湿热地区轻薄绿色屋顶不同种植基质中植被生长表现绩效研究

刘 璨

李玉菲

刘家琳*

2011年中国城市化率已突破50%[1]。城市化导致水文环境恶化、生境破碎、热岛效应加剧等严峻的“城市病”问题。绿色基础设施被视为能够适应、缓解城市环境问题最有效的工具之一[2]。如何在土地资源紧张的城市建成区中挖掘更多的绿色基础设施用地，是城市管理者面临的巨大挑战。近年来，绿色屋顶景观受到跨学科领域的持续关注[3-8]。在密集中心城区，传统屋面能占到不透水面积的40%～50%[9]。绿色屋顶具有极大潜力成为密集城市化环境中关键的绿色基础设施要素[10]，其能够提供雨洪管理、增加生物多样性与生境栖息地、缓解热岛效应、调节建筑热环境等[11-13]。德国、北美地区建筑屋面的绿色屋顶普及率较高[14]，多以轻薄绿色屋顶类型为主，其对建筑荷载要求低(基质层深度不超过20cm)、易实施、抗旱性强、建设维护成本低，适合普通屋面广泛绿化[15]。国内随着海绵城市理念的推广，轻薄绿色屋顶的应用开始增加，但设计类型仍单一[14]。

重庆具有山地多维城市化的空间特征，适合应用轻薄绿色屋顶技术进行普通屋面的广泛绿化。然而，基于重庆主城区定点随机抽样的20处绿色屋顶案例勘查显示，90%的案例为集约型花园式，覆土深度1m以上，以乔灌群落栽植为主，其荷载与建设成本高，难以大面积推广；仅有2例采用了轻薄绿色屋顶，均为佛甲草地毯式屋面，景观效果受限。

国际绿色屋顶的研究与实践提倡应用本土适宜性强的混合草本群落及其适用基质[16-17]。从广泛屋面绿化低成本、抗性强、景观视觉佳的营造需求出发，极有必要拓展兼具观赏性、抗旱性、保水性的轻薄绿色屋顶的草本植被应用种类、基质类型。国内少见针对混合草本群落绿色屋顶，进行植被群落生长的持续监测研究。近年国际绿色屋顶的研究中提倡采用区组条形重复随机实验设计方法，将植物层、基质层等设计变量融入实验，排除非设计变量对数据统计的干扰[3]。

本研究立足以重庆为代表的亚热带湿热气候条件，聚焦轻薄绿色屋顶景观，构建具有多种混合草本群落、轻质保水基质类型的绿色屋顶模块实验平台，通过长期监测，明晰该设施的植被生长表现绩效，提出以草本植物为基底的植物种类与种植基质的应用建议，对亚热带湿热气候条件下城市密集区绿色基础设施的构建具有积极的基础研究意义。

1 研究方法

1.1 轻薄绿色屋顶模块实验平台构建

1.1.1 实验场地

轻薄绿色屋顶模块实验平台位于重庆市西南大学校内一处开阔且光照充分的户外高地硬质平台。重庆市属亚热带季风性湿润气候，年平均气温16～18℃，7、8月气温高达40℃以上。年平均降水量大部分地区在1 000～1 350mm，雨季为5—9月，微风和静风天较多[18]。

1.1.2 实验设计布局

实验设计变量包括2类典型混合种植群落，即多年生草花混合群落(F)和观赏草混合群落(G)，以及4种不同原料配比的种植基质A、B、C、D，基质深度均为20cm。共8种实验处理模块，每种实验处理模块设置3个重复度，共设置24个实验种植槽，每个种植槽规模为1.2m×1.2m，采用区组条形重复随机实验设计法进行种植槽平面布局。种植槽中设置保温隔热层、排水板、过滤土工布、种植基质等绿色屋顶完整的下垫面结构(图1)。

图1 轻薄绿色屋顶模块实验平台

1.1.3 植物选择

每种混合群落含6种植物种类，选定种类在露地栽培中具有本土适宜性、喜光、耐旱、耐涝和低维护营养特征，以预判其能适应绿色屋顶严苛的小气候环境条件。每个种植槽含6种植物，每种植物3个重复度，共18株植物，采用完全随机分布法进行列植，避免边缘效应影响(表1，图2)。

图2 轻薄绿色屋顶实验平台植物随机布局

表1 实验平台植被种类基本特征

1.1.4 种植基质

种植基质采用本土易获取且在国际研究中绿色屋顶应用的几种典型轻质原料，并考虑草本植被根系生长特性与低灌溉维护管养需求，包含多种保水性原料与不同粒径的轻质骨料。基质理化特征由重庆市风景园林科学研究院土壤所检测，4种基质的有机物含量控制在2%～11%，以尽量减少对径流水质的影响。

1.1.5 气候监测

实验平台采用Meter公司的ATMOS14传感器监测空气温度和相对湿度，采用太阳总辐射传感器监测太阳总辐射量，采用高精度雨量计监测降雨量。监测设备装配在2个1.5m高的三脚架上，周边无遮挡，采集间隔时间为15min。实验在2020年7月初—12月末进行持续监测。

1.1.6 实验平台灌溉与维护

为保证植物在第一个生长季的存活率，于2020年7月15日—9月8日，在天气炎热室外温度35℃以上时，每日傍晚采用高压长杆洒水枪对24个实验槽进行人工浇灌[3]。

依据天气炎热程度与植被状况，采用1min或1min30s 2种灌溉时长。每次灌溉时，每个种植槽灌溉时间一致。灌溉时间为1min时，每个种植槽获得水量平均为13.57L。灌溉时间为1min30s时，每个种植槽获得水量平均为23.52L。9月8日后至第一个生长季结束，未实施灌溉。种植槽内杂草定期清除，避免影响植物生长与数据采集。观赏草冬季休眠后割掉地上部分，利于来年春季生长。

1.2 植物生长指标

1.2.1 生长高度

本研究将植物生长高度(Growth Height，GH)作为12种植物的垂直生长指标，GH为生长季末期与初期2次株高测量数据的差值。株高为从基质表面植物基部到现存最高叶片顶端或最高种头、花朵先端部位的距离。测量分别在2020年7月15日和12月10日进行。

1.2.2 地面覆盖度

研究将地面覆盖度(Groud Coverage，GC)作为植物群落的水平生长观测指标[19]。由于疫情影响，观测期开始时，观赏草群落GC已经达到种植槽面积的80%～90%，故该指标仅针对多年生草花群落进行测定。GC值基于数字图像进行分析提取。采集方法为：对种植槽进行水平顶视图拍摄，拍摄距离均为1.55m，拍摄日为晴天，拍摄时间为10：00—14：00，拍摄间隔为7～10d。照片使用ImageJ 1.46r软件进行图像处理[20]。GC值以种植槽为单元进行统计，为种植槽中植被覆盖的总面积除以种植槽总面积。该指标在2020年7月20日—9月1日采集。

1.2.3 植物存活率

植物存活率(Survival，SU)记为12种植物的生存指标。死亡植物标记为“0”，存活植物标记为“1”[21]。植物死亡的认定标准为：植被地上部分完全干涸枯萎或整株叶片萎蔫，植株易从土中拔出，须根已完全腐烂，浇水后未发出新芽[22]。该指标于植物第一个生长季结束后，于2021年3月23日观测。

1.2.4 视觉外观指数

研究将视觉外观指数(Visual Appearance，VA)作为评估12种植物生长视觉表现的指标，该指标分为5个评价等级[23-24]：1=植株叶片几乎全部干枯或休眠，有明显的褐变和枯萎迹象；2=植株叶片超过半数萎蔫，植株中保持新鲜叶片的数量不足50%；3=植物部分叶片痿焉或休眠，植株中保持新鲜叶片的数量在50%～75%；4=植物叶片轻微萎蔫或休眠，植株中保持新鲜叶片的数量超过75%；5=植株无萎蔫或休眠，植株所有叶片新鲜。该指标采集间隔为每周一次，观测期为2020年7月15日—12月25日。

1.2.5 叶片气孔导度

研究将叶片气孔导度(Stomatal Conductance，SC)作为反映植物抗旱表现特性的指标之一[25]，通常SC值越低，表明植被叶片气孔闭合度越高，以防止更多水分丧失[26]。研究采用Meter Group仪器公司SC-1叶片测定仪对其进行测定。在12种植物中，选择叶片宽度能够覆盖传感器探头孔径的6种植物进行测定，即阔叶山麦冬、翠芦莉、花叶蒲苇、花叶芒、斑叶芒和紫竹梅。每次测定前对传感器探头进行现场校准，随机选择植物饱满成熟的健康叶片进行测定。测量时间为晴天观测日的10：00—16：00[3]，采集间隔为7～10d，实验时间为2020年7月24日—9月9日夏季高温时段。

1.3 基质体积水分含量

基质体积水分含量(Volumetric Water Content，VWC)是影响植物生长状况的重要因素之一[26]。研究采用METER公司5TM土壤水分传感器，对种植观赏草群落的12个种植槽内的基质进行VWC监测。传感器安装在整个种植槽几何中心，并完全插入基质中，与基质紧密结合[27]。由于5TM传感器测定值仅对自然土壤进行过通用校准，本研究针对4种不同的种植基质对传感器监测数据分别进行单独校准，采用取样烘干称重测定法、线性分析法获取每种基质的校对公式[28]。基于校对公式与监测数据得到研究实验槽中4种种植基质的真实体积含水量。

1.4 数据分析

研究利用SSS 17.0进行数据分析。采用Kolmogorov-Smirnov Test对观测数据进行正态分布检验，本实验数据均符合正态分布特征。

采用单因素ANOVA检验法对不同指标数据进行差异性检验，当P值小于0.05时认为其差异显著。对于有显著差异的数据，利用事后多重检验确定其显著性差异的位置。利用Pearson分析法对4种基质VWC数据与小气候数据进行相关性分析。

2 研究结果

2.1 生长高度

图3、4显示了2种植物群落中植物生长高度(GH)。由于花叶蒲苇、阔叶山麦冬、翠芦莉未观测到GH生长量，故未纳入该指标图示中。

图3 观赏草群落生长高度

图4 多年生草花群落生长高度

除细叶芒外，其他植物种类在4种基质中的GH值没有显著差异，说明4种基质对多数植物高度生长的支持促进作用没有显著差异。

2.2 地面覆盖度

图5显示了多年生草花群落中的地面覆盖度(GC)变化情况。整体来看，7月20日—8月4日，多年生草花群落GC呈上升趋势，但8月4—18日由于蓝花鼠尾草大量掉叶，群落的GC值整体下降；8月18日—9月1日，由于紫竹梅生长旺盛，整体GC值上升，但最终GC值并未超过8月2日的最大值。

图5 多年生草花群落地面覆盖度

多年生草花群落GC值在4种基质中有明显差异(P值0.000)。C、D基质中的GC值高于A、B基质，但在C、D基质中GC并无显著差异。说明C、D基质对实验中的多年生草花群落GC指标有较好的促进作用。

2.3 植物存活率

结果表明各植物种类在4种基质中的存活率(SU)没有显著差异。12种植物中有7种植物SU为100%，分别为阔叶山麦冬、蓝花鼠尾草、紫竹梅、中国石蒜、斑叶芒、细叶芒、花叶芒。此外翠芦莉SU为78%，地被石竹SU为89%，金叶苔草SU为89%，花叶蒲苇SU为86%，小兔子狼尾草SU为97%。

2.4 视觉外观指数

图6、7显示了2种群落12种植物的视觉外观指数(VA)平均值变化趋势。整体来看，多年生草花群落植物的VA值区间大部分在3～5之间，其中阔叶山麦冬和中国石蒜在9月后保持在4.5以上的稳定值，其余种类9月后VA值逐步平缓下降。观赏草群落中植物的VA值在9月后呈现明显下降趋势，在观测期末其VA值均在2.5以下，说明由于观赏草群落在10月中旬—12月逐步加深休眠，视觉观赏性相对较低。整体而言多年生草花群落VA值优于观赏草群落。

图6 多年生草花群落视觉外观指数趋势变化

图7 观赏草群落视觉外观指数趋势变化

对11种植物的VA值进行差异分析(中国石蒜由于在9月后才出芽，故未纳入整体分析)的结果表明，阔叶山麦冬的VA值与其他植物种类相比有显著优势(P值0.000)。观测期内VA均值的表现优势顺序为：阔叶山麦冬＞紫竹梅＞蓝花鼠尾草＞翠芦莉＞斑叶芒＞细叶芒＞花叶芒/地被石竹＞小兔子狼尾草/金叶苔草＞花叶蒲苇(“＞”符号前后植物种类的指标数值有显著大小差异，“/”符号前后植物种类的指标数值无显著差异，以下同)。

2.5 叶片气孔导度

图8显示了夏季高温期观测植物的气孔导度(SC)变化趋势。7月24日—8月底间，SC随时间逐步下降，并在8月底日均气温最高、相对湿度最低时达到最低值，此时天气炎热，叶片水分流失，造成SC普遍下降。花叶蒲苇的SC值与其他观测植物相比显著较低(P值0.000)，其抗旱反应突出。以整体观测期的SC值为判断依据，植物叶片气孔闭合程度的高低为：花叶蒲苇＞紫竹梅/阔叶山麦冬＞花叶芒/斑叶芒＞翠芦莉。在8月底日均气温最高、相对湿度最低时，所有观测植物的SC值接近，均低于100mmol/m2s，说明此时实验观测植物的叶片普遍气孔闭合度高，抗旱反应强烈。

图8 观测植物叶片气孔导度均值

2.6 基质体积水分含量

图9显示了观测期内4种基质的体积水分含量(VWC)变化趋势。不同基质的VWC值整体变化趋势趋同。整体观测期中，A、D基质的VWC值显著高于B、C基质(P值0.002)，但A、D基质中VWC值无显著差异。在8月7日—9月12日的高温期中，D基质的VWC值显著高于其他3种基质(P值0.000)。说明在观测期中，A、D类基质在绿色屋顶设施的环境条件下具有相对较好的保水性，其中D基质在炎热气候条件下保水性表现最佳。分析显示相对湿度与各基质VWC为较强正相关，降雨量与VWC为弱正相关。空气温度与VWC呈较强负相关，太阳辐射与VWC呈弱负相关。结果表明相对湿度和空气温度对基质VWC影响较大。

图9 观测期内日实验平台日均基质体积水分含量曲线

3 讨论

整体而言，实验平台上多数植物种类有较高的存活率，少部分植物如小兔子狼尾草、金叶苔草、花叶蒲苇在12月之前出现部分植株死亡，死亡植株杆茎的基部位置多高于或低于正常基质表面，可能是由于栽培方式不当对其生长产生了负面影响，导致其入冬死亡。12—3月翠芦莉死亡率上升，很可能是因为该时段的低温霜降事件导致翠芦莉死亡，表明翠芦莉耐寒性不佳，在无过冬保护措施下，其不适宜轻薄绿色屋顶相对严苛的生境条件。此外依据观测，部分地被石竹的死亡可能是因为紫竹梅匍匐茎贴地生长的方式侵占了其生存空间。紫竹梅的生长方式可能会对部分杆茎纤细的低矮植物生长造成影响，建议其应用时与杆茎较为强韧的植株混合种植。

叶片气孔导度(SC)分析表明，花叶蒲苇、花叶芒、斑叶芒、紫竹梅、阔叶山麦冬、翠芦莉在观测期内极端高温低湿条件下均值表现出了较强的抗旱反应特征，相关前述研究也表明上述植物抗旱性强[29-32]。综合VA、SU、SC的分析结果，本研究中阔叶山麦冬、紫竹梅、蓝花鼠尾草、细叶芒、花叶芒、斑叶芒在轻薄绿色屋顶环境条件下有更好的综合生长表现。

研究结果表明多年生草花群落地面覆盖度(GC)在D基质中达到78%以上，有显著优势，可能是由于D基质中0.25mm以下的细密颗粒占比达到29.8%，在4种基质中相对较高，有利于草花群落根系的生长。此外，在盖度监测期间，D基质体积水分含量(VWC)显著较高，利于给植物根系供给水分，上述原因综合使得D基质中有良好的盖度指标表现。综合CV、VWC的分析结果，同时考虑到德国景观设计与园林建筑研究会(FLL)规定的有机物含量标准(低于8%)[33]，D基质(有机物含量＜4%)更适合在亚热带湿热地区轻薄绿色屋顶的混合草本植被上长期应用。

结果表明相对湿度和空气温度对VWC值有较强相关作用，以往的研究文献与该结论一致[34]。此外，9月13日至观测期末，VWC的数值趋于稳定，可能是因为相对湿度和空气温度呈现出稳定趋势，且植物整体逐步进入休眠，植物根系对基质水分吸收量减少，此时VWC值受植物及环境影响较小，在以往研究中也观测到该现象[3]。

4 结论

本研究聚焦轻薄绿色屋顶景观，构建具有2种混合草本植物群落及4种轻质保水基质的绿色屋顶模块实验平台。综合植被生长表现指标分析，斑叶芒、花叶芒、细叶芒、阔叶山麦冬、紫竹梅、蓝花鼠尾草在轻薄绿色屋顶设施中表现优异，非常适合湿热地区轻薄绿色屋顶植物造景应用。综合第一个生长季期间，植物在4种基质中的生长表现及基质自身理化特性分析，具有细密颗粒配比的轻质保水型D类基质在轻薄绿色屋顶的草本植被群落上具有最明显的应用优势。本研究也存在局限性，实验仅采集了第一个生长季度的实验数据，且实验场地有限导致所选植物种类有限，仅能反映实验地区部分植物的生长状况。此外，由于2020年初疫情影响，植物种植时间过迟导致盖度等数据的采集时间较晚，采集数据未能覆盖整个生长季的全过程。后续研究将会在第二个生长季继续进行更为全面的实验数据采集和全面分析评估。

本研究探索了轻薄绿色屋顶混合草本群落的优势植被应用种类及优势应用基质。相比佛甲草屋面、单一草坪式屋面而言，拓展了兼具观赏性、抗旱性、保水性的轻薄绿色屋顶优化构建方法和材料，具有基础研究意义与市场应用价值。

注：文中图片均由作者绘制。

致谢：感谢西南大学李先源副教授、重庆市风景园林科学研究院王胜博士为实验平台的植物选择提供建议；美国堪萨斯州立大学Kirkham教授为研究数据探讨提供帮助；西南大学研究生李武肸、彭子岳、唐诗娴、刘兆莉等参与实验平台搭建，以及郑瑞为数据采集工作提供帮助。