城市特殊生境綠化技術研究
——以上海20年的研究成果為例

胡永紅 秦 俊 王紅兵

40多年來，中國城市的高速發展產生了縱向任性的高密度“水泥森林”和橫向無度的硬質鋪裝，僅上海中心城區就高達60%以上的不透水面[1]，引發了綠地空間嚴重縮水、熱島效應加劇、城市雨洪頻發等一系列嚴重的城市環境問題。2019年，上海中心城區人均公共綠地不足5m2，遠低于世界衛生組織推薦的人均公共綠地面積20m2[2-3]。隨著經濟社會發展和人民生活水平的提升，高密度的中心城區居民對美麗宜居城市環境的需求更加迫切。當前，解決人口密度大、綠化用地少與高質量實現擴綠增綠、滿足人們對美好生活向往的矛盾，成為公園城市建設的核心難題，開展路面、屋面、墻面及橋柱等城市特殊生境綠化成為城市高質量發展和城市品質提升的關鍵抓手。城市特殊生境綠化是指對城市建筑、構筑物等不透水表面重建生境、實施綠化，屬于城市園藝學范疇，關鍵是根據城市風土環境篩選適生植物，借助新材料和技術，讓植物在城市中與人工環境融為一體，并能長期持續生長。但由于缺乏對城市特殊生境難題的深刻認識，缺少相應的理論和技術支持，特殊生境綠化在我國發展一度較為緩慢。20世紀90年代上海進行了高架綠化的探索[4]，2004年上海的城市特殊生境綠化僅10多萬平方米[5]，約占當年綠地面積的0.04%。生境的特殊性對植物耐旱、耐陰等抗性能力，以及根系適應性要求嚴苛，適生種類少，篩選周期長，需綜合考慮建筑荷載、防水和排水，以及根系的容器限制等。

上海植物園、上海辰山植物園等科研團隊緊緊圍繞擴綠增綠的重大需求，立足上海，輻射全國，歷經近20年聯合攻關，遵循低維護、低造價和可持續原則[6]，解決了有限生長空間與植物持續健康生長之間的矛盾，提出了基于根冠平衡的有限空間生長理念，構建了特殊生境可持續綠化的技術體系，在植物收集選育、一體化介質模塊、低維護和標準化建管等方面取得一系列創新性成果(圖1)。技術成果先后示范應用于上海生態建筑示范樓、上海世博會主題館植物墻、上海進博會、北京世園會等重大工程，以及上海高架下橋柱綠化等，取得了顯著的經濟、生態和社會效益，被CCTV 1、CCTV 13、《人民日報》等重要媒體多次跟蹤報道[7-9]，引領上海乃至更大區域的屋頂綠化、墻面綠化、高架綠化等特殊生境綠化技術的創新發展。2017年，上海的特殊生境綠化已達350余萬平方米(https://www.sohu.com/a/235109024_548654)，成為國內主要示范城市之一。本文以上海為例，總結了近20年來城市特殊生境綠化的研究進展，圍繞植物、介質、模塊和管護四要素進行系統的論述。

圖1 城市特殊生境綠化的理論和技術體系(作者繪)

1 特殊生境主要特點

建筑物、構筑物離地面較遠，因此土、光、熱、水、風等生態因子具有一定的特殊性。相對于陸地表面生境，特殊生境具有以下特點[10]。1)光：屋頂往往表現為強光照；墻面因朝向而不同，南立面采光最好，北立面最差，東立面居中，西立面表現出較強的西曬現象；高架橋下往往存在光照不足的問題。2)溫度：屋頂和墻面的日溫差、年溫差都遠高于地面。據2003年7月對上海10處屋頂測試表明，晝夜溫差最大值可達30℃[11]。3)水：屋頂相對濕度一般比地面低10%～20%[12]53。由于介質土層薄，又被不透水面阻斷雨水滲透，蓄水量小，加劇了水分短板問題，需要大量和頻繁地依賴人工補水。高架橋下由于阻隔了自然降水，完全依賴人工灌溉。4)風：屋頂風速較大，可比地面高2～3級[13]73，且隨著與地面距離的增加而增大；墻面風環境更復雜，會受到湍流和穿堂風的危害。5)土：為人工覆蓋栽培介質或改良土，存在蓄水性差、熱輻射變化劇烈、根系生長空間受限制等問題。高架橋下還容易遭受交通污染問題(如汽車尾氣、燃油泄漏)。6)生物：因介質土層薄，有機質含量低，水分和溫度變化劇烈，易干旱，往往表現為缺少豐富的微生物種群、生物多樣性低下、微生物活性低。總體上，特殊生境表現為惡劣的光、熱、水、風、土和生物等條件，加之荷載限制，成為很多植物分布的客觀制約因素，應有相應的對策(圖2)，解決有限空間的持續生長問題成為關鍵。

圖2 城市特殊生境的六大生態要素特征和對策(作者繪)

2 特殊生境重建技術

生境的特殊性要求因“境”制宜進行綠化設計，具體分析綠化空間的生態條件和承重條件，是生境再造設計和植物配置的前提。針對生境的特殊性，生境營造必須充分考慮這些特殊需求，以有限空間的持續生長理念為指導，以中度生長勢為原則，通過介質配方實驗獲得輕型、節水新型介質，兼具雨水收集利用、養分持久等優點，并通過植物篩選實驗優選綜合抗性強、綠期長和年生長量小的植物等綜合技術。圍繞特殊生境綠化的植物、介質、模塊和管護四要素開展了一系列研究并獲得了多項技術成果，形成完整的特殊生境綠化技術體系。

2.1 特色植物基因資源保護、種質創新和定向篩選

特殊生境的惡劣環境對植物有著嚴苛的要求，增加適生植物資源一直是研究熱點[11][12]134。城市里的植物已不同于自然環境的植物，經過人為選擇馴化，與城市環境相適應，與人的需求相銜接。2004年，胡永紅團隊開始立足華東植物區系特征和長江流域原生氣候土壤環境條件，針對城市特殊生境的特點，制訂了城市適生植物收集策略，即遵從高抗、高觀賞、中度生長、可持續利用、低維護成本的原則，收集了以花灌木和球、宿根植物為主的優良種質資源。建成了城市特殊生境綠化植物資源圃，主要包括月季(Rosaspp.)、牡丹(Paeoniaspp.)、芍藥(P.spp.)等八大專類植物核心資源圃，儲存種質資源3 530份，為城市特殊生境綠化植物種質及基因儲備庫。進一步借助多種育種手段改良品種，培育新品系，篩選新品種，如耐移栽矮玉蘭、耐曬耐濕熱色葉牡丹、耐熱抗旱眼斑月季、耐陰豐花連蕊茶等。

胡永紅等自2004年針對低荷載屋頂綠化開展景天屬植物抗性篩選以來，持續10多年進行高抗植物篩選研究，先后對景天屬(Sedumspp.)、玉簪屬(Hostaspp.)、鳶尾屬(Irisspp.)、鼠尾草屬(Salviaspp.)等宿根花卉[14-17]，牡丹、月季、山茶屬(Camelliaspp.)和木槿屬(Hibiscusspp.)等木本適生種，以及地被竹類開展了綜合篩選[18-22]，獲得耐旱、耐熱、耐寒、耐陰等高抗植物582種(含品種)。比如，篩選出‘曼海姆宮殿’等46個耐熱月季品種和‘安吉拉’等44個耐冷、晚花月季品種，發現‘安吉拉’具有較強的耐熱、耐冷和抗病能力，同時長勢旺盛、花期長、花量繁多，極具推廣價值。從耐熱月季品種‘曼海姆宮殿’中克隆了編碼熱激蛋白RcHSP70的基因，該基因可提高植物對高溫、低溫、重金屬、高鹽、高pH、氧化等非生物脅迫的耐性，為月季抗性品種的引種、篩選和培育提供了理論支持[22-24]。

總體上，上海在特殊生境綠化的植物方面表現出3個階段的進展：早期將景天屬引入屋頂綠化，制成景天毯，滿足了低荷載、低維護的需求；然后將小灌木引入墻面綠化，延長了墻面綠化維持周期，減少了綠化植物更換次數，降低了運維成本；進一步將色葉、觀花小灌木引入低光照橋柱空間，提升了綠化品質。部分成果列入了《立體綠化技術規程》(DG/TJ 08-75—2014)[25]。

2.2 新型介質研發

早在21世紀初就獲得縮短成型時間50%以上的輕型快速一體化成型介質——椰絲介質[26-27]，以及保水介質、緩釋性介質、防控雜草75%以上的竹粉介質、除鹽介質[28-31]，利用椰絲、秸稈、樹枝落葉、竹粉等農林廢棄物，替代不可再生的泥炭，并用于黏質土壤的改良，降低容重，成為輕型介質的主要配方材料，定向適用于景天屬植物、地被植物和可移動垂直綠化植物[26，32-33]。進一步研發了適用于行道樹土壤改良的配方土配方[34]。針對城市行道樹面臨的種植池小、土壤壓實、排水透氣性差等問題，進行了行道樹土壤改良研究，選擇銀杏(Ginkgo biloba)、香樟(Cinnamomum camphora)、懸鈴木(Platanus acerifolia)和廣玉蘭(Magnolia grandiflora)為供試樹種，獲得石塊顆粒物直徑3cm、比例40%～80%的最優改良方案[34-35]，實現根系與地下生態空間的有機融合。成果已在上海多個街區進行應用，效果良好。

總之，上海在特殊生境綠化的介質方面實現了3次技術突破：早期采用草炭、珍珠巖和木屑為主要配方原材料研發輕型介質，滿足容重小的要求；隨后使用城市枯枝落葉為主的堆肥替代草炭這一有限資源，踐行了廢棄物再利用的循環經濟理念；進一步添加復合高吸水材料及復合纖維等新材料，實現了節水和根系持續生長目標。2013年，行標列入了常用改良土配方[36]。

2.3 模塊容器的技術革新

首創了“介質-設施-建筑”一體化生境再造技術體系[10，37]。作為“介質-設施-建筑”一體化的重要一環，研發把介質和植物固著于建筑表面的根系擴容種植設施是必要的，為此較早研制了可自由裝配的壁掛式種植模塊系統、防止堵塞的錯位疊壘式花盆、防止盤根的辰山種植箱，以及用于高架橋底硬質地面的專用花箱等[38-41]。構建坡屋頂綠化示范模型[42]，并把容器式綠化技術成功應用于古建筑屋頂[43]，模塊化系統和拼裝式垂直綠化技術應用于上海市重大工程[44]。

上海在特殊生境綠化栽培模塊容器方面實現了3次技術革新：早期研發的壁掛式模塊，采用被動儲水與滴灌結合、容器與介質一體化，實現了模塊國產化；隨后研發的疊壘式花盆，采取浸潤式自主灌溉，克服了灌溉堵塞技術難題，提升了灌溉系統的穩定性，并實現了歐美規模出口；進一步研發的種植箱系統，徹底解決了盤根、纏根問題，實現有限空間的可持續生長。綜合新技術應用于上海世博園，體現科學性、先進性[45]。

2.4 低維護管理技術

發明了屋頂、高架橋等初期雨水棄流裝置[46]，創制節能、智能雨水循環再利用系統，實現雨水滯蓄率高達57.2%以上。邁出了資源循環利用的3個重要步伐：收集雨水，解決了基本需水問題；凈化雨水，解決了水污染的問題；利用太陽能自動灼燒污泥垃圾實現了養分的自利用，實現了節水、節能和資源循環利用。

創立低成本的屋頂、高架橋等建筑環境的管護關鍵技術和標準，制定上海橋柱、屋頂和高架沿口養護指導價。提出中度生長勢和全生命周期理念[12]120；132[47]，制定垂直綠化工程、屋頂綠化和高架橋綠化技術規程，有效保障特殊環境可持續綠化的實施。實現了建筑表面低荷載和植物長期健康生長的裝配式生境再造，可使綠化持續效果由不足2年延長至5年以上[12]114；132；138，實現了有限空間的持續生長。

3 結語

特殊生境綠化以植物為根本、模塊為框架、介質為載體、管護為助力，四位一體，環環相扣，層層遞進，共同提升綠化品質，服務于有限空間的持續健康生長目標。上海在植物、介質、模塊和管護四方面每個階段性的技術進步都與所處的時代背景密不可分。21世紀初，屋頂綠化等特殊生境綠化在大城市興起，建筑荷載是關注的焦點，輕型是基本要求，模塊擺脫依賴進口是主要目標；隨著特殊生境綠化的廣泛推廣，植物豐富多樣化和延長綠期成為更高要求，改進和替代滴灌系統成為現實需求，選用更加環保的材料和雨水利用成為更高目標；近年來，城市綠化向質量型發展，如上海“四化”就是追求綠化品質的新階段、新目標，植物彩化成為更高需求，而防盤根、太陽能利用、節水和循環利用則是可持續發展的體現。

近20年是上海特殊生境綠化從起步到快速發展的時期，獲得的技術進步產生了良好的示范效應。從2004年上海生態建筑示范樓(莘莊)率先應用景天屬強耐旱植物[48]，到2010上海世博會主題館5 000m2植物墻選用金森女貞(Ligustrum japonicum‘Howardii’)等小灌木[49]，再到2018年1 000m2虹梅高架綠化配置‘金葉’柊樹(Osmanthus heterophyllus‘Variegatus’)等超強綜合抗性新優品種[12]85，均在不同時期引領上海等城市的特殊生境綠化新方向。結合實踐應用，上海較早開展了特殊生境綠化的功能評價，從形成微氣候及其有關的光合作用、碳匯、降溫增濕、減緩熱島效應、增加空氣負離子含量、節水、蓄截雨水、徑流水質量、降解重金屬、根際微生物等方面進行系統研究[50-52]，如屋頂綠化可降低屋面溫度7～9℃，建筑節能6%～48%，截蓄雨水45%～70%[13]32-37；44-50[48]。首次建立改善熱環境的社區-住區-斑塊多尺度研究方法，構建熱環境指數的模型和植物群落降溫多因子回歸模型[53-54]，首創具有國際水平的屋頂綠化水的污染物循環模型[55-56]，制定《上海市綠色建筑評價標準》(DGTJ 08-2090—2012)。

今后應從社會學方面探討城市及城市里的人對特殊生境綠化的需求，遵循城市社會性規律，遵守經濟學成本規則，規劃適合推廣的空間，切實轉化技術成果，做到需求引領、技術推動。未來的特殊生境綠化應體現可持續綠化理念，符合綠化載體維護的全生命周期，減少更換次數，降低綠化成本。隨著人工智能技術的進步，借助“互聯網+”和“物聯網”實施人機交互，實現智能化管控灌溉和病蟲害防治，實現新形勢下的精細化養護。可以預見未來上海乃至全國在擴綠增綠建設中特殊生境綠化必將成為更加重要的一環，在公園城市建設中將發揮更具特色的作用。

致謝：感謝多年來上海辰山植物園和上海植物園研究團隊同事和研究生的參與、支持和幫助；感謝相關課題資助方提供的一系列支持和幫助；感謝北京林業大學張啟翔教授一直以來的指導和鼓勵。