0 引 言
绿色雨水基础设施(green stormwater infrastruction，GSI)是现代城市雨水管理的重要组成部分，能在城市内涝防治、径流污染控制以及水环境生态保护等方面发挥显著作用[1]。植物作为GSI不可或缺的构成要素，对其功能的发挥具有重要影响。国外多个城市的雨水管理手册对GSI的植物选择、设计和维护方面均有详细介绍[2-4]；学者针对单项设施中不同植物对水分的敏感度、污染物去除率和设施微环境对植物的影响等进行了大量研究[5-7]，发现科学合理的植物选择和设计是GSI充分发挥雨水调控功能的关键。
目前，国内针对GSI的规模、构造、水力计算以及对径流调控效应等方面的研究较为成熟[8-11]，部分学者也对GSI的植物选择和设计开展了相应研究[12-13]，但仍存在以下突出问题：1)根据GSI设施功能、结构对植物的具体要求尚显不足；2)植物选择以定性方法为主，缺乏量化数据的支撑；3)植物搭配不当，缺乏对植物群落的构建和植物美学的表达；4)后期维护成本高，生态效益差。因此，为进一步推动GSI在海绵城市建设中的推广应用，有必要对其植物选择和设计进行深入研究探讨。
1 GSI对植物选择的基本要求
不同功能的GSI对植物的特性有严格要求(表1)，须根据设施功能特点选择植物。
表1 GSI植物选配要求一览表
Table 1 Plant selection requirements for different GSI
技术类型(主要功能)单项设施需选配的植物类型耐湿耐旱耐冲刷净化能力调蓄类雨水塘▲雨水湿地▲△▲转输类植草沟△▲▲截污净化类植被缓冲带▲▲雨水湿地▲△▲雨水花园▲▲▲湿式植草沟▲▲▲渗滞类嵌草砖▲△△绿色屋顶△▲△△雨水花园▲▲▲渗透塘▲▲△干式植草沟▲▲△
注：▲能力强；
能力一般；△能力弱。
1.1 渗滞类
渗滞类GSI土壤结构层通常选择渗透性能好的材料，雨季时要求对汇入的雨水进行迅速下渗和短期滞留，如雨水花园、绿色屋顶等。雨水花园对雨水具有暂时滞留功能，但设计渗透时间一般不超过48h[14]，不会形成较长时间的积水，因此宜选择长时耐旱、短时耐淹的植物；研究表明，土壤渗透性能与根长密度、根表面积密度呈正相关[15]，可选择根系发达的植物并通过合理密植增加根系密度，提高土壤渗透能力并减少杂草竞争[16]。此外，雨水花园的结构和功能类型不同(图1)，对植物的要求也不同，表2为不同结构和功能类型雨水花园对植物的要求。绿色屋顶则宜选择生长较慢、抗逆性强、管理粗放的植物，不宜选择深根性和根系穿刺性强的植物。
1.2 调蓄类
GSI中具有雨水调节和储存功能的设施，通常面积较大，宜结合绿地、其他城市开放空间等场地设计为多功能调蓄水体，可有效削减较大区域的径流总量、径流污染和峰值流量。调蓄类GSI以干塘和湿塘为代表，干塘通过对径流雨水暂时性储存，达到削峰、错峰的目的，放空时间多小于 24 h，一般不具备改善水质的功能[17]，因此宜选择根系发达、长时耐旱、短时耐淹的植物；湿塘要求在全年或较长时间内保持一定水位，除具有干塘功能外，还具有雨水净化功能，宜选择长时耐淹且净化能力强的水生植物或水陆两栖植物。
图1 雨水花园功能分区
Figure 1 Functional division of rain garden
表2 不同结构和功能类型雨水花园对植物的要求
Table 2 Requirements of different structures and function types for plants in rain garden
类型对植物的要求结构底部无防渗膜长时耐旱、短时耐淹,根系发达底部有防渗膜长时耐旱、短时耐淹,根系无穿刺性功能边缘区耐旱能力强缓冲区耐冲刷、耐旱能力强,一定的耐淹能力蓄水区耐淹能力、净化能力强,一定的耐旱能力
1.3 截污净化类
截污净化类GSI以径流污染为控制目标，优先选择耐污能力、净化能力强的植物；对有可能汇入融雪径流的设施，宜选择耐盐碱植物。常用的截污净化类设施有雨水湿地和植被缓冲带等。雨水湿地是水陆交接、构造复杂的生态系统，通过物理、生物措施净化雨水，对植物的抗污和净化能力要求较高。根据功能和水环境条件，可将雨水湿地分为边缘区、预处理区、沼泽区、深水区[18](图2)，不同分区对植物的要求应有差异(表3)。植被缓冲带是坡度较为平缓的植被区，具有减缓径流流速、控制径流污染的功能，宜选择根系发达、耐冲刷且具有一定净化能力的植物。
图2 雨水湿地功能分区
Figure 2 Functional division of stormwater wetland
表3 雨水湿地不同功能区对植物的要求
Table 3 Requirements for plants in different functional areas of stormwater wetland
分区对植物的要求边缘区耐旱能力强,且具有一定耐冲刷、抗污能力预处理区长时耐旱、短时耐淹,且净化能力强沼泽区净化能力强且抗一定水淹,如挺水植物深水区净化能力强且抗深水淹,如沉水、浮水和部分挺水植物
1.4 转输类
常用的转输类GSI以植草沟为代表。植草沟是种植植被的景观性地表沟渠排水系统，雨水在植草沟中靠重力流输送，有一定的坡度要求。植草沟设计纵坡通常为0.5%～5%，边坡坡度(垂直/水平)控制在1/2～1/3[19]。在植物选择方面，宜选择株高在100～200 mm的多年生草本植物，此外，结构和功能类型不同，对植物的要求应有差异(表4)。配置过程中，宜选择多种草本植物组合种植，增加驱蚊植物，适当密植，以减少蚊虫隐患，提升延阻能力，形成稳定的植物群落。
表4 不同结构和功能类型的植草沟对植物的要求
Table 4 Requirements of different structures and function types for plants in grass swale
类型对植物的要求结构A:边坡植物,底部碎石(图3a)抗倒伏,根系发达,耐冲刷能力强B:边坡碎石,底部植物(图3b)长时耐旱、短时耐淹,且具有一定耐冲刷能力功能有净化功能同结构类型B,且具有较强的净化能力无净化功能视结构类型而定
图3 植草沟结构类型
Figure 3 Structure types of grass swale
2 GSI适应性植物的选择与景观设计
中国植物资源丰富，但能积极适应GSI生境特点的园林植物种类较少，通过使用草本植物来提升城市植物多样性是一种有效的补充方法[20]。大型GSI如雨水湿地等，适合木本和草本植物结合的配置模式，有利于湿地生态系统的稳定；中小型GSI如雨水花园、绿色屋顶等，更适合以草本植物为主的配置模式，能够适应多变的城市环境。本文重点讨论草本植物在GSI中的应用。
2.1 草甸型植物景观在GSI中的应用前景
草甸型植物景观是以多年生草本植物为主，利用生态学原理，经人工混合建植并模拟自然植物群落的植物景观形式[21]。草本植物具有抗逆性强、稳定性高、种类丰富、观赏价值高、混植灵活及建植维护成本低的特点，所建立的植物群落强调功能优先，最大化实现自我更新和调整[22]，充分发挥植物群落的生态效益，能有效应对恶劣天气变化，同时减少维护成本和能源消耗，对城市GSI的设计和管理具有巨大价值。在英国、美国等国家已有一些成熟案例的应用，其雨水控制功能和观赏效果逐渐获得肯定。
2.2 适应性草本植物的选择
适用于GSI的草甸型植物景观，首先要根据GSI设施特点进行植物筛选。以北京为例，选择30种常用草本植物，根据GSI生境、功能特征拟定植物基本属性指标，通过层次分析法(简称AHP)建立综合评价指标体系，对植物进行评分分级，进一步筛选植物。
2.2.1 综合评价指标体系的建立
以公园绿地中雨水花园为例，综合评价指标体系分为3层：第1层为目标层A，即公园绿地中雨水花园适应性草本植物综合评价；第2层为准则层B，即草本植物的功能属性、观赏属性、养护管理属性、经济属性4个方面；第3层为具体指标层C，即草本植物的具体综合评价指标，其中，功能属性指标包含耐旱性、耐湿性、耐冲刷性、净化能力、土壤要求5项具体指标；观赏属性包含绿期、花期、株形、果实观赏性4项具体指标；维护管理属性包含浇灌频次、修剪频次2项具体指标；经济属性包含建植成本1项具体指标。
通过问卷形式邀请30名专家(其中雨水管理领域20名、园林景观专业10名)对指标按重要程度进行打分，即两两指标比较，评定前者较于后者的重要程度，不同程度赋予不同分值。通过YAAHP决策软件对评分数据进行分析，建立判断矩阵，计算所得各指标的权重结果如表5所示。
2.2.2 草本植物评分标准的确定与等级划分
评分标准根据公园绿地中雨水花园生境特点及草本植物特性的相关研究成果确定，每项指标分3个等级，评分依次为5分、3分、1分，并依据各项指标特点制定各等级应达到的评分标准(表6)。
通过查阅文献[23-24]及专家问询等方式，对植物的各项评价指标进行打分，并根据式(1)计算综合得分，划分等级(表7)。
表5 草本植物评价指标及其权重
Table 5 Evaluation indexes and weights of herbaceous plants
A目标层B准则层C指标层权重(P)A公园绿地中雨水花园适应性草本植物综合评价B1功能属性WB1=0.6012B2观赏属性WB2=0.2241B3维护管理属性WB3=0.1158B4经济属性WB4=0.0588C1耐旱性0.2676C2耐湿性0.1536C3耐冲刷性0.0705C4净化能力0.0712C5土壤要求0.0383C6绿期0.1084C7花期0.0674C8株形0.0320C9果实观赏性0.0162C10浇灌0.0772C11修剪0.0386C12建植成本0.0588
表6 草本植物各项指标评分标准
Table 6 Evaluation standard for each index of herbaceous plants
评分项分值5分3分1分C1耐湿性耐湿能力强耐湿能力一般耐湿能力弱C2耐旱性耐旱能力强耐旱能力一般耐旱能力弱C3耐冲刷性耐冲刷能力强耐冲刷能力一般耐冲刷能力弱C4净化能力净化能力强净化能力一般净化能力弱C5土壤要求对土壤要求不严,基本土壤条件下正常生长对土壤要求一般,多数土壤条件下正常生长对土壤要求严格,特定土壤条件下正常生长C6绿期5个月以上3～5个月3个月以下C7花期花期>4个月花期1～3个月花期1个月以下C8株形株形优美株形一般优美株形不优美C9果实观赏性具有明显观赏价值具有一般观赏价值具有较低的个观赏价值C10浇水夏秋仅靠天然降雨,春季每月1～2次夏秋每周1～2次,春季两周1次夏秋每周2次以上,春季每周1次C11修剪粗放管理,无需修剪3个月一次每月一次C12建植成本≤20元/100株20～50元/100株≥50元/100株
(1)
式中：S为综合得分；Cn为评分指标分值；Pn为评分指标权重。
表7 等级划分标准
Table 7 Criterion of classification
分值≥4.54.5～4.0(含4.0)4.0～3.5(含3.5)<3.5等级Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级
2.2.3 结果与分析
1)评价指标体系的建立结果与分析。
由表5可见：准则层中功能属性权重WB1=0.6012，观赏属性权重WB2=0.2241，养护管理属性权重WB3=0.1158，经济属性权重WB4=0.0588，4种指标的重要性由高到低为功能属性>观赏属性>养护管理属性>经济属性，说明在公园绿地的雨水花园中，适应性草本植物的选择应将功能属性放在首位，有利于此类设施雨水控制功能的发挥；其次，观赏属性居第2位，是雨水花园植物景观营造的前提和关键影响因素；养护管理属性和经济属性是在植物选择中应统筹考虑的指标类别。
指标层中，重要性前5位的指标排序为耐旱性(0.2676)>耐湿性(0.1536)>绿期(0.1081)>净化能力(0.0712)>耐冲刷能力(0.0705)。在北京地区雨水花园适应性草本植物选择中，耐旱性是首要考量因素，因为北京雨季集中在夏季，春、秋、冬季干旱少雨，所以要求植物需具有良好的耐旱能力；其次，由于雨水花园此类设施的功能特点是短时蓄水，则要求植物需有一定的短时耐淹能力；同时，雨水花园应尽量做到“四季延绿，三季有花”，所以绿期也是植物选择的重要衡量指标之一；此外，雨水花园结构及功能特点要求植物需有一定的净化能力、耐冲刷能力。
2)雨水花园适应性草本植物的评价结果(表8)与分析。
由表8可见，北京地区常用的30种草本植物根据综合评分可分为4级。Ⅰ级植物5种，分别为麦冬、耳草、拂子茅、狼尾草、马蔺，它们在功能属性、观赏属性、养护管理属性、经济属性方面均表现良好，是雨水花园植物栽植的优良品种；Ⅱ级植物有11种，包括酢浆草、萱草、莸、蓍、斑茅等，多数指标表现良好，个别指标稍有逊色，如鸢尾，有较强的耐湿、耐冲刷、净化能力，但耐旱能力稍差，花期较短，因此综合评价为Ⅱ级，是雨水花园植物栽植的较优品种；Ⅲ级植物有9种，包括千屈菜、高羊茅、小薹草、金鸡菊、玉簪等，在功能属性方面表现稍好，但在其他指标方面表现一般，能在雨水花园生境下正常生长，是雨水花园植物栽植的一般品种；Ⅳ级植物共4种，多数指标表现不突出，综合评分较低，是雨水花园植物栽植的慎重选择品种。
等级为Ⅰ级的植物可进行大面积种植，等级为Ⅱ级和Ⅲ级的植物，可选择适宜的结构区域如蓄水区、缓冲区、边缘区进行种植，等级为Ⅳ级的植物不宜大面积使用，可考虑点缀性种植。
特别说明，不同设施的植物综合评价指标体系有所差异，主要体现在评价指标的选取及专家对指标重要程度的评定。如绿色屋顶，选择功能属性、生长属性、观赏属性、维护管理属性、经济属性作为准则层指标。其中，功能属性应包含耐贫瘠性、耐寒性、耐旱性、抗污性、净化能力5项具体指标；生长属性包含根穿刺性1项具体指标；观赏属性、维护管理属性和经济属性的具体指标不变。根据绿色屋顶的功能特点，各项评价指标的权重发生相应变化，按上述方法可重新构建绿色屋顶的植物综合评价指标体系。
表8 公园绿地雨水花园适应性草本植物综合评价及等级
Table 8 Comprehensive evaluation and grade of adaptive herbaceous plants in rain garden of park green space
序号中文名拉丁名综合得分等级序号中文名拉丁名综合得分等级1麦冬Ophiopogonjaponicus4.903Ⅰ16山桃草Gauralindheimeri4.049Ⅱ2耳草Hedyotisauricularia4.870Ⅰ17千屈菜Lythrumsalicaria3.940Ⅲ3拂子茅Calamagrostisbrachytricha4.547Ⅰ18高羊茅Festucaelata3.927Ⅲ4狼尾草Pennisetumalopecuroides4.539Ⅰ19小薹草Carexparva3.885Ⅲ5马蔺Irislacteavar.chinensisi4.506Ⅰ20金鸡菊Coreopsisdrummondii3.882Ⅲ6酢浆草Oxaliscorniculata4.477Ⅱ21玉簪Hostaplantaginea3.847Ⅲ7萱草Hemerocallisfulva4.462Ⅱ22结缕草Zoysiajaponica3.728Ⅲ8莸Caryopterisdivaricata4.423Ⅱ23翅果菊Pterocypselaindica3.711Ⅲ9蓍Achilleamillefolium4.310Ⅱ24早熟禾Poaannua3.693Ⅲ10斑茅Saccharumarundinaceum4.244Ⅱ25剪秋罗Lychnisfulgens3.646Ⅲ11牛筋草Eleusineindica4.177Ⅱ26万寿菊Tageteserecta3.482Ⅳ12石竹Dianthuschinensis4.170Ⅱ27紫花地丁Violaphilippica3.128Ⅳ13鸢尾Iristectorum4.159Ⅱ28美女樱Verbenahybrida2.833Ⅳ14斑叶芒Miscanthussinensis‘Zebrinus’4.109Ⅱ29紫菀Astertataricus2.703Ⅳ15垂盆草Sedumsarmentosum4.079Ⅱ30荷兰菊Asternovi-belgii2.621Ⅳ
2.3 GSI植物景观设计
2.3.1 设计原则
1)生态优先。
生态性应作为GSI草甸型植物群落设计的优先考虑因素。与传统园艺种植相比，在植物选择上首先考虑植物环境压力(旱、涝、土壤基质等)、种间竞争等生态因素，充分利用环境压力控制种间竞争达到平衡状态，即能够形成稳定的、自然更迭的群落结构，后期则无需进行大量管理维护。而传统园艺种植较注重植物个体、色彩及个体间组合观赏效果，后期针对不同物种采取不同维护措施以维持观赏效果，在物种选择上无需过多考虑生境条件及种间关系。
2)整合搭配。
一个结构稳定且景观效果丰富的植物群落观花季节应覆盖春、夏、秋季，并根据花期垂直分层配置，花期越早，植株应越低[25]。春季开花植物应位于群落最底层，夏季开花植物位于中层，秋季开花植物应选择株高较高的植物，位于群落最高层，种植密度应随株高的增加而减少，防止低层植物生长不佳。数量配比上，使用70%的春季开花低层植物、20%的春夏开花中层植物及10%的秋季开花高层植物组成的植物群落较为理想[26]。
2.3.2 景观格局
以雨水花园为例，草本植物群落应在满足“分区选种，过渡自然”的原则下，形成“集聚—离散—均衡”的空间格局[27]。选择观赏性较高且视觉冲击力较为突出的主导物种进行集聚种植，为植物群落提供结构支撑；体量稍大且生态位不与优势种冲突的伴生物种进行离散种植[28]，强化植物群落结构，丰富群落色彩和形态种类；选择体量较小且绿期较长的补充物种均匀散落在植物群落中，填补剩下空白的生态位，使景观结构更加协调平衡。
2.3.3 植物空间营造
群落高度、围合方式会影响植物空间营造。根据群落高度可将植物空间分为封闭型、开放型两类,具体配置如表9所示。
表9 以雨水花园为例参考配置模式
Table 9 Reference collocation modes of rain garden
上层中层下层配置要点封闭型斑茅+狼尾草拂子茅+千屈菜+翅果菊垂盆草+耳草+紫花地丁+牛筋草控制群落高度在150cm以上,上层和中层选择直立型植物,底层搭配耐阴性较强的植物,适当增加种植密度开放型蓍+山桃草+拂子茅美女樱+鸢尾+玉簪+萱草酢浆草+紫花地丁+麦冬控制群落高度在100cm以下,株高由近及远逐渐增加,群落层次明显
1)封闭型：植物群落高耸，对空间起到明显的分隔作用，封闭感强烈；但是植物群落与周边场地边界较为明显，游人视线较为闭塞，空间私密性较强(图4a)。
2)开放型：植物由近及远呈从低到高的生长态势，群落层次明显，与周边环境渗透性较强，游人视线开阔，空间开放性较强(图4b)。
图4 封闭型和开放型植物空间示意
Figure 4 Diagram of closed and open plant space
根据植物围合方式，可分为外向型和内向型两种植物空间。
1)外向型：设施规模较小，常设置在场地中央或一旁。植物种类多样且配置集中，易形成强烈的视觉焦点，突出设施亮点，游人从设施外部观赏植物景观，亦可称为观赏型GSI(图5a)。
2)内向型：设施规模较大，游憩场地置于设施中央或一旁，绿色植物形成场地边界。游人可进入设施内游憩、观赏，功能性设施与游憩场地相结合形成私密的驻足空间，亦可称为游憩型GSI(图5b)。
图5 外向型和内向型植物空间示意
Figure 5 Diagram of outward and inward plant space
3 结 论
1)绿色雨水基础设施建设过程中，对植物选择的主要因素应考虑耐旱性、耐淹性、耐冲刷性、净化能力、根系特征等，并通过剖析设施类型、功能及结构特点进一步建立植物筛选条件，做到“因地制宜，精细选择”。
2)草本植物具有较强的适应性及抗逆性，且养护管理便捷、经济成本低廉，可在绿色雨水基础设施中推广使用。以北京草本植物为例，针对公园绿地中雨水花园的设施特点，从功能属性、观赏属性、养护管理属性、经济属性4个方面建立植物综合评价指标体系，科学指导植物选择。
3)对30种常用草本植物进行评价分级，可分为4级：Ⅰ级植物是雨水花园的首选种类，适合雨水花园的各个功能分区；Ⅱ级和Ⅲ级植物可根据雨水花园蓄水区、缓冲区、边缘区的生境特点进行种植，蓄水区选择耐湿性、净化能力较强的植物种类，缓冲区宜选择耐冲刷且具有一定耐旱能力的植物种类，边缘区宜选择耐旱性较强的植物；Ⅳ级植物综合表现较弱，不适宜大面积种植，选择时应慎重。
4)草甸型植物景观强调植物群落的建立与表达。在GSI的植物景观设计中，应遵循生态优先、整合搭配的原则，强化“集聚—离散—均衡”的景观格局，营造丰富的植物空间，提高GSI的稳定性、游赏性及可持续性，降低维护成本。
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