4種植物所構(gòu)建的滯留系統(tǒng)調(diào)控道路雨水的效用

李妍汶 王海洋 李慧 張自豪 張丹華

摘要：在生物滯留系統(tǒng)中，通過(guò)模擬自然降雨強(qiáng)度，對(duì)4種地被植物調(diào)蓄道路雨水以及自身耐水淹抗干旱能力進(jìn)行研究。結(jié)果表明：（1）植物層滯留雨水時(shí)間為4.8～14.0 h，系統(tǒng)可以滯留雨水7.0～17.9 h，且隨著進(jìn)水量的加大，植物層和系統(tǒng)層差異顯著（P<0.05）。在基質(zhì)相同的條件下，同種植物在不同進(jìn)水量情況下滯留雨水時(shí)間差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同進(jìn)水量條件下滯留雨水時(shí)間差異顯著（P<0.05）。（2）3種降雨強(qiáng)度不同植物系統(tǒng)的蒸發(fā)量與植物蒸騰量不超過(guò)7%，生物滯留系統(tǒng)基質(zhì)蓄水量穩(wěn)定在13.68 L/m3。（3）4種地被植物在不同水分處理的適應(yīng)能力均可作為道路地被植物，且推薦依次為狼尾草、頭花蓼、地瓜藤、玉龍草。

關(guān)鍵詞：生物滯留;道路雨水;地被植物;適應(yīng)能力

中圖分類號(hào)： X171.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）05-0208-05

收稿日期：2017-01-06

基金項(xiàng)目：重慶市應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：cstc2014yykfA9001）。

作者簡(jiǎn)介：李妍汶（1991—），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，助理園林工程師，主要從事風(fēng)景園林生態(tài)研究。E-mail：lear0705@foxmail.com。

通信作者：王海洋，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事生態(tài)學(xué)與植物學(xué)研究。E-mail：whyswau@126.com。

生物滯留，作為一種新型的雨洪管理技術(shù)是海綿城市的重要組成部分。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)道路生物滯留方面研究主要集中在水文效應(yīng)[1]、生物滯留池的模型與結(jié)構(gòu)[2-3]、凈化水質(zhì)效用[4]、透水路面[5]等方面。沒(méi)有研究系統(tǒng)與不同植物對(duì)不同降雨強(qiáng)度“滯”與“蓄”的能力，對(duì)一些耐淹抗旱的本土野生植物的開發(fā)重視不夠[6]，且忽略了植物本身的造景美化功能等。本研究通過(guò)模擬道路雨水徑流，比較4種植物在道路兩邊生長(zhǎng)的適應(yīng)能力以及在生物滯留系統(tǒng)中調(diào)控道路雨水的效用，對(duì)指導(dǎo)選擇適當(dāng)植物與解決城市雨水問(wèn)題具有切實(shí)意義。

1 試驗(yàn)區(qū)域與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)，降水主要集中在的5～10月[7]。道路雨水采樣點(diǎn)選在西南大學(xué)瀝青道路，雙向車道，地長(zhǎng)10 m、寬5 m，坡度3.5°，車流量96輛/h，只有1個(gè)雨水篦。

1.2 生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 植物選擇 選擇適宜在重慶地區(qū)道路旁生長(zhǎng)，具有耐淹抗旱性質(zhì)和觀賞價(jià)值的頭花蓼（Polygonum capitatum）、玉龍草（Ophiopogon bodinieri）、狼尾草（Pennisetum alopecuroides）、地瓜藤（Caulis Fici Tikouae）[8-9]4種植物。種植密度分別為25株/m2、40株/m2、100株/m2、27枝/m2。

1.2.2 生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)海綿城市技術(shù)指南中的復(fù)雜型生物滯留設(shè)施各項(xiàng)要求（蓄水層200～300 m，覆蓋層 50～100 mm，土壤250～1 200 mm，沙100 mm，礫石200～300 mm），模擬定量試驗(yàn)于5個(gè)面積為2 m2（長(zhǎng)1 m，寬2 m），高1 m的箱子。從下至上分別是200 mm礫石、100 mm沙子、400 mm土壤、50 mm的覆蓋層，250 mm的蓄水層。其中礫石粒徑為10 mm，沙子容重為1.41 g/cm3，土壤容重為 1.49 g/cm3。開有上下2個(gè)出水口，分別位于蓄水層以下以及礫石層以下。沒(méi)有考慮雨水溢流管接雨水管渠，直接研究模擬生物滯留設(shè)施滯蓄的效果。

1.3 試驗(yàn)處理與測(cè)定

1.3.1 進(jìn)水設(shè)計(jì)

1.3.1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地降雨特點(diǎn) 降雨雨強(qiáng)采用杭州路格科技L99-YL智能雨量記錄儀，安置在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，每5 min記錄1次數(shù)據(jù)（圖1）。經(jīng)分析數(shù)據(jù)可得，4、5、6、7、8月的降雨量分別為72.3、111.5、312、177.5、17.6 mm，降雨次數(shù)分別是195、173、140、56、7次。8月少降雨，處于干旱期。小雨、中雨、大雨的概率較大，且小雨占絕大數(shù)，暴雨集中出現(xiàn)在5—7月，次數(shù)較少，降雨多發(fā)于夜晚（圖2）。

1.3.1.2 進(jìn)水徑流量設(shè)計(jì) 根據(jù)我國(guó)降雨等級(jí)表（中國(guó)氣象局）3種降雨強(qiáng)度的最大值，將小雨、中雨、大雨12 h的降雨量分別設(shè)為5、15、30 mm。測(cè)定瀝青路面道路徑流系數(shù)約為0.9。經(jīng)計(jì)算，小雨、中雨、大雨50 m2道路1.5 h進(jìn)水量分別為30、90、170 L。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定

1.3.2.1 植物層與系統(tǒng)滯留雨水時(shí)間與水量的測(cè)定[6] 生物滯留設(shè)施中的4種不同植物加上對(duì)照組共5組處理。植物層測(cè)定為上開下關(guān)，從蓄水層出水;系統(tǒng)滯留為上關(guān)下開，從系統(tǒng)底部出水。不同的降雨類型（小雨、中雨、大雨）分別重復(fù)3次，共計(jì)90組。試驗(yàn)處理1、2、3是4種植物在小雨、中雨、大雨3種情況下模擬植物層出水的情況。試驗(yàn)處理4、5、6是4種植物在小雨、中雨、大雨3種情況下模擬整個(gè)系統(tǒng)層出水的情況。傾倒配制溶液1.5 h，每5 min對(duì)出水量測(cè)定1次，直至水流完，測(cè)定出植物層與系統(tǒng)延緩雨水的時(shí)間與水量。

1.3.2.2 系統(tǒng)雨水分配比例和生物滯留系統(tǒng)蓄水量的測(cè)定 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)水量、測(cè)量的出水量、土壤含水量，在誤差范圍內(nèi)，計(jì)算出植物蒸騰量，并比較4種植物的異同。

1.3.2.3 植物在不同水處理下適應(yīng)能力測(cè)定 2016年4—8月進(jìn)行試驗(yàn)，記錄和測(cè)定4種地被植物在小雨、中雨、大雨、正常灌水、停止灌水5 d、停止灌水10 d時(shí)的生長(zhǎng)特性（存活率、株高、總?cè)~片數(shù)、形態(tài)、地上地下生物量）和生理特性（葉片和土壤水勢(shì)）。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物層滯留雨水時(shí)間的比較

在模擬的生物滯留系統(tǒng)處理1、2、3中，植物層滯留雨水時(shí)間為4.8～14 h，占生物滯留系統(tǒng)總體滯留時(shí)間的7356%，其中滯留小雨4～8 h，中雨7～12 h，大雨8～14 h。不同降雨條件下，4種植物滯留雨水的情況不同，整體上出水平穩(wěn)。隨著雨強(qiáng)的不斷加大，植物可以延緩雨水的時(shí)間也越長(zhǎng)?？傮w上按滯留時(shí)間長(zhǎng)短可排序?yàn)槔俏膊?地瓜藤>頭花蓼>玉龍草。

對(duì)4種植物在不同降雨條件下滯留雨水時(shí)間進(jìn)行方差分析（表1）可知，同種植物在不同進(jìn)水量情況下滯留雨水時(shí)間差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同進(jìn)水量條件下滯留雨水時(shí)間差異顯著（P<0.05），但整體來(lái)說(shuō)，頭花蓼與玉龍草滯留雨水時(shí)間差異不顯著（P>0.05），與狼尾草和地瓜藤滯留雨水時(shí)間顯著（P<0.05）。

2.2 整體系統(tǒng)滯留雨水時(shí)間與水量的比較

在模擬的不同雨強(qiáng)的道路徑流處理4、5、6下，系統(tǒng)整體滯留雨水時(shí)間為7.0～17.8 h。雨水經(jīng)過(guò)整個(gè)系統(tǒng)后流速變慢，在植物根、莖、葉中的滯留以及基質(zhì)滯蓄的雙重作用下，初始階段，土壤濕度增加，系統(tǒng)并不出水。隨著基質(zhì)逐漸達(dá)到飽和，系統(tǒng)開始出水，流速逐漸增大，在一定時(shí)間段，流速達(dá)到最大，而后持續(xù)平穩(wěn)流速（圖3）。

總體上，不管在任何降雨類型下，按照滯蓄時(shí)長(zhǎng)可排序?yàn)槔俏膊?基質(zhì)>地瓜藤+基質(zhì)>頭花蓼+基質(zhì)>玉龍草+基質(zhì)。

在基質(zhì)相同的基礎(chǔ)上，植物的作用顯而易見。植物和基質(zhì)的滯蓄效果明顯好于單一種植植物，并隨著雨強(qiáng)的增大，基質(zhì)的效用越來(lái)越明顯。對(duì)4種植物在不同降雨條件下滯留雨水時(shí)間進(jìn)行方差分析（表2）可知，同種植物在不同進(jìn)水量情況下滯留雨水時(shí)間差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同進(jìn)水量條件下滯留雨水時(shí)間差異顯著（P<0.05）。

2.3 系統(tǒng)雨水分配比例和植物與系統(tǒng)蓄水過(guò)濾的能力比較

進(jìn)水量增大，系統(tǒng)出水量增多且隨之比例增大。不管是任何類型的降雨強(qiáng)度，不同種的植物，系統(tǒng)基質(zhì)蓄水量穩(wěn)定在27.36 L。進(jìn)水量比例增大，蓄水量比例相對(duì)減小，蒸發(fā)蒸騰量相對(duì)增加。不管在小雨、中雨、大雨的情況下，按照蒸發(fā)量都依次為地瓜藤>頭花蓼>狼尾草>玉龍草。

在小雨、中雨、大雨3種情況下，生物滯留系統(tǒng)出水量占總水量的比例依次為90.13%、65.01%、77.07%;蒸發(fā)與植物蒸騰量依次約為3.25%、4.55%、6.67%，總體上沒(méi)有超過(guò)7%;土壤蓄水量基本不變，本次試驗(yàn)?zāi)M了生物滯留池系統(tǒng)，2 m3可以蓄水約27.36 L。

2.4 4種地被植物在不同水分條件下的適應(yīng)能力的比較

生物滯留池、生物滯留型植草溝等一系列雨水設(shè)施存在一些積水和干涸暴曬時(shí)間[10]。植物在經(jīng)過(guò)不同降雨強(qiáng)度的沖刷與淹和不同時(shí)長(zhǎng)的暴曬與干旱后，形態(tài)、生長(zhǎng)和生理特征會(huì)出現(xiàn)明顯差異[11]。

2.4.1 存活率與形態(tài) 小雨徑流下，只有4種地被植物表現(xiàn)良好，沒(méi)有死亡情況。模擬中雨和徑流時(shí)，4種植株出現(xiàn)不同程度的葉片發(fā)黃萎蔫甚至死亡，頭花蓼葉片紅色變暗淡，但在反復(fù)模擬試驗(yàn)后，4種植株存活率都在95%以上，作為生物滯留設(shè)施地被植物，表現(xiàn)型良好。停止灌水后，4種地被草本形態(tài)上發(fā)生了明顯的變化。隨著干旱程度的加重，停止灌水15 d后，玉龍草一部分死亡，地瓜藤部分葉片干枯與死亡，頭花蓼葉片部分干枯卷曲，紅色變淺，狼尾草葉片少部分枯黃，大部分低垂。

2.4.2 接觸地面葉子枯黃比例 通過(guò)雨季觀察接觸地面部分葉子枯黃情況作為耐濕性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[12]。隨著進(jìn)水量的加大，4種植株接觸地面的葉子開始出現(xiàn)少許枯黃。接觸地面葉子枯黃的比例為從大到小依次為玉龍草>地瓜藤>頭花蓼>狼尾草。

2.4.3 株高 隨著降雨徑流強(qiáng)度的增大，株高也下降。在干旱條件下，株高都有所下降，且比徑流淹沒(méi)時(shí)明顯多，說(shuō)明對(duì)水分脅迫反應(yīng)敏感。隨著干旱脅迫程度的增大，株高下降的趨勢(shì)愈明顯。4種地被植物的株高對(duì)干旱敏感順序從大到小依次為玉龍草>地瓜藤>頭花蓼>狼尾草。

2.4.4 葉片數(shù)量 道路徑流的淹沒(méi)會(huì)影響4種地被植物葉片的分蘗?？偟膩?lái)說(shuō)，4種地被植物株高對(duì)徑流淹沒(méi)的敏感性順序?yàn)榈毓咸?玉龍草>頭花蓼>狼尾草。干旱程度的不同明顯影響到4種地被植物的分蘗，并隨著干旱程度的增大，葉片數(shù)量也下降。影響最大的是玉龍草，影響最小的是狼尾草。總的來(lái)說(shuō)，4種地被植物葉片數(shù)對(duì)干旱敏感按從大到小的順序?yàn)橛颀埐?頭花蓼>地瓜藤>狼尾草。

2.4.5 生物量 在道路雨水徑流淹沒(méi)脅迫后，4種地被植物的地上地下生物量有不同程度的下降，總的來(lái)說(shuō)，4種地被植物地上生物量對(duì)徑流淹沒(méi)的敏感性順序?yàn)榈毓咸?頭花蓼>狼尾草>玉龍草，4種地被植物地下生物量對(duì)徑流淹沒(méi)的敏感性順序?yàn)橛颀埐?狼尾草>頭花蓼>地瓜藤。

隨著干旱程度的不斷加大，4種地被植物的生物量不斷下降且顯著。其中，地上生物量下降最明顯的是玉龍草，在輕度、重度脅迫下分別下降41.01%、48.96%。表現(xiàn)最好的是狼尾草，在輕度和重度脅迫分別下降27.96%、31.97%。

地下生物量下降最明顯的是仍然是玉龍草，在輕度、重度脅迫下分別下降26.35%、34.25%。最后仍然是狼尾草，在輕度、重度脅迫中分別下降15.84%、21.53%。

綜上所得，不管是地上生物量還是地下生物量，其對(duì)水分的敏感程度按照大小排序?yàn)橛颀埐?地瓜藤>頭花蓼>狼尾草。

2.4.6 土壤水勢(shì) 隨著干旱脅迫程度的加重，4種地被植物土壤水勢(shì)的絕對(duì)值也變大。其中，狼尾草的土壤水勢(shì)絕對(duì)值一直保持較低水平，在干旱脅迫中最能利用土壤中的水分。其次是頭花蓼和地瓜藤相近，最后是玉龍草。土壤水勢(shì)絕對(duì)值變大速率由大到小依次為玉龍草>地瓜藤>頭花蓼>狼尾草。對(duì)4種植物在不同水分條件下土壤水勢(shì)進(jìn)行方差分析（表3）可知，同種植物的土壤水勢(shì)在不同水分條件下與正常灌水比較差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同灌水條件下差異顯著（P<0.05）?？傮w來(lái)說(shuō)，狼尾草與地瓜藤和玉龍草差異顯著（P<0.05），頭花蓼與玉龍草差異顯著（P<0.05）。

2.4.7 葉水勢(shì) 同一生境條件下，抗旱性強(qiáng)的植物一般葉水勢(shì)下降速度慢且幅度小，能保持其水分平衡;抗性弱的植物下降速度快，水分平衡保持差[13-14]。隨著干旱脅迫的加重，4種地被植物的水勢(shì)呈下降趨勢(shì)，且變化規(guī)律為脅迫初期葉片水勢(shì)變化緩慢，隨著脅迫程度加重和時(shí)間延長(zhǎng)，葉水勢(shì)急劇下降。與正常灌水相比較，狼尾草葉水勢(shì)變化幅度最小，在輕度、重度脅迫下分別下降 11.03%、71.46%。其次是頭花蓼和地瓜藤，相差幅度不大。在輕度干旱脅迫下分別下降6069%、70.30%，在重度干旱脅迫下分別下降190.88%、220.70%。變化幅度最大的是玉龍草，在輕度、重度脅迫下分別下降83.48%、277.49%。所以根據(jù)其下降幅度大小排序依次是玉龍草>地瓜藤>頭花蓼>狼尾草（表4）。對(duì)4種植物在不同水分條件下葉片水勢(shì)進(jìn)行方差分析可知，同種植物的葉片水勢(shì)在不同水分條件下與正常灌水比較差異極顯著（P<0.01），不同植物在相同灌水條件下葉片水勢(shì)差異顯著（P<0.05）（表4）。

2.4.8 綜合評(píng)價(jià) 根據(jù)閻曉容等的方法[15]，利用指標(biāo)排序疊加法對(duì)4種地被植物在不同水分條件下綜合能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照耐水淹能力中的存活率、接觸地面葉子的枯黃比例、株高、葉片數(shù)、地上生物量和地下生物量6個(gè)因素以及抗旱能力中形態(tài)、株高、葉片數(shù)量、地上地下生物量、土壤水勢(shì)、葉片水勢(shì)7個(gè)因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。各因素的第1名4分，第2名3分，第3名2分，第4名1分。最后將各指標(biāo)的分值累計(jì)，分?jǐn)?shù)越高的地被植物相應(yīng)的耐水淹和抗旱綜合能力越強(qiáng)。

在抗道路徑流水淹能力中，4種地被植物得分大小依次為狼尾草>頭花蓼>玉龍草>地瓜藤。在抗旱能力中，得分大小依次為狼尾草>頭花蓼>地瓜藤>玉龍草（表5）。綜上所述，4種地被植物綜合耐水淹抗旱能力大小依次為狼尾草>頭花蓼>地瓜藤>玉龍草。

3 結(jié)論

模擬的生物滯留系統(tǒng)中，植物層滯留雨水時(shí)間為 4.8～14.0 h，占生物滯留系統(tǒng)總體滯留時(shí)間的73.56%。隨著雨強(qiáng)的不斷加大，植物可以延緩雨水的時(shí)間也越長(zhǎng)?？傮w上，按滯留時(shí)間長(zhǎng)短可排序?yàn)槔俏膊?地瓜藤>頭花蓼>玉龍草。

系統(tǒng)可以滯留雨水7.0～17.9 h，在基質(zhì)相同的基礎(chǔ)上，植物的作用是顯而易見的。植物和基質(zhì)的滯蓄效果明顯好于單一種植植物，并隨著雨強(qiáng)的增大，基質(zhì)的效用越來(lái)越明顯。

不管是任何類型的降雨強(qiáng)度，不同種的植物系統(tǒng)的蒸發(fā)與植物蒸騰量不超過(guò)7%，2 m3的生物滯留系統(tǒng)基質(zhì)蓄水量穩(wěn)定在27.36 L。

在不同水分條件下的適應(yīng)能力中，4種地被植物得分大小依次為狼尾草>頭花蓼>地瓜藤>玉龍草。玉龍草具有較強(qiáng)的耐水淹能力，觀賞價(jià)值高。且4種植物均滿足道路兩邊耐水淹耐干旱的條件，推薦使用。

所得結(jié)論可應(yīng)用于道路、廣場(chǎng)等生物滯留設(shè)施，例如在寬5 m、長(zhǎng)10 m的道路中，用2 m3狼尾草種植的生物滯留系統(tǒng)可以延緩大雨17 h左右。

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