6 種園林灌木植物冠層截留特征研究

朱煒曄，肖 冰，陳 平，石秀蘭，鄭丹琳，韓瑞宏

（仲愷農業工程學院園藝園林學院，廣東 廣州 510225）

【研究意義】海綿城市是城市可持續發展建設中一種新的雨洪管理概念，目的在于提高城市自身的雨洪管理能力，緩解城市在雨季和旱季帶來的災害［1-2］。在海綿城市建設中，選擇冠層截留能力較好的植物，不僅可以在降水時吸收和阻擋部分雨水到達地面，減少地表徑流量和城市內澇，而且還可以在干旱時通過植物葉片蒸騰作用將之前儲蓄的水緩慢排出，提高城市局部水分的循環速率，改善局部小氣候［3-4］。灌木具有觀賞價值高，抗逆性強，生長迅速，管理方便，養護成本低等特點，是城市建設中不可缺少的綠化植物［5-7］。研究發現部分灌木植物冠層截留量較大，甚至比某些喬木冠層截留量高［3］，將灌木植物應用于海綿城市建設，不僅可美化環境，還能有效截留降水，在一定程度上緩解城市內澇。

【前人研究進展】近年來，國內外學者對植物葉片吸水量、植被冠層截留量等進行了相關研究并取得了許多重要的研究成果。Chandra 等研究發現，馬達加斯加東部低山地雨林地區的兩種森林林冠截留占總降雨量的71.0%［8］。我國各類森林生態系統林冠截留率為11.4%～36.5%，平均為22%［9］。在森林地區，整個雨季植被平均截留率高達40%［10］。李嘉樂等對北京市常用樹木冠層雨水截留能力的研究發現，喬木中，雪松（Cedrus deodara）的雨水截留能力較強，灌木中，榆葉梅屬（Prunus）的植物雨水截留能力較強［11］。王思思等對北京市21 種植物葉片吸水性能與冠層雨水截留能力的研究發現，11 種喬木的冠層雨水截留量在71.30～738.72 g/m2之間，6 種灌木的冠層雨水截留量在41.79～275.28 g/m2之間［3］。車生泉等對上海市70 種常見園林植物葉片單位面積吸水量的研究發現，葉片單位面積吸水量由高至低的順序為常綠闊葉喬木＞灌木＞落葉喬木＞地被植物。［12］

【本研究切入點】近年來城市建設對廣州市地表和地貌的改變產生了很大影響，導致廣州市內經常出現水浸街現象［13］。廣州市水資源較為豐富，但水資源時空分布極不均勻，夏天多雨，冬季干燥且少雨［14］。同時，隨著廣州市經濟社會快速發展，水資源供需矛盾日益突出，工程型缺水、水質型缺水和政策性缺水并存［15］。在城市綠化中，選用冠層截留量大、持水性能好的灌木植物可以在一定程度上緩解城市內澇，減少旱季廣州城市綠化用水，促進廣州生態環境的發展。不同葉片特征的灌木植物，其截水、吸水與持水能力也不同，通過浸泡法可以評價不同灌木植物的冠層截留量大小。【擬解決的關鍵問題】通過研究廣州市常見的6 種園林灌木植物冠層截留特征，了解常用園林灌木植物的冠層截留量，為園林灌木植物應用于廣州市“海綿城市”建設提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

6 種園林灌木植物包括海桐（Pittosporum tobira）、灰 莉（Fagraea ceilanica）、簕杜鵑（Bougainvillea glabra）、大紅花（Hibiscus rosasinensis）、紅花檵木（Loropetalum chinensevar.rubrum）、米仔蘭（Aglaia odorata），為仲愷農業工程學院白云校區校園內栽培的綠化植物，正常養護管理，其葉面特征見表1。

表1 植物葉面特征Table 1 Leaf surface characteristics of plants

1.2 試驗方法

試驗于2017 年12 月至2018 年1 月在仲愷農業工程學院白云校區內進行，試驗期間天氣晴朗，無降水。采樣時間為上午9：00～10：00，每種灌木植物選取5 株長勢良好的成年健壯植株，選擇長勢中等的成熟葉片和枝條，每株植物采集3 片葉片和3 根枝條，每種灌木植物共采集15 片葉片和15 根枝條，用濕潤的紙巾包裹住材料切口，迅速拿回實驗室用凝固膠封住其切口。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 葉片和枝條截留量 將采回的葉片和枝條快速稱量鮮重，用直尺測量葉片長度和寬度，用游標卡尺測量葉片厚度，采用面積比值法測量葉面積［16］，記錄枝條的葉片數。之后將葉片和枝條完全浸泡于裝有水的圓桶內，讓葉片和枝條吸水至飽和，然后用鑷子將葉片和枝條從水中輕輕取出控水，當葉片和枝條上無明顯水珠滴落時立刻稱重。

葉片截留量=葉片吸水飽和重-葉片鮮重

枝條截留量=枝條吸水飽和重-枝條鮮重

1.3.2 單位葉面積截留量 在葉片浸泡過程中，記錄葉片截留量隨時間的變化，時間設置為300 min。前120 min 每隔20 min 將葉片取出測量1 次重量，120～180 min每隔30 min測量1 次，180 min 后每隔60 min 測量1 次。

單位葉面積吸水量=（浸泡后葉片的重量-葉片鮮重）/葉面積

1.3.3 單位葉面積失水量 當葉片吸水達到飽和并稱重后去掉葉片切口的凝固膠，開始失水計時。時間設置為：前10 min 每隔5 min 測定1 次重量，10～100 min每隔10 min測定1 次，100～180 min每隔20 min 測定1 次，180～480 min 每隔60 min測定1 次，失水至采后鮮重為止。

單位葉面積失水量=（葉片飽和重-失水后葉片重量）/葉面積

1.3.4 葉片和枝條含水量 將失水至采后鮮重的葉片和吸水飽和的枝條放入烘箱中，105 ℃殺青，70 ℃烘干稱重，計算葉片含水量和枝條含水量。

1.3.5 植物冠層截留量 測量6 種灌木的株高、冠幅長軸和短軸的長度，計算灌木冠層投影面積；記錄灌木的枝條數，將長勢中等的枝條作為標準枝，根據1.3.1 測量的枝條截留量估算整株灌木的枝條最大截留量。根據灌木冠層投影面積計算6種灌木最大冠層截留量（g/m2）。

冠幅=（冠幅長軸+冠幅短軸）/2

冠層投影面積S ＝π×冠幅長軸×冠幅短軸/4

試驗數據采用Excel 2007、SPSS22.0 軟件進行統計與分析。

2 結果與分析

2.1 植株形態及葉片最大截留量

從表2 可以看出，6 種園林灌木植物形態之間差異顯著，其中灰莉葉片長度、葉片厚度、葉面積及葉片鮮重最大，簕杜鵑葉片寬度最大，大紅花株高最高，海桐冠幅最大。6 種園林灌木植物葉片含水量差異顯著，其中灰莉葉片含水量最大、為84.38%，紅花檵木葉片含水量最小、為55.68%，其他植物葉片含水量在63.23%～73.38%之間。6種園林灌木植物中葉片鮮重最大的是灰莉，最小的是紅花檵木。6 種園林灌木植物中葉片最大截留量差異顯著，其中灰莉、簕杜鵑、大紅花葉片最大截留量較大，均在200 mg 左右；米仔蘭葉片最大截留量居中，為112.93 mg；海桐和紅花檵木葉片最大截留量相對較小，均在60 mg 以下。

表2 6 種園林灌木植物形態指標及葉片最大截留量Table 2 Morphological indexes and maximum interception of leaf of 6 landscape shrub plants

2.2 葉片最大截留量與葉片形態指標、生長指標相關性分析

從表3 可以看出，6 種園林灌木植物葉片最大截留量與葉面積呈極顯著正相關，與葉長、葉寬和葉片含水量呈顯著正相關，與葉厚和葉鮮重相關性不顯著。

表3 6 種園林灌木葉片最大截留量與葉片形態指標間相關性分析Table 3 Correlation analysis between maximum interception of leaf and leaf morphological indexes of 6 landscape shrub plants

2.3 單位葉面積截留量隨時間的變化

從圖1 可以看出，浸泡0～20 min，6 種園林灌木植物單位葉面積截留量均迅速增加，其中大紅花單位葉面積截留量最大、為11.93 mg/cm2，灰莉單位葉面積截留量最小、為4.43 mg/cm2，其他4 種園林灌木植物單位葉面積截留量介于兩者之間；浸泡40 min，灰莉、勒杜鵑、紅花檵木、海桐單位葉面積截留量仍較大幅度上升，而大紅花單位葉面積截留量變化不大，米仔蘭單位葉面積截留量則表現小幅度降低；浸泡40 min 之后，紅花檵木單位葉面積截留量繼續呈上升趨勢且在120 min 后較大幅度的高于其他幾種植物，大紅花在吸水60 min 單位葉面積截留量達到最大、為13.76 mg/cm2，之后緩慢降低，其他4 種植物40 min 后繼續緩慢吸水至飽和，之后仍小幅度波動變化。

圖1 6 種園林灌木植物單位葉面積截留量隨時間的變化Fig.1 Interception variation of unit leaf area of 6 landscape shrub plants with time

2.4 吸水飽和后單位葉面積失水量隨時間的變化

從圖2 可以看出，6 種吸水飽和的園林灌木植物在0～5 min 內單位葉面積失水量最大，失水速度最快，其中大紅花單位葉面積失水量達9.95 mg/cm2，米仔蘭單位葉面積失水量最小、為6.91mg/cm2；5 min 后，6 種植物單位葉面積失水量均大幅下降。6 種園林灌木的持水性能不同，其中灰莉的持水性能最好，雖然從20 min 開始其單位葉面積失水量較大幅度地高于其他植物，但其單位葉片從吸水飽和到返回接近鮮重狀態耗時長達480 min；海桐和米仔蘭吸水飽和后，持水性也較強，單位葉面積失水量從吸水飽和到失水接近鮮重狀態分別耗時140 min 和100 min；另外3種灌木植物單位葉面積失水量從吸水飽和到失水接近鮮重狀態分別耗時60～70 min。

圖2 6 種園林灌木植物吸水飽和葉片單位葉面積失水量隨時間的變化Fig.2 Water loss variation of unit leaf area of 6 landscape shrub plants with time

2.5 枝條最大截留量

從表4 可以看出，6 種園林灌木植物枝條最大截留量之間差異顯著，其中大紅花枝條截留量最大、為14.85 g，顯著高于其他5 種植物；米仔蘭、灰莉、簕杜鵑和海桐枝條最大截留量均在3～4 g之間，紅花檵木枝條的最大截留量最小、為1.85 g。

表4 6 種園林灌木植物枝條最大截留量Table 4 Maximum interception of branch of 6 landscape shrub plants

2.6 冠層最大截留量

從圖3 可以看出，6 種園林灌木植物之間冠層最大截留量差異顯著，其中大紅花的冠層截留量為3 204 g/m2，顯著高于其他5 種植物；海桐、灰莉、簕杜鵑和米仔蘭的冠層截留量在500～1 000 g/m2之間，紅花檵木的冠層截留量最小、為406.48 g/m2。

圖3 6 種園林灌木植物冠層截留量Fig.3 Maximum interception of canopy of 6 landscape shrub plants

2.7 冠層最大截留量與枝條各指標間相關性分析

從表5 可以看出，6 種園林灌木植物冠層最大截留量與枝條最大截留量呈極顯著正相關關系，與枝條鮮重呈顯著正相關關系，與其他形態指標相關性不顯著；枝條最大截留量與枝條鮮重呈極顯著正相關，枝條數量與冠幅投影面積呈顯著正相關。

表5 冠層最大截留量和枝條各指標間相關性分析Table 5 Correlation analysis between maximum interception of canopy and indexes of branch

3 討論

植物葉片不僅能截留降水，雨水還能通過葉片表面進入到葉片內部被植物吸收［17-19］。研究葉片吸水的不同方法中，比較常見的是“浸泡法”［20］。本研究通過浸泡法測量6 種園林灌木植物截留量，發現勒杜鵑、灰莉、大紅花等葉片較大的灌木植物其葉片最大截留量也較大。相關分析表明，6 種園林灌木植物葉片最大截留量與葉長、葉寬、葉面積相關性顯著。劉艷麗等對玉米、紫花苜蓿、刺槐等5 種植物的研究發現，葉長、葉寬與葉片最大截留量相關性不顯著，但葉面積與葉片最大截留量呈很好的線性正相關關系［20］。

本研究中，海桐、灰莉、大紅花、紅花檵木、米仔蘭浸泡0～20 min 的葉面積截留量迅速增加，勒杜鵑浸泡0～40 min 單位葉面積截留量迅速增加，之后6 種園林灌木植物單位葉面積截留量增加趨勢減緩，直至吸水飽和。該結果與王迪等對冬小麥葉片、于璐等對草坪草葉片吸水趨勢的研究結論一致［21-22］。這表明葉片吸水存在一個閾值，葉片初始接觸水分時，由于葉片表面較干燥，水分經由細胞壁進入原生質和液泡較快，經過一段時間后，葉片吸水逐漸達到飽和，吸水量達到一個相對穩定的值［22］。葉片吸水20 min，具密生絨毛的紅花檵木和勒杜鵑單位葉面積截留量低于大紅花，可能是由于大紅花葉面適量的絨毛更有利于持水。Brewer 等研究發現，適量稀疏絨毛有利于刺破水滴表面誘導水滴分散成膜，但密被絨毛反而不利于葉片持水［23］；葉片吸水80～300 min，具蠟質層的3 種灌木植物其單位葉面積截留量低于另外3 種不具蠟質層的灌木植物。葉片蠟質具有一定的疏水性，蠟質通常被認為會降低葉片的吸水能力［24］。對吸水飽和后單位葉面積失水量的研究發現，海桐、米仔蘭、灰莉3種具蠟質層的植物失水達到原來鮮重的時間高于另外3 種不具蠟質層的植物，特別是灰莉，其恢復到鮮重的時間長達480 min，這可能和植物葉片的表皮蠟質有關，葉片表皮蠟質作為致密的保護層，可以限制非氣孔的水分散失，對保持葉片水分起著重要作用［25］。

本研究中，6 種園林灌木植物冠層（包括葉片及枝條）截留量在406.48～3 204 g/m2之間，未將葉片與枝條分離，也未對比不同灌木間葉與枝截留能力的差異。薦圣淇等研究發現，不同灌木葉片與枝條截留量不同，其中檸條各組分最大截留量為枝條＞葉＞樹干，沙棘為樹干＞枝＞葉［26］。

4 結論

本研究結果表明，6 種園林灌木植物中，勒杜鵑、大紅花、灰莉葉片最大截留量顯著高于另外3 種植物；單位葉面積截留量最大的是紅花檵木，其次是大紅花和勒杜鵑；葉片吸水飽和后持水性最好的是灰莉；大紅花單位綠地面積冠層截留量最大，每平方米可達3 204 g。今后在城市綠化建設中可將單位綠地面積冠層截留大的灌木如大紅花、持水性能較好的植物如灰莉應用在海綿城市建設中，有助于抵抗城市內澇，提高城市的水彈性，緩解城市用水壓力，促進廣州市生態可持續發展。