上海地區(qū)佛甲草輕型屋頂綠化的越夏景觀維護研究

蘇怡檸，駱天慶*，金 樑，王曉娟

（1同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海200092；2上?？萍拣^，上海自然博物館自然史研究中心，上海200041）

隨著海綿城市建設(shè)的推進，上海市2015年修訂實施的《上海市綠化條例》指出，中心城內(nèi)新建以及改、擴建的公共建筑，凡高度不超過50 m的平屋頂，強制推行屋頂綠化。而利用景天科植物建設(shè)輕型屋頂綠化是全面推廣屋頂綠化的一大途徑［1-2］。

景天科植物佛甲草（SedumlineareThunb.）的干旱半致死時間可達140 d［3］，長期高溫干旱對于其景觀品質(zhì)甚至存活影響顯著［4-6］，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于上海的輕型屋頂綠化中。實踐表明，佛甲草應(yīng)用于上海地區(qū)的輕型平屋頂綠化可基本免維護，且在夏季白天的隔熱效果明顯，對降低夏季空調(diào)耗能尤為重要［7-8］；但夏季長時間高溫少雨時，佛甲草會發(fā)生萎蔫，影響景觀效果［1］，鑒于此，屋頂綠化養(yǎng)護中要尤為注意整個夏季的灌溉措施［9］。為保證佛甲草輕型屋頂綠化的越夏景觀效果和生態(tài)效益，本試驗開展佛甲草越夏露地觀測并探究灌溉介入的小氣候條件，以期為上海的輕型屋頂綠化推廣提供實際參考。

1 材料與方法

研究選取上海市共青森林公園10號公共廁所的模塊式屋頂綠化作為觀測對象，于2016年6月初至10月中旬對佛甲草種植模塊進行越夏實地觀測。

1.1 試驗場地環(huán)境和佛甲草種植模塊

試驗屋頂為一層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑的雙層雙坡組合屋頂，采用50 cm×50 cm輕型模塊式屋頂綠化，其中佛甲草種植模塊共20個，每坡向各5個模塊。試驗屋頂安裝美國Onset Computer Corporation公司的Onset HOBO小型氣象站，監(jiān)測氣溫、光合有效輻射、空氣濕度、降水量、基質(zhì)溫度和基質(zhì)含水量。

試驗采用的種植槽（IN-WD5050，長50 cm×寬50 cm×高10 cm）和佛甲草均由上海茵能實業(yè)有限公司（原上海茵能節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰荆┨峁?，種植基質(zhì)由泥炭土與蚯蚓糞按體積比3∶1混合而成，種植基質(zhì)初始厚度為8 cm，后因風(fēng)力侵蝕及土壤板結(jié)厚度稍有下降，平均厚度約為7.5 cm。

四個坡向屋面中，南坡受場地周圍的地面種植影響最小，全天無遮擋，日照最強，佛甲草的生長條件最為嚴苛，故選擇南向屋面上的5盆佛甲草進行露地觀測試驗。

1.2 露地觀測試驗

試驗期間未對佛甲草種植模塊進行任何人工養(yǎng)護?，F(xiàn)場觀察佛甲草生長狀況并采集種植模塊照片，由公眾評判該試驗屋頂佛甲草的夏季視覺景觀質(zhì)量，并參考同期Onset HOBO小型氣象站采集的數(shù)據(jù)，分析引發(fā)佛甲草景觀效果變化的小氣候參數(shù)特征，探討防范佛甲草越夏景觀效果下降的灌溉介入條件。

1.2.1 現(xiàn)場觀察和照片采集

現(xiàn)場觀察和照片采集每2周左右進行1次，在夏季高溫干旱初始階段（7月中旬至8月初）縮短觀察和拍攝的間隔，以利于辨識景觀效果下降、需要灌溉介入的時間節(jié)點。對南向屋面上的5盆佛甲草進行近距拍攝和照片編號，作為極端屋面條件佛甲草生長情況的參照。選取晴天、多云或陰天進行拍攝，前后共計10次，拍攝時間均為上午8：00—10：00。

1.2.2 景觀效果評價

照片采集結(jié)束后，隱藏照片編號并隨機排序，參照美國草坪評價方法（National Turfgrass Evaluation Program，NTEP）［10］進行評分。衡量指標(biāo)為草坪色澤、密度和質(zhì)地，依次按從大到小賦以權(quán)重。綜合各項指標(biāo)按1（最低）—9（最高）級評分，質(zhì)量尚可接受為6分。最后取每次拍攝的5盆佛甲草照片的平均分作為當(dāng)次實測的景觀效果評價值。

1.2.3 灌溉介入節(jié)點確定

當(dāng)實測的景觀效果評價值低于6分時，即視為景觀效果下降顯著，應(yīng)提前進行必要的防范性灌溉干預(yù)。通過分析景觀效果評價值的變化情況，可區(qū)分景觀效果演變階段。比對Onset HOBO小型氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映的小氣候特征變化階段，可判識小氣候改變誘發(fā)景觀效果改變的一系列時間節(jié)點。其中，首次發(fā)生景觀效果顯著下降、小氣候特征發(fā)生明顯改變的時間節(jié)點，即為需要灌溉介入的節(jié)點。

1.2.4 灌溉介入時的小氣候特征分析

對于灌溉介入節(jié)點到景觀效果顯著下降期間的小氣候改變，首先，利用景觀效果評價值和氣象站記錄的小氣候參數(shù)，通過相關(guān)性分析和主成分分析，對各參數(shù)項影響景觀效果的有效性進行檢驗。然后，對分析獲得的有效因子，進一步綜合比對研究文獻提示的影響植物生長的主要環(huán)境因子，并參考氣象參數(shù)的可獲取性加以驗證。最后，通過考察從灌溉介入節(jié)點到景觀效果顯著下降期間有效參數(shù)項的改變情況，辨識當(dāng)期的小氣候特征及灌溉養(yǎng)護的適用性。

2 結(jié)果與分析

2.1 佛甲草種植模塊的生長情況

試驗屋頂上的佛甲草5月開花，6月長勢佳，7月中旬經(jīng)歷長達1周的高溫?zé)o雨期后，蓋度明顯降低，莖徒長并倒伏。8月中旬持續(xù)高溫后，葉色發(fā)黃，葉片稀疏。高溫干旱階段與降雨交替期間出現(xiàn)蟲害，導(dǎo)致葉片殘缺甚至干枯。9月氣溫降低，雨水增多，佛甲草萌發(fā)嫩芽。10月長勢良好，植株逐漸恢復(fù)。試驗期間南坡佛甲草種植模塊中始終未觀察到顯著的野草、藤蔓植物入侵現(xiàn)象，表明成熟的佛甲草屋頂綠化具有較強的抗入侵性。

2.2 佛甲草景觀效果評價及變化階段劃分

根據(jù)照片評分結(jié)果（圖1），可將2016年6月至10月佛甲草的生長分為三個階段：第一階段（6月初至7月下旬）為正常生長階段，葉片稠密、質(zhì)地細膩、色澤深綠，視覺質(zhì)量評分較高；第二階段（7月下旬至9月初）為生長受阻階段，密度下降明顯、質(zhì)地粗糙、色澤泛黃，視覺質(zhì)量評分低；第三階段（9月初至10月初）為恢復(fù)生長階段，葉片、質(zhì)地、色澤三方面均有提升，視覺質(zhì)量評分回升。

圖1 南坡佛甲草種植模塊照片及評分結(jié)果Fig.1 Pictures and grades of sedum lineare modules on the southern slope

值得關(guān)注的變化節(jié)點是：6月18日有樣盆分值低于6分；7月17日分值低于6分的樣盆數(shù)增加；7月21日所有樣盆分值均低于6分；8月2日樣盆分值回升，但8月12日又下降；9月23日有樣盆評分值回升至6分及以上；10月12日所有樣盆均分恢復(fù)至6分以上。

2.3 與佛甲草景觀效果改變相應(yīng)的小氣候環(huán)境特征變化階段

圖2 2016年6月至10月南坡氣象數(shù)據(jù)Fig.2 Micro-meterological data of the southern slope from June to October，2016

根據(jù)同期Onset HOBO氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，小氣候變化可分為五個階段（圖2）：第Ⅰ階段（6月上中旬）溫度（日均溫、日最高溫、基質(zhì)溫度，下同）平穩(wěn)上升，降雨頻率減少，基質(zhì)含水量下降；第Ⅱ階段（6月中下旬至7月上中旬）溫度繼續(xù)波動上升，降雨次數(shù)較多，基質(zhì)含水量先升后降再升；第Ⅲ階段（7月中下旬至9月上旬）光合有效輻射量明顯增大，溫度平穩(wěn)在高位，降雨稀少，基質(zhì)含水量處于低位；第Ⅳ階段（9月）光合有效輻射量波動大但整體保持在高位，溫度下降，降雨次數(shù)增加，日降水量明顯增加，基質(zhì)含水量明顯上升；第Ⅴ階段（9月下旬后）光合有效輻射降低，溫度繼續(xù)下降，降雨情況與前一階段相似。

與佛甲草生長階段對比發(fā)現(xiàn)，小氣候的五個階段中，第Ⅰ、Ⅱ階段與佛甲草生長的第一階段基本重合；第Ⅲ階段與佛甲草生長的第二階段相近；第Ⅳ階段與佛甲草生長的第三階段相近。

2.4 環(huán)境參數(shù)篩選檢驗

根據(jù)6月6日至10月12日期間10次佛甲草的景觀效果評分，用線性插值法得到其余每天的佛甲草視覺質(zhì)量評價分值。將分值與氣象站提供的小氣候參數(shù)進行Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果顯示日降水量、空氣濕度、光合有效輻射、日均氣溫、日均基質(zhì)溫度、日最高溫及日最低溫與佛甲草視覺質(zhì)量評價結(jié)果在置信度（雙側(cè)）為0.01時顯著相關(guān)。其中，視覺質(zhì)量評價結(jié)果與日降水量和空氣濕度呈正相關(guān)關(guān)系，與其余參數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系。

選取上述相關(guān)參數(shù)進行主成分分析，結(jié)果如表1所示。因子載荷量絕對值大于0.5的參數(shù)為有效參數(shù)，則成分1中有效參數(shù)包括日均氣溫、日均基質(zhì)溫度、日最高溫和日最低溫，均表征溫度；成分2中有效參數(shù)包括日降水量、日光合有效輻射和空氣濕度，表征輻射和濕度。

表1 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 1 Rotated componentmatrix

將上述有效參數(shù)和影響植物生長的主要環(huán)境因子［11-12］進行比對，并考慮到實際大面積養(yǎng)護時，只能借助當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報提供的氣象參數(shù)作為灌溉介入的判斷信息，最終篩選出日最高溫、最低溫和降水量作為考察灌溉介入的環(huán)境參數(shù)（表2）。

表2 小氣候環(huán)境參數(shù)選擇Table 2 Selection of microclimate parameters

2.5 各景觀變化時間節(jié)點前期的環(huán)境參數(shù)改變及灌溉介入條件

考察佛甲草景觀效果改變的各個時間節(jié)點之前的日最高溫、最低溫和日降水量的變化特征（圖3），發(fā)現(xiàn)景觀效果下降的時間節(jié)點（6月18日、7月17日、7月21日、8月12日）之前多有一段無顯著降雨期，期間溫度總體呈上升趨勢；而景觀效果恢復(fù)的時間節(jié)點（8月2日、9月23日和10月12日）之前則均有降溫和顯著的降雨發(fā)生。其中，6月18日前5日無顯著降雨（降水總量為2.0 mm），最后2日氣溫連續(xù)上升，日最高溫接近35℃，日最低溫在20℃左右；7月17日之前有降雨，氣溫升幅明顯；而7月21日是景觀效果顯著下降的時間節(jié)點，之前4日無降雨，5日氣溫連續(xù)上升，日最高溫連續(xù)兩日在35℃以上，平均日最低溫26.6℃，小氣候條件更為嚴苛。8月12日前8日無顯著降雨，日最高溫接近35℃，平均日最低溫26.7℃，小氣候條件惡劣。而景觀效果明顯回升的時間節(jié)點9月23日和10月12日前溫度變化平穩(wěn)，9月23日前6日日最高溫均在30℃以下，日最低溫在20℃左右，前一次顯著降水量達77 mm，其間有零星降雨，總量2.6mm；10月12日前6日日最高溫在25℃左右，日最低溫在15—20℃，鄰近的一次顯著降水量達29 mm。

圖3 佛甲草景觀效果變化節(jié)點前階段的小氣候變化Fig.3 Micro-meterological characteristics of the period before significant changes of visual quality

值得注意的是8月2日，佛甲草景觀效果稍有改善，但之前5日的日最高溫均接近或超過35℃，日最低溫在25—30℃，溫度條件比7月21日之前更加嚴苛；不過這一節(jié)點之前雖然同樣是4日無降雨，但是7月28日的降水量達23.6 mm，高于7月16日的11.4 mm降水量，說明充分補充環(huán)境水分，對佛甲草在高溫脅迫下的景觀恢復(fù)至關(guān)重要。

從上述時間節(jié)點之前的小氣候因子變化情況來看，佛甲草在上海夏季日最高溫35℃左右、日最低溫25℃以上的高溫脅迫下，連續(xù)4日無降雨即可使其景觀效果降至可接受水平之下；而短期高溫脅迫后，環(huán)境濕度條件的改善，有助于景觀效果的恢復(fù)；一旦高溫緩解（日最高溫低于30℃、日最低溫低于20℃），并且一周內(nèi)有顯著降雨發(fā)生，佛甲草景觀效果將明顯改善。因此，連續(xù)3日氣溫上升、日最高溫達35℃、日最低溫達25℃、且期間無顯著降雨過程的情況下，建議對佛甲草屋頂綠化進行灌溉。通過一定量的灌溉能夠改善屋頂綠化的環(huán)境濕度條件，進而提升佛甲草的景觀效果。

3 討論

3.1 小氣候環(huán)境因素對佛甲草生長的影響

植物景觀效果是植物生長情況的反映。夏季高溫和干旱等環(huán)境脅迫持續(xù)影響植物生長［13］。本研究中，小氣候的變化要先于佛甲草生長情況的變化，因此根據(jù)小氣候變化情況及時介入人工干預(yù)，可以改善佛甲草的景觀效果。

7月中旬之前溫度上升、降水量尚可時，佛甲草生長情況仍緩慢變差；7月中旬至8月中旬溫度上升、降水量減少，佛甲草生長情況惡化；8月中旬至9月上旬溫度下降、雨量較少，佛甲草生長情況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，推測溫度對佛甲草生長的影響最為直接。8月2日佛甲草景觀效果暫時回升，則說明高溫時期的有效降雨對于佛甲草生長的改善具有重要作用。

3.2 試驗佛甲草屋頂?shù)墓喔冉槿爰捌湫夂蛱卣?/h3>

灌溉介入時機的判斷是基于試驗屋頂?shù)挠^測結(jié)果。而實際觀測過程中，小氣候環(huán)境因子無法精準(zhǔn)控制，同時，觀測的頻度和間隔受到試驗條件的限制。另外，由于數(shù)據(jù)采集密度的限制，無法精確捕捉佛甲草生長情況的即時變化，因此也難以找到精準(zhǔn)的灌溉介入時間節(jié)點。對于低維護輕型屋頂綠化，植物生長受到薄層基質(zhì)的限制，故佛甲草模塊在景觀效果低于可接受水平之前需及時進行灌溉。因此，本研究將灌溉介入的時間節(jié)點提前至小氣候特征發(fā)生不利改變的時候，以減少養(yǎng)護不及時的隱患。

3.3 試驗觀測期的氣象特征代表性

以35℃為高溫閾值，2016年7—8月Onset HOBO氣象站監(jiān)測到的高溫日數(shù)為25 d，符合1991年以來上海市高溫日數(shù)的增長趨勢（按增長值估計，2016年7—8月高溫日數(shù)為22.5 d）。因此，本研究試驗觀測期的氣象特征能夠反映上海地區(qū)的夏季高溫天氣特征，觀測結(jié)果對上海地區(qū)的佛甲草綠化屋頂越夏養(yǎng)護具有參考價值。

4 結(jié)論和建議

上海地區(qū)佛甲草屋頂綠化視覺景觀質(zhì)量與環(huán)境溫濕度條件顯著相關(guān)。佛甲草越夏養(yǎng)護的關(guān)鍵時間點在7月中下旬，夏季養(yǎng)護需持續(xù)至9月初。連續(xù)高溫時期的有效降雨對佛甲草景觀效果有改善作用。為使上海地區(qū)薄層基質(zhì)佛甲草屋頂綠化在夏季能夠長期保持良好的景觀效果，建議在連續(xù)3日氣溫上升、日最高溫達35℃、日最低溫達25℃、且期間無降雨過程時，介入人工灌溉。關(guān)于上海地區(qū)佛甲草輕型屋頂綠化越夏的具體灌溉方法、灌溉水量則需要今后更詳細的研究。