西安市幾種不同屋頂綠化形式的降溫增濕效益

席仁靜 狄育慧 鄭 松

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 西安 710048）

0 引言

屋頂綠化可以廣泛地理解為在各類建筑物、假山、陽臺等構(gòu)筑物表面營造景觀的一種空間美化方式。屋頂綠化不僅向空中發(fā)展綠地，節(jié)約土地，開拓城市空間，而且把建筑藝術(shù)與園林藝術(shù)完美結(jié)合，在保護(hù)城市環(huán)境，提高人們居環(huán)境質(zhì)量方面也起著不可忽視的作用。隨著近些年城市化進(jìn)程的加快，城市人口急劇增長，城市的環(huán)境問題日益突出，屋頂綠化也越來受到人們的關(guān)注。很多研究表明屋頂綠化可以明顯改善城市環(huán)境，李磊[1]等學(xué)者研究表明單片葉子可吸收所接受可見光的75%，反射15%，只有約10%可透射，顯著減少了屋頂?shù)奶栞椛?；王麗勉[2]學(xué)者通過對上海的莘莊建筑科學(xué)院科技園的綠化屋頂與非綠化屋頂主要?dú)夂蛞氐挠^測數(shù)據(jù)分析，得到屋頂綠化可降低室內(nèi)氣溫約1℃，降低室外氣溫約1.7℃，增加室內(nèi)濕度2%-4%；鄒敏[3]等人研究顯示花園式綠化可以提高相對濕度12.92%-24.9%。但相關(guān)學(xué)者研究均是整體研究綠化屋頂，沒有具體分析不同植物綠化類型的環(huán)境效益。本文針對目前屋頂綠化常見的草地+灌木、草地+喬木及藤蔓類三種綠化形式，研究了不同的植物群落綠化的降溫增濕效益，為屋頂綠化植物種類的具體選擇提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)對象與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場地的設(shè)計

實(shí)驗(yàn)對象建筑為西安市碑林區(qū)一棟2010年建成的5層的商業(yè)建筑，其位于街道一側(cè)，南北兩側(cè)均是密集高層住宅建筑，屋頂面積超過3300m2。對照裸屋頂在對象建筑的西北側(cè)，屋頂面積超過1600m2，兩建筑毗鄰，相距約50m。

屋頂?shù)幕|(zhì)土厚度測試達(dá)到1.1m，根據(jù)綠化屋頂?shù)闹参锶郝淝闆r，選擇草地+灌木、草地+喬木及藤蔓類三塊不同植物群落的實(shí)驗(yàn)樣地，在裸屋頂中間選擇一塊對照組樣地，四塊試驗(yàn)樣地面積均為300m2。根據(jù)屋頂實(shí)際綠化情況，藤蔓類實(shí)驗(yàn)地規(guī)格為100m×3m，其他三塊樣地規(guī)格都為20m×15m，每一塊實(shí)驗(yàn)樣地均勻選擇6個固定測試點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)場地詳圖Fig.1 detail experiment site

1.2 實(shí)驗(yàn)樣地的植物群落狀況

參考《生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)》[4]中關(guān)于植物群落研究方法，調(diào)查了3塊實(shí)驗(yàn)樣地內(nèi)部植物群落的結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計了主要植物種類，并計算種植密度和郁閉度，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)樣地基本資料Table 1 Basic data to experimental samples

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

實(shí)驗(yàn)在溫度高、屋頂綠化的環(huán)境效益比較明顯的6月份開展，選擇天氣晴朗的3天時間測試，并要求風(fēng)速低且平均風(fēng)速接近0，以減少不同實(shí)驗(yàn)樣地之間空氣流動的影響。試驗(yàn)內(nèi)容是測試不同實(shí)驗(yàn)樣地1.5m高度的環(huán)境溫度和空氣相對濕度。

測試時間段是10∶00-18∶00，持續(xù)9個小時。所有測試點(diǎn)每小時測試并計數(shù)3次，每塊樣地共得到27個數(shù)據(jù)，取其平均值作為該樣地相應(yīng)時刻的溫度和相對濕度值。測試過程中實(shí)驗(yàn)儀器由1.5m高的支架固定，保證測試高度。最終將3天測試的各時刻數(shù)據(jù)加以平均作為最終的分析數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

由于城區(qū)建筑密集，城市環(huán)境復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)不可避免受到風(fēng)速、局部風(fēng)場等外界因素影響。因此，為了全面分析屋頂綠化的環(huán)境效益，除了計算平均溫度和平均相對濕度外，選取降溫程度與增濕程度、降溫率與增濕率作為溫濕度指數(shù)。同時結(jié)合方差檢驗(yàn)和LSD兩兩比較檢驗(yàn)，分析3種不同植物群落的綠化形式的降溫增濕效益。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理使用EXCEL 2007和SPSS 21.0數(shù)據(jù)分析軟件。

其中降溫程度和增濕程度的計算公式為：

降溫率與增濕率的計算公式[3]為：

式中，Td和Ts分別表示對照組和實(shí)驗(yàn)組各時刻的環(huán)境溫度，Rs和Rd分別表示實(shí)驗(yàn)組和對照組的各時刻環(huán)境相對濕度，n表示實(shí)驗(yàn)測試次數(shù)。

1.5 測試儀器

本次試驗(yàn)主要測試風(fēng)速、溫度和濕度三個參數(shù)。使用Testo416葉輪風(fēng)速儀測試風(fēng)速，其分辨率為0.1m/s。溫度和濕度的測試儀器選用美國TSI公司的Q-Trak空氣品質(zhì)測試儀器，溫度測試的分辨率達(dá)到0.1℃，相對濕度測試的分辨率為0.1%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同綠化形式的降溫效益

2.1.1 3塊實(shí)驗(yàn)樣地的溫度統(tǒng)計

本實(shí)驗(yàn)選擇在無風(fēng)晴朗天氣下進(jìn)行，風(fēng)速的測試每實(shí)驗(yàn)樣地每小時讀數(shù)3次，3天共記錄數(shù)據(jù)324次，其中有259次風(fēng)速測試數(shù)據(jù)為0，平均風(fēng)速僅0.03m/s，因此風(fēng)速較小滿足實(shí)驗(yàn)要求。表2是四塊試驗(yàn)樣地每個時間段3天的測試數(shù)據(jù)平均值，同時把各時刻的溫度值加以平均求得全天的平均溫度，圖2是用折線圖表示。

表2 各試驗(yàn)地各時刻溫度統(tǒng)計表Table 2 Each testing samples temperature statistics

圖2 各試驗(yàn)地不同時刻溫度折線圖Fig.2 Every samples temperature line chart of different time

由表2四塊樣地測試數(shù)據(jù)顯示，對照組裸露屋面的平均溫度最高為35.42℃，藤蔓類試驗(yàn)樣地平均溫度最低為31.71℃，和對照組相比降低3.71℃。而草地+灌木組和草地+喬木組的平均溫度分別為33.28℃和33.03℃，只相差0.25℃。裸露屋頂溫度峰谷差達(dá)6.46℃，而3種綠化屋頂最高與最低溫度差均小于4.2℃，和對照組相比溫度變化幅度較小。從圖2也可看出，和對照組相比，綠化屋頂?shù)臏囟日劬€趨勢明顯平緩，溫度更穩(wěn)定。此外，四種形式屋頂?shù)臏囟榷汲省皢畏濉狈植迹?0∶00-12∶00溫度上升很快，12∶00-14∶00期間太陽輻射減弱，溫度上升變緩，在14或15時溫度達(dá)到最高溫度后又緩慢降低。

2.1.2 3種屋頂綠化形式降溫效果的比較

根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)組與對照組的各時刻溫度，計算3塊試驗(yàn)樣地的降溫程度變化范圍分別為：1.06℃-3.72℃，0.8℃-4.36℃，2.17℃-4.52℃；計算對照組與3塊實(shí)驗(yàn)樣地平均溫度差，得到3塊樣地平均降低溫度為：2.14℃，2.39℃，3.71℃；計算降溫率分別為：5.9%，6.6%，10.4%?？梢钥闯鎏俾惥G化的降溫優(yōu)勢比較明顯，而草地喬木和草地灌木兩實(shí)驗(yàn)樣地的降溫程度的范圍相近，平均降低溫度和降溫率相差也不大。

表3 3種綠化形式與對照組的溫度方差分析Table 3 Temperature analysis of variance between greening forms and the control group

表3是綠化屋頂與對照裸屋頂溫度的方差分析，組間均方差為19.5，組內(nèi)均方差為2.627。F＝7.424＞F0.05（3,32）≈2.92，表明不同形式的屋頂綠化對屋頂?shù)臏囟扔蟹浅ｏ@著的影響。顯著性水平P表示因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果無顯著影響的概率，P=0.001＜0.05，說明在α＝0.05顯著性水平下，F(xiàn)檢驗(yàn)是顯著的，也表明不同綠化形式對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)屋頂溫度的影響顯著。

方差分析只能判斷整體各觀測變量均值不完全相等，卻不能得出各均值之間完全不相等的結(jié)論，各因素水平下觀測變量均值的更為細(xì)致的比較就需要用多重比較檢驗(yàn)[5]。先檢驗(yàn)方差的齊次性，計算結(jié)果為P＝0.695＞0.05，所以得到不同綠化形式的溫度滿足方差齊性的結(jié)論。然后用SPSS軟件做LSD兩兩比較檢驗(yàn)，分析不同綠化形式之間的降溫效果差異。

如表4所示，3種綠化形式與對照組的溫度差異的顯著性水平均小于0.05，表明3種屋頂綠化形式均有顯著的降溫效果。但草地灌木和草地喬木這兩種綠化形式相比，P＝0.749＞0.05，表明這兩種綠化形式差異不明顯。而藤蔓類與草地灌木相比，P＝0.048，表明藤蔓類綠化的降溫效果即使與草地灌木綠化形式相比，仍差異顯著，降溫效果很好。

綜上所述，根據(jù)平均溫度、降溫程度、降溫率及方差檢驗(yàn)與LSD檢驗(yàn)，3種不同植物群落的綠化形式都有顯著的降溫作用，其降溫效果為：藤蔓類＞草地+喬木＞草地＋灌木，其中草地灌木和草地喬木這兩種綠化形式降溫效果沒有顯著差異，藤蔓類綠化形式的降溫效果最好，明顯優(yōu)于其他兩種屋頂綠化形式。

表4 3種綠化形式及對照組溫度LSD兩兩比較分析Table 4 Temperature LSD pairwise comparison analysis between 3 kinds of greening forms and the control group

2.2 不同綠化形式的增濕效益

2.2.1 3塊試驗(yàn)樣地的相對濕度統(tǒng)計

如表5所示，相對于對照裸屋頂，3種綠化形式的屋頂?shù)南鄬穸榷加胁煌潭鹊奶岣撸俾愒囼?yàn)樣地的平均相對濕度最高，為38.11%，而對照組的相對濕度最低，為32.64%。草地灌木和草地喬木的樣地平均相對濕度為34.75%和34.88%，相比差異不大。同時結(jié)合圖3可以看出，各實(shí)驗(yàn)地的相對濕度呈現(xiàn)先下降后稍微上升的趨勢。在10∶00 相對濕度最高，在 10∶00-14∶00 時刻之間相對濕度急劇下降，各試驗(yàn)地分別在14∶00-16∶00時刻之間相對濕度達(dá)到最低值后，又有緩慢上升的趨勢。其中草地灌木和草地喬木樣地的相對濕度曲線十分接近，在 15∶00-18∶00有交叉。

表5 各試驗(yàn)地各時刻相對濕度統(tǒng)計/%Table 5 Each samples statistical relative humidity of different moment/%

圖3 各試驗(yàn)地不同時刻相對濕度折線圖Fig.3 Each samples relative humidity line chart of different time

2.2.2 3種屋頂綠化形式增濕效果的比較

根據(jù)表5的3塊綠化試驗(yàn)樣地與對照試驗(yàn)地的相對濕度，計算3塊樣地的平均相對濕度增加為：2.11%，2.24%，5.47%；增濕程度范圍為：0.98%-3.94%，0.4%-4.1%，3.22%-7.5%；增濕率為：6.4%，6.8%，16.6%。以上數(shù)據(jù)可以看出藤蔓類綠化形式的增濕效果最明顯，而草地灌木和草地喬木兩種綠化形式的增濕程度范圍相近，平均相對濕度增加量和增濕率差異也不大。

表6 3塊試驗(yàn)地與對照組相對濕度方差分析Table 6 Relative humidity variance analysis of testing samples and the control

表6的方差分析顯示，總離差為438.384，組間均方差為137.373，組內(nèi)平方和為301.011，而F＝4.868＞F0.05（3,32）≈2.92，表明不同的綠化形式對屋頂相對濕度有非常顯著的影響。P=0.007＜0.01，也表明不同綠化形式對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)相對濕度影響顯著。

方差分析表明各試驗(yàn)地測試溫度均值并不相等，具體分析各試驗(yàn)地（綠化形式）之間的相對濕度的差異要做兩兩比較分析。先對各種綠化形式的相對濕度方差齊次性檢驗(yàn)，結(jié)果為P＝0.505＞0.05，表明方差滿足齊次性要求。然后對各種綠化形式的相對濕度做LSD兩兩比較檢驗(yàn)，分析不同綠化形式之間的增濕效果的差異。

表7 3種綠化形式及對照組相對濕度LSD兩兩比較分析Table 7 Relative humidity LSD pairwise comparison analysis on greening forms and the control group

如表7所示，草地灌木和草地喬木兩種綠化形式的相對濕度與對照組相比，均無顯著性差異，表明它們的增濕效果并不明顯，而藤蔓類綠化形式與對照組相比，P=0.001＜0.05，表明只有藤蔓類綠化形式有顯著的增濕效果。同時藤蔓類綠化與另兩種綠化形式相比，P＜0.05，這表明，藤蔓類綠化的相對濕度不僅與對照組相比有顯著性的差異，而且與其他兩種屋頂綠化形式相比也差異顯著，可顯著提高屋頂?shù)南鄬穸?，改善建筑局部微氣候環(huán)境。

通過以上的平均相對濕度、增濕程度、增濕率及方差檢驗(yàn)與LSD檢驗(yàn)，看出3種綠化形式的增濕效果為：藤蔓類＞草地+喬木＞草地＋灌木，其中草地灌木和草地喬木兩種綠化形式增濕效果沒有較大的差異，而僅有藤蔓類綠化能顯著提高環(huán)境的相對濕度。

2.3 結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，綠化屋頂有一定的降溫增濕效應(yīng)，這與國內(nèi)外學(xué)者研究是一致的。同時測試數(shù)據(jù)顯示，草地喬木綠化方式和草地灌木綠化方式相比，屋頂?shù)慕禍嘏c增濕效果并沒有顯著的差異，而藤蔓類綠化方式降溫增濕效益最好。

通過相關(guān)學(xué)者的研究表明[6-9]，綠化的降溫增濕主要得益于植物的遮擋太陽輻射和蒸騰作用。郁閉度是指森林中喬木樹冠遮蔽地面的程度，表示植物對太陽輻射的遮擋。表1的綠化植物群落調(diào)查顯示，草地灌木和草地喬木兩實(shí)驗(yàn)樣地的郁閉度相近，而藤蔓類實(shí)驗(yàn)地塊的郁閉度明顯高于其他兩塊試驗(yàn)樣地，其遮擋太陽輻射降溫效果會更好。

蒸騰作用是水分從活的植物體表面（主要是葉子）以水蒸汽狀態(tài)散失到大氣中的過程。栽培學(xué)和氣象學(xué)相關(guān)理論指出，蒸發(fā)面積、微環(huán)境溫度和氣孔內(nèi)外壓差是影響植物蒸騰速率的主要原因。董澤軍提出蒸騰作用的速率的分析，需要植物氣孔下腔蒸發(fā)表面積、氣孔下腔微環(huán)境中飽和差、氣壓、溫度、氣孔內(nèi)外氣壓差、植物體內(nèi)特別是細(xì)胞間隙中水溶液濃度、植物生長期蒸騰作用等植物生理學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來支撐[10]。由此看來，具體每種綠化植物的降溫增濕效益與蒸騰作用、呼吸作用等生理活動的關(guān)系，應(yīng)從植物生理學(xué)方面進(jìn)行更加深入微觀的定量研究，而本文是以實(shí)際測試數(shù)據(jù)宏觀分析其降溫增濕效果，這是本文的不足之處。

在調(diào)研中，屋頂管理人員指出藤蔓類植物容易養(yǎng)護(hù)，灌木生長狀況也良好，但喬木類綠化植物生長受到基質(zhì)厚度、土質(zhì)等環(huán)境因素的限制，枝葉稀少，長勢不好，經(jīng)常有生病枯枝現(xiàn)象。他們提出喬木的生長問題使其不能充分發(fā)揮它的生態(tài)效益，因此建議在屋頂條件有限情況下，屋頂綠化不適宜種植過多喬木，而應(yīng)種植適應(yīng)性強(qiáng)的藤蔓類、小灌木和草本類植物。

3 結(jié)論

（1）本次實(shí)驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)顯示，草地+灌木、草地+喬木和藤蔓類三種綠化形式能降低平均溫度分別為：2.14℃，2.39℃，3.71℃；降溫程度分別為：1.06℃～3.72℃，0.8℃～4.36℃，2.17℃～4.52℃；降溫率分別為：5.9%，6.6%，10.4%。方差檢驗(yàn)和LSD兩兩比較檢驗(yàn)表明，和對照組相比，3種綠化形式均有顯著的降溫作用，其中草地+灌木和草地+喬木的降溫效果差異不大，而藤蔓類綠化的降溫效益最好。

（2）本次實(shí)驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)顯示，草地+灌木、草地+喬木和藤蔓類三種綠化形式均有一定的增濕作用，能增加相對平均濕度分別為：2.11%，2.24%，5.47%；增濕程度范圍分別為：0.98%～3.94%，0.4%～4.1%，3.22%～7.5%；增濕率為：6.4%，6.8%，16.6%。方差檢驗(yàn)和LSD兩兩比較檢驗(yàn)表明，草地+灌木和草地+喬木兩種綠化形式的增濕效果沒有顯著性的差異。同時與對照組相比，只有藤蔓類綠化有顯著的增濕效益。

（3）根據(jù)所測試的數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)分析，在屋頂環(huán)境有限的情況下，建議優(yōu)先選擇降溫增濕效益最好、適應(yīng)性強(qiáng)的藤蔓類綠化植物，結(jié)合低矮灌木和地被類植物（佛甲草、四季青等）進(jìn)行屋頂綠化，不推薦種植較多的喬木，因?yàn)閱棠静灰尊B(yǎng)護(hù)，且其降溫增濕效果與灌木相比并沒有顯著差異。