濕熱地區輕薄綠色屋頂不同種植基質中植被生長表現績效研究

劉 璨

李玉菲

劉家琳*

2011年中國城市化率已突破50%[1]。城市化導致水文環境惡化、生境破碎、熱島效應加劇等嚴峻的“城市病”問題。綠色基礎設施被視為能夠適應、緩解城市環境問題最有效的工具之一[2]。如何在土地資源緊張的城市建成區中挖掘更多的綠色基礎設施用地，是城市管理者面臨的巨大挑戰。近年來，綠色屋頂景觀受到跨學科領域的持續關注[3-8]。在密集中心城區，傳統屋面能占到不透水面積的40%～50%[9]。綠色屋頂具有極大潛力成為密集城市化環境中關鍵的綠色基礎設施要素[10]，其能夠提供雨洪管理、增加生物多樣性與生境棲息地、緩解熱島效應、調節建筑熱環境等[11-13]。德國、北美地區建筑屋面的綠色屋頂普及率較高[14]，多以輕薄綠色屋頂類型為主，其對建筑荷載要求低(基質層深度不超過20cm)、易實施、抗旱性強、建設維護成本低，適合普通屋面廣泛綠化[15]。國內隨著海綿城市理念的推廣，輕薄綠色屋頂的應用開始增加，但設計類型仍單一[14]。

重慶具有山地多維城市化的空間特征，適合應用輕薄綠色屋頂技術進行普通屋面的廣泛綠化。然而，基于重慶主城區定點隨機抽樣的20處綠色屋頂案例勘查顯示，90%的案例為集約型花園式，覆土深度1m以上，以喬灌群落栽植為主，其荷載與建設成本高，難以大面積推廣；僅有2例采用了輕薄綠色屋頂，均為佛甲草地毯式屋面，景觀效果受限。

國際綠色屋頂的研究與實踐提倡應用本土適宜性強的混合草本群落及其適用基質[16-17]。從廣泛屋面綠化低成本、抗性強、景觀視覺佳的營造需求出發，極有必要拓展兼具觀賞性、抗旱性、保水性的輕薄綠色屋頂的草本植被應用種類、基質類型。國內少見針對混合草本群落綠色屋頂，進行植被群落生長的持續監測研究。近年國際綠色屋頂的研究中提倡采用區組條形重復隨機實驗設計方法，將植物層、基質層等設計變量融入實驗，排除非設計變量對數據統計的干擾[3]。

本研究立足以重慶為代表的亞熱帶濕熱氣候條件，聚焦輕薄綠色屋頂景觀，構建具有多種混合草本群落、輕質保水基質類型的綠色屋頂模塊實驗平臺，通過長期監測，明晰該設施的植被生長表現績效，提出以草本植物為基底的植物種類與種植基質的應用建議，對亞熱帶濕熱氣候條件下城市密集區綠色基礎設施的構建具有積極的基礎研究意義。

1 研究方法

1.1 輕薄綠色屋頂模塊實驗平臺構建

1.1.1 實驗場地

輕薄綠色屋頂模塊實驗平臺位于重慶市西南大學校內一處開闊且光照充分的戶外高地硬質平臺。重慶市屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16～18℃，7、8月氣溫高達40℃以上。年平均降水量大部分地區在1 000～1 350mm，雨季為5—9月，微風和靜風天較多[18]。

1.1.2 實驗設計布局

實驗設計變量包括2類典型混合種植群落，即多年生草花混合群落(F)和觀賞草混合群落(G)，以及4種不同原料配比的種植基質A、B、C、D，基質深度均為20cm。共8種實驗處理模塊，每種實驗處理模塊設置3個重復度，共設置24個實驗種植槽，每個種植槽規模為1.2m×1.2m，采用區組條形重復隨機實驗設計法進行種植槽平面布局。種植槽中設置保溫隔熱層、排水板、過濾土工布、種植基質等綠色屋頂完整的下墊面結構(圖1)。

圖1 輕薄綠色屋頂模塊實驗平臺

1.1.3 植物選擇

每種混合群落含6種植物種類，選定種類在露地栽培中具有本土適宜性、喜光、耐旱、耐澇和低維護營養特征，以預判其能適應綠色屋頂嚴苛的小氣候環境條件。每個種植槽含6種植物，每種植物3個重復度，共18株植物，采用完全隨機分布法進行列植，避免邊緣效應影響(表1，圖2)。

圖2 輕薄綠色屋頂實驗平臺植物隨機布局

表1 實驗平臺植被種類基本特征

1.1.4 種植基質

種植基質采用本土易獲取且在國際研究中綠色屋頂應用的幾種典型輕質原料，并考慮草本植被根系生長特性與低灌溉維護管養需求，包含多種保水性原料與不同粒徑的輕質骨料。基質理化特征由重慶市風景園林科學研究院土壤所檢測，4種基質的有機物含量控制在2%～11%，以盡量減少對徑流水質的影響。

1.1.5 氣候監測

實驗平臺采用Meter公司的ATMOS14傳感器監測空氣溫度和相對濕度，采用太陽總輻射傳感器監測太陽總輻射量，采用高精度雨量計監測降雨量。監測設備裝配在2個1.5m高的三腳架上，周邊無遮擋，采集間隔時間為15min。實驗在2020年7月初—12月末進行持續監測。

1.1.6 實驗平臺灌溉與維護

為保證植物在第一個生長季的存活率，于2020年7月15日—9月8日，在天氣炎熱室外溫度35℃以上時，每日傍晚采用高壓長桿灑水槍對24個實驗槽進行人工澆灌[3]。

依據天氣炎熱程度與植被狀況，采用1min或1min30s 2種灌溉時長。每次灌溉時，每個種植槽灌溉時間一致。灌溉時間為1min時，每個種植槽獲得水量平均為13.57L。灌溉時間為1min30s時，每個種植槽獲得水量平均為23.52L。9月8日后至第一個生長季結束，未實施灌溉。種植槽內雜草定期清除，避免影響植物生長與數據采集。觀賞草冬季休眠后割掉地上部分，利于來年春季生長。

1.2 植物生長指標

1.2.1 生長高度

本研究將植物生長高度(Growth Height，GH)作為12種植物的垂直生長指標，GH為生長季末期與初期2次株高測量數據的差值。株高為從基質表面植物基部到現存最高葉片頂端或最高種頭、花朵先端部位的距離。測量分別在2020年7月15日和12月10日進行。

1.2.2 地面覆蓋度

研究將地面覆蓋度(Groud Coverage，GC)作為植物群落的水平生長觀測指標[19]。由于疫情影響，觀測期開始時，觀賞草群落GC已經達到種植槽面積的80%～90%，故該指標僅針對多年生草花群落進行測定。GC值基于數字圖像進行分析提取。采集方法為：對種植槽進行水平頂視圖拍攝，拍攝距離均為1.55m，拍攝日為晴天，拍攝時間為10：00—14：00，拍攝間隔為7～10d。照片使用ImageJ 1.46r軟件進行圖像處理[20]。GC值以種植槽為單元進行統計，為種植槽中植被覆蓋的總面積除以種植槽總面積。該指標在2020年7月20日—9月1日采集。

1.2.3 植物存活率

植物存活率(Survival，SU)記為12種植物的生存指標。死亡植物標記為“0”，存活植物標記為“1”[21]。植物死亡的認定標準為：植被地上部分完全干涸枯萎或整株葉片萎蔫，植株易從土中拔出，須根已完全腐爛，澆水后未發出新芽[22]。該指標于植物第一個生長季結束后，于2021年3月23日觀測。

1.2.4 視覺外觀指數

研究將視覺外觀指數(Visual Appearance，VA)作為評估12種植物生長視覺表現的指標，該指標分為5個評價等級[23-24]：1=植株葉片幾乎全部干枯或休眠，有明顯的褐變和枯萎跡象；2=植株葉片超過半數萎蔫，植株中保持新鮮葉片的數量不足50%；3=植物部分葉片痿焉或休眠，植株中保持新鮮葉片的數量在50%～75%；4=植物葉片輕微萎蔫或休眠，植株中保持新鮮葉片的數量超過75%；5=植株無萎蔫或休眠，植株所有葉片新鮮。該指標采集間隔為每周一次，觀測期為2020年7月15日—12月25日。

1.2.5 葉片氣孔導度

研究將葉片氣孔導度(Stomatal Conductance，SC)作為反映植物抗旱表現特性的指標之一[25]，通常SC值越低，表明植被葉片氣孔閉合度越高，以防止更多水分喪失[26]。研究采用Meter Group儀器公司SC-1葉片測定儀對其進行測定。在12種植物中，選擇葉片寬度能夠覆蓋傳感器探頭孔徑的6種植物進行測定，即闊葉山麥冬、翠蘆莉、花葉蒲葦、花葉芒、斑葉芒和紫竹梅。每次測定前對傳感器探頭進行現場校準，隨機選擇植物飽滿成熟的健康葉片進行測定。測量時間為晴天觀測日的10：00—16：00[3]，采集間隔為7～10d，實驗時間為2020年7月24日—9月9日夏季高溫時段。

1.3 基質體積水分含量

基質體積水分含量(Volumetric Water Content，VWC)是影響植物生長狀況的重要因素之一[26]。研究采用METER公司5TM土壤水分傳感器，對種植觀賞草群落的12個種植槽內的基質進行VWC監測。傳感器安裝在整個種植槽幾何中心，并完全插入基質中，與基質緊密結合[27]。由于5TM傳感器測定值僅對自然土壤進行過通用校準，本研究針對4種不同的種植基質對傳感器監測數據分別進行單獨校準，采用取樣烘干稱重測定法、線性分析法獲取每種基質的校對公式[28]。基于校對公式與監測數據得到研究實驗槽中4種種植基質的真實體積含水量。

1.4 數據分析

研究利用SSS 17.0進行數據分析。采用Kolmogorov-Smirnov Test對觀測數據進行正態分布檢驗，本實驗數據均符合正態分布特征。

采用單因素ANOVA檢驗法對不同指標數據進行差異性檢驗，當P值小于0.05時認為其差異顯著。對于有顯著差異的數據，利用事后多重檢驗確定其顯著性差異的位置。利用Pearson分析法對4種基質VWC數據與小氣候數據進行相關性分析。

2 研究結果

2.1 生長高度

圖3、4顯示了2種植物群落中植物生長高度(GH)。由于花葉蒲葦、闊葉山麥冬、翠蘆莉未觀測到GH生長量，故未納入該指標圖示中。

圖3 觀賞草群落生長高度

圖4 多年生草花群落生長高度

除細葉芒外，其他植物種類在4種基質中的GH值沒有顯著差異，說明4種基質對多數植物高度生長的支持促進作用沒有顯著差異。

2.2 地面覆蓋度

圖5顯示了多年生草花群落中的地面覆蓋度(GC)變化情況。整體來看，7月20日—8月4日，多年生草花群落GC呈上升趨勢，但8月4—18日由于藍花鼠尾草大量掉葉，群落的GC值整體下降；8月18日—9月1日，由于紫竹梅生長旺盛，整體GC值上升，但最終GC值并未超過8月2日的最大值。

圖5 多年生草花群落地面覆蓋度

多年生草花群落GC值在4種基質中有明顯差異(P值0.000)。C、D基質中的GC值高于A、B基質，但在C、D基質中GC并無顯著差異。說明C、D基質對實驗中的多年生草花群落GC指標有較好的促進作用。

2.3 植物存活率

結果表明各植物種類在4種基質中的存活率(SU)沒有顯著差異。12種植物中有7種植物SU為100%，分別為闊葉山麥冬、藍花鼠尾草、紫竹梅、中國石蒜、斑葉芒、細葉芒、花葉芒。此外翠蘆莉SU為78%，地被石竹SU為89%，金葉苔草SU為89%，花葉蒲葦SU為86%，小兔子狼尾草SU為97%。

2.4 視覺外觀指數

圖6、7顯示了2種群落12種植物的視覺外觀指數(VA)平均值變化趨勢。整體來看，多年生草花群落植物的VA值區間大部分在3～5之間，其中闊葉山麥冬和中國石蒜在9月后保持在4.5以上的穩定值，其余種類9月后VA值逐步平緩下降。觀賞草群落中植物的VA值在9月后呈現明顯下降趨勢，在觀測期末其VA值均在2.5以下，說明由于觀賞草群落在10月中旬—12月逐步加深休眠，視覺觀賞性相對較低。整體而言多年生草花群落VA值優于觀賞草群落。

圖6 多年生草花群落視覺外觀指數趨勢變化

圖7 觀賞草群落視覺外觀指數趨勢變化

對11種植物的VA值進行差異分析(中國石蒜由于在9月后才出芽，故未納入整體分析)的結果表明，闊葉山麥冬的VA值與其他植物種類相比有顯著優勢(P值0.000)。觀測期內VA均值的表現優勢順序為：闊葉山麥冬＞紫竹梅＞藍花鼠尾草＞翠蘆莉＞斑葉芒＞細葉芒＞花葉芒/地被石竹＞小兔子狼尾草/金葉苔草＞花葉蒲葦(“＞”符號前后植物種類的指標數值有顯著大小差異，“/”符號前后植物種類的指標數值無顯著差異，以下同)。

2.5 葉片氣孔導度

圖8顯示了夏季高溫期觀測植物的氣孔導度(SC)變化趨勢。7月24日—8月底間，SC隨時間逐步下降，并在8月底日均氣溫最高、相對濕度最低時達到最低值，此時天氣炎熱，葉片水分流失，造成SC普遍下降。花葉蒲葦的SC值與其他觀測植物相比顯著較低(P值0.000)，其抗旱反應突出。以整體觀測期的SC值為判斷依據，植物葉片氣孔閉合程度的高低為：花葉蒲葦＞紫竹梅/闊葉山麥冬＞花葉芒/斑葉芒＞翠蘆莉。在8月底日均氣溫最高、相對濕度最低時，所有觀測植物的SC值接近，均低于100mmol/m2s，說明此時實驗觀測植物的葉片普遍氣孔閉合度高，抗旱反應強烈。

圖8 觀測植物葉片氣孔導度均值

2.6 基質體積水分含量

圖9顯示了觀測期內4種基質的體積水分含量(VWC)變化趨勢。不同基質的VWC值整體變化趨勢趨同。整體觀測期中，A、D基質的VWC值顯著高于B、C基質(P值0.002)，但A、D基質中VWC值無顯著差異。在8月7日—9月12日的高溫期中，D基質的VWC值顯著高于其他3種基質(P值0.000)。說明在觀測期中，A、D類基質在綠色屋頂設施的環境條件下具有相對較好的保水性，其中D基質在炎熱氣候條件下保水性表現最佳。分析顯示相對濕度與各基質VWC為較強正相關，降雨量與VWC為弱正相關。空氣溫度與VWC呈較強負相關，太陽輻射與VWC呈弱負相關。結果表明相對濕度和空氣溫度對基質VWC影響較大。

圖9 觀測期內日實驗平臺日均基質體積水分含量曲線

3 討論

整體而言，實驗平臺上多數植物種類有較高的存活率，少部分植物如小兔子狼尾草、金葉苔草、花葉蒲葦在12月之前出現部分植株死亡，死亡植株桿莖的基部位置多高于或低于正常基質表面，可能是由于栽培方式不當對其生長產生了負面影響，導致其入冬死亡。12—3月翠蘆莉死亡率上升，很可能是因為該時段的低溫霜降事件導致翠蘆莉死亡，表明翠蘆莉耐寒性不佳，在無過冬保護措施下，其不適宜輕薄綠色屋頂相對嚴苛的生境條件。此外依據觀測，部分地被石竹的死亡可能是因為紫竹梅匍匐莖貼地生長的方式侵占了其生存空間。紫竹梅的生長方式可能會對部分桿莖纖細的低矮植物生長造成影響，建議其應用時與桿莖較為強韌的植株混合種植。

葉片氣孔導度(SC)分析表明，花葉蒲葦、花葉芒、斑葉芒、紫竹梅、闊葉山麥冬、翠蘆莉在觀測期內極端高溫低濕條件下均值表現出了較強的抗旱反應特征，相關前述研究也表明上述植物抗旱性強[29-32]。綜合VA、SU、SC的分析結果，本研究中闊葉山麥冬、紫竹梅、藍花鼠尾草、細葉芒、花葉芒、斑葉芒在輕薄綠色屋頂環境條件下有更好的綜合生長表現。

研究結果表明多年生草花群落地面覆蓋度(GC)在D基質中達到78%以上，有顯著優勢，可能是由于D基質中0.25mm以下的細密顆粒占比達到29.8%，在4種基質中相對較高，有利于草花群落根系的生長。此外，在蓋度監測期間，D基質體積水分含量(VWC)顯著較高，利于給植物根系供給水分，上述原因綜合使得D基質中有良好的蓋度指標表現。綜合CV、VWC的分析結果，同時考慮到德國景觀設計與園林建筑研究會(FLL)規定的有機物含量標準(低于8%)[33]，D基質(有機物含量＜4%)更適合在亞熱帶濕熱地區輕薄綠色屋頂的混合草本植被上長期應用。

結果表明相對濕度和空氣溫度對VWC值有較強相關作用，以往的研究文獻與該結論一致[34]。此外，9月13日至觀測期末，VWC的數值趨于穩定，可能是因為相對濕度和空氣溫度呈現出穩定趨勢，且植物整體逐步進入休眠，植物根系對基質水分吸收量減少，此時VWC值受植物及環境影響較小，在以往研究中也觀測到該現象[3]。

4 結論

本研究聚焦輕薄綠色屋頂景觀，構建具有2種混合草本植物群落及4種輕質保水基質的綠色屋頂模塊實驗平臺。綜合植被生長表現指標分析，斑葉芒、花葉芒、細葉芒、闊葉山麥冬、紫竹梅、藍花鼠尾草在輕薄綠色屋頂設施中表現優異，非常適合濕熱地區輕薄綠色屋頂植物造景應用。綜合第一個生長季期間，植物在4種基質中的生長表現及基質自身理化特性分析，具有細密顆粒配比的輕質保水型D類基質在輕薄綠色屋頂的草本植被群落上具有最明顯的應用優勢。本研究也存在局限性，實驗僅采集了第一個生長季度的實驗數據，且實驗場地有限導致所選植物種類有限，僅能反映實驗地區部分植物的生長狀況。此外，由于2020年初疫情影響，植物種植時間過遲導致蓋度等數據的采集時間較晚，采集數據未能覆蓋整個生長季的全過程。后續研究將會在第二個生長季繼續進行更為全面的實驗數據采集和全面分析評估。

本研究探索了輕薄綠色屋頂混合草本群落的優勢植被應用種類及優勢應用基質。相比佛甲草屋面、單一草坪式屋面而言，拓展了兼具觀賞性、抗旱性、保水性的輕薄綠色屋頂優化構建方法和材料，具有基礎研究意義與市場應用價值。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：感謝西南大學李先源副教授、重慶市風景園林科學研究院王勝博士為實驗平臺的植物選擇提供建議；美國堪薩斯州立大學Kirkham教授為研究數據探討提供幫助；西南大學研究生李武肸、彭子岳、唐詩嫻、劉兆莉等參與實驗平臺搭建，以及鄭瑞為數據采集工作提供幫助。