合肥地区常绿景观树种冠层雨水截留能力研究

姚雪晗，杨 帆，唐文莉，傅松玲

(1.安徽农业大学 经济技术学院，合肥 230011；2.安徽农业大学 林学与园林学院，合肥 230036)

随着城市化程度的提高，地球表面最原始的透水性下垫面变成了不透水的硬化铺装，这一变化影响了雨水的截留、下渗和蒸发等环节，从而导致地表径流的增加，加剧了城市内涝灾害发生的频率和强度[1-2]。

国际上雨水资源处置和管理的理念已经从传统的将雨水收集后经管道排放，变成了强调雨水的蓄渗、缓排和利用[3-4]。在大中型城市提出的“海绵城市”目标中，降低城市地表径流，提高环境保水能力的措施，越来越受到重视[5]。植物冠层对雨水的截留，既能够有效的降低地表径流，又能够优化水循环，对降水再分配具有重要的水文生态意义[6-8]。因此，植物冠层的雨水截留能力已经越来越受到重视[9]。

目前，大多数关于雨水截留的研究主要是针对森林林冠，如油松(Hnustabuliformis)林[10-11]、毛竹[12](Phyllostachysheterocycla)林以及落叶松[13](Larixgmelinii)林等，而针对城市绿地中园林植物的研究相对较少。冠层截留整个过程复杂多样，它受到多个方面的影响，包括物种组成、植物配置密度、树种的新老程度、冠层成分厚度、叶片自身吸水性的差别以及树种冠层本身的因素等，也受到大气中降雨特征的影响，如降水量、降水强度、降雨时间长短等影响[14]。由于各地的自然情况不同，树种冠层截留的测定结果也会有所差别，所以要想精确的得出冠层的截留效果，就不能使用实际观测截留量的方法，而冠层截留能力就可以比较客观的反映不同气候、不同地区和不同树种的冠层截留作用[15-16]。

本试验以合肥地区常见的10种常绿乔木树种冠层的雨水截留量作为研究对象，通过试验模拟浸水法，测定各树种冠层的雨水截流能力，进行叶片最大储水能力试验，通过植物冠层储水总量和植株单位占地面积储水量2个主要指标，分析常见景观植物的冠层储水能力特征、差异以及储水潜力，选择雨水截留能力较强的植物，为今后合肥地区景观植物的选择提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 合肥地区自然概况

安徽省合肥市是长江中下游城市群的核心城市之一，生态城市的建设是城市发展的必然要求。合肥地处中纬度地区，境内有丘陵岗地、低山残丘、低洼平原3种地貌，以丘陵为主。隶属亚热带湿润季风气候，其年平均气温15.8 ℃，年平均降水995.3 mm，年平均日照1 902.0 h。

1.2 HemiView林地冠层数字分析系统

1.2.1 系统简介 本试验在测定叶面积指数时，选择HemiView林地冠层数字分析系统，系统由一个180°鱼眼镜头和一台高分辨率数码单反相机(nikon coolpix P5100)组成，从植物冠层下方或森林地面向上取像,再将数码相机的高清晰度影像载入HemiView软件，进行分析处理。软件能够通过分析太阳辐射数据的相关信息，测量叶面积指数(LAI)、叶面倾角、叶面积指数的空间分布、冠层郁闭度、光照间隙及间隙分布状况等多种冠层参数。

1.2.2 使用方法 (1)测量时间选择为晴天 9:00以前或16:00以后，测量时将仪器放在需要测量的植物下方，调节好支架的平衡，保证指北针指向正北方，根据光照条件设置合适的曝光参数。

(2)试验人员离开3 m以外，使用遥控器操控相机进行拍照采集。

(3)将采集好的高清图像导入HemiView软件，对照片进行处理后，即可分析出各项指标。

1.3 10种常绿乔木名录

合肥地区常绿树木多种多样。本研究在合肥市安徽农业大学校园，逍遥津公园和庐州公园中，选择20 m×20 m的样各5块，记录15块样地中所有常绿乔木出现的频度，选择的频度最高的10种常绿乔木(表1)，分别记录每个乔木的种类，数量、树高、冠幅、叶面积指数等植物形态特征数据[17]。然后每个树种随机选择10株生长状况良好的健康乔木作为标准木，并用冠层分析系统测定其叶面积指数(LAI)，用胸径尺和卷尺测定胸径和冠幅。

1.4 测定方法

1.4.1 测量叶片储水能力 通过浸泡法[18-19]测定供试材料叶片浸水前后的重量差来明确植被冠层叶片的潜在最大截留量。

(1)植物叶片选取：选取供试树种标准木的标准枝，每株植物分别选取20个标准叶片，使用高枝剪随机剪下20个叶片，放入自封袋保存并记录，并使用冠层分析仪(nikon coolpix P5100)拍摄照片。将这10种常绿乔木叶片带回实验室。

通过已标准化矩阵Z计算相关系数矩阵M，并计算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种常绿乔木名录Table 1 List of 10 everygreen tree species

(2)叶面积测定：使用手持式叶面积仪(CI-203)测定每个叶片的叶面积。

(3)叶面积指数(LAI)的测定：将数码相机中拍摄的冠层照片导入HemiView软件中，计算每种植物的叶面积指数。

(4)叶片最大储水能力测定：使用镊子将叶片放在精度为0.01的电子天平快速称量，得到浸水前质量-叶片鲜质量(M1)，然后将叶片浸入水中5 min，用镊子轻轻取出，等枝叶上的水珠不再下滴时用吸水纸吸去叶背面水滴，并且再次称量，得到浸水后质量(M2)，2次称量值的差值为植被吸附水量即最大截留量，用下式计算：

I=M2-M1

M1为植株鲜质量(g)，M2为植株浸水后质量(g)，I为最大截留量(g) 。

叶片面积S的测定使用CI-203手持式叶面积仪，单位叶片面积的最大吸附水量即最大截留量为：G=I/S，其中G为单位面积叶片吸附水量(g/m2)；S为叶片面积(m2)。

Vt反映的是单一植株个体的冠层储水能力，而VP则能够反映出这个植物种类整体的储水 能力。

Vt=GSGLAI

Vt为植物冠层储水总量(g)；G为单位面积叶片储水量(g/m2)；LAI为叶面积指数；SG为植物冠层投影面积(m2)。

VP=Vt/SG

VP为植物单位占地面积储水量；Vt为植物冠层储水总量(g)；SG为植物冠层投影面积(m2)。

1.4.3 数据处理 叶面积指数的测定，采用图像处理软件Hemiview。使用统计软件Excel 2013进行试验数据的统计和计算。采用DPS_7.05进行数据方差分析、相关性分析和通径分析。

2 结果与分析

2.1 10种常绿乔木冠层截留能力统计

1株植物的冠层雨水截留能力主要体现为冠层储水总量和植株单位占地面积储水量两个指标上。由数据结果(表2)可看出，在这10种常绿植物中，冠层储水总量较大的植物为雪松 (87 529.42 g)、龙柏(23 572.04 g)和广玉兰 (20 457.07 g)，较小的为枇杷(1 300.43 g)和枸骨 (2 712.46 g)；单位占地面积储水量较大的为龙柏(1 132.17 g/m2)，雪松(1 061.30 g/m2)、杨梅(990.74 g/m2)，较小的是构骨(156.42 g/m2)和枇杷(178.08 g/m2)。

由表3可知，在供试树种中，不同树种的冠幅、叶片平均面积、叶片储水量、叶面积指数、冠层总储水量和单位占地面积储水量，均差异显著 (P=0.009 9)，其中雪松和龙柏，在植物冠层总储水量和单位占地面积储水量的表现最为优秀。

2.2 冠层截留能力与植株各因素的关系

2.2.1 冠层截留能力与各因素的相关性分析 由表4可见，冠层储水总量与冠幅在P=0.01水平上呈正相关(r=0.91)，单位占地面积储水量与叶面积指数在P=0.05水平上呈正相关(r= 0.72)，冠层总储水量与单位占地面积储水量在P=0.05水平上呈正相关(r=0.64)。由此可见，供试植株的冠幅对冠层储水总量影响较大，而其单位占地面积储水能力受叶面积指数影响 较大。

表2 10种常绿乔木冠层截留能力统计Table 2 Rainfall interception data of ten evergreen tree species

2.2.2 冠层储水总量与植株各因素的关系 冠层储水总量可以直接反映该株乔木树冠在降雨时所能够截留雨水的总量。由通径分析(表5)可见，供试植株的各项指标对冠层储水总量直接作用由大到小依次为平均冠幅(r=0.815 0)，叶面积指数(r=0.163 0)，叶片平均储水量(r= 0.124 9)，平均叶片面积(r=-0.089 8)。由此可见，冠幅对于冠层储水总量的正向贡献最大，其次是叶面积指数和叶片平均储水量。叶面积指数通过平均冠幅(r=0.420 7)对于冠层储水总量的间接正向贡献也相对较大。所有指标对于冠层储水总量的直接和间接的负向效应均相对较小。

表3 各指标方差分析表Table 3 ANOVA table of each index

表4 冠层截留能力与各因素相关性Table 4 Correlation analysis between canopy interception ability and each factor

表5 冠层储水总量与植株各因素的通径分析Table 5 Path analysis between total canopy water storage and each factor

2.2.3 单位占地面积储水量与植株各因素的关系 植株的叶面积指数，反映单位面积土地上该植株的叶片数量，间接影响植物对于雨水的截留能力。由表6可见，供试植株的各项指标对单位占地面积储水量直接作用由大到小依次为叶片平均储水量(r=1.316 8)、叶面积指数(r= 0.736 3)、平均冠幅(r=-0.072 9)和平均叶片面积(r=-1.181 6)。可见,叶片平均储水量对于植物单位占地面积储水量的正向贡献最大，其次是叶面积指数；叶面积指数通过平均叶片面积(r=0.404 7)对单位占地面积储水量有着正向贡献。冠幅对于冠层储水总量的正向贡献也相对较大，其他指标对于单位占地面积储水量的间接影响均相对较小。

表6 单位占地面积储水量与植株各因素的通径分析Table 6 Path analysis between water storage per cover unit and each factors

3 讨 论

松柏科植物叶片多为小且密集的簇生类型，互相交错结构复杂，利用水的张力固着在叶片彼此之间的水量相对更多，且树体高大冠幅宽广。本研究中，同样叶片表面积内，雪松和龙柏的相对储水能力更强，再加上其树冠宽广较大，整株植物的冠层储水总量明显大于其他树种。枇杷和构骨各项指标均表现较差，可能因为枇杷的枝条层次间距较大，叶片在小枝上着生的也并不紧密，较低的叶面积指数使其在单位占地面积上无法获得更高的储水量。这与郭胜男等[15]、刘艳丽等[20]、高雁等[21]和游宇等[22]的研究结果基本一致。

本研究中，通径分析显示，叶面积指数对于植物的单位占地面积储水量有着较高的正向贡献，而此项指标对冠层截留能力的影响，前人的研究相对较少。本试验中表现较好的雪松、龙柏和杨梅，都有着相对较高的叶面积指数，这意味着每一株植物的叶片总面积相对较大，在同样的树冠投影面积之下，其整个冠层则能够储存较多的雨水。 反之，试验中表现较差的枇杷和构骨，叶面积指数都相对较低。因此，叶面积指数对于植物截留雨水能力的影响可能是以后对于城市景观树种冠层截留能力研究的方向。

合理的林木种类搭配以及林冠覆盖率的增加都能有效减少雨水产流，林冠截留效果应该纳入海绵城市建设的考虑范畴，相关的设计计算也应该考虑林冠所产生的作用。

本研究认为，合肥地区在日后的城市景观常绿树种的选择中，可以相对重点的使用以上几种树种或选择冠幅较大，叶面积指数较高的树种作为园林植物基础种植，从而获得更好的雨水拦蓄功能。本项目后续将继续研究更多类型的城市园林树种，以期能够进一步为城市绿地植物的选择和配植起到一定的指导作用。

4 结 论

以合肥地区10种景观常绿树种冠层的雨水截留能力为研究对象，采用了创新的研究理论和实验室浸水的方法，测定出10种常绿景观树种冠层的雨水截留能力。试验数据表明，雨水截留能力相对较好的植物为雪松、龙柏、杨梅和广玉兰等。其中，植株冠幅对其冠层储水总量正向影响较大，叶片储水能力和叶面积指数对于植株单位占地面积储水量影响较大。