华南地区不同绿地植物配置方式对其冠层雨水截流能力的影响

赵 峰，刘玉纯，刘卓成

(1.深圳市国艺园林有限公司，深圳 518000； 2.北京林业大学 草坪研究所，北京 100083)

当前水资源短缺和水体污染问题引发了严重的水生态安全问题，影响了我国经济的可持续发展[1]，改善区域生态经济，加强涵养水源，防止水土流失迫在眉睫。土壤是涵养水源的主要层次[2]，但是土壤需要冠层截留雨水来发挥其能力[3]。冠层截留作为森林水文循环的重要环节，对土壤水分收支、地表径流形成、河川径流调节等具有重要影响[4]。水土保持林通过冠层截留降水[5]，改变水分的传输过程，减少地表径流，防止土壤侵蚀[6]，冠层截留与降水的关系复杂，冠层截留受降水特征和植被特性等多种因素的影响和制约[7-9]，植物的冠层结构、枝条、叶面积、生物量等均可以改变降水截流量[10]。

公园绿地应用的植物种类主要为当地乡土植物[11]。但植物配置的研究方向多为园林植物造景质量，对于综合研究不同植物配置下的冠层截留量，以期得到更高降水截流量的植物配置的研究较少。赵思金[12]选择4种优良水土保持灌木荆条(Vitexnegundovar.heterophyll)为研究对象,调查分析其根系分布特征及地上、地下生物量相关性及有效根密度的差异。

在深圳光明新区新城公园研究了华南地区常见植物配置在不同降水量条件下的冠层截留量，以期得到能够更好截留降水，减少地表径流的植物配置。对公园绿地有选择的进行植物配置，改变水分的传输过程，减少地表径流具有一定的指导意义，为我国华南地区公园绿地水源涵养植物配置体系建设提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于深圳市光明新区新城公园，中心位置N 22°46′34.20″ ，E 113°54′44.22″。属亚热带海洋性气候，年平均气温23℃，雨量充沛，年降水量1 926 mm。深圳市公园绿地土壤质地以砂壤和轻壤土为主，pH较自然土壤明显增高，以中性和微酸性为主，有机质含量较低。

1.2 植物配置

主要选择公园内现有的植物配置种类，根据光明新区新城公园植物配置的基本情况，按照单层结构，二层结构，三层结构划分，各植物配置见表1。

表1 不同植物配置

1.3 试验设计

雨水截流试验于2016年7月～2017年2月进行，在试验期间对5次自然降水过程中的降水量和植物截流雨水情况进行测定。采取小区观测法，所观测小区按照现有植物配置在公园中的具体情况设立，所选样地植株分布在同一海拔高度，地势较为平坦且植被生长状况良好，郁闭度相同，每个处理3次重复，观测小区面积为5 m×5 m。每日中午12∶00开始测定，次日中午12∶00结束，使用气象站记录的24 h降水量，并利用自行设计的试验装置和方法测定降水过程中的穿透水量和茎流量。

地表设置PVC管制作的承雨槽，铺设于地面，高度低于草本植被冠层，在降水发生时，穿过植物冠层的雨水进入承雨槽中并被其下端集雨装置收集，由此测定其穿透水量。集雨装置与承雨槽两端倾斜角15°，PVC管长度为2.5 m，直径为15.0 cm(图1)；将高分子吸水材料粘附于乔木、灌木、草本植物紧贴于地面的根部，外表面用隔水材料包裹，于降水结束后进行称重，通过质量增加量计算其吸水量，即为其茎流量[13]。树干茎流量的计算公式：

式中：S为树干茎流量(mm)；N为树干径级数；Si为径级i的单株树干茎流量(mL)；Mi为径级i的树木株数；A为样地面积(m2)。

冠层截留量的计算公式：

I=P-T-S

式中：I为冠层截留量(mm)；P为林外降水量(mm)；T为穿透降水量(mm)；S为树干径流量(mm)。

图1 透过水收集装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the water collection device

1.4 数据分析

采用SPSS 15.0进行观测数据统计和回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同植物配置冠层截留率与降水量的关系

根据观测林冠层截留量与降水强度数据资料发现，不同植物配置之间冠层截留率有明显差异。当降水量为6.10 mm时，各处理冠层截留率最大，截留率39.96%～80.05%。当降水量为88.50 mm时，各处理冠层截留率降到最低，为25.88%～66.15%(图2)。

不同植物配置模式在所有降水条件下的平均截流率从高到低依次为处理5>3>4>1>2>6>8>7。凤凰木和肾蕨的配置模式综合截留率最大，且显著高于其他处理(图3)。

图2 不同植物配置冠层截留率与降水量Fig.2 Relationship between canopy interception rate (%)and rainfall (mm) in different plant configuration patterns

图3 不同植物配置模式的平均截留率Fig.3 Average interception of the type of plant configuration

各处理的冠层截留率随降水量变化的函数表达式见表2所示，接近对数函数曲线变化规律，且拟合曲线的R2值除处理5为0.842 6外均高于0.9，拟合程度较高。由此可见，随着降水量的逐渐增大，8种主要植物配置类型冠层截留率变化趋势均为先剧烈下降，后趋于平缓下降(表2)。

2.2 不同植物配置茎流率与不同降水强度关系

根据观测茎流率与降水强度数据资料分析，相同降水条件下，不同植物配置之间茎流率有明显差异，处理3、4、1、2的茎流率显著大于处理5、6、8、7(图4)。

图4 不同植物配置茎流率与降水量Fig.4 The relationship between the stem flow rate (%) and rainfall (mm) in different plant configuration patterns

茎流率随降水量增大的变化趋势能够拟合为一元二次函数曲线，R2值较大，为0.910 5～0.988 7，随着降水量的逐渐增大，8种主要植物配置类型茎流率呈现先上升后下降的趋势(表3)。

2.3 不同植物配置雨水穿透率与不同降水强度关系

根据观测雨水穿透率与降水强度数据资料发现，不同植物配置之间雨水穿透率有明显差异，处理5(凤凰木+肾蕨)的冠层截留率明显大于处理7(小叶榕)。研究区3种主要乔木类型的雨水穿透率大小依次为处理6(桃心花木)<处理8(凤凰木)<处理7(小叶榕)，研究区大叶乔木雨水穿透率更低，是因为大叶的乔木郁闭度和叶面积指数更高。其中，降水量与不同植物配置雨水穿透率线条并没有交叉，说明不同的降水量条件下8种植物配置的雨水穿透能力排名相同，雨水穿透率从低到高依次为，处理5<3<4<1<2<6<8<7(图5)。

表2 冠层截留率随降水量变化的函数表达式

注：公式中P为降水量

表3 茎流率随降水量变化的函数表达式

图5 不同植物配置雨水穿透率与降水量关系Fig.5 The relationship between rinfall penetration rate (%) and rainfall (mm) in different plant configuration patterns

雨水穿透率随降水量变化的拟合接近指数函数曲线，R2为0.842 4～0.983 4，拟合程度较高(表4)，说明随着降水量的增大，植物冠层对于雨水的截流作用逐渐降低。

3 讨论

冠层截流是植物削减地表径流、发挥水土保持功能的重要方式，植物冠层在降水中保持的水分，还能够改善绿地及附近环境的小气候，冠层截流是植物配置发挥生态功能的重要指标[14-17]。研究中，不同植物配置之间冠层截留率有明显差异，是不同的植物配置下，林型、林分密度、冠层郁闭度、叶面积指数等植被特征不同，造成了截流雨水能力的不同。随着降水量的逐渐增大，冠层截留率变化趋势均为先剧烈下降，后趋于平缓下降趋势。此种变化规律与徐军[18]对五角枫(Acerelegantulum)、栓皮栎(Quercusvariabilis)等6种

表4 雨水穿透率随降水量变化的函数表达式

针阔植物林冠的研究结果及规律相同。分析其原因是因为在降水量很低时或降水初期，林冠截流水量快速上升，此时截流水量在较低的降水量中所占比例很大；随着降水量的增加，树冠枝叶表层不断湿润，林冠层接收水分达到饱和直至稳定，此时随着降水量的增加，截流量在总的降水量中所占比例变小，即截流率趋于平缓下降；在较大雨水的强作用下，降落下来的雨滴速度过快，动能不断增大从而增强撞击林冠层表面截留的雨水，使其不断滴落离开叶表面，这样就使得林冠截流量相应的减少[19]。

林冠截留是一个复杂、综合的动态过程[20]，包括冠层吸附和冠层蒸发两部分，二者同时发生，林冠截留主要受到降水特征、林冠郁闭度、干燥程度、叶面积指数、叶片及树皮表面的吸水能力等影响。试验8个处理的冠层截留率在30%～70%，其中，处理5高于红松、落叶松混交林的平均冠层截留率(66.10%)[21]，总体数据低于于立忠等[21]对5种人工林研究的数值。与之相比，此次研究所涉及的降水强度更大，降水历时更短，而小雨量级的降水截留率要远高于其他雨量级的截留率；同时试验地属热带季风气候，比于立忠等[21]的研究地区(辽宁)的温带大陆性气候空气湿度大、蒸发量小，而两次研究均将蒸发量算在冠层截流中。在这样的情况下，试验处理仍表现出十分接近人工混播林的冠层截流率，是因为试验中植物层次更丰富，多层次的冠层形成了较高的郁闭度，从而能吸附更多的降雨。不同处理的截留率明显不同，结构层数多的配置一般高于层数少的配置，而对于少量的降雨，截留率可以超过。单层次乔木配置中大叶乔木冠层截留率更高，因为大叶的乔木郁闭度和叶面积指数更高。

树干茎流能汇集降雨直接到达根际区，流速较传统的雨水更缓慢，根际区植物根系发达，因此，树干茎流对水土的冲击侵蚀作用弱，且对树干周围的土壤水分、养分含量及微生物的活动具有重要作用[22]。研究结果表明，相同降水条件下，不同植物配置之间茎流率有明显差异，是因不同的植物配置下，林型、树干径级数、叶面积指数等植被特征不同，造成在同等降雨量条件下产生不同的茎流率。处理3(凤凰木+四季桂+希茉莉)、处理4(凤凰木+四季桂+冷水花)、处理1(凤凰木+四季桂)、处理2(凤凰木+希茉莉)茎流率比其他的植物配置方式高，对降雨重新分配效果好。因此，相比于单独的乔木，乔灌草结合的植物配置方式具有更高的茎流率。此外，随着降水量的逐渐增大，8种主要植物配置类型茎流率呈现先上升后下降的趋势。刘章文等[22]的研究表明树干茎流量与降水量之间显著正线性相关，此规律与此次研究的结果一致。由此可见，随着降水量的增大，在一定范围内茎流逐渐上升，当降水量达到59.10 mm时，各处理茎流率达到最大。之后随着降水量的上升，茎流率逐渐下降，说明当降水量大到一定程度的时候，冠层中叶片和枝条截留降雨达到饱和，此时雨水不经过树干汇集形成树干茎流，而是直接通过叶片流下，形成穿透雨水，造成茎流率下降。当降水量为59.10 mm时，各处理茎流率达到最大，为3.11%～15.55%，处理1～4的茎流率均高于万艳芳等[23]研究所测得鲜黄小檗(5.5%)和甘青锦鸡儿(4.1%)等灌木株丛的树干茎流率，说明试验中乔灌草、乔灌搭配的植物配置在降水中能够产生更多的树干茎流。

绿地生态系统的林内穿透雨量主要受林外降水量、观测点与树干之间的距离、观测点上方的冠层厚度、枝叶层厚度等影响[24]。不同植物配置之间雨水穿透率有明显差异，是因不同的植物配置下,叶面积指数，冠层郁闭度，林分密度等植被特征不同，处理7(小叶榕)会透过更多的雨水，这与冠层截留率正好相反，说明在植物配置中，如果因为较高的冠层郁闭度造成的雨水穿透率较低，那么其相应的冠层截留率较高。因此，可以说处理7(小叶榕)配置方式的雨水穿透能力比其他的植物配置方式高，对降雨阻滞能力弱，在同样条件下会产生更多的地表径流，因此在以提高冠层截留，减少地表径流为目的的植物配置方式中，应当更多的采用雨水穿透率更低的植物配置方式，例如处理5(凤凰木+肾蕨)或处理3(凤凰木+四季桂+希茉莉)所代表的乔灌草配置方式或乔灌配置方式。

随着降水量的逐渐增大，8种植物配置类型雨水穿透率均呈逐渐上升的趋势。此规律和于立忠等[21]的研究结果穿透雨率与林外降量呈显著的对数函数关系相一致。当降水量为6.10 mm时，各处理雨水穿透率最小，雨水穿透率18.78%～57.39%；当降水量为88.50 mm时，各处理雨水穿透率达到最大，为31.78%～71.52%，结果均低于对人工红松林的研究报道(穿透水率为74.43%)，说明试验中多层次的植物配置模式具有更强大的削减径流、保持水土的功能。

4 结论

随降水量的增大，人工绿地生态系统的冠层截流率变化接近对数函数曲线呈逐渐下降趋势；林间穿透水量所占百分比变化规律与之相反，也接近对数函数变化趋势上升后趋于平稳；树干茎流率变化接近一元二次函数曲线，先上升后逐渐下降。三者拟合程度均较高。植物配置方式中凤凰木+肾蕨的组合冠层截流率最高，控制穿透水、削减地表径流的功能最强，具有最优秀的水土保持作用。其他植物配置模式中截流效率表现出多层次搭配高于低层次数、大叶植物高于小叶植物的规律。