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屋顶绿化研究进展

摘要:综述了屋顶绿化近几年的研究现状,包括屋顶绿化的分类、功能及屋顶绿化植物的抗性筛选研究。重点针对屋顶绿化植物的抗性筛选研究进行了展望。   

1引言   

城市在给人类社会带来深刻变革的同时也产生了诸多负面影响。过于密集的城市建筑群使得城市热岛效应日趋显现,同时大面积的绿地锐减也导致了环境污染、城市内涝等一系列城市生态环境问题的频繁发生。目前,城市生态环境的恶化已经对人们生活乃至生存环境构成了严重威胁。因此,如何充分利用有限的空间来实现绿化面积最大化,对城市绿地进行补偿越来越受到人们的关注,而作为城市“第五立面”的屋顶也逐渐进入到人们的视野中。   
屋顶绿化作为一种新型绿化形式,在西方发达国家已有广泛的应用。大量研究显示屋顶绿化在缓解城市热岛效应,节约能源,延长建筑使用寿命,改善日趋恶化的人类生存环境等方面具有重要意义[1]。目前,利用各建筑屋顶进行绿化已经成为最具发展前景,恢复绿地最经济有效,最直接的措施。   

2屋顶绿化的概念及分类   

广义的屋顶绿化可以定义为在各类建筑物、构筑物、城墙、桥梁(立交桥)等的屋顶、露台、天台、阳台或大型人工假山山体上进行造园,种植植物的总称。狭义的屋顶绿化概念即屋顶花园,是指一切以建筑物屋顶为依托的绿化形式。它与传统地面绿化的最大区别在于它不与大地土壤相连,而是通过将园林绿化元素搬至建筑物之上,利用人工合成基质来栽种绿化植物的一种独特绿化方式。相较于地面,屋顶包括光照、温度、湿度、土壤等在内的生态环境都与之具有巨大差异。   
国外的屋顶绿化主要分为粗放型、半集约型及集约型三种。根据德国景观研究发展建设协会(FLL)的标准,可将屋顶绿化分为三种类型:拓展型屋顶绿化、半密集型屋顶绿化及密集型屋顶绿化。拓展型屋顶绿化是屋顶绿化最为简单的一种屋顶绿化形式,其特点是建成速度快、成本低、养护简单。这类屋顶绿化通常采用草坪、地被植物、小型灌木等耐贫瘠的植物进行绿化。德国等西方国家多采用景天科植物,国内则多采用草坪,且目前国内的大部分屋顶绿化均属于这种类型。半密集型屋顶绿化则是一种介于拓展型与密集型之间的形式,其特点是屋顶载荷较大,需要定期维护,植物选择范围较广,但仍然无法种植高大乔木。密集型屋顶绿化即通常所说的屋顶花园,其特点在于养护需求更高,植物选择方面更为多样,高大乔木也可选择,屋顶载荷能力也最强。   
国内众多学者就屋顶绿化进行了分类,从屋顶绿化的建筑使用功能、屋顶开敞程度、建筑屋顶载荷能力、绿化布局形式等不同角度可将屋顶绿化分为多种类型。针对绿化布局形式可分为地毯式、摆盆花式、棚架式和园林式4种类型[2,3]。   

3屋顶绿化的功能   

3.1生态效益   
3.1.1净化空气   
屋顶绿化植物可以通过吸附、固定大气中的有害气体、灰尘,并吸收、降解空气中的氮氧化物等有害物质,提高空气湿度和负离子浓度,从而提高城市空气质量,达到净化空气的目的。在地面绿化面积有限的情况下,通过在屋顶大量种植植物可以过滤并改善空气污染状况,屋顶绿化在立面空间中形成一个天然过滤层,其在空间发挥的净化作用是地面绿化所无法实现的。研究显示,相较于空白屋顶,城市实现全部屋顶绿化时空气中二氧化碳的浓度会下降85%[4]。屋顶绿化对大气中灰尘的减少作用主要表现为两个方面:一方面是植物群落降低风速使灰尘降落,另一方面是绿色植物依靠表面的绒毛或分泌的粘液来阻挡、吸附各种尘埃颗粒。据统计,北京市屋顶绿化年吸收二氧化硫量约为3.1g/m3,年滞尘量约为150g/m2,屋顶绿化无疑对空气污染严重的北京具有积极深远的影响[5]。   
综上所述,屋顶绿化植物在城市空气净化方面的确发挥着显著的生态效应,在净化空气的同时,屋顶绿化也为城市实现低碳发展、绿色发展提供了一条切实可行的有效途径。   
3.1.2截留雨水   
在全球水资源短缺的大背景下,雨水的收集越来越受到世界各国的重视。作为城市雨水收集的重要组成部分,屋面雨水的收集利用一直是研究者们关心的问题。屋面雨水来自降水,经过屋顶植物的过滤净化,屋面雨水一般水质较好,稍作处理甚至不做处理即可进行回收利用。目前国内大部分城市和地区均没有对这部分水资源的利用价值重视起来,进行相关的收集利用工作,而是将这部分水白白浪费掉了。此外,城市由于绿地面积的减少所引起的城市洪水问题也能够通过屋顶绿化得到缓解。传统的空白屋顶对降雨起不到任何截留作用,大部分雨水从地面流走,几乎很少能够渗入地下。城市排洪设施容纳有限,大量降水无法在短时间内排走,则会造成城市洪水。屋顶绿化能够为雨水截留提供储存空间,如果将占据城市硬质表面30%左右的屋顶充分利用起来实施屋顶绿化,那么对于屋面雨水的收集和城市洪水的发生都会有明显的改善。数据显示,屋顶被植物覆盖后,通过对雨水的截留作用可以使得排水强度降低70%,大大缓解了排水系统的压力[6]。国外关于屋顶绿化在雨水收集和过滤方面的功能研究较为完善,众多学者就屋顶绿化改善城市水环境,降低城市洪水发生频率等方面所发挥的作用进行了研究[7]。   
2012年夏季,我国广州、北京等城市遭受严重暴雨袭击,研究屋顶绿化在减轻城市洪水发生频率、蓄积雨水等方面所发挥的功能均具有重要的现实意义。   
3.1.3缓解城市热岛效应   
城市热岛效应是指城市气温明显高于周围气温的现象。由于城市建筑密集、绿化面积缩小、通风不良引起的城市中心气温偏高,形成城市“热岛”,从而间接导致城市上空有害气体的积累,形成大气污染。进行绿化的屋顶对阳光的反射率比裸露的屋顶大,加上绿色植物的遮挡作用,其屋面辐射热量远小于裸露的屋顶。此外,植物自身的蒸腾作用及下垫面的蒸发作用相较于裸露屋顶而言也会消耗不少热量。因此,大面积的屋顶绿化对降低城市热岛效应具有重要意义。   
国外有众多学者就屋顶绿化在降低城市热岛效应方面的功能进行了研究,认为屋顶绿化在缓解城市热岛效应,调节室内温湿度及节约能源方面均具有重要意义[8,9]。   
3.2节能效应   
3.2.1调节顶楼温度,节约能源   
屋顶绿化通过植物和栽培基质的隔离,对建筑顶层有明显的隔绝作用。在夏季利用植物自身的蒸腾作用吸热,减少太阳对屋面的直接辐射,降低了顶层温度,节省了空调的使用费用;在冬季由于有植物覆盖,屋顶夜晚白天温差变化不那么剧烈,对屋顶起到保护作用的同时也节省了暖气的使用费用。相关研究表明,植物屋面一天中温差最大仅为4.8℃,而裸露屋面则为10.2℃[10]。建筑周围温度每降低1℃,相应的空调容量则可降低6%[11]。绿色植物在夏季通过将屋顶外表面的平均辐射温度降低,不仅使得建筑能耗尤其是建筑空调能耗大幅降低,而且进一步改善了城市的热环境,从而形成积极的促进作用。室外温度越高,屋顶绿化的节电效果越明显,在很大程度上缓解了城市夏季用电矛盾。   
广州市针对屋顶绿化的生态效益测定结果显示,屋顶绿化可节省空调20%~40%的耗电量,仅这一项生态效益每年就可节约数千万元[12]。   
3.2.2节约建筑资源   
屋顶的破坏多数来自于屋顶温度的剧烈变化所引起的膨胀和收缩导致的裂缝、雨水渗漏等问题。屋顶经过绿色植物的覆盖,避免了阳光对屋顶的直接照射,缓解了由于屋顶表面温度变化所引起的热胀冷缩对建筑物屋顶的破坏,推迟了各种材料的老化时间,从而达到保护屋顶,延长建筑屋顶使用寿命的目的。 此外,通过实施屋顶绿化,由于植物对雨水的截留和收集作用,使得屋顶管道排水压力大大减小,因此可以通过减少管道施工的数量,节省大量建筑费用和资源。这方面研究国内目前还比较少,不可否认的是通过屋顶绿化实现建筑资源的节约的确是一项意义重大的工作。   

结合上述两个方面,目前国内外针对屋顶绿化节能效应的研究主要集中在隔热节能的效益方面。在效益上的研究主要表现为屋顶绿化通过调节温度来节约空调使用的能耗以实现节能。   

4屋顶绿化植物的抗性筛选   

屋顶绿化能否取得良好的预期效果,主要取决于所选的植物是否能在屋顶这一特殊环境下生长良好并形成绿化景观。屋顶环境与地面环境相差较大,不论是在光照时长、光照强度、气温变化、风速变化等这些自然因素方面,还是种植基质不与大地土壤相连造成的基质层过薄及基质养分易流失等方面的问题均不是普通地面植物能够适应并良好生长的。针对屋顶特殊环境,所选的植物材料应具备耐旱、耐寒、耐贫瘠、喜光、抗风、生命力旺盛等条件。   
对于屋顶绿化植物抗性的研究,欧洲一直走在前列。早在19世纪,德国就已经开始探讨建筑与植物相互融合的关系,并深入研究了植物选择、植物种植方面的相关技术。国外学者对植物的抗性筛选研究主要集中在耐旱性、耐寒性、抗逆性等方面。捷克、西班牙、匈牙利等国家通过对屋顶绿化植物的相关抗性进行研究,筛选出了景天科的几个种及几种苔藓植物[13~15]。国外还有大量研究显示,很多多浆植物在浅薄的种植基质上长势良好,且后期的灌溉养护工作也十分简单,是屋顶绿化值得推广应用的植物类型[16]。   
国内也有众多学者就屋顶绿化的抗性植物筛选进行了相关研究。张斌等人[17]通过对几种屋顶绿化景天植物进行耐旱研究表明,佛甲草(Sedum Lineare Thunb)、银纹垂盆草(Sedum sarmentosum Bunge)、反曲景天(Sedum reflexum)、蓝叶松塔景天(Sedum Nicaeense All)等4个品种在干旱胁迫环境下仍具有较好的长势。黄卫昌等人[18]采用盆栽自然干旱处理的方法,分别对景天植物佛甲草、垂盆草、金叶景天(Dicotyledoneae)、凹叶景天(Sedum emarginatum)、德国景天(Sedum hyridun)进行了抗旱、耐热试验,通过测定相关指标发现佛甲草的耐热性优于其它景天植物,国产佛甲草和垂盆草的半致死时间分别达到了182d、154d,抗旱性最差的德国景天的半致死时间也有34d。   
综上所述,屋顶绿化作为一种新型的绿化形式,已经成为一种趋势。相较于国外屋顶绿化方面的研究,我国相关研究还是比较滞后的。目前,我国在屋顶绿化植物材料选择上还是以景天科、草本地被类植物为主,对灌木、乔木的屋顶种植适应性方面研究甚少。此外,由于受到多种技术条件的限制,我国目前应用较为广泛的屋顶绿化形式多以简单的拓展型绿化为主。   

5展望   

5.1大力发展乡土植物的筛选研究   
植物是屋顶绿化的主体部分,植物选择的好坏直接影响到屋顶绿化的效果。我国植物资源丰富,应特别选择一些适应性强、观赏性好的乡土树种进行屋顶绿化推广应用,不仅充分利用当地资源还能突出地域特色。广东地区蕴藏着丰富的植物资源,应积极进行开发利用,加大这方面的研究力度。   
5.2深入开展屋顶绿化植物的抗逆性研究   
屋顶绿化并不只是简单地将植物搬至屋顶上种植这么简单,屋顶与地面的不同环境因素也不仅局限于温度、湿度、风速、阳光辐射等这些目前研究较多的因素。而正是屋顶与地面所存在的差异性因素成为了制约屋顶绿化植物丰富多样性的瓶颈问题。因此,深入开展屋顶绿化植物的适应性研究具有深远的现实意义。   
5.3加大屋顶绿化植物效益研究   
在加强屋顶绿化理论研究的基础上,多角度多层面开展对屋顶绿化景观效益评价、屋顶绿化生态效益评价、屋顶绿化碳汇功能等方面的研究,不仅能够为提高屋顶绿化技术水平提供坚实理论基础,而且能够为广大市民积极推广屋顶绿化的益处,让更多的人参与进来,大力推动屋顶绿化普及应用的实现。 

作者:天润雨水2019年7月16日 13:10
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