植被在不同降雨環(huán)境中對綠色屋頂雨水徑流的影響

薛明珂，李思芹

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100；2.廈門市園林植物園，福建 廈門 361000)

1 引言

屋頂和道路等基礎(chǔ)設(shè)施占據(jù)了大部分城市化地區(qū)，導(dǎo)致城市徑流增加,地下水補(bǔ)給減少,徑流水質(zhì)下降[1～2]。綠色屋頂可作為一個潛在有價值的工具來治理這些雨水徑流問題，其中表層植被和多孔基質(zhì)的添加在一定程度上改善了屋頂不積水的現(xiàn)象，通過基質(zhì)對雨水的滯留作用和植物的蒸騰作用來延緩和減少地表徑流[3～4]。

植物是綠色屋頂和環(huán)境之間最關(guān)鍵的接觸面,但對于植物確切的調(diào)節(jié)作用仍然是不明確的。有試驗表明,許多以多肉為主要栽培植物的綠色屋頂會對減緩雨水徑流有略微的幫助，這也許是因為多肉植物的蒸發(fā)量較小，不足以明顯影響基質(zhì)的持水量[5]。然而Berghage等人[6]表示,景天屬植物可迅速蒸發(fā)基質(zhì)內(nèi)的可用水，且蒸發(fā)量高達(dá)綠色屋頂基質(zhì)可用水量的40%，具體的量取決于降雨量的規(guī)模和時間。Dunnett等人[7]表示,植被的形態(tài)特征,如高度和結(jié)構(gòu)，可以顯著影響綠色屋頂徑流的保留。

植被在綠色屋頂中所起的調(diào)節(jié)徑流量作用可能會根據(jù)氣候的不同而發(fā)生變化，例如在間歇性降雨的福建，夏天的降雨對于植物的吸收利用來說會有限制。此外，在夏季干旱的氣候中，綠色屋頂往往需要額外的灌溉來維持植物的生長，但是灌溉管理可能通過改變基質(zhì)的持水力或者植物的生理狀態(tài)來改變基質(zhì)對雨水的儲存能力。因此，研究灌溉管理對綠色屋頂徑流量的影響是非常重要的,特別是降雨量不連續(xù)且在夏天較濕熱地區(qū)。

在這項研究中,我們通過比較一年內(nèi)儲水性能不同的三種屋頂設(shè)計:第一種是典型的淺層綠色屋頂設(shè)計;第二種是僅含基質(zhì)但沒有植被的屋頂,;第三種是傳統(tǒng)的防滲屋頂，來評估了在廈門冬夏兩季綠色屋頂植被對降雨的影響。此外，在夏天我們對額外的灌溉進(jìn)行測試，評估在炎熱的環(huán)境中灌溉是否會影響屋頂?shù)膬λ阅堋?/p>

2 材料和方法

2.1 地點

試驗進(jìn)行地點位于廈門市，位于北緯24°23'～24°54'、東經(jīng)117°53'～118°26'，在中國東南沿海，福建省南部。天氣情況由距離數(shù)據(jù)測試點6.4 km的一個氣象站收集，2018年的降雨量與近幾年長期平均降雨量較為接近，均為1 200 mm左右。

2.2 試驗床設(shè)計

試驗設(shè)置了24個1.2 m×2.4 m屋頂模擬測試床，每一個測試床都含有4.5 mm熱聚烯烴熱塑性防水膜(TPO)的內(nèi)襯單層 ，測試床高1.98 m,均含有統(tǒng)一縱向坡度為2%的排水洞。其中三個測試床的頂部只有防水膜，用來模擬傳統(tǒng)的屋頂?shù)膹搅髂Ｊ剑Ｏ碌?1個測試床除了防水膜之外，頂部還有排水層和基質(zhì)。排水層6.35 mm厚，一端含有針織復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)排水墊,用來為基質(zhì)與排水層之間提供一個過濾層。基質(zhì)采用廈門地區(qū)常用的淺層綠色屋頂基質(zhì)，主要由篩選浮石(0.16～0.95 cm)、少量的纖維堆肥和紙纖維構(gòu)成。基質(zhì)的田間持水量為732 kg·m-3,飽和容重為1 017 kg·m-3,干重546 kg·m-3。每個測試床上的基質(zhì)均為12.7cm的厚度。

2.3 試驗方法

這項研究持續(xù)一年，在雨季，通過比較植被測試床、僅含基質(zhì)的測試床和模仿傳統(tǒng)屋頂?shù)臏y試床來測定植被對屋頂?shù)膬λ阅艿挠绊憽Ｔ诤导?通過給植被測試床和僅含基質(zhì)的測試床添加額外灌溉，來測試植物和灌溉對于屋頂滯留雨水徑流影響的結(jié)合作用。

試驗共分為三種處理：其中12個測試床中種植了6種植物(藍(lán)鈴花、矮牽牛、垂盆草、常夏石竹、大花金雞菊、景天、長生草和月見草)，這些植物均購買于當(dāng)?shù)匾幻缙浴Ｔ谠囼為_始前的第一個生長季對種植試驗床進(jìn)行均勻灌溉，以保證植株能夠正常生長。從2017年12月25日至2018年3月25日持續(xù)冬季降水開始，平均每天4～5 h的降雨量為2.18mm。采用點截距法，在植株建立期結(jié)束時(2017年12月25日)和灌溉試驗開始時(2018年6月25日)，在每個種植試驗臺選取0.5 m×0.5 m的樣方范圍來估算植被總覆蓋度。9個測試床均為僅含基質(zhì)的測試床。剩下的3個測試床既無機(jī)質(zhì)也無植物，主要用來模擬傳統(tǒng)屋頂。

在夏季開始時，三種不同灌溉處理隨機(jī)應(yīng)用到12個植被測試床(每4個測試床使用一種灌溉處理)和9個基質(zhì)測試床(每3個測試床使用一種灌溉處處理)：①園藝經(jīng)驗法：用視覺觀察和屋頂徑流溢出來判斷能夠維持植物健康所需的最小灌溉水量。除夏季降水外，每兩天給植物增加133.35 mm 的額外灌溉量;②當(dāng)?shù)卣撸喊凑諒B門綠色屋頂建筑政策的要求進(jìn)行灌溉，除夏季降水外，每5 d施用量為57.15 mm的額外灌溉；③不作處理：非灌溉條件下，植物夏季降水量約為38.1 mm。作灌溉處理的測試床，平均灌溉持續(xù)時間為4～5 h每天。

2.4 雨水徑流評估

在冬夏兩季，我們測量了所有自然降雨事件的雨水徑流量。此外，在2018年5月25日進(jìn)行了一次模擬降雨，并測量了徑流量。進(jìn)行該模擬降雨事件是為了確保在灌溉處理開始時，所有試驗臺上的基質(zhì)處于均勻飽和狀態(tài)。在每次降雨事件發(fā)生開始到降水停止后6 h，均對附加在每個試驗臺上的儲罐中累積的總徑流進(jìn)行測量。

2.5 數(shù)據(jù)分析

試驗所有的統(tǒng)計分析都使用SAS9.3分析軟件完成，采用單向ANOVAs分析方法分析同組數(shù)據(jù)之間的差別，用最小方差(LSD)來比較不同組數(shù)據(jù)之間的顯著性差異。

3 結(jié)果

3.1 濕季性能

圖1 濕旱兩季，隨降雨量增加三種測試床的平均徑流變化

最開始監(jiān)控雨水時, 有植被的測試床平均植被的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到屋頂面積的69%±4.5左右,并且根已經(jīng)完全深入進(jìn)基質(zhì)內(nèi)。傳統(tǒng)屋頂?shù)挠晁畯搅魍耆刂潘芰魇В@一結(jié)果偶爾會由實驗誤差產(chǎn)生輕微變化。僅含基質(zhì)屋頂和有植物屋頂存儲雨水的體積較為相近，這兩種屋頂比起傳統(tǒng)屋頂，均降低了屋頂雨水徑流量,這種徑流量的差異大小變化為非線性函數(shù) (圖1)。當(dāng)將線性模型轉(zhuǎn)換為對數(shù)模式來分析徑流量時，僅含基質(zhì)的屋頂和有植被的屋頂沒有很明顯的差異 (p = 0.971),并且這種關(guān)系在一定范圍的降雨中是一致的 (p = 0.922)。給冬天所有的降雨求和,僅含基質(zhì)的屋頂和植被屋頂能夠保留的徑流量占總徑流量的百分比分別為26.4%±1.1 se和26.4%±0.5 se。

3.2 旱季性能

圖2 僅含基質(zhì)測試床和植物測試床在旱季不接受灌溉處理后的徑流量

圖3 僅含基質(zhì)測試床和植物測試床在旱季接受不同灌溉處理后的徑流量

夏天在灌溉初期，測試床上的植被是健康的，平均覆蓋率達(dá)到了83%±3.7 se。相比較濕潤的季節(jié)，僅含基質(zhì)的屋頂和植被覆蓋屋頂表現(xiàn)出不同的雨水保留量。將整個夏季的雨水儲存量求和，結(jié)果表明植被屋頂和僅含基質(zhì)的屋頂雨水保留量分別為64.7%±1.2 se和51.9%±1.9 se。然而,植被對雨水保留量的多少取決于降雨量的大小和額外灌溉的多少(圖1和3)。當(dāng)對測試床不進(jìn)行灌溉時，除兩次最小的降雨事件之外，植被對于雨水的保留量具有明顯的影響作用 (圖2)。同樣, 在夏節(jié)發(fā)生特大降雨事件時，灌溉處理對于僅含基質(zhì)和含有植被測試床的雨水保留量來說有顯著的影響 (圖 3)。僅含基質(zhì)的屋頂在接受園藝式灌溉處理時僅能保留35.4%±1.2 SE的降雨，而接受政策處理的能保留41.2%±1.6 SE，沒有灌溉的屋頂能保留53.2%±1.2 SE。植被覆蓋的屋頂在接收園藝式灌溉處理后能保留63.0%±1.7 se的降雨量，接受政策處理的能保留65.8%±1.2 se，沒有灌溉的屋頂能保留75.0%±3.1 se的降雨。

4 討論

這項研究的結(jié)果表明,涼爽潮濕的氣候?qū)G色屋頂在優(yōu)化雨水保留量方面具有很大的挑戰(zhàn)。此外，含有植被屋頂和僅含基質(zhì)屋頂在濕旱兩季之間的雨水保留量上幾乎表現(xiàn)出了相同的性能。冬季植物水分利用能力的減少可能限制了植被在大量降雨事件發(fā)生時恢復(fù)蓄水的能力。Berghage 等人[6]指出冬季植被覆蓋的屋頂和僅含基質(zhì)的屋頂蒸騰失水沒有明顯的差異，但是夏季會有差異二重性。此外，冬季的低蒸發(fā)率也有可能阻礙了植被屋頂和僅含基質(zhì)屋頂對雨水的儲存能力。在本研究中，這兩類屋頂在冬季僅能保留不到28%的降雨，均為不到夏季保留量的一半。同樣地，Spolek[8]指出建造在波特蘭的綠色屋頂冬季的平均雨水保留量為12%，而當(dāng)夏季發(fā)生相同降雨量事件時，同樣的綠色屋頂雨水保留量則為42%。Mentens等人[9]表明，德國的綠色屋頂在冬季對雨水的保留量相對于夏季更低一些。

若想要增強(qiáng)屋頂在冬季降雨中的雨水保留特性，那么在設(shè)計綠色屋頂時，應(yīng)該采用更豐富的植物物種，以便于在較涼爽的冬季依然可以提供結(jié)構(gòu)性的持水量。在福建地區(qū)，備選的綠色屋頂植物包括苔蘚類、鱗莖類和兼性濕地植物，這些都能夠在秋天、冬天和春天表現(xiàn)出良好的特性。此外,能利用大規(guī)模結(jié)構(gòu)條件來留住雨水的植物物種也會是不錯的選擇。許多常見的苔蘚植物能吸收高達(dá)自身重量10倍的水[10]。在Anderson等人[11]的平行實驗中，冬季里只種植苔蘚的測試床比只包含基質(zhì)或者含有維管束植物的測試床能夠多保留12%～23%雨水。在建造綠色屋頂時，將能夠在冬季靠高結(jié)構(gòu)性持水量活躍的苔蘚與夏季活躍的維管植物結(jié)合起來，就可以維持屋頂?shù)挠晁畯搅髁颗c蒸騰模式，從而改善屋頂全年的雨水徑流控制效果[12]。

與冬天相比,植被對夏季雨水滯留的作用較為明顯。然而,這種效應(yīng)的強(qiáng)烈程度依賴于降雨量的大小，這與其他研究的結(jié)果是一致的。一些研究表明綠色屋頂雨水保留量的多少取決于降雨的大小、強(qiáng)度和頻率，以及基質(zhì)的飽和水平和氣候條件[4,13,14,15]。VanWoert等人[5]和Getter 等人[16]的研究中均表明，在降雨量較小時，含有植被的屋頂和僅含基質(zhì)的屋頂對于雨水的保留作用沒有明顯的差異，這與本研究的結(jié)果一致。

關(guān)于綠色屋頂植物用水模式方面的詳細(xì)研究，Berghage 等人[6]表明,屋頂徑流的多少能夠強(qiáng)烈的通過植物蒸騰速率、與降雨時間和強(qiáng)度大小之間的相互作用反映出來。在他們的研究中，景天屬植物種植的綠色屋頂與僅含基質(zhì)的屋頂所發(fā)生的蒸騰失水量差異最大發(fā)生在飽和降雨后的3～6 d里。他們的結(jié)論是，在濕潤的環(huán)境中，連續(xù)發(fā)生較小量的降雨時間時，植被可能對雨水徑流管理具有很大的影響作用 (比僅含基質(zhì)的屋頂高大約40%)，而干旱環(huán)境則相反。與僅含基質(zhì)的屋頂相比，在六次夏季降雨事件中，本試驗中有植被種植的屋頂將雨水保留量僅提高了約13%。這一結(jié)果支持了Berghage 等人[6]提出的假設(shè)，即植被在相對干旱的條件對雨水徑流管理的貢獻(xiàn)將會減少。

筆者結(jié)果表明，從潮濕的冬季到干燥的夏季，植被的覆蓋面積從69%上升到83%，植被覆蓋面積的增加也會影響雨水保留量的結(jié)果。地上生物量的增加,根系的發(fā)育,植被的成熟和土壤結(jié)構(gòu)的變化都可以影響雨水的保留量[9,16]。Getter等人[16]表明一個建造了五年的綠色屋頂?shù)某炙渴切陆ㄒ荒昃G色屋頂?shù)膬杀丁９P者研究中，在雨季的開始的時候, 有植被的測試床的植物根部開始發(fā)育，并且深入進(jìn)基質(zhì)中。因此，由于季節(jié)性差異的存在，蒸騰作用可能對試驗結(jié)果起主導(dǎo)作用。

綠色屋頂?shù)墓芾砭褪且粋€將氣候環(huán)境和雨水功能結(jié)合起來的實踐過程。在夏季干旱地區(qū)或經(jīng)歷季節(jié)性干旱地區(qū),灌溉對于維持淺層綠色屋頂上的植物來講是必不可少的[17]。在我們目前的研究中,在夏季的強(qiáng)降雨事件中(28.96 mm)，灌溉能夠顯著降低雨水保留量。這表明, 在不連續(xù)且中強(qiáng)型降雨事件中,灌溉可能阻礙雨水徑流的功能，比如大多數(shù)建造在在美國西南部的植被都會減少額外灌溉的需求，這將有益于資源合理利用和雨水功能的發(fā)揮[8]。

越來越多的研究證據(jù)表明,綠色屋頂植被對雨水徑流的作用大小高度依賴于不同區(qū)域的特定氣候條件。在筆者研究中,植被在相對干燥的夏季能夠增強(qiáng)雨水的功能。然而,這一結(jié)果進(jìn)行說明時應(yīng)特別注意，筆者研究只持續(xù)了一年，因此，要評估多年、多種氣候下季節(jié)性雨水對植物的性能的影響，仍然需要更長期更進(jìn)一步的研究。筆者試驗中采用總徑流量來作為雨水性能的指標(biāo)。

綠色屋頂?shù)牧硪粋€關(guān)鍵性能是能夠推遲徑流進(jìn)入排雨系統(tǒng)的時間，即使在強(qiáng)降雨期間屋頂?shù)娜莘e率達(dá)到飽和，綠色屋頂仍然可以延緩徑流峰值出現(xiàn)的時間，并且降低下水道溢出的風(fēng)險[15,18]。植被蒸騰速率可能對徑流的延遲不起主導(dǎo)作用，例如,地上和地下的植被結(jié)構(gòu)均能減緩水流通過綠色屋頂?shù)乃俣取９P者試驗中，由八種植物物種構(gòu)成的綠色屋頂性能的差異性體現(xiàn)在植被季節(jié)性的特征變化上，本研究對這部分差異性尚且未做測試。

這項研究的結(jié)果凸顯了綠色屋頂植物的選擇需要注意地域性。評估植物不同種類在特定環(huán)境條件中的表現(xiàn)，對于發(fā)展適應(yīng)地域性雨水功能的綠色屋頂植物來講是必不可少的，尤其對我國東南部天氣多變的地區(qū)，降雨模式的不同對綠色屋頂雨水性能構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。在選擇植物時，既需要研究植物在性能性狀上的特異性差異，也需要研究不同植物組合的綜合性能[7]。當(dāng)然，雨水管理只是綠色屋頂一個潛在的理想功能。除此之外，綠色屋頂?shù)闹参锝M分是其他衍生服務(wù)的主要來源，如為動物和昆蟲提供棲息地、加深美學(xué)效應(yīng)、利用植物蒸發(fā)降溫、緩解城市熱島效應(yīng)、緩解空氣污染和延長屋頂膜壽命[3,4,19,20,21]。這些目標(biāo)功能之間存在著潛在的權(quán)衡和沖突，特別是在面臨環(huán)境限制的情況下。此外，這些服務(wù)的相對重要性可能因?qū)嶋H情況而異。因此，考慮到區(qū)域氣候造成的環(huán)境限制，植被在設(shè)計時需要進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化特定的目標(biāo)功能。