成都市绿地常见乔木降雨再分配及其穿透雨的空间异质性*

刘 兰 刘 怡 孙佳瑞 宗 桦

1 西南交通大学建筑学院 成都 610031

2 四川省林业科学研究院 成都 610084

探索雨水资源的实际利用,能适当缓解城市用水的供需矛盾,减少暴雨所形成的城市内涝。乔木对雨水的再分配是雨水到达城市绿地的首个分配环节,主要由3个部分组成:一部分降水滞留于树冠经少量蒸发后残留于冠层中(冠层截留)；另一部分经树干进入基部的土壤(树干茎流)；其余部分通过冠层间隙直接到达土壤(穿透雨)[1]。乔木对降雨再分配影响着地表水分储量情况,通过冠层截留削弱雨滴动能,以此减缓降雨对土壤的侵蚀[2]。研究城市乔木雨水再分配,对更好发挥城市绿地的海绵作用,建设可持续城市具有重要意义。

国内外乔木冠层降雨再分配研究主要集中于各类森林,而对城市内部单株乔木研究较少,如裴承敏等[3]、石磊等[4]、袁秀锦等[5]、李振新等[6]和邓文平等[7]分别对毛竹林、兴安落叶松林、马尾松林、冷杉林和日本柳杉等的降雨再分配做了大量分析。仅有少部分学者用浸泡实验和雨量平衡法对城市乔木叶片的截留能力展开研究,如王思思等[8]测定北京市植被冠层截留量、截留体积和叶片吸水量,建立叶片吸水量与浸水时间的对数函数；李苗等[9]测定武汉市绿地乔木和灌木单位叶片面积蓄水量,从植株选择、形态结构及叶面积指数进行分析；郭胜男等[10]比对昆明市单层和复层结构植被,发现截留能力与降雨量、降雨强度、修剪形状及枝叶疏密程度等因素有关；陈然等[11]通过对徐州市乔木的研究,发现雨水截留能力为针叶树＞阔叶树,乔木＞草本＞灌木。

成都市是公园城市建设的示范区,绿地植物对雨水的高效利用对公园城市建设具有重要现实意义。因此,本文以成都市常用的8种园林树木作为研究对象,探索其冠层对降雨的再分配过程,比较不同乔木间穿透雨的空间异质性,定量评价冠层雨水资源利用效率,为解析城市乔木水分转运过程提供科学基础,也为节约型景观植物选择和生态水文优化研究提供依据。

1 研究区概况

成都市地处四川盆地西部,属亚热带季风湿润性气候,四季分明,雨热同季,具有春旱、夏热、秋凉、冬暖的气候特征。年平均气温16℃,年降雨量在607～1 393 mm,无霜期长[12]。试验场地位于成都市郫都区西南交通大学(103°943′—103°999′E,30°730′—30°800′N),地处成都平原中心城区西北部。

2 研究方法

2.1 树种选择与监测布点

根据2018年成都市园林树种普查结果,选择使用频率较高的8种乔木为研究对象,分别为杜英(Elaeocarpus decipiensH.)、天竺桂(Cinnamomum japonicumS.)、金桂(Osmanthus fragrans var.thunbergii)、桢楠(Phoebe zhennanS.)、紫叶李(Prunus cerasiferaEhrh.f.atropurpurea(Jacq.)Rehd.)、水杉(Metasequoia glyptostroboidesHu＆W.C.Cheng)、垂柳(Salix babylonicaL.)和银杏(Ginkgo bilobaL.)。

所选乔木冠层与周边环境相互无遮挡,无次生乔木及灌木干扰,便于数据收集。树种均为2003年统一栽植的3年生树苗,至今树龄达21年,管理方式为自然生长,土壤为卵石黄泥土。每种乔木选取5～7棵重复试验。

2.2 试验方法

2.2.1 乔木基础数据

测定各乔木树高、胸径和冠幅等数据(表1),并用TOP-1300植物冠层图像分析仪收集乔木叶面积指数(LAI)。通过鱼眼镜头成像和CCD图像传感器对冠层图像进行采集,选取冠层下东南西北4个测量点位进行拍照,确保冠层水平正上方被完整采集,再用植物图像冠层软件进行分析,并对4个点位分析得到的LAI数值作均值处理。

表1 乔木基础数据统计

2.2.2 总降雨量

将精度为0.2 mm翻斗式自动记录雨量计(RG3-M,美国Onset公司)放置在距试验区域200 m的建筑顶楼连续记录降雨量(TP,mm),降雨后使用HOBO数据连接器连接雨量计与电脑,通过HOBO软件下载相关数据。于2021年试验期间,共收集10场有效降雨事件的降雨数据。

2.2.3 穿透雨量及其空间分布

为准确反映穿透雨空间分布特征,试验时将9个雨量筒(圆锥形、内口直径10.00 cm、深度21.50 cm)以树干为中心均匀设置在树干底部、树冠1/2、树冠边缘处分别记为1/3R、2/3R、3/3R各3个(图1)。每次降雨结束后立即测定雨量筒中的数据,蒸发损失量忽略不计,将数据换算成穿透雨量[13](TF,mm)及穿透雨率(TFV,%)。计算公式如式(1)和式(2)。

式(1)和式(2)中:VTF为林下穿透雨体积和(L)；N为树冠下雨量筒数量；FA为锥形雨量筒口径面积(m2)。

2.2.4 树干茎流量

根据乔木胸径统计,将同种乔木按2～4 cm胸径大小划分成不同径级,每个径级选择1棵标准乔木。测定方法为:把内直径25.00 mm塑料管的一端纵向剖开一段,形成2/3的凹槽,另一端保持完整,在距地面1.30 m高的树干位置处螺旋缠绕2～3圈,用钉子固定贴合树干一侧的塑料管,玻璃胶填实两者之间的缝隙。塑料管另一端接入25 L桶内(图1),降雨结束后,立即测定桶内雨水体积(L)。计算树干茎流量[14](SF,mm)及树干茎流率(SFv,%)的公式如式(3)和式(4)。

图1 雨量筒平面分布及试验收集装置

式(3)和式(4)中:A是观测样地面积(m2),以乔木冠幅面积作为样地面积；K是乔木径级数；Nj是第j个径级树木株数；Vij是第i次降雨第j个径级树干茎流量平均值(L)。

2.2.5 林冠截留量

根据水量平衡法,得出林冠截留量(I,mm)及截留率(IC,%)。计算公式如式(5)和式

(6)。

2.2.6 穿透雨变异系数

为厘清各乔木穿透雨空间分布规律,分别从两个层次计算树种穿透雨变异系数:一是10场降雨中乔木林下3个不同位置各自的穿透雨变异系数均值(CVn/3R)；二是单次降雨中各乔木的林下穿透雨变异系数均值(CVi)。分别用公式(7)和公式(8)计算[3]:

式(7)和式(8)中:；SDn/3R是不同空间位置(n＝1,2,3)下穿透雨标准差均值；MNn/3R是不同空间位置(n＝1,2,3)下穿透雨平均值均值；SDi是第i场降雨下穿透雨变异系数均值；MNi是第i场降雨下穿透雨变异系数均值。

2.3 数据处理

采用Excel整理分析乔木穿透雨量和穿透雨率、树干茎流量和树干茎流率、截留量和截留率等数据,并通过SPSS(ver.11.0)进行差异显著性与相关性分析,用Origin 2019软件建立回归模型。

3 结果与分析

从表2可知,10场降雨的降雨量为2.00～37.40 mm,降雨强度为0.33～9.35 mm·h-1,总量为137.20 mm。根据国家气象局24 h降雨量的等级划分标准,试验期间10场降雨中:小雨(＜10.00 mm)范围内3次,占总降雨30.00%；中雨(10.00～25.00 mm)范围内5次,占总降雨50.00%；大雨(25.00～50.00 mm)范围内2次,占总降雨20.00%。

表2 降雨事件的基本特征

3.1 穿透雨特征

如表3所示,各乔木之间TF值差异虽不显著,但就TFV值来看,金桂、天竺桂和桢楠显著小于杜英和垂柳,说明金桂、天竺桂和桢楠穿透雨较小,冠层对雨水拦截能力较强。Pearson相关性分析(图2)表明,8种乔木TF值与TP值极显著正相关(P＜0.01),8种乔木TF值均随TP值增加而呈线性增加。方程中的R2范围为0.93～0.98,其中,垂柳拟合程度最高,为97.75%。乔木TF、TFV值与树高、冠幅、胸径和LAI均无显著相关性(表4)。

表4 乔木特征与降雨再分配各阶段的Pearson相关系数

图2 穿透雨与降雨量关系

表3 乔木降雨的再分配特征

3.2 树干茎流特征

如表3所示,金桂SF及SFV值显著高于其他乔木,而垂柳SFV值显著小于杜英、天竺桂和紫叶李。Pearson相关性分析(图3)表明,乔木的SF值与TP值极显著正相关(P＜0.01)。方程中的R2范围为0.33～0.89,银杏的拟合程度最高,达89.44%。从表4可知,SF、SFV与平均冠幅、LAI均无显著相关性,而平均胸径与SFV,平均树高与SF、SFV均呈显著负相关,说明树木越高茎流量越小。

图3 树干茎流与降雨量关系

3.3 冠层截留特征

如表3所示,树种间I值差异不显著,但金桂和桢楠IC值显著高于杜英。这可能是由于金桂和桢楠叶片较大且茂密,增加了雨水接触面积,因此截留能力强于其他乔木。Pearson分析(图4)显示,乔木I值明显受到TP值影响,并呈极显著线性正相关(P＜0.01),表明乔木I值均随TP值增加而增加。拟合方程的R2范围为0.38～0.78,水杉拟合度最高(0.78),桢楠拟合度最低(0.38)。此外,8种乔木的I值、IC值与冠幅、胸径、树高之间无显著相关性,但受LAI的影响显著,LAI越大I值越高(表4)。

图4 冠层截留与降雨量关系

3.4 不同类型乔木穿透雨的空间异质性分析

TF通常占TP值的60%～90%[3],远大于I值和SF值的占比。穿透雨能改变林下水分、林地养分输入的空间格局,影响土壤中的物质浓度。表5显示,8种乔木在10场降雨下不同位置的穿透雨CVn/3R值虽有差异但均不显著,单次降雨下的乔木穿透雨CVi随着降雨量增加呈显著减小趋势(P＜0.01)。采用幂函数拟合其变化(图5),相关系数R2以银杏(0.83)和桢楠(0.81)为最佳。总体来看,在2.00 mm＜TP≤10.40 mm较小范围的雨量下,CVi值变异较高且变化明显；在10.40 mm＜TP＜26.40 mm的中雨量时,CVi值波动较小且变化趋于平缓；当TP≥26.40 mm的大雨量时,CVi值变化逐渐趋于零。

表5 10场降雨下乔木不同位置处穿透雨的CV n/3R值比较

图5 单次降雨下乔木穿透雨的CV i值与降雨量的关系

由表6可知,乔木冠层1/3R处LAI均值显著高于冠层2/3R和3/3R处,为1/3RLAI＞2/3RLAI＞3/3RLAI,LAI呈现出从树干中心逐渐向冠幅边缘减小的趋势。这可能是由于实验树种均处于青壮年阶段,主干附近的冠层仍是全树发育最快的部分,处于发育高峰。乔木冠幅下不同位置TF及TFV值差异显著,表现为3/3R＞2/3R＞1/3R的空间分布特征,即TF随树干中心距离增大而增大。

表6 8种乔木不同位置对应的特征均值

4 讨论与结论

4.1 讨论

本研究的8类乔木TFV均值处于国内外报道的森林冠层雨水穿透率(60%～92%)[15]的下限,如热带和温带森林穿透率为70%～90%,常绿阔叶林为74.70%～91.50%[16]。推测原因在于实验期间降雨多为中小雨,TF及TFV值尚处于随TP值增加而增加阶段,雨水主要被冠层截留,产生的冠滴量少[17]。此外,由于成都属静风城市,冠层机械晃动少,不易增加穿透雨量,这种现象亦反映出8种乔木对中小降雨的截留效果较好,对消减地表径流有积极作用。另外,本研究中8种乔木的TF、TFV与林分特征(LAI、冠幅、胸径、树高)之间均无显著相关性,前人研究亦有类似发现,如降雨特征比林分特征对TF的影响更大,TP是林地TFV决定性因素,TFV值通常与TP值呈线性正相关[3-4,18-19]。本研究中发现,穿透雨CVi值与TP存在极显著相关性,变异系数随降雨量增加而减小,与Marin等[18]的研究较为一致。乔木冠层下不同位置处的TF、TFV值差异均显著,呈现3/3R＞2/3R＞1/3R的空间格局,与Staelens等[20]认为的靠近树干TF较小的结论较为一致,与李振兴等[6]认为TFV在距离主树干2～3 m的位置最小的结论有所不同。推测是因为此时的乔木冠层发育不稳定,枝叶密度呈现由冠幅中心到冠幅边缘降低的趋势。

本研究中8种乔木的SFV均值处于前人报道的森林SFV区间(1%～5%)[21]内,回归分析表明SF随林外降雨的增强而增加,这与及莹等[22]和万艳芳等[23]的研究结果一致,部分乔木拟合度差的原因可能在于影响SF的因素复杂,SF易受到树枝分支角度、树皮粗糙度、胸径、树高等树木特征影响[24],SF变异程度普遍高。研究还发现,乔木胸径与SFV,树高与SF及SFV之间均呈显著负相关,西双版纳热带雨林中也具有SF随树木径级和树高增大而减小的现象[25],这与Manfroi等[26]和Reid等[27]提出树高和胸径较小的树对茎流贡献较大的结论较为吻合。

与国内外报道的森林乔木冠层平均截留率10%～40%[28]相比,本研究乔木的IC值略高,推测是因为测量期间多为中小雨,导致叶片吸水量未远超饱和状态,故I处于增长阶段,冠层展现出较强的截留能力,从而使本研究的IC值偏高。8种乔木的I、IC值与LAI呈显著正相关,部分森林冠层截留的研究也发现了类似的趋势[29-31]。

整体而言,选择雨水截留效率较高的树种并保持合适的种植密度将为城市创造更高效的海绵效应,林下穿透雨的空间分布规律,亦可为乔木下方的植物群落构建提供支撑,能有效指导城市绿地的排水方式及乔木树池的科学设计。因此,未来需进一步开展城市不同树种或不同树种冠层叠加后的雨水截留能力研究,为节水型园林植物景观设计提供更多的科学依据。

4.2 结论

对成都市常见的8种乔木降雨再分配的研究表明,TP与乔木TF、SF和I值均呈显著线性正相关；胸径与SFV、树高与SF及SFV之间均呈显著负相关；I、IC与LAI呈显著正相关。另外,乔木冠层下不同位置的TF及TFV值差异均显著,表现为3/3R＞2/3R＞1/3R。穿透雨CVi值与TP存在极显著相关性,穿透雨变异系数随降雨量增加而减小。8个树种中,金桂和桢楠IC值较高且强于其他树种,建议可作为城市雨洪管理的优选树种。