半地下建筑頂板不同覆土厚度綠化的生態效益研究

孫宏彥

謝軍飛

舒健驊

李延明*

針對中國土地資源匱乏、城市綠化覆蓋率低的現狀，合理開發利用地下空間并進行覆土綠化是現代生態城市建設的一個積極探索，也是我國大城市發展的特色需求。地下半地下建筑覆土綠化是兼顧建筑空間拓展和綠化生態效益的產物，但國內外相關研究極少。相關研究主要集中在屋頂綠化上，研究表明，屋頂綠化在夏季可有效降低屋頂的表面溫度、減小溫度波動幅度，有利于改善城市熱環境[1-2]。與無綠化屋頂相比，屋頂綠化可使屋頂溫度在冬季升高5～10℃，夏季降低10～20℃[3-4]，進而減少建筑能耗，削減建筑空調系統的容量及系統運行的時間和強度[5]。除此之外，屋頂綠化在截留雨水方面也可發揮重要作用[6-8]。屋頂綠化與建筑頂板覆土綠化息息相關，但屋頂綠化多采用輕型基質，而建筑覆土綠化則采用綠地土壤，因此屋頂綠化相關研究不能直接指導建筑覆土綠化實踐。目前，北京[9]、上海[10]、廣州[11]、深圳[12]等地雖有屋頂綠化覆土厚度的相關規定，但這些規定大多基于宏觀調研，尚無精確試驗數據支撐。為解決行業急需的技術問題，北京市園林綠化科學研究院建造了模擬半地下空間的建筑覆土綠化試驗站，旨在從植物生長、增濕降溫、能量流動和雨水蓄積等方面開展系統研究，一方面填補相關研究領域的空白，另一方面可為我國地下空間覆土綠化土層厚度的應用和相關標準的制訂提供科學依據。

1 研究方法

1.1 試驗地布設

本研究在北京市園林綠化科學研究院內建成的建筑覆土綠化試驗站進行。試驗站為長方形建筑，長30.5m、寬8m，總面積為244m2。建筑為半地下式建筑，其中地下部分為1m，地上部分為1.1m，建筑內部分割為14個3.5m×3.5m的獨立空間。建筑內各空間頂部對應14個3m×3m的露地種植池，池內鋪設耐根穿刺防水卷材。在種植池中設5個不同覆土厚度處理(圖1)，分別為0(即不覆土)、0.2、0.5、1.0、1.5m，同時設3個地面種植對照。

圖1 建筑頂板覆土綠化種植設計平面圖

1.2 植物種植

不覆土對照不種任何植物；0.2m覆土處理的3個種植池內種植佛甲草地被；其余處理采用相同種植模式，種植喬灌木組合植物，包括油松、白蠟、金銀木、大葉黃楊和獨干紫薇各1株。植物規格如表1所示。

表1 種植池內植物規格

1.3 灌溉管理

在每個種植池內鋪設全自動滴灌系統，灌溉系統中配置有過濾器、穩壓閥等裝置，確保相同處理的每個種植池在相同時間內獲得的灌溉量基本一致。

1.4 儀器安裝和數據采集

根據土壤厚度，分別在距離地表10、35、75、125cm處埋設土壤水分探頭(CS650，Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國)，各覆土處理在屋頂表面安裝熱通量探頭(HEP01-15m，Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國)，每個房間頂部正中位置安裝溫度探頭(109，Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國)，每個種植池灌水主管道處安裝DLJ50流量計(Daniel L.Jerman Co.，Hackensack，新澤西，美國)。上述探頭均與CR1000數采器(Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國)相連，每小時自動采集一次數據。各覆土處理排水口下方設置自計式雨量筒，雨量筒下方設置儲水容器。試驗站旁安裝ET107氣象站(Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國)。

1.5 地表覆蓋度測定

2015年4月—2016年10月，每月中旬測定每個喬灌木樹池內的覆蓋度。將每個3m×3m的樹池平均分隔為100個30cm×30cm的小方格，測定每個小方格中心位置是否被植物覆蓋，若覆蓋，記為1，若無覆蓋，記為0。被覆蓋的方格百分數則為每個樹池的覆蓋度。

1.6 試驗期間天氣情況

試驗期間的氣象條件均屬于北京地區正常的氣候狀況(圖2)，降雨量集中在6—8月，2015和2016年降雨量分別為585和616mm，總降雨量略低于30年平均降雨量644mm。2015年雨季最大降雨量發生在6月26日，單日降雨量為72.8mm；2016年最大降雨量發生在7月20日，單日降雨量為228mm，形成了“7·20”特大暴雨。日均溫在冬季12和1月處于低谷，2月氣溫逐漸回升，6—8月氣溫處于頂峰。日潛在蒸散量在冬季12和1月處于低谷，低于1mm，5—8月處于高峰，日潛在蒸散量可達5～6mm。

圖2 2015、2016年日降雨量、日潛在蒸散量ETo和日均溫

1.7 數據處理和分析

月蒸騰量利用水量平衡法計算獲得，計算方式為：

ETa＝降雨＋灌溉＋土壤水分變化－淋失液

2 研究結果

2.1 不同覆土厚度綠地對植物蒸騰耗水的影響

由圖3可知，不同覆土厚度處理的月潛在蒸散量與日蒸騰量年度變化規律基本一致，即1—3月蒸騰量極低，4月快速上升，5—8月處于高峰，8月以后逐漸下降；2015和2016年潛在蒸散量最高月份均為5月。各覆土處理的月蒸騰量整體趨勢與潛在蒸散量也基本一致，蒸騰量最高的時間為7—8月。在蒸騰旺盛的5—10月，各處理隨著覆土厚度的增加，實際蒸騰量也隨之增加。2015和2016年7—8月，1.5m覆土處理蒸騰量顯著高于其他覆土處理(p＜0.05)，0.2m覆土處理則顯著低于其他覆土處理(p＜0.01)。2015年1.0和0.5m覆土處理月蒸騰量無顯著差異，2016年1.0m覆土處理蒸騰量則顯著高于0.5m(p＜0.05)。其他時間各處理間無顯著差異。與潛在蒸散量相比，0.2m覆土處理與之相近，其他3個覆土處理實際蒸騰量顯著高于潛在蒸散量。

圖3 2015和2016年不同覆土厚度處理每月實際蒸散量

2015和2016年蒸騰總量趨勢一致，隨著土壤厚度的增加，蒸騰量隨之增加(圖4)。將年度蒸騰總量與土壤厚度進行線性回歸發現，年蒸騰總量與土壤厚度高度相關，2015和2016年的R2值分別為0.96和0.97。

圖4 2015和2016年不同覆土厚度處理年蒸騰總量

2.2 不同覆土厚度綠地對建筑溫度的影響

各覆土厚度處理房間內，日溫差呈現春季快速升高，至4—5月達到頂峰，隨后夏季逐漸下降，12月和翌年1月降至最低的趨勢(圖5A)。在日溫差急劇上升的3—5月，各覆土處理日溫差呈現出1.0m＞0.2m＞0m＞0.5m＞1.5m的趨勢，而在其他時間，各處理日溫差呈現出0m＞0.2m＞1.0m＞0.5m＞1.5m的趨勢。

10日平均熱通量結果顯示，不覆土處理熱量交換極其劇烈，尤其在夏季高溫季節，10日平均熱通量可達2MJ/d/m2，春秋季節熱通量變化趨緩，但10日平均熱通量變化仍在0.6～1.0MJ/d/m2區間(圖5B)。4個覆土處理相對不覆土對照，均極顯著降低了熱量交換(p＜0.001)，且對于夏季的熱量交換降低程度顯著高于冬季。其中0.2m覆土處理表現尤為突出，冬季(11月—翌年2月)10日平均熱通量約為不覆土處理的70%，而夏季則為不覆土處理的約20%。0.5、1.0、1.5m覆土處理熱通量變化則被極顯著降低(p＜0.001)，全年10日平均熱通量變化基本都在0.3MJ/d/m2以內。夏季平均熱通量約為不覆土對照的1/10，冬季約為不覆土對照的1/5(圖5B)。

圖5 各覆土處理的室內10日平均溫差(A)和屋頂熱通量(B)

2.3 不同覆土厚度綠地對雨水蓄積的影響

2015年6—8月降雨量大于5mm的降雨過程共有15次，其中0.2m覆土處理產生滲濾液12次，0.5m覆土處理產生滲濾液4次，而1.0和1.5m覆土處理僅在2015年6月26日出現72.8mm強降雨的情況下產生少量滲濾液。降雨量小于5mm的情況下，除0.2m覆土處理由于初始含水量較高，在6月13日出現過微量滲濾液外，所有單次降雨量小于5mm的情況下，各覆土處理均不會產生滲濾液(表2)。雖然0.2m覆土處理產生滲濾液的次數較多，但滲濾液總量顯著小于不覆土處理。

表2 2015年6—8月不同覆土厚度處理滲濾液產生情況及對應降雨量

覆土試驗站2015年5月11日—10月20日降雨總量為491.2mm。結果表明，在不覆土對照處理中，99.6%的雨水會淋失，而屋頂覆土可以顯著降低雨水淋失量，僅0.2m覆土即可將53.4%的雨水滯留，0.5m厚覆土處理可將雨水蓄積率提高至93.4%，1.0和1.5m覆土厚度的雨水蓄積率均達到99.5%以上。

2016年4月22日開展了模擬降雨強度為60mm的控制試驗，1.5和1.0m覆土厚度均無滲濾液淋出，而0.5和0.2m覆土厚度出現滲濾液，0.2m覆土厚度在出現大量滲濾液后即關閉灌溉，總模擬降雨量尚未達到60mm(表3)。

2016年5月27日開展了從干旱至飽和的最大蓄水量測定試驗(表3)。結果表明，土壤的最大蓄水能力與土壤厚度呈線性正相關，R2值為0.99(圖6)。土壤最大可蓄積水量=0.24×土壤厚度。隨著土壤厚度的增加，土壤的最大可蓄積水量隨之增加，在本研究土壤條件下，每增加10cm厚度的土壤，最大可蓄積24mm的降水。

表3 模擬灌溉試驗不同覆土厚度處理灌溉量和滲濾液淋出量

圖6 不同覆土厚度土壤與最大蓄積水量間的線性關系

2.4 不同覆土厚度綠地植物地上部生長情況

各處理在4月覆蓋度最低，均在40%～50%，之后覆蓋度迅速增加，5月增至85%左右，7—8月覆蓋度基本穩定，至9月達到峰值，10月開始下降。這是由于4月正是植物開始萌發展葉的時期，覆蓋度較低；至5—6月葉片基本展開，新梢長度迅速增加，覆蓋度迅速提高；7—9月植物生長基本穩定，覆蓋度隨時間逐漸升高；10月開始落葉，覆蓋度相應降低(圖7)。

除4月外，0.5m覆土厚度處理的地表覆蓋度在整個生長季節均低于1.5、1.0m覆土和地面對照處理。4月樹木正處于展葉期，而白蠟展葉時間個體差異顯著，因其體量較大，對覆蓋度影響較大。在植物進入5月旺盛生長季節后，1.5、1.0m覆土和地面對照處理間覆蓋度及植物長勢無顯著差異，但二者整體生長情況優于0.5m覆土厚度處理。

3 討論

3.1 覆土土層越厚，生態效益越好

植物蒸騰是一個降低環境溫度、增加空氣濕度的過程。該過程會吸收大量熱量，降低環境溫度。因此，本研究中每個處理種植池的月蒸騰量可以在一定程度上代表綠地的增濕降溫效益。在整個植物生長季節，木本植物群落(0.5、1.0、1.5m覆土)月蒸騰量顯著高于佛甲草地被(0.2m覆土)(p＜0.01)，表明木本植物具有較高的改善微環境的生態效益，這與張彪等[13]、張文豹等[14]、陳朱等[15]、紀鵬等[16]、徐高福等[17]的研究結果一致，也與魏艷萍[18]、吳艷艷等[19]和鄒敏等[20]得出的重型屋頂綠化增加空氣濕度的效果優于輕型屋頂綠化的研究結果一致。這一結果也表明，建筑覆土綠化在有條件的地方應大力推廣，且應優先考慮生態效益最好的喬灌草復式種植。

5月之后，各處理植物葉片完全展開，月蒸騰量進入頂峰時期，因此5—8月生長季節是園林綠化樹種發揮增濕降溫效益的關鍵時期，與張艷麗等[21]的研究結果一致。0.2m覆土厚度種植的佛甲草地被，蒸騰面積取決于地表覆蓋度[22]，因此在水分充足的條件下，實際耗水接近ETo。0.5m以上覆土處理種植的植物為5種樹木的組合，實際蒸騰面積應為冠層的表面積，因此實際蒸騰面積遠大于1，相應的實際蒸騰量遠大于ETo。對于0.5、1.0、1.5m 3個覆土厚度來說，實際蒸騰面積取決于植物體量大小，隨著覆土厚度的增加，樹木的月蒸騰量也隨之增加(圖3)。這一結果表明，土層越厚，越有利于植物生長，植物生長越快、體量越大，相應的生態效益也越高。

3.2 0.5m以上覆土可顯著減少屋頂熱量流動，夏季降溫、冬季保暖

不覆土處理極為劇烈的熱量交換表明屋頂表面經歷了較大的溫差變化，而覆土處理顯著降低了屋頂熱量交換，即使最薄的0.2m覆土處理，也將屋頂的熱量交換降低了50%以上。這與鄭星等[1]的研究結果一致，表明覆土綠化有利于改善城市熱環境。0.5m以上覆土厚度處理則進一步將屋頂熱量交換降低了80%～90%。這一結果表明，隨著土壤厚度的增加，土壤對溫度和熱量的緩沖作用增加。結合室內溫度數據可以發現，覆土厚度為0.5m以上時對房間內會有顯著的夏季降溫、冬季保暖的作用。本研究在沒有室內控溫措施的條件下進行，且房間較小，較易受到環境溫度影響。與不覆土對照相比，0.5m以上覆土處理室內氣溫夏季降低2～3℃，冬季升高1～3℃。

與不覆土對照相比，0.2m覆土厚度處理在冬季與不覆土對照室內溫度基本一致，而在夏季則低于不覆土對照室內溫度，表明0.2m覆土厚度處理在夏季具有一定的降溫效果，而冬季則保溫效果不明顯，這與趙定國等[4]、楊真靜等[23]、馮超意等[24]的研究結果一致。1.5、1.0、0.5m 3個覆土厚度處理房間內溫度在夏季基本一致，均在夏季低于、冬季高于0.2m覆土厚度處理和不覆土對照。這一結果表明，與不覆土對照和0.2m覆土處理相比，0.5、1.0、1.5m覆土厚度處理均在夏季有明顯的降溫效果，在冬季均具有明顯的保暖效果，與熱通量結果一致。從環保角度出發，采用0.5m的覆土厚度即可達到顯著的節能減排效果。

3.3 覆土土層越厚，土壤對雨水的蓄積能力越強

各覆土厚度處理在滯留雨水方面均可發揮明顯效果。0.2m覆土厚度可滯留10mm以下單次降雨，0.5m覆土厚度可滯留30mm以下單次降雨，1.0和1.5m覆土處理則可滯留北京地區氣候條件下幾乎全部綠地降雨量。2015年5—10月，0.2、0.5、1.0和1.5m覆土厚度分別滯留雨水262.3、458.8、489.1和489.6mm。結果表明，土層越厚，可以截留的雨水越多，雨水的利用率越高，這與Buccola等[6]和曹金露等[25]的研究結果一致。在2015年的氣候條件下，0.2m覆土厚度的年度雨水蓄積率為53.4%，與Stovin等[26]的研究結果一致。這一結果表明，覆土厚度在0.5m以上即可實現大部分雨水的利用。

通過60mm強度降雨模擬試驗可知，在土壤初始含水量較低的情況下，各覆土厚度處理均可顯著減少城市雨洪，而1.0m以上覆土厚度可以完全吸納北京市暴雨的降雨量，將屋頂雨水外排量降為0。而從干旱至飽和的灌溉試驗表明，土壤的最大蓄水能力與土壤厚度呈線性正相關，隨著土壤厚度的增加，土壤的最大可蓄積水量隨之增加，與張華等[27]、張彥婷等[28]的研究結果一致。土壤實際蓄水能力與土壤接收降雨或灌溉前的土壤實際含水量有關。本研究表明，當土壤非常干旱時，其蓄水能力顯著增強，而當土壤水分充足或飽和時，可蓄積的水分則顯著減少，這與李淑英[29]在草坪式屋頂綠化上的研究結果一致。根據2016年“7·20”暴雨的實際觀測結果可知，1.0和1.5m覆土厚度均幾乎完全吸納了228mm的單日降雨，且所有覆土處理均可顯著延遲雨水外排的時間。因此，從緩解城區雨洪壓力的角度出發，1.0m覆土即可實現雨水蓄滯和錯峰的作用，減少屋頂雨水外排。

3.4 土層越厚，越有利于木本植物生長

在開展本研究的2015和2016年，即建筑覆土綠化試驗站建成的初期，1.5和1.0m覆土厚度處理在水分充足的條件下，植物生長較好，長勢與地面處理差異不大，而0.5m覆土處理生長相對較差。但在覆土站建成后的第6年(2020年)，與地面對照相比，即使1.5m覆土厚度也對植物生長產生了顯著抑制作用，這表明短期內建筑覆土綠化植物的生長與樹木種類和覆土厚度密切相關，但長期的生長狀況仍不如地面常規綠地中的植物。不同木本植物的土層需求不同：灌木土層應在0.5m以上，小喬木和大喬木則應分別大于1.0和1.5m。因此，為兼顧整體生態功能，建筑頂板覆土厚度應不低于1.5m。

4 結論

綜上，在有條件的地方進行建筑頂板覆土綠化，是解決大城市土地資源匱乏、綠化覆蓋率低等問題的重要舉措，但要充分發揮建筑頂板覆土綠化在增濕降溫、節能減排、雨水蓄滯等方面的生態效益，覆土厚度應在1.5m以上。

注：文中圖片均由作者繪制。