喬木冠層對(duì)雨水截留作用研究

李皓宇，馬麗君，封高華，高齊澤，張升堂

（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590）

0 引 言

近年來，隨著全球氣候的突變式變化，導(dǎo)致城市極端氣候頻率越發(fā)頻繁，極端氣候也誘發(fā)了城市內(nèi)澇等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。不同下墊面也會(huì)影響城市不同的產(chǎn)流情況，植物作為城市綠地重要的組成部分，在有效削減降雨徑流方面發(fā)揮重要作用[1]。在城市海綿綠地構(gòu)建中，選擇截留能力較強(qiáng)的植物，能更好的發(fā)揮植物海綿綠地的作用。因此，研究不同植物的截留情況對(duì)于防止城市因強(qiáng)降雨而產(chǎn)生的內(nèi)澇、有效進(jìn)行雨水管理、控制土壤侵蝕、水土保持方面有重要意義[2,3]。

植物對(duì)雨水的截留作用指降水落到地面以前，由于地面植物的枝葉、地表枯落物的攔截，導(dǎo)致部分降水無法參與徑流形成或地面以下各種水分的運(yùn)動(dòng)過程，而以蒸發(fā)形式回歸大氣的作用[4]。冠層截留（Ec）指雨水降落在植被上，雨水經(jīng)過冠層的阻擋后部分雨水被冠層暫時(shí)滯留于葉片、莖干表面及葉鞘內(nèi)，之后通過蒸發(fā)以水汽形式回歸大氣，這部分截留的雨水稱為冠層截留[5-7]。

國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)喬木冠層的截留能力進(jìn)行了大量的研究。研究結(jié)果表明，影響喬木冠層截留能力主要有自身因素和外界因素[8,9]，內(nèi)部因素有：生長狀況、植物種類、葉面積、葉面積指數(shù)、冠層厚度、樹高；環(huán)境因素有：降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間、與上次降雨的時(shí)間間隔、蒸發(fā)、日照時(shí)間、風(fēng)速等[10-12]。Ghimire C P 等[13]運(yùn)用模型分析得出馬達(dá)加斯加?xùn)|部低山地雨林區(qū)的兩種森林林冠截留、穿透雨量和莖干截留分別占總降雨量的71.0%、1.7% 和27.3%。Teklehaimanot Z 等[14]認(rèn)為溫帶針葉林林冠截留率在20%～40%之間。Zabret K 等[15]分析樺樹和松樹分別截留了總降雨量的23%和45%。這兩種樹種在長葉期截留更多的降雨。游宇等[16]分析相同降雨條件下，兩種針葉喬木圓柏、雪松對(duì)雨水的截留率較高，隨著降雨量的增大，8種喬木林冠的截留率均有所降低，但是該研究并沒有與室內(nèi)浸泡法進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)有關(guān)喬木冠層截留能力的研究中，野外實(shí)驗(yàn)受外界因素較大，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)大多基于浸泡法研究，較少考慮降雨強(qiáng)度對(duì)喬木冠層截留的影響，且缺乏關(guān)于兩者方法比較的研究。

植物截留受多方面的因素影響，目前有野外實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，但野外實(shí)驗(yàn)受氣候影響，干擾因素太大，實(shí)驗(yàn)周期太長。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)通過人工降雨控制降雨模式，受干擾因素較少，假設(shè)理想條件下的冠層截留量只與植物本身特征有關(guān)，故本文選用室內(nèi)降雨實(shí)驗(yàn)，采用降雨法和浸泡法研究喬木冠層截留能力。研究植物截留能力能更好的發(fā)揮植物綠地的作用，選擇截留能力更大的植物能減少地表徑流，為今后城市綠化規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青島市處于山東半島東南部，青島地區(qū)植物種類豐富繁茂，是同緯度地區(qū)植物種類最多、組成植被建群種最多的地區(qū)。目前青島市常用城市森林營建植物約400多種，其中喬木200余種，主要為落葉闊葉喬木。青島屬溫帶季風(fēng)氣候，年平均降水量970.6 mm（2020年），降雨主要集中在6-9月份。本文因研究采摘樹葉的方便性，故將實(shí)驗(yàn)設(shè)在青島市山東科技大學(xué)校區(qū)內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

為確定測(cè)定的喬木種類，對(duì)校區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的喬木種類進(jìn)行普查，對(duì)出現(xiàn)頻率高且無病蟲害影響，冠幅和胸徑達(dá)到平均水平并已成熟的6 種喬木作為實(shí)驗(yàn)樣本。6 種植物有：厚樸（Magnolia officinalis Rehd. et Wils.）、 楓香（Liquidambar formosana Hance）、鵝掌楸（Liriodendron chinense (Hemsl.)Sargent.）、 銀杏（Ginkgo biloba L.）、 藍(lán)冰柏（Cupressus arizonica var. glabra ′Blue Ice′）、雪松（Cedrus deodara (Roxb.)G.Don），樣本植物生活習(xí)性及特征見表1。

表1 樣本植物生活習(xí)性及特征Tab.1 Living habits and characteristics of sample plants

1.3 研究方法

目前國內(nèi)外有許多測(cè)量植物截留量的觀測(cè)方法：水量平衡的間接觀測(cè)方法、人工濕潤法、射線衰減法、遙感觀測(cè)法等[2]。水量平衡為原理的間接觀測(cè)法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，但實(shí)驗(yàn)周期長[17]。人工濕潤法測(cè)量截留量，即利用浸泡濕潤的方法或室內(nèi)模擬天然降雨法來讓樹木枝干、樹葉分別完全濕潤，然后稱重，結(jié)合林冠整體和其枝干、樹葉的表面積大小，計(jì)算出林冠枝葉層的截留雨水量，人工濕潤法適合單株植物，實(shí)驗(yàn)周期短，操作相對(duì)簡單[18,19]。射線衰減法成本較高，一般在實(shí)驗(yàn)中很少出現(xiàn)。遙感觀測(cè)法更科學(xué)準(zhǔn)確，適合整片觀測(cè)森林[7]。考慮實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮O(shè)備要求，本研究選用人工濕潤法，分別用人工模擬降雨法和浸泡法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.1 植物樣本的選定

采樣樣本選定在青島市山東科技大學(xué)，校區(qū)內(nèi)樹木種類豐富且數(shù)量多。所選樣本要分布在一個(gè)區(qū)域，保證植物生長環(huán)境的同一性。在研究區(qū)內(nèi)選擇6種喬木，采摘時(shí)選擇大小不一的健康葉片，從樹冠的內(nèi)外上下多點(diǎn)進(jìn)行采樣，選擇天氣晴朗的日子，實(shí)驗(yàn)日期在9月，排除氣候差異影響因素。為了降雨法實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比性，將采摘的新鮮葉片放入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，利用電子秤（精度0.001）對(duì)葉片進(jìn)行稱重，6 種喬木實(shí)驗(yàn)的葉片都為83±1 g。

1.3.2 截留能力的測(cè)定

植物葉表面積采用游標(biāo)卡尺和方格紙測(cè)量。實(shí)驗(yàn)選擇人工模擬降雨和浸泡法。人工模擬降雨法設(shè)為4 個(gè)模式：小雨（10 mm）、中雨（20 mm）、大雨（30 mm）、暴雨（60 mm），降雨法的4個(gè)模式雨量根據(jù)單位面積內(nèi)的降雨體積得知，在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了多次降雨模擬，對(duì)降雨噴水裝置的圓孔數(shù)量進(jìn)行選擇，以達(dá)到單位時(shí)間內(nèi)降雨量均勻的目的。人工模擬降雨法是利用水箱下滲的水量計(jì)算截留量。浸泡法是6種喬木分別選擇5個(gè)葉片，浸泡前進(jìn)行稱重，獲得葉片浸水前重量（M0），浸泡在水中共40 min，每20 min停止計(jì)時(shí)取出稱重，稱重時(shí)用鑷子夾出，直至葉片不再滴水，用紙輕輕擦拭葉片背部后稱重，獲得葉片浸水后重量（M1）。

降雨法根據(jù)水量平衡方程計(jì)算最大截留量（IC，L）、截留率（f，%）、單位葉面積截留量（HC，g/cm2），具體計(jì)算公式分別見下式：

式中：IC為最大截留量，L；PG為總降雨量，L；PT為下滲雨量，L；f為截留率；S為葉片表面積，cm2；HC為單位葉面積截留量，g/cm2。

浸泡法根據(jù)浸水前后葉片的重量計(jì)算最大截留量；截留率是最大截留量與葉片浸水前重量的百分比，用于測(cè)定單位重量葉片的儲(chǔ)水能力[20]。最大截留量（I，g）、截留率（R，%）、單位葉面積截留量（H，g/cm2）的計(jì)算公式分別見下式：

式中：I為最大截留量，g；M0為樣本鮮重，g；M1為浸水后樣本重，g；R為截留率；S為葉片表面積，cm2；H為單位葉面積截留量，g/cm2。

1.4 降雨

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人工模擬降雨容器是3 個(gè)40 cm×40 cm×10 cm 底部打圓孔（圓孔半徑0.5 cm）的長方透明塑料筐，1 個(gè)40 cm×40 cm×20 cm 的長方體透明塑料筐為盛水容器，4 個(gè)塑料筐厚為5 mm。3 個(gè)打圓孔的塑料筐疊放在一起，將實(shí)驗(yàn)樣本均勻放在3 個(gè)塑料筐中。降雨噴水裝置為噴水壺，為了方便比較4個(gè)降雨模式的葉片截留能力，控制4 個(gè)降雨模式的雨量都在10 min 時(shí)結(jié)束，并且雨量要均勻的下降，實(shí)驗(yàn)每3 min 讀一次數(shù)。降雨模擬裝置見圖1。

圖1 降雨模擬實(shí)驗(yàn)裝置（單位：cm）Fig.1 Rainfall simulation experiment device

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨法喬木冠層雨水截留能力分析

不同降雨模式對(duì)葉片截留特征的影響結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，6 種喬木葉片在10～25 min 截留呈下降趨勢(shì)，是由于在前10 min 之內(nèi)，降雨一直進(jìn)行，有部分水積在葉表面或葉和葉之間重疊的部分，待降雨結(jié)束水面趨于穩(wěn)定后才是葉片的最大截留量。厚樸小雨、中雨、大雨前10 min 截留量呈穩(wěn)定遞增趨勢(shì)；暴雨前9 min 呈遞增狀態(tài)，9～10 min 呈急劇下降狀態(tài)，是由于厚樸葉片大，此前積累在葉片上的水下滲到水箱。楓香、鵝掌楸暴雨前10 min，楓香的遞增率大于鵝掌楸，是由于楓香的葉片下表面有短柔毛，暫時(shí)增加了截留量，但是最大截留量兩者相差不大。銀杏、藍(lán)冰柏在降雨停止前，4個(gè)降雨模式截留量呈遞增趨勢(shì)，中雨的遞增率大于小雨。雪松小雨、中雨走勢(shì)相似，而大雨、暴雨走勢(shì)相似。

圖2 降雨法喬木冠層葉片截留特征Fig.2 Interception characteristics of tree canopy leaves by rainfall method

不同喬木冠層葉片截留能力見圖3。葉片在水滴停止趨于穩(wěn)定之后，闊葉樹（楓香、鵝掌楸）截留率：f中雨>f小雨>f大雨>f暴雨；闊葉樹（厚樸）截留率：f小雨>f中雨>f大雨>f暴雨。針葉樹（銀杏、藍(lán)冰柏、雪松）截留率：f小雨>f中雨>f大雨>f暴雨。小雨模式下截留率：f鵝掌楸>f厚樸>f雪松>f藍(lán)冰柏>f楓香>f銀杏；中雨模式下截留率：f鵝掌楸>f楓香>f雪松>f厚樸>f藍(lán)冰柏>f銀杏；大雨模式下截留率：f雪松>f藍(lán)冰柏>f鵝掌楸=f楓香>f厚樸=f銀杏；暴雨模式下截留率：f雪松=f楓香>f藍(lán)冰柏>f銀杏>f鵝掌楸>f厚樸。闊葉樹在小雨、中雨模式下截留率較大，而針葉樹在小雨模式下截留率最大。

圖3 降雨法不同喬木冠層的截留能力Fig.3 Interception capacity of different tree canopy by rainfall method

在小雨模式下，鵝掌楸的單位葉面積截留量最高，為0.057 g/cm2；其次為厚樸、雪松。中雨模式下單位葉面積截留量最高的是鵝掌楸，為0.15 g/cm2，其次為楓香、銀杏、雪松。大雨模式下單位葉面積截留量最高的是銀杏，其次為雪松、藍(lán)冰柏。暴雨模式下單位葉面積截留量最高的是銀杏，為0.06 g/cm2；厚樸最低，為0.02 g/cm2，這是由于厚樸葉片上表面光滑，在暴雨下沖擊力較大，葉片無法集中截留，雨水被沖擊下滲。闊葉樹在中雨下單位葉面積截留量最高，而針葉樹在大雨下最高，是由于闊葉樹葉片較大，葉表面較光滑，葉片只有在較穩(wěn)定的小雨、中雨下截留較大，而針葉樹葉片小，尤其藍(lán)冰柏和雪松葉片集中而密集，更容易截留雨水，在雨量增加的情況下，單位葉面積截留量在大雨下更高。另外，單位葉面積截留量和截留率并不呈比例關(guān)系。

由此可見，6種喬木隨著降雨量增加到一定程度，截留能力開始逐漸減少，僅在小雨、中雨起到較好的截留作用，而在暴雨下截留能力作用小。綜合截留率和單位葉面積截留量，6種喬木中鵝掌楸、楓香、雪松的雨水截留能力比較突出，而銀杏的截留能力較差。

2.2 浸泡法喬木冠層雨水截留能力分析

6 種喬木各采摘5 片樹葉利用浸泡法測(cè)定喬木冠層雨水截留能力。喬木冠層最大截留量正態(tài)分布見圖4，其中厚樸最大截留量值分布較廣，可見厚樸的截留量隨葉面積大小改變而有較大的差異；而楓香、鵝掌楸、銀杏、藍(lán)冰柏、雪松截留量都集中在均值附近，并且銀杏、鵝掌楸、藍(lán)冰柏、雪松都有異常點(diǎn)存在，因此為了方便比較浸泡法和降雨法的截留能力，浸泡法的截留量取5組數(shù)據(jù)的均值，能更好的反應(yīng)不同喬木冠層的雨水截留能力。

圖4 浸泡法不同喬木冠層最大截留量正態(tài)分布Fig.4 Normal distribution of maximum interception of different tree canopy by soaking method

浸泡法不同喬木冠層截留能力見圖5。截留率較大的是藍(lán)冰柏、雪松，分別為39.92%、36.43%；其次是楓香、厚樸；最后為銀杏、鵝掌楸。單位葉面積截留量較大的是雪松、藍(lán)冰柏，分別為0.015 g/cm2、0.014 g/cm2；其次為銀杏、楓香、厚樸，最后為鵝掌楸。藍(lán)冰柏、雪松兩者之間的單位葉面積截留量相差不大，這是由于兩者都為針葉，葉片特征相似。厚樸、楓香的單位葉面積截留量相差也不大，是由于厚樸葉面積大，上表面光滑，下表面有柔毛，而楓香下表面有短柔毛，短柔毛增加了雨水的停滯。銀杏和鵝掌楸的截留能力較差，這是由于銀杏表面光滑，而鵝掌楸在浸泡法中測(cè)量的是單片樹葉的最大截留能力，在降雨法情況中由于葉片之間的疊加，以及上部呈微凹狀，增加了最大截留量。綜合截留率、單位葉面積截留量，浸泡法6種喬木中藍(lán)冰柏、雪松的截留能力比較突出。

圖5 浸泡法不同喬木冠層的截留能力Fig.5 Interception capacity of different tree canopy by soaking method

2.3 降雨法和浸泡法喬木冠層雨水截留能力比較

水滴在葉片不同的形態(tài)（如斑塊狀、水滴狀、水膜狀或球狀[21]）會(huì)對(duì)葉片持水量產(chǎn)生很大的影響，從而影響喬木冠層截留量[22]。已有相關(guān)研究表明，浸泡法并不能完全反映喬木冠層最大截留量[23]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降雨法的冠層截留量要大于浸泡法，這是由于降雨法在葉表面形成了大量的水滴，而浸泡法在葉片抽出水面時(shí)，由于自由水的表面張力作用，削減了葉片表面的水量，從而導(dǎo)致了葉片截留量比降雨法低。因此本文對(duì)降雨法和浸泡法截留能力測(cè)定進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩者滿足以下公式：

式中：I降為降雨法單位葉面積最大截留量，g/cm2；I浸為浸泡法單位葉面積最大截留量，g/cm2；β為變化系數(shù)。

表2為兩種方法的關(guān)系式，β值均大于1。楓香、銀杏β在小雨下較小，厚樸、鵝掌楸、藍(lán)冰柏、雪松β在暴雨下較小。闊葉樹β在中雨模式下最大，針葉樹β在大雨模式下最大，說明兩種測(cè)量方法闊葉在中雨模式下差距最大，針葉在大雨模式下差距最大；針葉樹β值整體小于闊葉樹，說明隨著葉片表面積減小，兩種方法測(cè)量值差距越小?？梢?，浸泡法并不能真實(shí)反映喬木冠層的最大截留量，降雨法要更接近實(shí)際降雨時(shí)喬木冠層的最大截留量。

表2 降雨法和浸泡法關(guān)系Tab.2 Relationship between rainfall method and soaking method

3 結(jié) 論

通過降雨法和浸泡法對(duì)6種喬木冠層雨水截留率和單位葉面積截留量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，主要實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下。

（1）不同喬木冠層截留能力都不相同，與降雨量、葉片表面積、葉片特征相關(guān)。同一樹種在相同的葉片條件下，隨葉表面積增大，葉片最大截留量也逐漸增大。

（2）降雨法6種喬木隨著降雨量增加到一定程度，截留能力開始逐漸減少，僅在小雨、中雨起到較好的截留作用，而在暴雨下截留能力作用小。綜合比較，6種喬木中鵝掌楸、楓香、雪松的雨水截留能力比較突出，而銀杏的截留能力較差。浸泡法綜合截留率、單位葉面積截留量，6 種喬木中藍(lán)冰柏、雪松的截留能力比較突出。

（3）比較兩種方法可知，降雨法的最大截留量大于浸泡法，浸泡法并不能真實(shí)反映喬木冠層的最大截留量，降雨法要更接近實(shí)際降雨時(shí)喬木冠層的最大截留量。兩種測(cè)量方法闊葉在中雨下差距最大，針葉在大雨下差距最大。隨著葉表面積減小，兩種方法測(cè)量值差距明顯減小。兩種方法的單位葉面積截留量和截留率并不呈比例關(guān)系。綜合比較，6種喬木中截留能力較好的是藍(lán)冰柏、雪松、鵝掌楸。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可以為今后構(gòu)建高截留能力植物群落及海綿城市綠地提供科學(xué)依據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，降雨法是采用人工降雨方法，因此實(shí)驗(yàn)裝備需要更好的完善，以消除誤差性。另外，植物截留影響因素較多，建議在今后研究中考慮多種影響因素，如：葉面積指數(shù)、風(fēng)速、濕度、冠層阻力等。