绿色屋顶的生态系统服务评估模型构建

黄菊清 萧蕾

长期以来，城市空间建设和扩张改变了自然环境的整体空间格局，导致城市生态系统功能下降和退化[1]。2020年9月，国家提出“双碳”目标[2]，旨在推动产业向绿色低碳转型升级，以促进经济社会的可持续发展。将绿色空间从地面延展到立体的屋顶空间[3]是一种基于自然的低碳、有效的解决方案，绿色屋顶的建设和推广有利于促进建筑的节能减排、“双碳”目标的实现和环境友好型社会的创建。绿色屋顶可提供多种生态系统服务，改善因气候变化和快速城镇化而产生的生态环境问题，对改善高密度城市的人居环境质量、增进人类福祉有积极的作用。

生态系统服务评估作为一种重要的评估方法，已被应用于绿色屋顶的相关研究中，主要应用在3个方面。1）现状评估[4-5]：基于既有绿色屋顶的现状条件来评估其提供的生态系统服务，此类研究不涉及绿色屋顶的选址布局和功能类型决策。2）潜力评估[6-8]：基于研究区域的生态系统服务来评估建设绿色屋顶的适宜性或潜力，此类研究可辅助绿色屋顶的选址布局决策，然而一般只考虑生态系统服务的一项或几项指标，多为调节和维持服务，且未考量不同的绿色屋顶功能类型。3）需求与决策评估[9]：评估生态系统服务需求和不同功能类型绿色屋顶的生态系统服务效益，以此确定具有较高生态系统服务需求的绿色屋顶区域及具有高效益的绿色屋顶功能类型，此类研究综合考虑生态系统服务需求和绿色屋顶的功能类型，对绿色屋顶的精细化建设更具有指导意义，但此类研究只考虑个别服务，可能会忽略与其他生态系统服务之间的权衡关系，且存在绿色屋顶分类标准不明确、功能与结构混淆等问题。

总体来看，综合的生态系统服务的绿色屋顶决策评估模型尚未形成，而将生态系统服务评估与决策结合已成为生态系统服务的总体发展方向[10]。因此，本研究旨在针对绿色屋顶构建一个全面、完善的生态系统服务评估模型，为绿色屋顶的选址布局和功能类型决策提供依据和指导。作为绿色屋顶决策规划前期的重要环节，本研究对于生态系统服务评估模型的构建，可用于辅助后期宏观布局规划中绿色屋顶的选址和选型（图1），这对城市绿色基础设施的完善、城市可持续发展和自然与人类的福祉都有着积极意义。

1 基于生态系统服务的绿色屋顶决策规划框架Green roofs decision planning framework based on ecosystem services

1 生态系统服务及其分类体系

生态系统服务是指生态系统所形成和维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用[11]3，是人类直接或间接从生态系统得到的所 有 收 益[12]。1997年，Daily[11]1-10首 次 系 统阐述了生态系统服务的定义、研究历史、价值评估和多种生态系统类型和区域的服务功能等内容。2001—2005年，联合国千年生态系统评估（Millennium Ecosystem Assessment,MA）计划极大地推动了生态系统服务的研究和发展[13]，MA分类体系应用最为广泛，但也存在评估时容易产生重复计算的问题[14]。2008年，“生态系统和生物多样性经济学”（The Economics of Ecosystems and Biodiversity,TEEB）倡议被发起，在TEEB分类体系中，生境或支持服务被作为一项单独的服务类型，以突出生态系统对于物种迁移和基因库保护的重要性[15]，TEEB分类体系目前已被广泛应用于欧洲范围内的相关研究评估之中。2010年，生态系统服务的通用国际分类（Common International Classification of Ecosystem Services,CICES）体系被提出[16]，因为CICES体系的内容较为全面，易于与其他分类体系换算，许多研究将其作为参考。2021年，深圳市发布了全国首个针对高度城市化地区的生态系统生产总值（Gross Ecosystem Product, GEP）核算技术规范[17]1-35，其中的深圳GEP评估指标体系及其指标核算方法很好地衔接了联合国统计署的环境经济核算标准和GEP核算国家标准（表1）。可以发现，新的生态系统服务分类体系往往基于更全面的认知基础，并随着生态系统服务应用领域的拓展而具有更加明确的决策背景指向和目标导向[18]。

表1 生态系统服务分类体系对比[13,15-17]Tab. 1 Comparison of ecosystem services classification systems[13,15-17]

2 以生态系统服务为目标的绿色屋顶分类

国际上，传统的绿色屋顶分类通常参考德国景观建设与发展研究协会（德语：Forschungs-gesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau, FLL）标准[19]，其依据用途、施工因素和施工方法将绿色屋顶分为集约型（intensive）、半集约型（semi-intensive）、粗放型（extensive）3种类型。欧洲绿色屋顶和绿墙协会联合会（European Federation of Green Roof and Green Wall Associations）和Livingroofs.org网站代表大伦敦管理局联合发布的报告——《生活屋顶和生活墙：从政策到实践》（Living Roofs and Walls:From Policy to Practice）[20]将绿色屋顶分类为集约型绿色屋顶（包括屋顶花园和屋顶农园）、粗放型绿色屋顶、生物多样性绿色屋顶、蓝绿屋顶、生物太阳能绿色屋顶，该分类包含了绿色屋顶主要的生态系统服务功能，但区分界限不清晰，如粗放型绿色屋顶与生物多样性绿色屋顶的含义存在重叠。本研究以生态系统服务为目标划分屋顶类型，参考欧洲标准，在德国FLL标准的传统分类基础上叠加蓄水和太阳能技术支持，将绿色屋顶分为5类：屋顶花园、屋顶农园、生物多样性屋顶、蓝绿屋顶、太阳能绿色屋顶（图2）。

2 绿色屋顶的结构示意图[21-25]Structural diagram of green roofs[21-25]2-1 屋顶花园Roof gardens2-2 屋顶农园Roof farms2-3 生物多样性屋顶Biodiversity roofs2-4 蓝绿屋顶Blue-green roofs2-5 太阳能绿色屋顶Solar green roofs

屋顶花园为市民提供休憩娱乐空间，从而给人们带来心理和感官体验上的愉悦感受，有较好的社会效益（图2-1）；屋顶农园为种植有机蔬菜和草药提供了空间，既能增进市民的健康和福祉，也能为城市农业创造一个经济可持续的模式（图2-2）；生物多样性屋顶为各种生物提供栖息地和迁徙的踏脚石①，促进高密度城市中的生物多样性保护（图2-3）；蓝绿屋顶结合绿色屋顶和蓄水技术，最大限度地提高绿色屋顶的蓄水量，有助于调节城市雨水径流（图2-4）；太阳能绿色屋顶将太阳能电池板与绿色屋顶相结合，日照和雨水可抵达太阳能电池板下方，确保良好的植被覆盖，提供可再生能源，并提升生物多样性（图2-5）。

实际项目中的绿色屋顶往往具备复合功能，而以生态系统服务为目标的分类方式强调的是绿色屋顶的主导功能。这种分类方式有利于明确绿色屋顶的具体使用功能，对于指导绿色屋顶的设计与施工、引导绿色屋顶分类激励政策的制定具有重要意义。

3 绿色屋顶的生态系统服务评估模型构建

3.1 指标选取与模型构建

绿色屋顶发挥着广泛的生态系统服务价值，这也是绿色屋顶建设的潜在驱动因素[26]。本研究借鉴CICES体系和深圳GEP评估指标体系，通过文献研究，从供给服务、调节和维持服务、文化服务3个方面概述绿色屋顶的生态系统服务效益：1）供给服务指人类从生态系统获取的物质材料、营养和能源[17]2，包括食物、观赏植物资源和生态能源；2）调节和维持服务指生态系统提供的改善人类生存与生活环境的惠益[17]2，包括气候调节、固碳释氧、水文调节、噪声削减、空气净化和生物多样性保护；3）文化服务指人类通过精神感受、知识获取、休闲娱乐和美学体验从生态系统获得的非物质惠益[17]2，包括观赏游憩和娱乐、美学与精神价值、科学教育、健康疗愈。其中，绿色屋顶提供的生态系统服务价值根据绿色屋顶为人们提供的产品或服务来核算，具体指标价值的评估参考《深圳市生态系统生产总值核算技术规范》的价值核算方法[17]6（表2）。

表2 绿色屋顶的生态系统服务评估指标[17,27-46]Tab. 2 Ecosystem services evaluation indicators for green roofs[17,27-46]

基于上述对绿色屋顶分类和生态系统服务评估指标的研究，本研究构建以绿色屋顶的生态系统服务评估为决策目标（A），以供给服务、调节和维持服务、文化服务为准则层要素（B），以13项生态系统服务因子为指标层类别（C），以5种绿色屋顶类型为决策备选方案的评估模型（图3）。

3 绿色屋顶的生态系统服务评估模型Ecosystem services evaluation model for green roofs

3.2 数据收集与合理性检验

根据层次分析法（analytic hierarchy process,AHP）设计调查问卷，并于yaahp软件中设置生成，目的在于确定绿色屋顶的生态系统服务评估各层指标之间的相对权重。使用专家评估法，通过电子邮箱和微信线上发放问卷的方式，向不同领域的专家发放问卷32份，包括科研专家（研究方向为生态规划或立体绿化的科研工作者和高校教师）和企业专家（如设计院、设计公司等单位的从业人员）。共回收问卷32份，其中科研专家16份，企业专家16份。

汇总专家对各项指标的评估，取其平均值，构建判断矩阵，计算各层次指标的权重。判断矩阵检验结果显示，决策目标—准则层要素判断矩阵、准则层要素—指标层类别判断矩阵、指标层类别—决策备选方案判断矩阵的一致性比例（consistency ratio, CR）均为0.000，意味着权重系数分配的结果具有合理性。

3.3 评估结果与灵敏性分析

3.3.1 评估结果

根据模型评估结果中指标的权重系数（表3）可知，在绿色屋顶的准则层要素中，最重要的是调节和维持服务（0.509），其次是文化服务（0.298），供给服务重要性最低（0.193）。由此可见，专家认为绿色屋顶的生态环境效益比经济和社会效益更重要。在指标层类别中，气候调节是绿色屋顶最重要的生态系统服务功能（0.130），这也是在已发表文献中涉及最多的一种服务类型。

表3 绿色屋顶的生态系统服务评估模型权重Tab. 3 Weight of ecosystem services evaluation model for green roofs

根据不同绿色屋顶类型的评估权重可知（表4），生物多样性屋顶被认为是提供综合生态系统服务潜力最高的绿色屋顶（0.259）类型，其次为屋顶花园（0.251）、蓝绿屋顶（0.173）、屋顶农园（0.168）和太阳能绿色屋顶（0.149）。

表4 绿色屋顶提供生态系统服务潜力的评估权重及灵敏性分析Tab. 4 Evaluation weight and sensitivity analysis of ecosystem services provision potential of green roofs

根据专家评估结果雷达图（图4）可知，科研专家和企业专家对于生态系统服务的准则层评估（图4-1）、供给服务的指标层评估（图4-2）、绿色屋顶提供生态系统服务潜力的评估（图4-3）结果趋于一致，只有对调节和维持服务、文化服务的指标层评估存在一些差异。在调节和维持服务中，科研专家和企业专家认为最重要的生态系统服务分别是气候调节与空气净化（图4-4）；在文化服务中，科研专家和企业专家认为最重要的生态系统服务分别是观赏游憩和娱乐与健康疗愈（图4-5）。总体而言，科研专家与企业专家的评估结果总体趋势相似。

4 专家评估结果雷达图Radar chart of specialist evaluation results4-1 生态系统服务的准则层评估Criterion layer evaluation of ecosystem services4-2 供给服务的指标层评估Indicator layer evaluation of provisioning services4-3 绿色屋顶提供生态系统服务潜力的评估Evaluation of ecosystem services provision potential of green roofs4-4 调节和维持服务的指标层评估Indicator layer evaluation of regulation and maintenance services4-5 文化服务的指标层评估Indicator layer evaluation of cultural services

3.3.2 灵敏性分析

将准则层与决策备选方案的权重进行灵敏性分析（图5），绿色屋顶最佳决策方案随准则层的权重变化而变化。仅屋顶农园和太阳能绿色屋顶的权重与供给服务权重呈正相关（图5-1），即若某一地区的供给服务需求较高，则最佳决策方案为屋顶农园或太阳能绿色屋顶；仅生物多样性屋顶和蓝绿屋顶权重与调节和维持服务权重呈正相关（图5-2），即若某一地区的调节和维持服务需求较高，则最佳决策方案为生物多样性屋顶或蓝绿屋顶；仅屋顶花园和屋顶农园的权重与文化服务权重呈正相关（图5-3），即若某一地区的文化服务需求较高，则最佳决策方案为屋顶花园或屋顶农园。

5 准则层权重与决策备选方案权重灵敏性分析Sensitivity analysis of criterion layer weight and decision alternative weight5-1 供给服务Provisioning services5-2 调节和维持服务Regulation and maintenance services5-3 文化服务Cultural services

将指标层与决策备选方案的权重进行灵敏性分析，可看出单项生态系统服务与绿色屋顶备选方案权重之间的关联关系（表4）。以蓝绿屋顶为例，结果表明，与蓝绿屋顶权重呈正相关的指标为生态能源、气候调节、水文调节、科学教育。该结果有利于辅助以单一生态系统服务为目标的绿色屋顶决策，比如，在高湿的城市环境中，以水文调节、海绵专项设计为目标的最佳决策方案为蓝绿屋顶。

4 绿色屋顶案例与评估结果对比研究

通过研究不同绿色屋顶案例的决策目标和主导生态系统服务功能，并比较专家评估的灵敏性分析结果，选取屋顶花园、屋顶农园、生物多样性屋顶、蓝绿屋顶以及太阳能绿色屋顶的实际案例（图6）进行具体分析，以期为本研究提供实践层面的对比思考。

6 绿色屋顶案例实景[47-51]Scenes of green roofs cases[47-51]

1）屋顶花园。加拿大多伦多桥点主动医疗（Bridgepoint Active Healthcare）建筑的屋顶花园于2013年建成，旨在充分发挥屋顶花园的教育和健康疗愈功能，使医院患者与大自然紧密联系[47]。医院为患者提供积极的园艺疗法，患者可以参加园艺计划，如种植植物和学习园艺知识，与植物景观进行互动，从而达到自我疗愈的效果。

2）屋顶农园。美国波士顿医疗中心（Boston Medical Center）的屋顶农园于2016年建成，旨在通过提供新鲜农产品来改善社区的食品健康问题[48]。该屋顶农园中种植有25种不同的作物，并设置了2个蜂箱，每年可收获食物2 268～2 722 kg。该屋顶农园的花朵在四季持续开花，为传粉者创造了栖息地。此外，该医疗中心也为当地社区志愿者提供了参观屋顶农园和举办教育活动的机会。

3）生物多样性屋顶。在德国萨克森州的弗里德里希·吕特沃格特股份有限公司（德 语：Friedrich Lütvogt GmbH ＆ Co. KG Mineralbrunnenbetrieb）仓库的生物多样性屋顶于2019年建成，旨在保护本地的生物多样性[49]。这是一个由欧盟和萨克森州资助的物种保护灯塔项目，通过在生物多样性屋顶的生长基质上放置乡土植物种子的形式，为本地蝴蝶、野生蜜蜂和其他昆虫提供栖息地和食物。

4）蓝绿屋顶。英国伦敦温布尔登球场（Wimbledon Grounds）住宅区的蓝绿屋顶于2020年建成，旨在建立可持续城市排水系统，帮助解决城市雨洪和污染问题[50]。温布尔登球场住宅区的屋顶排水系统与城市地面排水系统相连，每个屋顶在水库中可储存高达55 L/m2的雨水，在12～24 h内雨水通过流量控制器被逐渐释放到4个较大的水库，随后被缓慢释放到城市排水系统中。该项目的屋顶水库能够储存的雨水比百年一遇风暴中计算的雨水多40%，具备强大的水文调节的生态系统服务功能。

5）太阳能绿色屋顶。英国伦敦渣打银行总部（Chartered Bank Headquarters）大楼的太阳能绿色屋顶翻新工作于2015年完成，旨在实现低能耗和低碳的建设目标[51]。该屋顶设置了新的太阳能装置，并用野花屋顶取代旧的景天类植物屋顶。绿色植物有助于将屋顶环境的最高温度控制在35 ℃以下，从而提高太阳能电池板的光伏发电效率。太阳能电池板和绿色植物的融合增强了屋顶提供生态能源、保护生物多样性的生态系统服务功能。

通过对绿色屋顶实际案例的分析可知，不同的环境特点、规划背景、决策目标决定了该区域的生态系统服务需求，因而决定了最终的绿色屋顶决策方案。这5种屋顶都是复合功能屋顶，且每种屋顶都具备主导生态系统服务功能。不同绿色屋顶因主导生态系统服务功能不同而具备不同的特性，如植物种类和采取的技术类型等。案例中不同绿色屋顶的主导生态系统服务功能与本研究灵敏性分析结果中与绿色屋顶呈正相关的生态系统服务功能较为一致。

5 结果与讨论

5.1 结果

首先，本研究参考CICES体系和深圳GEP评估指标体系，通过文献研究选择评估指标，构建绿色屋顶的生态系统服务评估模型。其次，运用AHP和专家评估法，评估13项生态系统服务和5种绿色屋顶的权重，为绿色屋顶决策提供指导。最后，研究实际绿色屋顶案例的决策目标和主导的生态系统服务功能，进而与本研究评估结果进行比较。

结果表明：1）在生态系统服务的准则层要素中，最重要的是调节和维持服务，文化服务次之，供给服务重要性占比最小。在指标层类别中，气候调节是绿色屋顶最重要的生态系统服务功能；2）在5种屋顶类型中，生物多样性屋顶是最重要的绿色屋顶，其次为屋顶花园，它们分别代表了生态环境的效益与人类休闲娱乐等文化服务方面的效益；3）专家对绿色屋顶生态系统服务的重要性评估在一定程度上可反映实际绿色屋顶项目中决策者对绿色屋顶的主导生态系统服务功能的定位。

5.2 讨论

绿色屋顶的功能类型决策受主观方面的利益相关者意见和客观方面的绿色屋顶建设条件等因素的影响，决策者可根据具体情况进行决策调整。

1）主观方面利益相关者的认知差异。专家与普通市民对绿色屋顶的生态系统服务偏好存在认知差异，专家更注重生态效益，而市民更注重社会效益。在评估结果中，专家认为绿色屋顶所发挥的生态环境效益与其经济和社会效益相比更加重要，且生物多样性屋顶是生态系统服务供给潜力最高的绿色屋顶类型。然而，这与相关研究中市民对绿色屋顶的偏好相异，如Nagase等[52]的调查研究结果显示，生物多样性屋顶由于无法满足市民的审美和休闲娱乐等文化服务需求而不受重视。因此，今后的绿色屋顶决策应将市民的意愿纳入考量。

2）客观方面屋顶建设条件的影响。在实际项目中，可根据建设需求，结合几种生态系统服务功能，打造多功能组合型绿色屋顶。本研究提供的5种绿色屋顶备选方案以单一生态系统服务功能为主导，同时发挥多种附属生态系统服务功能。如亚洲最大的屋顶有机农场——泰国国立法政大学城市屋顶农场（Thammasat University Urban Rooftop Farm）[53]，其以屋顶农园为主导，并综合屋顶花园、蓝绿屋顶和太阳能绿色屋顶的功能类型，发挥综合生态系统服务效益。但是，多功能组合型绿色屋顶对项目的建设成本和场地条件均有较高的要求。对于新建大型公共项目而言，可融合多种绿色屋顶技术以达到实现综合生态系统服务效益的目标；而对于既有建筑，可根据具体的屋顶结构等条件对决策方案进行相应的调整。

6 结论与展望

多层次的立体绿化有助于改善高密度城市中绿化覆盖率不足的问题[54]，促进城市空间生态系统服务供需关系的平衡。在未来城市立体绿化发展趋势下，本研究构建了绿色屋顶的生态系统服务评估模型，对最优化城市绿色屋顶的生态系统服务效益具有重要意义，这也是综合评估绿色屋顶的生态系统服务来辅助绿色屋顶决策的创新尝试，可应用于其他绿色屋顶决策研究中。

然而，本研究只是绿色屋顶决策规划前期的一个重要环节。在宏观布局规划阶段，仍需综合考虑多种生态系统服务功能需求，并结合城市生态网络空间布局规划来进行绿色屋顶决策，使绿色屋顶系统规划与城市绿地系统规划和城市总体规划相衔接[55]。在微观功能调整阶段，则应进一步考量建筑立地条件和多方利益相关者的意见等因素进行绿色屋顶决策的调整。此外，由于专家和市民对绿色屋顶的生态系统服务认知存在差异，且市民是绿色屋顶生态系统服务效益最广大的利益相关者，因此，在未来的评估模型构建研究中，也应将市民的意见纳入决策过程。

致谢(Acknowledgments)：

感谢32位参与问卷填写的科研专家和企业专家。

注释(Note)：

① 踏脚石是生态廊道的重要生态节点（生态节点包括源、踏脚石、目标地）。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1、3～5由作者绘制；图2由作者根据参考文献[21]～[25]翻译绘制；图6引自参考文献[47]～[51]；表1由作者根据参考文献[13][15]～[17]整理；表2由作者根据参考文献[17][27]～[46]整理；表3～4由作者绘制。