深圳海綿城市建設(shè)生物滯留帶植物篩選

任建武+翟瑋+王媛媛+白偉嵐+任海

摘 要： 海綿城市作為新型城市發(fā)展方式，離不開生態(tài)綠地的科學規(guī)劃和建設(shè)?；谏钲谒幾匀恢参飵У膬?yōu)勢，造就了該城市綠地建設(shè)可選的園林植物資源多樣性極為豐富。本研究以既耐干旱又耐水澇為選擇標準，利用植物快速葉綠素熒光分析技術(shù)，對深圳光明新區(qū)試驗點植物材料做出系統(tǒng)測定。根據(jù)所得到的葉綠素熒光動力學參數(shù)，對植物材料做出分析評價。然后從中挑選最具生理意義的參數(shù)進行換算，并依據(jù)換算得分對植物排序。旨在對眾多園林植物在海綿城市建設(shè)中的應用做出有益探索，以更好地發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，實現(xiàn)“自然積存、自然滲透、自然凈化”的城市發(fā)展方式。

關(guān)鍵詞：海綿城市；低影響開發(fā)；生物滯留帶；葉綠素熒光

中圖分類號：X522 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.03.023

Screening of Plants for Bioretention Areas in Shenzhen During the Construction of Sponge City

REN Jianwu1， ZHAI Wei2， WANG Yuanyuan2， BAI Weilan2， REN Hai3

（1.College of Biological Science and Technology， Beijing Forestry University， Beijing 100083，China； 2.Landscape Development Research Center， Chinese Urban Construction Institute， Beijing 100120，China； 3.Southern China Botanical Garden， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou，Guangdong 510650，China）

Abstract： As a new mode of city development， sponge city cannot be built without scientific planning and construction of ecological green space. Shenzhen boasts an amazing rich of plant diversity based on the advantages that it is locating on south sub-tropical zone. In this study， both resistance to drought and water logging being as selection criteria， the analysis technology of chlorophyll fluorescence was used. According to the kinetic parameters of chlorophyll fluorescence obtained， the plant materials in the trial were analyzed and evaluated. After choosing the parameters of the most physiological significance， and conducting the conversion， and on the basis of conversion， a final plant material ordering had been got. In this way， a meaningful exploration on the plant application of many garden plants in the sponge city in the construction were carried out， and it can promote ecological system effectively absorb and infiltrate rainwater， and keep sustained release the trapped water， meanwhile， effectively control the runoff. Furthermore， the study may give a helpful hand to reach the goal that realization of ecological and sustainable city development mode with character of naturally accumulation， naturally infiltration， naturally purification.

Key words： sponge city； low impact development； bioretention areas； chlorophyll fluorescence

海綿城市（Sponge city）是新一代城市雨洪管理概念，它是指城市在適應環(huán)境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的“彈性”，也可稱之為“水彈性城市”。國際通用術(shù)語為“低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建”。從更廣闊的視角來看，“海綿城市”是從不同尺度上綜合解決中國城市突出的水問題及相關(guān)生態(tài)和環(huán)境問題的一套完整理論體系，包括雨洪管理、生態(tài)防洪、水質(zhì)凈化、地下水補充、棕地修復、生物棲息地的營造、公園綠地營造，以及城市微氣候調(diào)節(jié)等[1]。其中以雨洪管理為特征的低影響開發(fā)是該理論的核心內(nèi)容[2]。低影響開發(fā)（Low impact development， LID）[3]是當今世界對城市水環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的雨洪管理新策略。其基本思路是通過有效的水文設(shè)計使城市開發(fā)區(qū)域的水文功能盡量接近開發(fā)之前的狀況，模仿自然生態(tài)過程來管理雨水。在操作層面采用分散、多樣、小型、本地化的技術(shù)從源頭上儲存、滲濾、蒸發(fā)以及截流雨水，最大程度保護開發(fā)改造地區(qū)的水文機制，減少負面環(huán)境影響，其技術(shù)體系主要包括生物滯留（Bio-retention）、可滲透/漏路面鋪裝系統(tǒng)（Peameable /porous pavement system，PPS）等措施[4]，主要是通過減少不透水面積、增加雨水滲濾，利用雨水資源實現(xiàn)可持續(xù)雨洪管理。其中，生物滯留技術(shù)是發(fā)展主流，該技術(shù)利用植物、微生物與土壤的化學、生物和物理屬性，來移除雨水地表徑流中的污染物，并補充地下水[5]。生物滯留設(shè)施（ Bbioretention facility）發(fā)生的過程包括沉淀、吸附、過濾、揮發(fā)、離子交換、分解、植物修復、生物治理和儲藏[6]。通過它對服務區(qū)域可消減78%～99.2%的徑流量。作為生物滯留的應用形式有植被淺溝（Bioswales）、下沉式綠地（Bioretention areas）、雨水花園（Rain gardens）、綠色屋頂（Green roof）等。

深圳作為我國城市化進程最快的城市，在城市建設(shè)中遇到了突出的城市生態(tài)環(huán)境問題，特別是近2 000 mm的年降雨量分布很不均勻，城市內(nèi)澇、面源污染潛在危害巨大，因此深圳市光明新區(qū)引入了低影響開發(fā)理念[7]。然而，深圳市在探索低影響開發(fā)模式的建設(shè)過程中也面臨著各種困難和挑戰(zhàn)，例如具體實施目標難以確定、無先例可遵循、無標準可參考等[8]。特別是，在生物滯留技術(shù)實施過程中，面對豐富的南亞熱帶植物材料，如何科學選擇物種成為一個困擾城市規(guī)劃和建設(shè)者的突出問題。本研究以深圳鄉(xiāng)土植物為材料，以葉綠素熒光為探針，在非損傷條件下，對生物滯留試驗中的植物樣本進行測定，以期為低影響開發(fā)植物材料選擇提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

試驗地點設(shè)在深圳市光明新區(qū)育新學校雨水花園。以土壤含水量為優(yōu)先考慮因素并設(shè)3個梯度，在干旱、適中、水淹3種條件下，測定葉綠素熒光動力學參數(shù)，并據(jù)此對園林植物生長狀況做出評價，判斷其是否適合在當?shù)丨h(huán)境生長，最后給出建議。

植物材料有鳶尾、紫花野牡丹、黃金榕、紅千層、海芋、合果芋、藿香薊、鵝掌柴、扶桑、四季桂、文殊蘭、山菅蘭、水石榕、大花紫薇、白蘭、紅桑、美蕊花、蒲葵、象牙紅、大葉傘、蜘蛛蘭、尖葉杜英、黃花夾竹桃、花葉艷山姜、穗榕、春羽、紫薇、秋楓、鐘花蒲桃、棕竹、軟枝黃蟬、黃槿、金葉假連翹、雞蛋花、木棉、紅花檵木、龜背竹、紅背桂、大葉油草、葉子花。

儀器選用英國Hansatech公司生產(chǎn)Handy PEA便攜式植物熒光儀。測定當年生成熟葉片。

試驗于2014、2015年夏季實施，水分條件梯度采用HH2土壤濕度計監(jiān)測試驗地土壤濕度，以試驗地田間持水量為基準，設(shè)土壤含水量≤35%、70%±10%、≥100%三個梯度，保持7 d，觀測生理狀況，重復6次。參考Schansker等[9]和任麗麗等[10]的方法，葉片經(jīng)暗適應20 min后MPEA（Hansatech， 英國）同時測定葉片快速葉綠素熒光動力學曲線（OJIP曲線）。OJIP曲線由3 500 mol·m-2·s-1的光輻照，測定時間為2 s， 記錄的初始速率為每秒鐘100 000個數(shù)據(jù)。將OJIP曲線進行O-P點、O-J點和O-K點標準化，其中O點是0 ms，K點是30 s，J點是2 ms， P點是熒光最大值對應的時刻。O-P點標準化公式：VO-P=（Ft-Fo）/（Fm-Fo）

2 結(jié)果與分析

試驗植物材料在土壤濕度為田間飽和持水量75%的條件下，測得的葉綠素快速熒光動力學曲線見圖1。由于海芋較為適應深圳城市環(huán)境，本試驗以其為對照參比植物，將測得的主要葉綠素熒光動力學參數(shù)與海芋各參數(shù)相比較，得到標準化參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1中，F(xiàn)0為初始熒光（Minimal fluorescence），也稱為基礎(chǔ)熒光。光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）反應中心處于完全開放時的熒光產(chǎn)量， 它與葉片葉綠素濃度有關(guān)。初始熒光是PSⅡ反應中心全部開放時的熒光。F0減少表明天線的熱耗散增加；F0增加表明PSⅡ反中心不易逆轉(zhuǎn)的破壞。表1顯示，美蕊花、黃槿、紅花檵木、鳶尾并不適應深圳生物滯留帶的近自然生長環(huán)境，雖然可以存活，但是從光合作用看已經(jīng)顯現(xiàn)出脅迫癥狀。四季桂的偏低F0反映出其天線色素系統(tǒng)熱耗散較多。

Fm為最大熒光產(chǎn)量（Maximal fluorescence），PSⅡ反應中心處于完全關(guān)閉時的熒光產(chǎn)量，可反映通過PSⅡ的電子傳遞情況，通常在葉片經(jīng)暗適應20 min 后測得。Fm降低是光抑制的一個特征。本試驗中，大葉油草的最大熒光很低，原因在于較為粗放的修剪對葉面造成比較重的傷口，愈合很慢而影響了其光合能力。鳶尾、紫薇、木棉的最大熒光較低，反映出這三種植物受到環(huán)境脅迫傷害。四季桂和棕竹最大熒光偏低原因在于其熱耗散較高，從天線色素捕獲光能的分配走向來看，熱耗散增多而同時熒光釋放相對減少。金葉假連翹和黃金榕則是因為單位面積葉綠素含量相對較低所致。文殊蘭、大葉傘、紅背桂從其Fm可反映出通過PSⅡ的電子傳遞能力強，光合作用機構(gòu)活力旺盛。

Fm/F0用來表示通過PSⅡ的電子傳遞情況，是Fv/Fm的另一種表達方式，其倒數(shù)熱耗散狀況F0/Fm表示熱耗散狀況。表1中，木棉、紫薇、鳶尾、紅花檵木、美蕊花數(shù)值明顯高，說明這5種植物熱耗散較高，相對而言，葉片天線色素捕獲的光能用于光化學傳遞的有效部分可能會有所降低，不利于光合作用碳同化產(chǎn)物的有效積累。

Fv/F0代表PSⅡ的潛在活性，該參數(shù)被用于耐旱植物類型篩選。在對4種大麥（Hordeumvulgare L.） [11]基因型耐寒性的研究中，結(jié)果顯示，耐旱基因型的Fv/F0明顯高于干旱敏感性基因型。本研究中，黃金榕、合果芋、勒杜鵑、紅背桂、大花紫薇的該指標數(shù)值較高，說明在干旱條件下，這幾種植物光合作用系統(tǒng)Ⅱ的活性依然較高。

Vj表示質(zhì)體醌QA被還原而反應中心被關(guān)閉的程度。試驗中，鳶尾、鵝掌柴、水石榕、美蕊花、紫薇、木棉、棕竹、紅桑的該參數(shù)較高，說明照光后，質(zhì)體醌QA很快被還原。但是，是否反映出光合機構(gòu)的放氧復合體（OEC）受到傷害，需要檢測300 s時的葉綠素熒光，觀察在OJIP曲線上是否出現(xiàn)K點。因為海芋在深圳地區(qū)屬于鄉(xiāng)土植物，適應能力較強，在原有地貌環(huán)境中隨處可見，故在本試驗中以其作為參照標準，與其他園林植物進行比較。從圖1、表1、圖2的數(shù)據(jù)中可以看到，在Fv/Fm這一指標上，紫花野牡丹、四季桂、尖葉杜英、紅千層、扶桑、大花紫薇、紅背桂、合果芋、文殊蘭、黃金榕表現(xiàn)優(yōu)異，能夠很好地適應深圳地區(qū)降雨量大的氣候環(huán)境，并且能夠耐受短期水淹。Fv/Fm是PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量（Optimal/maximal photochemical efficiency of PSⅡ inthe dark）或（Optimal/maximal quantum yield of PS Ⅱ），反映PSⅡ反應中心內(nèi)稟光能轉(zhuǎn)換效率（IntrinsicPSⅡefficiency）或稱為PSⅡ的光能轉(zhuǎn)換效率（Optimal/maximal PSⅡ efficiency），不受物種和生長條件的影響， 脅迫條件下該參數(shù)明顯下降，能夠很好地反映出植物對環(huán)境的適應狀況，因此是重要的生理適應能力評價參數(shù)。就此參數(shù)來說，美蕊花、紅花檵木、鳶尾、紫薇表現(xiàn)較差，水淹條件下這5種植物會受到較大傷害，同時從葉片性能指數(shù)PI Inst.可以看到，這5種植物光能轉(zhuǎn)化和利用能力在水淹環(huán)境中明顯很低，光合作用能力受到極大地制約。

在試驗中，將海芋與深圳市的市花勒杜鵑相比較，發(fā)現(xiàn)從最小熒光到最大熒光的時間、Area、Sm均是勒杜鵑較大，說明勒杜鵑的質(zhì)體醌庫較大，有利于電子的先行傳遞，光合作用潛力大。就光系統(tǒng)II的電子傳遞情況而言，勒杜鵑的F0/Fm小，表明其電子傳遞速率較快；海芋的Vj比勒杜鵑大，說明其質(zhì)體醌QA的還原速率比較慢；而可變熒光、最大光化學效率、葉片性能指數(shù)，都是勒杜鵑的指標更高一些，表明勒杜鵑光合作用能力以及光能轉(zhuǎn)換效率均高于海芋，更能適應試驗區(qū)域的水分變化環(huán)境。

一般說來，最大光化學效率以及葉片性能指數(shù)可以較為準確地反應植物所受到的干旱脅迫程度。PI（Performance index）光合性能指數(shù)，反映了PSII整體的功能，而光系統(tǒng)II（PSII）在逆境中最容易受到傷害，所以，可以用PI進行快速篩選。PI比Fv/Fm等反映PSII 活性的參數(shù)更敏感，因為Fv/Fm是最大光化學效率，是PSII潛在的功能，在許多脅迫下并不會明顯變化。而參數(shù)PI，反映了PSII整體的功能，只要PSII的部分受到傷害，PI就能反映出來。因此，對表1的性能指數(shù)隨土壤濕度變化引起的波動進行換算。干旱影響計算公式：DE=（PO-PD）/ PO。其中，DE（Drought stress）表示干旱脅迫對植物光合性能影響程度，PO表示土壤在田間持水量70%的濕度（optimal）下測得的葉片性能指數(shù)，PD表示土壤在田間持水量35%的濕度（drought）下測得的葉片性能指數(shù)。水澇影響計算公式：WE=（PO-PW）/ PO

其中，WE（Water logging）表示水澇脅迫對植物光合性能影響程度，Pw表示土壤在田間持水量100%的水淹（Water logging）下測得的葉片性能指數(shù)，Pmax表示干旱或水淹條件下測的最接近PO的葉片性能指數(shù)。

以葉片性能指數(shù)為評價基本參數(shù)。鑒于深圳市水分充足，土壤35%濕度下的數(shù)據(jù)權(quán)重定為0.4，100%濕度的權(quán)重為0.6，計算公式如下。

T=Po/（Po-PD）÷[Po/（Po-Pmax）]×0.4+Po/（Po-Pw）÷[PO/（PO-Pmax）]×0.6

經(jīng)過計算，各雨水花園待選植物評價得分情況如表2所示。

3 結(jié) 論

根據(jù)上述研究可以得出：在深圳地區(qū)建立雨水花園或者生物滯留帶時，可以優(yōu)先選擇勒杜鵑、紫花野牡丹、四季桂、尖葉杜英、紅千層、扶桑、大花紫薇、紅背桂、合果芋、文殊蘭、黃金榕；另外，可以根據(jù)設(shè)計要求，酌情從海芋、水石榕、紅桑、蜘蛛蘭、象牙紅、大葉傘、花葉艷山姜、春羽、金葉假連翹、龜背竹、白蘭、黃花夾竹桃、穗榕、秋楓、鐘花蒲桃中篩選。

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