上海地区佛甲草轻型屋顶绿化的越夏景观维护研究

苏怡柠，骆天庆*，金 樑，王晓娟

（1同济大学建筑与城市规划学院，上海200092；2上海科技馆，上海自然博物馆自然史研究中心，上海200041）

随着海绵城市建设的推进，上海市2015年修订实施的《上海市绿化条例》指出，中心城内新建以及改、扩建的公共建筑，凡高度不超过50 m的平屋顶，强制推行屋顶绿化。而利用景天科植物建设轻型屋顶绿化是全面推广屋顶绿化的一大途径［1-2］。

景天科植物佛甲草（SedumlineareThunb.）的干旱半致死时间可达140 d［3］，长期高温干旱对于其景观品质甚至存活影响显著［4-6］，现已广泛应用于上海的轻型屋顶绿化中。实践表明，佛甲草应用于上海地区的轻型平屋顶绿化可基本免维护，且在夏季白天的隔热效果明显，对降低夏季空调耗能尤为重要［7-8］；但夏季长时间高温少雨时，佛甲草会发生萎蔫，影响景观效果［1］，鉴于此，屋顶绿化养护中要尤为注意整个夏季的灌溉措施［9］。为保证佛甲草轻型屋顶绿化的越夏景观效果和生态效益，本试验开展佛甲草越夏露地观测并探究灌溉介入的小气候条件，以期为上海的轻型屋顶绿化推广提供实际参考。

1 材料与方法

研究选取上海市共青森林公园10号公共厕所的模块式屋顶绿化作为观测对象，于2016年6月初至10月中旬对佛甲草种植模块进行越夏实地观测。

1.1 试验场地环境和佛甲草种植模块

试验屋顶为一层钢筋混凝土框架结构建筑的双层双坡组合屋顶，采用50 cm×50 cm轻型模块式屋顶绿化，其中佛甲草种植模块共20个，每坡向各5个模块。试验屋顶安装美国Onset Computer Corporation公司的Onset HOBO小型气象站，监测气温、光合有效辐射、空气湿度、降水量、基质温度和基质含水量。

试验采用的种植槽（IN-WD5050，长50 cm×宽50 cm×高10 cm）和佛甲草均由上海茵能实业有限公司（原上海茵能节能环保科技有限公司）提供，种植基质由泥炭土与蚯蚓粪按体积比3∶1混合而成，种植基质初始厚度为8 cm，后因风力侵蚀及土壤板结厚度稍有下降，平均厚度约为7.5 cm。

四个坡向屋面中，南坡受场地周围的地面种植影响最小，全天无遮挡，日照最强，佛甲草的生长条件最为严苛，故选择南向屋面上的5盆佛甲草进行露地观测试验。

1.2 露地观测试验

试验期间未对佛甲草种植模块进行任何人工养护。现场观察佛甲草生长状况并采集种植模块照片，由公众评判该试验屋顶佛甲草的夏季视觉景观质量，并参考同期Onset HOBO小型气象站采集的数据，分析引发佛甲草景观效果变化的小气候参数特征，探讨防范佛甲草越夏景观效果下降的灌溉介入条件。

1.2.1 现场观察和照片采集

现场观察和照片采集每2周左右进行1次，在夏季高温干旱初始阶段（7月中旬至8月初）缩短观察和拍摄的间隔，以利于辨识景观效果下降、需要灌溉介入的时间节点。对南向屋面上的5盆佛甲草进行近距拍摄和照片编号，作为极端屋面条件佛甲草生长情况的参照。选取晴天、多云或阴天进行拍摄，前后共计10次，拍摄时间均为上午8：00—10：00。

1.2.2 景观效果评价

照片采集结束后，隐藏照片编号并随机排序，参照美国草坪评价方法（National Turfgrass Evaluation Program，NTEP）［10］进行评分。衡量指标为草坪色泽、密度和质地，依次按从大到小赋以权重。综合各项指标按1（最低）—9（最高）级评分，质量尚可接受为6分。最后取每次拍摄的5盆佛甲草照片的平均分作为当次实测的景观效果评价值。

1.2.3 灌溉介入节点确定

当实测的景观效果评价值低于6分时，即视为景观效果下降显著，应提前进行必要的防范性灌溉干预。通过分析景观效果评价值的变化情况，可区分景观效果演变阶段。比对Onset HOBO小型气象站的监测数据所反映的小气候特征变化阶段，可判识小气候改变诱发景观效果改变的一系列时间节点。其中，首次发生景观效果显著下降、小气候特征发生明显改变的时间节点，即为需要灌溉介入的节点。

1.2.4 灌溉介入时的小气候特征分析

对于灌溉介入节点到景观效果显著下降期间的小气候改变，首先，利用景观效果评价值和气象站记录的小气候参数，通过相关性分析和主成分分析，对各参数项影响景观效果的有效性进行检验。然后，对分析获得的有效因子，进一步综合比对研究文献提示的影响植物生长的主要环境因子，并参考气象参数的可获取性加以验证。最后，通过考察从灌溉介入节点到景观效果显著下降期间有效参数项的改变情况，辨识当期的小气候特征及灌溉养护的适用性。

2 结果与分析

2.1 佛甲草种植模块的生长情况

试验屋顶上的佛甲草5月开花，6月长势佳，7月中旬经历长达1周的高温无雨期后，盖度明显降低，茎徒长并倒伏。8月中旬持续高温后，叶色发黄，叶片稀疏。高温干旱阶段与降雨交替期间出现虫害，导致叶片残缺甚至干枯。9月气温降低，雨水增多，佛甲草萌发嫩芽。10月长势良好，植株逐渐恢复。试验期间南坡佛甲草种植模块中始终未观察到显著的野草、藤蔓植物入侵现象，表明成熟的佛甲草屋顶绿化具有较强的抗入侵性。

2.2 佛甲草景观效果评价及变化阶段划分

根据照片评分结果（图1），可将2016年6月至10月佛甲草的生长分为三个阶段：第一阶段（6月初至7月下旬）为正常生长阶段，叶片稠密、质地细腻、色泽深绿，视觉质量评分较高；第二阶段（7月下旬至9月初）为生长受阻阶段，密度下降明显、质地粗糙、色泽泛黄，视觉质量评分低；第三阶段（9月初至10月初）为恢复生长阶段，叶片、质地、色泽三方面均有提升，视觉质量评分回升。

图1 南坡佛甲草种植模块照片及评分结果Fig.1 Pictures and grades of sedum lineare modules on the southern slope

值得关注的变化节点是：6月18日有样盆分值低于6分；7月17日分值低于6分的样盆数增加；7月21日所有样盆分值均低于6分；8月2日样盆分值回升，但8月12日又下降；9月23日有样盆评分值回升至6分及以上；10月12日所有样盆均分恢复至6分以上。

2.3 与佛甲草景观效果改变相应的小气候环境特征变化阶段

图2 2016年6月至10月南坡气象数据Fig.2 Micro-meterological data of the southern slope from June to October，2016

根据同期Onset HOBO气象站的监测数据，小气候变化可分为五个阶段（图2）：第Ⅰ阶段（6月上中旬）温度（日均温、日最高温、基质温度，下同）平稳上升，降雨频率减少，基质含水量下降；第Ⅱ阶段（6月中下旬至7月上中旬）温度继续波动上升，降雨次数较多，基质含水量先升后降再升；第Ⅲ阶段（7月中下旬至9月上旬）光合有效辐射量明显增大，温度平稳在高位，降雨稀少，基质含水量处于低位；第Ⅳ阶段（9月）光合有效辐射量波动大但整体保持在高位，温度下降，降雨次数增加，日降水量明显增加，基质含水量明显上升；第Ⅴ阶段（9月下旬后）光合有效辐射降低，温度继续下降，降雨情况与前一阶段相似。

与佛甲草生长阶段对比发现，小气候的五个阶段中，第Ⅰ、Ⅱ阶段与佛甲草生长的第一阶段基本重合；第Ⅲ阶段与佛甲草生长的第二阶段相近；第Ⅳ阶段与佛甲草生长的第三阶段相近。

2.4 环境参数筛选检验

根据6月6日至10月12日期间10次佛甲草的景观效果评分，用线性插值法得到其余每天的佛甲草视觉质量评价分值。将分值与气象站提供的小气候参数进行Spearman相关性分析，结果显示日降水量、空气湿度、光合有效辐射、日均气温、日均基质温度、日最高温及日最低温与佛甲草视觉质量评价结果在置信度（双侧）为0.01时显著相关。其中，视觉质量评价结果与日降水量和空气湿度呈正相关关系，与其余参数呈负相关关系。

选取上述相关参数进行主成分分析，结果如表1所示。因子载荷量绝对值大于0.5的参数为有效参数，则成分1中有效参数包括日均气温、日均基质温度、日最高温和日最低温，均表征温度；成分2中有效参数包括日降水量、日光合有效辐射和空气湿度，表征辐射和湿度。

表1 旋转成分矩阵Table 1 Rotated componentmatrix

将上述有效参数和影响植物生长的主要环境因子［11-12］进行比对，并考虑到实际大面积养护时，只能借助当地天气预报提供的气象参数作为灌溉介入的判断信息，最终筛选出日最高温、最低温和降水量作为考察灌溉介入的环境参数（表2）。

表2 小气候环境参数选择Table 2 Selection of microclimate parameters

2.5 各景观变化时间节点前期的环境参数改变及灌溉介入条件

考察佛甲草景观效果改变的各个时间节点之前的日最高温、最低温和日降水量的变化特征（图3），发现景观效果下降的时间节点（6月18日、7月17日、7月21日、8月12日）之前多有一段无显著降雨期，期间温度总体呈上升趋势；而景观效果恢复的时间节点（8月2日、9月23日和10月12日）之前则均有降温和显著的降雨发生。其中，6月18日前5日无显著降雨（降水总量为2.0 mm），最后2日气温连续上升，日最高温接近35℃，日最低温在20℃左右；7月17日之前有降雨，气温升幅明显；而7月21日是景观效果显著下降的时间节点，之前4日无降雨，5日气温连续上升，日最高温连续两日在35℃以上，平均日最低温26.6℃，小气候条件更为严苛。8月12日前8日无显著降雨，日最高温接近35℃，平均日最低温26.7℃，小气候条件恶劣。而景观效果明显回升的时间节点9月23日和10月12日前温度变化平稳，9月23日前6日日最高温均在30℃以下，日最低温在20℃左右，前一次显著降水量达77 mm，其间有零星降雨，总量2.6mm；10月12日前6日日最高温在25℃左右，日最低温在15—20℃，邻近的一次显著降水量达29 mm。

图3 佛甲草景观效果变化节点前阶段的小气候变化Fig.3 Micro-meterological characteristics of the period before significant changes of visual quality

值得注意的是8月2日，佛甲草景观效果稍有改善，但之前5日的日最高温均接近或超过35℃，日最低温在25—30℃，温度条件比7月21日之前更加严苛；不过这一节点之前虽然同样是4日无降雨，但是7月28日的降水量达23.6 mm，高于7月16日的11.4 mm降水量，说明充分补充环境水分，对佛甲草在高温胁迫下的景观恢复至关重要。

从上述时间节点之前的小气候因子变化情况来看，佛甲草在上海夏季日最高温35℃左右、日最低温25℃以上的高温胁迫下，连续4日无降雨即可使其景观效果降至可接受水平之下；而短期高温胁迫后，环境湿度条件的改善，有助于景观效果的恢复；一旦高温缓解（日最高温低于30℃、日最低温低于20℃），并且一周内有显著降雨发生，佛甲草景观效果将明显改善。因此，连续3日气温上升、日最高温达35℃、日最低温达25℃、且期间无显著降雨过程的情况下，建议对佛甲草屋顶绿化进行灌溉。通过一定量的灌溉能够改善屋顶绿化的环境湿度条件，进而提升佛甲草的景观效果。

3 讨论

3.1 小气候环境因素对佛甲草生长的影响

植物景观效果是植物生长情况的反映。夏季高温和干旱等环境胁迫持续影响植物生长［13］。本研究中，小气候的变化要先于佛甲草生长情况的变化，因此根据小气候变化情况及时介入人工干预，可以改善佛甲草的景观效果。

7月中旬之前温度上升、降水量尚可时，佛甲草生长情况仍缓慢变差；7月中旬至8月中旬温度上升、降水量减少，佛甲草生长情况恶化；8月中旬至9月上旬温度下降、雨量较少，佛甲草生长情况出现好转，推测温度对佛甲草生长的影响最为直接。8月2日佛甲草景观效果暂时回升，则说明高温时期的有效降雨对于佛甲草生长的改善具有重要作用。

3.2 试验佛甲草屋顶的灌溉介入及其小气候特征

灌溉介入时机的判断是基于试验屋顶的观测结果。而实际观测过程中，小气候环境因子无法精准控制，同时，观测的频度和间隔受到试验条件的限制。另外，由于数据采集密度的限制，无法精确捕捉佛甲草生长情况的即时变化，因此也难以找到精准的灌溉介入时间节点。对于低维护轻型屋顶绿化，植物生长受到薄层基质的限制，故佛甲草模块在景观效果低于可接受水平之前需及时进行灌溉。因此，本研究将灌溉介入的时间节点提前至小气候特征发生不利改变的时候，以减少养护不及时的隐患。

3.3 试验观测期的气象特征代表性

以35℃为高温阈值，2016年7—8月Onset HOBO气象站监测到的高温日数为25 d，符合1991年以来上海市高温日数的增长趋势（按增长值估计，2016年7—8月高温日数为22.5 d）。因此，本研究试验观测期的气象特征能够反映上海地区的夏季高温天气特征，观测结果对上海地区的佛甲草绿化屋顶越夏养护具有参考价值。

4 结论和建议

上海地区佛甲草屋顶绿化视觉景观质量与环境温湿度条件显著相关。佛甲草越夏养护的关键时间点在7月中下旬，夏季养护需持续至9月初。连续高温时期的有效降雨对佛甲草景观效果有改善作用。为使上海地区薄层基质佛甲草屋顶绿化在夏季能够长期保持良好的景观效果，建议在连续3日气温上升、日最高温达35℃、日最低温达25℃、且期间无降雨过程时，介入人工灌溉。关于上海地区佛甲草轻型屋顶绿化越夏的具体灌溉方法、灌溉水量则需要今后更详细的研究。