超纖滲灌對綠色屋頂土壤水分和蒸散發(fā)的影響

吳昕宇，張清濤※，黃思宇，王志強

（1. 中山大學土木工程學院，珠海 519082；2. 中山大學華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點實驗室，廣州 510275；3. 廣東省海洋土木工程重點實驗室，珠海 519082；4. 中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083）

0 引 言

蒸散發(fā)對植物的生長發(fā)育及小尺度氣候調(diào)節(jié)有著重要影響，量化蒸散發(fā)還可提高對陸地生態(tài)系統(tǒng)中水循環(huán)和水文過程的理解。綠色屋頂可增加蒸散發(fā)，從而緩解城市熱島效應(yīng)。裴婕等的水量平衡研究表明，蒸散具有顯著的區(qū)域性差異，蒸散和降雨的趨勢也基本一致，降水會改變土壤中的水分含量，進一步控制地表蒸散發(fā)量，且太陽輻射、溫度、相對濕度等氣象條件也是影響蒸散的重要因素。韓新生等的研究表明，植被的蒸散發(fā)受到氣象因子、生長因子、土壤水分因子的顯著影響。水分是影響屋頂植物生存的主要環(huán)境因素。但綠化屋頂往往基質(zhì)層較薄，土壤水分容易耗盡。由于雨、旱季節(jié)降雨分配十分不均，故廣東省的屋頂綠化需充分考慮灌溉。但目前關(guān)于屋頂綠化灌溉的研究相當匱乏，而且屋頂綠化灌溉由于會加大旱季城市用水需求及屋頂建設(shè)成本，而損害公眾對城市灌溉系統(tǒng)的支持。因此，為節(jié)約水資源與人力、物力，亟需一種能夠存儲雨水并自動灌溉的裝置來保證綠色屋頂持續(xù)正常運行。本文基于綠色屋頂常見灌溉方式和綠色屋頂?shù)某晒Π咐捎昧顺毨w維毛細芯滲灌方式（以下簡稱超纖滲灌）。

超細纖維毛細芯是由纖維束集合體制成的軸心狀織物。毛細芯連接綠色屋頂?shù)男钣陮雍屯寥缹樱柚毿镜拿毼南路降男钣陮又形?，并在水勢梯度控制下，通過土壤毛細管作用、植物根系吸水作用及土壤-植物蒸散發(fā)作用，實現(xiàn)水分自動補給。土壤越干燥，植物受水分脅迫越大，植物根部附近的土壤毛細管作用越強。相較于滴灌和噴灌，超纖滲灌系統(tǒng)因無需增壓，故不會產(chǎn)生耗電耗能、水頭損失等不利影響，也不會導(dǎo)致土壤板結(jié)，應(yīng)用前景廣闊。當前，綠色屋頂?shù)难芯可衅蛴谥参锖Y選、城市徑流減緩、水質(zhì)凈化及城市景觀效果等方面，對于其蒸散發(fā)特點的研究較少，尤其是滲灌綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)研究很少。蒸散發(fā)量化研究是綠色屋頂?shù)膽?yīng)用推廣及效益評估的科學基礎(chǔ)?；诖耍狙芯坎捎贸w滲灌的綠色屋頂灌溉方式，進行土壤含水率觀測，并通過三溫模型和蒸滲儀法來測算植物蒸騰速率及蒸騰量，從而探究超纖滲灌對綠色屋頂土壤水分及蒸散發(fā)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗場地及布置

試驗設(shè)置在廣州市中山大學校園屋頂（23°5′N，113°18′E，高度20 m）。廣州市夏季高溫多雨，冬季低溫干旱。廣州地區(qū)每年入夏后會遭受臺風影響，故其另一個氣候特點是風速大、濕度高。試驗所用屋頂周圍無高大建筑物阻隔，位置開闊，毗鄰珠江，屋頂年平均溫度在19.2～25.3 ℃之間變化；平均最低溫度為15.6 ℃，平均最高溫度為32.8 ℃，年降雨量約為1 700 mm。

該研究利用適合廣州氣候條件的金魚草、七里香、羅漢松、多肉、太陽花及佛甲草6種植物進行試驗，將每種植物分別種植于獨立的50 cm×50 cm×20 cm規(guī)模的聚丙乙烯種植盆中，種植盆結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，底部填充5 cm左右厚度的陶粒，陶粒頂部側(cè)面開四口（直徑2 cm）作為排水孔。陶粒層上方覆蓋一層無紡布，可阻隔土粒進入下面的陶粒層（蓄雨層）。土壤基質(zhì)層約13 cm，土壤層內(nèi)均勻鋪設(shè)4個直徑為14 cm的“方向盤式”超細纖維毛細芯（超細纖維布料縫制而成），埋深為5 cm，放置方法是用小刀在無紡布上挖一個細孔，讓“方向盤”式毛細芯的長條穿過這個孔直插到蓄水層底部，“方向盤”則放在土壤基質(zhì)層靠近植物根部附近位置（圖 1a）。土壤使用花卉市場購買的園土（腐殖質(zhì)∶河沙∶草木灰∶蛭石=5∶2∶2∶1），試驗所用種植盆的垂直結(jié)構(gòu)圖如圖 1b，土壤容重約為0.96 g/cm，土壤pH值為6.7，呈弱酸性，田間持水量約為30%。2018年9月—2019年5月的試驗設(shè)置包含金魚草（）及七里香（）兩種植物及未種植植物的裸土作為對照。2019年5月后，在此基礎(chǔ)上增設(shè)了羅漢松（）、太陽花（）、多肉（）及佛甲草（）4種植物，每種植物有超纖滲灌處理與無超纖滲灌處理（無人工灌溉，土壤水分僅來自于自然降雨）各3個重復(fù)。試驗過程中，除了剛布置完裝置時往蓄雨層補充過水分以外，其余時間只通過種植盆自身蓄積的雨水作為灌溉水源。

圖1 超纖滲灌系統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)剖面及綠色屋頂聚丙乙烯種植盆 Fig.1 Vertical structural section of microfiber capillary wicking irrigation system and the green roof PVC planting pot

1.2 試驗方法

本試驗采用ML3-HH2便攜式土壤水分測定儀測量盆內(nèi)土壤含水率；降雨量數(shù)據(jù)由屋頂架設(shè)的氣象觀測儀器記錄并導(dǎo)出。

本研究主要運用三溫模型中的植被蒸騰模型，其相關(guān)公式如式（1）～（5）所示。

式中為蒸騰速率，J/(m·s)；R和分別為冠層及參考冠層（與植物相近顏色的紙葉片）的凈輻射，J/(m·s)；為太陽短波輻射，J/(m·s)；? 為凈長波輻射，J/(m·s)；、T和分別是氣溫、冠層和參考冠層溫度，℃；為地表反射率，取常數(shù)=0.22；R為晴天太陽輻射，J/(m·s)；ε為大氣放射率，ε為地表放射率，植被地表取0.98；是斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（=5.675× 10J/s? m? K，K=溫度+273）。

本研究使用美國apogee公司的MI-210型紅外溫度測量儀測量屋頂植物葉片的表面溫度、參考葉片（無蒸騰作用的綠色小紙葉）的表面溫度。選擇晴天從早上8:00測到晚上18:00，每隔1 h測量一次。測量時探頭距離植株上方10 cm左右，每棵植株重復(fù)記錄3次。此外，相鄰屋頂（高度相同，直線距離30 m）架設(shè)的渦動協(xié)方差系統(tǒng)對屋頂?shù)奈庀笠剡M行了觀測。潛熱通量依據(jù)渦動相關(guān)法及能量平衡原理進行估算，如式（6）～（7）。

式中為凈輻射，W/m；、LE和分別是顯熱、潛熱和土壤熱通量，W/m。

本研究采用稱重式蒸滲儀，根據(jù)水量平衡方程有

式中 cET為時間段內(nèi)實際蒸散量，mm；為蒸滲儀箱體表面積，m；W、W為-1和時刻蒸滲儀箱體內(nèi)土壤和水的質(zhì)量，kg；為水的密度，kg/m，=1×10kg/m；為時段內(nèi)灌水量，mm。

本研究共布設(shè)2套蒸滲儀，將有超纖滲灌的佛甲草種植盆及無超纖滲灌的佛甲草種植盆分別置于其上。研究采用的蒸滲儀是北京時域通科技有限公司的WP50蒸發(fā)測量平臺，測量范圍為0～220 kg，數(shù)據(jù)采集器為該公司的i-Logger數(shù)采，型號為G12M。采用太陽能板提供直流電，控制電壓為12V左右，每隔30 min自動記錄一次佛甲草的蒸散發(fā)量。

研究采用Excel 2019對數(shù)據(jù)進行整理，采用IBM SPSS Statistics 24中的獨立樣本檢驗對有、無超纖滲灌處理的蒸騰速率進行方差分析和比較，采用origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超纖滲灌對綠色屋頂土壤含水率變化的影響

圖2為土壤含水率及降水情況。超纖滲灌處理的七里香、金魚草及裸土盆內(nèi)的平均土壤含水率分別比無超纖滲灌處理提高27%，18%及47%。有超纖滲灌的七里香、金魚草及未種植植物的裸土盆內(nèi)超過田間持水量（30%）的天數(shù)占比分別是22.2%，33.3%以及27.8%；而無超纖滲灌的種植盆中超過田間持水量的植物僅金魚草一種（天數(shù)占比為27.8%），且無超纖滲灌的七里香、金魚草的土壤含水率低于5%的天數(shù)占比分別比有超纖滲灌多40%和20%，屬于水分脅迫狀態(tài)，無植物的裸土盆內(nèi)，有超纖滲灌的土壤含水率低于5%的狀態(tài)比無超纖滲灌少5 d。3—5月份的土壤含水率整體偏大，是由于該時段降水較多，且有超纖滲灌的七里香比無滲灌的大，這與滲灌從底部蓄水層吸收較多的水分有關(guān)。

圖2 綠色屋頂?shù)耐寥篮始把芯科陂g降雨情況 Fig.2 Soil water content of green roof and rainfall during study period

2.2 超纖滲灌對綠色屋頂植物蒸騰速率的影響

圖3比較了不同類型植物有超纖滲灌及無超纖滲灌處理下的蒸騰速率與冠層溫度的逐時變化情況，冠層溫度的變化基本符合氣溫的變化趨勢（以2019年7月27日為例）。整體而言，蒸騰速率有超纖滲灌顯著（<0.01）大于無超纖滲灌處理的時間段集中在13:00—15:00，且有、無超纖滲灌處理的植物蒸騰速率日極差最大發(fā)生在氣溫最高的14:00左右，說明氣溫越高，越有利于超纖滲灌提升屋頂植物蒸騰速率。不同植物冠層溫度差異較大，變化波動較明顯，除佛甲草外，整體表現(xiàn)出有超纖滲灌處理的冠層溫度低于無超纖滲灌處理的冠層溫度。除金魚草無論有無超纖滲灌處理下的冠層溫度與氣溫最大差值一致為0.73 ℃外，其余植物在超纖滲灌處理下的冠層溫度與氣溫最大差值分別比無超纖滲灌處理的多0.37、0.37、0.31、0.39及0.85 ℃；并且，有超纖滲灌處理的羅漢松、太陽花、金魚草、多肉、七里香及佛甲草平均蒸騰速率分別比無超纖滲灌處理的蒸騰速率高41.15、15.98、31.69、20.17、22.33、19.45 J/(m·s)。

圖3 不同植物蒸騰速率、冠層溫度及屋頂氣溫（2019-07-27） Fig.3 Transpiration rate, canopy temperature and air temperature of different plants (2019-07-27)

基于對同一日期（2019年7月27日）不同植物有無滲灌處理下蒸騰速率的分析，羅漢松有滲灌處理與無滲灌處理的蒸騰速率差值最大，金魚草次之，但羅漢松平均蒸騰速率最小，因此，選擇了更具增加屋頂蒸散發(fā)潛力的金魚草為例，以探究超纖滲灌在夏季不同日期對蒸散發(fā)日變化的影響。為避免降雨對結(jié)果的影響，選擇4、5、6及7月中的晴天進行逐小時蒸騰速率變化的分析。通過三溫模型得出2019年4月8日，5月18日，6月29日及7月27日金魚草的蒸騰速率，如圖4所示。蒸騰速率的變化情況幾乎和綠色屋頂?shù)臐摕嵬孔兓厔萃剑渲杏谐w滲灌處理的金魚草蒸騰速率比無超纖滲灌處理的蒸騰速率大，且有超纖滲灌與無超纖滲灌處理的蒸騰速率差值最大時，正處于日氣溫最高的12:00—14:00時段；4月8日、5月18日、6月29日及7月27日有超纖滲灌處理分別比無滲灌處理的日平均蒸騰速率多13.8、39.2、45.7及19.0 J/(m·s)，有滲灌處理分別比無滲灌處理的最高蒸騰速率多22.3、104.4、94.0及30.8 J/(m·s)，可見對于溫度較低的4月8日，無論是日平均蒸騰速率還是日最高蒸騰速率都比其余3個夏季月份的小，說明溫度越高，超纖滲灌增加植被蒸騰速率的效果越好，這也與2.2.1結(jié)果一致。

圖4 不同日期的金魚草蒸騰速率及潛熱通量 Fig.4 Transpiration rate and latent heat flux ofAntirrhinum majus on different days

圖5對比了相鄰普通屋頂（無綠化水泥屋頂）與綠色屋頂?shù)奶柖滩ㄝ椛渑c潛熱通量。不同時間的潛熱通量變化表明：屋頂在6月29日潛熱通量波動最大，這主要是因為前期降雨影響了蒸散發(fā)。除7月27日外，2019年4月8日、5月18日、6月29日，氣溫變化趨勢基本符合太陽輻射變化趨勢。4月8日、5月18日、6月29日與7月27日，普通屋頂?shù)臐摕嵬烤捣謩e為33.16、49.98、48.9與50.3 J/(m·s)。相較綠色屋頂而言，普通屋頂所觀測到的潛熱通量相對更小，說明普通屋頂用于蒸散發(fā)的能量很小，在夏季，綠色屋頂具有較大的增強屋頂蒸散發(fā)的潛力。

圖5 不同日期的普通屋頂太陽輻射、熱通量及氣溫 Fig.5 Solar radiation, heat flux and air temperature of ordinary roof on different days

2.3 超纖滲灌對綠色屋頂植物冬季月份蒸散量的影響

根據(jù)植物特性及生長狀況，擇優(yōu)選擇越冬能力最強的佛甲草為例，進行冬季（旱季）條件下滲灌處理對植物逐小時蒸散量變化的影響分析。為排除降雨對蒸散發(fā)的影響，本研究選取連續(xù)無雨的2019年11月9日0時—2019年11月27日18時近20 d代表冬季（旱季）來進行統(tǒng)計分析。通過稱重式蒸滲儀測量得到佛甲草種植盆底部逐時的溫度變化，并根據(jù)式（6）求出佛甲草連續(xù)蒸散量（圖 6）。由于種植盆底部緊貼屋頂，故其底部溫度會直接影響屋頂溫度，也即能在一定程度上代表屋頂溫度。由圖6可知，11月9日—11月27日，有滲灌佛甲草的種植盆的底部平均溫度比無超纖滲灌處理的高出0.25 ℃，這與綠色屋頂土層比水泥層具有更好的熱調(diào)蓄能力，能增加屋頂?shù)谋葻崛萦嘘P(guān)。夜間（18:00—7:00）有超纖滲灌佛甲草的蒸散量比無超纖滲灌佛甲草多0.14 mm，但白天（7:00—18:00）有超纖滲灌佛甲草的蒸散量比無超纖滲灌處理的低0.57 mm，這就導(dǎo)致有超纖滲灌的總蒸散量稍低（圖6中顯示負值），總體減少9.3%，其原因是，滲灌處理早上露水較大，比無滲灌處理早上露水量多2.81 mm，故總蒸散量被抵消了。

圖6 不同時間的佛甲草蒸散量及底部溫度（2019-11-09—2019-11-27） Fig.6 Evapotranspiration/bottom temperature ofSedum lineare at different times (from 2019-11-09 to 2019-11-27)

圖7是佛甲草11月9日—11月27日近20 d在0:00—23:00逐時的平均蒸散量，蒸散量的負值發(fā)生在6:00—11:00時間段，為露水或吸附水，且負值基本都是有超纖滲灌的處理，有超纖滲灌的佛甲草露水或吸附水較高。結(jié)合圖6、圖7還可看出，佛甲草蒸散量變化有明顯的以日為單位的周期性變化，且有滲灌的佛甲草蒸散量波動幅度更大，其波峰主要集中在溫度較高的下午時段，波谷主要集中在溫度較低的早上時段，但本文未能詳細探究超纖滲灌綠色屋頂蒸散發(fā)波動較大的機理，只能推測超細纖維可以吸附空氣水汽，或有助于形成露水，促進這一部分非降水資源的利用。

圖7 佛甲草平均蒸散量的逐時變化情況 Fig.7 Hourly variation of average evapotranspiration ofSedum lineare

3 討 論

綠色屋頂對改善城市生態(tài)環(huán)境起著至關(guān)重要的作用，但在具體的工程實施過程中，要注意考慮屋頂?shù)乩砦恢酶?、光照強、風力大等環(huán)境因素引起的蒸散發(fā)作用強的問題。本研究采用的超細纖維毛細芯滲灌方法，成本較低，操作簡單，還能減少土壤水分蒸發(fā)，在夏季減少干旱脅迫的發(fā)生，增加綠色屋頂?shù)恼羯l(fā)量，在冬季起到提高屋頂溫度進而蓄能保溫的效果。

本研究在方法上采用了三溫模型進行植物蒸騰速率的計算，運用三溫模型估算蒸散發(fā)在許多農(nóng)田試驗中都表現(xiàn)出了強大的可靠性，但在綠色屋頂蒸散發(fā)估算適用性方面的研究有待深入，另外，若結(jié)合基于無人機的熱遙感技術(shù)，三溫模型將具有更廣泛的應(yīng)用。

該研究對比了有超纖滲灌與無超纖滲灌處理對不同植物蒸騰速率的影響，有超纖滲灌處理的羅漢松的蒸騰速率比無超纖滲灌高24%，是6種植物中最高的，這也說明植物本身的特性會影響超纖滲灌對綠色屋頂蒸散發(fā)的增強效果，未來有必要加強最適合超纖滲灌的植物篩選。本研究中，超纖滲灌能增加土壤含水率，減少水分脅迫情況的發(fā)生，這是因為相較于傳統(tǒng)灌溉方式，滲灌能提高土壤含水率，使土壤濕潤層集中在植物根部附近，從而很好地配合植物根系吸附作用，提高水分利用效率，減少水資源的浪費。但本研究只對比分析了有無超纖滲灌對土壤含水率大小的影響，滲灌材料的布置方式與深度也是影響土壤水分的重要因素，故還需繼續(xù)探究超纖滲灌處理下土壤-水分-植物的耦合機理。

研究結(jié)果表明，在冬季，無論晝夜，有超纖滲灌佛甲草種植盆底部的溫度都比無超纖滲灌底部溫度高，這與Foustalieraki等的研究結(jié)果相似，寒冷時期屋頂綠化有助于室內(nèi)空氣溫度升高，夏季有助于室內(nèi)空氣溫度降低，使全年冷負荷和熱負荷分別減少18.7%和11.4%。在蒸散量方面，冬季夜間有超纖滲灌植物的蒸散量比無超纖滲灌處理的多，但總蒸散量為有出現(xiàn)滲灌的稍低，可能與超纖滲灌的植物早上形成的露水大有關(guān)。相較于無超纖滲灌處理而言，有超纖滲灌處理的佛甲草蒸散量波動幅度更大，其波峰主要集中在溫度較高的下午時段，波谷主要集中在溫度較低的早上時段，但本文未能詳細探究超纖滲灌綠色屋頂蒸散發(fā)波動較大的機理，只能推測超細纖維可以吸附空氣水汽，或有助于形成露水，促進這一部分非降水資源的利用。此外，綠色屋頂植物蒸散發(fā)受到多方面因素的影響，但本研究只初步得出超纖滲灌處理對廣州地區(qū)綠色屋頂土壤水分及蒸散發(fā)有一定的提升作用，對于風速、水汽壓梯度對蒸散發(fā)的影響、超纖滲灌處理與各氣象因素之間的相關(guān)性、超纖滲灌的節(jié)水效益量化研究等問題，還需要在未來的研究中繼續(xù)深入。

4 結(jié) 論

1）有超纖滲灌的七里香、金魚草及未種植植物的裸土盆的平均土壤含水率分別比無超纖滲灌處理的高了27%，18%及47%；超纖滲灌的七里香、金魚草和裸土處理，土壤含水率超過田間持水量（30%）的天數(shù)占比分別是22.2%，33.3%以及27.8%，而無超纖滲灌處理下，只有金魚草種植盆內(nèi)存在土壤含水率超過了田間持水量的情況（天數(shù)占比為27.8%）。超纖滲灌提高了土壤含水率，減少了水分脅迫的天數(shù)，能一定程度上保證屋頂植物在旱季的生長供水，避免大面積枯死。

2）在夏季（雨季），不同植物的蒸騰速率日變化情況顯示，有超纖滲灌的蒸騰速率顯著（<0.01）大于無超纖滲灌處理的時間段集中氣溫較高的13:00—15:00時段；超纖滲灌處理的金魚草蒸騰速率總體大于無滲灌處理，且氣溫越高，超纖滲灌對增加蒸騰速率的促進作用越明顯。有超纖滲灌處理分別比無超纖滲灌處理的日平均蒸騰速率多13.8、39.2、45.7及19.0 J/(m·s)，有超纖滲灌處理分別比無滲灌處理的最高蒸騰速率多22.3、104.4、94.0及30.8 J/(m·s)，平均氣溫越高的日期，超纖滲灌處理增加蒸騰速率的值越大。

3）在冬季（旱季），對于屋頂溫度而言，超纖滲灌能增加綠色屋頂?shù)幕|(zhì)底部溫度，平均高出0.25 ℃，并且相較于無超纖滲灌的綠色屋頂，超纖滲灌能減小冬季溫度變化幅度，增大綠色屋頂?shù)谋葻崛?，提高屋頂冬季的蓄能保溫效果。夜間（18:00—7:00）有超纖滲灌的佛甲草蒸散量比無滲灌多0.14 mm，但是白天（7:00—18:00）有超纖滲灌的蒸散量比無滲灌低了0.57 mm，也即使蒸散量總體減少了9.3%。

總而言之，超纖滲灌能提高土壤含水率，在夏季增加植物蒸散量，且在冬季增加屋頂夜間蒸散量的同時，在白天促進屋頂吸附空氣水分。