合肥地區(qū)常綠景觀樹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 經(jīng)濟技術(shù)學院，合肥 230011；2.安徽農(nóng)業(yè)大學 林學與園林學院，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)生的頻率和強度[1-2]。

國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”目標中，降低城市地表徑流，提高環(huán)境保水能力的措施，越來越受到重視[5]。植物冠層對雨水的截留，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，而針對城市綠地中園林植物的研究相對較少。冠層截留整個過程復雜多樣，它受到多個方面的影響，包括物種組成、植物配置密度、樹種的新老程度、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、降水強度、降雨時間長短等影響[14]。由于各地的自然情況不同，樹種冠層截留的測定結(jié)果也會有所差別，所以要想精確的得出冠層的截留效果，就不能使用實際觀測截留量的方法，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)和不同樹種的冠層截留作用[15-16]。

本試驗以合肥地區(qū)常見的10種常綠喬木樹種冠層的雨水截留量作為研究對象，通過試驗?zāi)M浸水法，測定各樹種冠層的雨水截流能力，進行葉片最大儲水能力試驗，通過植物冠層儲水總量和植株單位占地面積儲水量2個主要指標，分析常見景觀植物的冠層儲水能力特征、差異以及儲水潛力，選擇雨水截留能力較強的植物，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。隸屬亞熱帶濕潤季風氣候，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)簡介 本試驗在測定葉面積指數(shù)時，選擇HemiView林地冠層數(shù)字分析系統(tǒng)，系統(tǒng)由一個180°魚眼鏡頭和一臺高分辨率數(shù)碼單反相機(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)碼相機的高清晰度影像載入HemiView軟件，進行分析處理。軟件能夠通過分析太陽輻射數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，測量葉面積指數(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)測量時間選擇為晴天 9:00以前或16:00以后，測量時將儀器放在需要測量的植物下方，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)試驗人員離開3 m以外，使用遙控器操控相機進行拍照采集。

(3)將采集好的高清圖像導入HemiView軟件，對照片進行處理后，即可分析出各項指標。

1.3 10種常綠喬木名錄

合肥地區(qū)常綠樹木多種多樣。本研究在合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學校園，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)，分別記錄每個喬木的種類，數(shù)量、樹高、冠幅、葉面積指數(shù)等植物形態(tài)特征數(shù)據(jù)[17]。然后每個樹種隨機選擇10株生長狀況良好的健康喬木作為標準木，并用冠層分析系統(tǒng)測定其葉面積指數(shù)(LAI)，用胸徑尺和卷尺測定胸徑和冠幅。

1.4 測定方法

1.4.1 測量葉片儲水能力 通過浸泡法[18-19]測定供試材料葉片浸水前后的重量差來明確植被冠層葉片的潛在最大截留量。

(1)植物葉片選取：選取供試樹種標準木的標準枝，每株植物分別選取20個標準葉片，使用高枝剪隨機剪下20個葉片，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驗室。

通過已標準化矩陣Z計算相關(guān)系數(shù)矩陣M，并計算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)葉面積測定：使用手持式葉面積儀(CI-203)測定每個葉片的葉面積。

(3)葉面積指數(shù)(LAI)的測定：將數(shù)碼相機中拍攝的冠層照片導入HemiView軟件中，計算每種植物的葉面積指數(shù)。

(4)葉片最大儲水能力測定：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體的冠層儲水能力，而VP則能夠反映出這個植物種類整體的儲水 能力。

Vt=GSGLAI

Vt為植物冠層儲水總量(g)；G為單位面積葉片儲水量(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水量；Vt為植物冠層儲水總量(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)的測定，采用圖像處理軟件Hemiview。使用統(tǒng)計軟件Excel 2013進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和計算。采用DPS_7.05進行數(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

1株植物的冠層雨水截留能力主要體現(xiàn)為冠層儲水總量和植株單位占地面積儲水量兩個指標上。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，在供試樹種中，不同樹種的冠幅、葉片平均面積、葉片儲水量、葉面積指數(shù)、冠層總儲水量和單位占地面積儲水量，均差異顯著 (P=0.009 9)，其中雪松和龍柏，在植物冠層總儲水量和單位占地面積儲水量的表現(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，冠層儲水總量與冠幅在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)，冠層總儲水量與單位占地面積儲水量在P=0.05水平上呈正相關(guān)(r=0.64)。由此可見，供試植株的冠幅對冠層儲水總量影響較大，而其單位占地面積儲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Table 2 Rainfall interception data of ten evergreen tree species

2.2.2 冠層儲水總量與植株各因素的關(guān)系 冠層儲水總量可以直接反映該株喬木樹冠在降雨時所能夠截留雨水的總量。由通徑分析(表5)可見，供試植株的各項指標對冠層儲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)，葉片平均儲水量(r= 0.124 9)，平均葉片面積(r=-0.089 8)。由此可見，冠幅對于冠層儲水總量的正向貢獻最大，其次是葉面積指數(shù)和葉片平均儲水量。葉面積指數(shù)通過平均冠幅(r=0.420 7)對于冠層儲水總量的間接正向貢獻也相對較大。所有指標對于冠層儲水總量的直接和間接的負向效應(yīng)均相對較小。

表3 各指標方差分析表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，間接影響植物對于雨水的截留能力。由表6可見，供試植株的各項指標對單位占地面積儲水量直接作用由大到小依次為葉片平均儲水量(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)?？梢?葉片平均儲水量對于植物單位占地面積儲水量的正向貢獻最大，其次是葉面積指數(shù)；葉面積指數(shù)通過平均葉片面積(r=0.404 7)對單位占地面積儲水量有著正向貢獻。冠幅對于冠層儲水總量的正向貢獻也相對較大，其他指標對于單位占地面積儲水量的間接影響均相對較小。

表6 單位占地面積儲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，互相交錯結(jié)構(gòu)復雜，利用水的張力固著在葉片彼此之間的水量相對更多，且樹體高大冠幅寬廣。本研究中，同樣葉片表面積內(nèi)，雪松和龍柏的相對儲水能力更強，再加上其樹冠寬廣較大，整株植物的冠層儲水總量明顯大于其他樹種。枇杷和構(gòu)骨各項指標均表現(xiàn)較差，可能因為枇杷的枝條層次間距較大，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法獲得更高的儲水量。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)對于植物的單位占地面積儲水量有著較高的正向貢獻，而此項指標對冠層截留能力的影響，前人的研究相對較少。本試驗中表現(xiàn)較好的雪松、龍柏和楊梅，都有著相對較高的葉面積指數(shù)，這意味著每一株植物的葉片總面積相對較大，在同樣的樹冠投影面積之下，其整個冠層則能夠儲存較多的雨水。 反之，試驗中表現(xiàn)較差的枇杷和構(gòu)骨，葉面積指數(shù)都相對較低。因此，葉面積指數(shù)對于植物截留雨水能力的影響可能是以后對于城市景觀樹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)計計算也應(yīng)該考慮林冠所產(chǎn)生的作用。

本研究認為，合肥地區(qū)在日后的城市景觀常綠樹種的選擇中，可以相對重點的使用以上幾種樹種或選擇冠幅較大，葉面積指數(shù)較高的樹種作為園林植物基礎(chǔ)種植，從而獲得更好的雨水攔蓄功能。本項目后續(xù)將繼續(xù)研究更多類型的城市園林樹種，以期能夠進一步為城市綠地植物的選擇和配植起到一定的指導作用。

4 結(jié) 論

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