北京常用树木叶片吸水性能与冠层雨水截留能力评价

李嘉乐，李新宇，段敏杰，王 行

(北京市园林科学研究院/园林绿地生态功能评价与调控技术北京市重点实验室，北京 100102)

近些年，北京市频遭短历时、高强度、局地性暴雨冲击，导致城区内部出现严重的内涝现象。园林树木能有效的截留雨水，缓解强降雨对地表造成的冲击，减少强降雨对城市造成的损失[1]。选择雨水截留能力强、适合北京市的园林树木，是城市绿地建设的重要环节。

植物冠层截留是植物截留雨水的重要环节[2]，植物冠层对雨水的截留能力主要研究方法包括间接测量法和直接测量法，间接测量法即水量平衡法广泛应用于森林对雨水截留的研究，直接测量法包括称重法、浸水法、喷雾法等，操作简单、能快速获取数据[3]。国外学者对森林冠层的雨水截留率研究较为深入，通过建立模型，分析不同林分条件下冠层的雨水截留率，发现林冠截留能够有效减少其下垫面的雨水径流体积[4-6]。国内有学者以城市孤植树及乔灌混交群落为研究对象，发现不同地区不同植物个体雨水截留能力存在的差异[7-9]。目前针对北方城市常见园林树木冠层截留能力评价的研究较少。基于此，作者通过测定北京市常用的园林树木单位叶面积截留量，估算整株植物的雨水截留能力，进而评价筛选雨水滞留能力较强园林树木，以期发挥绿地截留雨水的生态作用，减少城市内涝灾害的发生。

1 材料及方法

1.1 整体概况

以北京市园林科学研究院及周边绿地为采样地点，该试验区位于北京市东四环边(北纬39.97°，东经116.46°)，植物种类丰富，植物生长环境一致。

共选取27种应用频率较高的树木，其中乔木15种，灌木12种，包括针叶树3种，阔叶树24种，每种树木选择3株，均为生长状况良好且规格常见，调查其基本数据取平均，树种规格参照2019北京市第九次绿化普查数据，确保不同树种之间比较的相对公平，根据“北京园林植物生态效益的经济价值评估软件”计算其绿量，具体数据见表1。

1.2 研究方法

1.2.1 样本采集 于2020年7月分别对乔木及灌木各进行1次集中采样，采样时间为雨后5 d且晴朗无风的天气。每种植物选择3株长势良好的成年健壮植株，每种植物共采集20片标准叶片，叶片均采自树冠下方，选择表面干净、大小中等的成熟叶片，放入低温保温箱，带回实验室在4 ℃以下冷藏保存24 h。

表1 试验园林树木种类与规格试验植物规格Tab.1 Species and specifications of landscape trees observed

1.2.2 叶面积测定 使用LI-3000C叶面积仪进行叶面积测定，阔叶树种将每种植物叶片以5片为1组，分成4组，直接通过仪器分组记录植物叶面积。针叶树种用枝剪裁剪成5个5 cm长的1簇为1组，共4组，将每1个针叶剥离，放平通过仪器测量叶面积。

1.2.3 叶片吸水能力测定 按照测量叶面积的分组，将每组叶片进行称量，称量前用棉签对叶表面灰尘进行清洁，电子天平精度为0.0001，得到叶片浸水前的质量(M1)，将叶片浸水5 min后取出，叶片不再滴水后，称质量(M2)，再将叶片浸水5 min后取出，称质量(M3)。根据测得的数据，计算以下结果：

1)叶片吸水量I5=M2-M1，I10=M3-M1。其中，I5为浸水5 min的吸水量(g)，M1为浸水前的质量(g)，M2为浸水5 min的质量(g)。I10为浸水10min的吸水量(g)，M1为浸水前的质量(g)，M3为浸水10min的质量(g)。

1.2.4 绿量的计算 绿量是指植物叶片面积总量的大小。测量27种植物的胸径、冠幅、株高，将所得数据输入“北京园林植物生态效益的经济价值评估软件”，通过建立各植物体的一元、二元绿量计算回归模型，得出植物绿量[10]，各树种绿量计算结果见表1。

兼顾植物单位叶面积雨水截留量以及整株植株冠层雨水截留量，通过聚类分析法[11,12]，评价植物冠层的雨水截留能力。聚类分析选用K-均值聚类方法，选择植物5 min单位叶面积吸水量、10 min单位叶面积吸水量以及植物5 min整株植株冠层雨水截留量共3个评价因子，评价试验植物的雨水截留能力。

2 结果与分析

2.1 单位叶面积吸水能力分析

2.1.1 乔木单位叶面积吸水能力分析 从图1可以看出乔木共15种，针叶乔木3种，阔叶乔木12种。5 min单位叶面积吸水量从高到低分别是雪松、圆柏、栾树、油松、国槐。最高的雪松为374.65 g/m2，远高于其他乔木，是银杏(92.94 g/m2)的4.0倍。

10 min单位叶面积吸水量从高到低排序与5 min基本一致，最高的是雪松为428.94 g/m2，其次为圆柏、栾树、油松、国槐。单位叶面积吸水量最低的是银杏，为115.32 g/m2，雪松单位叶面积吸水量是银杏的3.7倍。

试验乔木10 min的单位叶面积吸水量均高于5 min，存在显著差异，但增幅不同。增长最快的是臭椿和圆柏，10 min单位叶面积吸水量是5 min的1.49和1.47倍。增长最慢的是栾树、紫叶李和雪松，10 min单位叶面积吸水量是5 min的1.16、1.16和1.14倍。

2.1.2 灌木单位叶面积吸水能力分析 12种阔叶灌木，5 min单位叶面积吸水量从高到低分别是榆叶梅、紫薇、金银木、月季、连翘。吸水量最高的榆叶梅为251.38 g/m2，最低的是红瑞木，为93.05 g/m2，榆叶梅单位叶面积吸水量是红瑞木的2.7倍。

10min单位叶面积吸水量从高到低为榆叶梅、连翘、紫薇、金银木、珍珠梅。最大的榆叶梅为266.77 g/m2，最小的丁香为116.31 g/m2，榆叶梅单位叶面积吸水量是丁香的2.3倍。

试验灌木10 min的单位叶面积吸水量均高于5 min，存在显著差异。增长最快的是连翘、红瑞木，10 min单位叶面积吸水量是5 min的1.44和1.40倍。增长最慢的是紫薇和榆叶梅，10 min单位叶面积吸水量是5 min的1.07和1.06倍。

2.2 不同树木冠层截留能力分析

从图2 可见，通过单位叶面积吸水量，及不同植物的绿量，可计算出植株冠层的雨水截留能力，分析不同个体之间截留能力的差异。

对比乔木整株树的5 min截留能力，截留能力最高的是雪松为106.02 kg，其次是国槐为82.05 kg，毛白杨、臭椿、紫叶李、栾树的截留能力在40～50 kg，银杏、悬铃木、西府海棠的截留能力较差，均小于10 kg。雪松的截留量是西府海棠的18.1倍。

对比灌木植株冠层的5 min截留能力，截留能力最强的是榆叶梅为12.09 kg，其次是金银木为5.52 kg，其余灌木截留量均小于2.5 kg，最小的紫叶小檗为0.07 kg，榆叶梅的截留量是紫叶小檗的172.7倍。

2.3 树木冠层截留能力评价

以上文提到的3个因子作为聚类分析的3个评价因子。将27种树木分为乔灌2类，对不同树种3个因子分别运用S-N-K法进行两两比较，结果显示，各树种之间存在显著性差异。乔木在多重方差两两比较下，5 min单位叶面积吸水能力共分成3组，10 min单位叶面积吸水能力共分成4组，冠层截留能力共分成6组。灌木在多重方差两两比较下，5 min单位叶面积吸水能力共分成4组，10 min单位叶面积吸水能力共分成6组，冠层截留能力共分成5组。各组间均存在显著性差异。

为方便研究成果推广应用，将树木冠层截留能力分成高、中、低3个等级。选择K-均值聚类方法，经过迭代运算，得到聚类结果。对聚类结果的类别进行方差分析，经方差齐性检验显著性均大于0.05，说明可以使用单因素方差分析，单因素方差分析P<0.005，即聚类效果好。

15种乔木聚合成3类，强截留能力的有1种，为雪松；中截留能力的有2种，为圆柏、栾树；弱截留能力的有12种乔木(表2)。

12种灌木聚合成3类，强截留能力的有1种，为榆叶梅；中截留能力的有5种，分别为紫薇、金银木、月季、连翘、珍珠梅；其余6种灌木属于截留能力弱。

3 讨论与结论

采用浸水法对植物叶片的吸水性能进行研究并评价树木冠层雨水截留能力，该方法易操作，环境影响较小，是目前采用较多的一种研究方法[7-9]。选用绿量计算整株植株截留雨水能力，对比同类型的相关研究，结果更能科学地计算叶片间重叠部分截留的雨水量。尤其考虑到城市中园林树木的种植形式，主要以单株植物为单位发挥生态效益，该方法更能反映出植物冠层截留雨水能力的差异，为进一步深入研究提供基础数据。

表2 植物截留能力分类结果Tab.2 Sorting results of tree rainfall interception capacity

研究结果显示不同植物叶片吸水及冠层截留雨水的能力差异显著，雪松的单位叶面积及冠层截留雨水量都是所有植物中最大的，远高于其他树种，截留能力最强。此外，圆柏截留能力也较好。针叶树的单位叶面积雨水截留量大于阔叶树种，与其他研究结果一致[7]。按照冠层截留雨水综合能力大小对树木进行分类，乔木中，雪松属于强雨水截留能力植物，圆柏、栾树截留雨水能力居中；灌木中，榆叶梅属于强雨水截留能力植物，紫薇、金银木、月季、连翘、珍珠梅雨水截留能力植物居中。在北方新建和已建城市绿地改造与海绵城市建设过程中，宜综合考虑树木对雨水的截留作用，从种类选择、配置比例、冠层覆盖率等方面做出合理规划。