城市化导致了水文系统的剧烈变化,因为不透水表面取代了植被区域,改变了总的水和泥沙收支,并降低了河流的复杂性.
图片来源:Aleksandrs Muiznieks/Shutterstock.com
不透水表面的增加导致更多的雨水径流,将污染物(如沉积物、金属和营养物质)从建成的表面带入邻近的水体,并最终进入更大的流域。
雨水径流会导致洪水、水质受损和河岸侵蚀等重大问题。管理雨水径流对于改善水质、确保社区更加健康和避免城市洪水至关重要。尽管缓解城市对水文的影响一直依赖于工程解决方案,但最近的战略导致了基于自然的解决方案和城市生态设计的创新。
树木和森林具有水文功能,可以减少雨水径流,降低洪水风险,并改善发达地区的水质。标准类型的绿色雨水基础设施包括雨水花园、绿色屋顶、雨水收集系统、生物滞留系统、生物湿地和透水路面。
绿色雨水基础设施通过地下水补给、洪水控制和生物滞留来缓解城市水的数量和质量问题。然而,它也可以支持二级生态系统服务,如增强生物多样性、碳封存、优化人类福祉、适应气候变化和优化社会生态连接。
城市森林和树木可以提供其中几种生态系统服务,并通过各种生态水文机制管理雨水,如蒸发、蒸腾、土壤中雨水的储存、径流的拦截、茎流和贯穿。
桥,S。et al。的研究确定同一树种的城市树木的蒸腾速率是否因不同的管理环境而不同,以及蒸腾和环境驱动因素之间的关系是否在这些环境环境中不同。管理环境指的是不同的城市树木配置,这些配置与地面覆盖、冠层结构、树干密度以及在建筑环境中的位置有关,这些都会影响树液通量密度。
结果
小气候数据收集于2018年6月至11月。如图1a和1b所示,对于研究地点,每天的主要气温变化范围为6°C到30°C,整个期间的平均气温为22°C。从图1c和1d可以看出,封闭林冠样地的平均相对湿度为78.1%,单个和集群林冠样地的平均相对湿度为78.4%。
估计的VPD从0.03到1.9 kPa不等,其中研究地点的平均VPD估计为0.67 kPa(见图1e,f)。在研究期间,封闭冠层站点的总降雨量为284 mm,单个和集群站点的总降雨量为251 mm。
对于单个、集群和封闭冠层站点,平均每日土壤湿度分别为16%-45%、19%-39%和14%-40%(图1i,j)。表1显示了单个、集群和封闭冠层站点的平均土壤含水量,分别为30.6%、27.7%和29.8%。
图1所示。2018年6月至12月马里兰州巴尔的摩和盖瑟斯堡的小气候。封闭林冠点(a)及单一和群集林冠点(b)的平均日气温;封闭树冠林分地(c)和单一和群集林分地(d)的平均日相对湿度;封闭林冠点(e)和单一和群集林冠点(f)的平均日蒸气压差(VPD);封闭林冠样地的日总降水量(g)和单个和集群样地的日总降水量(h);封闭冠层的平均日土壤湿度(i)、单个和集群站点(j)。由于土壤湿度传感器安装时间较晚,封闭冠层站点的数据存在差距。图片来源:Ponte, et al., 2021
表1。研究树木的特征,包括树的大小,冠宽,南北(N-S)和东西(E-W),日液通量总和(J年代)和每日体积含水量(VWC)。资料来源:桥,等, 2021
管理 上下文 |
n |
胸径 (厘米) |
高度 (m) |
树冠 宽度 n (m) |
树冠 宽度 南临(m) |
J年代(g厘米−2 一天−1) |
VWC (%) |
单一的树 |
5 |
22.4±2.4 |
8.2±0.3 |
8.2±0.8 |
8.7±0.7 |
260.4±5.4 |
30.6±0.6 |
集群的树木 |
4 |
24.7±0.6 |
12.7±0.5 |
9.8±0.6 |
9.6±0.5 |
195.3±7.7 |
27.7±0.5 |
树冠 |
9 |
34.1±4.4 |
21.0±1.9 |
9.7±1.0 |
9.0±1.0 |
91.5±2.1 |
29.8±0.6 |
数值为平均值±标准差。
管理环境对液液通量密度的每日总和(J年代;见图2,重复测量方差分析,p值< 0.0001)。中位数J年代单点的生物量为257.2比78.0 g H的3倍多20厘米−2一天−1;参见图2)。
图2。液通量密度日总和(J年代)跨三个管理上下文。上述方框上唯一的字母表示基于事后分析的处理之间的显著差异。(图使用R软件4.0.5版本创建)。图片来源:Ponte, et al., 2021
如图3所示,单个站点被发现有最高的J年代所有的研究地点。从表1可以清楚地看出,平均数J年代在单一的地点,几乎是封闭树冠地点的三倍。
图3。液通量密度平均日总和(J年代2 .在外面Cm是在2018年对三种管理环境进行测量的。图片来源:Ponte, et al., 2021
季节变化J年代通过将树液通量数据分成三个七周的时间段(见表2和表3)来分析VPD和土壤湿度之间的关系J年代和土壤湿度,除夏初和夏末在封闭树冠和单树地点外(见表3)2在这些数值关系中,土壤湿度所占的比重非常小J年代可变性(右2值从0.001到0.17不等,见表3)。
表2。平均参数和R2日SAP通量密度之和(J年代)与日平均蒸气压差(VPD)的关系为y = a * ln(VPD) + b。资料来源:桥,等, 2021
时间 期 |
日期 |
单 |
集群 |
树冠 |
一个 |
b |
R2 |
一个 |
b |
R2 |
一个 |
b |
R2 |
早期 夏天 |
6月7月5日24 |
121.9±13.5一个 |
297.5±38.2一个 |
0.28±0.10 |
94.6±52.4ab |
270.7±113.6ab |
0.21±0.12 |
66.4±7.7b |
147.3±15.5b |
0.66±0.03 |
晚些时候 夏天 |
25-Sept 7月12 |
139.7±12.5一个 |
370.1±35.8一个 |
0.88±0.03 |
104.9±46.3ab |
281.9±115.1ab |
0.76±0.16 |
40.5±3.4b |
122.1±12.2b |
0.52±0.04 |
秋天 |
9月13-Nov 1 |
117.4±11.5一个 |
326.5±27.3一个 |
0.72±0.03 |
96.9±37.8ab |
252.4±92.6ab |
0.61±0.12 |
35.3±4.6b |
93.8±12.1b |
0.58±0.05 |
数值为平均值±标准差。根据事后分析,唯一的字母表示每个时间段内的跨站点差异。
表3。回归参数和R2日SAP通量密度之和(J年代)与日平均土壤含水量的关系为y = a *(土壤湿度)+ b。资料来源:桥,等, 2021
时间 期 |
日期 |
单 |
集群 |
树冠 |
一个 |
b |
R2 |
p |
一个 |
b |
R2 |
p |
一个 |
b |
R2 |
p |
早期 夏天 |
5 - 6月 7月24日 |
−9.7 |
509.5 |
0.17 |
< 0.001 |
3.1 |
155.5 |
0.01 |
0.40 |
−3.9 |
225.3 |
0.14 |
< 0.001 |
晚些时候 夏天 |
7月25日, 9月12日 |
−5.6 |
476.1 |
0.07 |
< 0.001 |
−4.7 |
353.6 |
0.02 |
0.07 |
−2.1 |
165.6 |
0.03 |
0.002 |
秋天 |
9月13 - 11月1日 |
0.8 |
169.8 |
0.00 |
0.46 |
−1.2 |
179.4 |
0.00 |
0.58 |
0.2 |
45.0 |
0.00 |
0.69 |
重要关系用粗体表示。
从重复测量的方差分析J年代-VPD回归参数,可以看出封闭冠层与单一站点在各时段的坡度和截距存在较大差异(见表2和图4)。
图4。液通量密度平均日总和(J年代)作为初夏(a)、夏末(b)和秋季(c) VPD的函数。值为平均值±SE。图片来源:Ponte, et al., 2021
讨论
本研究分析了经营环境对红枫蒸腾速率的影响,以及蒸腾速率与环境驱动因素的关系,以确定不同城市树木配置对红枫蒸腾速率的影响J年代.
这项研究的结果与早期的一项研究一致,在该研究中,加州梧桐树街道树比未经管理和灌溉的森林地点的树表现出最高的液流密度。本研究的回归分析表明,在所有时间段内,单点和群点的坡度都比封闭冠层的坡度更陡(见表2)。
本研究提供了对不同经营环境和微气候因素如何影响城市常规树种生态水文通量的理解。这是创建雨水信用项目的关键考虑因素,因为城市树木可以更精确地结合到规划工作中,提高绿色雨水基础设施网络的有效性。
方法
这项研究于2018年在美国马里兰州的两个城市——巴尔的摩和盖瑟斯堡进行,反映了三个城市森林管理背景:在草坪上发现的单株树,在草坪上发现的树丛,以及在封闭的冠层森林中发现的树,包括落叶层(见图)5).
图5。研究地点位于美国马里兰州。插图表示每个站点中的管理上下文。图片来源:Ponte, et al., 2021
数据收集始于2018年6月,所有站点都位于山前高原地貌省。该省的土壤是适度倾斜,深,排水良好的高地,下面是半碱性,酸性和混合碱性岩石。该省主要的山前土壤是Ultic Hapludalfs。
蒸散量在7月达到最大值,地下水补给在每年9月中旬至3月进行。外勤场址的选择取决于场址的安全性、可进入性以及为监测设备提供安全保障的潜力。2022世界杯美洲区赛程表
在每个田间位置都设立了一个气象站,以表征可能影响树液通量密度的气候驱动因素,如降水、气温和相对湿度。
利用两个直径为2毫米的圆柱形探针研制的Granier传感器,在18棵监测红枫树1.4 m高度的边材中插入2厘米。两个探测器相距约15厘米。
传感器覆盖了铝屏蔽,以避免雨水或热加热的任何干扰。它们连接到双屏蔽电缆电线,并连接到带有AM 416和AM 16/32B多路复用器的CR 1000数据记录器。每30秒计算下方参考探头和上方加热探头的环境温度之间的电压差(∆V),并记录为半小时平均值。
重复测量方差分析(ANOVA)与线性混合效应模型有助于比较J年代跨越不同的管理环境以及一年中的每一天的影响。利用QQ和残差诊断图对同方差和正态性假设进行检验。
VPD与J年代用自然对数函数对每棵树和每七周时间段进行拟合。重复测量方差分析用于检验斜率和截距的跨时间差异的显著性(p值≤0.05)。采用线性回归模型拟合J年代和土壤含水量(%),并调查其总体显著性(p值≤0.05)。
期刊引用:
Ponte, S., Sonti, n.f, Phillips, t.h ., pavaoo - zuckerman, m.a.(2021)红枫的蒸腾速率(宏碁石美国马里兰州城市森林管理环境的差异。科学报告, 11,页22538。https://www.nature.com/articles/s41598-021-01804-3.
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