《屋顶绿化生态系统》一书简介与启示

袁凌/ YUAN Ling

1 概述

1.1 背景

生态学，是研究生物体及其与周边环境之间相互关系的科学。1960年代以来，随着全球社会对生态环境问题的日益关注，生态学已经发展成为一门关于人类生活总环境的基础学科，为人类建立了认识并协调自身与环境关系的新途径（Eugene P. Odum，1997），同时也搭建了一个综合多个学科的、颇具共识的理论与实践平台。许多传统学科，如生物学、地理学、水文学、农林科学、环境工程学等，纷纷引入生态学理论，进而发展了生态学的许多极具价值的分支，如保护生态学、生态地理学（景观生态学）、生态工程（恢复生态学），等等；人居环境科学，包括城市规划、建筑学和风景园林等，在最近30年也吸收了大量生态学的内容，城市生态学、景观都市主义、绿色基础设施等理论应运而生。

另一方面，屋顶绿化作为一种“生态”的技术和意象已被公众和设计师所接受，大量研究表明屋顶绿化可以提供丰富的生态服务，许多城市也将屋顶绿化作为一项重要的生态修复措施和绿色基础设施，出台了很多相关支持政策，各种技术和产品也逐渐完善（Nigel Dunnett，Noel Kinsbury，2008）。但是，屋顶绿化项目建成后的实际使用情况却差强人意，很多项目需要投入大量人力、物力进行维护，或者仅能提供很少的生态服务，甚至产生污染和废弃物，反而成为环境的负担，或者因为投入不足而彻底荒废，等等，这都与“生态”的初衷相违背，也成为制约屋顶绿化进一步发展的主要瓶颈，这一现象在我国尤其突出（孙金金 等，2015）。

笔者认为，这些现象的出现，正是由于人们虽心怀“生态”愿望，但并不具备生态学知识、未按生态学规律实践造成的。很多研究和应用或多或少地忽视了屋顶绿化是一个“生命体”的基本特征（更不用说将其视为一个复合的生态系统），仅将其作为一种建筑表皮或特殊的园林景观对待，以静态的设计效果（特别是植被的视觉效果）为主要目标。实际上，屋顶绿化具备明显的生命特征（但不仅仅包括植物），又和周边环境有着密切的关系，是一组动态的生命过程（以及包含其中的物质和能量循环）而非静止的机器或图画，因此更适合应用生态学的相关知识。其次，既有的屋顶绿化研究分散在建筑学、风景园林、环境工程等各个学科中（袁凌，2016），受各自学术背景的局限，管中窥豹、自说自话，缺乏统一的理论基础。生态学则能够提供一个全面的视角和方法，统合相关学科形成合力，为屋顶绿化的研究和实践提供完整的指导。

21世纪以来，随着生态学的进一步发展，以及源于德国的简式屋顶绿化技术在全球范围内的广泛应用及长时间观测，西方学者逐步开展了关于屋顶绿化的生态学研究。在2007年的一篇开创性文章“屋顶绿化作为城市生态系统：生态结构、功能和服务”（Erica Oberndorfer et al.，2007）中“屋顶绿化生态系统”的概念被首次提出，文章尝试将屋顶绿化看作是一种特殊的生态系统，并提倡用生态学的视角、理论和方法开展相关研究和实践，这一进路很快得到了众多生态学者、屋顶绿化研究者和从业人员的认同和参与。

1.2 《屋顶绿化生态系统》一书简介

2015年，美国内布拉斯加大学林肯分校农学与园艺学系教授理查德·K. 萨顿（Richard K. Sutton）担任主编，集结30位欧美学者，出版了《屋顶绿化生态系统》（Green Roof Ecosystems）一书（图1，以下简称该书）。作为著名的斯普林格（Springer）出版社《生态学研究》系列丛书之一，该书所代表的屋顶绿化生态系统研究，可以看作是生态学的一个新领域，同时也是西方屋顶绿化研究的前沿和方向，具有较高的学术价值。

该书共分十七章。第一章是对屋顶绿化生态系统的理论性概述；第二章至第五章是对整个生态系统中的非生物部分，即各种物质流和能量流的研究，分别介绍了观测方法、热量、水文、营养循环等4个方面；第六章是屋顶绿化土壤，即基质的研究，作者②特别比较了商业基质和自然土壤对于屋顶绿化的优缺点，以及通过两个实验探讨了应用自然土壤模仿自然生态系统的可能性和潜力；第七章和第十四章分别是对微生物和节肢动物的研究，这是非常前沿的领域，但对于屋顶绿化生态系统非常重要；第八章和第九章研究了植物的多样性问题和生态服务功能，这也是目前生态学领域最关注的两个议题；第十章至第十三章，以及第十六章，主要将屋顶绿化放到更宏观的生态学视野下，基于不同的工程和实验案例，探讨屋顶绿化生态系统的本土化、群落组合和演替机制；第十五章再次回到理论研究，主要利用尺度等重要的生态学概念，对屋顶绿化生态系统进行理论梳理。最后，编者在第十七章进行了总结，并对未来的研究方向进行了全面展望。

该书不但内容丰富，案例详实，而且具有学科融合的特点。各章作者来自生态学、生物学、农林学、园艺学、景观设计、环境工程等不同领域，但都以生态学为基础，从不同角度对屋顶绿化生态系统进行了深入剖析，无论何种背景的读者，只要具备一定的生态学基础知识，就能够从中获得跨学科视角带来的启发和大量信息，这正是生态学这一平台的优势。该书还体现了生态学对屋顶绿化实践（包括设计、施工和运维）的重要意义，即在全生命周期和各级空间尺度上，使屋顶绿化生态系统尽可能少地消耗资源，可持续、健康地生长或演替，同时为人类社会提供最大化的生态服务。

1.3 本文的结构

本文并不打算对该书作全面的介绍，而是选取对我国当前屋顶绿化研究和实践最具参考价值的部分进行阐述。

首先，本文尝试对屋顶绿化生态系统的各个组成部分进行简要介绍，这是构成该书前半部分的基本内容，也为屋顶绿化的进一步研究提供了一种系统的认识论。

本文第三章介绍了北美学者对于“本土化”屋顶绿化生态系统的探索。“本土化”是笔者总结的词汇，用来归纳该书多个章节（不同作者）所共同提倡的一种策略。该词具有两层含义，一是以基质即土壤作为核心，引入土壤学、水文学、恢复生态学等理论进行设计；二是以项目所在地的生态本底为基础，充分研究当地气候、土壤、生物群落等各种因素，或直接模拟当地生境类似的自然生态系统，构建屋顶绿化生态系统。笔者认为这两个层面的“本土化”，正是当前我国屋顶绿化研究和实践普遍缺失、亟待弥补的重要环节。

第四章介绍了著名景观设计师、谢菲尔德大学景观系教授奈杰尔·邓尼特（Nigel Dunnett）编写的“杂草屋顶绿化”（Ruderal Green Roofs）（第十章）。基于城市生态学、生态过程和植物生长策略理论等既有研究，以及对城市生物多样性和新的生态美学的追求，邓尼特提倡以自发定殖、弹性演替为特征的“杂草策略”，代替以设计定殖并维持其稳定（代价高昂）为目标的传统屋顶绿化策略。这是未来屋顶绿化的重点发展方向：深入研究和充分利用杂草策略，才能真正实现屋顶绿化生态系统的长期合理性和生态服务功能的最大化。

该书在不同章节记录了许多长期观测的屋顶绿化案例，本文在第五章进行了介绍。通过分析这些长期观测得到的结论，可以佐证生态学理论对于屋顶绿化的普适性，以及“本土化策略”“杂草策略”的有效性；笔者认为这种长期观测记录也是我国当前所匮乏和亟需开展的，是未来屋顶绿化研究和实践的基石。

2 屋顶绿化生态系统的组成

2.1 “屋顶绿化生态系统”的概念及其意义

图1 《Green Roof Ecosystems》一书封面

根据最早提出“生态系统”一词的英国植物学家坦斯利（Tansley）的定义，生态系统是“生物与环境构成的统一整体，在这个整体中，生物与环境之间相互影响和制约，并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态”（Eugene P. Odum，1997）。这种将生物和环境当作一个整体看待，并以达到某种动态平衡为目标的“生态系统”的观念，暗含了人类自身的根本需求，对生态学影响深远，也为公众所熟悉。

“生态系统”概念的基本特征是开放性，包含两层含义，一是即使系统概貌与功能长期不变，其物质输入和输出也是连续不断的（Eugene P. Odum，1997），即动态平衡的状态；二是系统的边界（即对应尺度）可以根据需要设定，比如既可以把地球看作一个生态系统，探讨气候变化等宏观问题，也可以将池塘或花园看作一个生态系统，研究它对于周边居民的生态服务功能。生态学家将地球上的生态系统分成很多类型，如热带雨林、温带草原、沙漠，等等，之前的研究大多集中在这些自然生态系统类型方面，人工生态系统特别是城市生态系统是近期才开始受到关注的一个类型。而屋顶绿化生态系统则属于其中更细分、更微观的一个子系统，是一种相对简单又特殊的生态系统，是一种严酷的、新奇的、人造的生态位（Richard K. Sutton，2015）。

将屋顶绿化视为一种生态系统，一方面可以利用生态学的理论构架和生态系统的现有研究成果，对屋顶绿化本身进行更加深入、全面和系统的研究，将原本属于气象、水文、植物、微生物、环境等学科的知识整合起来，从而系统地改进屋顶绿化的设计和技术；反过来，也可以丰富或支持更宏观或更微观的生态系统研究和实践，比如，屋顶绿化作为一个子系统，不但在整个城市生态系统中参与资源分配和提供服务，并且和其他子系统发生互动。

2.2 屋顶绿化生态系统的基本组成

参照其他生态系统的相对成熟的研究，该书在第一章对屋顶绿化生态系统的基本组成及其相互关系进行了描述（图2）。这个生态系统主要包括以下组成部分：（1）生产者，主要是植物，它们通过光合作用转化和存储太阳能；（2）消费者（包括分解者），主要是微生物、土壤动物及其他动物等，它们以植物为食或将大分子有机物分解为小分子有机物，吸收并存储水和营养物质，将无机基质改造为植物赖以生存的土壤（成土作用），这对于整个屋顶绿化生态系统非常重要，但往往被忽视；（3）循环要素，包括热量、水、营养物质、有机物、基质等，它们在屋顶绿化生态系统中流动，相互间还存在一定的耦合关系；（4）能源和外部系统，包括太阳、大气圈、人与城市生态系统等，作为屋顶绿化生态系统的输入和输出环境。一般自然界的陆生生态系统受到人与城市生态系统的影响较少，而屋顶绿化生态系统则与之紧密联系。

图2 屋顶绿化生态系统基本组成及其相互关系示意

通过建立这样一个模型，将屋顶绿化中的所有组成部分纳入一个完整的系统之中，明确各部分在其中的位置、作用以及同其他部分的关系，研究者即可建立一种系统的认识。实际上，当前大多数研究都是以某个学科为背景，着眼于其中一个或几个要素，探讨这个系统中的一部分关系。屋顶绿化生态系统的提出，有助于研究者开拓视野、突破局限，也有助于学科的融合和创新。当然，具体的工作才刚刚起步。笔者将结合该书相关章节的内容，对一些组成部分进行简要介绍。

2.3 循环要素的观测

生态学的模型建立在可靠的数据基础之上。该书第四章介绍了西方屋顶绿化研究界在热量、水、风、基质特性、气体与碳交换等方面的观测技术所取得的进展和研究成果。总体说来，目前无机循环要素的观测都取得了一定的成果，但也存在不足。首先，各个学科和机构的研究者各自为政，观测数据比较零散；其次，由于经费的制约，其观测覆盖范围和数据量还不足；此外，关于各个要素的循环机制之间耦合关系的研究还很少。因此，作者指出了未来的工作方向：（1）在一个项目中全面采集各种数据，即数据集成；（2）实现自动、实时观测；（3）及时应用新型传感器；（4）拓展邻里和城市尺度的观测；（5）统一标准，建立区域性乃至全国性的数据库并实现数据共享。

以上建议对我国屋顶绿化行业的发展具有很好的参考意义。当前我国一些大城市开始加大屋顶绿化的推广工作，相关标准、规划、政策也陆续出台，相关基础数据库也应该及时建设，才能用数据和事实说话，推动屋顶绿化的技术进步和可持续发展。目前，上海的一些工作已经走到了前列（董楠楠 等，2016），值得其他城市学习和借鉴。

2.4 水文系统

该书第四章将屋顶绿化看作是一个水文系统，应用水文学和生态学的知识对现有屋顶绿化进行审视和改良。作者指出，目前流行的简式屋顶绿化系统（以德国FLL③标准为代表）源于北欧，具有特定的水文特征：采用耐寒耐旱的景天科植物，该类植物的蒸腾速率、需水量和储水能力都比较弱，适合生长在贫瘠、排水通畅的基质中，因此基质的蓄水能力也很弱，与大多数陆生生态系统相比，具有轻质、速干、低含水量的特点，比较适合气候温和、降雨充沛且均匀的温带海洋性气候。但并不能很好地适应其他气候条件，比如地中海式气候或内陆干热地区，需要蓄滞雨水能力强且排水缓慢的基质（较为理想的是能保持一定的土壤湿度达一周左右）或储水能力更强的耐旱植物（例如仙人掌）。另一方面，自然界很多生态系统有着完全不同的水文过程，比如冬季多雨的美洲西北太平洋地区，屋顶绿化的生境更适合自身储水能力很强的苔藓植物，这些苔藓植物甚至能够帮助其他（维管）植物调节土壤水分（图3）。

图3 不同的屋顶绿化水文系统（笔者主持的一个位于北京、无灌溉也无排水板的简式屋顶绿化项目中，在保水条件较好的位置自发生长了大量苔藓植物，印证了该章观点）

图4 多样性的（简式）屋顶绿化（笔者主持的北京某屋顶绿化项目，包括多年生乡土宿根花卉、景天科植物、一年生禾本植物甚至杂草等多种植物的组合实验，自2016年春建成以来表现良好）

因此，在不同气候区，有必要根据环境因素和实际需要设计特定的水文系统。首先是植物的选择及群落组合，即在高蒸腾能力（一般意味着能够提供较多的生态服务）和抗旱能力之间取得平衡；其次是与气候、植物匹配的基质性状（颗粒大小、孔隙率、吸水率、有机物含量等），甚至包括隔离层、排水板、溢水口等构造都可以重新设计；再次是屋顶绿化的坡向、坡度、遮阴（建筑物或构件）等。

此外，灌溉系统也是水文系统的一部分，在多数情况下，当前的技术标准仍是必要的，但有很大的改进空间。首先，灌溉系统应和气候、植物、基质、蓄排水构造相匹配，最有效的办法是实现智能化灌溉，但目前仍受到成本因素和可靠性的制约。如果在降雨不足的地区或季节尝试不加灌溉，那么这个系统中的其他因素——如植物的抗旱能力、基质的蓄水能力、遮阴措施等则需要充分调动起来，还可以允许整个系统发生一定的弹性变化，比如旱－湿植物群落的自然演替，这在本文后面的章节中会进一步介绍。

2.5 营养循环

既有研究大多从量化屋顶绿化的生态服务功能出发，停留在对屋顶绿化的固碳释氧能力、对污染物的净化能力和排放水平的观测中，很少从营养物质——主要是氮（N）、磷（P）、碳（C）——循环的大背景的角度进行研究，但这正是生态系统研究的基本内容之一，也是实现保持整个屋顶绿化生态系统的长期健康生长、提升并维持其提供生态服务的能力，以及降低污染排放这3个目标的关键。事实上，从营养循环的角度来看，这3个目标指向同一个问题。

该书第五章在总结相关研究的基础上，勾勒出一般屋顶绿化营养循环的大致特征。在C循环方面，屋顶绿化的NEP（Net Ecosystem Productivity，净生态系统生产力，指由大气进入生态系统的CO2量，即碳汇能力）很低，大致相当于温带森林的1%，与节能减少的碳排放相比也微不足道，因此屋顶绿化的直接碳汇能力基本可以忽略。另一方面，由于大多数屋顶绿化具有浅基质、快速排水的构造特征，无法像多数陆生生态系统那样在土壤中汇集营养物质，尤其是在建成初期和施肥后，是一个明显的、排向城市雨水系统的污染源，包括DOC（Dissolved Organic Carbon，溶解有机碳，一般认为是一种污染物）源、P源和N源（相对P较轻）等。

因此，目前大多数屋顶绿化本质上和很多人工生态系统——如农田、花园——类似，为了植物旺盛生长而人为地投入大量营养物质，随即造成了周边和下游环境的富营养化。如果屋顶绿化的核心目标是真正的而不是看上去的“生态”，那么必须深入研究营养循环的机制（还有很多物质，比如CH4、NOX等尚未研究），摒弃一些肤浅的观念，并着力扭转负面作用。比如，研发既生长旺盛又排放少的系统，基质应该蓄滞雨水同时留住营养；尽量依靠生态系统自身的固氮作用，将施肥最小化甚至不施肥，等等。

总之，屋顶绿化应成为营养物质的“汇”而非“源”，关键在于土壤而非植物。从自然界的演替规律及生态修复理论与实践——屋顶绿化正是一种生态修复——可以得知，无机基质吸收和存储营养物质的成土过程，是一个生态系统长期健康生长的基础，同时也是一个对环境有益的“汇”的过程，通过改变屋顶绿化生态系统中的一些观念和设计，是完全可以实现的，这在后文“本土化”一章会详细阐述。

2.6 植物多样性

植物是整个屋顶绿化生态系统中研究得最充分的领域。该书的第八章从多样性的角度探讨了屋顶绿化的植物问题。常见的简式屋顶绿化以为数不多的几种景天科植物为主，理由是它们更适应屋顶严酷的环境；但对草原等其他生态系统的大量研究表明，多样性植物群落的长期表现大大优于单一植物群落，能够更好地抵御气候变化、病虫害、物种入侵等胁迫，同时提供更多更好的生态服务。作者据此作出一个重要推论：可能有许多种类在屋顶（单一存在）环境中因表现不佳而被排除，但如果在合适的群落中则能够（作为一个整体）适应屋顶环境。因为多样性的群落具备以下优势和特征：错位生长，降低同种竞争的强度和密度；共生互惠，比如苔藓、地衣能够为维管植物改善营养、温度和湿度；复合的植被层具有更好的遮阳、保温和保湿效果；土壤越厚，动物、微生物种群越丰富，有利于植物生长，等等。

该书第九章探讨了屋顶植物能够提供的生态服务，如改善热环境、蓄滞雨水、净化空气、美学效果，等等。作者认为要取得生态服务的最大化，理想的屋顶绿化植物需要具备以下特征：（1）相对较大的叶面；（2）浓密的冠层；（3）慢生长的成形结构；（4）遮阴最大化，基质湿度损失最小化，但水充足时有蒸腾作用，干旱时保水，大雨时滞水；（5）浅色叶面，有叶毛或蜡质，反射热量且吸污；（6）明显的开花。实际上单个植物很难拥有以上全部特征，而多样性的植物群落则完全具备，也从另一个角度证明多样性的植物群落能够提供更多更好的生态服务功能（图4）。

但多样性不是通过简单的植物配置就可以实现的，还涉及生境营造、人工定殖与自然演替的关系等复杂而有趣的问题，在后文“本土化”“杂草策略”等章节和案例中将进一步阐述。

2.7 微生物

虽然微生物领域的研究在国外也刚刚起步，但几乎所有的研究者都承认微生物是整个屋顶绿化生态系统中不可或缺的一环。该书第七章介绍了西方学界取得的进展，值得引起重视。

微生物对任何一个生态系统的健康和生态服务功能都非常重要，是营养循环中的关键角色。当前研究表明，屋顶绿化中的微生物基本类型主要包括4种。（1）菌根真菌，一种植物根系与土壤真菌之间的共生联系，即植物提供碳（通过光合作用获得），交换真菌提供的营养物质；菌根真菌大大提高了植物在恶劣环境中的生存能力。有研究观测到某些菌根真菌在屋顶绿化中比较常见，但深层次的机制尚不得而知。（2）分解者，包括某些真菌和细菌，分解大分子有机物，影响土壤－大气的气体交换及营养物质汇集。（3）固氮细菌，禾本科和豆科植物与不同的固氮细菌能够建立起紧密的共生关系，这一点已经被人工生态系统广泛应用。（4）内生真菌，即生长在植物内部的细菌。少量研究表明内生真菌能够协助植物在屋顶更好地生存，包括大量的叶面微生物群落，对城市环境比较敏感，目前尚不清楚在屋顶绿化生态系统中的丰度和机制。

当前研究仅仅是开始识别其中一些明显的种类和机制，但即便如此，也揭示了微生物对屋顶绿化生态系统的重要性。比如，有研究者通过观察植物－土壤－微生物－节肢动物的相互作用机制发现，土壤有机物对微生物群落具有关键作用，其含量的波动影响微生物群落的数量、活力和组成，而这又会影响整个屋顶绿化生态系统的健康和生态服务功能；纽约的一项研究表明，屋顶绿化中最丰富的微生物是那些能够降解有机污染物且耐受重金属的群落，因此屋顶绿化的微生物群落有其特殊性，这可能是其区别于其他生境的关键特征之一。总之，对于屋顶绿化生态系统来说，微生物的组成和机制是一个亟待深入研究的基础领域，对学科和技术的发展有决定性作用。

3 本土化策略

近30年来，源自北欧的以轻型、快速排水的人工基质和耐旱的景天科植物为基本配置的简式屋顶绿化系统在世界范围获得了广泛应用，但也暴露出一定的局限性。基于各种气候条件、土壤和生物群落等地域生态本底，对现有的屋顶绿化系统进行改良和创新，笔者将其称为“本土化策略”，这是《屋顶绿化生态系统》一书中多个章节（不同作者）所共同持有的观点或倾向，笔者尝试将其归纳为以下几个方面。

3.1 对工程基质的本土化改良

北美洲的学者通过实践和观察，意识到源于德国FLL标准的工程基质并不能适应北美洲的各种气候条件。该书第三章以美国西南部的德克萨斯为例，开展了热带亚热带气候条件下的本土化改良实验。

作者首先观察并分析了热气候条件下基质中的水文、热力和植物分布根系特征。德克萨斯州屋顶的表面温度高达50℃（春季）至70℃（夏季），远高于植物根部的生理适应温度（一般为3～40℃），因此植物根系需要在一定的基质深度之下才能正常生长，观察当地植物根系在一个厚度为10cm的基质中的分布不难发现，根系只有在基质底部才逐渐展开（图5左）。因此，在热气候条件下，基质必须保证一定的厚度，本身还需要足够的热阻。此外，通过适当的遮阳避免屋顶过热和水分快速蒸发，在热气候特别是干热气候条件下是非常必要的。

其次，流行的工程基质具有快速排水的特点，不能满足热带植物根系的保水需求，因此，在基质厚度有限的情况下，需要开发有一定存水能力的基质，作者尝试采用分层的岩棉基质并取得了良好的效果，这种岩棉基质从农业中借鉴而来，上层的功能为透水和隔热，下层为储水层（图5右）。此外，蓄排水板上的存水杯也被证明能够发挥很大的作用，应该通过增加存水杯的数量和单个容积的方式提高其储水能力。

图5 左：在10cm厚基质中的一株4年生禾本植物的根系分布；右：分层的岩棉基质系统（来源：Green Roof Ecosystems）

我国的气候条件较北美洲更加多样化，但目前还没有针对不同气候条件专门开发相应的基质系统，这是亟需启动的工作。

3.2 土壤学视角：工程基质与自然土壤的比较

在所有陆生生态系统中，土壤是和大气、水并列的维持生命的重要介质，土壤学是一门历史悠久的独立学科，也是生态学的重要支撑。越来越多的学者倾向于将土壤视为一个有生命的系统，是陆生生态系统的组织中心，因为所有用于维持初级和次级生产力的必要成分——包括水、营养物质和有机物等——都存储在土壤中，并通过土壤发生再循环；相应的，土壤也是整个生态环境健康状况的最佳指示物，因为如果土壤的质量得以维持，那么其上的任何系统（天然植被、农业、林业、园林等）都得以持续（Eugene P. Odum，1997）。

这种土壤学的论断同样也适合屋顶绿化生态系统，不过大多数屋顶绿化采用工程基质而非自然土壤，该书第六章认为首先有必要从土壤学的视角，对工程基质和自然土壤进行比较。

常见的工程基质是一种人工混合物，无机基质的含量相对较高（一般在70%以上），且尽量选用轻质、多孔的材料，如浮石、膨胀珍珠岩、蛭石等；混合少量的有机物以供植物生长所需，如泥炭、锯木及肥料等。工程基质的优点在于：性状可控、有利于工业化生产和施工、荷载较小、排水快速等。缺点包括：（1）过于单一的生态系统和低生态服务；（2）并不是一个自维持系统，且只适合某些气候条件和植物；（3）无机基质的生产过程往往需要高温加热，会产生污染和碳排放。此外，越来越多的研究质疑工程基质的所谓稳定性，如有机质会随着时间增长，无机基质存在一定的侵蚀性，更明显的是在建造和运维过程中会受到种子污染（即杂草现象），等等。

相比工程基质，自然土壤最大的特征是其复杂性。自然土壤根据气候和发育程度本身有很多种类型，其无机质部分由各种不同比例的砾、砂、淤泥、粘土组合而成；有机质则是由不同来源（植物、动物等）、不同分解程度的腐殖质的混合物组成。此外，大多数天然土壤孔隙率低，颗粒过小，因而密度偏大，排水速度慢，甚至容易堵塞排水系统。对于屋顶绿化来说，这些特征一般被认为是缺点。

3.3 将屋顶绿化视为一种成土过程和生态修复：自然土壤的优势

从土壤学视角来看，屋顶绿化即使采用工程基质，其物理、化学和生物性状都会随时间而变化，即类似于包含淋溶和淀积作用的自然界的成土过程。经过一段时间、达到某种动态平衡的屋顶绿化基质，类似于某些环境下（比如干旱等）发育不成熟的自然土壤。

图6 左：福特沃斯市郊外的一种干旱荒原，被研究者作为原型在屋顶绿化生态系统中进行模仿，并将其（发育不成熟的）土壤移植到BRIT项目；右：BRIT屋顶绿化建成第三年的实景（来源：Green Roof Ecosystems）

更进一步，从恢复生态学的角度，屋顶绿化可以看作是一个生态修复过程。人类的建筑活动破坏了原场地上的生态系统，未施绿化的建筑屋顶和矿山、道路边坡类似，可以看作是一个强烈扰动之后原始植被破坏殆尽，但基岩和大气等外围因素仍然存在的生态系统；如果不进行人为干预——即生态修复，靠自然的成土作用和植被演替，需要数十至数百年的时间缓慢恢复到原来的生态系统，但这往往超出建筑的功能和寿命，所以除了建筑废墟外很少有完全自然恢复的实例。和矿山、边坡的生态恢复工程一样，人为加速生态系统的恢复速度即为生态修复（工程），而大量实践证明生态修复的技术核心是将健康的土壤接种到被破坏的系统中，特别是早期阶段。

如果以生态修复为目标，自然土壤则具有工程基质无法替代的优势，因为自然土壤的直接使用相当于大大加快了成土过程。首先，自然土壤中包含丰富的种子库，大量先锋物种可以快速定殖，而后续演替的物种也相当丰富；其次，自然土壤中还包含了丰富的生物库，包括维系生态系统健康运行所必需的各种微生物和节肢动物，可以迅速建立相对完整的生态系统；第三，自然土壤中有机物、营养物质种类丰富、含量充足，提供更多样、更有弹性的生态位；此外，多数自然土壤保水性较强，利于生态系统的抗旱。

作者进一步认为，自然土壤复杂的特性，尤其是富含未知的种子库、生物库和有机物，意味着生态系统的弹性和演化潜力，在长期表现上比单一系统具有更强的适应性，能够提供更多更好的生态服务。因此，作者主张在屋顶绿化生态系统的设计建造中，向矿山、边坡的生态修复学习，以自然土壤为基础，结合当地的生态本底，同时改良土壤和构造。

3.4 案例一：德克萨斯州植物学研究所屋顶绿化

第六章后半部分作者列举了德克萨斯州植物学研究所（Botanical Research Institute of Texas，BRIT）屋顶绿化项目作为本土化策略的一个案例。这个位于德克萨斯州福特沃斯市的项目始于2007年，业主和设计师（一群植物学家和生态学家）设想通过模仿本地的草原生态系统，将屋顶建成城市环境中本地物种的栖息地，是一个“调和生态学”（Reconciliation Ecology，指人类和其他生物间的调和）的尝试。

作者将具体的操作称为仿生策略（Bio-mimicry Strategy）或生境模板策略（Habitat Template Strategy），步骤包括：（1）寻找一个和屋顶绿化生境相似的本地自然生态系统；（2）模仿这个自然生态系统建立一个屋顶绿化生态系统，重点是将自然生态系统中的土壤接种到屋顶绿化上；（3）对比屋顶绿化生态系统和自然原型的长期表现；（4）不断改进屋顶绿化生态系统以优化功能。

图7 密西西比河两岸的干旱基岩断崖草原与当地屋顶绿化的类似生境（来源：Green Roof Ecosystems）

为此，该项目的业主和设计师深入调研了当地郊外的干旱荒原自然生态系统：以坚硬的石灰岩为基岩，土壤非常瘠薄且发育不成熟；由于气候干热且降雨不均，所有生物必须充分利用土壤水分波动，尽量存储水分以度过干旱期；而且没有哪一种植物能够持续主导，因为任何一种植物都无法持续适应这种不稳定的环境，同时积聚足够的生物量去屏蔽其他植物，这使得干旱荒原具有较好的生物多样性（图6）。

接下来，从荒原挖取的土壤被移植到BRIT建筑的屋顶，种植了一些经过实验挑选的本土多年生耐旱植物，并配合一些改良的构造方式，以更好地模拟荒原的水文环境，为了快速定殖，灌溉系统被用于第一个生长季并随后停止。一个干旱的夏季过后，几乎所有的多年生植物都枯死了，而自然土壤中的种子库快速重建了植被覆盖，从而证明自然土壤，包括其中的种子库和丰富的微生物群落，对于一个健康、有弹性的屋顶绿化生态系统而言具有重要意义。随后数年的观察显示，屋顶植物群落随气候的干湿波动而变化，超过90种新的植物被发现，除了来自自然土壤的种子库，也很可能来自鸟类和风媒传播。而丰富的节肢动物群落，甚至鸟类的栖息行为也被逐渐观察到。作者认为，一个源于当地荒原但位于城市环境中的新奇生态系统（Novel Ecosystem）由此被创造出来，实现了创造城市景观并为当地物种提供栖息地的初衷。

3.5 案例二：模仿当地草原植物群落的明尼苏达屋顶绿化

该书第十一章以作者在明尼苏达州的实践为例，讨论了本土植物群落在屋顶绿化上的应用。明尼苏达州位于美国中北部的北美大草原，作者发现其屋顶绿化的生境，包括基质特征，与北美大草原相似，特别是一种位于密西西比河两岸的干旱基岩断崖草原（图7）：土壤瘠薄，太阳暴晒，暴露在强风之中。作者通过实地调研和文献研究发现，这一生态系统中的植物群落是一种典型的北美大草原上的干旱植物群落：禾本植物的覆盖度在50%～100%之间，种类组合由土壤和地形决定，但往往小须芒草（Schizachryium scoparium）成为支配种，非禾本的草本植物覆盖度在5%～50%之间，种类组合复杂多变。禾本植物根系占有竞争（数量和速度）优势，因此其他植物只能发展大的结节状根，或者发展在禾本植物根幕之下的深根。

在作者负责设计的两个当地的屋顶绿化项目中，基于以上研究进行了植物配置，按照调研中统计的物种比例设定种植比例，以及早期和后期演替种。这两个项目均采用常见的人工基质及构造，配备灌溉系统，并进行日常维护。项目2008年建成后至2014年一直进行观察，其中一个案例的植物群落基本保持稳定，最初种下的44种植物在2014年仍有约34种繁盛。另一个案例建于2004年，从2010年起不再灌溉和除草，至2014年最初种下的植物种类大多数仍然存在。观察记录显示，物种组合每年都发生明显变化，干旱而无灌溉的年份覆盖度会有所降低，杂草也趁虚而入，占据超过25%的空间。

但无论如何，实践证明只要辅以灌溉，绝大多数草原植物都能够在瘠薄的土壤上繁盛（7cm），包括许多深根植物适应了屋顶绿化，根系水平发展。总体而言，草原群落组成了一个富有弹性的、本土化的屋顶绿化生态系统。

总之，屋顶绿化设计应向本土耐风和水胁迫的自然生态系统学习，包括其土壤和植物群落等多个方面。例如在北京地区的屋顶绿化，可借鉴北部坝上草原、西部干旱土石山区甚至西北干旱地区的生态系统及其生态修复工程的实践经验。

4 杂草策略

如果说本土化策略是向自然生态系统学习，那么杂草策略则来源于对城市生态系统的认识和利用。这个无处不在的外部系统，强有力地影响了屋顶绿化生态系统的方方面面；城市特殊的环境和动力，让屋顶绿化生态系统具有不同于农业和自然生态系统的重要特点。只有认清并顺应这些特点，屋顶绿化生态系统才能够真正健康地维持，为城市提供更多更好的生态服务。

英国著名景观设计师奈杰尔·邓尼特，在本书第十章“杂草屋顶绿化”中深刻分析了这一背景和机制，并结合生态学相关理论，提出杂草策略这一适合屋顶绿化的种植设计策略，具有很高的学术水准和实践参考价值。

4.1 从废墟景观到棕色屋顶

辉煌的城市似乎是人类掌控自然的象征。而各种原因形成的各种废墟，则一直警醒着后人，只要文明稍一退却，野蛮的大自然就会卷土重来，短短数十年，就可以将宏伟的人造工程变成荆棘丛生的废墟。但是，这些废墟多多少少又和纯粹的自然景观不同，这些混杂着城市和自然的奇特景观，历来是诗人和艺术家的灵感源泉，到了近现代则成为生态学家的兴趣点。二战后的柏林，因为特殊的政治环境导致一些空地——这些空地和市民的日常生活近在咫尺而被方便地观察——长达数十年无人扰动而杂草丛生，逐渐引起了植物学家和生态学家的注意。有趣的是，现今流行的简式屋顶绿化系统也源于二战后的西德，其原型或灵感极有可能来源于其中的一种废墟生境。

后工业化时代，很多西方城市也提供了类似废墟的环境，比如废弃的工业区，衰败的中央商务区（Central Business District，CBD），典型的如最近十多年的底特律。而在当代的欧洲，受这些废墟环境的启发，产生了“棕色屋顶”或“生物多样性屋顶”等概念和技术。这种屋顶模仿城市棕地（即废弃地）在没有或很少人为干预条件下的半自然生态恢复过程，多选用碎砖瓦、压碎混凝土块、杂填土等建筑垃圾，有时也加入原场地的表土、砂石或其他再生材料，以提供不同厚度和光照、水热条件的基质，为不同的本地植物群落、土壤动物和鸟类等大型动物，创造多样的、异质的生境，并通过构造措施控制或减少排水，保持旱季土壤的湿度，减少或取消灌溉设施，以尽量降低维护成本。这种屋顶为各种城市生物提供了栖息地，比如在伦敦，将一种名叫Black Redstat的明星鸟类的保护与生态多样性屋顶的建设紧密地结合在一起。

4.2 城市生态学

城市生态学发轫于二战后对城市废墟中动植物的研究，目前已成为生态学的一个重要分支。根据Forman（Richard，2014）的定义，城市生态学是“研究人类聚集区内的生物、人工结构和物理环境之间相互作用的科学”“是一门具有多样化应用前景的基础学科”。还有一些极具启发性的研究也极大地丰富了城市生态学的内容，例如Oliver Gilbert（1991）的《城市栖息地生态学》（The Ecology of Urban Habitats），揭示了城市相对于自然生态系统的共同规律和特殊性，以及适应了城市环境的一些动植物群落的惊人表现；P. Del Tredici（2010）的《美国东北部的野生城市植物：田野调查指南》（Wild Urban Plants of the Northeast: a Field Guide）更是热烈地提出“普世化的城市植物”的概念，指出那些完全适应城市环境的——往往是那些讨厌的杂草甚至入侵或归化物种——才是未来真正的城市植物。

城市生态学的研究为屋顶绿化提供了更多的理论支持，反过来，屋顶绿化也将成为城市生态学的一个重要研究对象和实践类型。相对于地面绿化，屋顶绿化是一种更加人工化、城市化的生境，不仅如此，屋顶绿化在建成之后，将形成一个与地面绿化完全不同的生态系统，其特征不仅表现在严酷的生境、极低的养护投入，更表现在较高的、大多数是不可预计的扰动频率（包括环境胁迫、人为干扰、周边生物群落的扩散影响等），导致其远远不是一个静止的系统，其基质、生物群落会随时间而变化。为了应对这些变化，需要一种适当的策略，形成具有一定胁迫忍耐力、弹性和多样性的生态系统。

4.3 杂草策略：用弹性代替稳定

对此，邓尼特基于功能生态学中的CSR理论，提出了广义的杂草策略。C即Competitor（竞争者），指在较低的环境压力下，那些生长茂盛的植物，它们采取最大化地摄取资源（光、水、营养）并将这些资源投入生长、占据空间、排挤其他物种的策略，在屋顶绿化水分和肥力充沛的情况下，那些高大的多年生草本植物，就是这样的竞争者。S即Stress-Tolerators（胁迫忍受者），最典型的属景天科植物，在资源非常有限的供给条件下缓慢生长出持久的、通常有保护性组织的叶子，以及一些特殊的生理结构。通常这些植物都不会太高产，稀疏、生物量不大，以紧凑生长、节约用能为特征。而R则指狭义的杂草（Ruderals），具有快速定殖、生长与繁殖以适应不断的扰动的特点，比如在两个干旱或寒冷季节之间快速生长，并开花结果繁殖后代的一年生草本植物。

在屋顶绿化这种特殊的环境下，过低的胁迫和扰动，会导致竞争者主导，但又不可能提供一个长期的、稳定的环境供其持续发展（一般而言，会按照草地、灌丛、乔木的路径持续演化为森林生态系统）；往往被一场扰动所中断（例如灌溉故障、干旱事件或病虫害，或者仅仅是人为清除），这往往导致屋顶绿化被迫宣告失败，要么荒废要么重新设计与建造，造成浪费。而一个被设计为S主导的，即目前最常见的景天科植物所支配的简式屋顶绿化系统，也不会是长久的、单一的稳定状态，竞争者和杂草都会在适当条件下在这里定殖。

在自然界和那些富有弹性的城市生态系统中，往往是一种受到外部条件影响的CSR之间的动态平衡状态。邓尼特指出，对于屋顶绿化而言，以（狭义的）杂草策略为主导的、综合其他两种策略的屋顶绿化种植设计，是保持屋顶绿化生物多样性和生态系统弹性的关键，这种（广义的）杂草策略是理想的屋顶绿化策略。邓尼特进而提出一种杂草屋顶绿化生态系统：以杂草策略为基础，以自发定殖、自然演替和周期性的、适度的人为扰动为基本特征，使其处在不断调整但有规律的过程中。这是一种自然界没有的、人类参与设计营造的全新的生态系统。

2007年，这一理论得以在邓尼特主持设计的谢菲尔德的一所小学的屋顶绿化中检验（图8）。该屋顶采用棕色屋顶的常见基质设计，“植物配置和维护”则采取持续观察与灵活干涉的杂草策略。第一年以自发定殖为主，雨季过后当地杂草作为先锋物种开始繁盛；第二年两种竞争植物出现并开始占据越来越大的空间，人为除去部分竞争者，并播撒多种草本植物种子。经过长期观察发现，在一年生的杂草植物中，最成功的是自播能力强的种子；而很多两年生和多年生的开花草本植物也非常成功，胁迫忍受者被逐渐排挤出局，而长远来看竞争者也无法获得完全成功，因为没有施肥，场地的生产力不够。总体来说，屋顶绿化长期的植物多样性取决于较强的繁殖能力（自播能力），以及胁迫条件下较为保守的生长特性。该项目迄今的表现——非常丰富的多样性和弹性十足的景观——获得了用户和当地政府的好评。

受园林绿化传统的影响，屋顶绿化中的杂草在大多数实践者眼中还是一个无法容忍、除之而后快的存在，实际上，很多屋顶绿化的设计理念、技术、维护措施就是围绕防范杂草、维持初始“植物配置”这个核心目标展开的。邓尼特从城市生态学中获得灵感和理论支持，重新审视杂草这一概念，并拓展成一种可以操作的策略，在实践方面获得了成功，相信对我国屋顶绿化研究和实践是一个很好的启示。

5 长期演替与观察

任何类型的生态系统，其生态价值和演替规律，都需要放到足够长的时间中进行观测。不只是屋顶绿化，其他人造或人工管理的生态系统亦是如此，环境工程师和景观建筑师们对这些生态系统的长期表现的预测能力，受制于可供参考的案例数量及其包含的数据。

具体分析屋顶绿化的“足够长”时间尺度，体现在几个方面：（1）单株植物及其他生物个体的生命周期尺度，比如一年生和多年生的植物，以季节或月为基本单元，研究周期横跨一到数年；（2）植物群落演替的时间尺度，以年为基本单位，研究周期一般5年起步；（3）屋顶绿化构造，特别是建筑防水的寿命，短则5年，长达数十年；（4）建筑的寿命，大多数建筑可以达到50年以上，欧洲现在还保留了一些具有100年历史的屋顶绿化，这得益于建筑本身的质量以及社会经济的稳定。但是，能够观测的时间跨度，却受制于实验设计、经费、研究者自身等实际情况，欧美大多数屋顶绿化的研究课题也仅持续1～2年的时间（Dvorak et al.，2010）。一些欧美学者意识到这个问题，从世纪之交开始着手对一些案例进行长期观察，并寻找一些建造年代较早、保存至今的屋顶绿化，参考相关图纸、文献，对其进行历史研究。

第十二章“群落组合与机制”、第十三章“长期屋顶群落”记录了若干长期、系统观察的案例，对开展类似研究很有借鉴意义。

第十二章重点记录了美国康奈尔大学的两处屋顶绿化在2004～2013年这10年间的植物演替，并对影响演替的相关因素进行了分析。这两处相邻的屋顶绿化，分别位于两栋单层学生食堂的屋顶，它们之间和前后分别是3栋大致平行的四层学生宿舍楼，从而形成了一种东西向的峡谷效应，可抵御冬季的寒风，形成了一个相对比较适宜的生境，但二者的日照水平由于前排建筑的遮挡状况不同而有较大差别（图9）。

两个屋顶绿化分别按照集中式和简式进行设计，维护方式相同（第一年灌溉，之后没有任何灌溉和维护），经过9年的持续观察，并对照其不同的生境条件，发现了一些有价值的信息，如表1和图10所示。

作者结合生态学理论和观察数据进行了总结。

（1）初始的种植设计，在没有维护（除草）的情况下，将很快发生杂草定殖，并随外部因素变化（主要是气候因素影响的土壤湿度），植物组合逐年波动。某些物种在某个时间段内可能形成支配性物种，比如屋1，2012年的干旱使得小须芒草繁盛，整个屋顶的物种多样性降低；但2013年多样性又开始恢复，作者推断作为先锋物种的小须芒草，支持未来的更稳定、更具多样性的群落。

图8 左：混合各种建筑废料作为棕色屋顶的基质；右：基于棕色屋顶和杂草策略的谢菲尔德Sharrow小学屋顶绿化实景（来源：Green Roof Ecosystems）

图9 左：康奈尔大学两处相邻的屋顶绿化，左侧虚线内为“屋1”，右侧为“屋2”；右：两个屋顶绿化的年平均太阳辐射小时数的差异，可以看出屋1日照条件较好，太阳辐射较为强烈，屋2相对荫凉，相应的土壤水分保持条件较好（来源：Green Roof Ecosystems）

图10 康奈尔大学两处屋顶绿化的初始种植设计与历时10年的演替观察，每种颜色代表一种植物及其分布范围（来源：Green Roof Ecosystems）

表1 康奈尔大学两处屋顶绿化的对比（根据Green Roof Ecosystems第十二章相关内容绘制）

（2）在气候和维护条件相同、基质还更薄的条件下，屋2作为单一景天科植物屋顶绿化系统，反而演替为相对稳定且具有更高多样性的绿色屋顶，作者推断主要有两方面原因。一是景天科植物具有“沙漠护士”功能，可在干旱气候条件下为小气候降温、保水，从而为其他植物抵御环境胁迫、协助其成功定殖，从而保持整个系统的弹性和多样性。第二个原因可能更重要，即太阳辐射强度，特别是在夏季，直接影响基质湿度，从而支配植物的长期演替规律；在该案例中，屋2位于更加荫凉的生境，夏季基质的含水率保持相对稳定，使其获得并维持了较高的生物多样性。

第十三章则记录了一些观测时间更长的案例，其中德国柏林的两个案例观测时间超过20年（1985～2005年），再加上北美的一些5～10年的案例，与上文康奈尔大学案例的一些观测结论类似，即影响屋顶绿化植物组合长期演替规律的因素包括：基质的组成和肥力、基质深度、基质湿度、微气候、屋顶坡度和朝向、灌溉、种植设计等。其中，基质湿度是一个关键因素，而基质湿度又主要由气候条件、辐射强度和灌溉条件决定。长期稳定的灌溉可以保持屋顶绿化生态系统的稳定性，但在实际中，这种情况只有在少数使用和维护频繁并且持续的花园式屋顶绿化中才得以实现。绝大多数屋顶绿化，从长期来看，都处在一种随气候和人为扰动（不持续的灌溉也可以看作是一种扰动）而波动的状态：干旱的年份会导致某些耐旱的植物形成支配种，而潮湿的夏天则又滋生新的物种定殖。这与邓尼特的结论类似，证明了杂草策略的普适性。

6 总结

该书的最后，编者萨顿对屋顶绿化生态系统的生态学理论基础、设计和维护方法、政策导向以及未来的研究和实践方向系统地进行了总结。笔者结合萨顿的总结与我国屋顶绿化发展的需求，提炼成如下重点内容。

（1）所有生态系统都是动态的，屋顶绿化也不例外，其波动的频率和幅度往往高于地面绿化。以往的屋顶绿化过于强调稳定，导致过高的投入和过低的生态服务，以及大量项目的短命和失败。屋顶绿化的设计和维护，应有一种范式（paradigm）的转变，才能改变目前尴尬的状态，而生态学及生态系统相关理论，正好提供这样一种途径。

（2）屋顶绿化是一个生命体，包含了植物、各种动物和微生物，在调节屋顶绿化生态功能中起关键作用的是基质和其中的微生物群落，我们对此还知之甚少，这方面的研究应该尽快展开。另一方面，在当前的设计和管理中，应给“未知”的生态系统留有余量，采用一种适应性的、灵活的、基于不断学习的、经验积累和数据分析的设计与管理方法。

（3）人类本身是屋顶绿化生态系统的一部分，屋顶绿化则是城市生态系统的一部分，与周边的自然生态系统也存在很多关联，因此诸如本土化、杂草等策略不失为一种理性而充满前景的选择。

注释

①“Green Roof”直译为“绿色屋顶”，但在我国更常用“屋顶绿化”，本文“绿色屋顶”和“屋顶绿化”为同义词。

② 文中“作者”一律指《屋顶绿化生态系统》的作者，“笔者”指本文作者，以示区别。

③ FLL为德国景观设计和园林建筑研究会。