植被在不同降雨环境中对绿色屋顶雨水径流的影响

薛明珂，李思芹

(1.杨凌职业技术学院, 陕西 杨凌 712100；2.厦门市园林植物园，福建 厦门 361000)

1 引言

屋顶和道路等基础设施占据了大部分城市化地区，导致城市径流增加,地下水补给减少,径流水质下降[1～2]。绿色屋顶可作为一个潜在有价值的工具来治理这些雨水径流问题，其中表层植被和多孔基质的添加在一定程度上改善了屋顶不积水的现象，通过基质对雨水的滞留作用和植物的蒸腾作用来延缓和减少地表径流[3～4]。

植物是绿色屋顶和环境之间最关键的接触面,但对于植物确切的调节作用仍然是不明确的。有试验表明,许多以多肉为主要栽培植物的绿色屋顶会对减缓雨水径流有略微的帮助，这也许是因为多肉植物的蒸发量较小，不足以明显影响基质的持水量[5]。然而Berghage等人[6]表示,景天属植物可迅速蒸发基质内的可用水，且蒸发量高达绿色屋顶基质可用水量的40%，具体的量取决于降雨量的规模和时间。Dunnett等人[7]表示,植被的形态特征,如高度和结构，可以显著影响绿色屋顶径流的保留。

植被在绿色屋顶中所起的调节径流量作用可能会根据气候的不同而发生变化，例如在间歇性降雨的福建，夏天的降雨对于植物的吸收利用来说会有限制。此外，在夏季干旱的气候中，绿色屋顶往往需要额外的灌溉来维持植物的生长，但是灌溉管理可能通过改变基质的持水力或者植物的生理状态来改变基质对雨水的储存能力。因此，研究灌溉管理对绿色屋顶径流量的影响是非常重要的,特别是降雨量不连续且在夏天较湿热地区。

在这项研究中,我们通过比较一年内储水性能不同的三种屋顶设计:第一种是典型的浅层绿色屋顶设计;第二种是仅含基质但没有植被的屋顶,;第三种是传统的防渗屋顶，来评估了在厦门冬夏两季绿色屋顶植被对降雨的影响。此外，在夏天我们对额外的灌溉进行测试，评估在炎热的环境中灌溉是否会影响屋顶的储水性能。

2 材料和方法

2.1 地点

试验进行地点位于厦门市，位于北纬24°23'～24°54'、东经117°53'～118°26'，在中国东南沿海，福建省南部。天气情况由距离数据测试点6.4 km的一个气象站收集，2018年的降雨量与近几年长期平均降雨量较为接近，均为1 200 mm左右。

2.2 试验床设计

试验设置了24个1.2 m×2.4 m屋顶模拟测试床，每一个测试床都含有4.5 mm热聚烯烃热塑性防水膜(TPO)的内衬单层 ，测试床高1.98 m,均含有统一纵向坡度为2%的排水洞。其中三个测试床的顶部只有防水膜，用来模拟传统的屋顶的径流模式，剩下的21个测试床除了防水膜之外，顶部还有排水层和基质。排水层6.35 mm厚，一端含有针织复合材料的标准排水垫,用来为基质与排水层之间提供一个过滤层。基质采用厦门地区常用的浅层绿色屋顶基质，主要由筛选浮石(0.16～0.95 cm)、少量的纤维堆肥和纸纤维构成。基质的田间持水量为732 kg·m-3,饱和容重为1 017 kg·m-3,干重546 kg·m-3。每个测试床上的基质均为12.7cm的厚度。

2.3 试验方法

这项研究持续一年，在雨季，通过比较植被测试床、仅含基质的测试床和模仿传统屋顶的测试床来测定植被对屋顶的储水性能的影响。在旱季,通过给植被测试床和仅含基质的测试床添加额外灌溉，来测试植物和灌溉对于屋顶滞留雨水径流影响的结合作用。

试验共分为三种处理：其中12个测试床中种植了6种植物(蓝铃花、矮牵牛、垂盆草、常夏石竹、大花金鸡菊、景天、长生草和月见草)，这些植物均购买于当地一苗圃。在试验开始前的第一个生长季对种植试验床进行均匀灌溉，以保证植株能够正常生长。从2017年12月25日至2018年3月25日持续冬季降水开始，平均每天4～5 h的降雨量为2.18mm。采用点截距法，在植株建立期结束时(2017年12月25日)和灌溉试验开始时(2018年6月25日)，在每个种植试验台选取0.5 m×0.5 m的样方范围来估算植被总覆盖度。9个测试床均为仅含基质的测试床。剩下的3个测试床既无机质也无植物，主要用来模拟传统屋顶。

在夏季开始时，三种不同灌溉处理随机应用到12个植被测试床(每4个测试床使用一种灌溉处理)和9个基质测试床(每3个测试床使用一种灌溉处处理)：①园艺经验法：用视觉观察和屋顶径流溢出来判断能够维持植物健康所需的最小灌溉水量。除夏季降水外，每两天给植物增加133.35 mm 的额外灌溉量;②当地政策：按照厦门绿色屋顶建筑政策的要求进行灌溉，除夏季降水外，每5 d施用量为57.15 mm的额外灌溉；③不作处理：非灌溉条件下，植物夏季降水量约为38.1 mm。作灌溉处理的测试床，平均灌溉持续时间为4～5 h每天。

2.4 雨水径流评估

在冬夏两季，我们测量了所有自然降雨事件的雨水径流量。此外，在2018年5月25日进行了一次模拟降雨，并测量了径流量。进行该模拟降雨事件是为了确保在灌溉处理开始时，所有试验台上的基质处于均匀饱和状态。在每次降雨事件发生开始到降水停止后6 h，均对附加在每个试验台上的储罐中累积的总径流进行测量。

2.5 数据分析

试验所有的统计分析都使用SAS9.3分析软件完成，采用单向ANOVAs分析方法分析同组数据之间的差别，用最小方差(LSD)来比较不同组数据之间的显著性差异。

3 结果

3.1 湿季性能

图1 湿旱两季，随降雨量增加三种测试床的平均径流变化

最开始监控雨水时, 有植被的测试床平均植被的覆盖率已经达到屋顶面积的69%±4.5左右,并且根已经完全深入进基质内。传统屋顶的雨水径流完全沿着排水管流失，这一结果偶尔会由实验误差产生轻微变化。仅含基质屋顶和有植物屋顶存储雨水的体积较为相近，这两种屋顶比起传统屋顶，均降低了屋顶雨水径流量,这种径流量的差异大小变化为非线性函数 (图1)。当将线性模型转换为对数模式来分析径流量时，仅含基质的屋顶和有植被的屋顶没有很明显的差异 (p = 0.971),并且这种关系在一定范围的降雨中是一致的 (p = 0.922)。给冬天所有的降雨求和,仅含基质的屋顶和植被屋顶能够保留的径流量占总径流量的百分比分别为26.4%±1.1 se和26.4%±0.5 se。

3.2 旱季性能

图2 仅含基质测试床和植物测试床在旱季不接受灌溉处理后的径流量

图3 仅含基质测试床和植物测试床在旱季接受不同灌溉处理后的径流量

夏天在灌溉初期，测试床上的植被是健康的，平均覆盖率达到了83%±3.7 se。相比较湿润的季节，仅含基质的屋顶和植被覆盖屋顶表现出不同的雨水保留量。将整个夏季的雨水储存量求和，结果表明植被屋顶和仅含基质的屋顶雨水保留量分别为64.7%±1.2 se和51.9%±1.9 se。然而,植被对雨水保留量的多少取决于降雨量的大小和额外灌溉的多少(图1和3)。当对测试床不进行灌溉时，除两次最小的降雨事件之外，植被对于雨水的保留量具有明显的影响作用 (图2)。同样, 在夏节发生特大降雨事件时，灌溉处理对于仅含基质和含有植被测试床的雨水保留量来说有显著的影响 (图 3)。仅含基质的屋顶在接受园艺式灌溉处理时仅能保留35.4%±1.2 SE的降雨，而接受政策处理的能保留41.2%±1.6 SE，没有灌溉的屋顶能保留53.2%±1.2 SE。植被覆盖的屋顶在接收园艺式灌溉处理后能保留63.0%±1.7 se的降雨量，接受政策处理的能保留65.8%±1.2 se，没有灌溉的屋顶能保留75.0%±3.1 se的降雨。

4 讨论

这项研究的结果表明,凉爽潮湿的气候对绿色屋顶在优化雨水保留量方面具有很大的挑战。此外，含有植被屋顶和仅含基质屋顶在湿旱两季之间的雨水保留量上几乎表现出了相同的性能。冬季植物水分利用能力的减少可能限制了植被在大量降雨事件发生时恢复蓄水的能力。Berghage 等人[6]指出冬季植被覆盖的屋顶和仅含基质的屋顶蒸腾失水没有明显的差异，但是夏季会有差异二重性。此外，冬季的低蒸发率也有可能阻碍了植被屋顶和仅含基质屋顶对雨水的储存能力。在本研究中，这两类屋顶在冬季仅能保留不到28%的降雨，均为不到夏季保留量的一半。同样地，Spolek[8]指出建造在波特兰的绿色屋顶冬季的平均雨水保留量为12%，而当夏季发生相同降雨量事件时，同样的绿色屋顶雨水保留量则为42%。Mentens等人[9]表明，德国的绿色屋顶在冬季对雨水的保留量相对于夏季更低一些。

若想要增强屋顶在冬季降雨中的雨水保留特性，那么在设计绿色屋顶时，应该采用更丰富的植物物种，以便于在较凉爽的冬季依然可以提供结构性的持水量。在福建地区，备选的绿色屋顶植物包括苔藓类、鳞茎类和兼性湿地植物，这些都能够在秋天、冬天和春天表现出良好的特性。此外,能利用大规模结构条件来留住雨水的植物物种也会是不错的选择。许多常见的苔藓植物能吸收高达自身重量10倍的水[10]。在Anderson等人[11]的平行实验中，冬季里只种植苔藓的测试床比只包含基质或者含有维管束植物的测试床能够多保留12%～23%雨水。在建造绿色屋顶时，将能够在冬季靠高结构性持水量活跃的苔藓与夏季活跃的维管植物结合起来，就可以维持屋顶的雨水径流量与蒸腾模式，从而改善屋顶全年的雨水径流控制效果[12]。

与冬天相比,植被对夏季雨水滞留的作用较为明显。然而,这种效应的强烈程度依赖于降雨量的大小，这与其他研究的结果是一致的。一些研究表明绿色屋顶雨水保留量的多少取决于降雨的大小、强度和频率，以及基质的饱和水平和气候条件[4,13,14,15]。VanWoert等人[5]和Getter 等人[16]的研究中均表明，在降雨量较小时，含有植被的屋顶和仅含基质的屋顶对于雨水的保留作用没有明显的差异，这与本研究的结果一致。

关于绿色屋顶植物用水模式方面的详细研究，Berghage 等人[6]表明,屋顶径流的多少能够强烈的通过植物蒸腾速率、与降雨时间和强度大小之间的相互作用反映出来。在他们的研究中，景天属植物种植的绿色屋顶与仅含基质的屋顶所发生的蒸腾失水量差异最大发生在饱和降雨后的3～6 d里。他们的结论是，在湿润的环境中，连续发生较小量的降雨时间时，植被可能对雨水径流管理具有很大的影响作用 (比仅含基质的屋顶高大约40%)，而干旱环境则相反。与仅含基质的屋顶相比，在六次夏季降雨事件中，本试验中有植被种植的屋顶将雨水保留量仅提高了约13%。这一结果支持了Berghage 等人[6]提出的假设，即植被在相对干旱的条件对雨水径流管理的贡献将会减少。

笔者结果表明，从潮湿的冬季到干燥的夏季，植被的覆盖面积从69%上升到83%，植被覆盖面积的增加也会影响雨水保留量的结果。地上生物量的增加,根系的发育,植被的成熟和土壤结构的变化都可以影响雨水的保留量[9,16]。Getter等人[16]表明一个建造了五年的绿色屋顶的持水量是新建一年绿色屋顶的两倍。笔者研究中，在雨季的开始的时候, 有植被的测试床的植物根部开始发育，并且深入进基质中。因此，由于季节性差异的存在，蒸腾作用可能对试验结果起主导作用。

绿色屋顶的管理就是一个将气候环境和雨水功能结合起来的实践过程。在夏季干旱地区或经历季节性干旱地区,灌溉对于维持浅层绿色屋顶上的植物来讲是必不可少的[17]。在我们目前的研究中,在夏季的强降雨事件中(28.96 mm)，灌溉能够显著降低雨水保留量。这表明, 在不连续且中强型降雨事件中,灌溉可能阻碍雨水径流的功能，比如大多数建造在在美国西南部的植被都会减少额外灌溉的需求，这将有益于资源合理利用和雨水功能的发挥[8]。

越来越多的研究证据表明,绿色屋顶植被对雨水径流的作用大小高度依赖于不同区域的特定气候条件。在笔者研究中,植被在相对干燥的夏季能够增强雨水的功能。然而,这一结果进行说明时应特别注意，笔者研究只持续了一年，因此，要评估多年、多种气候下季节性雨水对植物的性能的影响，仍然需要更长期更进一步的研究。笔者试验中采用总径流量来作为雨水性能的指标。

绿色屋顶的另一个关键性能是能够推迟径流进入排雨系统的时间，即使在强降雨期间屋顶的容积率达到饱和，绿色屋顶仍然可以延缓径流峰值出现的时间，并且降低下水道溢出的风险[15,18]。植被蒸腾速率可能对径流的延迟不起主导作用，例如,地上和地下的植被结构均能减缓水流通过绿色屋顶的速度。笔者试验中，由八种植物物种构成的绿色屋顶性能的差异性体现在植被季节性的特征变化上，本研究对这部分差异性尚且未做测试。

这项研究的结果凸显了绿色屋顶植物的选择需要注意地域性。评估植物不同种类在特定环境条件中的表现，对于发展适应地域性雨水功能的绿色屋顶植物来讲是必不可少的，尤其对我国东南部天气多变的地区，降雨模式的不同对绿色屋顶雨水性能构成了重大挑战。在选择植物时，既需要研究植物在性能性状上的特异性差异，也需要研究不同植物组合的综合性能[7]。当然，雨水管理只是绿色屋顶一个潜在的理想功能。除此之外，绿色屋顶的植物组分是其他衍生服务的主要来源，如为动物和昆虫提供栖息地、加深美学效应、利用植物蒸发降温、缓解城市热岛效应、缓解空气污染和延长屋顶膜寿命[3,4,19,20,21]。这些目标功能之间存在着潜在的权衡和冲突，特别是在面临环境限制的情况下。此外，这些服务的相对重要性可能因实际情况而异。因此，考虑到区域气候造成的环境限制，植被在设计时需要进行调整，以优化特定的目标功能。