上海市常見(jiàn)園林植物冠層及地坪對(duì)初期雨水滯留能力研究

顧燕飛,劉曉靜（上海園林綠化建設(shè)有限公司， 上海 00335；.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 060）

城市綠地作為城市重要的海綿體，對(duì)截留雨水、促進(jìn)降雨下滲、減少地表徑流、消減洪峰流量、緩解城市內(nèi)澇等城市水環(huán)境問(wèn)題發(fā)揮著很好的效益，在建設(shè)海綿城市方面起著重要作用，對(duì)水土保持具有重要意義。植物作為城市綠地的重要組成部分，在滯留雨水方面也發(fā)揮著重要作用，而水分的有效滯留在某些環(huán)境下對(duì)降雨產(chǎn)流過(guò)程具有重大影響[1-6]。植物冠層截留是研究綠地中水分平衡和水資源管理分配的重要指標(biāo)，更是海綿城市對(duì)降雨進(jìn)行再分配的第一步[7]。Inkilainen 等[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，林冠截留能夠有效地減少其下墊面 9.1%～21.4%的雨水徑流體積。同時(shí) Keim 等[9]認(rèn)為，植物鮮重不能很好反映不同物種截留特性差異，需要將植物的非葉生物量換算成葉面積，根據(jù)植物葉片單位面積截留量來(lái)求得冠層截留量。冠層所能持留的最大水量即冠層最大截留量，是評(píng)價(jià)降水截留量的一個(gè)重要參數(shù)[10]。

另一方面，隨著城市化進(jìn)程不斷加快，相當(dāng)部分的下墊面變?yōu)椴煌杆孛?路面、屋面)，不透水路面的大量增加破壞了原有的生態(tài)水循環(huán)系統(tǒng)。雨水缺少有效的下滲渠道，致使雨水徑流大幅增加。加之主要透水下墊面—城市綠地不斷減少、極端天氣越來(lái)越頻繁地出現(xiàn)，使得城市水文循環(huán)發(fā)生劇烈的變化，導(dǎo)致城市中洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)不斷增加[11-12]。

事實(shí)上，我國(guó)對(duì)城市雨洪管理、海綿城市建設(shè)以及城市園林植物的冠層雨水截留能力分析的相關(guān)研究和實(shí)踐關(guān)注較少[13-14]。李曉鳳[3]、張焜[4]、王文[6]等人主要針對(duì)森林林地林冠截留進(jìn)行研究，目前缺乏針對(duì)城市綠地人工林的相關(guān)調(diào)查研究，一定程度上限制了林冠層降雨研究對(duì)生態(tài)城市建設(shè)的指導(dǎo)作用[15]。陳然[1]、李苗[2]、李晶晶[5]、趙建霞[15]、郭勝男[16]等分別對(duì)徐州、武漢、陜北、鄭州等地常見(jiàn)園林植物的滯水能力進(jìn)行研究，但目前并未見(jiàn)針對(duì)上海市常見(jiàn)園林植物滯水能力的研究。同時(shí)，大部分研究均采用“浸泡法”測(cè)定植物的滯水能力，與實(shí)際情況不符，導(dǎo)致研究結(jié)果準(zhǔn)確度不高。本研究采用的人工噴淋模擬降雨法更加符合實(shí)際降雨情況，試驗(yàn)結(jié)果更加具有代表性。另外，國(guó)內(nèi)外對(duì)于透水路面的雨水滯留能力的研究也相對(duì)不足，對(duì)于不同路面或下墊面的滯水差異性和滯水的階段性變化等更深入的滯水特征有待進(jìn)一步揭示。

因此本研究以上海市奉賢區(qū)某苗圃綠地（其中植物主要用于上海市區(qū)綠化）和上海市區(qū)常見(jiàn)地坪為主要研究對(duì)象，采用人工噴淋模擬降雨法分別分析其雨水滯留能力，以期篩選出滯水能力強(qiáng)的植物及地坪。通過(guò)分階段噴淋等特殊試驗(yàn)方法，揭示了不同地坪滯水具有階段差異性特征。本研究結(jié)果將可為城市綠化相關(guān)設(shè)計(jì)和建設(shè)、緩解城市化地區(qū)暴雨積水問(wèn)題和今后的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)，對(duì)上海市等相關(guān)城市建設(shè)成為海綿城市具有一定指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

上海市位于北緯 31°14'，東經(jīng) 121°29'，地處長(zhǎng)江三角洲前緣，屬北亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，日照充分，雨量充沛。上海氣候溫和濕潤(rùn)，春秋較短，冬夏較長(zhǎng)。平均氣溫約 17.5 ℃，日照 1 534.7 h，降水量 1 512.8 mm，全年 70%左右的雨量集中在 5 至 9 月的汛期。試驗(yàn)時(shí)期在 2018 年 7～ 8月間，所有采樣植物花期都已結(jié)束，植葉處于茂盛期。

1.2 試驗(yàn)材料與方法

在測(cè)定植物冠層和地表材料滯水能力時(shí)，均采用現(xiàn)場(chǎng)模擬降雨噴淋法。這樣，克服了傳統(tǒng)的浸水法與實(shí)際情況可能不符造成的偏差，使試驗(yàn)結(jié)果更加具有實(shí)際代表性。

1.2.1 喬木和灌木樹(shù)冠滯水量的測(cè)定與計(jì)算

（1）采樣地點(diǎn)位于上海市奉賢區(qū)某苗圃。按標(biāo)準(zhǔn)木原則選取 30 種喬木和灌木植物，在連續(xù)至少 3 天晴天的條件下每個(gè)植株至少（但不限于）采集 6 個(gè)葉片。葉面朝上放置于恰當(dāng)尺寸的網(wǎng)格架上，傾角根據(jù)各樹(shù)種的樹(shù)葉自然狀態(tài)特點(diǎn)和平均傾角確定。樹(shù)葉大小和樹(shù)葉采集數(shù)量還根據(jù)樹(shù)的特點(diǎn)確定具有代表性樣本，大中小三種尺寸的樹(shù)葉分布基本均勻。

（2）現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬（中等偏小強(qiáng)度的）降雨法均勻噴淋樹(shù)葉，直至樹(shù)葉面有自然水滴剛落下。根據(jù)噴淋前后差重法測(cè)定樹(shù)葉滯水量：將（1）步驟里采樣的樹(shù)葉淋水前稱總重a，噴淋結(jié)束后再稱重得總重b，則樹(shù)葉面上飽和吸附水的重量為d=b-a。

（3）樹(shù)葉面積測(cè)定方法：將樹(shù)葉放在規(guī)格統(tǒng)一的 A 4 紙上畫(huà)描出樹(shù)葉的輪廓，裁剪后用稱重法稱出輪廓的重量，再通過(guò)換算：樹(shù)葉輪廓總重量 × （A 4 紙面積/A 4 紙重量），可獲得采樣樹(shù)葉的總面積s。進(jìn)而可計(jì)算得到單位面積葉片的滯水量g=d/s=(b-a)/s。

（4）計(jì)算得到葉片對(duì)水的截留率c=(b-a)/a×100%。

（5）通過(guò) LAI 2000 植物冠層分析儀（美國(guó) LI-COR 公司出品）測(cè)得葉面積指數(shù) LAI（樹(shù)冠總?cè)~面積與樹(shù)冠投影面積的比值）。計(jì)算得到單位投影面積的樹(shù)冠滯水量G=g×LAI。另外，由于 LAI 測(cè)定儀的限制，所以，本次選取的灌木種類以具有較高木徑和葉冠的灌木植物作為代表。

1.2.2 吸水硬質(zhì)地坪滯水量的分階段測(cè)定與計(jì)算

分別以 30 cm × 30 cm 或 60 cm × 60 cm 大小的地面作為研究對(duì)象（不吸水地坪可偏小選擇，吸水地坪偏大選擇），且均選擇較水平的地坪（無(wú)特定傾角）。具有吸收水能力的硬質(zhì)地坪滯水過(guò)程分為兩個(gè)階段：吸收水分和滯留水分，如混凝土地坪。對(duì)于這類地坪的滯水測(cè)定可分為兩個(gè)階段。首先，記錄噴水前噴壺及水的總重量為m，當(dāng)向特定面積（s）的地坪模擬雨水仔細(xì)噴淋至噴出的水剛好不再下滲時(shí)，立即記錄此時(shí)噴壺和剩余水的重量為n，至此，第一階段結(jié)束。第一階段的單位面積地表滯水量（也即吸收水量）即為h1=(m-n)/s，單位為 g/m2。在第一階段結(jié)束時(shí)，地表材料已經(jīng)吸收了充足的水分，此時(shí)繼續(xù)緩慢向地面噴水，當(dāng)?shù)孛嫔霞磳a(chǎn)生一個(gè)非常小的溢流時(shí)，立即記錄噴壺和剩余水的重量為f，這時(shí)第二階段結(jié)束。第二階段的單位面積地表滯水量即為h2=(n-f)/s。因此，硬質(zhì)地坪?jiǎn)挝幻娣e的總地表滯水量為H=h1+h2。

1.2.3 不吸水地坪滯水量的測(cè)定與計(jì)算

首先，記錄噴水前噴壺及水的總重量為p，用噴壺向特定面積地面噴淋水至地面上即將產(chǎn)生一個(gè)非常小的溢流時(shí)，立即記錄噴壺和剩余水的重量為q，則單位面積的地表滯水量為z=(p-q)/s，單位為 g/m2。

1.2.4 聚類分析方法

對(duì)于植物滯水特性聚類分析，采用組間連接的聚類方法、平方 Euclidean 距離區(qū)間的度量標(biāo)準(zhǔn)，植物冠層單位滯水能力、截留率和總滯水能力作為組變量，對(duì)上述植物進(jìn)行系統(tǒng)聚類。

對(duì)于地坪滯水特性聚類分析，采用組間連接的聚類方法、平方 Euclidean 距離區(qū)間的度量標(biāo)準(zhǔn)，不同地坪材料單位面積滯水能力作為組變量對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)聚類。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物滯水能力分析

2.1.1 喬木滯水能力分析

喬木冠層單位滯水能力和截留率分析圖如圖 1 所示。

圖 1 喬木冠層單位滯水能力和截留率

由圖 1 可知，從葉片單位面積的滯水能力來(lái)看，所考察的各類喬木葉片單位面積滯水能力平均為 109 g/m2，且大部分喬木葉片滯水能力變化范圍是較均勻分布在 50 ～ 150 g/m2之間。但有 2 種植物（垂絲海棠和龍柏）的葉片滯水能力明顯遠(yuǎn)高于其他喬木，可能與其葉面特別粗糙且有細(xì)小親水絨毛輔助滯水有關(guān)。另外，通過(guò)觀察和對(duì)比葉片滯水能力較高的植物（如雞爪槭、懸鈴木和垂絲海棠等）和滯水能力較低的植物（如廣玉蘭和柿樹(shù)等），可以發(fā)現(xiàn)滯水能力低的植物葉片往往具有一層疏水蠟質(zhì)，極大地影響了其滯水能力。但滯水能力較高的植物表面或者較粗糙親水，或者具有一定的紋路，增加了其儲(chǔ)水能力。

從葉片截留率來(lái)看，其總體與葉片單位面積滯水量的總趨勢(shì)一致。但有 4 種植物的截留率較為特殊，明顯高于其他植物，即欒樹(shù)、雞爪槭、懸鈴木和垂絲海棠。情況正相反的植物如廣玉蘭和香柚等，此類植物的葉片重量相對(duì)較重導(dǎo)致截留率下降。

喬木冠層單位投影面積滯水能力分析圖如圖 2 所示。

圖 2 喬木冠層單位投影面積滯水能力

由喬木冠層滯水能力（即冠層單位投影面積滯水量）可知，如圖 2 所示。25 種喬木冠層總滯水能力最高的是龍柏，冠層平均總滯水能力達(dá)到了 1 000 g/m2。其次是垂絲海棠、垂柳、桂花和雞爪槭等，在 500 g/m2和 900 g/m2之間。本研究的喬木冠層單位投影面積滯水量平均值為 375 g/m2，超過(guò)平均值的植物有 9 種，低于平均值的有 16 種。冠層滯水能力最低的是廣玉蘭，滯水能力僅為 114g/m2。冠層滯水能力強(qiáng)的植物，往往枝葉茂盛，層疊密實(shí)，如龍柏、懸鈴木和合歡等。

綜合上述信息可知，設(shè)計(jì)城市園林或進(jìn)行城市規(guī)劃時(shí)，若考慮滯水防洪能力，應(yīng)多選擇龍柏、垂絲海棠、懸鈴木和雞爪槭等植物，植葉表面應(yīng)具有親水多紋路或長(zhǎng)細(xì)絨的特征，且盡量無(wú)蠟質(zhì)。冠層應(yīng)茂盛密實(shí)。

2.1.2 灌木滯水能力分析

灌木葉片單位面積滯水能力和截留率分析圖如圖 3所示。

圖 3 灌木葉片單位面積滯水能力和截留率

由圖 3 可知，整體上看，5 種灌木植物葉片的單位面積滯水量和截留率趨勢(shì)大體上一致，但截留率波動(dòng)較大，可能與植物葉片本身質(zhì)量特性有關(guān)。

從葉片單位面積的滯水量來(lái)看，且與喬木植葉比較可知，灌木植葉滯水能力是相對(duì)較強(qiáng)的，基本在喬木葉片滯水能力平均值之上，其中珊瑚樸和蚊母的葉片滯水能力更強(qiáng)。灌木冠層單位投影面積滯水能力分析如圖 4 所示。

如圖 4 可知，5 種灌木植物冠層單位投影面積滯水能力最高的是蚊母，達(dá)到了 850 g/m2，；冠層截留能力次之的是珊瑚樸和三角楓，滯水能力在 280 g/m2和 350 g/m2之間；臘梅和女貞的冠層滯水能力都在 200 g/m2以下。因此，灌木類植物中，珊瑚樸和蚊母是城市規(guī)劃和滯水設(shè)計(jì)中可以優(yōu)先選擇的植物，尤其值得注意的是，珊瑚樸的葉片截留率較高，接近 100%。珊瑚樸樹(shù)葉特征與垂絲海棠樹(shù)葉極為接近，葉面多細(xì)絨和紋路，便于儲(chǔ)水。

2.1.3 植物冠層滯水能力的聚類分析

植物冠層滯水能力的聚類分析如圖 5 所示。

由綜合植物葉片滯水能力、冠層滯水能力和截留率 3 種性質(zhì)聚類分析得出的樹(shù)狀圖可以看出，按照滯水能力植物可分為 6 個(gè)類型。第一類：龍柏；第二類：垂絲海棠和蚊母；第三類：銀杏、梨樹(shù)、墨西哥落羽杉、桂英和雞爪槭；第四類：桂花和垂柳；第五類：合歡、珊瑚樸、懸鈴木、紫薇、雪松、香柚、柿樹(shù)、烏桕、三角楓和紅葉李；第六類：白玉蘭、日本早櫻、水杉、欒樹(shù)、臘梅、無(wú)患子、楓香、女貞和廣玉蘭。其中，滯水能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋旱谝活?＞ 第二類 ＞ 第四類 ＞ 第三類 ＞ 第五類 ＞ 第六類。第一類和第二類植物滯水能力最強(qiáng)，葉片單位面積平均滯水能力可達(dá)到 251 g/m2，平均截留率達(dá)到 57%，冠層滯水能力的平均值達(dá)到978 g/m2；其次是第三類和第四類，葉片單位面積平均滯水能力為 130 g/m2，平均截留率為 67%，冠層滯水能力的平均值為 538 g/m2；第五、六類植物冠層滯水能力最弱，葉片單位面積平均滯水能力僅為 103 g/m2，平均截留率僅為58%，總滯水能力的平均值僅為 233 g/m2。同時(shí)，龍柏、蚊母和垂絲海棠的冠層滯水能力明顯優(yōu)于其他植物。從整體上看，喬木的冠層滯水能力強(qiáng)于灌木，且前四類植物總體上是滯水能力較強(qiáng)的植物。另外，由于植葉葉面特征和冠層特征的多樣性，導(dǎo)致喬木和灌木之間會(huì)出現(xiàn)混合聚類現(xiàn)象，即從整體滯水性質(zhì)看，有的喬木和灌木成為一類，因此，城市園林規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體目的來(lái)進(jìn)行選擇。

圖 5 植物冠層滯水能力的聚類分析

2.2 地坪滯水能力分析

2.2.1 硬質(zhì)地坪滯水能力分析

硬質(zhì)地坪?jiǎn)挝幻娣e滯水量分析如圖 6 所示。

由圖 6 可知，在硬質(zhì)地坪吸水的第一階段，單位面積路面滯水量最多的是嵌鎖形砌塊路面，單位面積滯水量接近2.0 kg/m2，其次是混凝土磚路面，單位面積滯水量達(dá)到 1.0 kg/m2，其他地面的單位面積滯水量均遠(yuǎn)低于這兩種地面。在硬質(zhì)地坪吸水的第二階段，單位面積路面滯水量最多的是嵌鎖形砌塊路面，單位面積滯水量達(dá)到 2.6 kg/m2，而其他地面的單位面積滯水量均在 1.0 kg/m2以下，其中單位面積滯水量最低的是木地板路面，這可能跟其一般會(huì)涂覆油漆類憎水保護(hù)層有關(guān)。

圖 6 硬質(zhì)地坪?jiǎn)挝幻娣e滯水量

從整體來(lái)看，單位面積總滯水量最多的是嵌鎖型楔形路面，滯水量可達(dá)到 4.5 kg/m2，遠(yuǎn)超過(guò)其他路面單位面積滯水量，且嵌鎖型楔形路面兩個(gè)階段的單位面積滯水量均是最多的；其次是混凝土磚路面，單位面積滯水量接近 2 kg/m2；單位面積滯水量最小的是木地板路面?；炷链u路面的滯水能力強(qiáng)于混凝土板路面?？傮w來(lái)看，大部分混凝土類地面的滯水效果相對(duì)較好。因此，對(duì)于公園類滯水路面設(shè)計(jì)時(shí)，以嵌鎖形路面為最優(yōu)選擇。

2.2.2 不吸水地面滯水能力分析

不吸水地面單位面積滯水量分析如圖 7 所示。

圖 7 不吸水地面單位面積滯水量

由圖 7 可知，與上述硬質(zhì)地坪相比，不吸水硬質(zhì)路面的單位面積總滯水量顯然均處于較低水平，其最大滯水量與硬質(zhì)地坪的最低滯水量相當(dāng)。其中，花崗巖路面和釉面磚路面的單位面積滯水量相對(duì)較高，達(dá)到 0.9 kg/m2，其他路面的單位面積滯水量均明顯低于這兩種路面。滯水能力最弱的是大理石路面。

2.2.3 不同地坪材料滯水能力的聚類分析

不同地坪材料滯水能力的聚類分析如圖 8 所示。

圖 8 不同地坪材料滯水能力的聚類分析

由總滯水能力聚類分析得出的樹(shù)狀圖可以看出，不同材料的地坪滯水能力可分為三個(gè)類型：第一類，嵌鎖型楔形路面；第二類，木磚路面、木屑路面、混凝土板路面、普通黏土磚路面、砂石路面、釉面磚路面、花崗巖路面、卵石鋪砌路面、水洗小礫石路面、仿石混凝土預(yù)制板路面和混凝土磚路面；第三類，大理石路面、混凝土平板瓷磚鋪面路面、木地板路面、陶瓷錦磚路面和水磨平板路面。其中，滯水能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋旱谝活悾镜诙悾镜谌?。嵌鎖型楔形路面滯水能力明顯強(qiáng)于其他材料的地坪，單位面積滯水能力達(dá)到 4.5 kg/m2，；其次是第二類地坪，單位面積平均滯水能力為 1.3 kg/m2；第三類地坪滯水能力最弱，單位面積平均滯水能力僅為 0.5 kg/m2。從整體上看，硬質(zhì)地坪的滯水能力遠(yuǎn)高于不吸水地面。在城市園林設(shè)計(jì)中，若注重下墊面滯水能力，應(yīng)優(yōu)選嵌鎖型鍥形路面，其次是具有吸水能力的混凝土磚路面。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）大多數(shù)植物冠層均有滯留雨水的能力。試驗(yàn)研究的 25 種喬木中冠層總滯水能力最高的是龍柏，其次是垂絲海棠、桂花和雞爪槭。5 種灌木植物冠層總滯水能力最高的是蚊母，次之的是珊瑚樸和三角楓。喬木的冠層滯水能力強(qiáng)于灌木的冠層滯水能力。因此，在城市綠地建設(shè)中，應(yīng)該根據(jù)適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件盡可能地選擇滯水能力相對(duì)較強(qiáng)的植物，充分發(fā)揮喬木滯留雨水能力強(qiáng)的特性，提高喬木的種植比例。

（2）11 種具有一定吸水能力的硬質(zhì)地坪中單位面積總滯水量最多的是嵌鎖型鍥形路面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他路面單位面積總滯水量，其次是混凝土磚路面，因此，在城市道路建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)盡可能選擇這兩類地坪材料和形式。