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植物根系对绿色屋顶径流调控功能影响

花匠小妙招
2024-11-08 11:03

随着城镇化的快速推进，城镇原有绿地（如森林、公园和草地等）被不透水下垫面（如屋面、道路和停车场等）替代，城市的自然水循环遭到破坏[1]，引发热岛效应、城市内涝和面源污染等生态和环境问题[2-3]。屋面约占城市不透水下垫面的40% ~ 50%[4]，在土地资源紧张，环境问题突出的城镇地区建设绿色屋顶[5-7]，既避免额外占用城镇土地，也可有效缓减城市热岛效应[8]，增加城市生物多样性[7]，减少噪音[9]和空气污染[10]。绿色屋顶同时还具有滞留雨水、削减和延缓洪峰等径流调控功能[11]。近年来，绿色屋顶的城市雨洪调控功能在国内外得到广泛关注[12-13]。

绿色屋顶主要通过滞蓄雨水来实现径流调控功能[4]。降雨开始后，少量雨水被植物截留，穿过植被层和枯落物层的部分雨水被基质吸持[14]。已有大量研究表明[15-19]，基质是影响绿色屋顶雨水滞留能力的最重要因素。除基质材料和结构的影响外，植被生长过程中也可通过根系影响基质的物理和化学性质[20-21]，进而影响绿色屋顶的径流调控功能。一方面，根系可通过延伸、变粗和穿插等机械作用挤压基质，产生裂隙和通道[22-23]，提高基质孔隙度[24-25]，这可能会提高绿色屋顶基质的最大雨水滞蓄能力。另一方面，因根系生长和死亡产生的裂隙和通道可能也会导致优先流的产生[26-28]，增加基质入渗速率[29-30]，导致绿色屋顶的雨水滞留能力下降、产流和峰现时间提前。可见，植物根系对绿色屋顶径流调控功能可能存在正反两方面的影响。然而，目前关于植物对绿色屋顶径流调控功能影响研究的关注点多在于植物截留和植物蒸散发的影响，缺乏从植物根系的角度对绿色屋顶径流调控功能影响机理的研究。

本研究于2019年在北京市搭建了佛甲草（Sedum lineare）、大花马齿苋（Portulaca grandiflora）和八宝景天（Sedum spectabile）3个不同根系特征植物的绿色屋顶和无植被覆盖的对照屋顶，通过监测各屋顶的降雨−径流过程和基质含水量动态变化，测量计算植物根系特征（根长密度和平均根径等），揭示植物根系对绿色屋顶径流调控功能的影响。研究结果可望为绿色屋顶植物配置和管理提供科学支撑，为海绵城市建设提供科学参考。

1. 材料与方法

1.1 试验设计

本研究的绿色屋顶搭建于北京市海淀区的北京林业大学林业楼楼顶。研究区气候类型为北温带半湿润大陆性季风气候，1989—2018年历史年均降水量为532 mm，全年约90%的降水集中在5—10月（国家气象科学数据中心）。

本试验共搭建4个1 m × 1 m的绿色屋顶试验装置（图1），从上到下依次为植被层、基质层、过滤层和排水层。其中，3个绿色屋顶分别种植3种根系特征不同的绿色屋顶常用植物（八宝景天、大花马齿苋和佛甲草），3种植物的种植密度均为100株/m2，并挑选健康植株幼苗进行栽植，试验初期3种植物均生长状况良好，试验后期有少数八宝景天的叶片枯萎。设置1个无植被覆盖的裸露基质作为对照（后简称“对照绿色屋顶”）。此外，参考“种植屋面工程技术规程”（JGJ 155—2013），配置厚度为8 cm的轻质生长基作为基质层，基质层各组成成分的体积比为浮石∶草炭土∶沸石∶碎木屑 = 4∶3∶2∶1，采用300 g/m2的聚酯无纺布作为过滤层，采用厚度为10 cm的陶粒作为排水层（平均直径为3.5 cm）。

图 1 绿色屋顶试验装置

Figure 1. Diagram of green roof test device

各绿色屋顶下方放置自记式称重传感器，数据记录间隔为1 min，精度为0.1 kg（即0.1 mm水量变化），监测各绿色屋顶装置的质量变化过程。降雨过程由架设在绿色屋顶上方2 m处的HOBO U30自动小型气象站连续监测。采用分辨率为1 mm的自记式翻斗雨量计记录监测绿色屋顶的径流过程，雨量计下方放置HDPE集水桶，用于收集径流以校核雨量计数据。本研究在2019年雨季共监测降雨26场，对8场所有绿色屋顶均产流的降雨进行分析，所选降雨特征如表1所示。其中包括3场中雨（降雨量10.0 ~ 24.9 mm），2场大雨（25.0 ~ 49.9 mm）和3场暴雨（≥ 50.0 mm），研究结果具有代表性。

表 1 场降雨特征

Table 1. Characteristics of the selected rainfall events

降雨日期
Rainging date降雨量
Rainfall/mm降雨历时
Rainfall duration/h最大雨强
Maximum rainfall
intensity/(mm·min−1) 07−1015.24.30.7207−2222.010.80.4807−2892.622.81.6808−0227.24.01.8408−0652.45.81.6409−0973.06.60.0409−1320.05.90.1610−0435.08.60.64 1.2 植物生长特征与根系特征测量

本研究于2019年4月栽植绿色屋顶植物，除建设初期适当灌溉（各绿色屋顶均未产流），监测期内无人工灌溉和施肥。试验期内在各绿色屋顶随机取10个监测点，定期测量植物株高，并采用照相法测定植被覆盖度[31]。雨季结束后，在各绿色屋顶选取3个20 cm × 20 cm的代表性样方，对植物的地上部分取样，并采用浸泡法[32]测定植物的最大雨水截留量。八宝景天、大花马齿苋和佛甲草的最大雨水截留量分别为0.36、0.42和0.35 mm，无明显差异。

从各绿色屋顶3个样方的全部基质中清洗并分离出植物根系。在400 dpi的分辨率下进行扫描，并使用WinRHIZO分析系统对根系特征进行分析，测定并计算植物根系的总根长密度、根体积密度、根表面积密度、平均根径和各径级根系的根长密度。

1.3 数据分析

基于水量平衡方程，绿色屋顶的场降雨径流量可由下式计算：

式中：R为绿色屋顶径流量（mm）；P为降雨量（mm）；I为植物截留量（mm）；St为基质可蓄雨水量（mm）。

绿色屋顶的质量变化过程可概化如图2所示。

图 2 绿色屋顶质量变化过程

Mt0. 降雨开始前绿色屋顶的初始质量； Mt1. 开始产流时刻绿色屋顶的质量； Mt2. 降雨过程中绿色屋顶的最大质量； Mt3. 产流停止时绿色屋顶的质量； T. 降雨停止时刻。Mt0, Initial mass of the green roof before the rainfall begins; Mt1, Mass of the green roof at the moment of runoff; Mt2, Maximum mass of green roof during rainfall; Mt3. Mass of the green roof when the runoff flow stops; T, the moment when rain stops.

Figure 2. Process of mass change of green roofs

绿色屋顶基质最大雨水滞蓄量（Wm，mm）、基质最终雨水滞蓄量（Ws，mm）、初损量（i，mm）和初损占比（Vi）可由下式计算。

式中：Mt0为降雨开始前绿色屋顶的初始质量（kg）；Mt1为开始产流时刻绿色屋顶的质量（kg）；Mt2为降雨过程中绿色屋顶的最大质量（kg）；Mt3为产流停止时刻绿色屋顶的质量（kg）；S为绿色屋顶的面积（m2），T为降雨停止时刻。

除上述指标，本研究选用径流削减率、洪峰削减率、产流延迟时间和峰现延迟时间4个指标定量对比绿色屋顶径流调控功能，各指标计算方法参考葛德等[33]。

2. 结果与讨论

2.1 植物根系特征

如表2所示：佛甲草的总根长密度、根表面积密度、根体积密度和平均根径均明显大于其他两种植物。总体来看，八宝景天和大花马齿苋的总根长密度、根表面积密度和根体积密度相近，但八宝景天1 ~ 2 mm和2 ~ 5 mm径级根系的根长密度均大于大花马齿苋，而0 ~ 1 mm径级根系的根长密度小于大花马齿苋（图3），表明八宝景天的根系较大花马齿苋更粗。

表 2 植物根系特征

Table 2. Characteristics of plant roots

植物种类
Plant species根长密度
Root length density/(cm·cm−3)根表面积密度
Root surface area density/(cm2·cm−3)根体积密度
Root bulk density/(cm3·cm−3)平均根径
Average root diameter/mm 八宝景天
Sedum spectabile2.860.510.010.625大花马齿苋
Portulaca grandiflora2.880.510.010.607佛甲草 Sedum lineare4.270.910.020.675

图 3 不同植物根长密度特征

Figure 3. Characteristics of root length density of different plant species

2.2 植物根系对绿色屋顶径流过程的影响

不同绿色屋顶的平均径流削减率和洪峰削减率如图4所示。八宝景天、佛甲草、大花马齿苋和对照绿色屋顶的平均径流削减率依次为53.06%、51.18%、46.42%和42.22%，平均洪峰削减率依次为60.11%、59.04%、56.78%和52.48%。八宝景天绿色屋顶的径流削减率和洪峰削减率均高于其他绿色屋顶。八宝景天绿色屋顶的产流延迟和峰现延迟时间的平均值也高于大花马齿苋绿色屋顶（图5），可见八宝景天绿色屋顶的径流调控效益优于大花马齿苋绿色屋顶。卢华兴等[34]和Zhang等[35]的研究均表明，细根可以促进基质形成大量连续的细小孔隙，相较 > 1 mm径级的根系，0 ~ 1 mm径级的根系更易形成优先流。本研究中，八宝景天和大花马齿苋的总根长密度、根表面积密度和根体积密度均相近，但大花马齿苋0 ~ 1 mm径级的根长密度大于八宝景天（图3），相较八宝景天绿色屋顶，大花马齿苋绿色屋顶的基质拥有更多优先流路径，导致大花马齿苋绿色屋顶产流提前且产流更多。这可能是八宝景天绿色屋顶的径流调控效益优于大花马齿苋绿色屋顶的主要原因。

图 4 不同植被绿色屋顶径流削减率及洪峰削减率

Figure 4. Green roof runoff reduction rate and flood peak reduction rate under different vegetation types

图 5 不同植被绿色屋顶峰现延迟时间及产流延迟时间平均值

Figure 5. Average delay time for peak appearance and runoff generation of green roofs with different vegetation types

本研究中，含植物根系绿色屋顶的平均径流削减率和洪峰削减率均明显高于对照绿色屋顶，这与葛德等[33]、Kazemi等[36]和Stovin等[37]的研究结果相似。然而，含植物根系绿色屋顶的产流延迟时间和峰现延迟时间均短于对照绿色屋顶，该现象与葛德等[33]的研究结果相反。根系会增加绿色屋顶基质的入渗速率并产生优先流通道[29-30, 38]，导致绿色屋顶产流时间提前，这可能是造成此现象的主要原因。

如图6所示：相对其他3种绿色屋顶，随降雨量增加，佛甲草绿色屋顶的峰现时间逐渐提前、洪峰流量逐渐增大。此外，佛甲草绿色屋顶的径流调控效益在4个绿色屋顶中的排名逐渐下降（表3）。在年度最大降雨条件下，其径流削减率和洪峰削减率已经低于无植被覆盖的对照绿色屋顶。李建兴等[39-40]和王鑫皓等[41]的研究表明，土壤的初始入渗率、稳渗率、平均渗透率和渗透总量均与根长密度和根表面积密度呈正相关。此外，根系越多会形成越多的优先流通道[35]。本研究中，佛甲草的总根长密度、根表面积密度、根体积密度和平均根径均明显高于其他2种植物（表2），佛甲草绿色屋顶的基质层可能拥有更多优先流通道。随着降雨量和降雨强度增大，绿色屋顶基质供水强度相应增大，相较通过基质下渗，雨水更易从优先流通道排走[42]，这可能是导致佛甲草绿色屋顶径流调控能力随降雨量增大而下降最为明显的主要原因。

图 6 绿色屋顶的径流响应过程

Figure 6. Runoff response process of green roofs

表 3 不同降雨条件下绿色屋顶的径流削减率及洪峰削减率排序

Table 3. Ranking of runoff reduction rate and flood peak reduction rate of green roofs under different rainfall conditions

降雨条件
Rainfall condition径流削减率排序
Order of runoff reduction rate洪峰削减率排序
Order of peak discharge reduction rate 中雨 Moderate rain (2019−07−22)SL
89.4%SS
87.0%PG
73.5%CK
65.7%SL
86.1%SS
72.0%PG
69.5%CK
65.2%大雨 Heavy rain (2019−08−02)PG
59.0%SL
55.6%SS
52.4%CK
48.1%PG
70.5%SL
62.2%SS
61.4%CK
51.0%暴雨 Torrential rain (2019−08−06)SS
21.2%PG
16.7%CK
14.8%SL
12.7%SS
27.9%PG
22.0%SL
21.4%CK
16.5%年度最大降雨
Annual maximum rain (2019−07−28)SS
25.1%PG
23.0%CK
19.9%SL
18.8%SS
30.0%PG
27.7%CK
27.6%SL
23.9% 注：SL.佛甲草；SS.八宝景天；PG.大花马齿苋；CK.无植被。Notes: SL, Sedum lineare; SS, Sedum spectabile; PG, Portulaca grandiflora; CK, no-vegetation. 2.3 植物根系对绿色屋顶基质持水能力的影响

7月22日中雨条件和9月9日暴雨条件下绿色屋顶系统质量变化过程如图7所示。中雨条件下，佛甲草、八宝景天、大花马齿苋和对照绿色屋顶的基质最大雨水滞蓄量分别为21.3、18.3、17.9和16.0 mm，最终雨水滞蓄量分别为19.2、16.9、16.8和14.8 mm；暴雨条件下，基质的最大雨水滞蓄量分别为32.8、29.6、29.6和27.4 mm，最终雨水滞蓄量分别为28.6、27.3、27.0和24.9 mm。基质最大雨水滞蓄量和最终雨水滞蓄量随植物总根长密度的增大而增大。原因可能如下：草本植物的根系可以提高绿色屋顶基质的孔隙度[24-25]，基质的持水能力与孔隙度呈极显著正相关[43-44]，因此植物根系可以提高绿色屋顶基质的持水能力。李建兴等[39-40]和王鑫皓等[41]的研究也表明，基质的持水能力与根系的根长密度呈显著正相关。佛甲草的总根长密度最大，其绿色屋顶基质的最大和最终滞蓄能力最强，而无植被覆盖的对照绿色屋顶基质最大和最终雨水滞蓄能力均最低。

图 7 绿色屋顶质量变化过程

Figure 7. Process of mass change of green roofs

中雨条件下，佛甲草、八宝景天、大花马齿苋和对照绿色屋顶的初损量分别为3.4、16.2、8.2和12.0 mm，初损占比分别为17.71%、95.86%、48.81%、81.08%。暴雨情况下，佛甲草、八宝景天、大花马齿苋和对照绿色屋顶的初损量分别为7.5、9.1、8.7和10.3 mm，初损占比分别为26.22%、33.33%、32.22%和41.37%。佛甲草绿色屋顶的初损占比小于八宝景天、大花马齿苋和对照绿色屋顶。绿色屋顶的初损过程是其能够有效滞留降雨的一个重要原因[45]，初损占比越小，说明其越易产流。本研究中，佛甲草的总根量明显高于其他两种植物（表2），导致佛甲草绿色屋顶基质受根系影响产生的优先流通道最多，其优先流最为活跃，初损量较小，且由于佛甲草绿色屋顶基质最终滞蓄量最大，因此其初损占比最低。

Zhang等[46]的研究通过称重传感器来监测计算绿色屋顶的滞蓄量，但仅通过监测降雨前后绿色屋顶的质量差值计算基质最终滞蓄量，并未监测绿色屋顶的质量动态变化过程，无法监测优先流和降雨对绿色屋顶质量变化过程的影响。大量有关绿色屋顶的研究均认为绿色屋顶基质达到田间持水量后才会产流[4, 47-48]，而本研究发现，依据绿色屋顶的质量变化过程的实测数据，Mt3大于Mt1，说明在绿色屋顶产流时基质并未达到田间持水量或饱和状态，绿色屋顶基质在产流开始后会继续吸持雨水直至达到田间持水量或饱和。在降雨停止前，由于雨水通过基质需要一定的时间，此时绿色屋顶基质含水量大于田间持水量[49]，基质达到最大滞蓄量。降雨停止后，绿色屋顶继续产流至重力水全部排出。因此，在绿色屋顶停止产流（即排空多余重力水）时基质含水量接近田间持水量。本研究认为，使用绿色屋顶刚产流时的含水量当作田间持水量进行模拟研究可能会低估绿色屋顶的径流削减能力。

3. 建议与展望

本研究于2019年雨季对3种不同根系特征植物和无植被覆盖绿色屋顶的降雨产流和基质含水量动态变化监测，定量分析植物根系对绿色屋顶径流调控功能的影响。研究结果表明，植物根系可以提高绿色屋顶基质的持水能力，提高绿色屋顶的径流削减能力，但同时也会使得绿色屋顶的产流和峰现时间提前，初损占比降低。因此，建议绿色屋顶植物筛选时考虑植物根系对其径流调控功能的影响。选用根长密度大的植物能够提高绿色屋顶的径流削减能力，但同时可能导致绿色屋顶产流提前；而选用根长密度较小的植物对绿色屋顶径流削减能力的提升不如根长密度大的植物，但产流时间较晚。此外，总根长密度相近的情况下，选择根径较细的植物可能有利于优先流路径的形成，从而降低绿色屋顶的径流调控效益。

有研究表明，根系的构型和分布也可能会影响绿色屋顶基质的滞留能力[50]，例如深根型植物会贯穿基质层，这可能会导致基质更早、更多产生优先流。需更加深入研究植物根系对绿色屋顶基质的影响机理。为了排除不同植物种类对基质造成的其他影响，未来可通过同种植物不同种植密度的试验组来定量分析根系对绿色屋顶水文过程的影响。此外，可通过在人工降雨条件下，剪去植物的地上部分来排除植物蒸腾作用的影响，定量监测植物根系对绿色屋顶径流调控效益的贡献率。

4. 结　　论

本研究通过对绿色屋顶的降雨产流和基质含水量动态变化监测，定量分析植物根系对绿色屋顶径流调控功能的影响。研究结果表明，绿色屋顶基质的雨水滞蓄能力随植物根长密度的增大而增大；然而受植物根系影响，绿色屋顶平均产流时间较无植被基质提前6 ~ 10 min，平均峰现时间提前9 ~ 26 min；相较 > 1 mm径级的根系，0 ~ 1 mm径级的根系更易形成优先流，因此在总根长密度相近的情况下，种植根茎较细植物（大花马齿苋）绿色屋顶的径流调控效益要差于种植根茎较粗植物（八宝景天）绿色屋顶；相同种植密度下，佛甲草的总根长密度和平均根径最大，其绿色屋顶的初损占比最低，相对其他绿色屋顶更易产流，且随着降雨量的增大，该绿色屋顶各项径流调控效益相对其他两种植物绿色屋顶下降更明显。本研究深入探讨了植物根系对绿色屋顶径流调控功能的影响机理，为绿色屋顶植物选择提供了参考。