屋顶绿化的“经济-社会-生态-人文”价值及其对可持续发展的贡献

杨 楠，郭雅宁，张晓竹，郝 广

（1.华北理工大学生命科学学院，河北唐山 063000；2.南开大学环境科学与工程学院，天津 300350）

近些年，人口增长的进程越来越快，再加上城市化的加剧，据估计，到2050年，地球上三分之二的人口将居住在城市[1]。这些过程造成城市可用于绿化的面积不断减少，生态和环境问题日益增多[2]。根据国际生态与环境组织的调查，一个城市要有一个理想的环境，人均绿化面积需要在60 m2以上[3-4]。然而，由于中国大城市人口众多，建筑密度高，很难实现这一目标。为了缓解城市化过程中的不利影响，屋顶绿化作为一种基于自然的解决方案被提出，是一种有效的增加绿化面积的替代方案[2-3]。目前，全球各个城市都在积极推进屋顶绿化建设，但建造的目的往往出于景观价值、节能价值，对于绿色屋顶产生的其他潜在价值关注不足，尤其对屋顶绿化的经济-社会-生态-人文价值的认知程度低，因此公众对城市屋顶绿化建设的积极性不高，这些因素极大地影响了城市屋顶绿化的实施[2,4]。

为了创造有弹性和可持续发展的城市，确保经济发展、社会公平和生态系统稳定，屋顶绿化在经济-社会-生态-人文价值之间的作用需要高度关注。事实上，屋顶绿化所产生的价值是相互联系的，只有综合分析才能充分了解它们的重要性，特别是在可持续城市发展的背景下，有助于实现2030年可持续议程的发展目标，提升城市居民的福祉。

1 经济-社会-生态-人文价值的相互联系

目前，大多数研究都仅关注屋顶绿化单一方面的优势和价值，而在城市环境中，绿色屋顶在多个方面发挥着重要作用。本文构建了经济-社会-生态-人文价值的框架，将其应用于屋顶绿化，分析屋顶绿化的各个价值之间的相互联系（见图1），以更加全面地理解其作用。

图1 屋顶绿化在“经济-社会-生态-人文”价值中的作用及其对可持续发展目标的贡献

1.1 生态-社会价值

屋顶绿化的最重要的生态社会价值是雨洪管理。降雨期间，大部分降水被屋顶绿化系统中的介质或植被捕获，减少了径流的产生，被捕获的雨水最终从土壤表面蒸发或通过植物蒸腾作用返回大气中[5]。绿色屋顶可以减少31%～100%的径流[6-13]，这取决于绿色屋顶系统的类型、设计因素（如基质深度、成分、植物种类）及天气因素（如降雨强度和持续时间）等[6,14]。同时，该过程也会延迟径流洪峰时间。因为介质饱和及水通过介质排出需要时间，与几乎是瞬时径流的传统屋顶相比，绿色屋顶的径流延迟也差异很大[6,13]，这种延迟可以防止雨水下水道系统溢出及其造成的污染。

不透水的表面会收集污染物（如重金属、盐、有机物等），在径流过程中，将冲刷这些污染物进入水中，导致城市径流的水质接近处理过的污水甚至更差[15]。因此，降雨径流冲刷引起的城市面源污染已成为受纳水体污染的主要来源[16-17]。含有大量有机物的径流将导致河流、地表水富营养化，降低氧气的可用性，并导致水中生物的损失。被污染的径流不仅会影响自然生态系统，而且还会影响人类的健康。例如，未经处理的城市径流进入公共海滩，引起冲浪者的健康问题[2]。研究表明，绿色屋顶的基质和植物可以很好地吸收重金属（如铁、铜、铝和锌）、营养盐等，有效降低径流的污染负荷[10,15,17]。此外，径流的减少也降低了进入污水处理厂的污水总量，降低净化污水利用的能量值[18]，节约社会资源。

1.2 生态-经济价值

激烈的城市化和城市的无序发展决定了可用于农业的土地的减少，而人口增长导致许多国家粮食需求迅速增加。为了确保生活在城市环境中的人的粮食供应和粮食安全，人们提出可以通过引入城市农业来部分解决该问题[19]。事实上，屋顶可以被改造和用来种植不同的作物，成为城市农业的有效支撑，这也将极大地满足城市的粮食需求。在加拿大多伦多的一项研究发现，在65 万m2的屋顶种植蔬菜作物，每年可以生产470 万kg 农产品[20]。而新加坡公共屋顶多数适合屋顶农业，若在全国范围内实施，可使国内蔬菜产量增加700%，满足国内35.5%的需求，同时，由于进口产品减少使得新加坡的碳足迹一年减少9 052 t[21]。墨西哥城也进行了类似的研究，在那里城市农业很普遍，能满足20%的食物生产[22]。尽管绿色屋顶上的农产品不能完全取代其他食物来源，但它可以很好地支持当地的粮食生产。越来越多的研究证明了通过适当的管理（包括灌溉和最低限度的化肥投入），多数蔬菜能够生存，证明了屋顶上的城市农业是可能的[19]。同时，屋顶农业可以为许多物种重建自然栖息地，包括蜜蜂和其他传粉者，这也是屋顶上植物生存繁殖所必需的。城市农业的生产也将减少粮食的全球运输格局，减少由此产生的能源消耗及二氧化碳排放[21]。

1.3 生态-人文价值

城市化过程中，建筑、混凝土道路等人工设施代替了城市原生的自然生境，破坏了生物的栖息地，造成原生植物减少甚至消失，对生态系统产生了严重的负面影响[2]。在市区安装绿化屋顶，可在很大程度上改善周围环境，增加生物多样性并提供栖息地。绿色屋顶在很大程度上已经证明能够为包括昆虫和无脊椎动物、鸟类和蜜蜂等传粉者在内的许多动物物种创造一个良好的栖息地[2,23]。在柏林，具有50 年历史的绿色屋顶中存在大量蚱蜢、甲虫等节肢动物。在瑞士东北部，有90 年历史的绿色屋顶上生长着9 种兰花和其他稀有濒危植物。即使是相对较新的绿色屋顶也能为小型动物提供栖息地。在新建2～3年的屋顶中，也发现了大量的昆虫、节肢动物及鸟类[2]。在城市大范围内实施屋顶绿化也将形成绿色廊道，连通城市绿地网络，允许某些物种，尤其是流动性较差的物种提高其扩散能力，从而限制碎片化的负面影响[24]。

屋顶绿化正被园林、建筑界和社会各界所认识、接受，它将成为建设宜居、可持续城市的新途径，也将展现城市不同的特色[3]。新加坡由于土地资源匮乏、人口众多，在建国开始便不断探索人与自然的和谐相处的模式，由于在园林绿化、立体绿化中的成就使其成为世界公认的最宜居城市之一，也获得了“花园城市”的美称。

1.4 经济-社会价值

屋顶是城市环境中土地和大气之间的水和能量交换的关键元素。由于城市中大量的不透水表面导致地表径流没有保留在土壤中，可供蒸发蒸腾作用的水量就减少了，原本用来蒸发水分的太阳能被转化为显热。此外，许多不透水的表面往往是吸热结构。由于不透水表面的形成及这种结构的吸热特性，导致了城市热岛效应[25]。同时，城市化、工业化和交通密集导致的二氧化碳排放增加也加剧了热岛效应的发生。绿色屋顶上的植被在很大程度上有助于冷却空气和减少城市热岛。屋顶绿化后具有高反照率(范围为0.70～0.85)，与传统屋顶相比，介质、植物材料的遮阳和蒸腾作用可以减少高达90%的太阳辐射热[2]。同时屋顶生态系统截留降水、植物蒸腾、固碳释氧过程都有利于缓解热岛效应。大量的研究表明，绿色屋顶能够使室内温度降低了0.20～4.54 ℃[26-32]，有助于节约供暖和制冷系统的能源预计将减少年均能源需求的60%～70%，这高度依赖于选择的植物类型、基质深度及气候条件[6,14]。与此同时，屋顶绿化能够降低屋顶外表面温度0.20～11.3 ℃[26-30]，有效缓解热岛效应及避免其引起的健康问题，例如生理紊乱、器官损伤甚至死亡[2]。屋顶植被通过光合作用将二氧化碳转化为氧气，将减少城市地区长波辐射的加热作用，有效缓解热岛效应[25,33]，同时促进城市碳中和，减少城市的碳足迹。CO2固存能力取决于植被类型，一般从草类300 g·m-2(C)到灌木1 500 g·m-2(C)[33]。

屋顶绿化系统中生长介质和植物材料可以保护屋面膜免受太阳暴晒和紫外线的伤害，减少膜上昼夜的温度波动[26,30]，从而减少日常热胀冷缩的压力[26]。非绿色屋顶的日波动为最大可到50 ℃，而绿色屋顶的日波动仅为3 ℃[2]。因此，对温度的调节可以延长屋顶膜的寿命两到三倍。同时，屋顶绿化营造出的景观效应也会增加建筑的品位、格调，提升其潜在的经济价值（租金、房屋价值）[34]。

1.5 经济-人文价值

屋顶绿化及屋顶农业能够改善环境，美化景观，有助于人们的身心健康。研究表明，屋顶绿化能够通过文化生态系统服务（即社会行为方式，减轻压力，改善情绪、幸福感，提高社会凝聚力）及调节生态系统服务（减少热效应、空气污染，改善水管理，减少噪音）影响人类健康[35-36]。例如，当人们观赏绿色植物和亲近自然时，能够减轻压力，降低血压，释放肌肉紧张，增加愉悦的感觉，被认为是促进心理健康及对抗老年痴呆症的良好替代疗法[37]。由于屋顶绿化所在空间层次较高，就使得屋顶绿化的植物能在城市多层次空间中起到净化空气的作用（吸附、滞留和固定有害气体、细菌、烟粉尘、重金属元素，吸收、分解大气中的氮氧化物、氨气等有害物质），将有效减少城市居民呼吸系统、肺功能和心血管等疾病[38]。也有研究发现，厚度仅12 cm 的绿色屋顶基质就能降低噪音40 dB[2]，有效缓解听力障碍、高血压等心血管疾病以及烦恼、睡眠障碍等精神疾病[1]。因此，屋顶绿化能够通过向城市居民提供食物供应和生态系统服务，在改善人类生活方面发挥重要的作用。

此外，屋顶绿化和城市农业的普及促进了景观、园艺等绿色文化产业的发展[2]，带动与此相关的一大批文化、科技、工艺等的进步。这些过程也增加了城市的人文气息，在多方面为城市招商引资和招才引智增添亮点。

1.6 社会-人文价值

屋顶绿化可以为当地居民提供教育价值，例如社会和学习体验。屋顶绿化可以成为丰富城市教育和体验的工具，服务于在城市环境中长大的孩子的教育背景中，让他们有机会亲近自然，了解自然。例如学生们可以参与一些屋顶绿化/农业的实践活动，观察植物的生长，从植物中采摘食物，从而获得食物是如何生长、生产的经验[19]。在拥挤的城市地区，屋顶绿化也为城市居民创造了一个可供休憩娱乐的额外生活空间，加强了民众与自然的沟通交流，促进社会和谐[2]。

由于经济上的差距，在城市中富裕的社区拥有更多的绿化面积，而经济差的社区绿化面积较少，屋顶绿化不但能够降低绿化成本（城市建设用地与绿化用地），也促进了居民享受公共绿地的平等权[39]。

2 屋顶绿化对可持续发展目标的贡献

2015 年，在联合国可持续发展峰会上发布的《变革我们的世界：2030 年可持续发展议程》确立了实现可持续发展的17 项目标（简称“SDGs”），明确了人类社会对可持续发展的诉求[40]。作为一种基于自然的解决方案，屋顶绿化是城市可持续发展的一个强有力的工具，在经济-社会-生态-人文价值中发挥着不同的作用，有助于实现12项可持续发展目标。

屋顶最初被提议作为一种应对气候变化影响的工具（SDG13：气候行动），通过在屋顶上安装绿色空间来消除气候变化、城市化对城市生态系统的不利影响，例如减少城市热岛，减轻城市内涝等。此外，屋顶绿化系统中的基质和植物能够吸收、净化径流水质，减少对城市水源的污染，有利于城市人口使用清洁、卫生的生活用水，这符合可持续发展目标6（SDG6：清洁饮水和卫生设施）。屋顶绿化的隔热以及对热岛效应的缓解也减少了冷却系统的能源消耗，部分构成了一种新的清洁能源（SDG7：经济适用的清洁能源）。

屋顶上的植被群落为众多野生动物，包括昆虫、小型脊椎动物和传粉者提供适宜的生境，支持了城市生物多样性的增加，是保证生态系统得以维持的基础（SDG15：陆地生物）。同时，这也为人类创造了一个良好的生存环境和空间，有助于公民的身心健康（SDG3：良好的健康与福祉）。

由于城市农业在屋顶表面的潜在适用性，屋顶农业可以减少城市居民粮食的需求，特别是在贫困国家，那里许多人仅有有限的或根本无法获得粮食。城市的本地粮食生产有助于降低粮食供应系统的压力，从而支持旨在实现全球粮食安全的第二项可持续发展目标（SDG2：零饥饿）。屋顶绿化及屋顶农业也能为城市居民提供自然教育，促进居民建立人与自然和谐相处的理念（SDG4：优质教育）。事实上，当地的食品生产可以减少食品跨区域间的运输，减少了在这一过程中产生的污染和所需的能源消耗，带动了城市农业的可持续消费。此外，城市农业能够增强居民可持续食品消费的意识，从而减少了浪费，支持可持续发展目标12（SDG12：负责任消费和生产）。

屋顶绿化在城市范围内的广泛应用将有助于建筑业、工业的发展（SDG9：产业、创新和基础设施），创新材料和技术的发展将保证高效、可持续生产。屋顶绿化产业的发展与绿色协议政策相一致，该政策着眼于经济的可持续发展，并将创造新的就业机会，促进经济增长，有利于可持续发展目标8 的实现（SDG8：体面的工作和经济增长）。同时，屋顶绿化使得城市绿化面积变多，减少了由于经济差异导致的绿地分配不公的问题（SDG10：减少不平等）。

屋顶绿化的推广和实施需要多方利益共同体的参与和合作，这与新技术、新理念的发展密切相关。不同国家的研究人员也应该加强交流和对话，因此新的合作伙伴关系将诞生（SDG17：促进目标实现的伙伴关系）。

基于以上这些潜在的好处，大规模实施屋顶绿化方案将有助于创建可持续和有弹性的城市（SDG11：可持续城市和社区）。

3 结论与展望

本文综述了绿色屋顶在经济-社会-生态-人文价值中的作用，同时分析了其对城市可持续发展的重要性。在过去的几十年里，城市经历快速的城市化和全球变化，在这种背景下，在城市尺度上实施屋顶绿化将为应对该变化提供一种基于自然的解决方案，能够有效地支持可持续城市和弹性城市的创建。事实上，屋顶绿化在经济-社会-生态-人文全方面发挥着巨大的价值，支持减少城市内涝，减少热岛效应，有助于建筑节能，增值，增加生物多样性和增加城市景观、人文价值等。通过战略管理，例如将屋顶绿化纳入城市发展规划，科学合理规划布局，促进大规模安装实施，将为城市创造更加适宜的生存空间。同时屋顶绿化在很大程度上促进了《2030 年可持续发展议程》的众多目标，突出了它们在城市地区可持续发展中可以发挥的关键作用。

目前，大量研究仅关注绿色屋顶在经济-社会-生态-人文价值中的单一方面，同时对其在可持续发展过程的作用关注较少。因此，在今后的研究中应从以下几方面加强：1）绿色屋顶在经济-社会-生态-人文价值中的协同和权衡关系研究[41]。一方面，绿色屋顶的多种价值是由其种植的植物及基质决定的，增加一种价值可能会降低另一种价值，例如增加生物多样性会导致景观上的杂乱，降低美观。另一方面，绿色屋顶价值在不同空间布局中也存在协同权衡，例如一个能很好地提供一种利益的区域可能不能很好地提供另一种利益，例如栖息地连通性和雨水分流、城市热岛调节和空气质量改善之间会存在空间权衡[42]。2）绿色屋顶政策研究[43]。为了支持屋顶绿化的发展与推广，目前我国部分地方政府也出台了一系列绿色屋顶相关的激励政策，但所取得的效果尚未得到客观的评测，政策的有效性还未得到验证。因此，未来工作重点还应放在屋顶绿化政策（强制/激励机制）及其有效性研究上。只有通过政策效果的反馈才能评判政策的有效性，保证决策依据的客观性和科学性，更加科学有效地推进绿色屋顶的可持续发展。