北京市常用綠化樹種持水能力研究

摘 要：為了評估北京城市綠化主要樹種的林冠截留降水能力，采用浸水法測定了14種樹種的葉片和枝條的持水量，計算各樹種冠層的降水截留能力，并采用聚類分析進行綜合評價。結果表明：（1）油松（Pinus tabuliformis）等針葉樹種以及金葉榆（Ulmus pumila cv.‘Jinye’）等葉面積指數(shù)高的樹種的葉片具有較高的持水能力；（2）油松和白蠟（Fraxinus chinensis）等樹種的枝條結構粗糙，具有較高的持水能力；（3）枝條在冠層截留中具有重要作用，枝條持水能力占冠層總持水能力的9.73%～62.03%，平均達到35.76%；（4）綜合葉片、枝條和冠層持水能力，油松、刺槐（Robinia pseudoacacia）、白蠟、旱柳（Salix matsudana）持水能力較強，可用于建設更高效截留能力的城市綠地。

關鍵詞：平原造林；冠層；降水截留；浸水法；北京市

中圖分類號：S7"" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1673-5072（2024）05-0475-06

城市綠地是海綿城市建設的重要載體，具有調蓄雨水的功能［1］。園林植物在保持水土和涵養(yǎng)水源方面發(fā)揮著巨大的作用。林冠截留是植被對大氣降水的第一道阻截，可以將部分雨水暫時儲存在葉片與枝干表面［2］。因此，選擇截留能力較強的植物種類，可以更好地吸收水分，減少地表徑流，推遲城市雨洪峰出現(xiàn)時間，從而減緩城市內澇［3］。植物林冠持水能力是影響林冠截留的主要因素，也是學者研究林冠截留的重點內容，關注的重點多為葉片等方面［4-5］。植物葉片的持水能力是影響植物林冠截留的一個重要因素，也是表征植物耐旱型的重要指標［6-7］。近些年來，國內外學者對植被冠層截留和葉片吸水能力的研究呈增長趨勢［8］。Inkil?inen等［9］對美國北卡羅來納州羅利市城市森林的研究發(fā)現(xiàn)，林冠覆蓋能有效減少其下墊面9.1%～21.4%的雨水徑流體積；此外，國內學者對昆明［10］、上海［11］、廣州［12］等地植物的林冠截留和葉片持水能力均開展了研究。然而，多數(shù)研究采用浸水法測定林冠截留量時僅以葉片截留量作為林冠截留量，而忽略了枝條作為林冠層重要組成部分的截留量。尤其針對喬灌木而言，同時對葉片和枝條的持水能力測定來計算植冠截留量的研究很少［13-14］。

城市化快速發(fā)展使得北京城市地表發(fā)生巨大變化，原來以自然植被為主的景觀逐漸變?yōu)榇罅砍鞘腥斯そㄖ锖陀操|鋪裝［15-16］。北京市雨熱同期，夏季暴雨頻繁，城市常發(fā)生水浸街的現(xiàn)象。然而北京實際上水資源極度短缺，水資源供需矛盾突出。因此，亟需對北京市常用綠化樹種的降水截留能力進行研究、評價和總結，篩選截留量大、持水性能好的綠化植物，同時判斷植物對水分環(huán)境的適應特征。本研究選取14種北京市常用綠化樹種，采用標準木法和浸水法，測定不同樹種葉片與枝條的持水量，探討影響植物葉片與枝條截留能力的原因，以期為建設更高效截留能力城市綠地提供建議和思路。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市房山區(qū)（39°30′—39°55′N，115°25′—116°15′E）。該區(qū)屬溫帶季風性氣候，平原地區(qū)平均氣溫13.2 ℃，西部山區(qū)平均氣溫11.3 ℃；夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，近80%降水集中在6—9月；主要植被類型為落葉闊葉林。本次研究的調查地點位于北京市房山區(qū)閻村鎮(zhèn)張莊村北側的張莊公園，公園內的植物于2018年栽植，栽植方式為片植，包括油松（Pinus tabuliformis）、國槐（Styphnolobium japonicum）、垂絲海棠（Malus halliana）、紫葉李（Prunus cerasifera）等喬木，黃刺玫（Rosa xanthina）、金銀木（Lonicera maackii）等灌木，千屈菜（Lythrum salicaria）、鳶尾（Iris tectorum）等草本植物。

2 研究方法

2.1 樹種選擇

對北京市公園內生長狀況良好的14種綠化常用喬木樹種開展研究。測定各樹種的平均胸徑和株高，若樹種分枝點小于1.3 m，則只測量基徑和株高。以胸徑和株高最接近平均胸徑和株高的樹作為該樹種樣樹，測定其植冠的枝條和葉片的持水能力。樣樹的基本特征如表1。

2.2 葉片與枝條持水能力測定

2021年6—7月，按照粗細程度將樣樹的分枝分為3～5級，記錄各級枝條的徑級、平均長度和數(shù)量，并在每徑級枝條選擇3個代表性枝，查數(shù)每條枝的葉片數(shù)量，以平均值作為該徑級枝條的葉片數(shù)量，最終計算得出樣樹總葉片數(shù)量［17］。計算公式為NL=∑n1（NBi·NLi），式中：NL為樣樹總葉片數(shù)量，NBi為第i級枝條的數(shù)量，NLi為第i級枝條的平均葉片數(shù)量。

在每株樣樹林冠下層、中層和上層分別取20片成熟葉片；使用Yaxin-1241葉面積儀掃描取回的葉片，得到平均單葉面積。根據公式計算林冠投影面積，最終得出葉面積指數(shù)，公式為［18］SC=π·AL·AS/4，L=SNL/SC，式中：SC為林冠投影面積（m2），π為圓周率，AL、AS分別為冠幅長軸和短軸，L為葉面積指數(shù)，SNL為樣樹平均單葉面積（m2）。

新鮮葉片稱重后在黑暗條件下置于水中浸泡8 h，取出后用吸水紙拭干，再次稱重。葉片持水能力計算公式［13］為WL=（m1－m2）·NL，W=（m1－m2）/SNL，Z=L·W，式中：WL為葉片持水量（g），m1為單葉片鮮重（g），m2為單葉泡水后葉片質量（g），W為葉片單位面積持水量（g·m-2），Z為冠層單位面積葉片持水量（g·m-2）。

將選取的枝條用枝剪截成40 cm（長度不足40 cm的枝條截為20或30 cm）短枝后用保鮮膜將枝條纏緊以防水分蒸發(fā)。在實驗室撕掉包裹枝條的保鮮膜，稱重并記錄每根枝條的質量，再用保鮮膜把每根枝條的兩端包住纏緊，將包好的枝條完全浸入水中8 h，取出后按枝條自然生長方式懸置控水1 min，不再滴水后，解開保鮮膜稱重并記錄每根枝條浸水后質量。各徑級枝條單位質量持水量以及冠層單位面積枝條持水量計算公式［19-20］為Gi=1000（M2－M1）/M1，GBi=M1·NBi·Gi·Li1/（1000·Li2），GC=∑n1Gli，G=GC/SC。式中：Gi為i級枝條單位質量持水量（g·kg-1），M1為枝條鮮重（g），M2為枝條浸水后質量（g），GBi為第i級枝條總持水量（g），Li1為第i級枝條的平均長度（cm），Li2為第i級枝條取樣長度（cm），GC為冠層枝條總持水量（g），G為冠層單位面積枝條持水量（g·m-2）。

2.3 分析方法

本文采用皮爾遜相關性分析對葉片持水量與葉片指標（葉面積指數(shù)、葉面積、葉鮮重、葉片持水量、單位葉面積持水量、冠層單位面積葉片持水）、枝條持水量與枝條指標（枝條數(shù)量、枝條總長度、株高、單位質量枝條持水、冠層單位面積枝條持水、枝條總持水）分別進行分析。此外，對所研究的樹種進行聚類分析，分別以葉片、枝條、冠層的持水量作為變量因子，選擇K-均值聚類方法，將所研究的樹種劃分為3類持水功能群，分別為高、中、低３個等級，經過迭代運算，得到聚類結果。

3 結果與分析

3.1 葉片特征和持水能力

3.1.1 葉片性狀特征

由表2可以看出：金葉榆（Ulmus pumila cv.‘Jinye’）的葉面積指數(shù)最大，為6.76，油松最小，為0.54，金葉榆是油松的約12倍，其余樹種的葉面積指數(shù)則在1.24～2.98；不同樹種平均單葉面積差異很大，刺槐（Robinia pseudoacacia）和欒樹（Koelreuteria paniculata）較大，分別為106.25 cm2和109.56 cm2，油松最小，為1.61 cm2，相差近70倍。葉片鮮重較大的是白蠟（Fraxinus chinensis）和欒樹，分別為2.36 g和2.50 g，最小的為油松（0.18 g），欒樹大約為油松的14倍。

3.1.2 葉片持水能力

如表2所示：葉片持水量最大的是欒樹，為0.91 g·m-2，最小的是油松，為0.02 g·m-2，欒樹的葉片持水量約是油松的45倍。不同樹種單位葉面積持水量和冠層單位面積葉片持水量的差別很大，其中油松的單位葉面積持水量最大，為124.07 g·m-2，金葉榆的冠層單位面積葉片持水量最大，為230.86 g·m-2。

3.1.3 葉片持水量與葉片性狀指標間相關性分析

由表3可以看出：葉片鮮重與葉面積極顯著正相關（R=0.958，P＜0.01），即葉面積越大葉片鮮重越大；葉片持水量與葉面積（R=0.772，P＜0.01）、葉片鮮重（R=0.787，P＜0.01）均極顯著正相關，即葉面積越大、葉片鮮重越大，葉片持水量也越大；冠層單位面積葉片持水與葉面積指數(shù)極顯著正相關（R=0.750，P＜0.01）。

3.2 枝條特征和持水能力

3.2.1 枝條特征

由表4可知：枝條數(shù)量和枝條總長度均為金葉榆（404個，445.65m）最大，玉蘭（Yulania denudata）最?。?0個，21.30 m），金葉榆的枝條數(shù)量和枝條總長度分別約為玉蘭的13.5和21倍。株高為白蠟和旱柳（Salix matsudana）最高，均為8.5 m，山楂（Crataegus pinnatifida）和垂絲海棠最低，均為1.8 m。

3.2.2 枝條持水能力

如表4所示：油松的枝條持水量最大（903.92 g），山楂最?。?8.15 g），油松約為山楂的16倍。不同樹種的單位質量枝條持水量和冠層單位面積枝條持水量均存在顯著差異。冠層單位面積枝條持水量最大的是油松（108.99 g·m-2），其次為白蠟（75.29 g·m-2）。

3.2.3 枝條持水量與枝條指標間相關性分析

由表5可以看出：冠層單位面積枝條持水量與單位質量枝條持水量顯著正相關（R=0.714，P＜0.01），枝條總持水量與枝條數(shù)量（R=0.540，P＜0.05）、枝條總長度（R=0.537，P＜0.05）以及冠層單位面積枝條持水（R=0.622，P＜0.05）顯著正相關。

3.3 冠層持水能力

由圖1可得：紫葉李和金葉榆的冠層單位面積持水能力較大，元寶楓（Acer truncatum）最小。冠層單位面積枝條與葉片的持水能力關系是不確定的，總體來說冠層單位面積葉片的持水能力高于枝條，所測試樹種冠層單位面積枝條與葉片的持水能力占冠層單位面積持水能力平均值分別為61.20%和38.80%。其中，垂絲海棠、紫葉李、山楂、金葉榆、刺槐、國槐的冠層單位面積葉片持水量遠大于冠層單位面積枝條持水量。紫葉桃（Amygalus persica）的冠層單位面積葉片的持水能力與冠層單位面積枝條的持水能力較為接近，而油松、玉蘭、元寶楓和旱柳的冠層單位面積枝條持水量大于冠層單位面積葉片持水量。山楂和油松的冠層單位面積枝條占其冠層單位面積持水能力比例分別是最小和最大，值依次為9.34%和61.74%。

如圖2所示：油松、刺槐、白蠟、旱柳持水能力高，而垂絲海棠、國槐、元寶楓、紫葉李和山楂的持水能力低。

4 討論與結論

本研究中油松葉片單位面積持水能力是最高的，此前有研究表明雪松（Cedrus deodara）、油松和圓柏（Sabina chinensis）等針葉樹種具有較高的持水能力［13-14，19］，這是因為針葉結構有利于持水［21］。本研究發(fā)現(xiàn)紫葉李、國槐、元寶楓等樹種的葉片持水能力較低，有研究證明元寶楓的樹種葉片的持水能力較差［22］，主要原因是其葉片質感光滑，表面無絨毛，不利于吸收水分［22-23］。除了葉片單位面積持水能力，葉面積指數(shù)也是影響樹種葉片截留量的關鍵因素［17］。金葉榆和紫葉李具有較高的葉面積指數(shù)，所以其林冠單位面積葉片持水能力較高，而元寶楓的葉面積指數(shù)較低，所以其林冠單位面積葉片持水能力較低。

本研究中油松和白蠟［19］等質地粗糙有細紋的枝條具有較高的持水能力，而國槐和元寶楓等質地光滑的枝條則持水能力較差。由于不同樹種冠層單位面積枝條質量相差不大，所以冠層單位面積枝條持水能力與單位質量枝條持水能力基本一致。通過對研究樹種葉片和枝條的持水能力的比較發(fā)現(xiàn)，枝條在林冠截留中的作用占到9.34%～61.74%，平均達到38.80%，說明枝條在林冠截留中的作用是不容忽略的。一些研究利用浸水法對葉片的持水能力進行測定代表林冠截留量，其結果低于其他研究者利用水量平衡法測定的林冠截留量，其主要原因是忽略了枝條在林冠截留中的作用［13，22］。因此，在用浸水法測定林冠截留量時應該重視枝條在林冠截留中的作用。

不同樹種冠層截留能力存在顯著差異，刺槐和白蠟在葉片、枝條和冠層3方面均表現(xiàn)較好，因此總持水能力高；油松的枝和葉片都具有良好的持水能力，具有較高的林冠截留能力。綜合考慮樹種的林冠截留作用，在北京市今后城市綠化中推薦種植油松、刺槐、白蠟和旱柳4個樹種，以提高新建城市森林綠地的林冠截留能力。

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A study on Water Holding Capacityof Common Greening Tree Species in Beijing

JIANG Li-wei1，F(xiàn)ANG Jian-mei1，HAN Jie2，GONG Yin-ting1，ZHENG Gui-lian1

（1.Academy of Forestry Inventory and Planning，National Forestry and Grassland Administration，Beijing 100714，China；

2.The College of Forestry of Beijing Forestry University，Beijing 100083，China）

Abstract：The water holding capacity of the leaves and branches of 14 tree species is measured by the water immersion method and the rainfall interception capacity of the canopy of each tree species is calculated in order to evaluate the rainfall interception capacity of the main tree species for urban greening in Beijing.In addition， cluster analysis is employed to comprehensively evaluate the water holding capacity of the tree species.The results are as follows：（1） The leaves of coniferous species such as Pinus tabulaeformis and species with high leaf area index such as Ulmus pumila have higher water-holding capacity；（2） P.tabulaeformis and Fraxinus chinensis have rough branch structure and higher water-holding capacity；（3） Branches have played an important role in canopy water interception，and the water-holding capacity of branches has accounted for 9.73%～62.03% of the total water-holding capacity of tree canopy （35.76% on average）；（4） In terms of the water holding capacity of leaves，branches，and canopies，Pinus tabulaeformis，Robinia pseudoacacia，F(xiàn)raxinus chinensis，Salix matsudana have strong water holding capacity，which can be used to build urban green spaces with more efficient interception capacity.

Keywords：plain afforestation；tree canopy；rainfall interception；water immersion method；Beijing