屋頂綠化的“經濟-社會-生態-人文”價值及其對可持續發展的貢獻

楊 楠，郭雅寧，張曉竹，郝 廣

（1.華北理工大學生命科學學院，河北唐山 063000；2.南開大學環境科學與工程學院，天津 300350）

近些年，人口增長的進程越來越快，再加上城市化的加劇，據估計，到2050年，地球上三分之二的人口將居住在城市[1]。這些過程造成城市可用于綠化的面積不斷減少，生態和環境問題日益增多[2]。根據國際生態與環境組織的調查，一個城市要有一個理想的環境，人均綠化面積需要在60 m2以上[3-4]。然而，由于中國大城市人口眾多，建筑密度高，很難實現這一目標。為了緩解城市化過程中的不利影響，屋頂綠化作為一種基于自然的解決方案被提出，是一種有效的增加綠化面積的替代方案[2-3]。目前，全球各個城市都在積極推進屋頂綠化建設，但建造的目的往往出于景觀價值、節能價值，對于綠色屋頂產生的其他潛在價值關注不足，尤其對屋頂綠化的經濟-社會-生態-人文價值的認知程度低，因此公眾對城市屋頂綠化建設的積極性不高，這些因素極大地影響了城市屋頂綠化的實施[2,4]。

為了創造有彈性和可持續發展的城市，確保經濟發展、社會公平和生態系統穩定，屋頂綠化在經濟-社會-生態-人文價值之間的作用需要高度關注。事實上，屋頂綠化所產生的價值是相互聯系的，只有綜合分析才能充分了解它們的重要性，特別是在可持續城市發展的背景下，有助于實現2030年可持續議程的發展目標，提升城市居民的福祉。

1 經濟-社會-生態-人文價值的相互聯系

目前，大多數研究都僅關注屋頂綠化單一方面的優勢和價值，而在城市環境中，綠色屋頂在多個方面發揮著重要作用。本文構建了經濟-社會-生態-人文價值的框架，將其應用于屋頂綠化，分析屋頂綠化的各個價值之間的相互聯系（見圖1），以更加全面地理解其作用。

圖1 屋頂綠化在“經濟-社會-生態-人文”價值中的作用及其對可持續發展目標的貢獻

1.1 生態-社會價值

屋頂綠化的最重要的生態社會價值是雨洪管理。降雨期間，大部分降水被屋頂綠化系統中的介質或植被捕獲，減少了徑流的產生，被捕獲的雨水最終從土壤表面蒸發或通過植物蒸騰作用返回大氣中[5]。綠色屋頂可以減少31%～100%的徑流[6-13]，這取決于綠色屋頂系統的類型、設計因素（如基質深度、成分、植物種類）及天氣因素（如降雨強度和持續時間）等[6,14]。同時，該過程也會延遲徑流洪峰時間。因為介質飽和及水通過介質排出需要時間，與幾乎是瞬時徑流的傳統屋頂相比，綠色屋頂的徑流延遲也差異很大[6,13]，這種延遲可以防止雨水下水道系統溢出及其造成的污染。

不透水的表面會收集污染物（如重金屬、鹽、有機物等），在徑流過程中，將沖刷這些污染物進入水中，導致城市徑流的水質接近處理過的污水甚至更差[15]。因此，降雨徑流沖刷引起的城市面源污染已成為受納水體污染的主要來源[16-17]。含有大量有機物的徑流將導致河流、地表水富營養化，降低氧氣的可用性，并導致水中生物的損失。被污染的徑流不僅會影響自然生態系統，而且還會影響人類的健康。例如，未經處理的城市徑流進入公共海灘，引起沖浪者的健康問題[2]。研究表明，綠色屋頂的基質和植物可以很好地吸收重金屬（如鐵、銅、鋁和鋅）、營養鹽等，有效降低徑流的污染負荷[10,15,17]。此外，徑流的減少也降低了進入污水處理廠的污水總量，降低凈化污水利用的能量值[18]，節約社會資源。

1.2 生態-經濟價值

激烈的城市化和城市的無序發展決定了可用于農業的土地的減少，而人口增長導致許多國家糧食需求迅速增加。為了確保生活在城市環境中的人的糧食供應和糧食安全，人們提出可以通過引入城市農業來部分解決該問題[19]。事實上，屋頂可以被改造和用來種植不同的作物，成為城市農業的有效支撐，這也將極大地滿足城市的糧食需求。在加拿大多倫多的一項研究發現，在65 萬m2的屋頂種植蔬菜作物，每年可以生產470 萬kg 農產品[20]。而新加坡公共屋頂多數適合屋頂農業，若在全國范圍內實施，可使國內蔬菜產量增加700%，滿足國內35.5%的需求，同時，由于進口產品減少使得新加坡的碳足跡一年減少9 052 t[21]。墨西哥城也進行了類似的研究，在那里城市農業很普遍，能滿足20%的食物生產[22]。盡管綠色屋頂上的農產品不能完全取代其他食物來源，但它可以很好地支持當地的糧食生產。越來越多的研究證明了通過適當的管理（包括灌溉和最低限度的化肥投入），多數蔬菜能夠生存，證明了屋頂上的城市農業是可能的[19]。同時，屋頂農業可以為許多物種重建自然棲息地，包括蜜蜂和其他傳粉者，這也是屋頂上植物生存繁殖所必需的。城市農業的生產也將減少糧食的全球運輸格局，減少由此產生的能源消耗及二氧化碳排放[21]。

1.3 生態-人文價值

城市化過程中，建筑、混凝土道路等人工設施代替了城市原生的自然生境，破壞了生物的棲息地，造成原生植物減少甚至消失，對生態系統產生了嚴重的負面影響[2]。在市區安裝綠化屋頂，可在很大程度上改善周圍環境，增加生物多樣性并提供棲息地。綠色屋頂在很大程度上已經證明能夠為包括昆蟲和無脊椎動物、鳥類和蜜蜂等傳粉者在內的許多動物物種創造一個良好的棲息地[2,23]。在柏林，具有50 年歷史的綠色屋頂中存在大量蚱蜢、甲蟲等節肢動物。在瑞士東北部，有90 年歷史的綠色屋頂上生長著9 種蘭花和其他稀有瀕危植物。即使是相對較新的綠色屋頂也能為小型動物提供棲息地。在新建2～3年的屋頂中，也發現了大量的昆蟲、節肢動物及鳥類[2]。在城市大范圍內實施屋頂綠化也將形成綠色廊道，連通城市綠地網絡，允許某些物種，尤其是流動性較差的物種提高其擴散能力，從而限制碎片化的負面影響[24]。

屋頂綠化正被園林、建筑界和社會各界所認識、接受，它將成為建設宜居、可持續城市的新途徑，也將展現城市不同的特色[3]。新加坡由于土地資源匱乏、人口眾多，在建國開始便不斷探索人與自然的和諧相處的模式，由于在園林綠化、立體綠化中的成就使其成為世界公認的最宜居城市之一，也獲得了“花園城市”的美稱。

1.4 經濟-社會價值

屋頂是城市環境中土地和大氣之間的水和能量交換的關鍵元素。由于城市中大量的不透水表面導致地表徑流沒有保留在土壤中，可供蒸發蒸騰作用的水量就減少了，原本用來蒸發水分的太陽能被轉化為顯熱。此外，許多不透水的表面往往是吸熱結構。由于不透水表面的形成及這種結構的吸熱特性，導致了城市熱島效應[25]。同時，城市化、工業化和交通密集導致的二氧化碳排放增加也加劇了熱島效應的發生。綠色屋頂上的植被在很大程度上有助于冷卻空氣和減少城市熱島。屋頂綠化后具有高反照率(范圍為0.70～0.85)，與傳統屋頂相比，介質、植物材料的遮陽和蒸騰作用可以減少高達90%的太陽輻射熱[2]。同時屋頂生態系統截留降水、植物蒸騰、固碳釋氧過程都有利于緩解熱島效應。大量的研究表明，綠色屋頂能夠使室內溫度降低了0.20～4.54 ℃[26-32]，有助于節約供暖和制冷系統的能源預計將減少年均能源需求的60%～70%，這高度依賴于選擇的植物類型、基質深度及氣候條件[6,14]。與此同時，屋頂綠化能夠降低屋頂外表面溫度0.20～11.3 ℃[26-30]，有效緩解熱島效應及避免其引起的健康問題，例如生理紊亂、器官損傷甚至死亡[2]。屋頂植被通過光合作用將二氧化碳轉化為氧氣，將減少城市地區長波輻射的加熱作用，有效緩解熱島效應[25,33]，同時促進城市碳中和，減少城市的碳足跡。CO2固存能力取決于植被類型，一般從草類300 g·m-2(C)到灌木1 500 g·m-2(C)[33]。

屋頂綠化系統中生長介質和植物材料可以保護屋面膜免受太陽暴曬和紫外線的傷害，減少膜上晝夜的溫度波動[26,30]，從而減少日常熱脹冷縮的壓力[26]。非綠色屋頂的日波動為最大可到50 ℃，而綠色屋頂的日波動僅為3 ℃[2]。因此，對溫度的調節可以延長屋頂膜的壽命兩到三倍。同時，屋頂綠化營造出的景觀效應也會增加建筑的品位、格調，提升其潛在的經濟價值（租金、房屋價值）[34]。

1.5 經濟-人文價值

屋頂綠化及屋頂農業能夠改善環境，美化景觀，有助于人們的身心健康。研究表明，屋頂綠化能夠通過文化生態系統服務（即社會行為方式，減輕壓力，改善情緒、幸福感，提高社會凝聚力）及調節生態系統服務（減少熱效應、空氣污染，改善水管理，減少噪音）影響人類健康[35-36]。例如，當人們觀賞綠色植物和親近自然時，能夠減輕壓力，降低血壓，釋放肌肉緊張，增加愉悅的感覺，被認為是促進心理健康及對抗老年癡呆癥的良好替代療法[37]。由于屋頂綠化所在空間層次較高，就使得屋頂綠化的植物能在城市多層次空間中起到凈化空氣的作用（吸附、滯留和固定有害氣體、細菌、煙粉塵、重金屬元素，吸收、分解大氣中的氮氧化物、氨氣等有害物質），將有效減少城市居民呼吸系統、肺功能和心血管等疾病[38]。也有研究發現，厚度僅12 cm 的綠色屋頂基質就能降低噪音40 dB[2]，有效緩解聽力障礙、高血壓等心血管疾病以及煩惱、睡眠障礙等精神疾病[1]。因此，屋頂綠化能夠通過向城市居民提供食物供應和生態系統服務，在改善人類生活方面發揮重要的作用。

此外，屋頂綠化和城市農業的普及促進了景觀、園藝等綠色文化產業的發展[2]，帶動與此相關的一大批文化、科技、工藝等的進步。這些過程也增加了城市的人文氣息，在多方面為城市招商引資和招才引智增添亮點。

1.6 社會-人文價值

屋頂綠化可以為當地居民提供教育價值，例如社會和學習體驗。屋頂綠化可以成為豐富城市教育和體驗的工具，服務于在城市環境中長大的孩子的教育背景中，讓他們有機會親近自然，了解自然。例如學生們可以參與一些屋頂綠化/農業的實踐活動，觀察植物的生長，從植物中采摘食物，從而獲得食物是如何生長、生產的經驗[19]。在擁擠的城市地區，屋頂綠化也為城市居民創造了一個可供休憩娛樂的額外生活空間，加強了民眾與自然的溝通交流，促進社會和諧[2]。

由于經濟上的差距，在城市中富裕的社區擁有更多的綠化面積，而經濟差的社區綠化面積較少，屋頂綠化不但能夠降低綠化成本（城市建設用地與綠化用地），也促進了居民享受公共綠地的平等權[39]。

2 屋頂綠化對可持續發展目標的貢獻

2015 年，在聯合國可持續發展峰會上發布的《變革我們的世界：2030 年可持續發展議程》確立了實現可持續發展的17 項目標（簡稱“SDGs”），明確了人類社會對可持續發展的訴求[40]。作為一種基于自然的解決方案，屋頂綠化是城市可持續發展的一個強有力的工具，在經濟-社會-生態-人文價值中發揮著不同的作用，有助于實現12項可持續發展目標。

屋頂最初被提議作為一種應對氣候變化影響的工具（SDG13：氣候行動），通過在屋頂上安裝綠色空間來消除氣候變化、城市化對城市生態系統的不利影響，例如減少城市熱島，減輕城市內澇等。此外，屋頂綠化系統中的基質和植物能夠吸收、凈化徑流水質，減少對城市水源的污染，有利于城市人口使用清潔、衛生的生活用水，這符合可持續發展目標6（SDG6：清潔飲水和衛生設施）。屋頂綠化的隔熱以及對熱島效應的緩解也減少了冷卻系統的能源消耗，部分構成了一種新的清潔能源（SDG7：經濟適用的清潔能源）。

屋頂上的植被群落為眾多野生動物，包括昆蟲、小型脊椎動物和傳粉者提供適宜的生境，支持了城市生物多樣性的增加，是保證生態系統得以維持的基礎（SDG15：陸地生物）。同時，這也為人類創造了一個良好的生存環境和空間，有助于公民的身心健康（SDG3：良好的健康與福祉）。

由于城市農業在屋頂表面的潛在適用性，屋頂農業可以減少城市居民糧食的需求，特別是在貧困國家，那里許多人僅有有限的或根本無法獲得糧食。城市的本地糧食生產有助于降低糧食供應系統的壓力，從而支持旨在實現全球糧食安全的第二項可持續發展目標（SDG2：零饑餓）。屋頂綠化及屋頂農業也能為城市居民提供自然教育，促進居民建立人與自然和諧相處的理念（SDG4：優質教育）。事實上，當地的食品生產可以減少食品跨區域間的運輸，減少了在這一過程中產生的污染和所需的能源消耗，帶動了城市農業的可持續消費。此外，城市農業能夠增強居民可持續食品消費的意識，從而減少了浪費，支持可持續發展目標12（SDG12：負責任消費和生產）。

屋頂綠化在城市范圍內的廣泛應用將有助于建筑業、工業的發展（SDG9：產業、創新和基礎設施），創新材料和技術的發展將保證高效、可持續生產。屋頂綠化產業的發展與綠色協議政策相一致，該政策著眼于經濟的可持續發展，并將創造新的就業機會，促進經濟增長，有利于可持續發展目標8 的實現（SDG8：體面的工作和經濟增長）。同時，屋頂綠化使得城市綠化面積變多，減少了由于經濟差異導致的綠地分配不公的問題（SDG10：減少不平等）。

屋頂綠化的推廣和實施需要多方利益共同體的參與和合作，這與新技術、新理念的發展密切相關。不同國家的研究人員也應該加強交流和對話，因此新的合作伙伴關系將誕生（SDG17：促進目標實現的伙伴關系）。

基于以上這些潛在的好處，大規模實施屋頂綠化方案將有助于創建可持續和有彈性的城市（SDG11：可持續城市和社區）。

3 結論與展望

本文綜述了綠色屋頂在經濟-社會-生態-人文價值中的作用，同時分析了其對城市可持續發展的重要性。在過去的幾十年里，城市經歷快速的城市化和全球變化，在這種背景下，在城市尺度上實施屋頂綠化將為應對該變化提供一種基于自然的解決方案，能夠有效地支持可持續城市和彈性城市的創建。事實上，屋頂綠化在經濟-社會-生態-人文全方面發揮著巨大的價值，支持減少城市內澇，減少熱島效應，有助于建筑節能，增值，增加生物多樣性和增加城市景觀、人文價值等。通過戰略管理，例如將屋頂綠化納入城市發展規劃，科學合理規劃布局，促進大規模安裝實施，將為城市創造更加適宜的生存空間。同時屋頂綠化在很大程度上促進了《2030 年可持續發展議程》的眾多目標，突出了它們在城市地區可持續發展中可以發揮的關鍵作用。

目前，大量研究僅關注綠色屋頂在經濟-社會-生態-人文價值中的單一方面，同時對其在可持續發展過程的作用關注較少。因此，在今后的研究中應從以下幾方面加強：1）綠色屋頂在經濟-社會-生態-人文價值中的協同和權衡關系研究[41]。一方面，綠色屋頂的多種價值是由其種植的植物及基質決定的，增加一種價值可能會降低另一種價值，例如增加生物多樣性會導致景觀上的雜亂，降低美觀。另一方面，綠色屋頂價值在不同空間布局中也存在協同權衡，例如一個能很好地提供一種利益的區域可能不能很好地提供另一種利益，例如棲息地連通性和雨水分流、城市熱島調節和空氣質量改善之間會存在空間權衡[42]。2）綠色屋頂政策研究[43]。為了支持屋頂綠化的發展與推廣，目前我國部分地方政府也出臺了一系列綠色屋頂相關的激勵政策，但所取得的效果尚未得到客觀的評測，政策的有效性還未得到驗證。因此，未來工作重點還應放在屋頂綠化政策（強制/激勵機制）及其有效性研究上。只有通過政策效果的反饋才能評判政策的有效性，保證決策依據的客觀性和科學性，更加科學有效地推進綠色屋頂的可持續發展。