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园林乔木雨洪管理的路径与研究趋势

摘    要: 近年来,在“海绵城市”理论的指导下,城市园林绿地逐渐开始被强调要承担更多径流调控的功能,为有效解决城市雨洪问题做出应有的贡献。乔木作为城市园林绿地的重要成分之一,研究表明,乔木具有降雨截流、蒸散失水、提高土壤渗透等功能,对整个园林绿地的雨洪管理具有突出的贡献。本文从园林绿地局部水文循环的角度出发,总结了园林乔木在城市雨洪管理过程中的途径和当前的研究进展,强调了乔木在城市雨洪管理中还有巨大潜力未被发挥,并指出未来要加强时空尺度上不同乔木雨洪控制能力的研究,为今后城市园林绿地发挥更优的雨洪管理功能提供指导。
 
  关键词: 乔木; 雨洪管理; 冠层截留; 蒸散;
 
  本文中提到的城市园林乔木包括城市范围内所有绿地人工种植和天然生长的乔木,包括所有树种和生长阶段。城市雨洪管理目标的实现离不开园林乔木这一关键要素,它是“海绵城市”构建微观方面和具体实施中的重点之一,深刻理解乔木与降雨间的相互关系十分重要。
 
  整个降雨过程中,乔木可以多次分配雨水,在局部水循环过程中扮演着重要角色,通过冠层截留、蒸散和提高土壤渗透等过程层层管理着雨水,部分附着在叶片和树干表面,部分蒸发返回大气,部分落到土壤中沿着根系被运输至土壤深层,补充地下水。此外,这些过程发生的时间不尽相同,例如,冠层截留与降雨几乎同时发生,而蒸散则在降雨后的几天到几周内最为强烈。接下来,本文就乔木雨洪管理的几个主要途径及其研究进展做详细介绍。
 
  1、 乔木的雨洪管理途径
 
  1.1、 冠层截留
 
  冠层截留指的是降雨期间树冠、树干对雨水的截留[1],可通过总降雨量减去树干茎流和冠层透流之和来间接算得,冠层截留直接削减了降落到地表的雨量和降雨强度,延迟产流和削减洪峰,同时降低土壤侵蚀和污染冲刷等作用,起到保护水质的作用[2]。
影响冠层截留的因素很多。群落类型是影响冠层截留的关键因素之一。对世界不同区域森林研究发现,全郁闭阔叶林冠层降雨截留率约为18%~29%,全郁闭针叶林约为18%~45%[3]。冠层截留还和树种特性、物候特征和气象条件有关。
 
  同一树种因其树龄、健康程度的不同,树冠茂密度也不同,因此冠层截留率差异明显。另外,乔木自幼树至成熟的生长过程中,枝叶越来越密,而由成熟至衰老期又出现自然的稀疏过程,树冠截留能力相应也随之起伏,观测结果表明,树龄在30-40a时,林冠截留量最大[4]。
 
  不同树种间影响因素更加复杂,诸如树形大小、冠层结构、叶面积、树枝夹角、叶片粗糙度、树皮厚度和粗糙度等因素导致冠层截留率种间的巨大差异。Xiao等[5]认为不同种间截留率的差异主要取决于树木表面积和表面滞存能力(通过贮存在叶片和树干表面水分的平均深度来衡量)。通过对20个不同树种进行研究,Xiao[6]等发现针叶树种表面截留率平均约20%~40%,阔叶树种平均10%~20%[7],针叶树种表面比阔叶树种可以滞存更多的雨水,并且无论针叶或阔叶树种,叶片表面的雨水滞存量要远大于树干表面。美国学者[8]对树冠结构差异明显的山毛榉和鹅掌楸进行对比研究,发现在树形大小相近的情况下,山毛榉对降雨的平均截留率为21.5%,平均约500L;而北美鹅掌楸可以达到27.8%,650L。
 
  物候对落叶树种截留率的影响大于常绿树种,展叶季树木的截留量显然要比落叶季大,因此在城市中适当多的栽植常绿阔叶和针叶树种有利于城市保持较高的冠层截留水平,尤其是在落叶季节。
 
  此外,降雨强度、持续时间、降雨间隔时间等因素均会不同程度影响树木截留和滞存雨水的能力[7]。小雨强度下的冠层截留量大小取决于降雨强度大小;在大雨强度下,树种本身的表面滞存能力才是决定冠层截留率的主要因素[9]。降雨初期,雨水全部截留于枝叶表面,截留量与降雨强度无关,随后降雨强度的增加截留量也不断增加,最终趋于一个常数,即林冠最大截留量。Xiao[9]对不同降雨强度下20种乔木林冠截留量进行研究发现,降雨强度越大,林冠截留量越大,当降雨强度达到80mm/h时,达到林冠最大截留量。湿润季节里,降雨初期冠层截留量很高,但随着乔木表面水分逐渐饱和,截留能力迅速降低。持续的低强度降雨,加上较长的降雨间隔,会显着提高乔木对降雨的截留率,因此,有学者认为相对雨洪控制,乔木在净化水质方面的作用更大[10],因为通常认为小雨是地表污染物冲刷的罪魁祸首。
 
  1.2、 蒸散
 
  蒸散包括植物蒸腾和表面蒸发两部分,是水文循环中水分返还大气的重要途径,对维持着城市水平衡起着重要作用。植物通过蒸腾作用,水分沿着土壤-植物-大气途径被传输至植物叶片表面,最终散失在大气中。正因如此,蒸散在城市管理的多个方面都可以扮演关键作用,诸如控制降雨径流、缓解城市热岛效应和城市水资源利用等。
 
  目前,关于城市蒸散的研究文献已有不少。例如,美国学者Cleugh[11]利用优化后的城市水循环模型,对澳大利亚沃登山谷城市水循环各分量进行模拟计算,发现蒸散量在水分输出项中占的比例最大,一年中有高达81%的降雨量通过蒸散散失。K觟hler等[12]对屋顶绿化进行研究,得出屋顶绿化年平均蒸散率在60%~79%之间的结论。不同气候区森林蒸腾率也大不相同,湿润地区城市森林蒸腾率占同期降水量的比例为20%~40%[13],而半干旱区则可达40%~70%[14]。对城市地表植被来说,蒸腾是体内水分流动的重要驱动力。然而,蒸腾率受到树种特性、树形大小、年龄、健康程度以及土壤湿度等方面的影响,使得准确评估乔木蒸腾量非常困难。Pataki[15]对夏季洛杉矶城市森林蒸腾率进行定量研究,发现不同的树种间蒸腾量存在明显差异,加那利松(慢生针叶树种)日蒸腾量最小,为3.2±2.3kg·tree-1·d-1;法国梧桐(速生落叶树种)日蒸腾量最大,达到176.9±75.2kg·tree-1·d-1。同一树种间蒸腾量也差异明显,例如美国皂荚,蒸腾率最小为2.0×104kg·yr-1,最大超过3.0×104kg·yr-1[16]。未来应该加强对树种生理生态和城市水文生态研究,这对于精确评估树种蒸腾率及其对城市雨水管理的贡献有重要意义。
 
  按照城市植物功能型的不同,可以将城市蒸散划分为不同的季节模式[17]。常绿针叶树种相较落叶阔叶树种,叶的蒸腾率较低[18];但相较于城市中的冷季草坪草,乔木树大根深,可以充分吸收土壤水分[19]。不同功能型及不同物种,它们的生理活动周期和物候是有明显季节差异的。例如,冷季草坪草在春季和秋季生理活动旺盛,而落叶阔叶树种和常绿针叶树种在盛夏生理活动达到顶峰[20]。此外,常绿针叶树种整年都保持着生理活动,而落叶阔叶树种和冷季型草坪草的生理活动只有在生长季[21]。因此,在城市绿色基础设施植物搭配上,可以考虑适量多栽植类似常绿针叶树种一样可以全年发挥蒸散作用的种类。
 
  监测树干液流密度有助于掌握其季节性的蒸腾速率[22]。野外森林中对树干液流密度的研究已经司空见惯[23,24],但在城市园林中的研究才刚刚起步。例如,Wang等[25]对北京城市绿地进行研究,发现日液流密度存在明显的季节性差异且夏季日液流密度最大,与乔木生长规律基本一致。充足的土壤水分是保持高蒸散的必要条件。城市中生长季土壤水分不足时,可以通过灌溉提供水分来维持树木的高蒸散。同时,灌溉也导致自然过程和人为行为相混杂,给预测城市乔木蒸腾量增加了困难。最近有研究发现,单位土地面积上,乔木蒸散率可能比草坪草要低,Peters[17]对城市休闲园林进行研究,发现草坪草的蒸散率均要高于乔木,分别占整个园林用地蒸散率的77%和33%,甚至更多。
 
  未来应加强乔木蒸散与雨洪管理直接关系的研究。例如,在降雨强度、持续时间、降雨频率等诸多变量存在的情况下,如何准确建立乔木蒸散量与雨水径流减少量之间的关系。
 
  1.3、 改善土壤渗透
 
  虽然冠层截留和蒸散是乔木发挥雨洪调控最直接的手段,但乔木改善土壤渗透同样不能忽视。植物能够提高土壤入渗性能,一方面植物通过蒸腾作用促进根系吸收土壤水分,土壤在水分发生亏损后吸水能力增强[26]。另一方面植物根系通过穿插、分割等方式长期作用于土壤,能够改善土壤非毛管孔隙度、土壤团聚体等组成和结构;数据表明,植物根系可增加土壤非毛管孔隙度1.48%~155.43%,增加有机质13.33%~111.11%,降低容重1.7%~15.5%,使稳渗率达到8.4~976.2mm/h,提高27.4%~476.8%[27]。乔木增加土壤非毛管孔隙度的作用优于草本[28]。Armson[29]对城市道路树池进行研究,发现幼树生长的树池可以减少周边沥青路面径流的62%,大部分径流被土壤吸收,所以尽管幼树本身吸收降雨的能力有限,但其通过改善土壤渗透能力增加了树池对径流的吸收能力。
 
  城市土壤不同于野外,受到建筑、车辆等机械压实程度大,土壤大孔隙变成小孔隙,容重增加[30],这时土壤不仅不能削减径流,还会造成积水并影响植物生长[31]。乔木根系的不断生长、有机物质的不断输入以及微生物活动等过程都可以有效的改善土壤条件,增强土壤对水分的渗透吸收能力。Bartens[32]于温室中模仿城市压实土壤进行控制试验,结果显示,相对于对照组(无树木生长的压实土壤),实验组中树木根系的生长穿透底土,使压实土壤的渗透率平均提高了63%。此外,根系扩展生长极大的增加了有效渗透空间,对提高土壤渗透能力非常重要。
 
  1.4、 乔木增益绿色基础设施
 
  乔木已经在包括雨水花园、生物滞留带在内的很多绿色基础设施中被广泛应用。Scharenbroch[33]对生态湿地(接收附近停车场的雨水径流)进行研究,发现乔木蒸腾是湿地水分输出的主要途径,占到了整个生态湿地水分输出量的46%~72%。乔木通过调节土壤湿度,提高了雨水花园等绿色基础设施的最大水容量,到了干燥季节,这些保存的土壤水分会根据底土质地和水文特征的不同进行再分配。乔木还可以提高绿色基础设施的净水功能,Denman[34]对雨水花园中四种行道树的净水功能进行研究,发现四种树木对径流中营养物含量平均降低了40%。
 
  另外,生长环境对乔木十分重要,相对于街道树池,生长在绿色基础设施中的乔木更加健康、更加长寿[34]。未来新型的绿色基础设施就是要满足雨洪调控功能的同时保证树木健康生长。当前,结构性土壤设施开始流行[35],通过重建土壤60cm土壤剖面,混合一定比例的矿物质和碎石,将其铺装于城市人行道下层空间,改变了城市土壤紧实的现状,降雨时径流可直接渗入土壤下方的蓄水空间,再配以乔木栽植,既利于根系生长又可以达到雨水管控的目的。对比传统树池功能的单一性,结构性土壤技术功能全面,既避免土壤压实,又可以吸纳和调控周围不透水面的径流,还可以保障树木的健康生长。乔木健康长寿,其能发挥的冠层截留和蒸散功能就越强,最终提高绿色基础设施整体的雨洪调控能力。
 
  绿色基础设施在不断的发展和创新,可选择的树木种类也越来越多,未来有必要进行长期的监测,探究特定的绿色基础设施中最适的树木种类。
 
  2、 未来的研究方向以及面临的挑战
 
  2.1、 未来的研究方向
 
  毫无疑问,乔木拥有巨大的雨洪调控潜力,但影响乔木雨洪管理的因素极其复杂(表1),有很多研究空白需要去填补。目前为止,学术界对乔木径流控制效果的研究仅局限在少数特定的环境条件下,不全面也不够精确。在未来的研究中,应当加强对不同树种、不同生长阶段乔木对径流控制效果的研究;加强在复杂多样的城市环境下(住宅花园、树池、生态湿地)、不同景观类型、不同地理条件下乔木雨洪控制能力的研究,为城市复杂环境下的树种选择提供指导。
2.2、 面临的挑战
 
  2.2.1 、环境的挑战
 
  城市环境下乔木面临着严峻的生存挑战,面临城市环境(缺水、土壤空间不足、严峻的气候条件)和人类活动(修剪方式不当、人为破坏、工程建设干扰根系生长)的双重威胁[36],还要遭受来自害虫和病菌的威胁,我们必须提前制定好应对以上种种威胁的策略,将树木死亡引发雨洪控制效益的损失降低到最小。此外,城市园林绿地的营造还要基于多种功能的综合考虑,满足雨洪控制功能的同时,还要保证树种多样性,以及市民对树种的偏好等。
 
  2.2.2 、经济和政策的挑战
 
  城市雨洪管理的本质不仅是个生态问题,更是个经济问题和社会问题,在未来必将面临经济和政策等方面的挑战[37]。要解决以上问题,必须发展出一种相应的经济模式来鼓励乔木种植及绿色基础设施的建设。如今的商品经济时代,产品和服务的价值严重依赖于市场,像冠层截留和蒸散这样的生态服务产品有空有价值却没有价格,因此无法像其它商品一样在市场上交换。所以尽管乔木为我们带来了包括雨洪控制效益在内的巨大生态和社会效益,但在市场中仍视其经济价值为零。在未来,随着研究的深入,当我们可以对城市各种环境下乔木的雨洪控制量进行准确测定时,不妨去模仿碳汇交易,建立城市雨洪控制交易市场。用立法的形式,对不同土地利用区域的径流排放上限值做出规定,以刺激区域内乔木及绿色基础设施的建设,超出上限值的部分需要从其他业主那里购买雨水排放量,使雨洪控制生态服务产品真正具有市场经济价值。
 
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