6 种园林灌木植物冠层截留特征研究

朱炜晔，肖 冰，陈 平，石秀兰，郑丹琳，韩瑞宏

（仲恺农业工程学院园艺园林学院，广东 广州 510225）

【研究意义】海绵城市是城市可持续发展建设中一种新的雨洪管理概念，目的在于提高城市自身的雨洪管理能力，缓解城市在雨季和旱季带来的灾害［1-2］。在海绵城市建设中，选择冠层截留能力较好的植物，不仅可以在降水时吸收和阻挡部分雨水到达地面，减少地表径流量和城市内涝，而且还可以在干旱时通过植物叶片蒸腾作用将之前储蓄的水缓慢排出，提高城市局部水分的循环速率，改善局部小气候［3-4］。灌木具有观赏价值高，抗逆性强，生长迅速，管理方便，养护成本低等特点，是城市建设中不可缺少的绿化植物［5-7］。研究发现部分灌木植物冠层截留量较大，甚至比某些乔木冠层截留量高［3］，将灌木植物应用于海绵城市建设，不仅可美化环境，还能有效截留降水，在一定程度上缓解城市内涝。

【前人研究进展】近年来，国内外学者对植物叶片吸水量、植被冠层截留量等进行了相关研究并取得了许多重要的研究成果。Chandra 等研究发现，马达加斯加东部低山地雨林地区的两种森林林冠截留占总降雨量的71.0%［8］。我国各类森林生态系统林冠截留率为11.4%～36.5%，平均为22%［9］。在森林地区，整个雨季植被平均截留率高达40%［10］。李嘉乐等对北京市常用树木冠层雨水截留能力的研究发现，乔木中，雪松（Cedrus deodara）的雨水截留能力较强，灌木中，榆叶梅属（Prunus）的植物雨水截留能力较强［11］。王思思等对北京市21 种植物叶片吸水性能与冠层雨水截留能力的研究发现，11 种乔木的冠层雨水截留量在71.30～738.72 g/m2之间，6 种灌木的冠层雨水截留量在41.79～275.28 g/m2之间［3］。车生泉等对上海市70 种常见园林植物叶片单位面积吸水量的研究发现，叶片单位面积吸水量由高至低的顺序为常绿阔叶乔木＞灌木＞落叶乔木＞地被植物。［12］

【本研究切入点】近年来城市建设对广州市地表和地貌的改变产生了很大影响，导致广州市内经常出现水浸街现象［13］。广州市水资源较为丰富，但水资源时空分布极不均匀，夏天多雨，冬季干燥且少雨［14］。同时，随着广州市经济社会快速发展，水资源供需矛盾日益突出，工程型缺水、水质型缺水和政策性缺水并存［15］。在城市绿化中，选用冠层截留量大、持水性能好的灌木植物可以在一定程度上缓解城市内涝，减少旱季广州城市绿化用水，促进广州生态环境的发展。不同叶片特征的灌木植物，其截水、吸水与持水能力也不同，通过浸泡法可以评价不同灌木植物的冠层截留量大小。【拟解决的关键问题】通过研究广州市常见的6 种园林灌木植物冠层截留特征，了解常用园林灌木植物的冠层截留量，为园林灌木植物应用于广州市“海绵城市”建设提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

6 种园林灌木植物包括海桐（Pittosporum tobira）、灰 莉（Fagraea ceilanica）、簕杜鹃（Bougainvillea glabra）、大红花（Hibiscus rosasinensis）、红花檵木（Loropetalum chinensevar.rubrum）、米仔兰（Aglaia odorata），为仲恺农业工程学院白云校区校园内栽培的绿化植物，正常养护管理，其叶面特征见表1。

表1 植物叶面特征Table 1 Leaf surface characteristics of plants

1.2 试验方法

试验于2017 年12 月至2018 年1 月在仲恺农业工程学院白云校区内进行，试验期间天气晴朗，无降水。采样时间为上午9：00～10：00，每种灌木植物选取5 株长势良好的成年健壮植株，选择长势中等的成熟叶片和枝条，每株植物采集3 片叶片和3 根枝条，每种灌木植物共采集15 片叶片和15 根枝条，用湿润的纸巾包裹住材料切口，迅速拿回实验室用凝固胶封住其切口。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 叶片和枝条截留量 将采回的叶片和枝条快速称量鲜重，用直尺测量叶片长度和宽度，用游标卡尺测量叶片厚度，采用面积比值法测量叶面积［16］，记录枝条的叶片数。之后将叶片和枝条完全浸泡于装有水的圆桶内，让叶片和枝条吸水至饱和，然后用镊子将叶片和枝条从水中轻轻取出控水，当叶片和枝条上无明显水珠滴落时立刻称重。

叶片截留量=叶片吸水饱和重-叶片鲜重

枝条截留量=枝条吸水饱和重-枝条鲜重

1.3.2 单位叶面积截留量 在叶片浸泡过程中，记录叶片截留量随时间的变化，时间设置为300 min。前120 min 每隔20 min 将叶片取出测量1 次重量，120～180 min每隔30 min测量1 次，180 min 后每隔60 min 测量1 次。

单位叶面积吸水量=（浸泡后叶片的重量-叶片鲜重）/叶面积

1.3.3 单位叶面积失水量 当叶片吸水达到饱和并称重后去掉叶片切口的凝固胶，开始失水计时。时间设置为：前10 min 每隔5 min 测定1 次重量，10～100 min每隔10 min测定1 次，100～180 min每隔20 min 测定1 次，180～480 min 每隔60 min测定1 次，失水至采后鲜重为止。

单位叶面积失水量=（叶片饱和重-失水后叶片重量）/叶面积

1.3.4 叶片和枝条含水量 将失水至采后鲜重的叶片和吸水饱和的枝条放入烘箱中，105 ℃杀青，70 ℃烘干称重，计算叶片含水量和枝条含水量。

1.3.5 植物冠层截留量 测量6 种灌木的株高、冠幅长轴和短轴的长度，计算灌木冠层投影面积；记录灌木的枝条数，将长势中等的枝条作为标准枝，根据1.3.1 测量的枝条截留量估算整株灌木的枝条最大截留量。根据灌木冠层投影面积计算6种灌木最大冠层截留量（g/m2）。

冠幅=（冠幅长轴+冠幅短轴）/2

冠层投影面积S ＝π×冠幅长轴×冠幅短轴/4

试验数据采用Excel 2007、SPSS22.0 软件进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 植株形态及叶片最大截留量

从表2 可以看出，6 种园林灌木植物形态之间差异显著，其中灰莉叶片长度、叶片厚度、叶面积及叶片鲜重最大，簕杜鹃叶片宽度最大，大红花株高最高，海桐冠幅最大。6 种园林灌木植物叶片含水量差异显著，其中灰莉叶片含水量最大、为84.38%，红花檵木叶片含水量最小、为55.68%，其他植物叶片含水量在63.23%～73.38%之间。6种园林灌木植物中叶片鲜重最大的是灰莉，最小的是红花檵木。6 种园林灌木植物中叶片最大截留量差异显著，其中灰莉、簕杜鹃、大红花叶片最大截留量较大，均在200 mg 左右；米仔兰叶片最大截留量居中，为112.93 mg；海桐和红花檵木叶片最大截留量相对较小，均在60 mg 以下。

表2 6 种园林灌木植物形态指标及叶片最大截留量Table 2 Morphological indexes and maximum interception of leaf of 6 landscape shrub plants

2.2 叶片最大截留量与叶片形态指标、生长指标相关性分析

从表3 可以看出，6 种园林灌木植物叶片最大截留量与叶面积呈极显著正相关，与叶长、叶宽和叶片含水量呈显著正相关，与叶厚和叶鲜重相关性不显著。

表3 6 种园林灌木叶片最大截留量与叶片形态指标间相关性分析Table 3 Correlation analysis between maximum interception of leaf and leaf morphological indexes of 6 landscape shrub plants

2.3 单位叶面积截留量随时间的变化

从图1 可以看出，浸泡0～20 min，6 种园林灌木植物单位叶面积截留量均迅速增加，其中大红花单位叶面积截留量最大、为11.93 mg/cm2，灰莉单位叶面积截留量最小、为4.43 mg/cm2，其他4 种园林灌木植物单位叶面积截留量介于两者之间；浸泡40 min，灰莉、勒杜鹃、红花檵木、海桐单位叶面积截留量仍较大幅度上升，而大红花单位叶面积截留量变化不大，米仔兰单位叶面积截留量则表现小幅度降低；浸泡40 min 之后，红花檵木单位叶面积截留量继续呈上升趋势且在120 min 后较大幅度的高于其他几种植物，大红花在吸水60 min 单位叶面积截留量达到最大、为13.76 mg/cm2，之后缓慢降低，其他4 种植物40 min 后继续缓慢吸水至饱和，之后仍小幅度波动变化。

图1 6 种园林灌木植物单位叶面积截留量随时间的变化Fig.1 Interception variation of unit leaf area of 6 landscape shrub plants with time

2.4 吸水饱和后单位叶面积失水量随时间的变化

从图2 可以看出，6 种吸水饱和的园林灌木植物在0～5 min 内单位叶面积失水量最大，失水速度最快，其中大红花单位叶面积失水量达9.95 mg/cm2，米仔兰单位叶面积失水量最小、为6.91mg/cm2；5 min 后，6 种植物单位叶面积失水量均大幅下降。6 种园林灌木的持水性能不同，其中灰莉的持水性能最好，虽然从20 min 开始其单位叶面积失水量较大幅度地高于其他植物，但其单位叶片从吸水饱和到返回接近鲜重状态耗时长达480 min；海桐和米仔兰吸水饱和后，持水性也较强，单位叶面积失水量从吸水饱和到失水接近鲜重状态分别耗时140 min 和100 min；另外3种灌木植物单位叶面积失水量从吸水饱和到失水接近鲜重状态分别耗时60～70 min。

图2 6 种园林灌木植物吸水饱和叶片单位叶面积失水量随时间的变化Fig.2 Water loss variation of unit leaf area of 6 landscape shrub plants with time

2.5 枝条最大截留量

从表4 可以看出，6 种园林灌木植物枝条最大截留量之间差异显著，其中大红花枝条截留量最大、为14.85 g，显著高于其他5 种植物；米仔兰、灰莉、簕杜鹃和海桐枝条最大截留量均在3～4 g之间，红花檵木枝条的最大截留量最小、为1.85 g。

表4 6 种园林灌木植物枝条最大截留量Table 4 Maximum interception of branch of 6 landscape shrub plants

2.6 冠层最大截留量

从图3 可以看出，6 种园林灌木植物之间冠层最大截留量差异显著，其中大红花的冠层截留量为3 204 g/m2，显著高于其他5 种植物；海桐、灰莉、簕杜鹃和米仔兰的冠层截留量在500～1 000 g/m2之间，红花檵木的冠层截留量最小、为406.48 g/m2。

图3 6 种园林灌木植物冠层截留量Fig.3 Maximum interception of canopy of 6 landscape shrub plants

2.7 冠层最大截留量与枝条各指标间相关性分析

从表5 可以看出，6 种园林灌木植物冠层最大截留量与枝条最大截留量呈极显著正相关关系，与枝条鲜重呈显著正相关关系，与其他形态指标相关性不显著；枝条最大截留量与枝条鲜重呈极显著正相关，枝条数量与冠幅投影面积呈显著正相关。

表5 冠层最大截留量和枝条各指标间相关性分析Table 5 Correlation analysis between maximum interception of canopy and indexes of branch

3 讨论

植物叶片不仅能截留降水，雨水还能通过叶片表面进入到叶片内部被植物吸收［17-19］。研究叶片吸水的不同方法中，比较常见的是“浸泡法”［20］。本研究通过浸泡法测量6 种园林灌木植物截留量，发现勒杜鹃、灰莉、大红花等叶片较大的灌木植物其叶片最大截留量也较大。相关分析表明，6 种园林灌木植物叶片最大截留量与叶长、叶宽、叶面积相关性显著。刘艳丽等对玉米、紫花苜蓿、刺槐等5 种植物的研究发现，叶长、叶宽与叶片最大截留量相关性不显著，但叶面积与叶片最大截留量呈很好的线性正相关关系［20］。

本研究中，海桐、灰莉、大红花、红花檵木、米仔兰浸泡0～20 min 的叶面积截留量迅速增加，勒杜鹃浸泡0～40 min 单位叶面积截留量迅速增加，之后6 种园林灌木植物单位叶面积截留量增加趋势减缓，直至吸水饱和。该结果与王迪等对冬小麦叶片、于璐等对草坪草叶片吸水趋势的研究结论一致［21-22］。这表明叶片吸水存在一个阈值，叶片初始接触水分时，由于叶片表面较干燥，水分经由细胞壁进入原生质和液泡较快，经过一段时间后，叶片吸水逐渐达到饱和，吸水量达到一个相对稳定的值［22］。叶片吸水20 min，具密生绒毛的红花檵木和勒杜鹃单位叶面积截留量低于大红花，可能是由于大红花叶面适量的绒毛更有利于持水。Brewer 等研究发现，适量稀疏绒毛有利于刺破水滴表面诱导水滴分散成膜，但密被绒毛反而不利于叶片持水［23］；叶片吸水80～300 min，具蜡质层的3 种灌木植物其单位叶面积截留量低于另外3 种不具蜡质层的灌木植物。叶片蜡质具有一定的疏水性，蜡质通常被认为会降低叶片的吸水能力［24］。对吸水饱和后单位叶面积失水量的研究发现，海桐、米仔兰、灰莉3种具蜡质层的植物失水达到原来鲜重的时间高于另外3 种不具蜡质层的植物，特别是灰莉，其恢复到鲜重的时间长达480 min，这可能和植物叶片的表皮蜡质有关，叶片表皮蜡质作为致密的保护层，可以限制非气孔的水分散失，对保持叶片水分起着重要作用［25］。

本研究中，6 种园林灌木植物冠层（包括叶片及枝条）截留量在406.48～3 204 g/m2之间，未将叶片与枝条分离，也未对比不同灌木间叶与枝截留能力的差异。荐圣淇等研究发现，不同灌木叶片与枝条截留量不同，其中柠条各组分最大截留量为枝条＞叶＞树干，沙棘为树干＞枝＞叶［26］。

4 结论

本研究结果表明，6 种园林灌木植物中，勒杜鹃、大红花、灰莉叶片最大截留量显著高于另外3 种植物；单位叶面积截留量最大的是红花檵木，其次是大红花和勒杜鹃；叶片吸水饱和后持水性最好的是灰莉；大红花单位绿地面积冠层截留量最大，每平方米可达3 204 g。今后在城市绿化建设中可将单位绿地面积冠层截留大的灌木如大红花、持水性能较好的植物如灰莉应用在海绵城市建设中，有助于抵抗城市内涝，提高城市的水弹性，缓解城市用水压力，促进广州市生态可持续发展。