植被在不同降雨環(huán)境中對(duì)綠色屋頂雨水徑流的影響

薛明珂，李思芹

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100；2.廈門(mén)市園林植物園，福建 廈門(mén) 361000)

1 引言

屋頂和道路等基礎(chǔ)設(shè)施占據(jù)了大部分城市化地區(qū)，導(dǎo)致城市徑流增加,地下水補(bǔ)給減少,徑流水質(zhì)下降[1～2]。綠色屋頂可作為一個(gè)潛在有價(jià)值的工具來(lái)治理這些雨水徑流問(wèn)題，其中表層植被和多孔基質(zhì)的添加在一定程度上改善了屋頂不積水的現(xiàn)象，通過(guò)基質(zhì)對(duì)雨水的滯留作用和植物的蒸騰作用來(lái)延緩和減少地表徑流[3～4]。

植物是綠色屋頂和環(huán)境之間最關(guān)鍵的接觸面,但對(duì)于植物確切的調(diào)節(jié)作用仍然是不明確的。有試驗(yàn)表明,許多以多肉為主要栽培植物的綠色屋頂會(huì)對(duì)減緩雨水徑流有略微的幫助，這也許是因?yàn)槎嗳庵参锏恼舭l(fā)量較小，不足以明顯影響基質(zhì)的持水量[5]。然而B(niǎo)erghage等人[6]表示,景天屬植物可迅速蒸發(fā)基質(zhì)內(nèi)的可用水，且蒸發(fā)量高達(dá)綠色屋頂基質(zhì)可用水量的40%，具體的量取決于降雨量的規(guī)模和時(shí)間。Dunnett等人[7]表示,植被的形態(tài)特征,如高度和結(jié)構(gòu)，可以顯著影響綠色屋頂徑流的保留。

植被在綠色屋頂中所起的調(diào)節(jié)徑流量作用可能會(huì)根據(jù)氣候的不同而發(fā)生變化，例如在間歇性降雨的福建，夏天的降雨對(duì)于植物的吸收利用來(lái)說(shuō)會(huì)有限制。此外，在夏季干旱的氣候中，綠色屋頂往往需要額外的灌溉來(lái)維持植物的生長(zhǎng)，但是灌溉管理可能通過(guò)改變基質(zhì)的持水力或者植物的生理狀態(tài)來(lái)改變基質(zhì)對(duì)雨水的儲(chǔ)存能力。因此，研究灌溉管理對(duì)綠色屋頂徑流量的影響是非常重要的,特別是降雨量不連續(xù)且在夏天較濕熱地區(qū)。

在這項(xiàng)研究中,我們通過(guò)比較一年內(nèi)儲(chǔ)水性能不同的三種屋頂設(shè)計(jì):第一種是典型的淺層綠色屋頂設(shè)計(jì);第二種是僅含基質(zhì)但沒(méi)有植被的屋頂,;第三種是傳統(tǒng)的防滲屋頂，來(lái)評(píng)估了在廈門(mén)冬夏兩季綠色屋頂植被對(duì)降雨的影響。此外，在夏天我們對(duì)額外的灌溉進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估在炎熱的環(huán)境中灌溉是否會(huì)影響屋頂?shù)膬?chǔ)水性能。

2 材料和方法

2.1 地點(diǎn)

試驗(yàn)進(jìn)行地點(diǎn)位于廈門(mén)市，位于北緯24°23'～24°54'、東經(jīng)117°53'～118°26'，在中國(guó)東南沿海，福建省南部。天氣情況由距離數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)6.4 km的一個(gè)氣象站收集，2018年的降雨量與近幾年長(zhǎng)期平均降雨量較為接近，均為1 200 mm左右。

2.2 試驗(yàn)床設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置了24個(gè)1.2 m×2.4 m屋頂模擬測(cè)試床，每一個(gè)測(cè)試床都含有4.5 mm熱聚烯烴熱塑性防水膜(TPO)的內(nèi)襯單層 ，測(cè)試床高1.98 m,均含有統(tǒng)一縱向坡度為2%的排水洞。其中三個(gè)測(cè)試床的頂部只有防水膜，用來(lái)模擬傳統(tǒng)的屋頂?shù)膹搅髂Ｊ剑Ｏ碌?1個(gè)測(cè)試床除了防水膜之外，頂部還有排水層和基質(zhì)。排水層6.35 mm厚，一端含有針織復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)排水墊,用來(lái)為基質(zhì)與排水層之間提供一個(gè)過(guò)濾層?；|(zhì)采用廈門(mén)地區(qū)常用的淺層綠色屋頂基質(zhì)，主要由篩選浮石(0.16～0.95 cm)、少量的纖維堆肥和紙纖維構(gòu)成?；|(zhì)的田間持水量為732 kg·m-3,飽和容重為1 017 kg·m-3,干重546 kg·m-3。每個(gè)測(cè)試床上的基質(zhì)均為12.7cm的厚度。

2.3 試驗(yàn)方法

這項(xiàng)研究持續(xù)一年，在雨季，通過(guò)比較植被測(cè)試床、僅含基質(zhì)的測(cè)試床和模仿傳統(tǒng)屋頂?shù)臏y(cè)試床來(lái)測(cè)定植被對(duì)屋頂?shù)膬?chǔ)水性能的影響。在旱季,通過(guò)給植被測(cè)試床和僅含基質(zhì)的測(cè)試床添加額外灌溉，來(lái)測(cè)試植物和灌溉對(duì)于屋頂滯留雨水徑流影響的結(jié)合作用。

試驗(yàn)共分為三種處理：其中12個(gè)測(cè)試床中種植了6種植物(藍(lán)鈴花、矮牽牛、垂盆草、常夏石竹、大花金雞菊、景天、長(zhǎng)生草和月見(jiàn)草)，這些植物均購(gòu)買(mǎi)于當(dāng)?shù)匾幻缙?。在試?yàn)開(kāi)始前的第一個(gè)生長(zhǎng)季對(duì)種植試驗(yàn)床進(jìn)行均勻灌溉，以保證植株能夠正常生長(zhǎng)。從2017年12月25日至2018年3月25日持續(xù)冬季降水開(kāi)始，平均每天4～5 h的降雨量為2.18mm。采用點(diǎn)截距法，在植株建立期結(jié)束時(shí)(2017年12月25日)和灌溉試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)(2018年6月25日)，在每個(gè)種植試驗(yàn)臺(tái)選取0.5 m×0.5 m的樣方范圍來(lái)估算植被總覆蓋度。9個(gè)測(cè)試床均為僅含基質(zhì)的測(cè)試床。剩下的3個(gè)測(cè)試床既無(wú)機(jī)質(zhì)也無(wú)植物，主要用來(lái)模擬傳統(tǒng)屋頂。

在夏季開(kāi)始時(shí)，三種不同灌溉處理隨機(jī)應(yīng)用到12個(gè)植被測(cè)試床(每4個(gè)測(cè)試床使用一種灌溉處理)和9個(gè)基質(zhì)測(cè)試床(每3個(gè)測(cè)試床使用一種灌溉處處理)：①園藝經(jīng)驗(yàn)法：用視覺(jué)觀(guān)察和屋頂徑流溢出來(lái)判斷能夠維持植物健康所需的最小灌溉水量。除夏季降水外，每?jī)商旖o植物增加133.35 mm 的額外灌溉量;②當(dāng)?shù)卣撸喊凑諒B門(mén)綠色屋頂建筑政策的要求進(jìn)行灌溉，除夏季降水外，每5 d施用量為57.15 mm的額外灌溉；③不作處理：非灌溉條件下，植物夏季降水量約為38.1 mm。作灌溉處理的測(cè)試床，平均灌溉持續(xù)時(shí)間為4～5 h每天。

2.4 雨水徑流評(píng)估

在冬夏兩季，我們測(cè)量了所有自然降雨事件的雨水徑流量。此外，在2018年5月25日進(jìn)行了一次模擬降雨，并測(cè)量了徑流量。進(jìn)行該模擬降雨事件是為了確保在灌溉處理開(kāi)始時(shí)，所有試驗(yàn)臺(tái)上的基質(zhì)處于均勻飽和狀態(tài)。在每次降雨事件發(fā)生開(kāi)始到降水停止后6 h，均對(duì)附加在每個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上的儲(chǔ)罐中累積的總徑流進(jìn)行測(cè)量。

2.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所有的統(tǒng)計(jì)分析都使用SAS9.3分析軟件完成，采用單向ANOVAs分析方法分析同組數(shù)據(jù)之間的差別，用最小方差(LSD)來(lái)比較不同組數(shù)據(jù)之間的顯著性差異。

3 結(jié)果

3.1 濕季性能

圖1 濕旱兩季，隨降雨量增加三種測(cè)試床的平均徑流變化

最開(kāi)始監(jiān)控雨水時(shí), 有植被的測(cè)試床平均植被的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到屋頂面積的69%±4.5左右,并且根已經(jīng)完全深入進(jìn)基質(zhì)內(nèi)。傳統(tǒng)屋頂?shù)挠晁畯搅魍耆刂潘芰魇?，這一結(jié)果偶爾會(huì)由實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生輕微變化。僅含基質(zhì)屋頂和有植物屋頂存儲(chǔ)雨水的體積較為相近，這兩種屋頂比起傳統(tǒng)屋頂，均降低了屋頂雨水徑流量,這種徑流量的差異大小變化為非線(xiàn)性函數(shù) (圖1)。當(dāng)將線(xiàn)性模型轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)模式來(lái)分析徑流量時(shí)，僅含基質(zhì)的屋頂和有植被的屋頂沒(méi)有很明顯的差異 (p = 0.971),并且這種關(guān)系在一定范圍的降雨中是一致的 (p = 0.922)。給冬天所有的降雨求和,僅含基質(zhì)的屋頂和植被屋頂能夠保留的徑流量占總徑流量的百分比分別為26.4%±1.1 se和26.4%±0.5 se。

3.2 旱季性能

圖2 僅含基質(zhì)測(cè)試床和植物測(cè)試床在旱季不接受灌溉處理后的徑流量

圖3 僅含基質(zhì)測(cè)試床和植物測(cè)試床在旱季接受不同灌溉處理后的徑流量

夏天在灌溉初期，測(cè)試床上的植被是健康的，平均覆蓋率達(dá)到了83%±3.7 se。相比較濕潤(rùn)的季節(jié)，僅含基質(zhì)的屋頂和植被覆蓋屋頂表現(xiàn)出不同的雨水保留量。將整個(gè)夏季的雨水儲(chǔ)存量求和，結(jié)果表明植被屋頂和僅含基質(zhì)的屋頂雨水保留量分別為64.7%±1.2 se和51.9%±1.9 se。然而,植被對(duì)雨水保留量的多少取決于降雨量的大小和額外灌溉的多少(圖1和3)。當(dāng)對(duì)測(cè)試床不進(jìn)行灌溉時(shí)，除兩次最小的降雨事件之外，植被對(duì)于雨水的保留量具有明顯的影響作用 (圖2)。同樣, 在夏節(jié)發(fā)生特大降雨事件時(shí)，灌溉處理對(duì)于僅含基質(zhì)和含有植被測(cè)試床的雨水保留量來(lái)說(shuō)有顯著的影響 (圖 3)。僅含基質(zhì)的屋頂在接受園藝式灌溉處理時(shí)僅能保留35.4%±1.2 SE的降雨，而接受政策處理的能保留41.2%±1.6 SE，沒(méi)有灌溉的屋頂能保留53.2%±1.2 SE。植被覆蓋的屋頂在接收?qǐng)@藝式灌溉處理后能保留63.0%±1.7 se的降雨量，接受政策處理的能保留65.8%±1.2 se，沒(méi)有灌溉的屋頂能保留75.0%±3.1 se的降雨。

4 討論

這項(xiàng)研究的結(jié)果表明,涼爽潮濕的氣候?qū)G色屋頂在優(yōu)化雨水保留量方面具有很大的挑戰(zhàn)。此外，含有植被屋頂和僅含基質(zhì)屋頂在濕旱兩季之間的雨水保留量上幾乎表現(xiàn)出了相同的性能。冬季植物水分利用能力的減少可能限制了植被在大量降雨事件發(fā)生時(shí)恢復(fù)蓄水的能力。Berghage 等人[6]指出冬季植被覆蓋的屋頂和僅含基質(zhì)的屋頂蒸騰失水沒(méi)有明顯的差異，但是夏季會(huì)有差異二重性。此外，冬季的低蒸發(fā)率也有可能阻礙了植被屋頂和僅含基質(zhì)屋頂對(duì)雨水的儲(chǔ)存能力。在本研究中，這兩類(lèi)屋頂在冬季僅能保留不到28%的降雨，均為不到夏季保留量的一半。同樣地，Spolek[8]指出建造在波特蘭的綠色屋頂冬季的平均雨水保留量為12%，而當(dāng)夏季發(fā)生相同降雨量事件時(shí)，同樣的綠色屋頂雨水保留量則為42%。Mentens等人[9]表明，德國(guó)的綠色屋頂在冬季對(duì)雨水的保留量相對(duì)于夏季更低一些。

若想要增強(qiáng)屋頂在冬季降雨中的雨水保留特性，那么在設(shè)計(jì)綠色屋頂時(shí)，應(yīng)該采用更豐富的植物物種，以便于在較涼爽的冬季依然可以提供結(jié)構(gòu)性的持水量。在福建地區(qū)，備選的綠色屋頂植物包括苔蘚類(lèi)、鱗莖類(lèi)和兼性濕地植物，這些都能夠在秋天、冬天和春天表現(xiàn)出良好的特性。此外,能利用大規(guī)模結(jié)構(gòu)條件來(lái)留住雨水的植物物種也會(huì)是不錯(cuò)的選擇。許多常見(jiàn)的苔蘚植物能吸收高達(dá)自身重量10倍的水[10]。在Anderson等人[11]的平行實(shí)驗(yàn)中，冬季里只種植苔蘚的測(cè)試床比只包含基質(zhì)或者含有維管束植物的測(cè)試床能夠多保留12%～23%雨水。在建造綠色屋頂時(shí)，將能夠在冬季靠高結(jié)構(gòu)性持水量活躍的苔蘚與夏季活躍的維管植物結(jié)合起來(lái)，就可以維持屋頂?shù)挠晁畯搅髁颗c蒸騰模式，從而改善屋頂全年的雨水徑流控制效果[12]。

與冬天相比,植被對(duì)夏季雨水滯留的作用較為明顯。然而,這種效應(yīng)的強(qiáng)烈程度依賴(lài)于降雨量的大小，這與其他研究的結(jié)果是一致的。一些研究表明綠色屋頂雨水保留量的多少取決于降雨的大小、強(qiáng)度和頻率，以及基質(zhì)的飽和水平和氣候條件[4,13,14,15]。VanWoert等人[5]和Getter 等人[16]的研究中均表明，在降雨量較小時(shí)，含有植被的屋頂和僅含基質(zhì)的屋頂對(duì)于雨水的保留作用沒(méi)有明顯的差異，這與本研究的結(jié)果一致。

關(guān)于綠色屋頂植物用水模式方面的詳細(xì)研究，Berghage 等人[6]表明,屋頂徑流的多少能夠強(qiáng)烈的通過(guò)植物蒸騰速率、與降雨時(shí)間和強(qiáng)度大小之間的相互作用反映出來(lái)。在他們的研究中，景天屬植物種植的綠色屋頂與僅含基質(zhì)的屋頂所發(fā)生的蒸騰失水量差異最大發(fā)生在飽和降雨后的3～6 d里。他們的結(jié)論是，在濕潤(rùn)的環(huán)境中，連續(xù)發(fā)生較小量的降雨時(shí)間時(shí)，植被可能對(duì)雨水徑流管理具有很大的影響作用 (比僅含基質(zhì)的屋頂高大約40%)，而干旱環(huán)境則相反。與僅含基質(zhì)的屋頂相比，在六次夏季降雨事件中，本試驗(yàn)中有植被種植的屋頂將雨水保留量?jī)H提高了約13%。這一結(jié)果支持了Berghage 等人[6]提出的假設(shè)，即植被在相對(duì)干旱的條件對(duì)雨水徑流管理的貢獻(xiàn)將會(huì)減少。

筆者結(jié)果表明，從潮濕的冬季到干燥的夏季，植被的覆蓋面積從69%上升到83%，植被覆蓋面積的增加也會(huì)影響雨水保留量的結(jié)果。地上生物量的增加,根系的發(fā)育,植被的成熟和土壤結(jié)構(gòu)的變化都可以影響雨水的保留量[9,16]。Getter等人[16]表明一個(gè)建造了五年的綠色屋頂?shù)某炙渴切陆ㄒ荒昃G色屋頂?shù)膬杀?。筆者研究中，在雨季的開(kāi)始的時(shí)候, 有植被的測(cè)試床的植物根部開(kāi)始發(fā)育，并且深入進(jìn)基質(zhì)中。因此，由于季節(jié)性差異的存在，蒸騰作用可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果起主導(dǎo)作用。

綠色屋頂?shù)墓芾砭褪且粋€(gè)將氣候環(huán)境和雨水功能結(jié)合起來(lái)的實(shí)踐過(guò)程。在夏季干旱地區(qū)或經(jīng)歷季節(jié)性干旱地區(qū),灌溉對(duì)于維持淺層綠色屋頂上的植物來(lái)講是必不可少的[17]。在我們目前的研究中,在夏季的強(qiáng)降雨事件中(28.96 mm)，灌溉能夠顯著降低雨水保留量。這表明, 在不連續(xù)且中強(qiáng)型降雨事件中,灌溉可能阻礙雨水徑流的功能，比如大多數(shù)建造在在美國(guó)西南部的植被都會(huì)減少額外灌溉的需求，這將有益于資源合理利用和雨水功能的發(fā)揮[8]。

越來(lái)越多的研究證據(jù)表明,綠色屋頂植被對(duì)雨水徑流的作用大小高度依賴(lài)于不同區(qū)域的特定氣候條件。在筆者研究中,植被在相對(duì)干燥的夏季能夠增強(qiáng)雨水的功能。然而,這一結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明時(shí)應(yīng)特別注意，筆者研究只持續(xù)了一年，因此，要評(píng)估多年、多種氣候下季節(jié)性雨水對(duì)植物的性能的影響，仍然需要更長(zhǎng)期更進(jìn)一步的研究。筆者試驗(yàn)中采用總徑流量來(lái)作為雨水性能的指標(biāo)。

綠色屋頂?shù)牧硪粋€(gè)關(guān)鍵性能是能夠推遲徑流進(jìn)入排雨系統(tǒng)的時(shí)間，即使在強(qiáng)降雨期間屋頂?shù)娜莘e率達(dá)到飽和，綠色屋頂仍然可以延緩徑流峰值出現(xiàn)的時(shí)間，并且降低下水道溢出的風(fēng)險(xiǎn)[15,18]。植被蒸騰速率可能對(duì)徑流的延遲不起主導(dǎo)作用，例如,地上和地下的植被結(jié)構(gòu)均能減緩水流通過(guò)綠色屋頂?shù)乃俣取９P者試驗(yàn)中，由八種植物物種構(gòu)成的綠色屋頂性能的差異性體現(xiàn)在植被季節(jié)性的特征變化上，本研究對(duì)這部分差異性尚且未做測(cè)試。

這項(xiàng)研究的結(jié)果凸顯了綠色屋頂植物的選擇需要注意地域性。評(píng)估植物不同種類(lèi)在特定環(huán)境條件中的表現(xiàn)，對(duì)于發(fā)展適應(yīng)地域性雨水功能的綠色屋頂植物來(lái)講是必不可少的，尤其對(duì)我國(guó)東南部天氣多變的地區(qū)，降雨模式的不同對(duì)綠色屋頂雨水性能構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。在選擇植物時(shí)，既需要研究植物在性能性狀上的特異性差異，也需要研究不同植物組合的綜合性能[7]。當(dāng)然，雨水管理只是綠色屋頂一個(gè)潛在的理想功能。除此之外，綠色屋頂?shù)闹参锝M分是其他衍生服務(wù)的主要來(lái)源，如為動(dòng)物和昆蟲(chóng)提供棲息地、加深美學(xué)效應(yīng)、利用植物蒸發(fā)降溫、緩解城市熱島效應(yīng)、緩解空氣污染和延長(zhǎng)屋頂膜壽命[3,4,19,20,21]。這些目標(biāo)功能之間存在著潛在的權(quán)衡和沖突，特別是在面臨環(huán)境限制的情況下。此外，這些服務(wù)的相對(duì)重要性可能因?qū)嶋H情況而異。因此，考慮到區(qū)域氣候造成的環(huán)境限制，植被在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行調(diào)整，以?xún)?yōu)化特定的目標(biāo)功能。