植物群落雨水截留功能的分析——以济南千佛山公园为例

卢昱均，张德顺，刘 鸣，韩永军

(同济大学，上海200092)

卢昱均，张德顺，刘鸣，等.植物群落雨水截留功能的分析[J].上海农业学报，2020，36(4)：83-88

园林植物群落对大气降水的作用主要表现为三个过程：1)降水落到植被的叶、枝、干构成的树体表面，在表面张力与重力均衡时，雨滴被吸附于表面，这一部分被称为树冠截留，与林冠截留量和叶面积指数(LAI)密切相关[1]；2)一部分降水经冠层截留后形成穿透雨，由直接通过林冠的间隙到达地表的自由穿落雨和溅落产生的雨滴两部分组成[2]；3)未被阔落物吸收的部分雨水则会到达植物根系活跃生长的土壤表层或形成地表径流[3]。

城市园林绿地系统具有承载游憩、美化环境、优化空气、雨水调蓄以及节能减排等作用[4]。 其中雨水调蓄作用主要体现在：利用林冠层、林木茎干、林地上富集的枯枝落叶层、根系层以及疏松而深厚的林下表层土壤拦截和蓄储大气降水[5]；多个角度削减降雨对地面的侵蚀、冲刷，延缓地表径流的产生时间，一定程度上降低洪峰集中出现的概率。

依据中国主要城市园林植物区划，济南属于北部暖温带针叶林阔叶林区。 前人对济南城市园林植物群落的研究多集中在观赏效果、滞尘、固碳释氧、抗病虫害、气候适应性等方面，而对园林植被群落对雨水径流的调蓄效益研究较少。 本研究通过研究典型植物群落的雨水径流调蓄能力，为有针对性地科学选择和合理配置植物，提升和改善济南园林绿地理水调洪功能提出可行性建议。

1 材料与方法

济南地处东经116°110′—117°44′，北纬36°02′—37°31′，居于山东省中部，市域总面积为8 177 km2，市区面积3 257 km2。 千佛山公园位于泰山余脉北麓冲积倾斜过度地带，呈南高北低的单斜构造地形，南部山区大气降雨形成的地下水在北侧山麓形成富水带，在地面以众多上升泉的形式呈现。

随着济南城市规模的不断扩张，城市道路硬化率不断加大，大气降水地表下渗率变小，加之济南市暴雨时空分布极不均匀，导致其枯水期泉水停喷、暴雨季节城市内涝频发[6]。 园林绿地是城市中有限的大气降水与地下水交流的界面。 本研究选择的试验地点为济南千佛山风景区5.75 hm2的范围内，对该区域内10 种不同植物群落类型的雨水径流调蓄能力进行综合研究，为济南园林绿化植被群落选择与更新提供借鉴意义。

1.1 试验材料

2016 年6—8 月选取10 种单乔植物群落：白皮松(Pinus bungeana)、圆柏(Sabina chinensis)、侧柏(Platycladus orientalis)、龙柏(Sabina chinensis ‘Kaizuca’)、女贞(Ligustrum lucidum)、楸树(Catalpa bungei)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、国槐(Sophora japonica)、黄栌(Cotinus coggygria)、美人梅(Prunus×blireana‘Meiren’)进行雨水径流截留实测。 所选的群落均为济南常用园林建群种，其中，黄栌、侧柏是目前济南植被结构的优势种[7]，具有一定的地域代表性。 试验样地种植密度相近，植物纵横间距3—4 m。同时，在林外空间同等立地条件上设置对照组。

1.2 试验方法

1.2.1 林冠穿透雨收集

采用随机布点的方式收集穿透雨[8-9]。 每样方15 m×10 m，采用5 点采样法布置穿透雨接收装置，每个样方点设置5 个林内收集器和3 个林外收集器，共计80 个雨水自制承雨筒，承雨筒直径为25 cm。 根据降雨预报以及实际降雨情况，在每场降雨结束后2 h 内收集测量各收集器内的穿透雨量，求其平均值，作为穿透雨量TF(mm)。 试验期间，共收集9 场降雨的透流雨和林外降雨实测数据。

式中：I为穿透降雨率(%)；TF为穿透雨量(mm)；P为降水量(mm)。

1.2.2 叶片持水能力测量

在不影响树木整体美观性和生长状况的情况下，取植株相同部位的叶片10—15 片，柏类植物取1—2个小枝，置于密封袋当中储存。 当日用0.001 g 精度的电子秤测量叶片鲜重(L1)；将10 种叶片摊开分别放到托盘之中，往托盘中注入水，浸泡叶片24 h，取出叶片，静置，叶片表面不再向下滴水时测量叶片湿重(L2)。 计算叶片持水总量及持水率[10-11]，即：

式中：W为叶片持水总量(g)；h为叶片持水量(cm)，后续表格中换算为mm；S为叶片面积(cm2)，ρ为水的密度(g∕cm3)。

1.2.3 枯落物持水能力测试

根据林分组成和地貌部位选择10 块具有代表性的标准地，随机布设50 cm×50 cm 的样方，用钢板尺测量枯落物的总厚度，半分解层厚度、未分解层厚度并记录。 将取得的枯落物收集至带有标签的自封袋，带回实验室中称重、风干，以干物质量计算累积量。 在室温20 ℃条件下采用浸泡法计算林下枯落物最大持水量、持水率[12]。

式中：R0为枯落物最大持水量；R′为枯落物最大持水率，m1为浸泡前质量，m2为浸泡24 h 后质量。

1.2.4 表层土壤孔隙度测量

在10 个植物样地中分别于每个样地四个角点及中心点上用环刀取样，盖好保湿，回实验室内称取重量(m1)，精确值0.1。 环刀有滤孔的一端放好滤纸后盖上盖子浸入水中，另一端保持敞开，浸泡12 h 后测重(m2)。 将环刀放置在铺有干砂的平底盘中12 h，网孔面与干砂接触，称重(m3)。 再将环刀放置在空的平托盘中静置12 h，称重(m4)。 将环刀放入105 ℃烘箱烘至恒重(m5)。 称取空环刀重量(m6)，测量得出环刀体积(v)。

式中：P 为土壤总孔隙度；P1为土壤毛管孔隙度；P2为土壤非毛管孔隙度。

2 结果与分析

2.1 各植物群落变量分析

2.1.1 各植物群落穿透雨

同等降雨情况下，林冠截留能力越强，穿透雨越少。 基于林外总降水量与林内穿透雨的相关关系，可间接确定林冠层的雨水截留能力[13]。 由图1 可知，阔叶树种穿透雨率在72.12%—80.50%；柏类树种穿透雨率在37.83%—63.88%；针叶树种白皮松穿透雨率为75.43%。 说明柏类树种林冠截留能力较好，阔叶类树种较差。

2.1.2 各植物群落叶片持水能力

由图2 可知，阔叶类树种叶片持水量在0.08—0.16 mm，白皮松叶片持水量为0.12 mm，柏类植物叶片持水量为0.62—0.78 mm。 龙柏叶片持水能力最强，楸树叶片持水能力最差。

2.1.3 各植物群落枯落物持水能力

由表1 可知，白皮松林下枯落物厚度为1 cm，在10 种植物中最大，积蓄量仅为14.13 t∕hm2，持水量仅优于美人梅和女贞，这与松针质量较轻，且大多是未分解状态，原有湿度较小有关。 楸树枯落物厚度最小，平均厚度仅为0.1 cm，但积蓄量较大，为21.58 t∕hm2，这与枯落物分解程度较高，枯落物湿度高，单位面积内叠加数量较多有关。

表1 10 种植被群落枯落物的持水能力Table 1 Litterwater holding capacity of ten communities

2.1.4 各植物群落表层土壤孔隙度

林下土壤对雨水的蓄存和入渗均取决于表层土壤孔隙度的大小和性质[14]。 由图3 可知，10 种单乔植被群落林下表层土壤总孔隙度在38.24%—50.91%。 总孔隙度较大的有侧柏、黄栌、白皮松。 非毛孔孔隙度较大的有圆柏、侧柏、女贞。 毛管孔隙对雨水径流有滞留作用，这部分水分是植物根系吸收的养分来源之一，毛管孔隙度较大的有刺槐、白皮松、龙柏。

2.2 各变量相关性分析

由表2 可知，林冠截留率与叶片持水量、枯落物积蓄量呈显著正相关关系，与冠幅呈显著负相关。 枯落物持水量与叶片持水量、林冠盖度、枯落物积蓄量呈显著正相关。

表2 各变量相关性分析Table 2 Correlation analysis of various variables

2.3 主成分分析

对各变量进行主成分分析(KMO=0.628，P ＜0.01)，最终选择3 个特征值＞1 的公因子作为主成分，其累计贡献率达到83.60%，概括了10 个植物群落雨洪调蓄能力的主要相关信息。 由林冠截留率、叶片持水量、冠幅、土壤总孔隙度4 项因子共同组成第一主成分公因子，为降雨截留因子；枯落物持水量、林冠盖度、枯落物持水率、枯落物积蓄量4 项因子共同组成第二成分命名为枯落物持水因子；叶面积指数成为第三成分公因子。

根据第一、第二主成分公因子得分，可将10 种单乔层园林植物群落分为3 个群组：侧柏群落具有较好的降雨截留能力，且枯落物持水能力居中；枯落物持水能力较强的有楸树、刺槐、国槐、黄栌、圆柏、龙柏6个群落，其中圆柏、龙柏群落兼具良好的降雨截留能力；枯落物持水能力较弱的有美人梅、女贞、白皮松3个群落，白皮松群落降雨截留能力优于前两者(图4a)。 根据第一、第三主成分公因子得分，同样可将10种单乔层园林植物群落分为3 个群组：侧柏群落叶面积指数较低、降雨截留能力较优；女贞、圆柏、龙柏群落叶面积指数较高；美人梅、楸树、黄栌、国槐、刺槐、白皮松群落叶面积指数较低(图4b)。

3 结论与讨论

叶片持水能力与林冠截留能力存在正相关关系。 柏类植物叶片具有强持水力，其林冠截留能力较强，这一结果与前人研究的结果一致[15]。

本试验发现，树木枝叶在空间的分布上差异较大，当观测点处在多重树冠重叠处或林冠边缘时，产生观测点的穿透雨量高于林外大气降雨量的林冠负截留现象。 其原因为冠层枝叶对林内穿透降雨产生漏斗式的集聚效应，当选用承雨面积较小的穿透雨观测设备时，该现象较为突出[16]。 我国学者在对祁连山的云杉林冠截留特征研究时，发现样地中89 个雨量筒中的6 个呈现出穿透雨量多于林外大气降雨量的情况[17]。 国外学者对亚马逊雨林、马来西亚热带雨林的研究中，也出现了29%的观测点和123 个观测点中有101 个截留雨量大于林外降雨的现象[18-19]。

干旱和半干旱地区枯落物持水能力对林下地表层土壤保持水分的作用十分明显[20]。 枯落物的持水能力常用干物质的最大持水率、最大持水量来表示[21]。 枯落层持水量的大小，取决于其自身林下枯枝落叶层的厚度和性质[22]。 不同立地条件下，不同树种枯落物的持水能力及分解情况有很大差异。 研究表明，水分在林下枯落物层的传输机制类似于林冠截留过程[23]，其截留量与地被物的种类、贮水能力有关，与林地单位面积地被物成正比[24]。

3.1 柏类植物群落具有良好的雨水径流调蓄功能

园林植物对降雨的截留调蓄作用是一个复杂的过程，本研究中各植物群落雨水径流能力由强及弱依次为：圆柏、侧柏、龙柏、黄栌、刺槐、国槐、楸树、女贞、美人梅、白皮松。 柏类植物群落综合雨水调蓄能力优于样方中所有阔叶类植物，可以在济南城市树种规划设计中作为优选树种。 柏类植物群落林冠层雨水拦蓄能力和枯落物持水能力均强，多重覆盖分叉的枝叶能有效地滞留水分于叶表之间的缝隙之中，枯落物也具有同样特性。 枯落物分解程度越高，持水能力越高[25]。 白皮松叶表面有一层类似于蜡质的膜，较难吸附大量水分[26]。 而柏类植物叶片表面结构虽与白皮松类似，但其鳞形叶片着生紧凑，分解过程中温度得以保持，以致分解程度较白皮松高，水分吸附能力也较强。 降雨强度和持续时间、叶面积、叶片形状和叶片大小决定了不同植物种类的降雨截留能力[27]，柏类植物群落冠层良好的雨水截留能力与其枝叶构造密不可分。

3.2 柏类树种与阔叶树种结合以提升群落雨水径流调蓄功能

阔叶类植物群落中黄栌、刺槐、国槐群落具有较好的雨水截留能力，虽在平抑暴雨中作用不及柏类植物，但树形良好、秋色叶，能丰富景观层次，在以柏类树种作为调节雨水径流的植物群落主要建群树种情况下，可考虑丛植点缀。 楸树、女贞、美人梅、白皮松群落雨水径流调节能力不强，可根据实际需求，在植物配置时替换为其他树种。