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北京市21种植物的叶片吸水性能与冠层雨水截留能力研究

王思思 龙佳 丁涵

王思思, 龙佳, 丁涵. 北京市21种植物的叶片吸水性能与冠层雨水截留能力研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379
引用本文: 王思思, 龙佳, 丁涵. 北京市21种植物的叶片吸水性能与冠层雨水截留能力研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379
Wang Sisi, Long Jia, Ding Han. Leaf water absorption and canopy rainfall interception of twenty-one plant species in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379
Citation: Wang Sisi, Long Jia, Ding Han. Leaf water absorption and canopy rainfall interception of twenty-one plant species in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379

北京市21种植物的叶片吸水性能与冠层雨水截留能力研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379
基金项目: 国家自然科学基金项目(31870704)
详细信息
    作者简介:

    王思思,博士,副教授。主要研究方向:雨水控制利用、水景观生态规划设计。Email:wangsisi@bucea.edu.cn  地址:100044北京市西城区展览馆路1号北京建筑大学

  • 中图分类号: S731.9

Leaf water absorption and canopy rainfall interception of twenty-one plant species in Beijing

  • 摘要:   目的  植物冠层截留雨水对削减雨水径流起到重要作用,而植物叶片吸水性能与植物冠层截留雨水的能力息息相关。  方法  为了评估植物冠层对雨水的截留能力,通过浸水实验、实地测量、航片分析等方法,对北京市21种不同类型植物叶片吸水量、冠层截留量和冠层截留体积进行计算。  结果  研究表明:(1)植物吸水量与浸水时间呈对数函数关系;(2)植物叶片吸水过程可划分为3个阶段,乔木和灌木的叶片吸水过程类似,20 min时叶片吸水量均值分别为0.17 g和0.05 g,80 min时叶片吸水量均值分别为0.18 g和0.06 g,120 min时叶片吸水量均值分别为0.18 g和0.06 g;草本植物叶片20 min时叶片吸水量均值为0.13 g,40 min时叶片吸水量均值为0.27 g,120 min时叶片吸水量均值为0.21 g;(3)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,4种草本的冠层雨水截留量在57.82 ~ 217.49 g/m2之间,常绿针叶植物冠层截留量明显高于落叶阔叶植物;(4)部分灌木和草本植物冠层截留量比部分乔木冠层截留量高,如黄杨、鸢尾;(5)植物冠层截留体积与冠层覆盖面积、植物冠层截留量呈正相关关系,常绿针叶乔木+常绿灌木+草本搭配组合的冠层截留体积最大;(6)雪松+黄杨+鸢尾群落冠层的多年平均降雨截留量占总降雨量的比例为11.57%,对小降雨事件有显著截留效果。  结论  不同植物种类及配置对城市绿地雨水截留能力有影响,本研究可为构建高截留能力植物群落及海绵城市绿地建设提供参考。
  • 图  1  前5种乔木叶片吸水量

    Figure  1.  Leaf water absorption of the first 5 arbor species

    图  2  后6种乔木叶片吸水量

    Figure  2.  Leaf water absorption of the last 6 arbor species

    图  3  灌木叶片吸水量

    Figure  3.  Shrub leaf water absorption

    图  4  草本植物叶片吸水量

    Figure  4.  Herb leaf water absorption

    图  5  21种植物冠层截留量排序

    Figure  5.  Sequence of canopy interception quantity of 21 plant species

    图  6  13种植物冠层截留体积排序

    Figure  6.  Sequence of canopy interception volume of 13 plant species

    图  7  10组典型植物群落冠层截留体积

    Figure  7.  Canopy interception volume of 10 typical plant communities

    图  8  北京市降雨事件与降雨量关系曲线示意图(1982—2011年)

    Figure  8.  Schematic diagram of the relationship between rainfall events and rainfall in Beijing (1982−2011)

    图  9  植物群落的场降雨截留率与降雨量的关系示意图

    Figure  9.  Schematic diagram of the relationship between interception rate of single rainfall event and rainfall

    图  10  本研究单位叶片面积吸水量与相关研究比较

    Figure  10.  Water absorption per unit leaf area compared with the related study

    表  1  试验区基础数据

    Table  1.   Basic data in experimental area

    研究区域
    Experimental area
    绿地性质
    Classification of green space
    建成年代
    Year of completion
    占地面积
    Site area/m2
    建筑面积
    Construction area/m2
    绿化覆盖率
    Green coverage/%
    乔木冠层
    覆盖面积
    Arbor canopy
    cover area/m2
    灌木冠层
    覆盖面积
    Shrub canopy
    cover area/m2
    草本冠层
    覆盖面积
    Herb canopy
    cover area/m2
    恭王府
    Prince Kung’s Mansion
    公园绿地
    Public park
    1785 61 120 32 260 46 23 054 5 060 6 466
    中央音乐学院
    Central Conservatory of Music
    附属绿地
    Attached green space
    1940 54 446 87 485 23 9 767 3 130 3 882
    北京口腔医院
    Beijing Stomatological Hospital
    附属绿地
    Attached green space
    1945 23 000 28 659 20 3 680 874 1 150
    前门大街
    Qianmen Street
    附属绿地
    Attached green space
    1550 22 300 22 4 464 294 147
    菊儿胡同
    Juer Hutong
    附属绿地
    Attached green space
    1985 14 600 18 666 24 3 188 280 70
    荣宁园小区
    Rongningyuan Community
    附属绿地
    Attached green space
    2001 18 500 80 300 15 1 942 888 1 137
    注:—代表无建筑面积。Note:— indicates no construction area.
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    表  2  21种植物冠层雨水截留量

    Table  2.   Canopy rainfall interception of 21 plant species

    类型
    Class
    类别
    Type
    种名
    Species name
    叶面积指数
    Leaf area index
    叶片单位面积
    吸水量
    Leaf water absorption/(g·m−2
    单株植物冠层
    覆盖面积
    Individual plant canopy coverage/m2
    植物冠层雨水
    截留量
    Plant canopy rainfall interception/(g·m−2
    乔木 Arbor 常绿针叶
    Evergreen needle
    圆柏
    Sabina chinensis
    5.13 144 20.25 738.72
    雪松
    Cedrus deodara
    5.84 121 58.50 706.64
    油松
    Pinus tabuliformis
    4.72 145 64.00 684.40
    落叶阔叶
    Deciduous broadleaf
    毛白杨
    Populus tomentosa
    3.77 69 45.50 260.13
    玉兰
    Magnolia denudata
    4.55 33 19.78 150.15
    银杏
    Ginkgo biloba
    3.50 32 63.08 112.00
    碧桃
    Amygdalus persica ‘Duplex’
    3.16 34 22.50 107.44
    西府海棠
    Malus × micromalus
    3.50 30 28.08 105.00
    白丁香
    Syringa oblata var. alba
    2.78 31 55.76 86.18
    紫叶李
    Prunus cerasifera f. atropurpurea
    2.50 30 21.20 75.00
    旱柳
    Salix matsudana
    3.10 23 48.28 71.30
    灌木 Shrub 常绿
    Evergreen
    黄杨
    Buxus sinica
    4.44 62 275.28
    金叶女贞
    Ligustrum × vicaryi
    4.16 43 178.88
    落叶
    Deciduous
    连翘
    Forsythia suspensa
    1.90 48 8.40 91.20
    榆叶梅
    Amygdalus triloba
    2.10 36 9.80 75.60
    月季
    Rosa chinensis
    2.57 27 69.39
    紫叶小檗
    Berberis thunbergii ‘Atropurpurea’
    1.99 21 41.79
    草本 Herb 鸢尾
    Iris tectorum
    5.83 37 217.49
    玉簪
    Hosta plantaginea
    3.35 42 142.80
    沿阶草
    Ophiopogon bodinieri
    4.76 30 139.92
    八宝
    Hylotelephium erythrostictum
    4.13 14 57.82
    注:− 表示植物常为丛生或者簇生种植模式,不进行单株冠幅面积测定。Notes: − indicates that plants are often planted in clusters, and the canopy area of a single plant is not measured.
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    [19] 曹金珍, 许月卿, 张春雨, 张力平, 史军辉, 赵广亮, 张亚利, 杨永福, 郭小平, 马履一, 钟健, 贾彩凤, 于格, 吕兆林, 林峰, 何恒斌, 何利娟, 王献溥, 李秀芬, 李笑吟, 姜春宁, 于占源, 王勇, 王华, 李长洪, 赖巧玲, 郭惠红, 王希群, 朱清科, 于顺利, 曾德慧, 邵晓梅, 孙长霞, 郝玉光, 尚晓倩, 鲁春霞, 李鸿琦, 黄忠良, 赵秀海, 郑彩霞, 杨明嘉, 毕华兴, 杨培岭, 王骏, 王继兴, 习宝田, 赵博光, 朱教君, 李悦, D.PascalKamdem, 胥辉, 贾桂霞, 尚宇, 郑景明, 包仁艳, 姜凤岐, 任树梅, 欧阳学军, 张志2, 张榕, 李黎, 朱金兆, 刘燕, 丁琼, 费孛, 王庆礼, 崔小鹏, 陈宏伟, 丁琼, 甘敬, 谢高地, 王秀珍, 周金池, 杨为民, 沈应柏, 贾昆锋, 张中南, 张池, 刘足根, 沈应柏, 刘艳, 何晓青, 贾桂霞, 刘鑫, , 蔡宝军, , 范志平, 毛志宏, 周金池, 唐小明, 张方秋, 陈伏生, 李林, 鹿振友, 李凤兰, 纳磊, 马玲, 赵琼, 周小勇, , 申世杰, .  北京市森林经营的基本原则刍议 . 北京林业大学学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-30
  • 修回日期:  2020-03-28
  • 网络出版日期:  2020-09-21

北京市21种植物的叶片吸水性能与冠层雨水截留能力研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379
    基金项目:  国家自然科学基金项目(31870704)
    作者简介:

    王思思,博士,副教授。主要研究方向:雨水控制利用、水景观生态规划设计。Email:wangsisi@bucea.edu.cn  地址:100044北京市西城区展览馆路1号北京建筑大学

  • 中图分类号: S731.9

摘要:   目的  植物冠层截留雨水对削减雨水径流起到重要作用,而植物叶片吸水性能与植物冠层截留雨水的能力息息相关。  方法  为了评估植物冠层对雨水的截留能力,通过浸水实验、实地测量、航片分析等方法,对北京市21种不同类型植物叶片吸水量、冠层截留量和冠层截留体积进行计算。  结果  研究表明:(1)植物吸水量与浸水时间呈对数函数关系;(2)植物叶片吸水过程可划分为3个阶段,乔木和灌木的叶片吸水过程类似,20 min时叶片吸水量均值分别为0.17 g和0.05 g,80 min时叶片吸水量均值分别为0.18 g和0.06 g,120 min时叶片吸水量均值分别为0.18 g和0.06 g;草本植物叶片20 min时叶片吸水量均值为0.13 g,40 min时叶片吸水量均值为0.27 g,120 min时叶片吸水量均值为0.21 g;(3)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,4种草本的冠层雨水截留量在57.82 ~ 217.49 g/m2之间,常绿针叶植物冠层截留量明显高于落叶阔叶植物;(4)部分灌木和草本植物冠层截留量比部分乔木冠层截留量高,如黄杨、鸢尾;(5)植物冠层截留体积与冠层覆盖面积、植物冠层截留量呈正相关关系,常绿针叶乔木+常绿灌木+草本搭配组合的冠层截留体积最大;(6)雪松+黄杨+鸢尾群落冠层的多年平均降雨截留量占总降雨量的比例为11.57%,对小降雨事件有显著截留效果。  结论  不同植物种类及配置对城市绿地雨水截留能力有影响,本研究可为构建高截留能力植物群落及海绵城市绿地建设提供参考。

English Abstract

王思思, 龙佳, 丁涵. 北京市21种植物的叶片吸水性能与冠层雨水截留能力研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379
引用本文: 王思思, 龙佳, 丁涵. 北京市21种植物的叶片吸水性能与冠层雨水截留能力研究[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379
Wang Sisi, Long Jia, Ding Han. Leaf water absorption and canopy rainfall interception of twenty-one plant species in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379
Citation: Wang Sisi, Long Jia, Ding Han. Leaf water absorption and canopy rainfall interception of twenty-one plant species in Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190379
  • 绿地具有天然的海绵功能,是海绵城市建设的重要载体,其植物在雨水的滞留、下渗和净化等方面具有重要作用[1]。在降雨过程中,植物对雨水的再分配过程可分为3种:林冠截留、穿透雨量和树干茎流[2],其中植物叶片的吸水能力是影响植物林冠截留的一个重要因素[3]。林冠截留指的是雨水降落在植被上,受到植被树冠上层第一次截留的过程,在削减地表径流,调节地表水量平衡中发挥了重要作用[4]

    目前,国内外学者已对植物的吸水能力与林冠截留能力展开了研究。研究结果表明,影响植物林冠截留的主要因素可分为自身因素与外界因素[5-7],并提出了截留量与降雨量的数学模型[8-11]与估算方法[12-13]。大部分研究集中在不同森林植被林冠截留及截留效应上,如Stringham等[14]通过对内华达州波特峡谷单叶松林进行降雨截留研究,发现该区域松林林冠截留率平均为44.6%(± 27.0%);Chandra等[15]运用模型分析得出马达加斯加东部低山地雨林地区的两种森林林冠截留、穿透雨量和茎干截留分别占总降雨量的71.0%、1.7%和27.3%。关于城市树木雨水截留研究较少,Katarina等[16]发现城市停车场的桦树(Betula)和松树(Pinus)分别能够截留降雨量的23%和45%,且停车场林冠覆盖面积每增加10%,每年地表径流则减少7.3%。车生泉等[17]利用浸水法对上海市70种常见园林植物的冠层截留能力进行了测定和估算,结果表明针叶树种的叶片单位面积吸水量平均值较高(83.41 g/m2),其次为常绿阔叶乔木(42.78 g/m2)、灌木(42.53 g/m2)和落叶乔木(37.94 g/m2),地被植物单位面积吸水量最小,均值为26.83 g/m2

    自然植被与城市植被在生活环境、群落构成、个体发育方面等有较大差异,因而森林植被截留数据也不完全适用于城市植被,且对我国北方城市不同种类植物的叶片吸水能力与其冠层截留能力特性的分析和研究较少,故通过测定北京城市绿地植被的叶片吸水量、冠层截留量和冠层截留体积,研究不同植物的截留能力,为构建高雨水截留型园林植物群落,减少径流控制设施的规模和投资成本,提升海绵城市建设效果提供参考。

    • 北京市属温带季风性气候,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥。根据北京市水务局降雨量统计得出全市年平均降雨量为541.3 mm(1956—2015年),其中近80%降雨量集中在6—9月,主要植被类型为落叶阔叶林。

      老城区绿地率偏低,改造难度大,城市植被截留能力对雨水径流的控制可能产生较大影响,故本研究将试验区设在北京老城区的建筑与小区中的6块典型绿地。通过植被调查和航片分析结果得出场地内的绿化覆盖率和不同类型植被所占绿地覆盖率,计算后得出不同类型植被占地面积(表1)。统计得出6个典型场地内现有植物200余种,乔木以玉兰(Magnolia denudata)、毛白杨(Populus tomentosa)、旱柳(Salix matsudana)等为主,灌木以黄杨(Buxus sinica)、女贞(Ligustrum lucidum)、紫叶小檗(Berberis thunbergii ‘Atropurpurea’)等为主,草本以沿阶草(Ophiopogon bodinieri)、玉簪(Hosta plantaginea)等为主。

      表 1  试验区基础数据

      Table 1.  Basic data in experimental area

      研究区域
      Experimental area
      绿地性质
      Classification of green space
      建成年代
      Year of completion
      占地面积
      Site area/m2
      建筑面积
      Construction area/m2
      绿化覆盖率
      Green coverage/%
      乔木冠层
      覆盖面积
      Arbor canopy
      cover area/m2
      灌木冠层
      覆盖面积
      Shrub canopy
      cover area/m2
      草本冠层
      覆盖面积
      Herb canopy
      cover area/m2
      恭王府
      Prince Kung’s Mansion
      公园绿地
      Public park
      1785 61 120 32 260 46 23 054 5 060 6 466
      中央音乐学院
      Central Conservatory of Music
      附属绿地
      Attached green space
      1940 54 446 87 485 23 9 767 3 130 3 882
      北京口腔医院
      Beijing Stomatological Hospital
      附属绿地
      Attached green space
      1945 23 000 28 659 20 3 680 874 1 150
      前门大街
      Qianmen Street
      附属绿地
      Attached green space
      1550 22 300 22 4 464 294 147
      菊儿胡同
      Juer Hutong
      附属绿地
      Attached green space
      1985 14 600 18 666 24 3 188 280 70
      荣宁园小区
      Rongningyuan Community
      附属绿地
      Attached green space
      2001 18 500 80 300 15 1 942 888 1 137
      注:—代表无建筑面积。Note:— indicates no construction area.
    • 在6个试验区中选取出现频率超过10%的植物作为实验样本,且无病虫害影响,冠幅和胸径达到平均水平并已成熟的植物。具体如下:乔木有玉兰、油松(Pinus tabuliformis)、毛白杨、西府海棠(Malus × micromalus)、银杏(Ginkgo biloba)、白丁香(Syringa oblata var. alba)、圆柏(Sabina chinensis)、紫叶李(Prunus cerasifera f. atropurpurea)、雪松(Cedrus deodara)、旱柳、碧桃(Amygdalus persica 'Duplex');灌木有黄杨、金叶女贞(Ligustrum × vicaryi)、紫叶小檗、连翘(Forsythia suspensa)、榆叶梅(Amygdalus triloba)、月季(Rosa chinensis);草本有八宝(Hylotelephium erythrostictum)、沿阶草、鸢尾(Iris tectorum)、玉簪。

    • 目前,国内外已研发出诸多植物冠层截留雨水能力的观测方法,包括水量平衡法、浸水法和遥感观测等[17-18]。水量平衡法通过测定林外总降雨量和林下穿透雨量等数据得到林冠截留量,观测数据较为准确,但所需监测时间较长;遥感观测科学性较强但更适于观测森林尺度的降雨量和截留量;浸水法更适用于测定单株植物的持水能力,操作相对简单,可表征传统定义的叶片最大吸水量,研究结果也与植物冠层实际截留量具有正比关系[19-20],故本研究采用浸水法对植物的叶片吸水性能与冠层截留雨水能力进行研究。

    • (1)植物叶面积指数(leaf area index,LAI)确定

      通过对6个典型场地中植物的冠幅、胸径和株高等基本参数进行测量、记录和汇总,实验材料所选取的21种植物与申晓瑜对北京市常见园林植物叶面积指数研究模型[21]中植株参数近似,故利用该模型分析确定21种植物的叶面积指数。

      (2)叶片吸水能力测定

      选取21种植物进行测定,每种树种选取5棵树,每棵树选取5个样本叶片。利用网格法测定样本叶面积,记录叶面积A。参考相关文献[3,22-23]可知,多种植物叶片吸水量在浸泡20 min后仍在增长,未达到饱和状态,故本实验以20 min为浸泡时间间隔。使用电子天平(精度0.001)测量样本浸水前鲜重Q1,随后将叶片浸入水中20 min后,用镊子取出样本,使用吸水纸吸走叶片多余水分后再次称重,得到重量Q2,两次结果的差值即为叶片的吸水值。每间隔20 min重复一次,测定总时长为120 min。叶片吸水量与冠层截留量和截留体积计算公式[17]如下:

      $$ W = \left( {{Q_{\rm{i}}} - {Q_1}} \right)/A $$ (1)
      $$Z = LW$$ (2)
      $$ V = SZ/1\;000 $$ (3)

      式中:W 为单位叶片吸水量(g/m2),Qi为叶片吸水后质量(g),Q1为采样时叶片鲜质量(g),A为叶面积;Z为植物冠层雨水截留量(g/m2),L为植物叶面积指数(LAI);V为冠层截留体积(m3),S为单株植物冠层覆盖面积(m2),其中除去连翘和榆叶梅后剩余的灌木和草本常见种植模式为丛生或簇生,故不进行单株冠幅覆盖面积测量。

      (3)植物群落场降雨截留率和群落多年平均降雨截留率

      根据《海绵城市建设评价标准》GB/T 51345—2018中降雨量与降雨事件的关系推出年径流总量控制率的原理,可得出植物群落冠层的场降雨截留率G和群落多年平均降雨截留率N的计算公式如下:

      $$G = \dfrac{{H_{\rm{i}}}}{H}\times 100{\rm{\% }}$$ (4)
      $$N = \frac{{C1 + C2}}{{C1 + C2 + C3}}\times 100{\rm{\% }}$$ (5)

      式中:Hi为冠层场降雨截留量(mm)、H为场降雨量(mm),且当0 < HHi时,G = 100%;当Hi < H时,G由公式(4)求得;C1为降雨量小于等于Hi的降雨事件的总降雨量,C2为降雨量大于Hi的降雨事件中只取小于等于Hi部分的降雨数据总和,C3为扣除C2部分后剩下的降雨总量,N为多年平均降雨截留率。

      (4)统计分析

      实验数据采用Excel软件进行叶片吸水量与冠层截留量、冠层截留体积数据计算及相关图表绘制。

    • 图1图2可知,不同叶片的吸水量随时间的增加而变化。不同时间点t与对应阶段的吸水量W呈对数函数关系(W = alnt + b),整体曲线的拟合度较好(R2均值为0.68),达到显著相关水平。不同树种的叶片吸水过程可分为3个阶段:第一阶段为快速吸水期(0 ~ 20 min);第二阶段是缓慢吸水期(20 ~ 80 min),吸水速率逐渐降低,叶片重量小幅度增加或不变;第三阶段是饱和期(80 ~ 120 min),随着浸泡时间的增加,叶片吸水量不再有太大变化,即叶片吸水达到饱和。

      图  1  前5种乔木叶片吸水量

      Figure 1.  Leaf water absorption of the first 5 arbor species

      图  2  后6种乔木叶片吸水量

      Figure 2.  Leaf water absorption of the last 6 arbor species

      实验过程中,不同植物之间的叶片吸水量变化较大,除部分叶片有明显的波动外,不同叶片的总体变化趋势相同。根据图1图2可知毛白杨、雪松、圆柏、玉兰、紫叶李这5种植物吸水量对比较为明显,而剩下的6种乔木吸水量在0.04 ~ 0.07 g之间上下浮动,起伏较为明显,但总体吸水速率差别不大,且呈上升趋势,造成这种差距的主要原因为前5种植物叶面积较大,以及叶片的自身特征(叶面绒毛、气孔密度和是否为蜡质表面等)差异。

    • 根据图3可以看出灌木叶片的吸水量与乔木叶片吸水量相似,皆与时间呈对数函数关系,R2为0.79,吸水过程与乔木相似。榆叶梅叶片表面具有柔毛,便于截留雨水并进行吸收,且叶面积比其他5种灌木大,因此吸水量最高;紫叶小檗叶表面光滑无毛、纹理较浅且叶面积小,故其吸水量在6种灌木中排最末。

      图  3  灌木叶片吸水量

      Figure 3.  Shrub leaf water absorption

    • 图4中可以看出,4种草本植物的叶片吸水量与时间也呈对数函数关系,R2为0.79。草本植物叶片的吸水速率与乔木、灌木有区别,吸水过程中起伏波动较大,可分为如下3个阶段:在0 ~ 20 min时植物叶片处于快速吸水期,20 ~ 40 min时大部分植物叶片吸水速率降低,40 min后植物叶片吸水波动较小。由图4可看出,玉簪的吸水量和吸水速率明显比其他3种草本植物高,原因为玉簪叶面积远大于其他3种草本植物,且叶表皮纹理清晰,叶片内部气孔密度较高[24],利于叶片进行雨水吸收。而八宝叶片表面具有蜡质层结构[25],不利于叶片对雨水的吸水和存储,故吸水能力排最末。

      图  4  草本植物叶片吸水量

      Figure 4.  Herb leaf water absorption

    • 根据公式(2),可计算出植物冠层截留降雨量(表2),11种乔木的冠层雨水截留量在71.30 ~ 738.72 g/m2之间,其中圆柏、雪松、油松3种针叶植物冠层截留能力远高于其他8种阔叶植物冠层截留量。6种灌木的冠层雨水截留量在41.79 ~ 275.28 g/m2之间,其中黄杨和金叶女贞2种常绿灌木冠层截留量明显高于其他4种落叶灌木冠层截留量。4种草本的冠层雨水截留量在57.82 ~ 217.49 g/m2之间,其中鸢尾的冠层截留量最高。

      表 2  21种植物冠层雨水截留量

      Table 2.  Canopy rainfall interception of 21 plant species

      类型
      Class
      类别
      Type
      种名
      Species name
      叶面积指数
      Leaf area index
      叶片单位面积
      吸水量
      Leaf water absorption/(g·m−2
      单株植物冠层
      覆盖面积
      Individual plant canopy coverage/m2
      植物冠层雨水
      截留量
      Plant canopy rainfall interception/(g·m−2
      乔木 Arbor 常绿针叶
      Evergreen needle
      圆柏
      Sabina chinensis
      5.13 144 20.25 738.72
      雪松
      Cedrus deodara
      5.84 121 58.50 706.64
      油松
      Pinus tabuliformis
      4.72 145 64.00 684.40
      落叶阔叶
      Deciduous broadleaf
      毛白杨
      Populus tomentosa
      3.77 69 45.50 260.13
      玉兰
      Magnolia denudata
      4.55 33 19.78 150.15
      银杏
      Ginkgo biloba
      3.50 32 63.08 112.00
      碧桃
      Amygdalus persica ‘Duplex’
      3.16 34 22.50 107.44
      西府海棠
      Malus × micromalus
      3.50 30 28.08 105.00
      白丁香
      Syringa oblata var. alba
      2.78 31 55.76 86.18
      紫叶李
      Prunus cerasifera f. atropurpurea
      2.50 30 21.20 75.00
      旱柳
      Salix matsudana
      3.10 23 48.28 71.30
      灌木 Shrub 常绿
      Evergreen
      黄杨
      Buxus sinica
      4.44 62 275.28
      金叶女贞
      Ligustrum × vicaryi
      4.16 43 178.88
      落叶
      Deciduous
      连翘
      Forsythia suspensa
      1.90 48 8.40 91.20
      榆叶梅
      Amygdalus triloba
      2.10 36 9.80 75.60
      月季
      Rosa chinensis
      2.57 27 69.39
      紫叶小檗
      Berberis thunbergii ‘Atropurpurea’
      1.99 21 41.79
      草本 Herb 鸢尾
      Iris tectorum
      5.83 37 217.49
      玉簪
      Hosta plantaginea
      3.35 42 142.80
      沿阶草
      Ophiopogon bodinieri
      4.76 30 139.92
      八宝
      Hylotelephium erythrostictum
      4.13 14 57.82
      注:− 表示植物常为丛生或者簇生种植模式,不进行单株冠幅面积测定。Notes: − indicates that plants are often planted in clusters, and the canopy area of a single plant is not measured.

      通过表2图5可知,21种植物中,乔木类的大型针叶乔木截留能力最强,3种针叶乔木冠层截留量均值为709.92 g/m2,其冠层截留能力约为灌木的2.5 ~ 10.4倍,草本的3.6 ~ 12.7倍。黄杨虽为灌木,但其冠层截留量大于除3种针叶植物以外的17种植物,其中包含8种乔木和4种草本植物;鸢尾属于草本植物,其冠层截留量位居第6,高于7种乔木、5种灌木和3种草本;紫叶小檗叶片面积为21种植物中最小,且LAI低,导致其冠层截留量在21种植物冠层截留量中排最低。造成这种差异的原因可从叶片表面特征和生长方式等方面分析,如针叶乔木针状枝叶较为密集,且相比于旱柳以及玉兰等落叶阔叶乔木叶表面更加粗糙,雨水降落到叶表面后张力发生改变,与自身的重力达到平衡,导致针叶乔木中吸收、贮存和截留雨水的能力更强;鸢尾为簇生,叶片上具有一定的皱缩结构,表面的气孔较多,水分容易通过气孔进入叶片当中,故鸢尾的叶片吸水能力最高。

      图  5  21种植物冠层截留量排序

      Figure 5.  Sequence of canopy interception quantity of 21 plant species

    • 结合式(3)计算可得13种单株植物的冠层截留体积在0.000 7 ~ 0.043 8 m3之间(图6),总体呈现出乔木冠层截留体积大于灌木冠层截留体积。大型常绿针叶乔木冠层截留体积约是落叶阔叶乔木的7倍,落叶灌木的44倍。圆柏的冠层截留量虽然在21种植物中排第1,但其冠层截留体积却比油松和雪松低,造成截留体积差距的主要原因为单株油松和雪松的冠层覆盖面积远大于单株圆柏冠层覆盖面积,故在相同的绿地面积前提下,可选择单株截留体积较大的乔灌木,减少地表径流产生。

      图  6  13种植物冠层截留体积排序

      Figure 6.  Sequence of canopy interception volume of 13 plant species

      在海绵城市建设中,需根据现有绿地面积合理规划设计和选择植物种类,兼顾植物的景观、生态和功能性。为比较相同植物冠层覆盖面积(100 m2)下,不同植物群落组合的冠层截留体积,本研究选取了以下10组典型复层植物群落组合(包含3组乔灌草群落、2组乔灌群落、3组乔草群落和2组灌草群落),经计算结果显示如下(图7)。

      图  7  10组典型植物群落冠层截留体积

      Figure 7.  Canopy interception volume of 10 typical plant communities

      图7可知,10组典型群落组合在相同的植物冠层覆盖面积前提下,冠层截留体积在0.020 3 ~ 0.120 0 m3之间。常绿针叶乔木+常绿灌木+草本搭配组合的冠层截留体积明显比其他群落组合冠层截留体积大,其中圆柏+沿阶草组合冠层截留体积大于后两组乔灌草群落。选取10组典型群落组合中的雪松+黄杨+鸢尾组合,结合6个研究场地中乔木、灌木和草本的单株植物冠层覆盖面积和单株植物冠层截留体积计算反推得出,当群落冠层覆盖率每增加10%,总的冠层截留体积则提高11.5%。故在配置海绵城市设施植物时,可结合植物冠层截留量数据和场地面积,选择冠层截留体积较大的植物进行组合,增强雨水截留效果,减少径流量,从而节约低影响开发设施成本。

    • 在实际降雨过程中,降雨量是影响植物冠层截留效果的关键气象因素之一。为研究不同降雨情境下植物冠层截留雨水的作用,本研究选取北京口腔医院调查地块,根据场地条件选取雪松+黄杨+鸢尾这一常见植物组合群落,根据公式(2)可得该群落的最高降雨截留量为1.2 mm。结合北京市某气象站30年(1982—2011年)日降雨量观测资料,根据公式(4)、(5),计算该群落截留量在1.2 mm时多年平均降雨截留率N和场降雨截留率G图8)。

      图  8  北京市降雨事件与降雨量关系曲线示意图(1982—2011年)

      Figure 8.  Schematic diagram of the relationship between rainfall events and rainfall in Beijing (1982−2011)

      根据计算结果,群落冠层截留量为1.2 mm时,该群落截留的降雨量占年降雨总量的11.57%,说明植物冠层对雨水有相当的截留调节能力,可以有效减少地表径流的产生。由图9分析可得,植物冠层的场降雨截留率随着降雨量增加而逐渐减小,具体表现为:降雨量小于等于1.2 mm时,群落场降雨截留率为100%;降雨量大于1.2 mm时,群落场降雨截留率逐渐减少。当降雨量大于10 mm,植物场降雨截留率小于12%。

      图  9  植物群落的场降雨截留率与降雨量的关系示意图

      Figure 9.  Schematic diagram of the relationship between interception rate of single rainfall event and rainfall

      结合北京市水文雨量站39年(1979—2008年)的降雨资料,将降雨时长划分为10 min、30 min、1 h和24 h后对应的降雨量分别在13.2 ~ 18.7 mm、21.2 ~ 34.4 mm、22.2 ~ 40.1 mm和54.9 ~ 149.5 mm之间[26]。由此可见,植物冠层截留作用在小降雨事件和降雨初期内作用较为明显,在全年降雨截留率中有一定贡献,在中大降雨事件中对径流体积削减和削峰的贡献有限。

    • 综合来看,通过浸水法研究植物的吸水性能与冠层对雨水的截留过程,能直观地体现出植物叶片的吸水量以及其他因素与冠层截留量、截留体积的关系,表明植物的外型特征、叶片特征和枝叶疏密程度等植物自身属性是影响植物冠层截留雨水能力的主要因子。

      将实验结果与同类型相关研究[17,27-28]中植物的叶片单位面积吸水量对比可知(图10),本实验大部分植物叶片单位面积吸水量低于相关研究结果,差值在20%以内,其原因可能是植物叶片生长发育阶段的不同、生活环境和气候差异所导致,如相关研究在上海地区进行实验测定,而本实验在北京。

      图  10  本研究单位叶片面积吸水量与相关研究比较

      Figure 10.  Water absorption per unit leaf area compared with the related study

      此外,相关文献[17,27-28]表明,浸水法通常比水量平衡法(包含人工降雨模拟法)测得的截留量低。浸水法是对选取的单株植物进行测定,使用吸水纸将植物叶片表面水珠吸干再称重,测定的是理想状态下单株植物叶片的最大吸水量,在此基础上推算出每平方米该植物群落的冠层截留量,并未考虑植物茎干的截留量;水量平衡法已将浸水法未考虑的影响因素考虑在内,测定的是整个植物体的冠层截留量,包括植物叶片、茎干吸收的水分和表面附着的水分两部分。在实际降雨过程中,天然雨水可在植物茎干、叶片表面短暂停留,因此水量平衡法测定的植物冠层雨水截留量较高。例如,刘艳丽等[29]研究表明人工降雨模拟法测定的5种植物叶片最大截留量高于浸水法1.48% ~ 47.47%,原因为降雨中植物枝叶倾斜角度、形态特征(茎干和叶片表面具有表皮细胞、附生的绒毛和蜡质晶体等结构)等影响因素可增加枝叶表面自由水量,导致人工降雨模拟法测定结果高于浸水法;樊才睿等[30]通过浸水法和水量平衡法测定的休牧、轮牧、自由放牧草场的截留量分别是0.468 mm、0.320 mm、0.271 mm和0.957 mm、0.613 mm、0.431 mm,水量平衡法测定结果约是浸水法的2倍,原因为3种放牧制度下植被高度、叶面积差异不同。

      目前在海绵城市SWMM(Storm water management model)等水文模型模拟中,估算或者选定植物截留损失参数时,主要采用经验方法,常用取值区间为0.01 ~ 0.50英寸(0.25 ~ 12.70 mm)[31]。然而从本研究及相关研究可知,植物截留量受到植物类型、生长阶段、风速、降雨强度和降雨量等多重因素制约,故为了减少模型模拟误差,可根据模拟场地的植物类型进行选取,必要时可进行实地测量,从而更加准确地估算植物截留初始损失值,提高模型的科学性。

      在北方新建和已建小区绿地与海绵城市建设过程中,宜综合考虑植物对雨水的截留作用,从植物的类型选择、配置比例、冠层覆盖率等方面作出合理规划设计。在保证群落生态性和景观性的前提下,可适当选取截留能力强的植物,如常绿乔灌木,枝叶密集、冠幅较大的植物。例如,公共绿地和宅旁绿地可选取雪松、油松、侧柏、国槐、银杏、玉兰、栾树等乔木,搭配黄杨、金叶女贞、榆叶梅等灌木和鸢尾、玉簪、沿阶草、结缕草等草本植物,组成乔灌草、乔草、灌草、混合草本等多种配置模式,形成色相丰富的复层植物群落,满足不同功能需求;街道绿地的乔木可选择毛白杨(雄株)、银杏和国槐等大型乔木;广场中的绿地适宜选择雪松、银杏、栾树、元宝槭等观赏特性较为丰富的乔木作为孤植或群植树种;公共草坪可选取沿阶草、麦冬、结缕草等草本植物和少量黄杨、金叶女贞等灌木形成开阔式场地。此外,不同高度的鸢尾、萱草、松果菊、早熟禾等草本植物构建的复层草本植物群落也具有较好的截留作用[32]。同时,也可在铺装场地上增加林冠覆盖率,以提高植物冠层截留量,鲍仁强[33]指出,当老城区的树冠覆盖率增加4% ~ 15%时,则冠层截留率可提升5% ~ 16%。

    • (1)植物叶片吸水量与浸水时长呈对数函数关系,整体曲线拟合程度较好,达到显著相关水平(R2 > 0.75)。

      (2)11种乔木中,3种常绿针叶植物冠层截留量明显高于其他8种落叶阔叶植物;6种灌木中,2种常绿植物冠层截留量高于4种落叶灌木。部分灌木和草本植物冠层截留量比部分乔木冠层截留量高。21种典型植物冠层截留量大小排序为:圆柏 > 雪松 > 油松 > 黄杨 > 毛白杨 > 鸢尾 > 金叶女贞 > 玉兰 > 玉簪 > 沿阶草 > 银杏 > 碧桃 > 西府海棠 > 连翘 > 白丁香 > 榆叶梅 > 紫叶李 > 旱柳 > 月季 > 八宝 > 紫叶小檗。

      (3)不同类型的植物冠层截留体积受植物冠幅覆盖面积和冠层截留量影响,北京城区13种典型单株植物冠层截留体积由大到小排序为:油松 > 雪松 > 圆柏 > 毛白杨 > 银杏 > 白丁香 > 旱柳 > 玉兰 > 西府海棠 > 碧桃 > 紫叶李 > 连翘 > 榆叶梅。常绿针叶乔木+常绿灌木+草本搭配组合的冠层截留体积大于其他群落组合冠层截留体积。当场地内群落冠层覆盖率每增加10%,总的冠层截留体积提高11.5%。

      (4)当植物群落降雨截留量为1.2 mm时,植物群落的多年平均降雨截留率(北京城区)为11.57%。随场降雨量增大,植物冠层场降雨截留率逐渐减少。

      (5)在今后研究中,可利用水量平衡法或模型模拟法,测定实际或模拟降雨条件下,特别是连续降雨情景下的植物冠层截留能力;此外,也可多种研究方法相结合,对比分析不同研究方法的测定结果,多层次、多角度地对植物截留能力、影响因素和作用规律展开研究。

      致谢 感谢任朝阳、侯晨阳、周震南和王彩霞对本研究做出的贡献。

参考文献 (33)

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