雨水花园(rain garden)，是一种以自然方法削减径流、延迟洪峰并以分解、吸收、截留污染物等方式净化水质典型的生态基础设施^[1-2]，是建设海绵城市、进行低影响开发和城市暴雨管理的重要手段^[3-4]。植物作为雨水花园重要组成部分，具有截留雨水、降低地表径流流速和径流峰值、促进土壤渗透以及削减径流中的污染物等多种功能。同时，雨水花园中的植物还可作为动物的栖息地，缓解区域热岛效应，更为重要的是形成的植物群落可产生显著多样的景观元素，提高当地的生物多样性^[5]。国外对于雨水花园的填料结构、蓄滞水量、污染削减等方面的研究较多^[6-8]，近些年国内在雨水花园设计实践、雨水花园场地模型构建等方面的研究取得较大的进展，对于雨水花园植物研究主要集中在植物的种类、植物的选择配置、植物养护及去污能力等方面^[9-12]，但从生物多样性角度分析雨水花园植物的适应性及景观效果研究相对较少。2020年底北京市已完成国家第二批海绵城市试点区建设示范工程，为探讨北京市雨水花园植物群落配置的适宜性和应用效果，以北京海绵城市试点建成区雨水花园草本植物群落为研究对象，从生物多样性角度调查雨水花园植物群落组成，分析和掌握植物群落的多样性特征，对植物群落结构、景观效果、雨水管理等功能进行综合评价，为后续北京地区雨水花园建设提供参考。

1 研究区概况

北京市海绵城市试点区位于北京市通州区两河片区，总规划面积19.36 km²，其中建成区面积约4.08 km²(不含水域面积)。试点区气候属温带大陆性半湿润季风气候区，春天干旱少雨、多风、蒸发强度大；夏季炎热多雨；秋季天高气爽；冬季干燥寒冷。多年平均降水量535.9 mm，多年平均蒸发量为1 308 mm。汛期(6—8月)降水量占全年降水量的80%以上，多年平均气温14.6 ℃。试点区表层土壤基本以粉质黏土为主，渗透系数基本在1.00×10^-4 cm/s左右。

2 研究方法 2.1 样地设置与调查方法

2021年7—8月在植物生长旺盛季节，对试点建成区12 006.26 m²的雨水花园草本植物群落进行全面勘察(如表 1所示)。选出建设时间基本一致的5个项目，在每个项目中选择3个已完工且植物群落稳定的典型雨水花园进行调查研究。在每个雨水花园中设置3个1 m×1 m样方，本研究共设置45个样方。调查内容包括草本植物物种、株数/丛数、盖度、生长指标、绿化覆盖率、植物观赏特性记录并拍摄照片。采集样方中每种植物，分别测定地上和地下部分鲜重。植物根系扫描系统，通过WinRHIZO根系分析系统分析草本植物根系长度、直径、面积、体积等。

2.2 数据分析方法

(1) 物种多样性可以反映植物群落组成中物种的丰富程度，对样地草本植物多样性的测定采用以下指数和方法：

采用Margalef物种丰富度指数D_ma，计算公式为：

$ D_{\mathrm{ma}}=(S-1) / \ln N $

(1)

式中：S为物种数目；N为群落中全部物种的个体数。

Simpson指数：

$ D=1-\frac{\sum\limits_\limits{i=1}^n N_i\left(N_i-1\right)}{N(N-1)} $

(2)

式中：N为所有物种的个体总数；N_i为第i个物种的个体数。Shannon-Weiner指数：

$ H^{\prime}=-\sum\limits_\limits{i=1}^n\left(P_i \ln P_i\right) $

(3)

式中：P_i为样品中属于第i种的个体的比例，如样品总个体数为N，第i种个体数为n_i，则P_i=n_i/N

Pielou指数：$J=\left(-\sum_\limits{i=1}^n P_i \ln P_i\right) / \ln S$

$ \text { 即 } J H^{\prime}=H^{\prime} / H_{\text {max }}^{\prime} $

(4)

式中：H′为实际观察的物种多样性指数; H′_max为最大的物种多样性指数，H′_max=lnS(S为群落中的总物种数)。

3 雨水花园植物群落景观综合评价体系构建 3.1 雨水花园植物群落景观综合评价指标筛选与确定

为评价雨水花园植物群落配置的适宜性和景观效果，在查阅文献和实地调查的基础上，将15个不同植物配置的雨水花园植物群落作为评价对象，运用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)构建雨水花园植物群落景观评价模型进行综合分析，优化提升试点区雨水花园的植物群落配置模式。

雨水花园植物群落景观评价体系构建通过分析前人研究结果、实地调研与专家意见汇总等方式，将雨水花园植物群落景观A作为评价体系的目标层，将植物生物特性B₁，雨水功能性B₂和景观观赏性B₃作为雨水花园植物群落景观的评价准则层^[13-15]。植物生物特性指标层多为定量指标，选择植物多样性C₁，植物生物量C₂，覆盖度C₃及根系发达程度C₄作为生态指标。雨水功能性选择植物促进雨水下渗C₅，雨水截留能力C₆，污染物吸附净化能力C₇作为植物生态雨水功能指标。景观观赏性则选择群落配置C₈，季相特征C₉，环境协调性C₁₀等作为植物群落美学和景观方面评价因素(表 2)。

通过建立判断矩阵及其一致性检验，根据矩阵的特征向量确定指标权重。邀请15位具有风景园林专业和海绵城市研究背景的专家和高级技术人员对评价指标进行评估赋分，通过对模型中低层的各个因素进行相对于高层重要性的两两比较，得出准则层B₁对目标层A的判断矩阵、指标层C₁—C₄对准则层B₁的判断矩阵、指标层C₅—C₇对准则层B₂的判断矩阵、指标层C₈—C₁₀对准则层B₁的判断矩阵(表 3—6)。经计算，准则层指标对目标层的权重，指标层对准则层B₁，B₂，B₃的权重，以及将准则层对于目标层的权重和指标层对于准则层的权重相乘得出指标层指标对于目标层的权重一致性比率(CR)均小于0.1，通过了一致性检验。

3.2 雨水花园植物群落景观综合评价指标量化与等级划分

通过综合评价指数法统计和分析准则层和指标层评价结果，确定各植物群落评价因子的水平值，与评价因子的权重值相乘，得到各植物群落的综合评价值。通过计算得到雨水花园植物群落景观的综合评价指数CEI(comprehensive evaluation index)，根据北京市海绵城市试点区PPP项目绩效考核要求，将雨水花园设施植物群落景观划分为4个等级，其中Ⅰ级90%≤CEI≤100%，植物群落整体处于较高水平，植物群落整体生长状况良好，植物物种多样性丰富、搭配协调，群落结构稳定，季相变化明显，能与周边环境相协调；Ⅱ级为85%≤CEI＜90%，植物群落整体效果良好，物种较为丰富，植物配置合理，具有一定的观赏性，与周围环境较为协调；Ⅲ级为80%≤CEI＜85%，植物群落整体效果一般，植物配置结构较为合理，植物整体生长情况一般，与周围环境协调性一般；Ⅳ级0≤CEI＜80%，表明植物长势较差，群落结构与物种多样性不好，植物配置与季相景观变化单一。

4 结果与分析 4.1 雨水花园植物生物特性评价 4.1.1 雨水花园草本植物群落组成

根据本次群落调查和初步统计北京市海绵城市试点建成区雨水花园设施草本植物共20科，43属，45种，优势科为菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)、百合科(Liliaceae)、景天科(Crassulaceae)等。其中种数最多的是菊科和禾本科分别占全部种的31%和15.5%。本土植物占其中的17科26属27种，本土物种牛筋草(Eleusine indica)、狗尾草等植物演替生长，种间竞争和谐，这与狗尾草、牛筋草等具有发达的根状茎、繁殖快、耐淹耐旱性强等特点有关^[16]。

4.1.2 雨水花园植物群落多样性分析

根据生物多样性原理，Margalef丰富度指数主要反映群落中的物种数量，其数值越高表明该群落中所含植物种类越多^[17]。由图 1可以看出，物种丰富度指数介于(1~2.57)之间，其中社区A各样地草本植物丰富度指数最大(2.25~2.57)。道路A各样地草本植物丰富度指数最小(1.0~1.2)。Shannon-Wiener可反映稀有种的多样性指数，不同样地草本植物Shannon-Wiener多样性指数与Margalef丰富度指数差异性基本相似。社区A各样地雨水花园在满足控制径流雨水功能的基础上更注重社区植物配置的观赏性，草本植物多样性更丰富。道路A各样地雨水花园主要是控制道路径流雨水，植物配置更多考虑耐污、抗性较强的物种，植物种类较为单一。Simpson指数反映物种集中程度，其数值越大，说明群落内植物数量分布越不均匀，优势种的地位越突出。由图 1可以看出，社区A各样地草本植物Simpson指数最高(0.85~0.88)，社区B各样地草本植物Simpson指数最低(0.59~0.72)，各样地Simpson指数数值整体差异较小，说明优势种不明显。Pielou指数与Simpson指数总体变化趋势相似，说明各样地植物群落的均匀度较一致，群落中各种类植物的分布较均匀。

4.1.3 雨水花园植物群落生物量和根系发达程度分析

研究表明植物茎叶对雨水具有截留作用，并且与植被层的覆盖程度、植物枝叶的茂密程度、冠幅大小及高度等呈正相关关系^[18]。由图 2可以看出，不同样地植物生长情况，每个样方植物生物量是所有植物生物量的总和，道路B中样地10植物地上生物量最大为13 668.92 g，主要是芦苇和千屈菜地上生物量显著高于其他植物。植被地上生物量和覆盖度能大大提高雨水花园对雨水的滞留能力。因此道路B从植物地上部分生长状况角度分析，其茎叶对雨水滞留和削减能力更具优势。社区B中样地7植物地下生物量最大为9 454.25 g，各样地平均植物地下生物量显著高于其他项目。植物地下生物量越大表明植物根系固土效果、吸收水分和土壤养分能力越强。

植物对径流污染的去除主要是通过土壤和植物根系的过滤、截留和吸附等作用决定的^[19]。植物根系构型对植被恢复以及土壤抗冲、抗蚀性均具有重要的作用，良好的根系构型是植被生态稳定性和土壤抗冲、抗蚀性的基础^[20]。植物根系长度、根体积密度、根表面积密度和根生物量密度能更具象地反映根系分布状况和生长状况^[21]。由图 3可以看出，不同样地中植物根系生长的情况，根系生长指标对应的是每个样方各种植物的平均值，结果显示：植物根长由大到小排序为：社区C＞社区B＞道路B＞道路A＞社区A，根表面积由大到小排序为：社区B＞社区C＞道路B＞道路A＞社区A，根体积由大到小排序为：社区B＞社区A＞道路A＞道路B＞社区C。结合植物地下部分生物量数据，根系表面积及根系体积大的处理组，地下生物量也显著高于其他处理组。

通过数据对比分析植物根体积与根系长度和根系表面积不完全一致。社区B各样地植物根系发达程度明显高于其他样地，而植物根长和根表面积相对较大的社区C植物根体积却明显低于其他3个项目，植物根长和根表面积最小的社区A，根体积却明显高于其他3个项目。说明植物根系生长在缺乏营养的土壤或基质条件下，根系通过外延以汲取养分，扩大分布范围以维持植物生长需要^[22]。

4.1.4 雨水花园植物生物特性综合评价

雨水花园植物生物特性评价从生物多样性、植物生物量、覆盖度和植物根系4个方面进行综合评价，其中，生物多样性是雨水花园植物群落景观评价的关键性指标。通过综合分析15个样地植物相关指标(表 7)，社区B各样地植物生态功能综合评价指标得分最高，草本植物种类为19种，其中玉簪、八宝景天、千屈菜、鸢尾为耐湿植物；假龙头花、萱草、荷兰菊、费菜等植物耐旱且适应能力强；也存在自然演替的本地植物狗尾草、灰绿藜(Chenopodium glaucum)、堇菜(Viola verecumda)等。道路B从植物地上部分生长状况与景观配置角度，其雨水滞留和洪峰削减能力更具优势。降雨期间雨水花园对雨水污染物的去除主要是通过土壤和植物根系的过滤、截留和吸附等作用。

4.2 雨水花园雨水功能性与景观观赏性评价 4.2.1 雨水花园植物群落雨水功能性评价

通过定量计算和定性评价打分得出各雨水花园雨水功能性因子的得分。

如表 8所示，道路A各样地植物雨水功能性综合评价指标得分最高。城市道路由于交通活动导致地表径流中含有大量的悬浮颗粒、有机污染物、重金属等，其地表径流中污染物浓度较高^[23]。植物对地表径流的净化作用，一部分是由植物表层根系的拦截作用，其次是由植物根系对营养物质的吸收能力决定的^[24]。道路绿化带内雨水花园以收集、滞蓄道路地表径流雨水为主，结合植物根系发达程度指标分析道路A各样地雨水花园植物适应能力强、根系发达、具有较强的净化能力。

4.2.2 雨水花园植物群落景观观赏性评价

如表 8所示，雨水花园植物群落景观观赏性评价因子得分，社区A各3个样地植物群落配置评分最高，草本植物种类为18种，以禾本科和菊科为主，选择黑心菊、天人菊、松果菊等不同菊类植物混植，也有狼尾草等禾本科植物孤植、丛植、片植，形成新自然主义草本植物景观。

社区C各样地植物季相景观和环境协调性综合评分最高，草本植物20种，植物物种多样性丰富，高、中、低层植物混合搭配，形成多层次群落空间，花期从4月持续至10月具有较高的观赏价值。道路A各样地景观观赏性评价各项指标较低，道路类雨水花园植物的筛选与配置在注重生态功能同时还需提升植物群落观赏性。

4.3 雨水花园植物群落景观综合评价结果与分析

通过对15个雨水花园植物群落景观的植物生物特性、雨水功能性和景观观赏性综合评价得出结果与等级，如表 9所示：属于Ⅰ级植物群落的有5个，所占比例为33.3%；属于Ⅱ级植物群落有4个，所占比例为26.7%；属于Ⅲ级植物群落5个，所占比例为33.3%；属于Ⅳ级植物群落1个，所占比例为6.7%。由此可见，试点区雨水花园植物群落景观综合评价总体处于较高水平，各样地评价中小区类雨水花园植物群落明显高于道路类雨水花园植物群落景观，这是由于城市道路雨水径流存在严重的面源污染，且集中入渗的水量负荷与污染负荷强大，长期集中入渗使污染物在土壤和地下水中累积，受所在区域环境的影响，导致不同样地植物生长情况、群落构成有所差别^[25-27]。

5 讨论 5.1 雨水花园植物群落应用现况总结分析

(1) 北京市海绵城市试点建成区雨水花园草本植物共20科43属45种，优势科主要集中于菊科、禾本科、百合科、景天科等，其中种数最多的是菊科和禾本科分别占全部种的31%和15.5%。本土物种牛筋草、狗尾草在植物群落演替过程中与引进植物竞争和谐，丰富了植物群落生态多样性。试点区各样地指数数值差异较小，调查各样地草本植物丰富度相似，植物物种集中性较一致。部分样地植物种类和结构模式较为单一，植物种类区分度不大。同时，乡土植物利用率不高，需要注重自然演替的乡土物种筛选与应用，提高植物物种的多样性。

(2) 对各样地植物多样性指数定量分析后构建雨水花园植物群落景观的评价模型，由评价结果得出，试点区雨水花园植物群落景观综合评价总体处于较高水平，Ⅰ级雨水花园植物群落比例为33.3%，Ⅱ级雨水花园植物群落比例为26.7%；Ⅲ级雨水花园植物群落比例为33.3%；Ⅳ级雨水花园植物群落比例为6.7%。研究结果与龙佳^[28]关于北京市低影响开发设施的植物景观研究结论一致。社区C中雨水花园各样地植物生物特性、雨水功能性和景观观赏性综合指数评价最高。通过调研分析部分样地存在如下问题：①部分样地植物的选配未将植物生物特性与设施的滞蓄、下渗、净化等功能进行统筹考虑，与场地水文水质、土壤等环境条件不适应，植物设计的科学性有待提升。②道路类雨水花园受所在区域地表径流污染程度的影响，部分植物抗逆性差，导致不同样地植物生长情况、群落构成有所差别，植物多样性单调。③各样地景观观赏性评价指标中小区类雨水花园植物群落明显高于道路类雨水花园植物群落，部分社区雨水花园植物群落结构不稳定、植物配置缺少层次变化，季相变化不突出，景观特色有待提升。

5.2 雨水花园植物群落景观优化配置策略

在城市雨水花园植物群落景观的营造过程中，结合雨水花园设施的功能属性，应充分发挥植物生物学特性对雨水的削减、拦截、污染物的去除，同时考虑低维护、抗逆性强及提升植物物种多样性和景观特色的特性^[28]。根据雨水花园植物群落景观评价模型的结果及制约因素有针对性对各样地雨水花园植物群落景观配置提出优化提升策略。

(1) 社区C。雨水花园植物群落景观综合评价最高，调查样地草本植物20种，植物物种多样性丰富。引入植物生长状况良好，多年生草本搭配比例协调，群落结构稳定。不同高度植株均衡叠加，上层有株高大于1 m的芦苇、千屈菜，中层有玉簪、八宝景天、马蔺、金鸡菊等，下层地被有株高小于10 cm的白车轴草，形成多层次群落空间，花期从4月持续至10月具有较高的观赏价值。

(2) 社区B。调查样地草本植物19种，雨水花园植物配置属于单层主题式空间结构^[29]。植物群落高度在30~80 cm之间，植物选择同株高相近但花期不同的玉簪、鸢尾等混合搭配，在分散种植的基础上，选择假龙头花、荷兰菊等从体量和花色突出主题植物，在非主体区域布置禾本科草本植物，共同发挥生态功能。满足雨水功能的基础上能提升社区景观环境。

(3) 社区A。调查样地草本植物18种，雨水花园植物配置采用高低错落的多层分散式空间结构^[29]。引入草本植物以禾本科和菊科为主，群落前景低矮空间选择阔叶麦冬(Lorope platyphylla)、八宝景天等，中景选择黑心菊、天人菊、松果菊丰富物种多样性，背景选择较高植物狼尾草，株高层层递进，竞相开放，丰富群落立面层次。不同高度层次的植被充分利用光照条件，竞相开放，互不遮挡，形成逐渐丰富的动态景观，植物种间通过自然竞争，最终形成相对稳定的有机群落^[26]。

(4) 道路B。草本植物群落物种为14种，植物物种较丰富，植物整体生长状况一般。群落有株高大于1 m的千屈菜，但植物优势种不突出，本土植物对引入植物生长竞争较强。为强化植物群落结构，丰富群落种类，需选择主题物种进行聚集种植，支撑群落结构，同时选择如八宝景天、菊花、萱草等补充中层植物，丰富季相景观，形成动态演替的可持续景观。现状雨水冲刷裸土较多应选择低矮地被如麦冬等均匀散落在植物群落中，使群落景观更加协调稳定。

(5) 道路A。调查样地草本植物12种，植物群落结构简单，植物生长状况一般，植物群落需进一步优化配置，在现有植物配置的基础上将不同高度植株均衡叠加，形成多层次群落空间。由于设施受道路径流污染严重的影响，植物选择抗逆性较强的禾本科植物如狼尾草、细叶芒(Miscanthus sinensis cv)等，能够耐涝、耐旱，净化径流雨水带来的面源污染。

6 结论

植物群落是雨水花园设施中重要的构成单位，不同的物种组成、生长特性、配置形式对设施的生态效益和景观价值具有重要影响^[30]。通过对北京市海绵城市试点建成区雨水花园植物群落进行实地调研，建立雨水花园植物群落景观评价模型对试点区内植物的应用和生长情况进行及时的总结和反馈，有针对性地对各样地植物配置模式提出优化策略。后续还需对建成雨水花园植物的生长情况定期监测、评估植物群落适应性、筛选出优势物种，总结植物群落结构稳定的配置模式与维护管理手段，促进雨水花园在海绵城市建设中的推广应用，同时为北京地区后续雨水花园建设提供参考建议。