西安市几种不同屋顶绿化形式的降温增湿效益

席仁静 狄育慧 郑 松

（西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048）

0 引言

屋顶绿化可以广泛地理解为在各类建筑物、假山、阳台等构筑物表面营造景观的一种空间美化方式。屋顶绿化不仅向空中发展绿地，节约土地，开拓城市空间，而且把建筑艺术与园林艺术完美结合，在保护城市环境，提高人们居环境质量方面也起着不可忽视的作用。随着近些年城市化进程的加快，城市人口急剧增长，城市的环境问题日益突出，屋顶绿化也越来受到人们的关注。很多研究表明屋顶绿化可以明显改善城市环境，李磊[1]等学者研究表明单片叶子可吸收所接受可见光的75%，反射15%，只有约10%可透射，显著减少了屋顶的太阳辐射；王丽勉[2]学者通过对上海的莘庄建筑科学院科技园的绿化屋顶与非绿化屋顶主要气候要素的观测数据分析，得到屋顶绿化可降低室内气温约1℃，降低室外气温约1.7℃，增加室内湿度2%-4%；邹敏[3]等人研究显示花园式绿化可以提高相对湿度12.92%-24.9%。但相关学者研究均是整体研究绿化屋顶，没有具体分析不同植物绿化类型的环境效益。本文针对目前屋顶绿化常见的草地+灌木、草地+乔木及藤蔓类三种绿化形式，研究了不同的植物群落绿化的降温增湿效益，为屋顶绿化植物种类的具体选择提供依据。

1 实验对象与研究方法

1.1 实验场地的设计

实验对象建筑为西安市碑林区一栋2010年建成的5层的商业建筑，其位于街道一侧，南北两侧均是密集高层住宅建筑，屋顶面积超过3300m2。对照裸屋顶在对象建筑的西北侧，屋顶面积超过1600m2，两建筑毗邻，相距约50m。

屋顶的基质土厚度测试达到1.1m，根据绿化屋顶的植物群落情况，选择草地+灌木、草地+乔木及藤蔓类三块不同植物群落的实验样地，在裸屋顶中间选择一块对照组样地，四块试验样地面积均为300m2。根据屋顶实际绿化情况，藤蔓类实验地规格为100m×3m，其他三块样地规格都为20m×15m，每一块实验样地均匀选择6个固定测试点，如图1所示。

图1 实验场地详图Fig.1 detail experiment site

1.2 实验样地的植物群落状况

参考《生态学实验》[4]中关于植物群落研究方法，调查了3块实验样地内部植物群落的结构，统计了主要植物种类，并计算种植密度和郁闭度，如表1所示。

表1 实验样地基本资料Table 1 Basic data to experimental samples

1.3 实验内容与方法

实验在温度高、屋顶绿化的环境效益比较明显的6月份开展，选择天气晴朗的3天时间测试，并要求风速低且平均风速接近0，以减少不同实验样地之间空气流动的影响。试验内容是测试不同实验样地1.5m高度的环境温度和空气相对湿度。

测试时间段是10∶00-18∶00，持续9个小时。所有测试点每小时测试并计数3次，每块样地共得到27个数据，取其平均值作为该样地相应时刻的温度和相对湿度值。测试过程中实验仪器由1.5m高的支架固定，保证测试高度。最终将3天测试的各时刻数据加以平均作为最终的分析数据。

1.4 数据分析方法

由于城区建筑密集，城市环境复杂，实验不可避免受到风速、局部风场等外界因素影响。因此，为了全面分析屋顶绿化的环境效益，除了计算平均温度和平均相对湿度外，选取降温程度与增湿程度、降温率与增湿率作为温湿度指数。同时结合方差检验和LSD两两比较检验，分析3种不同植物群落的绿化形式的降温增湿效益。实验数据处理使用EXCEL 2007和SPSS 21.0数据分析软件。

其中降温程度和增湿程度的计算公式为：

降温率与增湿率的计算公式[3]为：

式中，Td和Ts分别表示对照组和实验组各时刻的环境温度，Rs和Rd分别表示实验组和对照组的各时刻环境相对湿度，n表示实验测试次数。

1.5 测试仪器

本次试验主要测试风速、温度和湿度三个参数。使用Testo416叶轮风速仪测试风速，其分辨率为0.1m/s。温度和湿度的测试仪器选用美国TSI公司的Q-Trak空气品质测试仪器，温度测试的分辨率达到0.1℃，相对湿度测试的分辨率为0.1%。

2 实验结果与分析

2.1 不同绿化形式的降温效益

2.1.1 3块实验样地的温度统计

本实验选择在无风晴朗天气下进行，风速的测试每实验样地每小时读数3次，3天共记录数据324次，其中有259次风速测试数据为0，平均风速仅0.03m/s，因此风速较小满足实验要求。表2是四块试验样地每个时间段3天的测试数据平均值，同时把各时刻的温度值加以平均求得全天的平均温度，图2是用折线图表示。

表2 各试验地各时刻温度统计表Table 2 Each testing samples temperature statistics

图2 各试验地不同时刻温度折线图Fig.2 Every samples temperature line chart of different time

由表2四块样地测试数据显示，对照组裸露屋面的平均温度最高为35.42℃，藤蔓类试验样地平均温度最低为31.71℃，和对照组相比降低3.71℃。而草地+灌木组和草地+乔木组的平均温度分别为33.28℃和33.03℃，只相差0.25℃。裸露屋顶温度峰谷差达6.46℃，而3种绿化屋顶最高与最低温度差均小于4.2℃，和对照组相比温度变化幅度较小。从图2也可看出，和对照组相比，绿化屋顶的温度折线趋势明显平缓，温度更稳定。此外，四种形式屋顶的温度都呈“单峰”分布，10∶00-12∶00温度上升很快，12∶00-14∶00期间太阳辐射减弱，温度上升变缓，在14或15时温度达到最高温度后又缓慢降低。

2.1.2 3种屋顶绿化形式降温效果的比较

根据表2的实验组与对照组的各时刻温度，计算3块试验样地的降温程度变化范围分别为：1.06℃-3.72℃，0.8℃-4.36℃，2.17℃-4.52℃；计算对照组与3块实验样地平均温度差，得到3块样地平均降低温度为：2.14℃，2.39℃，3.71℃；计算降温率分别为：5.9%，6.6%，10.4%。可以看出藤蔓类绿化的降温优势比较明显，而草地乔木和草地灌木两实验样地的降温程度的范围相近，平均降低温度和降温率相差也不大。

表3 3种绿化形式与对照组的温度方差分析Table 3 Temperature analysis of variance between greening forms and the control group

表3是绿化屋顶与对照裸屋顶温度的方差分析，组间均方差为19.5，组内均方差为2.627。F＝7.424＞F0.05（3,32）≈2.92，表明不同形式的屋顶绿化对屋顶的温度有非常显著的影响。显著性水平P表示因素对实验结果无显著影响的概率，P=0.001＜0.05，说明在α＝0.05显著性水平下，F检验是显著的，也表明不同绿化形式对实验指标屋顶温度的影响显著。

方差分析只能判断整体各观测变量均值不完全相等，却不能得出各均值之间完全不相等的结论，各因素水平下观测变量均值的更为细致的比较就需要用多重比较检验[5]。先检验方差的齐次性，计算结果为P＝0.695＞0.05，所以得到不同绿化形式的温度满足方差齐性的结论。然后用SPSS软件做LSD两两比较检验，分析不同绿化形式之间的降温效果差异。

如表4所示，3种绿化形式与对照组的温度差异的显著性水平均小于0.05，表明3种屋顶绿化形式均有显著的降温效果。但草地灌木和草地乔木这两种绿化形式相比，P＝0.749＞0.05，表明这两种绿化形式差异不明显。而藤蔓类与草地灌木相比，P＝0.048，表明藤蔓类绿化的降温效果即使与草地灌木绿化形式相比，仍差异显著，降温效果很好。

综上所述，根据平均温度、降温程度、降温率及方差检验与LSD检验，3种不同植物群落的绿化形式都有显著的降温作用，其降温效果为：藤蔓类＞草地+乔木＞草地＋灌木，其中草地灌木和草地乔木这两种绿化形式降温效果没有显著差异，藤蔓类绿化形式的降温效果最好，明显优于其他两种屋顶绿化形式。

表4 3种绿化形式及对照组温度LSD两两比较分析Table 4 Temperature LSD pairwise comparison analysis between 3 kinds of greening forms and the control group

2.2 不同绿化形式的增湿效益

2.2.1 3块试验样地的相对湿度统计

如表5所示，相对于对照裸屋顶，3种绿化形式的屋顶的相对湿度都有不同程度的提高，藤蔓类试验样地的平均相对湿度最高，为38.11%，而对照组的相对湿度最低，为32.64%。草地灌木和草地乔木的样地平均相对湿度为34.75%和34.88%，相比差异不大。同时结合图3可以看出，各实验地的相对湿度呈现先下降后稍微上升的趋势。在10∶00 相对湿度最高，在 10∶00-14∶00 时刻之间相对湿度急剧下降，各试验地分别在14∶00-16∶00时刻之间相对湿度达到最低值后，又有缓慢上升的趋势。其中草地灌木和草地乔木样地的相对湿度曲线十分接近，在 15∶00-18∶00有交叉。

表5 各试验地各时刻相对湿度统计/%Table 5 Each samples statistical relative humidity of different moment/%

图3 各试验地不同时刻相对湿度折线图Fig.3 Each samples relative humidity line chart of different time

2.2.2 3种屋顶绿化形式增湿效果的比较

根据表5的3块绿化试验样地与对照试验地的相对湿度，计算3块样地的平均相对湿度增加为：2.11%，2.24%，5.47%；增湿程度范围为：0.98%-3.94%，0.4%-4.1%，3.22%-7.5%；增湿率为：6.4%，6.8%，16.6%。以上数据可以看出藤蔓类绿化形式的增湿效果最明显，而草地灌木和草地乔木两种绿化形式的增湿程度范围相近，平均相对湿度增加量和增湿率差异也不大。

表6 3块试验地与对照组相对湿度方差分析Table 6 Relative humidity variance analysis of testing samples and the control

表6的方差分析显示，总离差为438.384，组间均方差为137.373，组内平方和为301.011，而F＝4.868＞F0.05（3,32）≈2.92，表明不同的绿化形式对屋顶相对湿度有非常显著的影响。P=0.007＜0.01，也表明不同绿化形式对实验指标相对湿度影响显著。

方差分析表明各试验地测试温度均值并不相等，具体分析各试验地（绿化形式）之间的相对湿度的差异要做两两比较分析。先对各种绿化形式的相对湿度方差齐次性检验，结果为P＝0.505＞0.05，表明方差满足齐次性要求。然后对各种绿化形式的相对湿度做LSD两两比较检验，分析不同绿化形式之间的增湿效果的差异。

表7 3种绿化形式及对照组相对湿度LSD两两比较分析Table 7 Relative humidity LSD pairwise comparison analysis on greening forms and the control group

如表7所示，草地灌木和草地乔木两种绿化形式的相对湿度与对照组相比，均无显著性差异，表明它们的增湿效果并不明显，而藤蔓类绿化形式与对照组相比，P=0.001＜0.05，表明只有藤蔓类绿化形式有显著的增湿效果。同时藤蔓类绿化与另两种绿化形式相比，P＜0.05，这表明，藤蔓类绿化的相对湿度不仅与对照组相比有显著性的差异，而且与其他两种屋顶绿化形式相比也差异显著，可显著提高屋顶的相对湿度，改善建筑局部微气候环境。

通过以上的平均相对湿度、增湿程度、增湿率及方差检验与LSD检验，看出3种绿化形式的增湿效果为：藤蔓类＞草地+乔木＞草地＋灌木，其中草地灌木和草地乔木两种绿化形式增湿效果没有较大的差异，而仅有藤蔓类绿化能显著提高环境的相对湿度。

2.3 结果分析

本次实验的结果表明，绿化屋顶有一定的降温增湿效应，这与国内外学者研究是一致的。同时测试数据显示，草地乔木绿化方式和草地灌木绿化方式相比，屋顶的降温与增湿效果并没有显著的差异，而藤蔓类绿化方式降温增湿效益最好。

通过相关学者的研究表明[6-9]，绿化的降温增湿主要得益于植物的遮挡太阳辐射和蒸腾作用。郁闭度是指森林中乔木树冠遮蔽地面的程度，表示植物对太阳辐射的遮挡。表1的绿化植物群落调查显示，草地灌木和草地乔木两实验样地的郁闭度相近，而藤蔓类实验地块的郁闭度明显高于其他两块试验样地，其遮挡太阳辐射降温效果会更好。

蒸腾作用是水分从活的植物体表面（主要是叶子）以水蒸汽状态散失到大气中的过程。栽培学和气象学相关理论指出，蒸发面积、微环境温度和气孔内外压差是影响植物蒸腾速率的主要原因。董泽军提出蒸腾作用的速率的分析，需要植物气孔下腔蒸发表面积、气孔下腔微环境中饱和差、气压、温度、气孔内外气压差、植物体内特别是细胞间隙中水溶液浓度、植物生长期蒸腾作用等植物生理学试验数据来支撑[10]。由此看来，具体每种绿化植物的降温增湿效益与蒸腾作用、呼吸作用等生理活动的关系，应从植物生理学方面进行更加深入微观的定量研究，而本文是以实际测试数据宏观分析其降温增湿效果，这是本文的不足之处。

在调研中，屋顶管理人员指出藤蔓类植物容易养护，灌木生长状况也良好，但乔木类绿化植物生长受到基质厚度、土质等环境因素的限制，枝叶稀少，长势不好，经常有生病枯枝现象。他们提出乔木的生长问题使其不能充分发挥它的生态效益，因此建议在屋顶条件有限情况下，屋顶绿化不适宜种植过多乔木，而应种植适应性强的藤蔓类、小灌木和草本类植物。

3 结论

（1）本次实验的测试数据显示，草地+灌木、草地+乔木和藤蔓类三种绿化形式能降低平均温度分别为：2.14℃，2.39℃，3.71℃；降温程度分别为：1.06℃～3.72℃，0.8℃～4.36℃，2.17℃～4.52℃；降温率分别为：5.9%，6.6%，10.4%。方差检验和LSD两两比较检验表明，和对照组相比，3种绿化形式均有显著的降温作用，其中草地+灌木和草地+乔木的降温效果差异不大，而藤蔓类绿化的降温效益最好。

（2）本次实验的测试数据显示，草地+灌木、草地+乔木和藤蔓类三种绿化形式均有一定的增湿作用，能增加相对平均湿度分别为：2.11%，2.24%，5.47%；增湿程度范围分别为：0.98%～3.94%，0.4%～4.1%，3.22%～7.5%；增湿率为：6.4%，6.8%，16.6%。方差检验和LSD两两比较检验表明，草地+灌木和草地+乔木两种绿化形式的增湿效果没有显著性的差异。同时与对照组相比，只有藤蔓类绿化有显著的增湿效益。

（3）根据所测试的数据和检验分析，在屋顶环境有限的情况下，建议优先选择降温增湿效益最好、适应性强的藤蔓类绿化植物，结合低矮灌木和地被类植物（佛甲草、四季青等）进行屋顶绿化，不推荐种植较多的乔木，因为乔木不易养护，且其降温增湿效果与灌木相比并没有显著差异。