上海市常见园林植物冠层及地坪对初期雨水滞留能力研究

顾燕飞,刘晓静（上海园林绿化建设有限公司， 上海 00335；.东华大学 环境科学与工程学院， 上海 060）

城市绿地作为城市重要的海绵体，对截留雨水、促进降雨下渗、减少地表径流、消减洪峰流量、缓解城市内涝等城市水环境问题发挥着很好的效益，在建设海绵城市方面起着重要作用，对水土保持具有重要意义。植物作为城市绿地的重要组成部分，在滞留雨水方面也发挥着重要作用，而水分的有效滞留在某些环境下对降雨产流过程具有重大影响[1-6]。植物冠层截留是研究绿地中水分平衡和水资源管理分配的重要指标，更是海绵城市对降雨进行再分配的第一步[7]。Inkilainen 等[8]通过研究发现，林冠截留能够有效地减少其下垫面 9.1%～21.4%的雨水径流体积。同时 Keim 等[9]认为，植物鲜重不能很好反映不同物种截留特性差异，需要将植物的非叶生物量换算成叶面积，根据植物叶片单位面积截留量来求得冠层截留量。冠层所能持留的最大水量即冠层最大截留量，是评价降水截留量的一个重要参数[10]。

另一方面，随着城市化进程不断加快，相当部分的下垫面变为不透水地面(路面、屋面)，不透水路面的大量增加破坏了原有的生态水循环系统。雨水缺少有效的下渗渠道，致使雨水径流大幅增加。加之主要透水下垫面—城市绿地不断减少、极端天气越来越频繁地出现，使得城市水文循环发生剧烈的变化，导致城市中洪涝灾害风险不断增加[11-12]。

事实上，我国对城市雨洪管理、海绵城市建设以及城市园林植物的冠层雨水截留能力分析的相关研究和实践关注较少[13-14]。李晓凤[3]、张焜[4]、王文[6]等人主要针对森林林地林冠截留进行研究，目前缺乏针对城市绿地人工林的相关调查研究，一定程度上限制了林冠层降雨研究对生态城市建设的指导作用[15]。陈然[1]、李苗[2]、李晶晶[5]、赵建霞[15]、郭胜男[16]等分别对徐州、武汉、陕北、郑州等地常见园林植物的滞水能力进行研究，但目前并未见针对上海市常见园林植物滞水能力的研究。同时，大部分研究均采用“浸泡法”测定植物的滞水能力，与实际情况不符，导致研究结果准确度不高。本研究采用的人工喷淋模拟降雨法更加符合实际降雨情况，试验结果更加具有代表性。另外，国内外对于透水路面的雨水滞留能力的研究也相对不足，对于不同路面或下垫面的滞水差异性和滞水的阶段性变化等更深入的滞水特征有待进一步揭示。

因此本研究以上海市奉贤区某苗圃绿地（其中植物主要用于上海市区绿化）和上海市区常见地坪为主要研究对象，采用人工喷淋模拟降雨法分别分析其雨水滞留能力，以期筛选出滞水能力强的植物及地坪。通过分阶段喷淋等特殊试验方法，揭示了不同地坪滞水具有阶段差异性特征。本研究结果将可为城市绿化相关设计和建设、缓解城市化地区暴雨积水问题和今后的城市规划设计等提供基础参考数据，对上海市等相关城市建设成为海绵城市具有一定指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

上海市位于北纬 31°14'，东经 121°29'，地处长江三角洲前缘，属北亚热带季风性气候，四季分明，日照充分，雨量充沛。上海气候温和湿润，春秋较短，冬夏较长。平均气温约 17.5 ℃，日照 1 534.7 h，降水量 1 512.8 mm，全年 70%左右的雨量集中在 5 至 9 月的汛期。试验时期在 2018 年 7～ 8月间，所有采样植物花期都已结束，植叶处于茂盛期。

1.2 试验材料与方法

在测定植物冠层和地表材料滞水能力时，均采用现场模拟降雨喷淋法。这样，克服了传统的浸水法与实际情况可能不符造成的偏差，使试验结果更加具有实际代表性。

1.2.1 乔木和灌木树冠滞水量的测定与计算

（1）采样地点位于上海市奉贤区某苗圃。按标准木原则选取 30 种乔木和灌木植物，在连续至少 3 天晴天的条件下每个植株至少（但不限于）采集 6 个叶片。叶面朝上放置于恰当尺寸的网格架上，倾角根据各树种的树叶自然状态特点和平均倾角确定。树叶大小和树叶采集数量还根据树的特点确定具有代表性样本，大中小三种尺寸的树叶分布基本均匀。

（2）现场进行模拟（中等偏小强度的）降雨法均匀喷淋树叶，直至树叶面有自然水滴刚落下。根据喷淋前后差重法测定树叶滞水量：将（1）步骤里采样的树叶淋水前称总重a，喷淋结束后再称重得总重b，则树叶面上饱和吸附水的重量为d=b-a。

（3）树叶面积测定方法：将树叶放在规格统一的 A 4 纸上画描出树叶的轮廓，裁剪后用称重法称出轮廓的重量，再通过换算：树叶轮廓总重量 × （A 4 纸面积/A 4 纸重量），可获得采样树叶的总面积s。进而可计算得到单位面积叶片的滞水量g=d/s=(b-a)/s。

（4）计算得到叶片对水的截留率c=(b-a)/a×100%。

（5）通过 LAI 2000 植物冠层分析仪（美国 LI-COR 公司出品）测得叶面积指数 LAI（树冠总叶面积与树冠投影面积的比值）。计算得到单位投影面积的树冠滞水量G=g×LAI。另外，由于 LAI 测定仪的限制，所以，本次选取的灌木种类以具有较高木径和叶冠的灌木植物作为代表。

1.2.2 吸水硬质地坪滞水量的分阶段测定与计算

分别以 30 cm × 30 cm 或 60 cm × 60 cm 大小的地面作为研究对象（不吸水地坪可偏小选择，吸水地坪偏大选择），且均选择较水平的地坪（无特定倾角）。具有吸收水能力的硬质地坪滞水过程分为两个阶段：吸收水分和滞留水分，如混凝土地坪。对于这类地坪的滞水测定可分为两个阶段。首先，记录喷水前喷壶及水的总重量为m，当向特定面积（s）的地坪模拟雨水仔细喷淋至喷出的水刚好不再下渗时，立即记录此时喷壶和剩余水的重量为n，至此，第一阶段结束。第一阶段的单位面积地表滞水量（也即吸收水量）即为h1=(m-n)/s，单位为 g/m2。在第一阶段结束时，地表材料已经吸收了充足的水分，此时继续缓慢向地面喷水，当地面上即将产生一个非常小的溢流时，立即记录喷壶和剩余水的重量为f，这时第二阶段结束。第二阶段的单位面积地表滞水量即为h2=(n-f)/s。因此，硬质地坪单位面积的总地表滞水量为H=h1+h2。

1.2.3 不吸水地坪滞水量的测定与计算

首先，记录喷水前喷壶及水的总重量为p，用喷壶向特定面积地面喷淋水至地面上即将产生一个非常小的溢流时，立即记录喷壶和剩余水的重量为q，则单位面积的地表滞水量为z=(p-q)/s，单位为 g/m2。

1.2.4 聚类分析方法

对于植物滞水特性聚类分析，采用组间连接的聚类方法、平方 Euclidean 距离区间的度量标准，植物冠层单位滞水能力、截留率和总滞水能力作为组变量，对上述植物进行系统聚类。

对于地坪滞水特性聚类分析，采用组间连接的聚类方法、平方 Euclidean 距离区间的度量标准，不同地坪材料单位面积滞水能力作为组变量对其进行系统聚类。

2 结果与分析

2.1 植物滞水能力分析

2.1.1 乔木滞水能力分析

乔木冠层单位滞水能力和截留率分析图如图 1 所示。

图 1 乔木冠层单位滞水能力和截留率

由图 1 可知，从叶片单位面积的滞水能力来看，所考察的各类乔木叶片单位面积滞水能力平均为 109 g/m2，且大部分乔木叶片滞水能力变化范围是较均匀分布在 50 ～ 150 g/m2之间。但有 2 种植物（垂丝海棠和龙柏）的叶片滞水能力明显远高于其他乔木，可能与其叶面特别粗糙且有细小亲水绒毛辅助滞水有关。另外，通过观察和对比叶片滞水能力较高的植物（如鸡爪槭、悬铃木和垂丝海棠等）和滞水能力较低的植物（如广玉兰和柿树等），可以发现滞水能力低的植物叶片往往具有一层疏水蜡质，极大地影响了其滞水能力。但滞水能力较高的植物表面或者较粗糙亲水，或者具有一定的纹路，增加了其储水能力。

从叶片截留率来看，其总体与叶片单位面积滞水量的总趋势一致。但有 4 种植物的截留率较为特殊，明显高于其他植物，即栾树、鸡爪槭、悬铃木和垂丝海棠。情况正相反的植物如广玉兰和香柚等，此类植物的叶片重量相对较重导致截留率下降。

乔木冠层单位投影面积滞水能力分析图如图 2 所示。

图 2 乔木冠层单位投影面积滞水能力

由乔木冠层滞水能力（即冠层单位投影面积滞水量）可知，如图 2 所示。25 种乔木冠层总滞水能力最高的是龙柏，冠层平均总滞水能力达到了 1 000 g/m2。其次是垂丝海棠、垂柳、桂花和鸡爪槭等，在 500 g/m2和 900 g/m2之间。本研究的乔木冠层单位投影面积滞水量平均值为 375 g/m2，超过平均值的植物有 9 种，低于平均值的有 16 种。冠层滞水能力最低的是广玉兰，滞水能力仅为 114g/m2。冠层滞水能力强的植物，往往枝叶茂盛，层叠密实，如龙柏、悬铃木和合欢等。

综合上述信息可知，设计城市园林或进行城市规划时，若考虑滞水防洪能力，应多选择龙柏、垂丝海棠、悬铃木和鸡爪槭等植物，植叶表面应具有亲水多纹路或长细绒的特征，且尽量无蜡质。冠层应茂盛密实。

2.1.2 灌木滞水能力分析

灌木叶片单位面积滞水能力和截留率分析图如图 3所示。

图 3 灌木叶片单位面积滞水能力和截留率

由图 3 可知，整体上看，5 种灌木植物叶片的单位面积滞水量和截留率趋势大体上一致，但截留率波动较大，可能与植物叶片本身质量特性有关。

从叶片单位面积的滞水量来看，且与乔木植叶比较可知，灌木植叶滞水能力是相对较强的，基本在乔木叶片滞水能力平均值之上，其中珊瑚朴和蚊母的叶片滞水能力更强。灌木冠层单位投影面积滞水能力分析如图 4 所示。

如图 4 可知，5 种灌木植物冠层单位投影面积滞水能力最高的是蚊母，达到了 850 g/m2，；冠层截留能力次之的是珊瑚朴和三角枫，滞水能力在 280 g/m2和 350 g/m2之间；腊梅和女贞的冠层滞水能力都在 200 g/m2以下。因此，灌木类植物中，珊瑚朴和蚊母是城市规划和滞水设计中可以优先选择的植物，尤其值得注意的是，珊瑚朴的叶片截留率较高，接近 100%。珊瑚朴树叶特征与垂丝海棠树叶极为接近，叶面多细绒和纹路，便于储水。

2.1.3 植物冠层滞水能力的聚类分析

植物冠层滞水能力的聚类分析如图 5 所示。

由综合植物叶片滞水能力、冠层滞水能力和截留率 3 种性质聚类分析得出的树状图可以看出，按照滞水能力植物可分为 6 个类型。第一类：龙柏；第二类：垂丝海棠和蚊母；第三类：银杏、梨树、墨西哥落羽杉、桂英和鸡爪槭；第四类：桂花和垂柳；第五类：合欢、珊瑚朴、悬铃木、紫薇、雪松、香柚、柿树、乌桕、三角枫和红叶李；第六类：白玉兰、日本早樱、水杉、栾树、腊梅、无患子、枫香、女贞和广玉兰。其中，滞水能力由强到弱的顺序为：第一类 ＞ 第二类 ＞ 第四类 ＞ 第三类 ＞ 第五类 ＞ 第六类。第一类和第二类植物滞水能力最强，叶片单位面积平均滞水能力可达到 251 g/m2，平均截留率达到 57%，冠层滞水能力的平均值达到978 g/m2；其次是第三类和第四类，叶片单位面积平均滞水能力为 130 g/m2，平均截留率为 67%，冠层滞水能力的平均值为 538 g/m2；第五、六类植物冠层滞水能力最弱，叶片单位面积平均滞水能力仅为 103 g/m2，平均截留率仅为58%，总滞水能力的平均值仅为 233 g/m2。同时，龙柏、蚊母和垂丝海棠的冠层滞水能力明显优于其他植物。从整体上看，乔木的冠层滞水能力强于灌木，且前四类植物总体上是滞水能力较强的植物。另外，由于植叶叶面特征和冠层特征的多样性，导致乔木和灌木之间会出现混合聚类现象，即从整体滞水性质看，有的乔木和灌木成为一类，因此，城市园林规划和设计时，应根据具体目的来进行选择。

图 5 植物冠层滞水能力的聚类分析

2.2 地坪滞水能力分析

2.2.1 硬质地坪滞水能力分析

硬质地坪单位面积滞水量分析如图 6 所示。

由图 6 可知，在硬质地坪吸水的第一阶段，单位面积路面滞水量最多的是嵌锁形砌块路面，单位面积滞水量接近2.0 kg/m2，其次是混凝土砖路面，单位面积滞水量达到 1.0 kg/m2，其他地面的单位面积滞水量均远低于这两种地面。在硬质地坪吸水的第二阶段，单位面积路面滞水量最多的是嵌锁形砌块路面，单位面积滞水量达到 2.6 kg/m2，而其他地面的单位面积滞水量均在 1.0 kg/m2以下，其中单位面积滞水量最低的是木地板路面，这可能跟其一般会涂覆油漆类憎水保护层有关。

图 6 硬质地坪单位面积滞水量

从整体来看，单位面积总滞水量最多的是嵌锁型楔形路面，滞水量可达到 4.5 kg/m2，远超过其他路面单位面积滞水量，且嵌锁型楔形路面两个阶段的单位面积滞水量均是最多的；其次是混凝土砖路面，单位面积滞水量接近 2 kg/m2；单位面积滞水量最小的是木地板路面。混凝土砖路面的滞水能力强于混凝土板路面。总体来看，大部分混凝土类地面的滞水效果相对较好。因此，对于公园类滞水路面设计时，以嵌锁形路面为最优选择。

2.2.2 不吸水地面滞水能力分析

不吸水地面单位面积滞水量分析如图 7 所示。

图 7 不吸水地面单位面积滞水量

由图 7 可知，与上述硬质地坪相比，不吸水硬质路面的单位面积总滞水量显然均处于较低水平，其最大滞水量与硬质地坪的最低滞水量相当。其中，花岗岩路面和釉面砖路面的单位面积滞水量相对较高，达到 0.9 kg/m2，其他路面的单位面积滞水量均明显低于这两种路面。滞水能力最弱的是大理石路面。

2.2.3 不同地坪材料滞水能力的聚类分析

不同地坪材料滞水能力的聚类分析如图 8 所示。

图 8 不同地坪材料滞水能力的聚类分析

由总滞水能力聚类分析得出的树状图可以看出，不同材料的地坪滞水能力可分为三个类型：第一类，嵌锁型楔形路面；第二类，木砖路面、木屑路面、混凝土板路面、普通黏土砖路面、砂石路面、釉面砖路面、花岗岩路面、卵石铺砌路面、水洗小砾石路面、仿石混凝土预制板路面和混凝土砖路面；第三类，大理石路面、混凝土平板瓷砖铺面路面、木地板路面、陶瓷锦砖路面和水磨平板路面。其中，滞水能力由强到弱的顺序为：第一类＞第二类＞第三类。嵌锁型楔形路面滞水能力明显强于其他材料的地坪，单位面积滞水能力达到 4.5 kg/m2，；其次是第二类地坪，单位面积平均滞水能力为 1.3 kg/m2；第三类地坪滞水能力最弱，单位面积平均滞水能力仅为 0.5 kg/m2。从整体上看，硬质地坪的滞水能力远高于不吸水地面。在城市园林设计中，若注重下垫面滞水能力，应优选嵌锁型锲形路面，其次是具有吸水能力的混凝土砖路面。

3 结 语

（1）大多数植物冠层均有滞留雨水的能力。试验研究的 25 种乔木中冠层总滞水能力最高的是龙柏，其次是垂丝海棠、桂花和鸡爪槭。5 种灌木植物冠层总滞水能力最高的是蚊母，次之的是珊瑚朴和三角枫。乔木的冠层滞水能力强于灌木的冠层滞水能力。因此，在城市绿地建设中，应该根据适合当地气候条件尽可能地选择滞水能力相对较强的植物，充分发挥乔木滞留雨水能力强的特性，提高乔木的种植比例。

（2）11 种具有一定吸水能力的硬质地坪中单位面积总滞水量最多的是嵌锁型锲形路面，远远超过其他路面单位面积总滞水量，其次是混凝土砖路面，因此，在城市道路建设过程中，应尽可能选择这两类地坪材料和形式。