绿色屋顶固碳潜力影响因素及其全生命周期环境效益研究综述

郝留昌，王志勇

（湖南工业大学 土木工程学院，湖南株洲 412007）

0 引言

绿色屋顶是利用屋顶空间通过多种植物、土壤和其他生命形式建立的屋顶绿化、屋顶花园、屋顶农场等多元化绿色空间。这种多层次的屋顶生态系统，是可持续的绿色建筑技术之一，近年来在全球范围内广受欢迎[1]。国内外许多学者的研究表明，绿色屋顶不仅具有美学价值，还能够进行雨水截留、降低城市热岛效应、增加城市绿化面积、提高空气质量、降低建筑能耗以及减少噪音等[1-2]，其社会效益、环境效益和经济效益非常显著。如何提高各种生态系统的碳储量及其固碳能力，是近年来国内外研究的热点领域。绿色屋顶中的各类植物作为生态系统的初级生产者，具有固碳释氧的天然生理机能。近年来，国内外学者在绿色屋顶固碳潜力方面开展了一些探索性研究工作，本文着重介绍绿色屋顶的固碳途径，阐述绿色屋顶固碳潜力的影响因素（植被种植层、土壤基质层、建筑类型和气候条件等），并从绿色屋顶全生命周期的五个阶段进行固碳量分析，以期为绿色屋顶的固碳效率分析和固碳量计算提供参考。

1 绿色屋顶的固碳途径

固碳，也称为碳封存，是指增加除大气之外的碳库碳含量的措施，包括物理固碳和生物固碳。生物固碳将二氧化碳储存在草原或森林等植被以及土壤和海洋中，包括植物固碳、海洋固碳、土壤固碳等方式。陆地生态系统固碳被认为是最经济可行和环境友好的减缓大气CO2浓度升高的重要途径之一，其固碳能力的主体主要为植物和土壤。植物是生态系统中碳循环的关键参与者，植物固碳的主要机制是通过光合作用利用太阳能将空气中的CO2转化为有机物，既维持了生态系统的物质平衡，也提供了植物碳汇和空气净化功能。可以通过改变植物的形状和特性来提高植物的固碳能力。也可以通过植被覆盖、水土保持和自然保护等方式来间接提高其固碳能力。土壤固碳是指土壤环境中的植物、动物和微生物经过复杂的响应，把二氧化碳气体转化为有机形式固定在土壤中。当植物死亡或者落叶掉落时，它们的有机物质会被分解成碳和其他元素，通过根系和枯枝落叶等将碳传递给土壤。土壤固碳能力的强弱及其固定的有机物类型，非常依赖于土壤内物质的组成和变化。绿色屋顶的结构主要包括植被种植层、土壤基质层、过滤层、排水层和防水层等。绿色屋顶通过植物和基质部分可以直接吸收大气中的CO2，把CO2固定到基质中或者通过光合作用变成O2[3]。绿色屋顶的植物部分和基质部分还可以通过阻挡阳光和蒸腾作用的过程来降低建筑物周围的温度[4]，减少建筑物的制冷需求，增加建筑物的使用年限[5]，降低建筑物的能耗[6]，减少化石燃料的消耗，进而间接减少CO2的排放，最终达到固碳减排的作用。从长远来看，植物和土壤基质是绿色屋顶捕获和储存空气中CO2的最有效策略。

2 绿色屋顶固碳潜力的影响因素

绿色屋顶的植被种植层、土壤基质层、建筑类型和气候条件等因素共同决定了绿色屋顶的生态效益、可行性和适应性。植被种植层影响生态功能和外观，土壤基质层影响植物生长和水分管理，建筑类型影响结构和设计，气候条件影响植被生存能力。这些要素相互交织，综合决定了绿色屋顶的绩效，详细分析可帮助实现最佳绿色屋顶设计，兼顾美观、环保和适用性。

2.1 植被种植层

绿色屋顶植被层的选择至关重要，植物种类不同，CO2的吸收效率大不相同。CO2吸收效率还与植物搭配组合方式有关。近年来关于绿色屋顶植被层固碳潜力的研究主要集中在这两个方向。

如果考虑固碳作用，景天科植物还远远不够理想，原因是其固碳量比其它种类植物低。Kuronuma[7]等人的研究表明，日本千叶县的绿色屋顶植被能够有效吸收大气中的CO2，且草本植物比景天科植物能更有效地捕捉碳。Chen[8]通过实验测试了5种绿色屋顶植物对CO2的吸收效果，得出结论：楼草要比景天科植物具有更好的固碳潜力。Agra[9]运用实验方法测试了景天科植物和一年生植物周围环境CO2浓度，发现一年生植物要比景天科植物的固碳潜力大。Whittinghill[10]研究比较了9个地面景观系统和3个不同复杂程度的屋顶绿化景观系统的碳含量，结果表明：地面景观系统的固碳效率要大于绿色屋顶系统，这是因为绿色屋顶基质较浅，限制了植物根系的生长，从而抑制了植物的生物量增长，而地面景观系统的生物量和基质深度要高于绿色屋顶系统；取决于木本植物景观系统的庞大的生物量和更大的木质结构，其碳吸收量最多。Yacob[11]量化了10种不同热带植物的固碳量，发现空心莲子草要比其他9种植物吸收的CO2更多；在0.64 m2的试验台屋顶上它的CO2吸收量为0.010 t CO2/年，因此可以被很好地用作绿色屋顶植物。上述研究大多聚焦于特定区域，这样的地域局限性可能导致研究结果在全球范围内的适用性受到限制，因为不同地区的气候、土壤特性以及环境条件都会对植物的固碳效果产生显著影响。而且，当引入新的植物物种时，必须深入考察其对当地生态系统产生的影响。新植物的引入可能引发多种问题，例如入侵性物种的引入、生态平衡的破坏以及与本地植物的竞争等。这些潜在影响需要在研究和应用过程中得到足够的关注，以确保生态系统的稳定性和健康。总之为了更好地了解和应用绿色屋顶的固碳效果，研究必须考虑更加广泛的地理差异和生态系统影响。这意味着需要在各个地区进行更多的实地调查和研究，以了解植物在不同环境条件下的固碳潜力，并确保引入的植物不会对当地的生态平衡产生负面影响。通过综合考虑地理差异和生态系统的影响，可以更好地发挥绿色屋顶在固碳方面的潜力，为可持续发展做出积极贡献。

不同种类的植物组合也能很好地提高绿色屋顶的固碳效率和潜力，通过在绿色屋顶种植多样性植物，可以在不显著增加成本的情况下，提高其吸收CO2的效率，从而获得更多的碳吸收收益。莫慧芝[12]运用实验方法研究了14种简式屋顶绿化植物并分析其固碳效益，结果表明，藓状景天、锦绣苋和紫竹梅三种植物互相搭配合理种植可以起到很好的固碳释氧效益。陈爱葵[13]调查研究了10个草坪草建植的简单式绿色屋顶的固碳潜力，通过实验得出以朝鲜结楼草或狗牙根为主建成的绿色屋顶在单位时间内的CO2吸收量最多。在进行绿色屋顶种植时，建议采用多样性的搭配方式，选择不同类型的植物组合，以增加固碳效果。考虑到绿色屋顶的实际承重荷载，即使不能种植乔木类植物，也应考虑灌木和草本植物的混合搭配种植方式[14]，尽量避免单一品种的种植。综上所述，多样性植物组合可以降低风险和增强生态适应性。单一植物种类可能会受到病虫害、气候变化等因素的影响，而多样性组合能够降低这些风险，使绿色屋顶更加稳健。此外，不同类型的植物具有不同的生长周期和特点，这也有助于保持植被层的健康和可持续性。但是植物的选择和组合可能受到绿色屋顶承重、水分管理等实际因素的限制。所以在实际设计和实施过程中，需要充分考虑这些因素，以确保植物组合的可行性和稳定性。

2.2 土壤基质层

土壤基质层是绿色屋顶必不可少的基本构造，它不仅显著影响绿色屋顶的整体性能，而且基质的种类、深度和含水量是直接影响碳捕获和储存能力的关键因素[15]。

土壤基质的种类会直接影响基质的碳储存效果，优良的基质成分可以提高绿色屋顶基质的生理性能[16]，显著提高其固碳潜力。Luo等[17]运用实验证明混合污泥基质比当地天然土壤基质的固碳潜力大，是一种比天然土壤优良的种植基质。Young等[18]研究了黑麦草在8种基质中的生长和生理性能，结果显示基质成分的改变可以显著提高植物的生长和生理性能从而提高绿色屋顶的固碳潜力。Chen等[19]把改良的土壤添加剂作为基质组成部分，发现生物炭和污泥作为添加剂能改变土壤的化学性质、增加碳储存能力进而影响绿色屋顶的固碳潜力。综上所述，选择适当的土壤基质并进行合适的改良，可以直接提高绿色屋顶的固碳潜力。这种方法对于优化绿色屋顶植被层的固碳效果具有重要意义。然而，需要进一步的研究和实践来验证这些发现，并确保所采取的改进措施在长期内能够产生可持续的固碳效应。

土壤基质的深度是绿色屋顶的保水性能、养分供应能力、温度调节能力、根系穿透情况以及屋面荷载情况的关键影响因素，同时亦会对绿色屋顶的碳储存能力产生一定影响。随着基质深度的增加，植物根系发育空间大大增加，能够储存更多的水分，从而减少植物遭受干旱的情况[20]，提高了绿色屋顶的隔热性能。Zhang等[21]调查研究了3种深度的基质对18种非肉质草本多年生植物的影响，结果表明大多数植物在20 cm厚的基质中生长得很好，基质深度的增加能给植物提供更多的养分并吸收更多的CO2。谢尔德[22]的研究表明15种多年生非肉质草本植物在10 cm深土壤基质中的存活率和生物量均低于同样物种在20 cm基质深的生物量和存活率。黎小廷等[23]通过实验得出自然土的总碳（TC）和总有机碳（TOC）的含量随着基质厚度的增加而增加。需要注意的是，不同植物生存发育所需的基质深度不一样，多种植物搭配种植的基质深度大小也有阈值，合理控制基质深度是降低绿色屋顶的建造成本、促进植物健康生长、提高CO2吸收量和固碳潜力的一项重要技术手段。

含水量通过影响基质成分中微生物的活性进而影响绿色屋顶的固碳潜力。Ondono[24]设计了两种灌溉条件研究植物的理化和微生物基质特性，结果表明适当的灌溉可以提高基质内微生物的活性和促进植物生长，从而增加其固碳潜力。绿色屋顶在灌溉时应综合考虑植物种类、基质深度、气候条件等因素，选取合理的灌溉方式，有效降低灌溉成本和节约能源消耗。

2.3 建筑类型

除了土壤基质层和植被种植层之外，建筑类型和气候条件也会影响绿色屋顶的固碳减排效果[25]。Nadeeshani[26]研究发现，与混凝土平屋顶相比，绿色屋顶可减少近90%的传热；与传统的混凝土平屋顶相比，集约型绿色屋顶的生命周期碳排放量降低84.71%。法国拉罗谢尔海洋气候条件下的一栋单户住宅楼，非隔热和隔热绿色屋顶分别比传统屋顶节能48%和10%[27]。Silva[28]研究发现，根据隔热水平的不同，半集约式绿色屋顶比黑色屋顶减少能耗30%～60%，集约型绿色屋顶在相同条件下所需能源减少45%～70%。这表明，在推广绿色屋顶过程中，需要分建筑类型论证其环境效益，不能实行一刀切政策，必须针对每种建筑的特点，深入研究其潜在的环境收益。

2.4 气候条件

魏格连等[29]运用EnergyPlus软件模拟分析了4个城市（长春、北京、长沙、广州）气候类型下绿色屋顶的节能效益，发现4个城市种植屋面的全年能耗节能率在整体上从高到低依次表现为长沙＞广州＞北京＞长春，这说明种植屋面更适合以降温为主的夏热冬冷地区或夏热冬暖地区，其节能效果更显著。Ascione等[30]在考虑多种气候、降雨强度、灌溉需求和建筑类型的情况下，通过大量的数据分析评估了绿色屋顶应用于欧洲现代办公建筑的节能效果，得出在温暖气候条件下最高可节能11%，在寒冷气候条件下最高可节能7%。不同气候区域的绿色屋顶需考虑植被适应性、排水系统和结构稳定性等因素，设计和管理绿色屋顶必须充分了解当地气候条件，以确保其在各种气候环境下发挥最佳的生态和环境效益。

3 绿色屋顶的全生命周期固碳量

全生命周期评价可以用于评估产品、服务或过程在整个生命周期内对环境的影响，包括从原材料采集、制造、运输、使用、维护和终止到废弃处理的所有阶段。绿色屋顶的土壤基质层、排水层、过滤层、防水阻根层等组成构件，在加工、制造、运输、使用、废弃等全过程中也会消耗能源。

绿色屋顶的原材料阶段涉及到材料的选择及其生产过程对环境的影响。通过合理选择环保、可持续材料，采用低能耗、低排放的生产方法，优化生产过程和确保正确的组装，可以在绿色屋顶原材料阶段有效地减少环境足迹以及在制作阶段降低对环境的影响。同时，通过源头减碳，也为后续的过程降碳和末端固碳奠定了基础。Rasul[31]利用生命周期评估法比较了绿色屋顶和非绿色屋顶在原材料消耗和运行过程中的非生物消耗、臭氧层消耗、人类毒性、淡水生态毒性、光化学氧化、酸化和富营养化等对环境的影响，结果表明，绿色屋顶的大多数环境指标减排量在35%～83%范围内，对环境有着积极影响。Bianchini[32]也运用了生命周期评估法比较了绿色屋顶聚合物材料制造过程中NO2、SO2、O3、和PM10等空气污染物排放量，以及绿色屋顶在环境中的污染去除能力。研究结果表明，绿色屋顶能够在13～32年内平衡掉聚合物生产过程中产生的空气污染。

运输阶段涉及能源消耗、排放物释放以及交通运输对环境的影响，要合理规划供应链，减少物流距离和运输频次，以降低运输阶段的环境影响。一般情况下绿色屋顶在运输阶段产生的环境负荷会比其它阶段的影响小。闫笑[33]应用Gabi软件构建全生命周期模型，对绿色屋顶等绿色基础设施产生的环境影响进行对比分析，发现绿色屋顶在运输阶段对环境负荷的贡献占比为0.0006%～20.75%，运输过程主要对平流层臭氧消耗、陆地生态毒性、海洋生态毒性及淡水生态毒性产生影响。

在使用阶段，绿色屋顶的碳排放部分来自灌溉装置，其中电能的消耗占碳成本的23%～35%[5]，实现灌溉的节能化和规范化有助于减少碳成本。但在使用阶段，绿色屋顶可以通过降低建筑能耗、降低屋顶周围温度以及延长屋顶使用寿命周期等多种方式抵消在不同阶段中所产生的能源消耗，实现固碳减排的效果。Kuronma[7]运用生命周期评价方法对模块化绿色屋顶生产和维护过程中的CO2排放进行了计算，结果表明绿色屋顶的CO2回收期在5.8～15.9年之间，在其使用寿命内能够有效地减少CO2排放。绿色屋顶可以有效减少太阳辐射和热量传递，增强建筑物的隔热性能[34]，通过植物冠层的遮荫作用和蒸腾效应影响屋顶的热性能，降低空调用电成本和减少化石燃料的消耗，进而减少碳排放。Berardi[35]运用建模的方法指出改造成绿色屋顶后，建筑能源需求减少了3%，并显著提高了绿色屋顶以下楼层室内舒适度。同时还得出改造后的绿色建筑，能耗更多地受土壤深度的影响，而冷却需求主要受LAI参数的影响，冷却需求的减少与屋顶表面温度的降低直接相关。Huang等人[36]调查研究了台湾中部地区绿色屋顶的热性能，研究发现与普通屋顶相比，凤仙花绿色屋顶的最高温度可降低近4 ℃，究其原因是它的蒸散率与土壤湿度较高。Yu等[37]研究表明，与传统的非绿色屋顶相比，绿色屋顶每年可减少20.21%的能源消耗。紫外线的长期照射和人类活动影响会加快屋顶各种材料的老化和破坏，导致普通屋顶的使用寿命只有15～20年左右。绿色屋顶的植被层可以保护屋顶免受紫外线和极端温度波动的影响，且土壤基质层还可以有效减少人为破坏或冰雹等自然灾害带来的破坏，所以绿色屋顶的使用寿命要比普通屋顶高很多，一般可以达到50年左右[38]。因此，绿色屋顶可以降低屋顶材料更换的频率，从而节省材料成本，减少资源消耗和废弃物产生。

在回收阶段，尽管会消耗一定量的能源并产生一些环境排放，但回收过程的资源再利用和能量节省，也会产生一些正面效益。Bianchini[32]的研究指出，安装聚合物绿色屋顶仍然是具有积极效果的，但有必要探索代替当前使用的聚合物材料，以提升绿色屋顶的可持续性。同时，强调了废弃材料的回收和再利用在绿色屋顶实践中有很大作用。Chenani[39]运用生命周期评估的方法发现，在绿色屋顶使用寿命结束阶段，通过材料的回收和焚烧等处理方式，可以在非生物消耗、臭氧层消耗、人类毒性、酸化和富营养化等方面产生积极的环境影响。这表明在绿色屋顶的生命周期终点，适当的材料处理方法也可以在多个环境方面产生正面的效应。综上所述，尽管全生命周期评价提供了全面的洞察，但其结果可能受到地域差异、技术变化和研究方法的影响。此外，研究还可以进一步探索如何提高绿色屋顶的可持续性，包括材料替代、更高效的能源利用和持续监测等方面。最终，综合考虑全生命周期评价的结果，可以更好地推动绿色屋顶的发展，以实现环境友好和可持续的建筑实践。

4 总结

绿色屋顶是缓解城市热岛效应、净化城市空气、促进城市低碳发展的重要措施。通过对近年来国内外有关绿色屋顶固碳减排潜力评估的文献进行归纳和分析，发现这方面的研究主要集中于碳封存的影响因素分析，多借助于实验和模拟手段，对绿色屋顶的植被组成与搭配方式、土壤基质的选取、运维管理[40]等影响变量进行分析与探讨。诸多研究成果表明绿色屋顶的植被层和基质层以及建筑类型和气候条件等因素对其固碳效果影响较大：合理选择植物种类或者进行不同植被的组合和合理密植能够显著增强绿色屋顶的固碳效益；优良的土壤基质能够提供适宜的绿植生长环境，进而提高绿色屋顶的碳吸收潜力；建筑类型和气候条件对于绿色屋顶能否发挥最佳的环境效益和生态效益亦产生一定影响。相对于国外，国内在绿色屋顶固碳领域的研究起步较晚，目前的研究多以定性分析为主，较少关注绿色屋顶的固碳量，缺乏对绿色屋顶全生命周期的环境效益进行定量研究。因此，今后应结合绿色屋顶全生命周期各阶段的特点，基于生命周期评价理论，建立绿色屋顶全生命周期碳排放的核算模型，定量分析影响固碳潜力的各项因素，合理测算固碳量，科学评价其全生命周期内的碳成本和碳效益，为绿色屋顶的技术推广提供参考依据，助力城市双碳目标的实现。