成都市綠地常見喬木降雨再分配及其穿透雨的空間異質性*

劉 蘭 劉 怡 孫佳瑞 宗 樺

1 西南交通大學建筑學院 成都 610031

2 四川省林業科學研究院 成都 610084

探索雨水資源的實際利用,能適當緩解城市用水的供需矛盾,減少暴雨所形成的城市內澇。喬木對雨水的再分配是雨水到達城市綠地的首個分配環節,主要由3個部分組成:一部分降水滯留于樹冠經少量蒸發后殘留于冠層中(冠層截留)；另一部分經樹干進入基部的土壤(樹干莖流)；其余部分通過冠層間隙直接到達土壤(穿透雨)[1]。喬木對降雨再分配影響著地表水分儲量情況,通過冠層截留削弱雨滴動能,以此減緩降雨對土壤的侵蝕[2]。研究城市喬木雨水再分配,對更好發揮城市綠地的海綿作用,建設可持續城市具有重要意義。

國內外喬木冠層降雨再分配研究主要集中于各類森林,而對城市內部單株喬木研究較少,如裴承敏等[3]、石磊等[4]、袁秀錦等[5]、李振新等[6]和鄧文平等[7]分別對毛竹林、興安落葉松林、馬尾松林、冷杉林和日本柳杉等的降雨再分配做了大量分析。僅有少部分學者用浸泡實驗和雨量平衡法對城市喬木葉片的截留能力展開研究,如王思思等[8]測定北京市植被冠層截留量、截留體積和葉片吸水量,建立葉片吸水量與浸水時間的對數函數；李苗等[9]測定武漢市綠地喬木和灌木單位葉片面積蓄水量,從植株選擇、形態結構及葉面積指數進行分析；郭勝男等[10]比對昆明市單層和復層結構植被,發現截留能力與降雨量、降雨強度、修剪形狀及枝葉疏密程度等因素有關；陳然等[11]通過對徐州市喬木的研究,發現雨水截留能力為針葉樹＞闊葉樹,喬木＞草本＞灌木。

成都市是公園城市建設的示范區,綠地植物對雨水的高效利用對公園城市建設具有重要現實意義。因此,本文以成都市常用的8種園林樹木作為研究對象,探索其冠層對降雨的再分配過程,比較不同喬木間穿透雨的空間異質性,定量評價冠層雨水資源利用效率,為解析城市喬木水分轉運過程提供科學基礎,也為節約型景觀植物選擇和生態水文優化研究提供依據。

1 研究區概況

成都市地處四川盆地西部,屬亞熱帶季風濕潤性氣候,四季分明,雨熱同季,具有春旱、夏熱、秋涼、冬暖的氣候特征。年平均氣溫16℃,年降雨量在607～1 393 mm,無霜期長[12]。試驗場地位于成都市郫都區西南交通大學(103°943′—103°999′E,30°730′—30°800′N),地處成都平原中心城區西北部。

2 研究方法

2.1 樹種選擇與監測布點

根據2018年成都市園林樹種普查結果,選擇使用頻率較高的8種喬木為研究對象,分別為杜英(Elaeocarpus decipiensH.)、天竺桂(Cinnamomum japonicumS.)、金桂(Osmanthus fragrans var.thunbergii)、楨楠(Phoebe zhennanS.)、紫葉李(Prunus cerasiferaEhrh.f.atropurpurea(Jacq.)Rehd.)、水杉(Metasequoia glyptostroboidesHu＆W.C.Cheng)、垂柳(Salix babylonicaL.)和銀杏(Ginkgo bilobaL.)。

所選喬木冠層與周邊環境相互無遮擋,無次生喬木及灌木干擾,便于數據收集。樹種均為2003年統一栽植的3年生樹苗,至今樹齡達21年,管理方式為自然生長,土壤為卵石黃泥土。每種喬木選取5～7棵重復試驗。

2.2 試驗方法

2.2.1 喬木基礎數據

測定各喬木樹高、胸徑和冠幅等數據(表1),并用TOP-1300植物冠層圖像分析儀收集喬木葉面積指數(LAI)。通過魚眼鏡頭成像和CCD圖像傳感器對冠層圖像進行采集,選取冠層下東南西北4個測量點位進行拍照,確保冠層水平正上方被完整采集,再用植物圖像冠層軟件進行分析,并對4個點位分析得到的LAI數值作均值處理。

表1 喬木基礎數據統計

2.2.2 總降雨量

將精度為0.2 mm翻斗式自動記錄雨量計(RG3-M,美國Onset公司)放置在距試驗區域200 m的建筑頂樓連續記錄降雨量(TP,mm),降雨后使用HOBO數據連接器連接雨量計與電腦,通過HOBO軟件下載相關數據。于2021年試驗期間,共收集10場有效降雨事件的降雨數據。

2.2.3 穿透雨量及其空間分布

為準確反映穿透雨空間分布特征,試驗時將9個雨量筒(圓錐形、內口直徑10.00 cm、深度21.50 cm)以樹干為中心均勻設置在樹干底部、樹冠1/2、樹冠邊緣處分別記為1/3R、2/3R、3/3R各3個(圖1)。每次降雨結束后立即測定雨量筒中的數據,蒸發損失量忽略不計,將數據換算成穿透雨量[13](TF,mm)及穿透雨率(TFV,%)。計算公式如式(1)和式(2)。

式(1)和式(2)中:VTF為林下穿透雨體積和(L)；N為樹冠下雨量筒數量；FA為錐形雨量筒口徑面積(m2)。

2.2.4 樹干莖流量

根據喬木胸徑統計,將同種喬木按2～4 cm胸徑大小劃分成不同徑級,每個徑級選擇1棵標準喬木。測定方法為:把內直徑25.00 mm塑料管的一端縱向剖開一段,形成2/3的凹槽,另一端保持完整,在距地面1.30 m高的樹干位置處螺旋纏繞2～3圈,用釘子固定貼合樹干一側的塑料管,玻璃膠填實兩者之間的縫隙。塑料管另一端接入25 L桶內(圖1),降雨結束后,立即測定桶內雨水體積(L)。計算樹干莖流量[14](SF,mm)及樹干莖流率(SFv,%)的公式如式(3)和式(4)。

圖1 雨量筒平面分布及試驗收集裝置

式(3)和式(4)中:A是觀測樣地面積(m2),以喬木冠幅面積作為樣地面積；K是喬木徑級數；Nj是第j個徑級樹木株數；Vij是第i次降雨第j個徑級樹干莖流量平均值(L)。

2.2.5 林冠截留量

根據水量平衡法,得出林冠截留量(I,mm)及截留率(IC,%)。計算公式如式(5)和式

(6)。

2.2.6 穿透雨變異系數

為厘清各喬木穿透雨空間分布規律,分別從兩個層次計算樹種穿透雨變異系數:一是10場降雨中喬木林下3個不同位置各自的穿透雨變異系數均值(CVn/3R)；二是單次降雨中各喬木的林下穿透雨變異系數均值(CVi)。分別用公式(7)和公式(8)計算[3]:

式(7)和式(8)中:；SDn/3R是不同空間位置(n＝1,2,3)下穿透雨標準差均值；MNn/3R是不同空間位置(n＝1,2,3)下穿透雨平均值均值；SDi是第i場降雨下穿透雨變異系數均值；MNi是第i場降雨下穿透雨變異系數均值。

2.3 數據處理

采用Excel整理分析喬木穿透雨量和穿透雨率、樹干莖流量和樹干莖流率、截留量和截留率等數據,并通過SPSS(ver.11.0)進行差異顯著性與相關性分析,用Origin 2019軟件建立回歸模型。

3 結果與分析

從表2可知,10場降雨的降雨量為2.00～37.40 mm,降雨強度為0.33～9.35 mm·h-1,總量為137.20 mm。根據國家氣象局24 h降雨量的等級劃分標準,試驗期間10場降雨中:小雨(＜10.00 mm)范圍內3次,占總降雨30.00%；中雨(10.00～25.00 mm)范圍內5次,占總降雨50.00%；大雨(25.00～50.00 mm)范圍內2次,占總降雨20.00%。

表2 降雨事件的基本特征

3.1 穿透雨特征

如表3所示,各喬木之間TF值差異雖不顯著,但就TFV值來看,金桂、天竺桂和楨楠顯著小于杜英和垂柳,說明金桂、天竺桂和楨楠穿透雨較小,冠層對雨水攔截能力較強。Pearson相關性分析(圖2)表明,8種喬木TF值與TP值極顯著正相關(P＜0.01),8種喬木TF值均隨TP值增加而呈線性增加。方程中的R2范圍為0.93～0.98,其中,垂柳擬合程度最高,為97.75%。喬木TF、TFV值與樹高、冠幅、胸徑和LAI均無顯著相關性(表4)。

表4 喬木特征與降雨再分配各階段的Pearson相關系數

圖2 穿透雨與降雨量關系

表3 喬木降雨的再分配特征

3.2 樹干莖流特征

如表3所示,金桂SF及SFV值顯著高于其他喬木,而垂柳SFV值顯著小于杜英、天竺桂和紫葉李。Pearson相關性分析(圖3)表明,喬木的SF值與TP值極顯著正相關(P＜0.01)。方程中的R2范圍為0.33～0.89,銀杏的擬合程度最高,達89.44%。從表4可知,SF、SFV與平均冠幅、LAI均無顯著相關性,而平均胸徑與SFV,平均樹高與SF、SFV均呈顯著負相關,說明樹木越高莖流量越小。

圖3 樹干莖流與降雨量關系

3.3 冠層截留特征

如表3所示,樹種間I值差異不顯著,但金桂和楨楠IC值顯著高于杜英。這可能是由于金桂和楨楠葉片較大且茂密,增加了雨水接觸面積,因此截留能力強于其他喬木。Pearson分析(圖4)顯示,喬木I值明顯受到TP值影響,并呈極顯著線性正相關(P＜0.01),表明喬木I值均隨TP值增加而增加。擬合方程的R2范圍為0.38～0.78,水杉擬合度最高(0.78),楨楠擬合度最低(0.38)。此外,8種喬木的I值、IC值與冠幅、胸徑、樹高之間無顯著相關性,但受LAI的影響顯著,LAI越大I值越高(表4)。

圖4 冠層截留與降雨量關系

3.4 不同類型喬木穿透雨的空間異質性分析

TF通常占TP值的60%～90%[3],遠大于I值和SF值的占比。穿透雨能改變林下水分、林地養分輸入的空間格局,影響土壤中的物質濃度。表5顯示,8種喬木在10場降雨下不同位置的穿透雨CVn/3R值雖有差異但均不顯著,單次降雨下的喬木穿透雨CVi隨著降雨量增加呈顯著減小趨勢(P＜0.01)。采用冪函數擬合其變化(圖5),相關系數R2以銀杏(0.83)和楨楠(0.81)為最佳。總體來看,在2.00 mm＜TP≤10.40 mm較小范圍的雨量下,CVi值變異較高且變化明顯；在10.40 mm＜TP＜26.40 mm的中雨量時,CVi值波動較小且變化趨于平緩；當TP≥26.40 mm的大雨量時,CVi值變化逐漸趨于零。

表5 10場降雨下喬木不同位置處穿透雨的CV n/3R值比較

圖5 單次降雨下喬木穿透雨的CV i值與降雨量的關系

由表6可知,喬木冠層1/3R處LAI均值顯著高于冠層2/3R和3/3R處,為1/3RLAI＞2/3RLAI＞3/3RLAI,LAI呈現出從樹干中心逐漸向冠幅邊緣減小的趨勢。這可能是由于實驗樹種均處于青壯年階段,主干附近的冠層仍是全樹發育最快的部分,處于發育高峰。喬木冠幅下不同位置TF及TFV值差異顯著,表現為3/3R＞2/3R＞1/3R的空間分布特征,即TF隨樹干中心距離增大而增大。

表6 8種喬木不同位置對應的特征均值

4 討論與結論

4.1 討論

本研究的8類喬木TFV均值處于國內外報道的森林冠層雨水穿透率(60%～92%)[15]的下限,如熱帶和溫帶森林穿透率為70%～90%,常綠闊葉林為74.70%～91.50%[16]。推測原因在于實驗期間降雨多為中小雨,TF及TFV值尚處于隨TP值增加而增加階段,雨水主要被冠層截留,產生的冠滴量少[17]。此外,由于成都屬靜風城市,冠層機械晃動少,不易增加穿透雨量,這種現象亦反映出8種喬木對中小降雨的截留效果較好,對消減地表徑流有積極作用。另外,本研究中8種喬木的TF、TFV與林分特征(LAI、冠幅、胸徑、樹高)之間均無顯著相關性,前人研究亦有類似發現,如降雨特征比林分特征對TF的影響更大,TP是林地TFV決定性因素,TFV值通常與TP值呈線性正相關[3-4,18-19]。本研究中發現,穿透雨CVi值與TP存在極顯著相關性,變異系數隨降雨量增加而減小,與Marin等[18]的研究較為一致。喬木冠層下不同位置處的TF、TFV值差異均顯著,呈現3/3R＞2/3R＞1/3R的空間格局,與Staelens等[20]認為的靠近樹干TF較小的結論較為一致,與李振興等[6]認為TFV在距離主樹干2～3 m的位置最小的結論有所不同。推測是因為此時的喬木冠層發育不穩定,枝葉密度呈現由冠幅中心到冠幅邊緣降低的趨勢。

本研究中8種喬木的SFV均值處于前人報道的森林SFV區間(1%～5%)[21]內,回歸分析表明SF隨林外降雨的增強而增加,這與及瑩等[22]和萬艷芳等[23]的研究結果一致,部分喬木擬合度差的原因可能在于影響SF的因素復雜,SF易受到樹枝分支角度、樹皮粗糙度、胸徑、樹高等樹木特征影響[24],SF變異程度普遍高。研究還發現,喬木胸徑與SFV,樹高與SF及SFV之間均呈顯著負相關,西雙版納熱帶雨林中也具有SF隨樹木徑級和樹高增大而減小的現象[25],這與Manfroi等[26]和Reid等[27]提出樹高和胸徑較小的樹對莖流貢獻較大的結論較為吻合。

與國內外報道的森林喬木冠層平均截留率10%～40%[28]相比,本研究喬木的IC值略高,推測是因為測量期間多為中小雨,導致葉片吸水量未遠超飽和狀態,故I處于增長階段,冠層展現出較強的截留能力,從而使本研究的IC值偏高。8種喬木的I、IC值與LAI呈顯著正相關,部分森林冠層截留的研究也發現了類似的趨勢[29-31]。

整體而言,選擇雨水截留效率較高的樹種并保持合適的種植密度將為城市創造更高效的海綿效應,林下穿透雨的空間分布規律,亦可為喬木下方的植物群落構建提供支撐,能有效指導城市綠地的排水方式及喬木樹池的科學設計。因此,未來需進一步開展城市不同樹種或不同樹種冠層疊加后的雨水截留能力研究,為節水型園林植物景觀設計提供更多的科學依據。

4.2 結論

對成都市常見的8種喬木降雨再分配的研究表明,TP與喬木TF、SF和I值均呈顯著線性正相關；胸徑與SFV、樹高與SF及SFV之間均呈顯著負相關；I、IC與LAI呈顯著正相關。另外,喬木冠層下不同位置的TF及TFV值差異均顯著,表現為3/3R＞2/3R＞1/3R。穿透雨CVi值與TP存在極顯著相關性,穿透雨變異系數隨降雨量增加而減小。8個樹種中,金桂和楨楠IC值較高且強于其他樹種,建議可作為城市雨洪管理的優選樹種。