半地下建筑顶板不同覆土厚度绿化的生态效益研究

2021-10-19孙宏彦

中国园林 2021年9期

孙宏彦

谢军飞

舒健骅

李延明*

针对中国土地资源匮乏、城市绿化覆盖率低的现状，合理开发利用地下空间并进行覆土绿化是现代生态城市建设的一个积极探索，也是我国大城市发展的特色需求。地下半地下建筑覆土绿化是兼顾建筑空间拓展和绿化生态效益的产物，但国内外相关研究极少。相关研究主要集中在屋顶绿化上，研究表明，屋顶绿化在夏季可有效降低屋顶的表面温度、减小温度波动幅度，有利于改善城市热环境[1-2]。与无绿化屋顶相比，屋顶绿化可使屋顶温度在冬季升高5～10℃，夏季降低10～20℃[3-4]，进而减少建筑能耗，削减建筑空调系统的容量及系统运行的时间和强度[5]。除此之外，屋顶绿化在截留雨水方面也可发挥重要作用[6-8]。屋顶绿化与建筑顶板覆土绿化息息相关，但屋顶绿化多采用轻型基质，而建筑覆土绿化则采用绿地土壤，因此屋顶绿化相关研究不能直接指导建筑覆土绿化实践。目前，北京[9]、上海[10]、广州[11]、深圳[12]等地虽有屋顶绿化覆土厚度的相关规定，但这些规定大多基于宏观调研，尚无精确试验数据支撑。为解决行业急需的技术问题，北京市园林绿化科学研究院建造了模拟半地下空间的建筑覆土绿化试验站，旨在从植物生长、增湿降温、能量流动和雨水蓄积等方面开展系统研究，一方面填补相关研究领域的空白，另一方面可为我国地下空间覆土绿化土层厚度的应用和相关标准的制订提供科学依据。

1 研究方法

1.1 试验地布设

本研究在北京市园林绿化科学研究院内建成的建筑覆土绿化试验站进行。试验站为长方形建筑，长30.5m、宽8m，总面积为244m2。建筑为半地下式建筑，其中地下部分为1m，地上部分为1.1m，建筑内部分割为14个3.5m×3.5m的独立空间。建筑内各空间顶部对应14个3m×3m的露地种植池，池内铺设耐根穿刺防水卷材。在种植池中设5个不同覆土厚度处理(图1)，分别为0(即不覆土)、0.2、0.5、1.0、1.5m，同时设3个地面种植对照。

图1 建筑顶板覆土绿化种植设计平面图

1.2 植物种植

不覆土对照不种任何植物；0.2m覆土处理的3个种植池内种植佛甲草地被；其余处理采用相同种植模式，种植乔灌木组合植物，包括油松、白蜡、金银木、大叶黄杨和独干紫薇各1株。植物规格如表1所示。

表1 种植池内植物规格

1.3 灌溉管理

在每个种植池内铺设全自动滴灌系统，灌溉系统中配置有过滤器、稳压阀等装置，确保相同处理的每个种植池在相同时间内获得的灌溉量基本一致。

1.4 仪器安装和数据采集

根据土壤厚度，分别在距离地表10、35、75、125cm处埋设土壤水分探头(CS650，Campbell Scientific，Logan，犹他州，美国)，各覆土处理在屋顶表面安装热通量探头(HEP01-15m，Campbell Scientific，Logan，犹他州，美国)，每个房间顶部正中位置安装温度探头(109，Campbell Scientific，Logan，犹他州，美国)，每个种植池灌水主管道处安装DLJ50流量计(Daniel L.Jerman Co.，Hackensack，新泽西，美国)。上述探头均与CR1000数采器(Campbell Scientific，Logan，犹他州，美国)相连，每小时自动采集一次数据。各覆土处理排水口下方设置自计式雨量筒，雨量筒下方设置储水容器。试验站旁安装ET107气象站(Campbell Scientific，Logan，犹他州，美国)。

1.5 地表覆盖度测定

2015年4月—2016年10月，每月中旬测定每个乔灌木树池内的覆盖度。将每个3m×3m的树池平均分隔为100个30cm×30cm的小方格，测定每个小方格中心位置是否被植物覆盖，若覆盖，记为1，若无覆盖，记为0。被覆盖的方格百分数则为每个树池的覆盖度。

1.6 试验期间天气情况

试验期间的气象条件均属于北京地区正常的气候状况(图2)，降雨量集中在6—8月，2015和2016年降雨量分别为585和616mm，总降雨量略低于30年平均降雨量644mm。2015年雨季最大降雨量发生在6月26日，单日降雨量为72.8mm；2016年最大降雨量发生在7月20日，单日降雨量为228mm，形成了“7·20”特大暴雨。日均温在冬季12和1月处于低谷，2月气温逐渐回升，6—8月气温处于顶峰。日潜在蒸散量在冬季12和1月处于低谷，低于1mm，5—8月处于高峰，日潜在蒸散量可达5～6mm。

图2 2015、2016年日降雨量、日潜在蒸散量ETo和日均温

1.7 数据处理和分析

月蒸腾量利用水量平衡法计算获得，计算方式为：

ETa＝降雨＋灌溉＋土壤水分变化－淋失液

2 研究结果

2.1 不同覆土厚度绿地对植物蒸腾耗水的影响

由图3可知，不同覆土厚度处理的月潜在蒸散量与日蒸腾量年度变化规律基本一致，即1—3月蒸腾量极低，4月快速上升，5—8月处于高峰，8月以后逐渐下降；2015和2016年潜在蒸散量最高月份均为5月。各覆土处理的月蒸腾量整体趋势与潜在蒸散量也基本一致，蒸腾量最高的时间为7—8月。在蒸腾旺盛的5—10月，各处理随着覆土厚度的增加，实际蒸腾量也随之增加。2015和2016年7—8月，1.5m覆土处理蒸腾量显著高于其他覆土处理(p＜0.05)，0.2m覆土处理则显著低于其他覆土处理(p＜0.01)。2015年1.0和0.5m覆土处理月蒸腾量无显著差异，2016年1.0m覆土处理蒸腾量则显著高于0.5m(p＜0.05)。其他时间各处理间无显著差异。与潜在蒸散量相比，0.2m覆土处理与之相近，其他3个覆土处理实际蒸腾量显著高于潜在蒸散量。

图3 2015和2016年不同覆土厚度处理每月实际蒸散量

2015和2016年蒸腾总量趋势一致，随着土壤厚度的增加，蒸腾量随之增加(图4)。将年度蒸腾总量与土壤厚度进行线性回归发现，年蒸腾总量与土壤厚度高度相关，2015和2016年的R2值分别为0.96和0.97。

图4 2015和2016年不同覆土厚度处理年蒸腾总量

2.2 不同覆土厚度绿地对建筑温度的影响

各覆土厚度处理房间内，日温差呈现春季快速升高，至4—5月达到顶峰，随后夏季逐渐下降，12月和翌年1月降至最低的趋势(图5A)。在日温差急剧上升的3—5月，各覆土处理日温差呈现出1.0m＞0.2m＞0m＞0.5m＞1.5m的趋势，而在其他时间，各处理日温差呈现出0m＞0.2m＞1.0m＞0.5m＞1.5m的趋势。

10日平均热通量结果显示，不覆土处理热量交换极其剧烈，尤其在夏季高温季节，10日平均热通量可达2MJ/d/m2，春秋季节热通量变化趋缓，但10日平均热通量变化仍在0.6～1.0MJ/d/m2区间(图5B)。4个覆土处理相对不覆土对照，均极显著降低了热量交换(p＜0.001)，且对于夏季的热量交换降低程度显著高于冬季。其中0.2m覆土处理表现尤为突出，冬季(11月—翌年2月)10日平均热通量约为不覆土处理的70%，而夏季则为不覆土处理的约20%。0.5、1.0、1.5m覆土处理热通量变化则被极显著降低(p＜0.001)，全年10日平均热通量变化基本都在0.3MJ/d/m2以内。夏季平均热通量约为不覆土对照的1/10，冬季约为不覆土对照的1/5(图5B)。

图5 各覆土处理的室内10日平均温差(A)和屋顶热通量(B)

2.3 不同覆土厚度绿地对雨水蓄积的影响

2015年6—8月降雨量大于5mm的降雨过程共有15次，其中0.2m覆土处理产生渗滤液12次，0.5m覆土处理产生渗滤液4次，而1.0和1.5m覆土处理仅在2015年6月26日出现72.8mm强降雨的情况下产生少量渗滤液。降雨量小于5mm的情况下，除0.2m覆土处理由于初始含水量较高，在6月13日出现过微量渗滤液外，所有单次降雨量小于5mm的情况下，各覆土处理均不会产生渗滤液(表2)。虽然0.2m覆土处理产生渗滤液的次数较多，但渗滤液总量显著小于不覆土处理。

表2 2015年6—8月不同覆土厚度处理渗滤液产生情况及对应降雨量

覆土试验站2015年5月11日—10月20日降雨总量为491.2mm。结果表明，在不覆土对照处理中，99.6%的雨水会淋失，而屋顶覆土可以显著降低雨水淋失量，仅0.2m覆土即可将53.4%的雨水滞留，0.5m厚覆土处理可将雨水蓄积率提高至93.4%，1.0和1.5m覆土厚度的雨水蓄积率均达到99.5%以上。

2016年4月22日开展了模拟降雨强度为60mm的控制试验，1.5和1.0m覆土厚度均无渗滤液淋出，而0.5和0.2m覆土厚度出现渗滤液，0.2m覆土厚度在出现大量渗滤液后即关闭灌溉，总模拟降雨量尚未达到60mm(表3)。

2016年5月27日开展了从干旱至饱和的最大蓄水量测定试验(表3)。结果表明，土壤的最大蓄水能力与土壤厚度呈线性正相关，R2值为0.99(图6)。土壤最大可蓄积水量=0.24×土壤厚度。随着土壤厚度的增加，土壤的最大可蓄积水量随之增加，在本研究土壤条件下，每增加10cm厚度的土壤，最大可蓄积24mm的降水。

表3 模拟灌溉试验不同覆土厚度处理灌溉量和渗滤液淋出量

图6 不同覆土厚度土壤与最大蓄积水量间的线性关系

2.4 不同覆土厚度绿地植物地上部生长情况

各处理在4月覆盖度最低，均在40%～50%，之后覆盖度迅速增加，5月增至85%左右，7—8月覆盖度基本稳定，至9月达到峰值，10月开始下降。这是由于4月正是植物开始萌发展叶的时期，覆盖度较低；至5—6月叶片基本展开，新梢长度迅速增加，覆盖度迅速提高；7—9月植物生长基本稳定，覆盖度随时间逐渐升高；10月开始落叶，覆盖度相应降低(图7)。

除4月外，0.5m覆土厚度处理的地表覆盖度在整个生长季节均低于1.5、1.0m覆土和地面对照处理。4月树木正处于展叶期，而白蜡展叶时间个体差异显著，因其体量较大，对覆盖度影响较大。在植物进入5月旺盛生长季节后，1.5、1.0m覆土和地面对照处理间覆盖度及植物长势无显著差异，但二者整体生长情况优于0.5m覆土厚度处理。

3 讨论

3.1 覆土土层越厚，生态效益越好

植物蒸腾是一个降低环境温度、增加空气湿度的过程。该过程会吸收大量热量，降低环境温度。因此，本研究中每个处理种植池的月蒸腾量可以在一定程度上代表绿地的增湿降温效益。在整个植物生长季节，木本植物群落(0.5、1.0、1.5m覆土)月蒸腾量显著高于佛甲草地被(0.2m覆土)(p＜0.01)，表明木本植物具有较高的改善微环境的生态效益，这与张彪等[13]、张文豹等[14]、陈朱等[15]、纪鹏等[16]、徐高福等[17]的研究结果一致，也与魏艳萍[18]、吴艳艳等[19]和邹敏等[20]得出的重型屋顶绿化增加空气湿度的效果优于轻型屋顶绿化的研究结果一致。这一结果也表明，建筑覆土绿化在有条件的地方应大力推广，且应优先考虑生态效益最好的乔灌草复式种植。

5月之后，各处理植物叶片完全展开，月蒸腾量进入顶峰时期，因此5—8月生长季节是园林绿化树种发挥增湿降温效益的关键时期，与张艳丽等[21]的研究结果一致。0.2m覆土厚度种植的佛甲草地被，蒸腾面积取决于地表覆盖度[22]，因此在水分充足的条件下，实际耗水接近ETo。0.5m以上覆土处理种植的植物为5种树木的组合，实际蒸腾面积应为冠层的表面积，因此实际蒸腾面积远大于1，相应的实际蒸腾量远大于ETo。对于0.5、1.0、1.5m 3个覆土厚度来说，实际蒸腾面积取决于植物体量大小，随着覆土厚度的增加，树木的月蒸腾量也随之增加(图3)。这一结果表明，土层越厚，越有利于植物生长，植物生长越快、体量越大，相应的生态效益也越高。

3.2 0.5m以上覆土可显著减少屋顶热量流动，夏季降温、冬季保暖

不覆土处理极为剧烈的热量交换表明屋顶表面经历了较大的温差变化，而覆土处理显著降低了屋顶热量交换，即使最薄的0.2m覆土处理，也将屋顶的热量交换降低了50%以上。这与郑星等[1]的研究结果一致，表明覆土绿化有利于改善城市热环境。0.5m以上覆土厚度处理则进一步将屋顶热量交换降低了80%～90%。这一结果表明，随着土壤厚度的增加，土壤对温度和热量的缓冲作用增加。结合室内温度数据可以发现，覆土厚度为0.5m以上时对房间内会有显著的夏季降温、冬季保暖的作用。本研究在没有室内控温措施的条件下进行，且房间较小，较易受到环境温度影响。与不覆土对照相比，0.5m以上覆土处理室内气温夏季降低2～3℃，冬季升高1～3℃。

与不覆土对照相比，0.2m覆土厚度处理在冬季与不覆土对照室内温度基本一致，而在夏季则低于不覆土对照室内温度，表明0.2m覆土厚度处理在夏季具有一定的降温效果，而冬季则保温效果不明显，这与赵定国等[4]、杨真静等[23]、冯超意等[24]的研究结果一致。1.5、1.0、0.5m 3个覆土厚度处理房间内温度在夏季基本一致，均在夏季低于、冬季高于0.2m覆土厚度处理和不覆土对照。这一结果表明，与不覆土对照和0.2m覆土处理相比，0.5、1.0、1.5m覆土厚度处理均在夏季有明显的降温效果，在冬季均具有明显的保暖效果，与热通量结果一致。从环保角度出发，采用0.5m的覆土厚度即可达到显著的节能减排效果。

3.3 覆土土层越厚，土壤对雨水的蓄积能力越强

各覆土厚度处理在滞留雨水方面均可发挥明显效果。0.2m覆土厚度可滞留10mm以下单次降雨，0.5m覆土厚度可滞留30mm以下单次降雨，1.0和1.5m覆土处理则可滞留北京地区气候条件下几乎全部绿地降雨量。2015年5—10月，0.2、0.5、1.0和1.5m覆土厚度分别滞留雨水262.3、458.8、489.1和489.6mm。结果表明，土层越厚，可以截留的雨水越多，雨水的利用率越高，这与Buccola等[6]和曹金露等[25]的研究结果一致。在2015年的气候条件下，0.2m覆土厚度的年度雨水蓄积率为53.4%，与Stovin等[26]的研究结果一致。这一结果表明，覆土厚度在0.5m以上即可实现大部分雨水的利用。

通过60mm强度降雨模拟试验可知，在土壤初始含水量较低的情况下，各覆土厚度处理均可显著减少城市雨洪，而1.0m以上覆土厚度可以完全吸纳北京市暴雨的降雨量，将屋顶雨水外排量降为0。而从干旱至饱和的灌溉试验表明，土壤的最大蓄水能力与土壤厚度呈线性正相关，随着土壤厚度的增加，土壤的最大可蓄积水量随之增加，与张华等[27]、张彦婷等[28]的研究结果一致。土壤实际蓄水能力与土壤接收降雨或灌溉前的土壤实际含水量有关。本研究表明，当土壤非常干旱时，其蓄水能力显著增强，而当土壤水分充足或饱和时，可蓄积的水分则显著减少，这与李淑英[29]在草坪式屋顶绿化上的研究结果一致。根据2016年“7·20”暴雨的实际观测结果可知，1.0和1.5m覆土厚度均几乎完全吸纳了228mm的单日降雨，且所有覆土处理均可显著延迟雨水外排的时间。因此，从缓解城区雨洪压力的角度出发，1.0m覆土即可实现雨水蓄滞和错峰的作用，减少屋顶雨水外排。

3.4 土层越厚，越有利于木本植物生长

在开展本研究的2015和2016年，即建筑覆土绿化试验站建成的初期，1.5和1.0m覆土厚度处理在水分充足的条件下，植物生长较好，长势与地面处理差异不大，而0.5m覆土处理生长相对较差。但在覆土站建成后的第6年(2020年)，与地面对照相比，即使1.5m覆土厚度也对植物生长产生了显著抑制作用，这表明短期内建筑覆土绿化植物的生长与树木种类和覆土厚度密切相关，但长期的生长状况仍不如地面常规绿地中的植物。不同木本植物的土层需求不同：灌木土层应在0.5m以上，小乔木和大乔木则应分别大于1.0和1.5m。因此，为兼顾整体生态功能，建筑顶板覆土厚度应不低于1.5m。