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海绵城市建设模式下乔木的功能与应用

作者: 成泽虎,胡黎 时间:2018-2-11 阅读次数:1306

传统发展模式下,城市中“灰色基础设施”增多,硬质表面积增大,由点逐渐联通成面,形成了城市灰色景观网络[1]。由此带来的后果是城市中渗透量和蒸发量大幅降低,降雨时极易形成地表径流,洪涝灾害和水质污染频发。相对于“灰色基础设施”,绿色基础设施是一种全新的理念,它泛指连续的大面积绿地空间,包括雨水花园、生物滞留设施、透水人行道、生态调节沟、绿色屋顶等,作为对城市灰色基础设施的补充,已成为当前“海绵城市”建设背景下流行的雨洪管理措施。相较于灰色基础设施只为专项功能而建,绿色基础设施在达到雨洪管理目的的同时则能够带来环境、社会、经济等多种效益,与周围的城市生态空间融为一体。

乔木作为城市环境和绿色基础设施的重要组成要素,在城市水循环中扮演者重要角色,对于提高绿色基础设施雨洪管理功能具有明显的作用。本文总结了国内外城市乔木雨洪管理功能的相关研究,主要从冠层截留、蒸散、改善土壤渗透、增益绿色基础设施四个方面进行了详细论述。

一/乔木的雨洪管理功能

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,冠层截留量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,经过冠层截留后的雨水有部分沿着树干向下流形成干流流向地面,这部分雨水称为树干茎流,树干茎流一般低于5%;剩下一部分雨水则通过冠层滴落在地面上,和穿过冠层孔隙直接落入地表的雨水共同称为冠层透流。树干茎流和冠层透流最终也将渗入土壤。冠层截留直接削减降落到地表的雨量和降雨强度,延迟产流并削减洪峰,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。

影响冠层截留的因素很多。森林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% [2]。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,树冠茂密程度不同,因此冠层截留率存在较大差异。树木从幼龄至成熟,枝叶越来越密,步入老龄开始出现自然稀疏,树冠截留能力下降,观测结果表明,树龄在30-40 a时,林冠截留量最大[3]。不同树种间影响因素则更为复杂,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均会导致冠层截留率的巨大差异。Xiao等[4]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)。Mc Pherson[5]对20种不同树种进行研究,发现针叶树种表面比阔叶树种可以滞存更多的雨水,针叶树种表面截留率约20%-40%,阔叶树种的10%-20%,且无论针叶或阔叶树种,叶片表面的雨水滞存量均要远大于树干表面。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,因此在城市中多栽植常绿阔叶和针叶树种有助于城市森林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。降雨初期,雨水全部截留于枝叶表面,随着降雨强度的增加截留量也不断增加,最后趋于一个常数,即林冠最大截留量。湿润季节里,降雨初期冠层截留量很高,随着树木表面水分逐渐饱和,截留能力迅速降低。降雨间隔时间久,且持续的低强度降雨,会显著提高树木对降雨的截留率。因此,有学者认为相对雨洪控制,树木在净化水质方面的作用更大,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。通过蒸腾作用,水分沿着土壤-植物-大气连续体被传输至植物叶片表面,最终返还大气。因此,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。

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,使得准确评估乔木的蒸腾量变得非常困难。美国学者Pataki[6]于夏季对洛杉矶城市森林蒸腾率定量研究,不同树种间蒸腾量存在明显差异,加那利松日蒸腾量(慢生针叶树种)最小,为3.2±2.3kg·tree-1·d-1;法国梧桐日蒸腾量(速生落叶树种)最大,达到176.9±75.2kg·tree-1·d-1。

 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%,而半干旱区则可达40-70%[7]。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。常绿针叶树种相较落叶阔叶树种,叶的蒸腾率较低;但相较于城市中的冷季草坪草,无论是常绿树种还是落叶树种,根系发达,可以充分吸收土壤水分。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。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。因此,在城市绿色基础设施植物搭配上,可以多考虑栽植像常绿针叶一样可以全年发挥蒸散作用的种类。

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。但是,灌溉导致自然过程和人为行为相混杂,给预测城市树木蒸腾量增加了困难。

1.3改善土壤渗透

虽然冠层截留和蒸散是树木发挥雨洪调控最直接的手段,但乔木改善土壤渗透的功能同样不能忽视。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[8]。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%[9]。

不同于森林土壤,城市土壤受到建筑、车辆等机械压实程度大,土壤孔隙变小,土壤容重增加[10],这时的土壤不仅不能削减径流,还极易造成积水并危害植物生长[11]。通过种植乔木,根系的不断生长和死亡,在土壤中创造出连续的大孔隙;对土壤有机物质的不断输入以及旺盛的微生物活动,都在不断调节着土壤生态系统,有效的改善土壤条件,增强土壤对水分的渗透吸收能力。英国学者Bartens[12]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%。

实际中,雨水花园等绿色基础设施在设计时,在低洼处种植一些耐淹的树种,对吸收雨水径流和促进自然下渗都有着很好的效果。降雨发生时,树木的形态结构对于降低树干茎流速度、减弱穿透雨强和土壤渗透最大化起着关键作用,可以有效减少设施周围地表积水,降低雨水对土壤的冲刷。

1.4乔木增益绿色基础设施

 乔木作为绿色基础设施的组成要素,可以有效的提升绿色基础设施的综合功能。当前,已经在包括雨水花园、生物滞留带在内的多种绿色基础设施中被广泛种植。美国学者Scharenbroch对生态湿地研究后得出结论,乔木蒸腾是水分输出的主要途径,占到了整个生态湿地水输出总量的46%-72%。乔木通过调节土壤湿度,可以提高雨水花园等绿色基础设施的水容量。乔木还可以提高绿色基础设施的净水功能,Denman[13]对雨水花园中四种行道树的净水功能进行研究,得到四种树木对径流中营养物质含量平均去除率约为40%的结论。

另外,城市中环境严苛,相比于传统树池,绿色基础设施可以为乔木提供一个相对适宜的生长环境,保证乔木的健康长寿,对于最大限度发挥其雨洪管理功能具有重要意义。未来的新型绿色基础设施就是要保证树木健康的基础上,满足雨洪调控的功能。随着绿色基础设施的发展和创新,可选择的树木种类也越来越多,下面针对不同的绿色基础设施,提出适宜的树木种类。

二/乔木在绿色基础设施中的应用

2.1绿色屋顶

在绿色屋顶中,乔木的数量较少,或孤植或与灌木、地被搭配,作为景观的制高点,一般为主景。应选择树形优美、叶色丰富、花繁锦簇和具有香气的乔木种类,如可选择黑松、侧柏、龙柏、圆柏、铅笔柏、紫叶李、桃花、黄花槐、鸡爪槭、桂花、鱼尾葵、美丽针藥、三角椰子等。乔木高度宜控制在2-2.5m,不同乔木种类对基质层厚度要求不一样,一般应达到60-100cm。

2.2雨水花园

雨水花园中,乔木大都在边缘区种植,除了在道牙边种植的行道树,其他应用目前不多。作为雨水花园景观最高点,乔木除了满足其耐涝、耐旱、抗污染等特性外,还应尽量选择观赏价值高的种类点亮整体景观,提升雨水花园的景观效果。此外,种植在道牙的乔木不能影响交通,因此要选择分支点较高的乔木。重庆市可选用的乔木有:枫杨、榔榆、构树、乐昌含笑、广玉兰、香樟、丝绵木、杜英、桂花、小叶榄仁、红千层、大花紫薇、紫薇等。

2.3植被缓冲带

植被缓冲带中,为了不阻碍雨水径流流向草沟,浅根系的树木应注意选择根部不要露出地面的种类。雨水径流穿过植被缓冲带时,会将植物的落叶、落果、落花等一起冲进草沟,导致草沟堵塞。因此乔木尽量选择落叶较少、果实较少且无污染物产生的常绿阔叶树种为主。重庆市可选用的乔木种类有杜英、广玉兰、桂花、盆架木、小叶榄仁、南洋杉、枫杨、丝棉木、木棉、美人树等。

2.4人工湿地

人工湿地的边缘区,乔木可排植、三五棵群植,可多种乔木高矮、不同树形搭配混合种植,丰富群落的物种。缓冲区可以选择耐水湿的小乔木,考虑到岸边的景观视线范围,小乔木不宜丛植或群植遮挡游人视线。缓冲区可选择树形秀丽、变色叶的树种与水面互相掩映,营造一年四季色彩丰富景观。耐水湿且观赏价值高的乔木有垂柳,旱柳,金丝柳,水杉,水松,落羽杉,枫杨,乌柏,鸡蛋花,紫薇,鸡爪槭,垂枝红千层,桂花等。

参考文献

[1]栾博,柴民伟,王鑫.绿色基础设施的发展、研究前沿及展望[J].生态学报,2017,37(15).

[2] Carlyle-Moses, D. E., & Gash, J. H. C. (2011). Rainfall interception loss by forestcanopies. In D. F. Levia, D. E. Carlyle-Moses, & T. Tadashi (Eds.), Forest hydrologyand biogeochemistry: Synthesis of past research and future directions (pp.407–423).

[3]芮孝芳.水文学原理[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[4]Xiao, Q., Mc Pherson, E. G., Ustin, S. L., Grismer, M. E., & Simpson, J. R. (2000). Winterrainfall interception by two mature open-grown trees in Davis, California.Hydrological Processes, 14, 763–784.

[5]Xiao, Q, & Mc Pherson, E. G. (2016). Surface water storage capacity of twenty treespecies in Davis, California. Journal of Environmental Quality, 45, 188–198.

[6]苏建平,康博文.我国树木蒸腾耗水研究进展[J].水土保持研究,2004, 11(2): 177-179, 186.

[7] Pataki, D. E., Mc Carthy, H. R., Litvak, E., & Pincetl, S. (2011). Transpiration of urbanforests in the Los Angeles metropolitan area. Ecological Applications, 21,661–677.

[8]曹云,欧阳志云,郑华,黄志刚,邢芳芳.森林生态系统的水文调节功能及生态学机制研究进展[J].生态环境,2006,15(6):1360-1365.

[9]刘霞,张光灿,李雪蕾,邢先双,赵玫.小流域生态修复过程中不同森林植被土壤入渗与贮水特征[J].水土保持学报,2004,18(6):1-5.

[10]杨金玲,张甘霖,袁大刚.南京市城市土壤水分入渗特征[J].应用生态学报,2008(2):363-368.

[11]聂发辉,李田,姚海峰.上海市城市绿地土壤特性及对雨洪削减效应的影响[J].环境污染与防治,2008(2):49-52.

[12] Bartens, J., Day, S. D., Harris, J. R., Dove, J. E., & Wynn, T. M. (2008). Can urban treeroots improve in ltration through compacted subsoils for stormwatermanagement? Journal of Environmental Quality, 37, 2048–2057.

[13] Denman, E. C., May, P. B., & Moore, G. M. (2016). The potential role of urban forestsin removing nutrients from stormwater. Journal of Environmental Quality, 45,207–214.

[14]万本太,王文杰,崔书红,潘英姿,张建辉.城市生态环境质量评价方法[J].生态学报,2009.3.

[15]张宏伟.城市雨洪管理发展及思考[J].中国水利. 2015(11).77-90.