蓄水层设置与植物选择对绿色屋顶蒸散发的影响
绿色屋顶是低影响开发(low impact development, LID)和海绵城市建设的重要设施之一, 具有良好的生态效应, 近年来在国内外得到广泛应用。通过绿色屋顶的蒸散发作用, 可以有效地降低空气温度, 缓解热岛效应, 减少能源消耗。孙挺等[1]对比观测了绿色屋顶和普通屋顶的热效应影响, 结果显示观测期内绿色屋顶的屋面温度波动幅度减小54%。秦培亮[2]的研究表明, 若一个城市屋顶绿化率达到70%以上, 这个城市的热岛效应则会基本上消失。Niachou 等[3]和 Santamouris 等[4]采用数值计算的方法模拟绿色屋顶的节能效果, 结果表明夏季单栋建筑物能耗可降低 10%~50%。Onmura 等[5]对绿色屋顶的隔热机理进行探讨, 认为植物进行蒸腾作用和土壤表面进行蒸发作用时吸收潜热是主要的散热方式。Köhler等[6]在德国的实验表明, 全年降雨量的 60%~79% 经由绿色屋顶以蒸散发形式排出。
绿色屋顶减缓热岛效应的机理在很大程度上基于植物在蒸腾作用大量消耗环境中的热量。刘维东[7]测试了成都市几种植物的蒸腾强度, 结果显示木芙蓉、贴梗海棠等均有很强的蒸腾强度, 对一定范围内环境的降温效果比较明显。陈小平等[8]的研究表明, 通过植物蒸散和土壤蒸发作用消耗的水分越多, 绿色屋顶对下一场降雨的径流控制效果就越好。Vanuytrecht 等[9]在比利时的研究发现, 配置草本植物的绿色屋顶的径流控制效果比配置景天科植物的绿色屋顶好, 是因为草本植物能通过自身的蒸散发消耗更多的水。目前国内外对绿色屋顶的研究主要侧重于生态景观价值[10]、降雨径流控制[11]、水质净化特性[12]等环境效益, 对绿色屋顶蒸散发的特点鲜有研究。为进一步促进绿化屋顶的推广应用, 其蒸散发规律的定量化研究有待深入[13]。
绿色屋顶的蒸散发主要受气候条件、土壤特性、植物类型和土壤含水量等因素影响。Jim 等[14]通过对比, 指出土壤含水量对绿色屋顶蒸散发的影响是有限的, 起决定性作用的是太阳辐射、相对湿度和风速等气象因素。Kasmin 等[15]的研究表明, 由于土壤含水量的降低, 绿色屋顶的蒸散发速率随着时间呈指数衰减。Berretta 等[16]认为土壤含水量直接决定绿色屋顶潜在蒸散发(PET)与实际蒸散发(ET)的区别。
在实际应用中, 为增强绿色屋顶的雨水径流控制能力, 并保持种植介质层湿润从而减少灌溉, 通常考虑在底部增设蓄/排水层[17]。在降雨期, 土壤水分达到饱和后, 雨水从土壤层底部渗出, 进入蓄水层, 在一定程度上能够提高绿色屋顶的蓄水能力。在缺水干旱又不能及时灌溉的情况下, 蓄水层蓄存的雨水因蒸发作用回补给上层土壤。这一过程导致的土壤含水量变化对绿色屋顶蒸散发的影响不容忽视, 但目前有关研究比较少见。
绿色屋顶植物的蒸腾作用受很多因素的影响, 如光照、温度、湿度、风速等。从本质上看, 植物的气孔运动直接控制着蒸腾作用。植物类型不同, 气孔的构造特征有所差异。如果气孔下腔体积大, 内蒸发的面积大, 则蒸腾速率较快[18]。此外, 植物的光合代谢方式不同, 气孔的打开与闭合也会呈现不同的规律。超过 95%的植物都遵循 C3 代谢规律, 只有 3%~4%的植物利用景天酸代谢(crassulacean acid metabolism, CAM)的方式[19]。与大多数植物最大的不同之处是, CAM植物可以在温度相对较低的晚上打开气孔以吸收二氧化碳, 并将其储存在植物组织中; 白天允许气孔关闭以减少蒸散发, 从而非常适合绿色屋顶[20]。
Ouldboukhitine 等[21]的研究表明, 种植长春花的绿色屋顶蒸散量比黑麦草大。Voyde 等[19]通过实验论证了不同植物种类绿色屋顶 ET 的差异, 并且发现随着时间延长, ET 也随之下降。但是, 目前针对绿色屋顶蒸散发的研究中, 较少考虑植物代谢特征的影响。
本文设置两种结构(有或无蓄水层)和两种植物(佛甲草或铺地锦竹草)共4种组合的绿色屋顶实验槽, 在深圳市的气候条件下, 连续测定气象参数、ET 和土壤含水量, 通过研究绿色屋顶土壤含水量变化、土壤含水量与蒸散发的关系、蒸散发的小时变化和日变化等特征, 探讨底部蓄水层设置和植物选择对绿色屋顶蒸散发的影响, 为绿色屋顶在蒸散发方面的生态效益评估提供科学依据。
1 实验与方法
1.1 实验装置
本实验设置 4 个绿色屋顶实验槽, 位于北京大学深圳研究生院办公楼E栋楼顶, 屋顶平均坡度为2°。实验槽为 PVC 材料, 形状为底面直径 50 cm, 高 20 cm的圆柱体。绿色屋顶的垂直结构如图1所示, 从上至下分别是植被层、土壤层、过滤层和蓄水层。
图1 绿色屋顶结构示意图与实景
Fig. 1 Structure and picture of the green roof
绿色屋顶的土壤层基质采用人工配置的轻质土, 基本组成为泥炭土(40%)、珍珠岩(10%)、树枝肥(20%)和碎陶粒(30%)。由土柱实验测得土壤密度为0.78 kg/m3, 田间持水量为0.5049 m3/m3, 土壤层厚度均为 10 cm。植被层分别采用佛甲草(Sedum lineare)和铺地锦竹草(Callisia repens)两种多年生草本植物。其中, 佛甲草因其特有的景天酸代谢方式[22], 四季常绿, 抗旱、抗寒能力强, 对屋顶载荷和防水层的要求低[23], 被各大城市用于屋顶绿化; 从植物的越冬越夏情况、成活率、观赏性、覆盖速度、全年绿期、材料获取容易程度等方面进行综合评价, 鸭跖草科的华南铺地锦竹草也可作为草坪式绿色屋顶的候选植物[24]。与大多数植物相同, 铺地锦竹草遵循C3代谢规律。
过滤层选用透水土工布, 以防止基质中的小颗粒随雨水径流进入蓄水层[25]。蓄水层底部是一层厚度为3 cm的陶粒, 上层覆盖厚2 cm的排水板, 在保证排水通畅的同时起到固定支撑作用。此外, 植被层底部设置排水孔, 用于排放土壤饱和后未能及时下渗而产生的表面径流; 蓄水层顶部设置排水孔, 用于排放蓄水层蓄满后所产生的底部径流。表面和底部径流分别通过 PVC 导流管收集到采样容器中。4个实验槽的结构组成见表1。
表1 绿色屋顶实验槽结构组成
Table 1 Structure of the green roofs used in the experiment
实验槽编号植被层土壤层厚度/cm蓄水层厚度/cmA佛甲草100B佛甲草105C铺地锦竹草100D铺地锦竹草105新窗口打开
1.2 监测方案
为了比较有无蓄水层结构和不同植物选择对绿色屋顶蒸散发的影响, 在实验槽B和实验槽D底部放置蒸渗仪, 实时记录绿色屋顶的蒸散发量变化, 数据记录时间间隔为 30 分钟。同时, 在 4 个实验槽土壤层中部(5 cm 处)分别放置 S-SMC-005 型HOBO 土壤水分传感器, 埋深约5 cm, 数据记录时间间隔为 5 分钟。监测天气状况的美国 DAVIS 气象站位于北京大学深圳研究生院 E 栋楼顶, 监测项目包括温度、湿度、风速、风向、气压、太阳辐射、降雨量等, 数据记录时间间隔为10分钟。实验起始时, 各装置已较为稳定。绿色屋顶实验槽于2015 年6月完成种植, 自2015年8月起开始监测, 至2016年1月中旬, 共记录150天的数据, 在此期间植物经历幼苗、生长、休眠、凋零等阶段。
2 结果与分析
2.1 绿色屋顶土壤含水量的变化规律
提取雨前干旱时间(一天内降雨小于5 mm)分别为1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8和10天时, 4个绿色屋顶实验槽的初始土壤含水量(当天0:00的土壤含水量)数据, 并进行对比分析, 结果见图2。
在土壤含水量初始水平接近的条件下, 不含蓄水层结构的绿色屋顶, 随着干旱时间的延长, 土壤含水量呈现明显的下降趋势。含蓄水层绿色屋顶的土壤含水量, 随着干旱时间的增加, 波动较小。当干旱时间大于 3 天时, 不含蓄水层结构的绿色屋顶的土壤含水量, 与前两天相比, 出现明显下降, 蓄水层开始发挥明显作用, 使得有蓄水层绿色屋顶的土壤含水量始终处于较高水平。这是由于蓄水层的水分向上蒸发, 对上层土壤的含水量起了补给作用。
与铺地锦竹草相比, 种植佛甲草绿色屋顶的蓄水层对土壤含水量的补给效应更明显。由于缺少蓄水层的水分补给, 实验槽 A (图 2(a))中干旱时间分别为 8 天和 10 天的绿色屋顶, 平均土壤含水量降至 0.15 m3/m3 (土壤中水的体积/土壤体积), 佛甲草几乎处于休眠状态。含蓄水层的绿色屋顶中, 由于土壤含水量始终保持在较高水平, 佛甲草长势良好。对于种植铺地锦竹草的绿色屋顶, 有无蓄水层
结构对土壤含水量的影响不大。干旱初期, 含蓄水层绿色屋顶的土壤含水量相对较小, 直至干旱天数增加至 10 天, 有蓄水层绿色屋顶的平均土壤含水量略高于不含蓄水层的绿色屋顶。原因如下: 一方面, 由于两种植物在干旱期开始时的初始土壤含水量不同, 土壤层的含水量越小, 蓄水层的补给作用越明显; 另一方面, 由于两种植物的生理特性不同, 铺地锦竹草的抗旱性大于佛甲草[24]。
图2 不同结构的绿色屋顶的土壤含水量随干旱时间的变化
Fig. 2 Variation of the soil moisture content of green roofs with different structure as the extension of drought days
2.2 土壤含水量与绿色屋顶蒸散发的关系
本文主要从土壤含水量的角度出发, 研究蓄水层与绿色屋顶蒸散发的相关性。为排除其他气象因素(如太阳辐射、温度等)对蒸散发的影响, 我们对绿色屋顶的PET进行估算, 将干旱期内含蓄水层绿色屋顶每天的土壤含水量与ET/PET比值进行相关性分析。
目前关于潜在蒸散发估算的方法较多, 其中Penman-Monteith 方法[26]计算精确且理论依据清晰, 在气候变化对潜在蒸散发的影响[27]、气候敏感性分析[28]和水文循环模拟中得到广泛应用。本文根据 Penman-Monteith 公式计算含蓄水层的两种绿色屋顶的日PET, 结果如图3所示。
图3 干旱期内含蓄水层绿色屋顶的土壤含水量与ET/PET的相关性
Fig. 3 Relationship between soil moisture content and ET/PET of green roofs with storage layer during drought periods
从图 3 可以看出, 对不同植物选择的含蓄水层的绿色屋顶而言, 随着土壤含水量的增加, ET/PET 也逐渐增加, 两者之间呈现一定程度的正相关性。这种相关性对种植铺地锦竹草的绿色屋顶与种植佛甲草的绿色屋顶相比, 更为明显, 线性相关系数为0.6508。这是由佛甲草代谢方式的复杂性所致, 对其蒸散发有影响的因素较多。
以夏季干旱期内天气晴好无风的2015年 8 月 24日为例, 将种植佛甲草绿色屋顶(含蓄水层)与种植铺地锦竹草绿色屋顶(含蓄水层)的小时蒸散发量数据进行对比分析, 结果如图4所示。
图4 种植不同植物的绿色屋顶(含蓄水层)的小时蒸散发量
Fig. 4 Comparison of hourly evapotranspiration of green roofs vegetated with different vegetation
从图 4 可以看出, 随着太阳升高, 太阳的净辐射量增大, 能量从大气层流向土壤表层, 种植佛甲草绿色屋顶的蒸散发量从早晨 6:00 左右开始逐渐增大, 上午 9:00 左右达到峰值。之后慢慢下降, 中午 12:00 左右达到低谷, 此时蒸散发量几乎为0。这是由佛甲草独特的景天酸代谢方式所致, 当太阳辐射较大或温度较高时, 气孔自动关闭, 以减少水分流失[29]。植物蒸腾作用的强弱还受气孔开启程度的影响, 随着气孔慢慢恢复, 蒸散发量逐渐上升, 在下午14:00左右出现第2个峰值。由于太阳辐射的减小, 绿色屋顶的蒸散发量也随之降低, 下午18:00以后在0附近变动, 晚间出现负值。
种植铺地锦竹草绿色屋顶的蒸散发量变化趋势与太阳辐射相吻合, 与佛甲草相比, 波动相对较小。当太阳辐射在中午前后达到最大值时, 绿色屋顶的蒸散发也最大。这是由于白天铺地锦竹草的气孔打开, 在吸收二氧化碳的同时, 水分逸出, 从而完成植物的蒸腾过程。太阳辐射的增强加速了植物的蒸腾作用。
此外, 与铺地锦竹草等大多数草本植物不同, 佛甲草因其景天酸代谢规律, 所以气孔晚上打开吸收水分和二氧化碳。加上夜间露水的形成, 尤其是在晴朗微风天气时, 夜间空气温度显著降低, 湿度增加, 植物表面容易凝结露水, 导致蒸渗仪实测的绿色屋顶蒸散发量出现负值[30], 且种植佛甲草绿色屋顶的绝对值变化量更大。
为进一步探究造成这两种植被蒸散发差异的原因, 本文分别对种植佛甲草和铺地锦竹草绿色屋顶的小时蒸散发量与太阳辐射的关系进行统计分析, 结果如图5所示。
从图 5(a)可以看出, 在不同的太阳辐射范围内, 采用佛甲草的绿色屋顶的小时蒸散发量几乎呈均匀分布状态。太阳辐射量在70~450 W/m2时, 绿色屋顶的蒸散发量相对较大; 太阳辐射量大于 450 W/m2时, 绿色屋顶的蒸散发量随着太阳辐射的增强没有明显变化。对比图 5(b), 随着太阳辐射的增强, 种植铺地锦竹草绿色屋顶的蒸散发量显著升高。这说明影响种植铺地锦竹草绿色屋顶小时蒸散发量变化过程的主要因素为太阳辐射。在同样条件下, 两种植被对太阳辐射的生理反应不同, 导致两种类型绿色屋顶蒸散发量产生差异。
图5 种植不同植物的绿色屋顶小时蒸散发量与太阳辐射的统计关系
Fig. 5 Relationship between hourly ET and solar radiation of green roofs with different vegetation
2.3 日蒸散发量实测值的变化
图6显示2015年8月22日至2016年1月15日干旱期增设蓄水层的两种植物类型绿色屋顶日蒸散发量的变化。可以看出, 降雨过后, 由于土壤含水量的增大, 日蒸散发量的实测值随之有明显上升。之后在每个连续无降雨的干旱期内, 种植佛甲草和铺地锦竹草绿色屋顶的日蒸散发量均随干旱时间呈下降趋势, 再次说明土壤含水量对绿色屋顶蒸散发量有明显的影响。由于绿色屋顶的蒸散发量还会受太阳辐射、风速、湿度等气象条件以及蓄水层水分补给作用的影响, 因此这种下降趋势是波动的。
图6 含蓄水层的两种植物类型的绿色屋顶日蒸散发量变化对比
Fig. 6 Comparison of daily evapotranspiration of green roofs vegetated with different vegetation during drought periods
对于两种植物类型的绿色屋顶, 夏季日蒸散发量的平均水平普遍高于冬季。另外, 以10月19日为分界点, 在此之前, 种植铺地锦竹草绿色屋顶的日均蒸散发量(4.0 mm/d)略高于种植佛甲草绿色屋顶(3.5 mm/d)。在此之后, 种植佛甲草绿色屋顶的蒸散发量平均值为 1.9 mm/d, 相对较高; 种植铺地锦竹草的绿色屋顶的蒸散发量平均值为 1.5 mm/d。这是由于两种植物代谢方式及对温度和光照等气象条件的敏感程度不同, 因此对环境变化的反应与调节不同。
3 结论
本文的分析结果表明, 随着干旱时间延长, 绿色屋顶蓄水层对上层土壤水分的补给作用开始显现, 而绿色屋顶的蒸散发量与土壤含水量之间正相关。因此在深圳的天气条件下, 当雨前干旱时间大于3天时, 蓄水层结构的设置开始明显增强绿色屋顶的蒸散发, 且初始条件下土壤的含水量越低, 这种调控作用越明显。
通过对比不同植物类型绿色屋顶的蒸散发规律发现, 夏季种植铺地锦竹草绿色屋顶的日均蒸散发量(4.0 mm/d)比种植佛甲草绿色屋顶(3.5 mm/d)略高。在温度较低的冬季, 种植铺地锦竹草绿色屋顶的蒸散发量平均低于种植佛甲草绿色屋顶 0.4 mm/d, 表明两种植物在不同温度条件下蒸散发量的差异性。
此外, 与铺地锦竹草不同, 佛甲草的小时蒸散发量不随太阳辐射的增强而变大, 与土壤含水量的相关系数相对较小, 为 0.43。这是由于佛甲草的景天酸代谢方式的特殊性所致, 值得进一步研究。
目前,国内很多城市正在积极推进绿色屋顶建设, 但建造的目的往往出于景观价值, 对因地制宜的建筑规范及相关技术优化关注不足。根据本文研究结果, 在降雨较频繁的地区(例如深圳市), 无需增设蓄水层来调节绿色屋顶的蒸散发过程。在有效降低建造成本的同时, 也能保证绿色屋顶的截留效果。此外, 在后续模拟绿色屋顶蒸散发时, 需充分考虑选用植物的不同, 以便更好地评估绿色屋顶的生态效益。
The authors have declared that no competing interests exist.
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