半地下建筑頂板不同覆土厚度綠化的生態(tài)效益研究

孫宏彥

謝軍飛

舒健驊

李延明*

針對(duì)中國(guó)土地資源匱乏、城市綠化覆蓋率低的現(xiàn)狀，合理開(kāi)發(fā)利用地下空間并進(jìn)行覆土綠化是現(xiàn)代生態(tài)城市建設(shè)的一個(gè)積極探索，也是我國(guó)大城市發(fā)展的特色需求。地下半地下建筑覆土綠化是兼顧建筑空間拓展和綠化生態(tài)效益的產(chǎn)物，但國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究極少。相關(guān)研究主要集中在屋頂綠化上，研究表明，屋頂綠化在夏季可有效降低屋頂?shù)谋砻鏈囟?、減小溫度波動(dòng)幅度，有利于改善城市熱環(huán)境[1-2]。與無(wú)綠化屋頂相比，屋頂綠化可使屋頂溫度在冬季升高5～10℃，夏季降低10～20℃[3-4]，進(jìn)而減少建筑能耗，削減建筑空調(diào)系統(tǒng)的容量及系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間和強(qiáng)度[5]。除此之外，屋頂綠化在截留雨水方面也可發(fā)揮重要作用[6-8]。屋頂綠化與建筑頂板覆土綠化息息相關(guān)，但屋頂綠化多采用輕型基質(zhì)，而建筑覆土綠化則采用綠地土壤，因此屋頂綠化相關(guān)研究不能直接指導(dǎo)建筑覆土綠化實(shí)踐。目前，北京[9]、上海[10]、廣州[11]、深圳[12]等地雖有屋頂綠化覆土厚度的相關(guān)規(guī)定，但這些規(guī)定大多基于宏觀調(diào)研，尚無(wú)精確試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。為解決行業(yè)急需的技術(shù)問(wèn)題，北京市園林綠化科學(xué)研究院建造了模擬半地下空間的建筑覆土綠化試驗(yàn)站，旨在從植物生長(zhǎng)、增濕降溫、能量流動(dòng)和雨水蓄積等方面開(kāi)展系統(tǒng)研究，一方面填補(bǔ)相關(guān)研究領(lǐng)域的空白，另一方面可為我國(guó)地下空間覆土綠化土層厚度的應(yīng)用和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)地布設(shè)

本研究在北京市園林綠化科學(xué)研究院內(nèi)建成的建筑覆土綠化試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站為長(zhǎng)方形建筑，長(zhǎng)30.5m、寬8m，總面積為244m2。建筑為半地下式建筑，其中地下部分為1m，地上部分為1.1m，建筑內(nèi)部分割為14個(gè)3.5m×3.5m的獨(dú)立空間。建筑內(nèi)各空間頂部對(duì)應(yīng)14個(gè)3m×3m的露地種植池，池內(nèi)鋪設(shè)耐根穿刺防水卷材。在種植池中設(shè)5個(gè)不同覆土厚度處理(圖1)，分別為0(即不覆土)、0.2、0.5、1.0、1.5m，同時(shí)設(shè)3個(gè)地面種植對(duì)照。

圖1 建筑頂板覆土綠化種植設(shè)計(jì)平面圖

1.2 植物種植

不覆土對(duì)照不種任何植物；0.2m覆土處理的3個(gè)種植池內(nèi)種植佛甲草地被；其余處理采用相同種植模式，種植喬灌木組合植物，包括油松、白蠟、金銀木、大葉黃楊和獨(dú)干紫薇各1株。植物規(guī)格如表1所示。

表1 種植池內(nèi)植物規(guī)格

1.3 灌溉管理

在每個(gè)種植池內(nèi)鋪設(shè)全自動(dòng)滴灌系統(tǒng)，灌溉系統(tǒng)中配置有過(guò)濾器、穩(wěn)壓閥等裝置，確保相同處理的每個(gè)種植池在相同時(shí)間內(nèi)獲得的灌溉量基本一致。

1.4 儀器安裝和數(shù)據(jù)采集

根據(jù)土壤厚度，分別在距離地表10、35、75、125cm處埋設(shè)土壤水分探頭(CS650，Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國(guó))，各覆土處理在屋頂表面安裝熱通量探頭(HEP01-15m，Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國(guó))，每個(gè)房間頂部正中位置安裝溫度探頭(109，Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國(guó))，每個(gè)種植池灌水主管道處安裝DLJ50流量計(jì)(Daniel L.Jerman Co.，Hackensack，新澤西，美國(guó))。上述探頭均與CR1000數(shù)采器(Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國(guó))相連，每小時(shí)自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)。各覆土處理排水口下方設(shè)置自計(jì)式雨量筒，雨量筒下方設(shè)置儲(chǔ)水容器。試驗(yàn)站旁安裝ET107氣象站(Campbell Scientific，Logan，猶他州，美國(guó))。

1.5 地表覆蓋度測(cè)定

2015年4月—2016年10月，每月中旬測(cè)定每個(gè)喬灌木樹(shù)池內(nèi)的覆蓋度。將每個(gè)3m×3m的樹(shù)池平均分隔為100個(gè)30cm×30cm的小方格，測(cè)定每個(gè)小方格中心位置是否被植物覆蓋，若覆蓋，記為1，若無(wú)覆蓋，記為0。被覆蓋的方格百分?jǐn)?shù)則為每個(gè)樹(shù)池的覆蓋度。

1.6 試驗(yàn)期間天氣情況

試驗(yàn)期間的氣象條件均屬于北京地區(qū)正常的氣候狀況(圖2)，降雨量集中在6—8月，2015和2016年降雨量分別為585和616mm，總降雨量略低于30年平均降雨量644mm。2015年雨季最大降雨量發(fā)生在6月26日，單日降雨量為72.8mm；2016年最大降雨量發(fā)生在7月20日，單日降雨量為228mm，形成了“7·20”特大暴雨。日均溫在冬季12和1月處于低谷，2月氣溫逐漸回升，6—8月氣溫處于頂峰。日潛在蒸散量在冬季12和1月處于低谷，低于1mm，5—8月處于高峰，日潛在蒸散量可達(dá)5～6mm。

圖2 2015、2016年日降雨量、日潛在蒸散量ETo和日均溫

1.7 數(shù)據(jù)處理和分析

月蒸騰量利用水量平衡法計(jì)算獲得，計(jì)算方式為：

ETa＝降雨＋灌溉＋土壤水分變化－淋失液

2 研究結(jié)果

2.1 不同覆土厚度綠地對(duì)植物蒸騰耗水的影響

由圖3可知，不同覆土厚度處理的月潛在蒸散量與日蒸騰量年度變化規(guī)律基本一致，即1—3月蒸騰量極低，4月快速上升，5—8月處于高峰，8月以后逐漸下降；2015和2016年潛在蒸散量最高月份均為5月。各覆土處理的月蒸騰量整體趨勢(shì)與潛在蒸散量也基本一致，蒸騰量最高的時(shí)間為7—8月。在蒸騰旺盛的5—10月，各處理隨著覆土厚度的增加，實(shí)際蒸騰量也隨之增加。2015和2016年7—8月，1.5m覆土處理蒸騰量顯著高于其他覆土處理(p＜0.05)，0.2m覆土處理則顯著低于其他覆土處理(p＜0.01)。2015年1.0和0.5m覆土處理月蒸騰量無(wú)顯著差異，2016年1.0m覆土處理蒸騰量則顯著高于0.5m(p＜0.05)。其他時(shí)間各處理間無(wú)顯著差異。與潛在蒸散量相比，0.2m覆土處理與之相近，其他3個(gè)覆土處理實(shí)際蒸騰量顯著高于潛在蒸散量。

圖3 2015和2016年不同覆土厚度處理每月實(shí)際蒸散量

2015和2016年蒸騰總量趨勢(shì)一致，隨著土壤厚度的增加，蒸騰量隨之增加(圖4)。將年度蒸騰總量與土壤厚度進(jìn)行線性回歸發(fā)現(xiàn)，年蒸騰總量與土壤厚度高度相關(guān)，2015和2016年的R2值分別為0.96和0.97。

圖4 2015和2016年不同覆土厚度處理年蒸騰總量

2.2 不同覆土厚度綠地對(duì)建筑溫度的影響

各覆土厚度處理房間內(nèi)，日溫差呈現(xiàn)春季快速升高，至4—5月達(dá)到頂峰，隨后夏季逐漸下降，12月和翌年1月降至最低的趨勢(shì)(圖5A)。在日溫差急劇上升的3—5月，各覆土處理日溫差呈現(xiàn)出1.0m＞0.2m＞0m＞0.5m＞1.5m的趨勢(shì)，而在其他時(shí)間，各處理日溫差呈現(xiàn)出0m＞0.2m＞1.0m＞0.5m＞1.5m的趨勢(shì)。

10日平均熱通量結(jié)果顯示，不覆土處理熱量交換極其劇烈，尤其在夏季高溫季節(jié)，10日平均熱通量可達(dá)2MJ/d/m2，春秋季節(jié)熱通量變化趨緩，但10日平均熱通量變化仍在0.6～1.0MJ/d/m2區(qū)間(圖5B)。4個(gè)覆土處理相對(duì)不覆土對(duì)照，均極顯著降低了熱量交換(p＜0.001)，且對(duì)于夏季的熱量交換降低程度顯著高于冬季。其中0.2m覆土處理表現(xiàn)尤為突出，冬季(11月—翌年2月)10日平均熱通量約為不覆土處理的70%，而夏季則為不覆土處理的約20%。0.5、1.0、1.5m覆土處理熱通量變化則被極顯著降低(p＜0.001)，全年10日平均熱通量變化基本都在0.3MJ/d/m2以?xún)?nèi)。夏季平均熱通量約為不覆土對(duì)照的1/10，冬季約為不覆土對(duì)照的1/5(圖5B)。

圖5 各覆土處理的室內(nèi)10日平均溫差(A)和屋頂熱通量(B)

2.3 不同覆土厚度綠地對(duì)雨水蓄積的影響

2015年6—8月降雨量大于5mm的降雨過(guò)程共有15次，其中0.2m覆土處理產(chǎn)生滲濾液12次，0.5m覆土處理產(chǎn)生滲濾液4次，而1.0和1.5m覆土處理僅在2015年6月26日出現(xiàn)72.8mm強(qiáng)降雨的情況下產(chǎn)生少量滲濾液。降雨量小于5mm的情況下，除0.2m覆土處理由于初始含水量較高，在6月13日出現(xiàn)過(guò)微量滲濾液外，所有單次降雨量小于5mm的情況下，各覆土處理均不會(huì)產(chǎn)生滲濾液(表2)。雖然0.2m覆土處理產(chǎn)生滲濾液的次數(shù)較多，但滲濾液總量顯著小于不覆土處理。

表2 2015年6—8月不同覆土厚度處理滲濾液產(chǎn)生情況及對(duì)應(yīng)降雨量

覆土試驗(yàn)站2015年5月11日—10月20日降雨總量為491.2mm。結(jié)果表明，在不覆土對(duì)照處理中，99.6%的雨水會(huì)淋失，而屋頂覆土可以顯著降低雨水淋失量，僅0.2m覆土即可將53.4%的雨水滯留，0.5m厚覆土處理可將雨水蓄積率提高至93.4%，1.0和1.5m覆土厚度的雨水蓄積率均達(dá)到99.5%以上。

2016年4月22日開(kāi)展了模擬降雨強(qiáng)度為60mm的控制試驗(yàn)，1.5和1.0m覆土厚度均無(wú)滲濾液淋出，而0.5和0.2m覆土厚度出現(xiàn)滲濾液，0.2m覆土厚度在出現(xiàn)大量滲濾液后即關(guān)閉灌溉，總模擬降雨量尚未達(dá)到60mm(表3)。

2016年5月27日開(kāi)展了從干旱至飽和的最大蓄水量測(cè)定試驗(yàn)(表3)。結(jié)果表明，土壤的最大蓄水能力與土壤厚度呈線性正相關(guān)，R2值為0.99(圖6)。土壤最大可蓄積水量=0.24×土壤厚度。隨著土壤厚度的增加，土壤的最大可蓄積水量隨之增加，在本研究土壤條件下，每增加10cm厚度的土壤，最大可蓄積24mm的降水。

表3 模擬灌溉試驗(yàn)不同覆土厚度處理灌溉量和滲濾液淋出量

圖6 不同覆土厚度土壤與最大蓄積水量間的線性關(guān)系

2.4 不同覆土厚度綠地植物地上部生長(zhǎng)情況

各處理在4月覆蓋度最低，均在40%～50%，之后覆蓋度迅速增加，5月增至85%左右，7—8月覆蓋度基本穩(wěn)定，至9月達(dá)到峰值，10月開(kāi)始下降。這是由于4月正是植物開(kāi)始萌發(fā)展葉的時(shí)期，覆蓋度較低；至5—6月葉片基本展開(kāi)，新梢長(zhǎng)度迅速增加，覆蓋度迅速提高；7—9月植物生長(zhǎng)基本穩(wěn)定，覆蓋度隨時(shí)間逐漸升高；10月開(kāi)始落葉，覆蓋度相應(yīng)降低(圖7)。

除4月外，0.5m覆土厚度處理的地表覆蓋度在整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)均低于1.5、1.0m覆土和地面對(duì)照處理。4月樹(shù)木正處于展葉期，而白蠟展葉時(shí)間個(gè)體差異顯著，因其體量較大，對(duì)覆蓋度影響較大。在植物進(jìn)入5月旺盛生長(zhǎng)季節(jié)后，1.5、1.0m覆土和地面對(duì)照處理間覆蓋度及植物長(zhǎng)勢(shì)無(wú)顯著差異，但二者整體生長(zhǎng)情況優(yōu)于0.5m覆土厚度處理。

3 討論

3.1 覆土土層越厚，生態(tài)效益越好

植物蒸騰是一個(gè)降低環(huán)境溫度、增加空氣濕度的過(guò)程。該過(guò)程會(huì)吸收大量熱量，降低環(huán)境溫度。因此，本研究中每個(gè)處理種植池的月蒸騰量可以在一定程度上代表綠地的增濕降溫效益。在整個(gè)植物生長(zhǎng)季節(jié)，木本植物群落(0.5、1.0、1.5m覆土)月蒸騰量顯著高于佛甲草地被(0.2m覆土)(p＜0.01)，表明木本植物具有較高的改善微環(huán)境的生態(tài)效益，這與張彪等[13]、張文豹等[14]、陳朱等[15]、紀(jì)鵬等[16]、徐高福等[17]的研究結(jié)果一致，也與魏艷萍[18]、吳艷艷等[19]和鄒敏等[20]得出的重型屋頂綠化增加空氣濕度的效果優(yōu)于輕型屋頂綠化的研究結(jié)果一致。這一結(jié)果也表明，建筑覆土綠化在有條件的地方應(yīng)大力推廣，且應(yīng)優(yōu)先考慮生態(tài)效益最好的喬灌草復(fù)式種植。

5月之后，各處理植物葉片完全展開(kāi)，月蒸騰量進(jìn)入頂峰時(shí)期，因此5—8月生長(zhǎng)季節(jié)是園林綠化樹(shù)種發(fā)揮增濕降溫效益的關(guān)鍵時(shí)期，與張艷麗等[21]的研究結(jié)果一致。0.2m覆土厚度種植的佛甲草地被，蒸騰面積取決于地表覆蓋度[22]，因此在水分充足的條件下，實(shí)際耗水接近ETo。0.5m以上覆土處理種植的植物為5種樹(shù)木的組合，實(shí)際蒸騰面積應(yīng)為冠層的表面積，因此實(shí)際蒸騰面積遠(yuǎn)大于1，相應(yīng)的實(shí)際蒸騰量遠(yuǎn)大于ETo。對(duì)于0.5、1.0、1.5m 3個(gè)覆土厚度來(lái)說(shuō)，實(shí)際蒸騰面積取決于植物體量大小，隨著覆土厚度的增加，樹(shù)木的月蒸騰量也隨之增加(圖3)。這一結(jié)果表明，土層越厚，越有利于植物生長(zhǎng)，植物生長(zhǎng)越快、體量越大，相應(yīng)的生態(tài)效益也越高。

3.2 0.5m以上覆土可顯著減少屋頂熱量流動(dòng)，夏季降溫、冬季保暖

不覆土處理極為劇烈的熱量交換表明屋頂表面經(jīng)歷了較大的溫差變化，而覆土處理顯著降低了屋頂熱量交換，即使最薄的0.2m覆土處理，也將屋頂?shù)臒崃拷粨Q降低了50%以上。這與鄭星等[1]的研究結(jié)果一致，表明覆土綠化有利于改善城市熱環(huán)境。0.5m以上覆土厚度處理則進(jìn)一步將屋頂熱量交換降低了80%～90%。這一結(jié)果表明，隨著土壤厚度的增加，土壤對(duì)溫度和熱量的緩沖作用增加。結(jié)合室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，覆土厚度為0.5m以上時(shí)對(duì)房間內(nèi)會(huì)有顯著的夏季降溫、冬季保暖的作用。本研究在沒(méi)有室內(nèi)控溫措施的條件下進(jìn)行，且房間較小，較易受到環(huán)境溫度影響。與不覆土對(duì)照相比，0.5m以上覆土處理室內(nèi)氣溫夏季降低2～3℃，冬季升高1～3℃。

與不覆土對(duì)照相比，0.2m覆土厚度處理在冬季與不覆土對(duì)照室內(nèi)溫度基本一致，而在夏季則低于不覆土對(duì)照室內(nèi)溫度，表明0.2m覆土厚度處理在夏季具有一定的降溫效果，而冬季則保溫效果不明顯，這與趙定國(guó)等[4]、楊真靜等[23]、馮超意等[24]的研究結(jié)果一致。1.5、1.0、0.5m 3個(gè)覆土厚度處理房間內(nèi)溫度在夏季基本一致，均在夏季低于、冬季高于0.2m覆土厚度處理和不覆土對(duì)照。這一結(jié)果表明，與不覆土對(duì)照和0.2m覆土處理相比，0.5、1.0、1.5m覆土厚度處理均在夏季有明顯的降溫效果，在冬季均具有明顯的保暖效果，與熱通量結(jié)果一致。從環(huán)保角度出發(fā)，采用0.5m的覆土厚度即可達(dá)到顯著的節(jié)能減排效果。

3.3 覆土土層越厚，土壤對(duì)雨水的蓄積能力越強(qiáng)

各覆土厚度處理在滯留雨水方面均可發(fā)揮明顯效果。0.2m覆土厚度可滯留10mm以下單次降雨，0.5m覆土厚度可滯留30mm以下單次降雨，1.0和1.5m覆土處理則可滯留北京地區(qū)氣候條件下幾乎全部綠地降雨量。2015年5—10月，0.2、0.5、1.0和1.5m覆土厚度分別滯留雨水262.3、458.8、489.1和489.6mm。結(jié)果表明，土層越厚，可以截留的雨水越多，雨水的利用率越高，這與Buccola等[6]和曹金露等[25]的研究結(jié)果一致。在2015年的氣候條件下，0.2m覆土厚度的年度雨水蓄積率為53.4%，與Stovin等[26]的研究結(jié)果一致。這一結(jié)果表明，覆土厚度在0.5m以上即可實(shí)現(xiàn)大部分雨水的利用。

通過(guò)60mm強(qiáng)度降雨模擬試驗(yàn)可知，在土壤初始含水量較低的情況下，各覆土厚度處理均可顯著減少城市雨洪，而1.0m以上覆土厚度可以完全吸納北京市暴雨的降雨量，將屋頂雨水外排量降為0。而從干旱至飽和的灌溉試驗(yàn)表明，土壤的最大蓄水能力與土壤厚度呈線性正相關(guān)，隨著土壤厚度的增加，土壤的最大可蓄積水量隨之增加，與張華等[27]、張彥婷等[28]的研究結(jié)果一致。土壤實(shí)際蓄水能力與土壤接收降雨或灌溉前的土壤實(shí)際含水量有關(guān)。本研究表明，當(dāng)土壤非常干旱時(shí)，其蓄水能力顯著增強(qiáng)，而當(dāng)土壤水分充足或飽和時(shí)，可蓄積的水分則顯著減少，這與李淑英[29]在草坪式屋頂綠化上的研究結(jié)果一致。根據(jù)2016年“7·20”暴雨的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果可知，1.0和1.5m覆土厚度均幾乎完全吸納了228mm的單日降雨，且所有覆土處理均可顯著延遲雨水外排的時(shí)間。因此，從緩解城區(qū)雨洪壓力的角度出發(fā)，1.0m覆土即可實(shí)現(xiàn)雨水蓄滯和錯(cuò)峰的作用，減少屋頂雨水外排。

3.4 土層越厚，越有利于木本植物生長(zhǎng)

在開(kāi)展本研究的2015和2016年，即建筑覆土綠化試驗(yàn)站建成的初期，1.5和1.0m覆土厚度處理在水分充足的條件下，植物生長(zhǎng)較好，長(zhǎng)勢(shì)與地面處理差異不大，而0.5m覆土處理生長(zhǎng)相對(duì)較差。但在覆土站建成后的第6年(2020年)，與地面對(duì)照相比，即使1.5m覆土厚度也對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著抑制作用，這表明短期內(nèi)建筑覆土綠化植物的生長(zhǎng)與樹(shù)木種類(lèi)和覆土厚度密切相關(guān)，但長(zhǎng)期的生長(zhǎng)狀況仍不如地面常規(guī)綠地中的植物。不同木本植物的土層需求不同：灌木土層應(yīng)在0.5m以上，小喬木和大喬木則應(yīng)分別大于1.0和1.5m。因此，為兼顧整體生態(tài)功能，建筑頂板覆土厚度應(yīng)不低于1.5m。

4 結(jié)論

綜上，在有條件的地方進(jìn)行建筑頂板覆土綠化，是解決大城市土地資源匱乏、綠化覆蓋率低等問(wèn)題的重要舉措，但要充分發(fā)揮建筑頂板覆土綠化在增濕降溫、節(jié)能減排、雨水蓄滯等方面的生態(tài)效益，覆土厚度應(yīng)在1.5m以上。

注：文中圖片均由作者繪制。