6 種園林灌木植物冠層截留特征研究

朱煒曄，肖 冰，陳 平，石秀蘭，鄭丹琳，韓瑞宏

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園藝園林學(xué)院，廣東 廣州 510225）

【研究意義】海綿城市是城市可持續(xù)發(fā)展建設(shè)中一種新的雨洪管理概念，目的在于提高城市自身的雨洪管理能力，緩解城市在雨季和旱季帶來(lái)的災(zāi)害［1-2］。在海綿城市建設(shè)中，選擇冠層截留能力較好的植物，不僅可以在降水時(shí)吸收和阻擋部分雨水到達(dá)地面，減少地表徑流量和城市內(nèi)澇，而且還可以在干旱時(shí)通過(guò)植物葉片蒸騰作用將之前儲(chǔ)蓄的水緩慢排出，提高城市局部水分的循環(huán)速率，改善局部小氣候［3-4］。灌木具有觀賞價(jià)值高，抗逆性強(qiáng)，生長(zhǎng)迅速，管理方便，養(yǎng)護(hù)成本低等特點(diǎn)，是城市建設(shè)中不可缺少的綠化植物［5-7］。研究發(fā)現(xiàn)部分灌木植物冠層截留量較大，甚至比某些喬木冠層截留量高［3］，將灌木植物應(yīng)用于海綿城市建設(shè)，不僅可美化環(huán)境，還能有效截留降水，在一定程度上緩解城市內(nèi)澇。

【前人研究進(jìn)展】近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物葉片吸水量、植被冠層截留量等進(jìn)行了相關(guān)研究并取得了許多重要的研究成果。Chandra 等研究發(fā)現(xiàn)，馬達(dá)加斯加?xùn)|部低山地雨林地區(qū)的兩種森林林冠截留占總降雨量的71.0%［8］。我國(guó)各類森林生態(tài)系統(tǒng)林冠截留率為11.4%～36.5%，平均為22%［9］。在森林地區(qū)，整個(gè)雨季植被平均截留率高達(dá)40%［10］。李嘉樂(lè)等對(duì)北京市常用樹(shù)木冠層雨水截留能力的研究發(fā)現(xiàn)，喬木中，雪松（Cedrus deodara）的雨水截留能力較強(qiáng)，灌木中，榆葉梅屬（Prunus）的植物雨水截留能力較強(qiáng)［11］。王思思等對(duì)北京市21 種植物葉片吸水性能與冠層雨水截留能力的研究發(fā)現(xiàn)，11 種喬木的冠層雨水截留量在71.30～738.72 g/m2之間，6 種灌木的冠層雨水截留量在41.79～275.28 g/m2之間［3］。車生泉等對(duì)上海市70 種常見(jiàn)園林植物葉片單位面積吸水量的研究發(fā)現(xiàn)，葉片單位面積吸水量由高至低的順序?yàn)槌＞G闊葉喬木＞灌木＞落葉喬木＞地被植物。［12］

【本研究切入點(diǎn)】近年來(lái)城市建設(shè)對(duì)廣州市地表和地貌的改變產(chǎn)生了很大影響，導(dǎo)致廣州市內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)水浸街現(xiàn)象［13］。廣州市水資源較為豐富，但水資源時(shí)空分布極不均勻，夏天多雨，冬季干燥且少雨［14］。同時(shí)，隨著廣州市經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，工程型缺水、水質(zhì)型缺水和政策性缺水并存［15］。在城市綠化中，選用冠層截留量大、持水性能好的灌木植物可以在一定程度上緩解城市內(nèi)澇，減少旱季廣州城市綠化用水，促進(jìn)廣州生態(tài)環(huán)境的發(fā)展。不同葉片特征的灌木植物，其截水、吸水與持水能力也不同，通過(guò)浸泡法可以評(píng)價(jià)不同灌木植物的冠層截留量大小?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】通過(guò)研究廣州市常見(jiàn)的6 種園林灌木植物冠層截留特征，了解常用園林灌木植物的冠層截留量，為園林灌木植物應(yīng)用于廣州市“海綿城市”建設(shè)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

6 種園林灌木植物包括海桐（Pittosporum tobira）、灰 莉（Fagraea ceilanica）、簕杜鵑（Bougainvillea glabra）、大紅花（Hibiscus rosasinensis）、紅花檵木（Loropetalum chinensevar.rubrum）、米仔蘭（Aglaia odorata），為仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院白云校區(qū)校園內(nèi)栽培的綠化植物，正常養(yǎng)護(hù)管理，其葉面特征見(jiàn)表1。

表1 植物葉面特征Table 1 Leaf surface characteristics of plants

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2017 年12 月至2018 年1 月在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院白云校區(qū)內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)期間天氣晴朗，無(wú)降水。采樣時(shí)間為上午9：00～10：00，每種灌木植物選取5 株長(zhǎng)勢(shì)良好的成年健壯植株，選擇長(zhǎng)勢(shì)中等的成熟葉片和枝條，每株植物采集3 片葉片和3 根枝條，每種灌木植物共采集15 片葉片和15 根枝條，用濕潤(rùn)的紙巾包裹住材料切口，迅速拿回實(shí)驗(yàn)室用凝固膠封住其切口。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 葉片和枝條截留量 將采回的葉片和枝條快速稱量鮮重，用直尺測(cè)量葉片長(zhǎng)度和寬度，用游標(biāo)卡尺測(cè)量葉片厚度，采用面積比值法測(cè)量葉面積［16］，記錄枝條的葉片數(shù)。之后將葉片和枝條完全浸泡于裝有水的圓桶內(nèi)，讓葉片和枝條吸水至飽和，然后用鑷子將葉片和枝條從水中輕輕取出控水，當(dāng)葉片和枝條上無(wú)明顯水珠滴落時(shí)立刻稱重。

葉片截留量=葉片吸水飽和重-葉片鮮重

枝條截留量=枝條吸水飽和重-枝條鮮重

1.3.2 單位葉面積截留量 在葉片浸泡過(guò)程中，記錄葉片截留量隨時(shí)間的變化，時(shí)間設(shè)置為300 min。前120 min 每隔20 min 將葉片取出測(cè)量1 次重量，120～180 min每隔30 min測(cè)量1 次，180 min 后每隔60 min 測(cè)量1 次。

單位葉面積吸水量=（浸泡后葉片的重量-葉片鮮重）/葉面積

1.3.3 單位葉面積失水量 當(dāng)葉片吸水達(dá)到飽和并稱重后去掉葉片切口的凝固膠，開(kāi)始失水計(jì)時(shí)。時(shí)間設(shè)置為：前10 min 每隔5 min 測(cè)定1 次重量，10～100 min每隔10 min測(cè)定1 次，100～180 min每隔20 min 測(cè)定1 次，180～480 min 每隔60 min測(cè)定1 次，失水至采后鮮重為止。

單位葉面積失水量=（葉片飽和重-失水后葉片重量）/葉面積

1.3.4 葉片和枝條含水量 將失水至采后鮮重的葉片和吸水飽和的枝條放入烘箱中，105 ℃殺青，70 ℃烘干稱重，計(jì)算葉片含水量和枝條含水量。

1.3.5 植物冠層截留量 測(cè)量6 種灌木的株高、冠幅長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度，計(jì)算灌木冠層投影面積；記錄灌木的枝條數(shù)，將長(zhǎng)勢(shì)中等的枝條作為標(biāo)準(zhǔn)枝，根據(jù)1.3.1 測(cè)量的枝條截留量估算整株灌木的枝條最大截留量。根據(jù)灌木冠層投影面積計(jì)算6種灌木最大冠層截留量（g/m2）。

冠幅=（冠幅長(zhǎng)軸+冠幅短軸）/2

冠層投影面積S ＝π×冠幅長(zhǎng)軸×冠幅短軸/4

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007、SPSS22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株形態(tài)及葉片最大截留量

從表2 可以看出，6 種園林灌木植物形態(tài)之間差異顯著，其中灰莉葉片長(zhǎng)度、葉片厚度、葉面積及葉片鮮重最大，簕杜鵑葉片寬度最大，大紅花株高最高，海桐冠幅最大。6 種園林灌木植物葉片含水量差異顯著，其中灰莉葉片含水量最大、為84.38%，紅花檵木葉片含水量最小、為55.68%，其他植物葉片含水量在63.23%～73.38%之間。6種園林灌木植物中葉片鮮重最大的是灰莉，最小的是紅花檵木。6 種園林灌木植物中葉片最大截留量差異顯著，其中灰莉、簕杜鵑、大紅花葉片最大截留量較大，均在200 mg 左右；米仔蘭葉片最大截留量居中，為112.93 mg；海桐和紅花檵木葉片最大截留量相對(duì)較小，均在60 mg 以下。

表2 6 種園林灌木植物形態(tài)指標(biāo)及葉片最大截留量Table 2 Morphological indexes and maximum interception of leaf of 6 landscape shrub plants

2.2 葉片最大截留量與葉片形態(tài)指標(biāo)、生長(zhǎng)指標(biāo)相關(guān)性分析

從表3 可以看出，6 種園林灌木植物葉片最大截留量與葉面積呈極顯著正相關(guān)，與葉長(zhǎng)、葉寬和葉片含水量呈顯著正相關(guān)，與葉厚和葉鮮重相關(guān)性不顯著。

表3 6 種園林灌木葉片最大截留量與葉片形態(tài)指標(biāo)間相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between maximum interception of leaf and leaf morphological indexes of 6 landscape shrub plants

2.3 單位葉面積截留量隨時(shí)間的變化

從圖1 可以看出，浸泡0～20 min，6 種園林灌木植物單位葉面積截留量均迅速增加，其中大紅花單位葉面積截留量最大、為11.93 mg/cm2，灰莉單位葉面積截留量最小、為4.43 mg/cm2，其他4 種園林灌木植物單位葉面積截留量介于兩者之間；浸泡40 min，灰莉、勒杜鵑、紅花檵木、海桐單位葉面積截留量仍較大幅度上升，而大紅花單位葉面積截留量變化不大，米仔蘭單位葉面積截留量則表現(xiàn)小幅度降低；浸泡40 min 之后，紅花檵木單位葉面積截留量繼續(xù)呈上升趨勢(shì)且在120 min 后較大幅度的高于其他幾種植物，大紅花在吸水60 min 單位葉面積截留量達(dá)到最大、為13.76 mg/cm2，之后緩慢降低，其他4 種植物40 min 后繼續(xù)緩慢吸水至飽和，之后仍小幅度波動(dòng)變化。

圖1 6 種園林灌木植物單位葉面積截留量隨時(shí)間的變化Fig.1 Interception variation of unit leaf area of 6 landscape shrub plants with time

2.4 吸水飽和后單位葉面積失水量隨時(shí)間的變化

從圖2 可以看出，6 種吸水飽和的園林灌木植物在0～5 min 內(nèi)單位葉面積失水量最大，失水速度最快，其中大紅花單位葉面積失水量達(dá)9.95 mg/cm2，米仔蘭單位葉面積失水量最小、為6.91mg/cm2；5 min 后，6 種植物單位葉面積失水量均大幅下降。6 種園林灌木的持水性能不同，其中灰莉的持水性能最好，雖然從20 min 開(kāi)始其單位葉面積失水量較大幅度地高于其他植物，但其單位葉片從吸水飽和到返回接近鮮重狀態(tài)耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)480 min；海桐和米仔蘭吸水飽和后，持水性也較強(qiáng)，單位葉面積失水量從吸水飽和到失水接近鮮重狀態(tài)分別耗時(shí)140 min 和100 min；另外3種灌木植物單位葉面積失水量從吸水飽和到失水接近鮮重狀態(tài)分別耗時(shí)60～70 min。

圖2 6 種園林灌木植物吸水飽和葉片單位葉面積失水量隨時(shí)間的變化Fig.2 Water loss variation of unit leaf area of 6 landscape shrub plants with time

2.5 枝條最大截留量

從表4 可以看出，6 種園林灌木植物枝條最大截留量之間差異顯著，其中大紅花枝條截留量最大、為14.85 g，顯著高于其他5 種植物；米仔蘭、灰莉、簕杜鵑和海桐枝條最大截留量均在3～4 g之間，紅花檵木枝條的最大截留量最小、為1.85 g。

表4 6 種園林灌木植物枝條最大截留量Table 4 Maximum interception of branch of 6 landscape shrub plants

2.6 冠層最大截留量

從圖3 可以看出，6 種園林灌木植物之間冠層最大截留量差異顯著，其中大紅花的冠層截留量為3 204 g/m2，顯著高于其他5 種植物；海桐、灰莉、簕杜鵑和米仔蘭的冠層截留量在500～1 000 g/m2之間，紅花檵木的冠層截留量最小、為406.48 g/m2。

圖3 6 種園林灌木植物冠層截留量Fig.3 Maximum interception of canopy of 6 landscape shrub plants

2.7 冠層最大截留量與枝條各指標(biāo)間相關(guān)性分析

從表5 可以看出，6 種園林灌木植物冠層最大截留量與枝條最大截留量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與枝條鮮重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與其他形態(tài)指標(biāo)相關(guān)性不顯著；枝條最大截留量與枝條鮮重呈極顯著正相關(guān)，枝條數(shù)量與冠幅投影面積呈顯著正相關(guān)。

表5 冠層最大截留量和枝條各指標(biāo)間相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between maximum interception of canopy and indexes of branch

3 討論

植物葉片不僅能截留降水，雨水還能通過(guò)葉片表面進(jìn)入到葉片內(nèi)部被植物吸收［17-19］。研究葉片吸水的不同方法中，比較常見(jiàn)的是“浸泡法”［20］。本研究通過(guò)浸泡法測(cè)量6 種園林灌木植物截留量，發(fā)現(xiàn)勒杜鵑、灰莉、大紅花等葉片較大的灌木植物其葉片最大截留量也較大。相關(guān)分析表明，6 種園林灌木植物葉片最大截留量與葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積相關(guān)性顯著。劉艷麗等對(duì)玉米、紫花苜蓿、刺槐等5 種植物的研究發(fā)現(xiàn)，葉長(zhǎng)、葉寬與葉片最大截留量相關(guān)性不顯著，但葉面積與葉片最大截留量呈很好的線性正相關(guān)關(guān)系［20］。

本研究中，海桐、灰莉、大紅花、紅花檵木、米仔蘭浸泡0～20 min 的葉面積截留量迅速增加，勒杜鵑浸泡0～40 min 單位葉面積截留量迅速增加，之后6 種園林灌木植物單位葉面積截留量增加趨勢(shì)減緩，直至吸水飽和。該結(jié)果與王迪等對(duì)冬小麥葉片、于璐等對(duì)草坪草葉片吸水趨勢(shì)的研究結(jié)論一致［21-22］。這表明葉片吸水存在一個(gè)閾值，葉片初始接觸水分時(shí)，由于葉片表面較干燥，水分經(jīng)由細(xì)胞壁進(jìn)入原生質(zhì)和液泡較快，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，葉片吸水逐漸達(dá)到飽和，吸水量達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值［22］。葉片吸水20 min，具密生絨毛的紅花檵木和勒杜鵑單位葉面積截留量低于大紅花，可能是由于大紅花葉面適量的絨毛更有利于持水。Brewer 等研究發(fā)現(xiàn)，適量稀疏絨毛有利于刺破水滴表面誘導(dǎo)水滴分散成膜，但密被絨毛反而不利于葉片持水［23］；葉片吸水80～300 min，具蠟質(zhì)層的3 種灌木植物其單位葉面積截留量低于另外3 種不具蠟質(zhì)層的灌木植物。葉片蠟質(zhì)具有一定的疏水性，蠟質(zhì)通常被認(rèn)為會(huì)降低葉片的吸水能力［24］。對(duì)吸水飽和后單位葉面積失水量的研究發(fā)現(xiàn)，海桐、米仔蘭、灰莉3種具蠟質(zhì)層的植物失水達(dá)到原來(lái)鮮重的時(shí)間高于另外3 種不具蠟質(zhì)層的植物，特別是灰莉，其恢復(fù)到鮮重的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)480 min，這可能和植物葉片的表皮蠟質(zhì)有關(guān)，葉片表皮蠟質(zhì)作為致密的保護(hù)層，可以限制非氣孔的水分散失，對(duì)保持葉片水分起著重要作用［25］。

本研究中，6 種園林灌木植物冠層（包括葉片及枝條）截留量在406.48～3 204 g/m2之間，未將葉片與枝條分離，也未對(duì)比不同灌木間葉與枝截留能力的差異。薦圣淇等研究發(fā)現(xiàn)，不同灌木葉片與枝條截留量不同，其中檸條各組分最大截留量為枝條＞葉＞樹(shù)干，沙棘為樹(shù)干＞枝＞葉［26］。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，6 種園林灌木植物中，勒杜鵑、大紅花、灰莉葉片最大截留量顯著高于另外3 種植物；單位葉面積截留量最大的是紅花檵木，其次是大紅花和勒杜鵑；葉片吸水飽和后持水性最好的是灰莉；大紅花單位綠地面積冠層截留量最大，每平方米可達(dá)3 204 g。今后在城市綠化建設(shè)中可將單位綠地面積冠層截留大的灌木如大紅花、持水性能較好的植物如灰莉應(yīng)用在海綿城市建設(shè)中，有助于抵抗城市內(nèi)澇，提高城市的水彈性，緩解城市用水壓力，促進(jìn)廣州市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。