎數據。

表2 植物截留能力分類結果Tab.2 Sorting results of tree rainfall interception capacity

研究結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，遠高于其他樹種，截留能力最強。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，與其他研究結果一致[7]。按照冠層截留雨水綜合能力大小對樹木進行分類，喬木中，雪松屬于強雨水截留能力植物，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過程中，宜綜合考慮樹木對雨水的截留作用，從種類選擇、配置比例、冠層覆蓋率等方面做出合理規劃。