蘇怡檸，駱天慶*，金 樑，王曉娟

（1同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海200092；2上?？萍拣^，上海自然博物館自然史研究中心，上海200041）

隨著海綿城市建設(shè)的推進(jìn)，上海市2015年修訂實(shí)施的《上海市綠化條例》指出，中心城內(nèi)新建以及改、擴(kuò)建的公共建筑，凡高度不超過(guò)50 m的平屋頂，強(qiáng)制推行屋頂綠化。而利用景天科植物建設(shè)輕型屋頂綠化是全面推廣屋頂綠化的一大途徑［1-2］。

景天科植物佛甲草（SedumlineareThunb.）的干旱半致死時(shí)間可達(dá)140 d［3］，長(zhǎng)期高溫干旱對(duì)于其景觀品質(zhì)甚至存活影響顯著［4-6］，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于上海的輕型屋頂綠化中。實(shí)踐表明，佛甲草應(yīng)用于上海地區(qū)的輕型平屋頂綠化可基本免維護(hù)，且在夏季白天的隔熱效果明顯，對(duì)降低夏季空調(diào)耗能尤為重要［7-8］；但夏季長(zhǎng)時(shí)間高溫少雨時(shí)，佛甲草會(huì)發(fā)生萎蔫，影響景觀效果［1］，鑒于此，屋頂綠化養(yǎng)護(hù)中要尤為注意整個(gè)夏季的灌溉措施［9］。為保證佛甲草輕型屋頂綠化的越夏景觀效果和生態(tài)效益，本試驗(yàn)開展佛甲草越夏露地觀測(cè)并探究灌溉介入的小氣候條件，以期為上海的輕型屋頂綠化推廣提供實(shí)際參考。

1 材料與方法

研究選取上海市共青森林公園10號(hào)公共廁所的模塊式屋頂綠化作為觀測(cè)對(duì)象，于2016年6月初至10月中旬對(duì)佛甲草種植模塊進(jìn)行越夏實(shí)地觀測(cè)。

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地環(huán)境和佛甲草種植模塊

試驗(yàn)屋頂為一層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑的雙層雙坡組合屋頂，采用50 cm×50 cm輕型模塊式屋頂綠化，其中佛甲草種植模塊共20個(gè)，每坡向各5個(gè)模塊。試驗(yàn)屋頂安裝美國(guó)Onset Computer Corporation公司的Onset HOBO小型氣象站，監(jiān)測(cè)氣溫、光合有效輻射、空氣濕度、降水量、基質(zhì)溫度和基質(zhì)含水量。

試驗(yàn)采用的種植槽（IN-WD5050，長(zhǎng)50 cm×寬50 cm×高10 cm）和佛甲草均由上海茵能實(shí)業(yè)有限公司（原上海茵能節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰荆┨峁?，種植基質(zhì)由泥炭土與蚯蚓糞按體積比3∶1混合而成，種植基質(zhì)初始厚度為8 cm，后因風(fēng)力侵蝕及土壤板結(jié)厚度稍有下降，平均厚度約為7.5 cm。

四個(gè)坡向屋面中，南坡受場(chǎng)地周圍的地面種植影響最小，全天無(wú)遮擋，日照最強(qiáng)，佛甲草的生長(zhǎng)條件最為嚴(yán)苛，故選擇南向屋面上的5盆佛甲草進(jìn)行露地觀測(cè)試驗(yàn)。

1.2 露地觀測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)期間未對(duì)佛甲草種植模塊進(jìn)行任何人工養(yǎng)護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)觀察佛甲草生長(zhǎng)狀況并采集種植模塊照片，由公眾評(píng)判該試驗(yàn)屋頂佛甲草的夏季視覺(jué)景觀質(zhì)量，并參考同期Onset HOBO小型氣象站采集的數(shù)據(jù)，分析引發(fā)佛甲草景觀效果變化的小氣候參數(shù)特征，探討防范佛甲草越夏景觀效果下降的灌溉介入條件。

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)觀察和照片采集

現(xiàn)場(chǎng)觀察和照片采集每2周左右進(jìn)行1次，在夏季高溫干旱初始階段（7月中旬至8月初）縮短觀察和拍攝的間隔，以利于辨識(shí)景觀效果下降、需要灌溉介入的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。對(duì)南向屋面上的5盆佛甲草進(jìn)行近距拍攝和照片編號(hào)，作為極端屋面條件佛甲草生長(zhǎng)情況的參照。選取晴天、多云或陰天進(jìn)行拍攝，前后共計(jì)10次，拍攝時(shí)間均為上午8：00—10：00。

1.2.2 景觀效果評(píng)價(jià)

照片采集結(jié)束后，隱藏照片編號(hào)并隨機(jī)排序，參照美國(guó)草坪評(píng)價(jià)方法（National Turfgrass Evaluation Program，NTEP）［10］進(jìn)行評(píng)分。衡量指標(biāo)為草坪色澤、密度和質(zhì)地，依次按從大到小賦以權(quán)重。綜合各項(xiàng)指標(biāo)按1（最低）—9（最高）級(jí)評(píng)分，質(zhì)量尚可接受為6分。最后取每次拍攝的5盆佛甲草照片的平均分作為當(dāng)次實(shí)測(cè)的景觀效果評(píng)價(jià)值。

1.2.3 灌溉介入節(jié)點(diǎn)確定

當(dāng)實(shí)測(cè)的景觀效果評(píng)價(jià)值低于6分時(shí)，即視為景觀效果下降顯著，應(yīng)提前進(jìn)行必要的防范性灌溉干預(yù)。通過(guò)分析景觀效果評(píng)價(jià)值的變化情況，可區(qū)分景觀效果演變階段。比對(duì)Onset HOBO小型氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所反映的小氣候特征變化階段，可判識(shí)小氣候改變誘發(fā)景觀效果改變的一系列時(shí)間節(jié)點(diǎn)。其中，首次發(fā)生景觀效果顯著下降、小氣候特征發(fā)生明顯改變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，即為需要灌溉介入的節(jié)點(diǎn)。

1.2.4 灌溉介入時(shí)的小氣候特征分析

對(duì)于灌溉介入節(jié)點(diǎn)到景觀效果顯著下降期間的小氣候改變，首先，利用景觀效果評(píng)價(jià)值和氣象站記錄的小氣候參數(shù)，通過(guò)相關(guān)性分析和主成分分析，對(duì)各參數(shù)項(xiàng)影響景觀效果的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。然后，對(duì)分析獲得的有效因子，進(jìn)一步綜合比對(duì)研究文獻(xiàn)提示的影響植物生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子，并參考?xì)庀髤?shù)的可獲取性加以驗(yàn)證。最后，通過(guò)考察從灌溉介入節(jié)點(diǎn)到景觀效果顯著下降期間有效參數(shù)項(xiàng)的改變情況，辨識(shí)當(dāng)期的小氣候特征及灌溉養(yǎng)護(hù)的適用性。

2 結(jié)果與分析

2.1 佛甲草種植模塊的生長(zhǎng)情況

試驗(yàn)屋頂上的佛甲草5月開花，6月長(zhǎng)勢(shì)佳，7月中旬經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)1周的高溫?zé)o雨期后，蓋度明顯降低，莖徒長(zhǎng)并倒伏。8月中旬持續(xù)高溫后，葉色發(fā)黃，葉片稀疏。高溫干旱階段與降雨交替期間出現(xiàn)蟲害，導(dǎo)致葉片殘缺甚至干枯。9月氣溫降低，雨水增多，佛甲草萌發(fā)嫩芽。10月長(zhǎng)勢(shì)良好，植株逐漸恢復(fù)。試驗(yàn)期間南坡佛甲草種植模塊中始終未觀察到顯著的野草、藤蔓植物入侵現(xiàn)象，表明成熟的佛甲草屋頂綠化具有較強(qiáng)的抗入侵性。

2.2 佛甲草景觀效果評(píng)價(jià)及變化階段劃分

根據(jù)照片評(píng)分結(jié)果（圖1），可將2016年6月至10月佛甲草的生長(zhǎng)分為三個(gè)階段：第一階段（6月初至7月下旬）為正常生長(zhǎng)階段，葉片稠密、質(zhì)地細(xì)膩、色澤深綠，視覺(jué)質(zhì)量評(píng)分較高；第二階段（7月下旬至9月初）為生長(zhǎng)受阻階段，密度下降明顯、質(zhì)地粗糙、色澤泛黃，視覺(jué)質(zhì)量評(píng)分低；第三階段（9月初至10月初）為恢復(fù)生長(zhǎng)階段，葉片、質(zhì)地、色澤三方面均有提升，視覺(jué)質(zhì)量評(píng)分回升。

圖1 南坡佛甲草種植模塊照片及評(píng)分結(jié)果Fig.1 Pictures and grades of sedum lineare modules on the southern slope

值得關(guān)注的變化節(jié)點(diǎn)是：6月18日有樣盆分值低于6分；7月17日分值低于6分的樣盆數(shù)增加；7月21日所有樣盆分值均低于6分；8月2日樣盆分值回升，但8月12日又下降；9月23日有樣盆評(píng)分值回升至6分及以上；10月12日所有樣盆均分恢復(fù)至6分以上。

2.3 與佛甲草景觀效果改變相應(yīng)的小氣候環(huán)境特征變化階段

圖2 2016年6月至10月南坡氣象數(shù)據(jù)Fig.2 Micro-meterological data of the southern slope from June to October，2016

根據(jù)同期Onset HOBO氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，小氣候變化可分為五個(gè)階段（圖2）：第Ⅰ階段（6月上中旬）溫度（日均溫、日最高溫、基質(zhì)溫度，下同）平穩(wěn)上升，降雨頻率減少，基質(zhì)含水量下降；第Ⅱ階段（6月中下旬至7月上中旬）溫度繼續(xù)波動(dòng)上升，降雨次數(shù)較多，基質(zhì)含水量先升后降再升；第Ⅲ階段（7月中下旬至9月上旬）光合有效輻射量明顯增大，溫度平穩(wěn)在高位，降雨稀少，基質(zhì)含水量處于低位；第Ⅳ階段（9月）光合有效輻射量波動(dòng)大但整體保持在高位，溫度下降，降雨次數(shù)增加，日降水量明顯增加，基質(zhì)含水量明顯上升；第Ⅴ階段（9月下旬后）光合有效輻射降低，溫度繼續(xù)下降，降雨情況與前一階段相似。

與佛甲草生長(zhǎng)階段對(duì)比發(fā)現(xiàn)，小氣候的五個(gè)階段中，第Ⅰ、Ⅱ階段與佛甲草生長(zhǎng)的第一階段基本重合；第Ⅲ階段與佛甲草生長(zhǎng)的第二階段相近；第Ⅳ階段與佛甲草生長(zhǎng)的第三階段相近。

2.4 環(huán)境參數(shù)篩選檢驗(yàn)

根據(jù)6月6日至10月12日期間10次佛甲草的景觀效果評(píng)分，用線性插值法得到其余每天的佛甲草視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)分值。將分值與氣象站提供的小氣候參數(shù)進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果顯示日降水量、空氣濕度、光合有效輻射、日均氣溫、日均基質(zhì)溫度、日最高溫及日最低溫與佛甲草視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果在置信度（雙側(cè)）為0.01時(shí)顯著相關(guān)。其中，視覺(jué)質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與日降水量和空氣濕度呈正相關(guān)關(guān)系，與其余參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

選取上述相關(guān)參數(shù)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果如表1所示。因子載荷量絕對(duì)值大于0.5的參數(shù)為有效參數(shù)，則成分1中有效參數(shù)包括日均氣溫、日均基質(zhì)溫度、日最高溫和日最低溫，均表征溫度；成分2中有效參數(shù)包括日降水量、日光合有效輻射和空氣濕度，表征輻射和濕度。

表1 旋轉(zhuǎn)成分矩陣Table 1 Rotated componentmatrix

將上述有效參數(shù)和影響植物生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子［11-12］進(jìn)行比對(duì)，并考慮到實(shí)際大面積養(yǎng)護(hù)時(shí)，只能借助當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)提供的氣象參數(shù)作為灌溉介入的判斷信息，最終篩選出日最高溫、最低溫和降水量作為考察灌溉介入的環(huán)境參數(shù)（表2）。

表2 小氣候環(huán)境參數(shù)選擇Table 2 Selection of microclimate parameters

2.5 各景觀變化時(shí)間節(jié)點(diǎn)前期的環(huán)境參數(shù)改變及灌溉介入條件

考察佛甲草景觀效果改變的各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前的日最高溫、最低溫和日降水量的變化特征（圖3），發(fā)現(xiàn)景觀效果下降的時(shí)間節(jié)點(diǎn)（6月18日、7月17日、7月21日、8月12日）之前多有一段無(wú)顯著降雨期，期間溫度總體呈上升趨勢(shì)；而景觀效果恢復(fù)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)（8月2日、9月23日和10月12日）之前則均有降溫和顯著的降雨發(fā)生。其中，6月18日前5日無(wú)顯著降雨（降水總量為2.0 mm），最后2日氣溫連續(xù)上升，日最高溫接近35℃，日最低溫在20℃左右；7月17日之前有降雨，氣溫升幅明顯；而7月21日是景觀效果顯著下降的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，之前4日無(wú)降雨，5日氣溫連續(xù)上升，日最高溫連續(xù)兩日在35℃以上，平均日最低溫26.6℃，小氣候條件更為嚴(yán)苛。8月12日前8日無(wú)顯著降雨，日最高溫接近35℃，平均日最低溫26.7℃，小氣候條件惡劣。而景觀效果明顯回升的時(shí)間節(jié)點(diǎn)9月23日和10月12日前溫度變化平穩(wěn)，9月23日前6日日最高溫均在30℃以下，日最低溫在20℃左右，前一次顯著降水量達(dá)77 mm，其間有零星降雨，總量2.6mm；10月12日前6日日最高溫在25℃左右，日最低溫在15—20℃，鄰近的一次顯著降水量達(dá)29 mm。

圖3 佛甲草景觀效果變化節(jié)點(diǎn)前階段的小氣候變化Fig.3 Micro-meterological characteristics of the period before significant changes of visual quality

值得注意的是8月2日，佛甲草景觀效果稍有改善，但之前5日的日最高溫均接近或超過(guò)35℃，日最低溫在25—30℃，溫度條件比7月21日之前更加嚴(yán)苛；不過(guò)這一節(jié)點(diǎn)之前雖然同樣是4日無(wú)降雨，但是7月28日的降水量達(dá)23.6 mm，高于7月16日的11.4 mm降水量，說(shuō)明充分補(bǔ)充環(huán)境水分，對(duì)佛甲草在高溫脅迫下的景觀恢復(fù)至關(guān)重要。

從上述時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前的小氣候因子變化情況來(lái)看，佛甲草在上海夏季日最高溫35℃左右、日最低溫25℃以上的高溫脅迫下，連續(xù)4日無(wú)降雨即可使其景觀效果降至可接受水平之下；而短期高溫脅迫后，環(huán)境濕度條件的改善，有助于景觀效果的恢復(fù)；一旦高溫緩解（日最高溫低于30℃、日最低溫低于20℃），并且一周內(nèi)有顯著降雨發(fā)生，佛甲草景觀效果將明顯改善。因此，連續(xù)3日氣溫上升、日最高溫達(dá)35℃、日最低溫達(dá)25℃、且期間無(wú)顯著降雨過(guò)程的情況下，建議對(duì)佛甲草屋頂綠化進(jìn)行灌溉。通過(guò)一定量的灌溉能夠改善屋頂綠化的環(huán)境濕度條件，進(jìn)而提升佛甲草的景觀效果。

3 討論

3.1 小氣候環(huán)境因素對(duì)佛甲草生長(zhǎng)的影響

植物景觀效果是植物生長(zhǎng)情況的反映。夏季高溫和干旱等環(huán)境脅迫持續(xù)影響植物生長(zhǎng)［13］。本研究中，小氣候的變化要先于佛甲草生長(zhǎng)情況的變化，因此根據(jù)小氣候變化情況及時(shí)介入人工干預(yù)，可以改善佛甲草的景觀效果。

7月中旬之前溫度上升、降水量尚可時(shí)，佛甲草生長(zhǎng)情況仍緩慢變差；7月中旬至8月中旬溫度上升、降水量減少，佛甲草生長(zhǎng)情況惡化；8月中旬至9月上旬溫度下降、雨量較少，佛甲草生長(zhǎng)情況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，推測(cè)溫度對(duì)佛甲草生長(zhǎng)的影響最為直接。8月2日佛甲草景觀效果暫時(shí)回升，則說(shuō)明高溫時(shí)期的有效降雨對(duì)于佛甲草生長(zhǎng)的改善具有重要作用。

3.2 試驗(yàn)佛甲草屋頂?shù)墓喔冉槿爰捌湫夂蛱卣?/h3>

灌溉介入時(shí)機(jī)的判斷是基于試驗(yàn)屋頂?shù)挠^測(cè)結(jié)果。而實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中，小氣候環(huán)境因子無(wú)法精準(zhǔn)控制，同時(shí)，觀測(cè)的頻度和間隔受到試驗(yàn)條件的限制。另外，由于數(shù)據(jù)采集密度的限制，無(wú)法精確捕捉佛甲草生長(zhǎng)情況的即時(shí)變化，因此也難以找到精準(zhǔn)的灌溉介入時(shí)間節(jié)點(diǎn)。對(duì)于低維護(hù)輕型屋頂綠化，植物生長(zhǎng)受到薄層基質(zhì)的限制，故佛甲草模塊在景觀效果低于可接受水平之前需及時(shí)進(jìn)行灌溉。因此，本研究將灌溉介入的時(shí)間節(jié)點(diǎn)提前至小氣候特征發(fā)生不利改變的時(shí)候，以減少養(yǎng)護(hù)不及時(shí)的隱患。

3.3 試驗(yàn)觀測(cè)期的氣象特征代表性

以35℃為高溫閾值，2016年7—8月Onset HOBO氣象站監(jiān)測(cè)到的高溫日數(shù)為25 d，符合1991年以來(lái)上海市高溫日數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)（按增長(zhǎng)值估計(jì)，2016年7—8月高溫日數(shù)為22.5 d）。因此，本研究試驗(yàn)觀測(cè)期的氣象特征能夠反映上海地區(qū)的夏季高溫天氣特征，觀測(cè)結(jié)果對(duì)上海地區(qū)的佛甲草綠化屋頂越夏養(yǎng)護(hù)具有參考價(jià)值。

4 結(jié)論和建議

上海地區(qū)佛甲草屋頂綠化視覺(jué)景觀質(zhì)量與環(huán)境溫濕度條件顯著相關(guān)。佛甲草越夏養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)在7月中下旬，夏季養(yǎng)護(hù)需持續(xù)至9月初。連續(xù)高溫時(shí)期的有效降雨對(duì)佛甲草景觀效果有改善作用。為使上海地區(qū)薄層基質(zhì)佛甲草屋頂綠化在夏季能夠長(zhǎng)期保持良好的景觀效果，建議在連續(xù)3日氣溫上升、日最高溫達(dá)35℃、日最低溫達(dá)25℃、且期間無(wú)降雨過(guò)程時(shí)，介入人工灌溉。關(guān)于上海地區(qū)佛甲草輕型屋頂綠化越夏的具體灌溉方法、灌溉水量則需要今后更詳細(xì)的研究。