半湿润地区6种常用灌木对降雨截留的影响

引用本文

李海防, 俞洁蕾, 邵西宁, 周春玲. 半湿润地区6种常用灌木对降雨截留的影响[J]. 中国水土保持科学, 2022, 20(6): 83-93. DOI: 10.16843/j.sswc.2022.06.011.

LI Haifang, YU Jielei, SHAO Xining, ZHOU Chunling. Effects of six shrub species in semi-humid region on the rainfall interceptions[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2022, 20(6): 83-93. DOI: 10.16843/j.sswc.2022.06.011.

项目名称

青岛科技惠民计划项目“基于海绵体功能的城市森林质量提升关键技术研究”(19-6-1-86-nsh); 青岛农业大学人才启动基金“基于3S技术的青岛市森林景观格局优化与生态网络构建”(663/1116023)

第一作者简介

李海防(1974—), 男, 博士后, 教授。主要研究方向: 城市林业。E-mail: lihaifang@qau.edu.cn

通信作者简介

周春玲(1975—), 女, 博士, 副教授。主要研究方向: 园林植物应用。E-mail: 199601032@qau.edu.cn

文章历史

收稿日期：2021-07-22
修回日期：2022-05-19

Contents Abstract Full text Figures/Tables PDF

半湿润地区6种常用灌木对降雨截留的影响

李海防 , 俞洁蕾 , 邵西宁 , 周春玲

青岛农业大学园林与林学院，266109，山东青岛

收稿日期：2021-07-22; 修回日期：2022-05-19

项目名称：青岛科技惠民计划项目“基于海绵体功能的城市森林质量提升关键技术研究”(19-6-1-86-nsh); 青岛农业大学人才启动基金“基于3S技术的青岛市森林景观格局优化与生态网络构建”(663/1116023)

第一作者简介：李海防(1974—), 男, 博士后, 教授。主要研究方向: 城市林业。E-mail: lihaifang@qau.edu.cn

通信作者简介：周春玲(1975—), 女, 博士, 副教授。主要研究方向: 园林植物应用。E-mail: 199601032@qau.edu.cn

摘要：在半湿润地区创新节水型城市绿地建设模式, 实现绿地由耗水型向节水型转变, 是学术界关注的热点问题。以青岛市城阳区为试验区域, 通过人工模拟降雨和水量平衡等方法, 对金叶女贞、冬青卫矛、小叶黄杨、红叶石楠、龙柏和侧柏6种常用灌木的冠层截留进行测定, 探究冠层形态特征对降雨截留的影响。结果表明: 龙柏和侧柏的单叶面积、叶宽、叶长宽比等叶形态特征与其他4种阔叶灌木不同, 叶片面积指数(LAI)都显著大于其他4种阔叶灌木(P＜0.05);6种灌木均表现为穿透雨率＞冠层截留率＞茎流率, 且随降雨强度增大, 穿透雨率和茎流率明显增加, 而截留率却相对减少; 阔叶灌木的穿透雨率大于针叶灌木(P＜0.05), 茎流率与之相同(P＜0.05), 而截留率则相反, 表现为针叶灌木大于阔叶灌木(P＜0.05);灌木冠层形态特征中, LAI、叶宽、叶长宽比、叶正面接触角与冠层截留显著相关(P＜0.05), LAI、叶形和叶润湿性是影响降雨截留的主要因素。阔叶灌木易形成一个“漏斗形”的茎流水分聚集系统, 有利于土壤水增蓄, 而针叶灌木由于高LAI、特殊的叶形以及叶表高润湿性更有利于冠层截留, 在冠层水饱和前其调蓄雨洪的能力更强。

关键词：灌木冠层形态特征冠层截留半湿润地区

Effects of six shrub species in semi-humid region on the rainfall interceptions

LI Haifang , YU Jielei , SHAO Xining , ZHOU Chunling

School of Landscape Architecture and Forestry, Qingdao Agricultural University, 266109, Qingdao, Shandong, China

Abstract: [Background] With the increasing cost of urban water resource, how to develop a water-saving planting mode in urban greenland and transform water consuming mode into water saving mode have become an academic hotspot which needs to be urgently solved for urban greenland management in semi-humid region. [Methods] Using an artificial simulated rainfall system, we selected Chengyang district of Qingdao as an experimental area, determined the canopy interception of 6 shrub species including Ligustrum×vicaryi, Euonymus japonicus, Buxus sinica var. parvifolia, Photinia×fraseri, Juniperus chinensis and Platycladus orientalis, and analyzed the relationships between morphological characteristics and canopy interception. [Results] Among 6 shrub species, the leaf area, leaf width and leaf length/width ratio of J. chinensis and P. orientalis were remarkably different with the other 4 shrub species and the LAIs of J. chinensis and P. orientalis were significantly higher than those of the other 4 shrub species (P < 0.05). For all the 6 shrub species, the descending order was throughfall rates > interception rates > stemflow rates, and throughfall and stemflow increased significantly, while the canopy interception decreased with the increase of rainfall intensity. Throughfall rates of broad-leaved shrubs were higher than that of coniferous shrubs (P < 0.05), and the changing trend of stemflow rates was similar (P < 0.05). However, the canopy interception rates showed an opposite pattern (P < 0.05). LAI, leaf width, leaf length/width ratio and contact angle were significantly correlated with canopy interception (P < 0.05), and LAI, phylliform and leaf wettability were the most important factors affecting canopy interception of shrubs. [Conclusions] The broad-leaved shrubs tend to form a "funnel-shaped" stemflow water accumulation system, which contributed to the storage of soil water, while the coniferous shrubs favor canopy interception due to higher LAI, special leaf shape and high wettability of leaf surface, and had a stronger ability to regulate the storm flood before the canopy is water-saturated.

Keywords: shrubs morphological characteristics of canopy canopy interception semi-humid region

青岛位于山东省东南部，属半湿润地区。近年来，随着城市的扩张，城市绿地建设消耗大量水资源，加剧城市水资源的供需矛盾。因此，半湿润地区城市绿地建设应充分利用植物配置对降雨的再分配作用，实现对降雨的截留、存积、渗透及净化，提高城市土壤对降雨的蓄积，实现对水资源的优化利用^[1]。冠层截留是指降雨过程中滞留在植物冠层上的水分，植物通过冠层截留降雨，削减降落到地表的雨量和降雨强度，减少到达地面的水通量，从而减缓地表径流，延迟产流并削减洪峰^[2]。马育军等^[3]对灌丛的研究结果表明，冠层截留量占总降雨量的10%~40%，穿透雨量占降雨量的70%~90%，而茎流量约占大气降雨量的5%~10%。灌木冠层截留的部分降雨能沿树干以较快的速度渗入到根际区土壤。这一水文过程作为灌木对缺水环境的一种生态适应机制，对发展节水型绿地配置模式，提升绿地的雨水渗透和蓄积能力，具有重要的借鉴意义^[4]。林冠对降雨的截留受降雨特征、林分特征、林冠特征以及气象因子等多种因素的影响，其中，植物的冠层形态特征包括冠层层面的冠幅、冠层厚度、冠层体积、冠高和冠层投影面积，枝茎层面的枝长、分枝数、分支角、枝茎粗糙度，以及叶片层面的叶倾角、叶形、单叶面积、叶片润湿性、叶表面结构和叶表粗糙度等，它们都是影响冠层截留的重要因素^[5]。然而，目前学术界对降雨截留的研究主要集中在乔木^[6]和经济作物等^[7]，对灌木冠层对降雨截留的研究还相对较少，且主要集中在干旱半干旱地区^[4]。在城市园林绿地中，仅见赵峰等^[8]和姚雪晗等^[9]就常绿乔木、地被植物及园林植物的不同配置模式对降雨的截留能力进行一定程度的研究，而以城市绿地中常用灌木为研究对象，进行冠层降雨截留及影响因素的研究尚少。

为此，笔者选择青岛城市绿地中广泛栽植的6种常用灌木金叶女贞(Ligustrum×vicaryi)、冬青卫矛(Euonymus japonicus)、小叶黄杨(Buxus sinica var. parvifolia)、红叶石楠(Photinia×fraseri)、龙柏(Juniperus chinensis)和侧柏(Platycladus orientalis) 为研究对象，探究灌木冠层对降雨截留的影响，明确冠层截留的主要影响因子，对筛选有利于土壤水增蓄的灌木，创新节水型城市绿地建设模式，推动城市绿地系统从耗水型向节水型转变，提高水资源的利用效率，具有重要的理论和实践意义。

1 研究区概况

研究地点位于青岛市城阳区(E 120°23′51″，N 36°19′16″)，属温带季风气候，受来自海洋东南季风及海流影响，具有明显温带海洋性气候特点。夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年均气温12.6 ℃，1月平均气温-1.2 ℃，7月平均气温26.3 ℃，绝对最高和最低气温分别是39.0 ℃和-11.2 ℃，年均日照时间2 305.8 h。属半湿润地区，年均降水量650~700 mm，降雨分布季节性强，主要集中在7—8月，且多为短时强降雨。地貌以平原和丘陵为主，地势相对平坦，起伏较小，土壤以棕壤为主。

2 材料与方法 2.1 灌木的选取

选择生长良好的6种常用园林灌木，其冠层本底特征如表 1所示。6种灌木在城市绿地中多以组团种植或密植成绿篱等方式广泛应用。试验用灌木皆来自于苗圃地，树冠皆为半球形，株高、冠幅、冠高基本一致，株高约1 m，冠幅约1 m²，冠高约60 cm，树龄4~6年生。6种灌木各3株以间距2 m列植于试验田中，每个树种设3个重复，共18株，待移栽的灌木生长稳定后进行模拟降雨试验。

表 1 6种灌木冠层本底特征 Tab. 1 Canopy characteristics of 6 shrub species

2.2 灌木冠层形态特征的测定

用标尺自灌木中心插入读取刻度记录灌木株高与冠高，并测量其南北长度(2a)、东西长度(2b)，灌木冠幅计算采用公式C=πr²，式中：C为冠幅，m²；r取a和b中的最大值，m。树冠投影基本为椭圆，对树冠的阴影轴长进行测量并根据椭圆面积公式计算树冠投影面积：S=πab，式中：S为树冠投影面积，m²；a为长半轴，m；b为短半轴，m。叶面积指数LAI(leaf area index)通过对单片叶面积和叶片数量的计算获得，具体方法为：在天气晴朗的上午采摘单株东、南、西和北4个方向上、中、下3层的叶子共50~80片，人工记录各方向侧枝的叶片数量和叶小枝数量，得到总叶片数和总叶小枝数，在实验室内采用便携式叶面积仪(Yaxin-1241，北京博伦经纬)测量单片叶面积。龙柏和侧柏，则将其叶小枝摆放齐整扫描测量，最后根据总叶片数计算LAI=A/S^[10]，式中：A为绿叶总面积，m²；S为树冠投影面积，m²。茎分枝数根据灌木枝干分支级别进行人为计数；灌木基径采用游标卡尺于灌木主茎距地面5 cm处测量；枝长采用皮尺对灌木的一级枝、二级枝和三级枝进行测量；枝角度采用量角器测量各级枝与上一级枝的角度获得^[11]。枝茎粗糙度依据树皮有无裂缝，树皮表面纹路的深浅，将其分为粗糙(表面有裂痕)、较粗糙(表面有深裂)和较光滑(表面有浅裂)3个等级，并分别赋值1、2和3。用光学接触角测量仪(LSA100，德国LAUDA Scientific)测定6种灌木叶片正面和背面蒸馏水的接触角(图 1)，每种叶片3个重复。

图 1 叶接触角示意图 Fig. 1 Schematic diagram of leaf contact angle

2.3 人工模拟降雨

根据青岛市降雨量分布特征^[12]，研究采用人工模拟降雨系统(NLJY-10-01型，南京南林电子)设置小(30 mm/h)、中(60 mm/h)和大(90 mm/h)3个降雨强度，对6种灌木的穿透雨、茎流、冠层截留进行测定，分析各灌木冠层特征对降雨再分配的影响。人工模拟降雨系统及降雨截留的测定方法如图 2，其中，有效降雨面积为2 m×2 m，降雨高度为4 m，降雨均匀度≥88%。每次模拟试验前均对降雨强度进行校验。穿透雨根据孟明等^[11]用过的3个直径和高度为20 cm的圆桶放置在4个方位收集。茎流参照田娜等^[13]用铝箔胶带和聚乙烯软管自制的导流水槽装置测定(图 2)。穿透雨量、茎流量除以植株投影面积，即可得出单位穿透雨量和茎流量^[13]。冠层截留则根据水量平衡原理计算^[6]：I=P_r－(S_F+T_F)，式中：I为冠层截留量，mm；P_r为降雨量，mm；S_F为茎流量，mm；T_F为穿透雨量，mm。由于人工模拟次降雨时间较短，降雨间的冠层蒸散在本实验中忽略不计。

图 2 人工模拟降雨系统及降雨截留的测定 Fig. 2 Artificial simulated rainfall system and canopy interception determination

2.4 数据处理

用方差分析法分析6种灌木冠层截留的差异，用相关分析法分析灌木冠层截留的主要影响因子，所有数据都运用Excel 2016和SPSS 24软件进行统计分析。

3 结果与分析 3.1 灌木冠层形态特征

灌木冠层形态特征见表 2，可知，单叶面积最大的是红叶石楠(9.51±2.75)cm²，其次是冬青卫矛(7.55±5.17)cm²，叶片面积最小的为龙柏(1.36±0.94)cm²。红叶石楠、冬青卫矛、侧柏和金叶女贞的叶片长和宽都处于较大值；叶长中，红叶石楠(6.50±0.22)cm＞侧柏(5.23±3.86)cm＞金叶女贞(4.14±0.82)cm＞冬青卫矛(4.13±0.64)cm＞龙柏(3.53±0.90)cm＞小叶黄杨(3.20±0.48)cm；叶宽中，冬青卫矛(2.72±0.28)cm＞红叶石楠(2.48±0.14)cm＞金叶女贞(2.3±0.92)cm＞侧柏(2.27±0.20)cm＞小叶黄杨(1.63±0.16)cm＞龙柏(0.93±0.31)cm。灌木叶片长宽比中，龙柏的长宽比值最大(3.79±0.25)，冬青卫矛最小(1.65±0.39)。所测6种灌木的叶片叶周长最大的是侧柏(26.87±1.74)cm，最小的是小叶黄杨，只有(5.45±1.33)cm。针叶树龙柏和侧柏的LAI大于其他4种灌木(P＜0.05)。

表 2 6种灌木冠层形态特征 Tab. 2 Morphological characteristics of 6 shrub species

灌木 Shrub species	叶Leaf						枝Branch
灌木 Shrub species	LAI	叶面积 Leaf area/cm²	叶长 Leaf length/cm	叶宽 Leaf width/cm	叶长宽比 Ratio of leaf length to width	叶周长 Leaf perimeter/cm	基径 Basic diameter/cm	分枝数 Number of branches	枝长 Branch length/cm	分枝角度 Crotch angle/(°)	枝直径 Branch diameter/mm	枝表面积 Surface area of branches/cm²	枝粗糙度 Branch roughness
金叶女贞 Ligustrum×vicaryi	1.82±0.57	6.19±2.38	4.14±0.82	2.3±0.92	1.73±0.18	9.61±3.53	0.96±0.15	20±3	19.75±2.32	37.61±5.76	8.72±0.73	92.31±3.82	3
冬青卫矛 Euonymus japonicus	2.19±0.31	7.55±5.17	4.13±0.64	2.72±0.28	1.65±0.39	10.56±3.74	1.69±0.27	23±1	18.71±2.81	39.42±4.91	7.67±0.71	78.01±4.29	2
小叶黄杨 Buxus sinica var. parvifolia	2.09±0.17	2.77±1.05	3.20±0.48	1.63±0.16	2.01±0.41	5.45±1.33	1.26±0.21	16±2	14.91±0.91	33.35±3.41	6.05±1.48	83.32±6.99	1
红叶石楠 Photinia×fraseri	2.31±0.17	9.51±2.75	6.5±0.22	2.48±0.14	2.61±0.13	14.46±2.22	1.23±0.12	14±1	18.13±0.66	49.53±7.49	8.19±0.44	75.44±3.08	3
龙柏 Juniperus chinensis	4.92±0.54	1.36±0.94	3.53±0.90	0.93±0.31	3.79±0.25	11.19±1.43	2.09±0.13	18±2	15.48±1.77	53.47±5.35	7.64±1.10	90.50±7.61	1
侧柏 Platycladus orientalis	3.78±0.44	5.86±1.55	5.23±3.86	2.27±0.20	2.32±0.35	26.87±1.74	1.15±0.22	32±2	14.73±1.10	28.35±3.49	7.69±1.12	85.52±3.08	2

表 2 6种灌木冠层形态特征 Tab. 2 Morphological characteristics of 6 shrub species

6种灌木基径位于(0.96±0.15)~(2.09±0.13)cm之间，其中，红叶石楠的分枝数量最少(14±1)个，侧柏分枝数最多(32±2)个；枝长在(14.73±1.10)~(19.75±2.32)cm之间；分枝角除小叶黄杨(33.35±3.41)°与侧柏(28.35±3.49)°相对较小外，其他灌木枝角度都较大，其中分枝角最大的是龙柏(53.47±5.35)°。灌木枝直径由大到小依次为：金叶女贞(8.72±0.73)mm＞红叶石楠(8.19±0.44)mm＞侧柏(7.69±1.12)mm＞冬青卫矛(7.67±0.71)mm＞龙柏(7.64±1.10)mm＞小叶黄杨(6.05±1.48)mm，龙柏、冬青卫矛与侧柏的枝直径相当。金叶女贞(92.31±3.82)cm²与龙柏(90.50±7.61)cm²的枝茎表面积较大，其次是侧柏(85.52±3.08)cm²和小叶黄杨(83.32±6.99)cm²、冬青卫矛(78.01±4.29)cm²和红叶石楠(75.44±3.08)cm²的枝茎表面积较小。根据枝茎的粗糙度赋值1：粗糙，2：较粗糙，3：较光滑，龙柏与小叶黄杨的枝茎粗糙，冬青卫矛与侧柏的枝茎较粗糙，金叶女贞和红叶石楠的枝茎较光滑。

叶片接触角即叶面与水滴之间的夹角，是叶片润湿性的直接判断指标。6种灌木叶片正反面接触角如图 3所示，可见，叶片接触角在(60.18±12.71)°和(103.49±4.10)°之间，其中最小值出现在龙柏的叶片正面；最大值出现在冬青卫矛的叶片背面。除冬青卫矛的叶片背面为润湿外，其余都是高度润湿。灌木叶片正面接触角由大到小依次为：冬青卫矛(79.01±5.45)°、红叶石楠(70.21±6.11)°、小叶黄杨(69.59±6.46)°、侧柏(61.95±8.14)°、金叶女贞(60.43±9.58)°和龙柏(60.18±12.71)°；灌木叶片背面接触角由大到小依次为：冬青卫矛(103.49±4.10)°、红叶石楠(81.59±3.62)°、金叶女贞(73.24±9.21)°、小叶黄杨(72.85±7.68)°、龙柏(65.25±12.93)°和侧柏(63.33±8.14)°。冬青卫矛的叶片正面接触角显著大于金叶女贞、龙柏和侧柏的叶片正面接触角(P＜0.05)，其背面叶片接触角亦显著有别于其他5种灌木的背面叶片接触角(P＜0.05)。冬青卫矛和红叶石楠的叶片润湿性较差，龙柏与侧柏的叶片润湿性相对较好。

1：正面；2：反面；A：金叶女贞；B：冬青卫矛；C：小叶黄杨；D: 红叶石楠；E：龙柏；F：侧柏。 1: Front. 2: Back. A: Ligustrum×vicaryi. B: Euonymus japonicus. C: Buxus sinica var. parvifolia. D: Photinia×fraseri. E: Juniperus chinensis. F: Platycladus orientalis. 图 3 6种灌木叶片正反面接触角 Fig. 3 Front and back contact angles of 6 shrub species

3.2 6种灌木冠层截留的比较分析

表 3为6种灌木在小、中、大3个降雨强度梯度下穿透雨率、茎流率和冠层截留率的测定结果。由表可见，6种灌木的穿透率(33.26%±0.44%)~(71.19%±3.58%)；茎流率(5.33%±3.33%)~(19.86%±2.03%)；截留率(10.02%±3.49%)~(61.41%±4.87%)。穿透雨率、茎流率和冠层截留率差异显著(P＜0.05)，整体表现为穿透雨率＞冠层截留率＞茎流率，穿透雨率是冠层截留率和茎流率的2~4倍。从表 3还可以看出，随着降雨强度增强，6种灌木的穿透雨率和茎流率都明显增加，金叶女贞、冬青卫矛、小叶黄杨、红叶石楠、龙柏和侧柏的穿透雨率分别由38.26%±1.78%、38.82%± 3.49%、39.30%±1.85%、40.23%±1.29%、33.26%± 0.44%和35.59%±2.22%增加到66.43%± 2.64%、68.38%±5.36%、66.56%±1.68%、71.19%±3.58%、56.55%±2.98%和61.16%±1.45%；茎流率分别由12.73%±3.66%、12.79%±2.10%、13.15%±1.92%、13.46%±1.95%、5.33%±3.33%和8.20%±2.20%增加到18.66%±4.67%、19.86%±2.03%、16.64%±2.55%、18.79%±2.97%、13.62%±4.83%和15.28%±1.29%。降雨强度增大后，灌木的茎流量增强，但截留率却相对减少，分别由49.00%±3.60%、48.39%±2.26%、47.55%±5.09%、46.31%±3.07%、61.41%±4.87%和56.21%±3.00%降低到14.91%±4.24%、11.76%±3.28%、16.80%±5.82%、10.02%±3.49%、29.83%±3.24%和23.56%±3.73%。

表 3 灌木冠层截留差异 Tab. 3 Differences in canopy interceptions of shrubs

树种 Shrub species	降雨强度Rainfall intensity/(mm·h^-1)
	30(小Light)			60(中Moderate)			90(大Heavy)
	穿透雨率 Throughfall rate/%	茎流率 Stemflow rate/%	截留率 Interception rate/%	穿透雨率 Throughfall rate/%	茎流率 Stemflow rate/%	截留率 Interception rate/%	穿透雨率 Throughfall rate/%	茎流率 Stemflow rate/%	截留率 Interception rate/%
金叶女贞 Ligustrum×vicaryi	38.26±1.78	12.73±3.66	49.00±3.60	48.17±0.89	16.50±1.01	35.33±0.69	66.43±2.64	18.66±4.67	14.91±4.24
冬青卫矛 Euonymus japonicus	38.82±3.49	12.79±2.10	48.39±2.26	50.50±1.98	16.97±0.55	32.53±1.12	68.38±5.36	19.86±2.03	11.76±3.28
小叶黄杨 Buxus sinica var. parvifolia	39.30±1.85	13.15±1.92	47.55±5.09	48.45±0.67	15.25±0.96	36.30±1.15	66.56±1.68	16.64±2.55	16.80±5.82
红叶石楠 Photinia×fraseri	40.23±1.29	13.46±1.95	46.31±3.07	49.36±2.32	16.32±1.12	34.33±0.45	71.19±3.58	18.79±2.97	10.02±3.49
龙柏 Juniperus chinensis	33.26±0.44	5.33±3.33	61.41±4.87	42.62±2.57	9.60±1.50	47.78±2.34	56.55±2.98	13.62±4.83	29.83±3.24
侧柏 Platycladus orientalis	35.59±2.22	8.20±2.20	56.21±3.00	46.27±1.57	10.78±1.08	42.95±0.94	61.16±1.45	15.28±1.29	23.56±3.73

表 3 灌木冠层截留差异 Tab. 3 Differences in canopy interceptions of shrubs

比较6种灌木的穿透雨率、茎流率和截留率(表 3)，在小降雨强度条件下，侧柏和龙柏2种针叶灌木的穿透雨率(分别为33.26%±0.44%和35.59%±2.22%)和茎流率(分别为5.33%±0.69%和8.20%±2.20%)最小，即截留率最大(分别为61.41%±4.87%和56.21%±3.00%)；而金叶女贞、大叶黄杨、小叶黄杨、红叶石楠4种阔叶灌木的截留率则相对较小，其中，红叶石楠截留率最低(46.31%±3.07%)(P＜0.05)。中等降雨强度时，龙柏的截留率仍然最大(47.78%±2.34%)，而4种阔叶灌木的截留率相对较低(P＜0.05)。大降雨强度条件下，龙柏和侧柏的截留率仍然相对较高(分别为29.83%±3.24%和23.56%±3.73%)，而4种阔叶灌木的截留率相对较低(P＜0.05)。就茎流而言，大降雨强度条件下龙柏的茎流率最低，为13.62%±4.83%(P＜0.05)，侧柏的茎流率次之，为15.28%±1.29%，但跟其他4种阔叶灌木相比不显著。总之，比较6种灌木，穿透雨率表现为阔叶灌木大于针叶灌木，茎流率与之相同，而截留率与之相反，表现为针叶灌木大于阔叶灌木。

3.3 灌木冠层形态特征对降雨截留的影响

将6种灌木的冠层形态特征与灌木的穿透雨率、茎流率和冠层截留率进行相关分析(表 4)。可以看出，叶子的叶长(P＜0.01)、叶宽(P＜0.01)和长宽比(P＜0.05)直接决定灌木单叶叶面积大小和形状；整个冠层的LAI主要是由单叶叶面积(P＜0.05)和灌木基径(P＜0.01)决定的，单叶叶面积越大，灌木基径越粗，灌木的LAI越高；在灌木冠层体积基本相同的条件下，灌木的基径(P＜0.01)和分枝数(P＜0.01)决定灌木侧枝的分枝角；灌木的穿透雨率与LAI(P＜0.01)、单叶叶面积(P＜0.05)、叶宽(P＜0.01)、叶长宽比(P＜0.01)等特征都极显著相关；茎流率与灌木基径(P＜0.05)、侧枝枝长(P＜0.05)、枝粗糙度(P＜0.01)、叶正面接触角(P＜0.01)显著相关；冠层的截留率最终由LAI(P＜0.01)、单叶叶面积(P＜0.01)、叶宽(P＜0.01)、叶长宽比(P＜0.01)、枝粗糙度(P＜0.05)、叶正面接触角(P＜0.01)等冠层形态特征决定的，即灌木LAI越大，单叶面积越小，叶宽越小，叶正面接触角越小，即叶片的润湿性越强，越有利于灌木的冠层截留。

表 4 冠层截留与冠层形态特征相关分析 Tab. 4 Correlation analysis between canopy interception and morphological characteristics

指标 Index	LAI	单叶面积 Leaf area	叶长 Leaf length	叶宽 Leaf width	叶长宽比 Ratio of leaf length to width	叶周长 Leaf perimeter	基径 Basic diameter	分枝数 Number of branches	枝长 Branch length	分枝角 Crotch angle	枝直径 Branch diameter	枝茎表面积 Surface area of branches	枝粗糙度 ranch roughness	叶正面接触角 Front contact angle	叶反面接触角 Back contact angle	穿透雨率 Throughfall rate	茎流率 Stemflow rate	截留率 Interception rate
LAI	1
单叶面积 Leaf area	-0.470^*	1
叶长 Leaf length	-0.089	0.789^**	1
叶宽 Leaf width	-0.593^**	0.865^**	0.562^**	1
宽比 Ratio of leaf length to width	0.805^**	-0.444^*	-0.017	-0.776^**	1
叶周长 Leaf perimeter	0.365	0.094	0.431^*	0.223^*	0.016	1
基径 Basic diameter	0.541^**	-0.346	-0.266	-0.432	0.54^*	-0.222	1
分枝数 Number of branches	0.219	-0.012	0.072	0.323	-0.292	0.797^**	-0.122	1
枝长 Branch length	-0.262	0.493^*	0.165	0.348	-0.254	-0.357	-0.327	-0.203	1
分枝角 Crotch angle	0.292	0.100	0.121	-0.246	0.576^**	-0.473^*	0.619^**	-0.630^**	0.054	1
枝直径 Branch diameter	0.009	0.42^*	0.317	0.347	-0.046	0.074	-0.014	0.138	0.309	0.163	1
枝茎表面积 Surface area of branches	0.079	-0.529^*	-0.487^*	-0.345	0.013	-0.068	-0.160	-0.07	-0.168	-0.146	-0.553^**	1
枝粗糙度 Branch roughness	-0.500^*	0.87^**	0.644^**	0.786^**	-0.470^*	0.076	-0.592^**	-0.011	0.575^**	0.007	0.514^*	-0.308	1
叶正面接触角 Front contact angle	-0.394	0.447^*	0.036	0.433^*	-0.382	-0.486^*	0.136	-0.140	0.582^**	0.178	0.084	-0.301	0.253	1
叶反面接触角 Back contact angle	-0.158	0.199	0.075	0.107	-0.063	-0.361	0.370	-0.214	0.141	0.193	-0.108	-0.485^*	-0.104	0.635^**	1
穿透雨率 Throughfall rate	-0.868^**	0.539^*	0.246	0.579^**	-0.64^**	-0.255	-0.287	-0.196	0.066	-0.098	0.107	-0.371	0.459^*	0.287	0.205	1
茎流率 Stemflow rate	-0.909^**	0.573^**	0.169	0.603^**	-0.727^**	-0.444^*	-0.441^*	-0.291	0.451^*	-0.129	-0.033	-0.239	0.561^**	0.576^**	0.357	0.818^**	1
截留率 Interception rate	0.927^**	-0.579^**	-0.224	-0.617^**	0.708^**	0.348	0.367	0.246	-0.235	0.116	-0.052	0.332	-0.524^*	-0.425^*	-0.280	-0.969^**	-0.935^**	1
注：^*表示在0.01水平上显著，^表示在0.05水平上显著。Notes: ^** indicates an extremely significant correlation (P＜0.01).^* indicates a significant correlation (P＜0.05).

表 4 冠层截留与冠层形态特征相关分析 Tab. 4 Correlation analysis between canopy interception and morphological characteristics

4 讨论 4.1 灌木的冠层截留

通过对6种灌木的冠层截留的比较分析发现，6种灌木冠层截留能力明显不同，整体表现为穿透雨率＞截留率＞茎流率。这与前人对灌木截留的研究结果^[14-15]基本一致。而就穿透雨率和茎流率而言，龙柏和侧柏等针叶灌木显著小于冬青卫矛和红叶石楠等阔叶灌木(P＜0.05)，就截留率而言，针叶灌木则显著大于阔叶灌木(P＜0.05)。这与孟明等^[11]的研究结果一致。作为常绿针叶灌木，龙柏和侧柏较其他4种阔叶灌木冠层截留能力强，而穿透雨率和茎流率较阔叶灌木小，其原因是由于针叶植物叶片小而多，且繁密簇生在小枝上，叶小枝之间紧密贴合，相互交错，形成一个结构复杂枝叶密集的冠层。其中有大量微小孔隙，可充盈大量水分，此外，龙柏和侧柏叶正面接触角较小，即叶表的润湿性比阔叶树较强，水分能利用水张力固着在叶片上，即降雨不易穿透针叶灌木冠层，冠层拦截储蓄的降雨更多^[16]。此外，龙柏和侧柏树皮粗糙，表面松软并带有不连续的纵向开裂，能够吸收相对较多的水分^[17]，容易打断茎流传输路径的连续性，增大茎流水传输的难度，茎流在传输过程中能会因雨水不能沿着枝茎流下，延缓了茎流传输的时间或滴落成穿透雨^[18]。而冬青卫矛、小叶黄杨和金叶女贞等阔叶灌木的叶片革质光滑，接触角大，即润湿性较差，与红叶石楠相比，对降雨的滞留作用相对较弱，且红叶石楠枝条伸展，灌木叶片大而稀疏，雨水就能够轻易地穿过树冠，成为穿透雨。与龙柏和侧柏针叶树相比，阔叶灌木更容易形成一个“漏斗形”的茎流水分聚集系统，茎流率大，降雨通过灌木冠层聚集，汇流到根部，从而增加土壤蓄水^[19]。因此，城市绿地建设可人为增植一些阔叶灌木，充分利用灌木的“漏斗形”茎流水分聚集系统，增加土壤水入渗。

研究表明，降雨强度对灌木冠层截留产生重要影响，随小、中、大降雨强度梯度变化，6种灌木的穿透雨率和茎流率都明显增加，而截留率则相对减少。这与徐军等^[20]的研究结果一致。树冠截留是一个动态过程，可分为快速增加、饱和稳定和滞后冠滴雨3个阶段，随着降雨的延长，冠层达到水饱和状态后，截留率随后降低。对于同一植株而言，在降雨强度较小的条件下，大部分降雨被树冠截留，随后蒸发到大气中，茎流仅占降雨的小部分，很难渗透到土壤中去；在降雨强度较大的条件下，冠层能够迅速达到饱和状态，茎流率随之增大，降雨更容易沿树干茎流渗入土壤，冠层截留率随之降低。同时，随着降雨强度增大，雨滴直径变大，且雨滴速度变快，单位时间内到达冠层的雨滴数量也增加，即雨滴总动能增大，大降雨强度给予冠层的冲击力增强，枝叶晃动明显，截留在枝叶表面的雨量相对减少^[8-9]。相对于针叶树，阔叶树由于叶片面积大，在降雨强度较大时，雨滴对停留在枝叶表面的雨水的冲击作用强，反而减少了林冠截流量，即冠层截留量与降雨强度不一定成正比例关系^[21]。总之，在降雨强度增大的条件下，灌木冠层对降雨的截留减少，植被延迟产流和削减洪峰的功能变弱。

4.2 灌木冠层形态特征对降雨截留的影响

灌木冠层形态特征与穿透雨率、茎流率、冠层截留率的相关分析结果表明，在冠层尺度上，灌木冠层形态特征中LAI、单叶叶面积、叶宽、叶长宽比等特征都与穿透雨率呈显著或极显著相关关系，说明灌木LAI、单叶面积和叶形状是决定灌木穿透率的重要因素。这与孟明等^[11]对灌木锦鸡儿的研究结果相一致，但与艾长江等^[4]对柠条穿透雨率之间关系研究结果有所不同。后者认为柠条的穿透雨率与冠层高度和枝倾角关系显著，而枝长与LAI的影响不大，这可能与灌木种的选择有关。崔鸿侠等^[22]和刘泽彬等^[23]的研究结果也认为分枝角度的变化会直接影响穿透雨的变化。但在本研究中，穿透雨与分枝角度无显著相关。这可能是因为本研究选用的实验材料皆为灌木，相对于乔木的庞大的树冠而言，灌木的分枝角影响不大。Zhang等^[24]认为冠层形态特征中的LAI对灌丛穿透雨的影响最大。这与本研究LAI与穿透雨之间呈极显著线性相关的研究结果相一致。其研究结果表明，LAI与截留能力密不可分，LAI是造成穿透雨空间异质性的主要原因，LAI越高，冠层郁闭程度也越高，截留能力随之增大，两者呈显著线性正相关关系。但万艳芳等^[25]认为LAI与穿透雨关系显著，但两者的关系不能简单地用线性关系表示。在降雨之初，穿透雨与LAI的关系可用对数函数表示。随着降雨历时和降雨量的增大，两者的关系呈线性关系。当降雨量到达一定阈值时，冠层呈饱和状态后，LAI对穿透雨率的影响极小。至于茎流与冠层形态特征的关系，Garcia-Estringana等^[26]对地中海灌木的研究认为灌木基径、株高和茎干生物量对茎流的影响较大。万师强等^[27]认为冠层的枝长、枝角、株高与茎流关系显著，单片叶的特性如叶片大小、形状、排列方式、叶柄的粗细和树皮的特性(如树皮的吸水性能)等，这些因素都会对茎流产生影响。而André等^[28]在对温带栎树-山毛榉混交林茎流量的研究得出，气象条件中，风速是唯一对树干茎流造成影响的因子。在本研究中，灌木的LAI、单叶面积、叶宽、叶长宽比、叶正面接触角、灌木的基径、枝长、枝粗糙度等与茎流都呈极显著相关关系，但分枝角、分枝数与茎流的相关性不大。这可能与试验时间、地域、植物以及温度、风等气象因素的不同导致。在本研究中，单叶叶面积、叶宽、叶长宽比等指标代表灌木叶子形状特征，叶正面接触角代表叶表的润湿性，而LAI代表整个灌木冠层叶子的疏密度，这些因素共同作用，对降雨截留产生重要影响，这与部分学者^[9]的研究结果相一致。与阔叶灌木相比，针叶灌木由于高LAI、特殊的叶形以及叶表的高润湿性更有利于冠层截留，在冠层水饱和前消减洪峰，调蓄雨洪的能力更强。

5 结论

1) 6种灌木中，龙柏和侧柏的单叶叶面积、叶宽、叶长宽比等叶子形状特征与其他4种阔叶灌木不同，龙柏和侧柏的LAI都显著大于其他4种阔叶灌木(P＜0.05)；侧柏分枝数最多(32±2)个，龙柏分枝角最大(53.47±5.35)°，而金叶女贞(92.31±3.82)cm²与龙柏(90.50±7.61)cm²的枝茎表面积较大；冬青卫矛和红叶石楠的叶片润湿性较差，龙柏与侧柏的叶片润湿性较好。

2) 6种灌木的穿透雨率、茎流率、冠层截留率表现为穿透雨率＞层截留率＞茎流率，穿透雨率是冠层截留率和茎流率的2~4倍；随着降雨强度增强，穿透雨率和茎流率都明显增加，但截留率则却相对减少，植被延迟产流和削减洪峰的功能变弱。

3) 比较6种灌木，穿透雨率表现为阔叶灌木大于针叶灌木(P＜0.05)，茎流率与之相同，而截留率则相反，表现为针叶灌木大于阔叶灌木(P＜0.05)；灌木冠层形态特征中，LAI、叶宽、叶长宽比、叶正面接触角与冠层截留呈显著相关关系(P＜0.05)，LAI、叶形和叶表的润湿性是影响灌木截留的主要因素。

4) 与针叶灌木相比，阔叶灌木更容易形成一个“漏斗形”的茎流水分聚集系统，茎流率大，降雨通过灌木冠层聚集，汇流到根部，有利于增加土壤蓄水。与阔叶灌木相比，针叶灌木由于高LAI、特殊的叶形以及叶表的高润湿性更有利于冠层截留，在冠层达到水饱和前其消减洪峰，调蓄雨洪的能力更强。

6 参考文献

[1]	李怀恩, 贾斌凯, 成波, 等. 海绵城市雨水径流集中入渗对土壤和地下水影响研究进展[J]. 水科学进展, 2019, 30(4): 589. LI Huai'en, JIA Binkai, CHENG Bo, et al. Research progress on the effect of concentrated runoff infiltration on soil and groundwater in sponge city[J]. Advances in Water Science, 2019, 30(4): 589.
[2]	DUNKERLEY D. Measuring interception loss and canopy storage in dryland vegetation: A brief review and evaluation of available research strategies[J]. Hydrological Processes, 2000, 14(4): 669. DOI:10.1002/(SICI)1099-1085(200003)14:4<669::AID-HYP965>3.0.CO;2-I
[3]	马育军, 高尚玉, 李小雁. 高寒河谷灌丛冠层降雨再分配特征及影响因素[J]. 中国沙漠, 2012, 32(4): 963. MA Yujun, GAO Shangyu, LI Xiaoyan. Rainfall canopy partitioning and its influencing factors of riparian shrub in the alpine region[J]. Journal of Desert Research, 2012, 32(4): 963.
[4]	艾长江, 高光耀, 袁川, 等. 陕北黄土高原柠条灌丛穿透雨特征与影响因素[J]. 生态学报, 2018, 38(17): 6063. AI Changjiang, GAO Guangyao, YUAN Chuan, et al. Throughfall and its influential factors of a typical xerophytic shrub (Caragana korshinskii) in northern Shaanxi in the Loess Plateau of China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(17): 6063.
[5]	NYTCH C J, MELÉNDEZ-ACKERMAN E J, PÉREZ M E, et al. Rainfall interception by six urban trees in San Juan, Puerto Rico[J]. Urban Ecosystems, 2019, 22(1): 103. DOI:10.1007/s11252-018-0768-4
[6]	李成, 高鹏, 董学德, 等. 泰山麻栎人工林降雨截留特征及修正的Gash模型模拟[J]. 中国水土保持科学, 2020, 18(3): 31. LI Cheng, GAO Peng, DONG Xuede, et al. Canopy interception characteristics of Quercus acutissima plantation forest in Mountain Tai, China and its estimation by the revised Gash model[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2020, 18(3): 31.
[7]	马波, 李占斌, 马璠, 等. 模拟降雨条件下玉米植株对降雨再分配过程的影响[J]. 生态学报, 2015, 35(2): 497. MA Bo, LI Zhanbin, MA Fan, et al. Effects of maize plants on the redistribution of water under simulated rainfall conditions[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(2): 497.
[8]	赵峰, 刘玉纯, 刘卓成. 华南地区不同绿地植物配置方式对其冠层雨水截流能力的影响[J]. 草原与草坪, 2019, 39(2): 18. ZHAO Feng, LIU Yuchun, LIU Zhuocheng. Effect of urban greenbelt plant selection and configuration on the water intercepting ability of the urban area in Shenzhen city[J]. Grassland and Turf, 2019, 39(2): 18.
[9]	姚雪晗, 杨帆, 唐文莉, 等. 合肥地区常绿景观树种冠层雨水截留能力研究[J]. 西北农业学报, 2020, 29(7): 1116. YAO Xuehan, YANG Fan, TANG Wenli, et al. Canopy rainfall interception of evergreen tree species in Hefei[J]. Acta Agriculturae Boreali-Occidentalis Sinica, 2020, 29(7): 1116.
[10]	谭一波, 赵仲辉. 叶面积指数的主要测定方法[J]. 林业调查规划, 2008, 33(3): 45. TAN Yibo, ZHAO Zhonghui. The main methods for determining leaf area index[J]. Forest Inventory and Planning, 2008, 33(3): 45.
[11]	孟明, 古君龙, 杨新国, 等. 形态退化对中间锦鸡儿冠层茎流的影响[J]. 水土保持研究, 2019, 26(5): 202. MENG Ming, GU Junlong, YANG Xinguo, et al. Effect of morphological degradation on stem flow in canopy of Caragana intermedia[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2019, 26(5): 202.
[12]	胡刚, 石星军. 全球变暖背景下青岛市不同强度降水特征及趋势分析[J]. 青岛大学学报(自然科学版), 2019, 32(2): 25. HU Gang, SHI Xingjun. Study on the characteristics and trend of different intensity precipitation in Qingdao under the background of global warming[J]. Journal of Qingdao University (Natural Science Edition), 2019, 32(2): 25.
[13]	田娜, 古君龙, 杨新国, 等. 荒漠草原中间锦鸡儿冠层截留特征[J]. 生态学报, 2019, 39(14): 5279. TIAN Na, GU Junlong, YANG Xinguo, et al. Characteristics of canopy interception by Caragana intermedia in desert grasslands[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(14): 5279.
[14]	王正宁, 王新平, 刘博. 荒漠灌丛内降雨和土壤水分再分配[J]. 应用生态学报, 2016, 27(3): 755. WANG Zhengning, WANG Xinping, LIU Bo. Rainfall and soil moisture redistribution induced by xerophytic shrubs in an arid desert ecosystem[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(3): 755.
[15]	马剑, 刘贤德, 金铭, 等. 祁连山西水林区灌木林降雨截留特征[J]. 水土保持研究, 2017, 24(3): 363. MA Jian, LIU Xiande, JIN Ming, et al. Characteristics of rainfall interception by shrubs in Xishui forest district of Qilianshan mountains[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2017, 24(3): 363.
[16]	HOLDER C D, GIBBES C. Influence of leaf and canopy characteristics on rainfall interception and urban hydrology[J]. Hydrological Sciences, 2017, 62(2): 182.
[17]	WANG Xinpin, ZHANG Yafeng, WANG Zhengning, et al. Influence of shrub canopy morphology and rainfall characteristics on stemflow within a re-vegetated sand dune in the Tengger Desert, NW China[J]. Hydrological Processes, 2013, 27(10): 1501.
[18]	荐圣淇, 赵传燕, 方书敏, 等. 黄土高原丘陵沟壑区柠条与沙棘冠层的持水能力[J]. 植物生态学报, 2013, 37(1): 45. JIAN Shengqi, ZHAO Chuanyan, FANG Shumin, et al. Water storage capacity of the canopy dominated by Caragana korshinskii and Hippophae rhamnoides in hilly and gully region on the Loess Plateau of Northwest China[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2013, 37(1): 45.
[19]	LEVIA D F, GERMER S. A review of stemflow generation dynamics and stemflow environment interactions in forests and shrublands[J]. Reviews of Geophysics, 2015, 53: 673.
[20]	徐军, 牛健植. 北京鹫峰山区常见树种的枝叶及枯落物截留特征[J]. 水土保持学报, 2016, 30(1): 103. XU Jun, NIU Jianzhi. The foliage and litter interception characteristics of common tree species in Jiufengshan mountain area of Beijing[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(1): 103.
[21]	薛建辉, 郝奇林, 吴永波, 等. 3种亚高山森林群落林冠截留量及穿透雨量与降雨量的关系[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2008, 32(3): 9. XUE Jianhui, HAO Qilin, WU Yongbo, et al. Relationship among canopy interception, throughfall and precipitation in three types of subalpine forest communities[J]. Journal of Nanjing Forestry University (Natural Science Edition), 2008, 32(3): 9.
[22]	崔鸿侠, 刘学全, 朱玫, 等. 丹江口库区主要森林类型树干茎流研究[J]. 湖北林业科技, 2012, 176(4): 1. CUI Hongxia, LIU Xuequan, ZHU Mei, et al. Studies on the forest stem flow characteristics of main forest type in Danjiang reservoir area[J]. Hubei Forestry Science and Technology, 2012, 176(4): 1.
[23]	刘泽彬, 王彦辉, 邓秀秀, 等. 六盘山华北落叶松林下穿透雨空间变异特征[J]. 生态学报, 2017, 37(10): 3471. LIU Zebin, WANG Yanhui, DENG Xiuxiu, et al. Spatial variations of throughfall in a Larix principis-ruprechtii plantation of Liupan Mountains, Ningxia, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2017, 37(10): 3471.
[24]	ZHANG Yafeng, WANG Xinping, HU Rui, et al. Throughfall and its spatial variability beneath xerophytic shrub canopies within water-limited arid desert ecosystems[J]. Hydrology, 2016(539): 406.
[25]	万艳芳, 刘贤德, 马瑞, 等. 祁连山鲜黄小檗和甘青锦鸡儿灌丛冠层降雨再分配特征[J]. 水土保持学报, 2016, 30(6): 162. WAN Yanfang, LIU Xiande, MA Rui, et al. Characteristics of rainfall canopy partitioning for Berberis diaphana and Caragana tangutica shrub in the Qilian mountains[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(6): 162.
[26]	GARCIA-ESTRINGANA P, ALONSO-BL? ZQUEZ N, ALEGRE J. Water storage capacity, stemflow and water funneling in Mediterranean shrubs[J]. Journal of Hydrology, 2010, 389(3/4): 363.
[27]	万师强, 陈灵芝. 东灵山地区大气降水特征及森林树干茎流[J]. 生态学报, 2000, 20(1): 62. WAN Shiqiang, CHEN Lingzhi. Characteristics of precipitation and forest stemflow of Dongling mountainous area[J]. Acta Ecologica Sinica, 2000, 20(1): 62.
[28]	ANDRÉ F, JONARD M, PONETTE Q. Influence of species and rain event characteristics on stemflow volume in a temperature mixed oak-beech stand[J]. Hydrological Process, 2008, 22(22): 4455.