低碳城市建設背景下日本近20年屋頂綠化研究進展

摘要

屋頂綠化對改善城市熱島效應和減碳意義重大，是日本建設低碳城市及實現“碳達峰”的有效舉措。通過文獻計量學方法分析Web of ScienceTM和J-stage兩大數據庫中日本近20年的屋頂綠化研究文獻，并與日本屋頂綠化政策、法規出臺的時間節點進行對照，將日本屋頂綠化研究分為3個時期：低碳研究初始階段（2000—2005年）、低碳研究發展階段（2006—2013年）、低碳研究探索階段（2014—2023年）。同時運用文獻計量學中高頻詞研究方法，解析不同時期日本屋頂綠化研究內容，總結各時期研究特點，為我國屋頂綠化提供啟示：完善法規政策、明確責任主體，推動地方出臺激勵措施并建立公眾參與機制；加強地區適應性植物培育配置研究，深化節能減碳評價研究，重視廢棄物應用研究。

關鍵詞

低碳城市；屋頂綠化；城市綠地；雙碳目標；節能減碳

Abstract

Green roofs are crucial for improving the urban heat island effect and reducing carbon emissions， serving as an effective means for Japan to construct a low-carbon city and reach carbon peak. This paper employs the bibliometric method to analyze the green roof research literature in Japan from 2000 to 2023 in the Web of ScienceTM and J-stage databases and compares it with the timeline of relevant policies and regulations. The research is classified into three stages： the initial stage （2000-2005）， the development stage （2006-2013）， and the exploration stage （2014-2023）. By using the bibliometric high-frequency word research method， the research contents and characteristics of each stage are explored. Implications for China are as follows： in policy， improve laws， clarify responsibilities， promote local incentives and public participation; in technology， enhance research on plant cultivation and configuration， deepen energy and carbon assessment， and focus on waste utilization.

Keywords

Low-carbon city; Green roofs; "Urban green space; Carbon peaking and carbon neutrality goals; Energy conservation and carbon reduction

文章亮點

1）系統分析日本屋頂綠化政策演變，揭示技術與政策互動；2）利用文獻計量學方法深入探討研究熱點，定量分析技術創新；3）提出中國屋頂綠化可借鑒日本經驗，推動低碳城市建設。

國際能源署數據顯示，2023年全球二氧化碳排放總量已達374億噸，由此引發的氣候變暖、城市熱島效應等問題日益突出。在第75屆聯合國大會上，中國提出了“2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”的目標。我國城市的碳排放占全國總碳排放量的80%，已成為碳排放的主

體[1]。增加綠地面積是緩解氣候變暖和城市熱島效應等問題的有效策略。但中國許多城市發展呈現高密度特征，地面用地緊張。而屋頂綠化作為綠色基礎設施，能充分利用城市剩余空間，為城市增加綠量。屋頂綠化既是對城市綠地的有效補充，也是節能減碳的有效手段。研究表明，屋頂綠化能使建筑每年的能耗節約至少15%[2]，且當城市的屋頂綠化率達到70%以上，城市上空的CO2含量將下降80%[3]。

日本城市化率較高，城市綠地增量空間較少。日本推行屋頂綠化，增加城市綠量，使其早在2013年實現了碳達峰目標。2000年至2022年，日本屋頂綠化面積增長了約41倍，達到593.8 hm2 [4]。目前我國屋頂綠化的理論研究和技術標準不夠完善，體系尚未健全[5]。通過借鑒日本屋頂綠化研究與實踐，分析其不同階段的特征和研究熱點，為我國屋頂綠化研究與低碳城市建設提供寶貴參考。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

屋頂綠化通過固碳與減碳2種方式減少城市碳排量（圖1），其效果與植物、種植基質和屋頂構造密切相關。因此，文獻檢索主題詞包括“屋頂綠化+植物”“屋頂綠化+種植基質”“屋頂綠化+屋頂構造”。此外，考慮到屋頂綠化具有隔熱降溫作用，能減少空調能耗，實現CO2減排，二次檢索的主題詞為“屋頂綠化+CO2”“屋頂綠化+熱環境”“屋頂綠化+空調”“屋頂綠化+降溫效果”，以確保數據源的精準性和完整性。最終收集了2000—2023年關于日本屋頂綠化的410篇期刊論文，包含142篇來自Web of ScienceTM核心合集的英文文獻，268篇來自J-stage（Japan Science and Technology Information Aggregator，Electronic）的日文文獻。

1.2 研究方法

基于Web of ScienceTM和J-stage數據庫的檢索結果，本研究采用文獻計量學方法分析日本屋頂綠化的研究現狀，并使用NoteExpress和Excel統計關鍵詞的頻次、聚類情況。研究中的高頻關鍵詞根據Donohue于1973年提出的高頻詞與低頻詞界分公式計算得到，式中T表示高頻關鍵詞的頻次，I1表示某時期僅出現一次的關鍵詞數量。

2 日本近20年屋頂綠化研究進展

綜合考慮日本屋頂綠化研究發文情況（圖2）及政策發布節點（圖3），日本2000年之后的屋頂綠化研究可分為初始（2000—2005年）、發展（2006—2013年）和探索（2014—2023年）3個階段。關鍵詞分析顯示，“簡單式屋頂綠化”“熱環境改善”“熱島效應”“節能減碳”等關鍵詞在各研究階段均為高頻詞（表1），表明研究熱點具有延續性，但各階段的研究重點有所不同。

2.1 初始階段（2000—2005年）

2000—2005年屬于日本屋頂綠化低碳研究的初始階段，該階段研究與政策緊密相關。2000年，日本國會頒布《循環型社會形成推進基本法》（循環型社會形成推進基本法），提出建設“低碳社會”“循環型社會”的愿景。同年，東京都等地推行強制性法規，要求超過1 000 m2的新建筑至少有20%的屋頂綠化[6]。2001年，日本國土交通省修訂《城市綠地保護法》（都市緑地保全法），引入容積率補償、贊助金、低率融資等優惠政策。到2005年，東京都、大阪府等地出臺了40余項激勵性政策，涵蓋綠地面積計算、費用融資、費用補助、容積率補償和技術指導等內容。面對政府頒布的屋頂綠化強制性法規與激勵政策，企業為了減輕建設壓力，多采用成本低廉、建成速度快的簡單式屋頂綠化。日本學者也由此開始低成本輕質化屋頂綠化及循環型材料應用的研究，以降低建設成本、降低資源消耗，推進循環型社會的構建。

2000—2005年，日本屋頂綠化研究發文量為79篇，占總量的19.2%，其中2003—2004年增長顯著（圖4）。利用NoteExpress和Excel提取出39個關鍵詞，總頻次199次，高頻關鍵詞16個（T≥4）。關鍵詞分析顯示，本時期的研究集中在控制屋頂綠化成本和降低建筑能耗，研究熱點可歸納為“改善室內外熱環境”“簡單式屋頂綠化的輕質化”“廢棄物循環利用研究”（圖5）。

2.1.1 改善室內外熱環境

此階段主要從屋頂綠化的植物選擇、種植基質、夏季的節能優勢上，討論屋頂綠化改善室內外熱環境的相關內容。Nyuk Hien Wong研究[7]表明，不同陸生植物的降溫效果為21～30.5℃，與葉面積指數呈正相關。Morihiro Aizaki[8]發現，濕生與陸生植物的降溫效果可相差10℃。小瀨博之[9]發現結縷草Zoysia japonica的降溫效果比景天科植物高0.8～1.6℃。Nami Yamamoto[10]、山田宏之[11]發現改良后的泥炭制成種植基質的降溫效果更佳，保水能力更強。小瀨博之[9]研究指出，厚70 mm的基質的降溫效果為厚150 mm的基質的一半，但厚

150 mm與厚200 mm的基質降溫效果相差不大，這說明基質厚度與降溫隔熱效果正相關，但存在最佳厚度。山口隆子[12]、Shuichi Aoki[13]發現提高灌溉頻率可提升蒸散效果，使屋頂綠化溫度在夏季降低15～18℃，進入房間的熱通量減少13%～45%，室內溫度降低5～10℃，空調能耗減少15%～67.4%。仙川誠[14]研究發現，在夏季晴天，綠化后的屋面溫度可維持在30℃以下，熱通量相比綠化前減少87.5%，空調能耗降低28%。

2.1.2 簡單式屋頂綠化的輕質化

簡單式屋頂綠化因種植和養護成本低、政策支持以及企業投資風險較小，適合在高度城市化的日本推廣。在基質輕質化方面，杉本英夫[15]、田洼祐子[16]通過在厚5～10 cm的人工基質中增加底部灌溉系統和保水劑，實現了草本植物的穩定生長，與傳統基質相比，減少了10～20 cm的厚度。在植物選擇方面，景天科植物因抗極端天氣、低基質厚度要求和低維護成本而成為研究的常用植物。Ikusei Misaka[17]、Nami Yamamoto[10]對景天科植物的蒸散機制、灌溉需求、補種季節及節能減碳效果進行了深入研究。

2.1.3 廢棄物循環利用研究

為實現日本2000年提出的“循環型社會”戰略，相關學者提出在屋頂綠化中循環利用廢棄資源，以降低成本并減少碳排放。在2000—2005年，泥炭、竹炭及發泡廢玻璃等廢棄物被用于基質改良。木村裕喜[18]發現，泥炭與珍珠巖混合的基質不僅能維持植物正常生長，其飽和含水量比普通基質高15%，保水性更佳。藤井真奈美[19]在屋頂綠化的種植基質中加入竹炭作為實驗組，與無竹炭的對照組進行生長狀態對比實驗，結果對照組的植物大量枯死，實驗組的植物基本維持正常生長。Taisuke Inui[20]、Yoshio Miyoshi[21]以發泡廢玻璃和塑料為原料研發的FWG（Foamed Waste Glass）人工基質，具有輕質、孔隙率高、保水保肥能力強等優點，減輕了屋頂負荷。在實際應用中，神奈川縣的

Arbain Bio川崎1號大樓的屋頂綠化采用了30%黑土與70%珍珠巖混合的培養基，在無灌溉條件下實現了4種地被植物在厚15 cm的土層中穩定生長。

2000—2005年的研究表明，日本通過立法推動了屋頂綠化的發展，企業在政策扶持下廣泛采用簡單式屋頂綠化以實現成本效益最大化。同時，學者們在基質輕質化和廢棄物循環利用方面取得了創新進展，屋頂綠化在改善熱環境方面的相關研究展現出節能優勢。這些研究不僅推動了日本屋頂綠化技術的發展，也為日本低碳城市建設提供了有力支持。

2.2 發展階段（2006—2013年）

2006—2013年，日本積極應對全球變暖和城市熱島效益，成功實現了《京都協議書》（京都議定書）規定的減碳目標，2013年碳排放量達到峰值。這期間，日本政府發布了多項指導性政策以促進屋頂綠化的實施，如2011年發布的《建設低碳社會行動計劃》（低炭素社會づくり行動計畫）和《綠色經濟與社會變革》（緑の経済と社會の変革）報告，將節能減碳作為各領域研究的重點，進一步加大了屋頂綠化的政策支持力度，并提高公眾參與度。2013年，日本政府發布《低碳城市促進法》（都市の低炭素化の促進に関する法律）和《緩解熱島效應的城市發展指導方針》（ヒートアイランド現象緩和に向けた都市づくりガイドライン），進一步明確屋頂綠化作為減碳和緩解熱島效應的手段，并通過實踐手冊和示范項目推廣屋頂綠化。此外，大阪府、仙臺市等地也出臺了地方性激勵政策，內容涉及綠化面積補償和費用補助。

這一時期日本屋頂綠化研究發文量為140篇，占總量的34.1%（圖6），屋頂綠化面積從135.5 hm2增長至

251.9 hm2[4]，年均增長約1.4倍。通過文獻分析提取出67個關鍵詞，總頻次346次，其中高頻關鍵詞16個（T≥4）。結合高頻關鍵詞、關鍵詞共現圖譜的聚類情況（圖7）和文章具體研究內容，總結本時期的研究熱點為“植物選擇與配置研究”“節能減碳效果研究”“廢棄物循環利用深入研究”。

2.2.1 植物選擇與配置研究

優化植物選擇與配置能使屋頂綠化進一步減少室內能耗，提升減碳效果。Nigel Dunnett[22]研究發現，多種植物組合的屋頂綠化可在夏季實現最高12℃的降溫，而單一植物僅為3.8℃。Nyuk Hien Wong[23]、Steve Kardinal

Jusuf[24]通過ENVI-met仿真模型發現，結縷草與灌木組合的降溫節能效果優于單獨種植結縷草，這是由于不同高度的植物搭配形成的復雜空氣層結構能有效削弱太陽輻射?？购抵参锶缇疤炜浦参铮茉诟珊淡h境中減少水分蒸散，維持較高的基質含水量，支持周圍植物的生長。Nigel

Dunnett[22]、Ayako Nagase[25]的研究表明，將景天科植物與其他植物混種，能極大增強屋頂綠化抗極端天氣的能力，從而保證屋頂綠化的生態穩定性。在實際應用中，東京的學校法人實踐學園的屋頂綠化種植了19種以上的植物，包括中喬木、矮喬木、地被植物。在2009年竣工后，該屋頂綠化一年內減少二氧化碳71.22 kg，屋頂溫度從55℃降低至25～30℃。

2.2.2 節能減碳效果研究

對屋頂綠化節能減碳能力的量化研究是該時期的研究熱點。學者們通過實測結合AUSSSM[26]、CFD[27]、CM-BEM[28～29]、Erdas-Imagine[30]、WRF[31]、ENVI-

met[23，30]等模型，模擬屋頂綠化對建筑室內外和街區空間的降溫效果，并將數據轉換為CO2減排量[32]（表2）。此外，在城市尺度上，Takanori Watanabe[31]通過GIS獲取屋頂數據，結合WRF模型模擬東京23區在屋頂綠化覆蓋率為20%、35%、50%以及100%時的夏季CO2減排量，分別為1.06萬噸/月、1.67萬噸/月、2.2萬噸/月和

3.2萬噸/月。當覆蓋率達100%時，CO2月減排量占東京CO2月排放量的34%，最高降溫達2.5℃。這些研究表明，屋頂綠化節能減碳的量化評估方法多樣，研究尺度更為全面，提升了評估的精確性。

2.2.3 廢棄物循環利用的深入研究

由于城市建設增加了廢棄物排放量，且傳統焚燒處理方式污染嚴重，廢棄物的環保處理迫在眉睫。該時期，學者們研究將廢棄物循環利用作為種植基質，如椰子殼、廢棄榻榻米[33]、建筑垃圾、廢棄活性污泥[34]、泡沫塑料[35]、火山灰粘土[36]和廢舊輪胎等。經廢棄物改造后的種植基質不僅有利于植物生長，而且更為環保。在實際應用中，2009年竣工的熊谷組總部大樓屋頂綠化采用了“remixsoil”人工輕量土，這是由建筑回收材料和木材碎片混合而成的再生土壤，保水性能優異，即使無灌溉，也能保障植物仍能生長良好，有效減少了環境負荷，實現資源的循環利用。

總體來說，2006—2013年日本屋頂綠化研究的低碳主題鮮明，論文發表數量較前一時期顯著上升。首先，研究量化評估屋頂綠化在不同尺度室內外環境的降溫和減排效果，為政策制定和新技術開發提供了依據。其次，對廢棄物循環利用的研究，豐富了廢棄物利用類型，提升其利用效率，有助于日本低碳城市建設。此外，植物選擇與配置的研究為提升屋頂綠化的減碳效益提供了技術指導，復合種植、景天科植物和結縷草成為該時期研究重點。

2.3 探索階段（2014—2023年）

2013年日本實現碳達峰后，碳排放量持續下降。這一時期，國土交通省依據《促進城市低碳化相關法律》（都市の低炭素化の促進に関する法律）制定了低碳建筑物認證制度，要求2020—2030年所有新建住宅實現“零排放”。屋頂綠化作為關鍵措施得到廣泛推廣。各地逐步完善屋頂綠化補貼標準，21個行政區明確了建設標準與補貼金額，如大阪府提供最高300萬日元、川崎市提供最高50萬日元的補貼。2020年10月日本國會施政演說上，日本首相菅義偉承諾2030年碳排放量較2013年降低46%，日本政府在修訂后的《全球變暖對策推進法》（地球溫暖化対策推進法）中明確了2050年實現碳中和的目標。屋頂綠化成為實現該目標的重要舉措。該時期的研究重點聚焦于提升屋頂綠化的固碳減碳效果以及新技術應用。

這一時期的屋頂綠化研究發文量為191篇，占總量的46.7%，其中2015—2018年發文增速尤為顯著（圖8）。分析提取出76個關鍵詞，總頻次為337次，高頻關鍵詞15個（T≥4）。通過分析高頻關鍵詞、關鍵詞聚類情況（圖9）和文章內容可總結，研究熱點包括“完善節能減碳效益評價”“新型屋頂綠化應用探索”“菌種對植物的生長影響”。

2.3.1 完善節能減碳效益評價

首先，以往的屋頂綠化節能減碳效益評價常忽略建設及維護過程中產生的CO2，導致凈效益被高估。為解決這一問題，本時期日本引入了全生命周期法（LCA，Life Cycle Assessment），完善了節能減碳評價。Takanori Kuronuma[37]通過LCA證實，屋頂綠化在建成13～32年后可通過固碳作用抵消初始CO2排放。平野勇二郎[38]運用CM-BEM耦合模型量化水泵供能和灌溉的CO2排放量，發現其占制冷設備減排量的8%，證明即使考慮增加灌溉功能，屋頂綠化仍具減排效果。其次，該時期完善了對影響屋頂綠化節能減碳效益評價的相關因素的研究。Yujiro Hirano[39]、Tobi Eniolu Morakinyo[40]和Ohashi Yukitaka[41]結合宏觀和微觀尺度，評估了屋頂綠化的節能減碳效果，研究表明，街區空間的降溫幅度、節能減碳效果均與屋頂綠化覆蓋率呈正相關，與建筑高度呈負相關。當建筑的高度（H）和街道寬度（W）之比為0.4～0.6時，降溫效果最佳；當建筑高度超過60 m，降溫效果可忽略不計。Tatsuya Matsuoka[42]、Gaochuan Zhang[43]、Yang He[44]、Kentaro

Yasui[45]通過量化研究證實了植物葉面積指數、植物高度、基質厚度、基質孔隙率等因素與屋頂綠化的降溫減碳效果均呈正相關。

2.3.2 新型屋頂綠化應用探索

為了進一步發揮屋頂綠化的固碳減碳潛力，日本學者開展了對超輕型和光伏（PV，photovoltaic）屋頂綠化的研究。超輕型屋頂綠化主要用于工廠、車間等單層輕型建筑，Daisuke Tachibana[46]提出通過分散種植基質荷載，如利用藤本植物實現墻面與屋頂綠化一體化的技術，使屋面負荷降低至普通薄層屋頂綠化的1/4～1/3，實現夏季屋頂平均降溫10℃。成田健一[47]研究表明，超輕型屋頂綠化技術在缺乏隔熱層的單層建筑中尤為有效，能大幅降低空調需求。自2010年此技術提出以來，到2022年，日本工廠、倉庫、車間的屋頂綠化面積與總屋頂綠化面積的比值增長至28.0%（圖10），超輕型屋頂綠化成為主流類型。光伏屋頂綠化則結合光伏屋面與喜陰植物，實現就地發電，減少了建筑對電力的依賴和碳排放。Chr

Lamnatou[48]研究顯示，光伏屋頂綠化可將光伏屋面的發電量提升0.08%～8.3%。東惠輔[49]在東京的一棟8層建筑的對比實驗中發現，雙層屋頂、屋頂綠化與PV發電系統三者結合的建筑節能效果最佳，其中PV板能為室內空調系統提供47%的清潔電力，顯著降低了建筑對傳統能源的依賴。

2.3.3 菌種對植物生長的影響

屋頂綠化的固碳減碳效果依賴于植物的光合作用、蒸騰作用和隔熱功能，因此確保植物的良好生長至關重要。引入特定菌種促進植物生長，可以提高屋頂綠化植物存活率和生態系統穩定性，增強固碳減碳效果[50]。在屋頂綠化中，苔蘚類植物因抗旱能力和防止水土流失的特性而被廣泛使用，故保證苔蘚植物的存活率成為本時期研究重點[51]。Akio Tani[52]的實驗表明，甲基桿菌與苔蘚類植物能相互促進生長。Mako Tamura[53]研究發現，在基質中加入解淀粉芽孢桿菌能保護苔蘚類植物免受翠雀小核菌損害，加入VA菌根材料則加速了草本植物的生長。

總之，2014—2023年，在相關政策推動下日本屋頂綠化研究進入了低碳新技術探索階段。引入全生命周期評價方法和完善屋頂綠化減碳效益影響因素研究，優化了屋頂綠化節能減碳效益評價。超輕型屋頂綠化和光伏屋頂綠化等技術的發展進一步提高了屋頂綠化節能減碳的效果。同時，對特定菌種的研究增強了植物存活率和生態系統穩定性，增強了屋頂綠化的固碳能力。該時期研究促進了屋頂綠化的廣泛應用和城市低碳可持續發展。

3 結論

日本作為亞洲首個提出建設低碳社會的國家，在屋頂綠化方面不斷完善政策、優化技術和評價體系，為其廣泛應用奠定了基礎。首先，持續完善的屋頂綠化政策推動了屋頂綠化的發展。在近20年的發展過程中，日本最初依靠強制性法規推動屋頂綠化發展，而后逐步出臺激勵性政策，為屋頂綠化提供資金保障，這使得屋頂綠化技術體系不斷完善，建設成本降低，減碳效果提升。同時，日本在種植基質輕質化、廢棄物循環利用、植物選擇與配置等方面的研究，為屋頂綠化的創新發展提供了有力支持。最后，引入全生命周期評估方法和完善評價節能減碳效益影響因素研究，進一步明確了屋頂綠化的經濟與生態效益。

本文的研究創新在于補充了國內對日本2000年后屋頂綠化發展的研究。目前已有文獻指出日本在屋頂綠化領域的領先地位，但多為宏觀性概述，缺乏對其具體發展過程的深入探討。本文通過文獻計量學方法，系統分析了2000—2023年日本屋頂綠化研究的階段性變化與特征，揭示了各時期的研究熱點和政策背景；并通過高頻詞分析的定量研究方法，深入探討了日本在研究熱點與技術創新上的具體進展，為我國屋頂綠化建設提供參考。

然而，本文也存在研究局限。數據來源主要依賴于Web of ScienceTM和J-stage，可能會影響結論的全面性。同時本文缺乏對日本與我國相關案例的深入對比研究。

目前，中國屋頂綠化的政策更多集中在宏觀層面，缺乏針對公眾參與、責任分工、城鄉統籌、資金保障的政策支持。同時，屋頂綠化面臨植物種類單一、植物存活率低、景觀和生態效益欠佳的問題；另外，在屋頂綠化建設和養護階段，存在缺乏專業技術指導、技術標準不統一、重視短期效果而忽視長期生態效益、建成后無有效養護、存續期受限等問題。未來我國屋頂綠化的研究可借鑒日本經驗，結合我國實際情況，提出更具針對性的建議，推動我國屋頂綠化的發展，助力低碳城市建設。

注：圖10改繪自參考文獻[4]，其余均為作者自繪。

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作者簡介：

張恒/1975年生/男/湖北黃岡人/博士/華僑大學建筑學院（廈門 361021）/副教授/研究方向為景觀建筑設計、低碳景觀設計

張藝川/2000年生/女/四川瀘州人/華僑大學建筑學院（廈門 361021）/在讀碩士研究生/專業方向為低碳景觀設計

詹永杰/1997年生/男/貴州畢節人/碩士/成都市建筑設計研究院有限公司（成都 610000）/專業方向為景觀建筑設計

李俐/1976年生/女/湖南長沙人/碩士/華僑大學建筑學院（廈門 361021）/副教授/研究方向為低碳景觀設計