深圳海绵城市建设生物滞留带植物筛选

任建武+翟玮+王媛媛+白伟岚+任海

摘 要： 海绵城市作为新型城市发展方式，离不开生态绿地的科学规划和建设。基于深圳所处自然植物带的优势，造就了该城市绿地建设可选的园林植物资源多样性极为丰富。本研究以既耐干旱又耐水涝为选择标准，利用植物快速叶绿素荧光分析技术，对深圳光明新区试验点植物材料做出系統测定。根据所得到的叶绿素荧光动力学参数，对植物材料做出分析评价。然后从中挑选最具生理意义的参数进行换算，并依据换算得分对植物排序。旨在对众多园林植物在海绵城市建设中的应用做出有益探索，以更好地发挥生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现“自然积存、自然渗透、自然净化”的城市发展方式。

关键词：海绵城市；低影响开发；生物滞留带；叶绿素荧光

中图分类号：X522 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.03.023

Screening of Plants for Bioretention Areas in Shenzhen During the Construction of Sponge City

REN Jianwu1， ZHAI Wei2， WANG Yuanyuan2， BAI Weilan2， REN Hai3

（1.College of Biological Science and Technology， Beijing Forestry University， Beijing 100083，China； 2.Landscape Development Research Center， Chinese Urban Construction Institute， Beijing 100120，China； 3.Southern China Botanical Garden， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou，Guangdong 510650，China）

Abstract： As a new mode of city development， sponge city cannot be built without scientific planning and construction of ecological green space. Shenzhen boasts an amazing rich of plant diversity based on the advantages that it is locating on south sub-tropical zone. In this study， both resistance to drought and water logging being as selection criteria， the analysis technology of chlorophyll fluorescence was used. According to the kinetic parameters of chlorophyll fluorescence obtained， the plant materials in the trial were analyzed and evaluated. After choosing the parameters of the most physiological significance， and conducting the conversion， and on the basis of conversion， a final plant material ordering had been got. In this way， a meaningful exploration on the plant application of many garden plants in the sponge city in the construction were carried out， and it can promote ecological system effectively absorb and infiltrate rainwater， and keep sustained release the trapped water， meanwhile， effectively control the runoff. Furthermore， the study may give a helpful hand to reach the goal that realization of ecological and sustainable city development mode with character of naturally accumulation， naturally infiltration， naturally purification.

Key words： sponge city； low impact development； bioretention areas； chlorophyll fluorescence

海绵城市（Sponge city）是新一代城市雨洪管理概念，它是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，也可称之为“水弹性城市”。国际通用术语为“低影响开发雨水系统构建”。从更广阔的视角来看，“海绵城市”是从不同尺度上综合解决中国城市突出的水问题及相关生态和环境问题的一套完整理论体系，包括雨洪管理、生态防洪、水质净化、地下水补充、棕地修复、生物栖息地的营造、公园绿地营造，以及城市微气候调节等[1]。其中以雨洪管理为特征的低影响开发是该理论的核心内容[2]。低影响开发（Low impact development， LID）[3]是当今世界对城市水环境保护和可持续发展的雨洪管理新策略。其基本思路是通过有效的水文设计使城市开发区域的水文功能尽量接近开发之前的状况，模仿自然生态过程来管理雨水。在操作层面采用分散、多样、小型、本地化的技术从源头上储存、渗滤、蒸发以及截流雨水，最大程度保护开发改造地区的水文机制，减少负面环境影响，其技术体系主要包括生物滞留（Bio-retention）、可渗透/漏路面铺装系统（Peameable /porous pavement system，PPS）等措施[4]，主要是通过减少不透水面积、增加雨水渗滤，利用雨水资源实现可持续雨洪管理。其中，生物滞留技术是发展主流，该技术利用植物、微生物与土壤的化学、生物和物理属性，来移除雨水地表径流中的污染物，并补充地下水[5]。生物滞留设施（ Bbioretention facility）发生的过程包括沉淀、吸附、过滤、挥发、离子交换、分解、植物修复、生物治理和储藏[6]。通过它对服务区域可消减78%～99.2%的径流量。作为生物滞留的应用形式有植被浅沟（Bioswales）、下沉式绿地（Bioretention areas）、雨水花园（Rain gardens）、绿色屋顶（Green roof）等。

深圳作为我国城市化进程最快的城市，在城市建设中遇到了突出的城市生态环境问题，特别是近2 000 mm的年降雨量分布很不均匀，城市内涝、面源污染潜在危害巨大，因此深圳市光明新区引入了低影响开发理念[7]。然而，深圳市在探索低影响开发模式的建设过程中也面临着各种困难和挑战，例如具体实施目标难以确定、无先例可遵循、无标准可参考等[8]。特别是，在生物滞留技术实施过程中，面对丰富的南亚热带植物材料，如何科学选择物种成为一个困扰城市规划和建设者的突出问题。本研究以深圳乡土植物为材料，以叶绿素荧光为探针，在非损伤条件下，对生物滞留试验中的植物样本进行测定，以期为低影响开发植物材料选择提供数据支持。

1 材料和方法

试验地点设在深圳市光明新区育新学校雨水花园。以土壤含水量为优先考虑因素并设3个梯度，在干旱、适中、水淹3种条件下，测定叶绿素荧光动力学参数，并据此对园林植物生长状况做出评价，判断其是否适合在当地环境生长，最后给出建议。

植物材料有鸢尾、紫花野牡丹、黄金榕、红千层、海芋、合果芋、藿香蓟、鹅掌柴、扶桑、四季桂、文殊兰、山菅兰、水石榕、大花紫薇、白兰、红桑、美蕊花、蒲葵、象牙红、大叶伞、蜘蛛兰、尖叶杜英、黄花夹竹桃、花叶艳山姜、穗榕、春羽、紫薇、秋枫、钟花蒲桃、棕竹、軟枝黄蝉、黄槿、金叶假连翘、鸡蛋花、木棉、红花檵木、龟背竹、红背桂、大叶油草、叶子花。

仪器选用英国Hansatech公司生产Handy PEA便携式植物荧光仪。测定当年生成熟叶片。

试验于2014、2015年夏季实施，水分条件梯度采用HH2土壤湿度计监测试验地土壤湿度，以试验地田间持水量为基准，设土壤含水量≤35%、70%±10%、≥100%三个梯度，保持7 d，观测生理状况，重复6次。参考Schansker等[9]和任丽丽等[10]的方法，叶片经暗适应20 min后MPEA（Hansatech， 英国）同时测定叶片快速叶绿素荧光动力学曲线（OJIP曲线）。OJIP曲线由3 500 mol·m-2·s-1的光辐照，测定时间为2 s， 记录的初始速率为每秒钟100 000个数据。将OJIP曲线进行O-P点、O-J点和O-K点标准化，其中O点是0 ms，K点是30 s，J点是2 ms， P点是荧光最大值对应的时刻。O-P点标准化公式：VO-P=（Ft-Fo）/（Fm-Fo）

2 结果与分析

试验植物材料在土壤湿度为田间饱和持水量75%的条件下，测得的叶绿素快速荧光动力学曲线见图1。由于海芋较为适应深圳城市环境，本试验以其为对照参比植物，将测得的主要叶绿素荧光动力学参数与海芋各参数相比较，得到标准化参数，结果见表1。

表1中，F0为初始荧光（Minimal fluorescence），也称为基础荧光。光系统Ⅱ（PSⅡ）反应中心处于完全开放时的荧光产量， 它与叶片叶绿素浓度有关。初始荧光是PSⅡ反应中心全部开放时的荧光。F0减少表明天线的热耗散增加；F0增加表明PSⅡ反中心不易逆转的破坏。表1显示，美蕊花、黄槿、红花檵木、鸢尾并不适应深圳生物滞留带的近自然生长环境，虽然可以存活，但是从光合作用看已经显现出胁迫症状。四季桂的偏低F0反映出其天线色素系统热耗散较多。

Fm为最大荧光产量（Maximal fluorescence），PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量，可反映通过PSⅡ的电子传递情况，通常在叶片经暗适应20 min 后测得。Fm降低是光抑制的一个特征。本试验中，大叶油草的最大荧光很低，原因在于较为粗放的修剪对叶面造成比较重的伤口，愈合很慢而影响了其光合能力。鸢尾、紫薇、木棉的最大荧光较低，反映出这三种植物受到环境胁迫伤害。四季桂和棕竹最大荧光偏低原因在于其热耗散较高，从天线色素捕获光能的分配走向来看，热耗散增多而同时荧光释放相对减少。金叶假连翘和黄金榕则是因为单位面积叶绿素含量相对较低所致。文殊兰、大叶伞、红背桂从其Fm可反映出通过PSⅡ的电子传递能力强，光合作用机构活力旺盛。

Fm/F0用来表示通过PSⅡ的电子传递情况，是Fv/Fm的另一种表达方式，其倒数热耗散状况F0/Fm表示热耗散状况。表1中，木棉、紫薇、鸢尾、红花檵木、美蕊花数值明显高，说明这5种植物热耗散较高，相对而言，叶片天线色素捕获的光能用于光化学传递的有效部分可能会有所降低，不利于光合作用碳同化产物的有效积累。

Fv/F0代表PSⅡ的潜在活性，该参数被用于耐旱植物类型筛选。在对4种大麦（Hordeumvulgare L.） [11]基因型耐寒性的研究中，结果显示，耐旱基因型的Fv/F0明显高于干旱敏感性基因型。本研究中，黄金榕、合果芋、勒杜鹃、红背桂、大花紫薇的该指标数值较高，说明在干旱条件下，这几种植物光合作用系统Ⅱ的活性依然较高。

Vj表示质体醌QA被还原而反应中心被关闭的程度。试验中，鸢尾、鹅掌柴、水石榕、美蕊花、紫薇、木棉、棕竹、红桑的该参数较高，说明照光后，质体醌QA很快被还原。但是，是否反映出光合机构的放氧复合体（OEC）受到伤害，需要检测300 s时的叶绿素荧光，观察在OJIP曲线上是否出现K点。因为海芋在深圳地区属于乡土植物，适应能力较强，在原有地貌环境中随处可见，故在本试验中以其作为参照标准，与其他园林植物进行比较。从图1、表1、图2的数据中可以看到，在Fv/Fm这一指标上，紫花野牡丹、四季桂、尖叶杜英、红千层、扶桑、大花紫薇、红背桂、合果芋、文殊兰、黄金榕表现优异，能够很好地适应深圳地区降雨量大的气候环境，并且能够耐受短期水淹。Fv/Fm是PSⅡ最大光化学量子产量（Optimal/maximal photochemical efficiency of PSⅡ inthe dark）或（Optimal/maximal quantum yield of PS Ⅱ），反映PSⅡ反应中心内禀光能转换效率（IntrinsicPSⅡefficiency）或称为PSⅡ的光能转换效率（Optimal/maximal PSⅡ efficiency），不受物种和生长条件的影响， 胁迫条件下该参数明显下降，能够很好地反映出植物对环境的适应状况，因此是重要的生理适应能力评价参数。就此参数来说，美蕊花、红花檵木、鸢尾、紫薇表现较差，水淹条件下这5种植物会受到较大伤害，同时从叶片性能指数PI Inst.可以看到，这5种植物光能转化和利用能力在水淹环境中明显很低，光合作用能力受到极大地制约。

在试验中，将海芋与深圳市的市花勒杜鹃相比较，发现从最小荧光到最大荧光的时间、Area、Sm均是勒杜鹃较大，说明勒杜鹃的质体醌库较大，有利于电子的先行传递，光合作用潜力大。就光系统II的电子传递情况而言，勒杜鹃的F0/Fm小，表明其电子传递速率较快；海芋的Vj比勒杜鹃大，说明其质体醌QA的还原速率比较慢；而可变荧光、最大光化学效率、叶片性能指数，都是勒杜鹃的指标更高一些，表明勒杜鹃光合作用能力以及光能转换效率均高于海芋，更能适应试验区域的水分变化环境。

一般说来，最大光化学效率以及叶片性能指数可以较为准确地反应植物所受到的干旱胁迫程度。PI（Performance index）光合性能指数，反映了PSII整体的功能，而光系统II（PSII）在逆境中最容易受到伤害，所以，可以用PI进行快速筛选。PI比Fv/Fm等反映PSII 活性的参数更敏感，因为Fv/Fm是最大光化学效率，是PSII潜在的功能，在许多胁迫下并不会明显变化。而参数PI，反映了PSII整体的功能，只要PSII的部分受到伤害，PI就能反映出来。因此，对表1的性能指数随土壤湿度变化引起的波动进行换算。干旱影响计算公式：DE=（PO-PD）/ PO。其中，DE（Drought stress）表示干旱脅迫对植物光合性能影响程度，PO表示土壤在田间持水量70%的湿度（optimal）下测得的叶片性能指数，PD表示土壤在田间持水量35%的湿度（drought）下测得的叶片性能指数。水涝影响计算公式：WE=（PO-PW）/ PO

其中，WE（Water logging）表示水涝胁迫对植物光合性能影响程度，Pw表示土壤在田间持水量100%的水淹（Water logging）下测得的叶片性能指数，Pmax表示干旱或水淹条件下测的最接近PO的叶片性能指数。

以叶片性能指数为评价基本参数。鉴于深圳市水分充足，土壤35%湿度下的数据权重定为0.4，100%湿度的权重为0.6，计算公式如下。

T=Po/（Po-PD）÷[Po/（Po-Pmax）]×0.4+Po/（Po-Pw）÷[PO/（PO-Pmax）]×0.6

经过计算，各雨水花园待选植物评价得分情况如表2所示。

3 结 论

根据上述研究可以得出：在深圳地区建立雨水花园或者生物滞留带时，可以优先选择勒杜鹃、紫花野牡丹、四季桂、尖叶杜英、红千层、扶桑、大花紫薇、红背桂、合果芋、文殊兰、黄金榕；另外，可以根据设计要求，酌情从海芋、水石榕、红桑、蜘蛛兰、象牙红、大叶伞、花叶艳山姜、春羽、金叶假连翘、龟背竹、白兰、黄花夹竹桃、穗榕、秋枫、钟花蒲桃中筛选。

参考文献：

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