超纤渗灌对绿色屋顶土壤水分和蒸散发的影响

吴昕宇，张清涛※，黄思宇，王志强

（1. 中山大学土木工程学院，珠海 519082；2. 中山大学华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室，广州 510275；3. 广东省海洋土木工程重点实验室，珠海 519082；4. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083）

0 引 言

蒸散发对植物的生长发育及小尺度气候调节有着重要影响，量化蒸散发还可提高对陆地生态系统中水循环和水文过程的理解。绿色屋顶可增加蒸散发，从而缓解城市热岛效应。裴婕等的水量平衡研究表明，蒸散具有显著的区域性差异，蒸散和降雨的趋势也基本一致，降水会改变土壤中的水分含量，进一步控制地表蒸散发量，且太阳辐射、温度、相对湿度等气象条件也是影响蒸散的重要因素。韩新生等的研究表明，植被的蒸散发受到气象因子、生长因子、土壤水分因子的显著影响。水分是影响屋顶植物生存的主要环境因素。但绿化屋顶往往基质层较薄，土壤水分容易耗尽。由于雨、旱季节降雨分配十分不均，故广东省的屋顶绿化需充分考虑灌溉。但目前关于屋顶绿化灌溉的研究相当匮乏，而且屋顶绿化灌溉由于会加大旱季城市用水需求及屋顶建设成本，而损害公众对城市灌溉系统的支持。因此，为节约水资源与人力、物力，亟需一种能够存储雨水并自动灌溉的装置来保证绿色屋顶持续正常运行。本文基于绿色屋顶常见灌溉方式和绿色屋顶的成功案例，采用了超细纤维毛细芯渗灌方式（以下简称超纤渗灌）。

超细纤维毛细芯是由纤维束集合体制成的轴心状织物。毛细芯连接绿色屋顶的蓄雨层和土壤层，借助毛细芯的毛细吸力从下方的蓄雨层中吸水，并在水势梯度控制下，通过土壤毛细管作用、植物根系吸水作用及土壤-植物蒸散发作用，实现水分自动补给。土壤越干燥，植物受水分胁迫越大，植物根部附近的土壤毛细管作用越强。相较于滴灌和喷灌，超纤渗灌系统因无需增压，故不会产生耗电耗能、水头损失等不利影响，也不会导致土壤板结，应用前景广阔。当前，绿色屋顶的研究尚偏向于植物筛选、城市径流减缓、水质净化及城市景观效果等方面，对于其蒸散发特点的研究较少，尤其是渗灌绿色屋顶的蒸散发研究很少。蒸散发量化研究是绿色屋顶的应用推广及效益评估的科学基础。基于此，本研究采用超纤渗灌的绿色屋顶灌溉方式，进行土壤含水率观测，并通过三温模型和蒸渗仪法来测算植物蒸腾速率及蒸腾量，从而探究超纤渗灌对绿色屋顶土壤水分及蒸散发的影响。

1 材料与方法

1.1 试验场地及布置

试验设置在广州市中山大学校园屋顶（23°5′N，113°18′E，高度20 m）。广州市夏季高温多雨，冬季低温干旱。广州地区每年入夏后会遭受台风影响，故其另一个气候特点是风速大、湿度高。试验所用屋顶周围无高大建筑物阻隔，位置开阔，毗邻珠江，屋顶年平均温度在19.2～25.3 ℃之间变化；平均最低温度为15.6 ℃，平均最高温度为32.8 ℃，年降雨量约为1 700 mm。

该研究利用适合广州气候条件的金鱼草、七里香、罗汉松、多肉、太阳花及佛甲草6种植物进行试验，将每种植物分别种植于独立的50 cm×50 cm×20 cm规模的聚丙乙烯种植盆中，种植盆结构示意图见图1，底部填充5 cm左右厚度的陶粒，陶粒顶部侧面开四口（直径2 cm）作为排水孔。陶粒层上方覆盖一层无纺布，可阻隔土粒进入下面的陶粒层（蓄雨层）。土壤基质层约13 cm，土壤层内均匀铺设4个直径为14 cm的“方向盘式”超细纤维毛细芯（超细纤维布料缝制而成），埋深为5 cm，放置方法是用小刀在无纺布上挖一个细孔，让“方向盘”式毛细芯的长条穿过这个孔直插到蓄水层底部，“方向盘”则放在土壤基质层靠近植物根部附近位置（图 1a）。土壤使用花卉市场购买的园土（腐殖质∶河沙∶草木灰∶蛭石=5∶2∶2∶1），试验所用种植盆的垂直结构图如图 1b，土壤容重约为0.96 g/cm，土壤pH值为6.7，呈弱酸性，田间持水量约为30%。2018年9月—2019年5月的试验设置包含金鱼草（）及七里香（）两种植物及未种植植物的裸土作为对照。2019年5月后，在此基础上增设了罗汉松（）、太阳花（）、多肉（）及佛甲草（）4种植物，每种植物有超纤渗灌处理与无超纤渗灌处理（无人工灌溉，土壤水分仅来自于自然降雨）各3个重复。试验过程中，除了刚布置完装置时往蓄雨层补充过水分以外，其余时间只通过种植盆自身蓄积的雨水作为灌溉水源。

图1 超纤渗灌系统垂直结构剖面及绿色屋顶聚丙乙烯种植盆 Fig.1 Vertical structural section of microfiber capillary wicking irrigation system and the green roof PVC planting pot

1.2 试验方法

本试验采用ML3-HH2便携式土壤水分测定仪测量盆内土壤含水率；降雨量数据由屋顶架设的气象观测仪器记录并导出。

本研究主要运用三温模型中的植被蒸腾模型，其相关公式如式（1）～（5）所示。

式中为蒸腾速率，J/(m·s)；R和分别为冠层及参考冠层（与植物相近颜色的纸叶片）的净辐射，J/(m·s)；为太阳短波辐射，J/(m·s)；∆ 为净长波辐射，J/(m·s)；、T和分别是气温、冠层和参考冠层温度，℃；为地表反射率，取常数=0.22；R为晴天太阳辐射，J/(m·s)；ε为大气放射率，ε为地表放射率，植被地表取0.98；是斯蒂芬-玻尔兹曼常数（=5.675× 10J/s∙ m∙ K，K=温度+273）。

本研究使用美国apogee公司的MI-210型红外温度测量仪测量屋顶植物叶片的表面温度、参考叶片（无蒸腾作用的绿色小纸叶）的表面温度。选择晴天从早上8:00测到晚上18:00，每隔1 h测量一次。测量时探头距离植株上方10 cm左右，每棵植株重复记录3次。此外，相邻屋顶（高度相同，直线距离30 m）架设的涡动协方差系统对屋顶的微气象要素进行了观测。潜热通量依据涡动相关法及能量平衡原理进行估算，如式（6）～（7）。

式中为净辐射，W/m；、LE和分别是显热、潜热和土壤热通量，W/m。

本研究采用称重式蒸渗仪，根据水量平衡方程有

式中 cET为时间段内实际蒸散量，mm；为蒸渗仪箱体表面积，m；W、W为-1和时刻蒸渗仪箱体内土壤和水的质量，kg；为水的密度，kg/m，=1×10kg/m；为时段内灌水量，mm。

本研究共布设2套蒸渗仪，将有超纤渗灌的佛甲草种植盆及无超纤渗灌的佛甲草种植盆分别置于其上。研究采用的蒸渗仪是北京时域通科技有限公司的WP50蒸发测量平台，测量范围为0～220 kg，数据采集器为该公司的i-Logger数采，型号为G12M。采用太阳能板提供直流电，控制电压为12V左右，每隔30 min自动记录一次佛甲草的蒸散发量。

研究采用Excel 2019对数据进行整理，采用IBM SPSS Statistics 24中的独立样本检验对有、无超纤渗灌处理的蒸腾速率进行方差分析和比较，采用origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 超纤渗灌对绿色屋顶土壤含水率变化的影响

图2为土壤含水率及降水情况。超纤渗灌处理的七里香、金鱼草及裸土盆内的平均土壤含水率分别比无超纤渗灌处理提高27%，18%及47%。有超纤渗灌的七里香、金鱼草及未种植植物的裸土盆内超过田间持水量（30%）的天数占比分别是22.2%，33.3%以及27.8%；而无超纤渗灌的种植盆中超过田间持水量的植物仅金鱼草一种（天数占比为27.8%），且无超纤渗灌的七里香、金鱼草的土壤含水率低于5%的天数占比分别比有超纤渗灌多40%和20%，属于水分胁迫状态，无植物的裸土盆内，有超纤渗灌的土壤含水率低于5%的状态比无超纤渗灌少5 d。3—5月份的土壤含水率整体偏大，是由于该时段降水较多，且有超纤渗灌的七里香比无渗灌的大，这与渗灌从底部蓄水层吸收较多的水分有关。

图2 绿色屋顶的土壤含水率及研究期间降雨情况 Fig.2 Soil water content of green roof and rainfall during study period

2.2 超纤渗灌对绿色屋顶植物蒸腾速率的影响

图3比较了不同类型植物有超纤渗灌及无超纤渗灌处理下的蒸腾速率与冠层温度的逐时变化情况，冠层温度的变化基本符合气温的变化趋势（以2019年7月27日为例）。整体而言，蒸腾速率有超纤渗灌显著（<0.01）大于无超纤渗灌处理的时间段集中在13:00—15:00，且有、无超纤渗灌处理的植物蒸腾速率日极差最大发生在气温最高的14:00左右，说明气温越高，越有利于超纤渗灌提升屋顶植物蒸腾速率。不同植物冠层温度差异较大，变化波动较明显，除佛甲草外，整体表现出有超纤渗灌处理的冠层温度低于无超纤渗灌处理的冠层温度。除金鱼草无论有无超纤渗灌处理下的冠层温度与气温最大差值一致为0.73 ℃外，其余植物在超纤渗灌处理下的冠层温度与气温最大差值分别比无超纤渗灌处理的多0.37、0.37、0.31、0.39及0.85 ℃；并且，有超纤渗灌处理的罗汉松、太阳花、金鱼草、多肉、七里香及佛甲草平均蒸腾速率分别比无超纤渗灌处理的蒸腾速率高41.15、15.98、31.69、20.17、22.33、19.45 J/(m·s)。

图3 不同植物蒸腾速率、冠层温度及屋顶气温（2019-07-27） Fig.3 Transpiration rate, canopy temperature and air temperature of different plants (2019-07-27)

基于对同一日期（2019年7月27日）不同植物有无渗灌处理下蒸腾速率的分析，罗汉松有渗灌处理与无渗灌处理的蒸腾速率差值最大，金鱼草次之，但罗汉松平均蒸腾速率最小，因此，选择了更具增加屋顶蒸散发潜力的金鱼草为例，以探究超纤渗灌在夏季不同日期对蒸散发日变化的影响。为避免降雨对结果的影响，选择4、5、6及7月中的晴天进行逐小时蒸腾速率变化的分析。通过三温模型得出2019年4月8日，5月18日，6月29日及7月27日金鱼草的蒸腾速率，如图4所示。蒸腾速率的变化情况几乎和绿色屋顶的潜热通量变化趋势同步，其中有超纤渗灌处理的金鱼草蒸腾速率比无超纤渗灌处理的蒸腾速率大，且有超纤渗灌与无超纤渗灌处理的蒸腾速率差值最大时，正处于日气温最高的12:00—14:00时段；4月8日、5月18日、6月29日及7月27日有超纤渗灌处理分别比无渗灌处理的日平均蒸腾速率多13.8、39.2、45.7及19.0 J/(m·s)，有渗灌处理分别比无渗灌处理的最高蒸腾速率多22.3、104.4、94.0及30.8 J/(m·s)，可见对于温度较低的4月8日，无论是日平均蒸腾速率还是日最高蒸腾速率都比其余3个夏季月份的小，说明温度越高，超纤渗灌增加植被蒸腾速率的效果越好，这也与2.2.1结果一致。

图4 不同日期的金鱼草蒸腾速率及潜热通量 Fig.4 Transpiration rate and latent heat flux ofAntirrhinum majus on different days

图5对比了相邻普通屋顶（无绿化水泥屋顶）与绿色屋顶的太阳短波辐射与潜热通量。不同时间的潜热通量变化表明：屋顶在6月29日潜热通量波动最大，这主要是因为前期降雨影响了蒸散发。除7月27日外，2019年4月8日、5月18日、6月29日，气温变化趋势基本符合太阳辐射变化趋势。4月8日、5月18日、6月29日与7月27日，普通屋顶的潜热通量均值分别为33.16、49.98、48.9与50.3 J/(m·s)。相较绿色屋顶而言，普通屋顶所观测到的潜热通量相对更小，说明普通屋顶用于蒸散发的能量很小，在夏季，绿色屋顶具有较大的增强屋顶蒸散发的潜力。

图5 不同日期的普通屋顶太阳辐射、热通量及气温 Fig.5 Solar radiation, heat flux and air temperature of ordinary roof on different days

2.3 超纤渗灌对绿色屋顶植物冬季月份蒸散量的影响

根据植物特性及生长状况，择优选择越冬能力最强的佛甲草为例，进行冬季（旱季）条件下渗灌处理对植物逐小时蒸散量变化的影响分析。为排除降雨对蒸散发的影响，本研究选取连续无雨的2019年11月9日0时—2019年11月27日18时近20 d代表冬季（旱季）来进行统计分析。通过称重式蒸渗仪测量得到佛甲草种植盆底部逐时的温度变化，并根据式（6）求出佛甲草连续蒸散量（图 6）。由于种植盆底部紧贴屋顶，故其底部温度会直接影响屋顶温度，也即能在一定程度上代表屋顶温度。由图6可知，11月9日—11月27日，有渗灌佛甲草的种植盆的底部平均温度比无超纤渗灌处理的高出0.25 ℃，这与绿色屋顶土层比水泥层具有更好的热调蓄能力，能增加屋顶的比热容有关。夜间（18:00—7:00）有超纤渗灌佛甲草的蒸散量比无超纤渗灌佛甲草多0.14 mm，但白天（7:00—18:00）有超纤渗灌佛甲草的蒸散量比无超纤渗灌处理的低0.57 mm，这就导致有超纤渗灌的总蒸散量稍低（图6中显示负值），总体减少9.3%，其原因是，渗灌处理早上露水较大，比无渗灌处理早上露水量多2.81 mm，故总蒸散量被抵消了。

图6 不同时间的佛甲草蒸散量及底部温度（2019-11-09—2019-11-27） Fig.6 Evapotranspiration/bottom temperature ofSedum lineare at different times (from 2019-11-09 to 2019-11-27)

图7是佛甲草11月9日—11月27日近20 d在0:00—23:00逐时的平均蒸散量，蒸散量的负值发生在6:00—11:00时间段，为露水或吸附水，且负值基本都是有超纤渗灌的处理，有超纤渗灌的佛甲草露水或吸附水较高。结合图6、图7还可看出，佛甲草蒸散量变化有明显的以日为单位的周期性变化，且有渗灌的佛甲草蒸散量波动幅度更大，其波峰主要集中在温度较高的下午时段，波谷主要集中在温度较低的早上时段，但本文未能详细探究超纤渗灌绿色屋顶蒸散发波动较大的机理，只能推测超细纤维可以吸附空气水汽，或有助于形成露水，促进这一部分非降水资源的利用。

图7 佛甲草平均蒸散量的逐时变化情况 Fig.7 Hourly variation of average evapotranspiration ofSedum lineare

3 讨 论

绿色屋顶对改善城市生态环境起着至关重要的作用，但在具体的工程实施过程中，要注意考虑屋顶地理位置高、光照强、风力大等环境因素引起的蒸散发作用强的问题。本研究采用的超细纤维毛细芯渗灌方法，成本较低，操作简单，还能减少土壤水分蒸发，在夏季减少干旱胁迫的发生，增加绿色屋顶的蒸散发量，在冬季起到提高屋顶温度进而蓄能保温的效果。

本研究在方法上采用了三温模型进行植物蒸腾速率的计算，运用三温模型估算蒸散发在许多农田试验中都表现出了强大的可靠性，但在绿色屋顶蒸散发估算适用性方面的研究有待深入，另外，若结合基于无人机的热遥感技术，三温模型将具有更广泛的应用。

该研究对比了有超纤渗灌与无超纤渗灌处理对不同植物蒸腾速率的影响，有超纤渗灌处理的罗汉松的蒸腾速率比无超纤渗灌高24%，是6种植物中最高的，这也说明植物本身的特性会影响超纤渗灌对绿色屋顶蒸散发的增强效果，未来有必要加强最适合超纤渗灌的植物筛选。本研究中，超纤渗灌能增加土壤含水率，减少水分胁迫情况的发生，这是因为相较于传统灌溉方式，渗灌能提高土壤含水率，使土壤湿润层集中在植物根部附近，从而很好地配合植物根系吸附作用，提高水分利用效率，减少水资源的浪费。但本研究只对比分析了有无超纤渗灌对土壤含水率大小的影响，渗灌材料的布置方式与深度也是影响土壤水分的重要因素，故还需继续探究超纤渗灌处理下土壤-水分-植物的耦合机理。

研究结果表明，在冬季，无论昼夜，有超纤渗灌佛甲草种植盆底部的温度都比无超纤渗灌底部温度高，这与Foustalieraki等的研究结果相似，寒冷时期屋顶绿化有助于室内空气温度升高，夏季有助于室内空气温度降低，使全年冷负荷和热负荷分别减少18.7%和11.4%。在蒸散量方面，冬季夜间有超纤渗灌植物的蒸散量比无超纤渗灌处理的多，但总蒸散量为有出现渗灌的稍低，可能与超纤渗灌的植物早上形成的露水大有关。相较于无超纤渗灌处理而言，有超纤渗灌处理的佛甲草蒸散量波动幅度更大，其波峰主要集中在温度较高的下午时段，波谷主要集中在温度较低的早上时段，但本文未能详细探究超纤渗灌绿色屋顶蒸散发波动较大的机理，只能推测超细纤维可以吸附空气水汽，或有助于形成露水，促进这一部分非降水资源的利用。此外，绿色屋顶植物蒸散发受到多方面因素的影响，但本研究只初步得出超纤渗灌处理对广州地区绿色屋顶土壤水分及蒸散发有一定的提升作用，对于风速、水汽压梯度对蒸散发的影响、超纤渗灌处理与各气象因素之间的相关性、超纤渗灌的节水效益量化研究等问题，还需要在未来的研究中继续深入。

4 结 论

1）有超纤渗灌的七里香、金鱼草及未种植植物的裸土盆的平均土壤含水率分别比无超纤渗灌处理的高了27%，18%及47%；超纤渗灌的七里香、金鱼草和裸土处理，土壤含水率超过田间持水量（30%）的天数占比分别是22.2%，33.3%以及27.8%，而无超纤渗灌处理下，只有金鱼草种植盆内存在土壤含水率超过了田间持水量的情况（天数占比为27.8%）。超纤渗灌提高了土壤含水率，减少了水分胁迫的天数，能一定程度上保证屋顶植物在旱季的生长供水，避免大面积枯死。

2）在夏季（雨季），不同植物的蒸腾速率日变化情况显示，有超纤渗灌的蒸腾速率显著（<0.01）大于无超纤渗灌处理的时间段集中气温较高的13:00—15:00时段；超纤渗灌处理的金鱼草蒸腾速率总体大于无渗灌处理，且气温越高，超纤渗灌对增加蒸腾速率的促进作用越明显。有超纤渗灌处理分别比无超纤渗灌处理的日平均蒸腾速率多13.8、39.2、45.7及19.0 J/(m·s)，有超纤渗灌处理分别比无渗灌处理的最高蒸腾速率多22.3、104.4、94.0及30.8 J/(m·s)，平均气温越高的日期，超纤渗灌处理增加蒸腾速率的值越大。

3）在冬季（旱季），对于屋顶温度而言，超纤渗灌能增加绿色屋顶的基质底部温度，平均高出0.25 ℃，并且相较于无超纤渗灌的绿色屋顶，超纤渗灌能减小冬季温度变化幅度，增大绿色屋顶的比热容，提高屋顶冬季的蓄能保温效果。夜间（18:00—7:00）有超纤渗灌的佛甲草蒸散量比无渗灌多0.14 mm，但是白天（7:00—18:00）有超纤渗灌的蒸散量比无渗灌低了0.57 mm，也即使蒸散量总体减少了9.3%。

总而言之，超纤渗灌能提高土壤含水率，在夏季增加植物蒸散量，且在冬季增加屋顶夜间蒸散量的同时，在白天促进屋顶吸附空气水分。