俞偉，關(guān)慶偉

(南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)院；南方林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037)

隨著環(huán)境問題的加劇，人們開始尋求利用自然的方式，即通過城市下墊面的綠化回歸到其自然屬性來改善局域環(huán)境和城市微氣候[1-2]，營建種植屋面是一種有效措施[3]。輕型種植屋面的改造對(duì)象是既有建筑，由于受屋面承載力限制，其土層不能太厚(通常h<15 cm)，一般以草本植物為主。土層薄意味著儲(chǔ)存水量少，只能優(yōu)先選擇耐熱抗旱性強(qiáng)的景天科植物[4-5]，所以，佛甲草(SedumlineareThunb)在目前輕型種植屋面工程中得到廣泛應(yīng)用[6]。

由于輕型種植屋面改變了原有建筑屋頂?shù)南聣|面性質(zhì)，從而可以有效減弱城市的熱島效應(yīng)[7]。大量研究表明，即使土層不是很厚，其隔熱效果也很顯著[8]，除了可以有效降低建筑物夏季能耗[9]，在雨期還可以減少降雨產(chǎn)流總徑流量，延遲產(chǎn)流時(shí)間[10-11]；其次，草本植物本身也可以通過向地下部分輸入凋落物，以增加土壤有機(jī)碳含量從而起到固碳作用[12]；當(dāng)然，種有草本植物的輕型種植屋面還能發(fā)揮其他作用[13-15]。除此之外，還有針對(duì)種植屋面不同構(gòu)造層次展開的研究，如:是否有蓄水層以及不同的種植土(基質(zhì))層對(duì)種植屋面熱工性能的影響[16]；蓄水層對(duì)屋面植物水分狀況和生存的意義[17]；并進(jìn)行了相關(guān)模型的研究[18-20]。

《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》(JGJ 155—2013)規(guī)定種植平屋面的基本構(gòu)造層次包括：基層、絕熱層、找坡(找平)層、普通防水層、耐根穿刺防水層、保護(hù)層、排(蓄)水層、過濾層、種植土層和植被層等。同時(shí)，根據(jù)各地區(qū)氣候特點(diǎn)、屋面形式、植物種類等情況，可以增減屋面構(gòu)造層次，選擇不同材料。通常建筑防水要求屋面不能積水，而植物的抗性有限，因此，人們開發(fā)出具有蓄水性能的排水材料來應(yīng)對(duì)干旱天氣，使排水層兼具蓄水性能，即構(gòu)成排(蓄)水層(以下簡(jiǎn)稱排水層)；也使得輕型種植屋面的蓄水量大小主要由排水材料的蓄水性能決定。由于排水層位于種植土層以下，又兼具蓄排雙重功能，因此，在各構(gòu)造層次中起到承上起下的重要作用，并逐漸受到關(guān)注[21]。如果在排水層選擇不同蓄水性能的排水材料，那么對(duì)于種植屋面的土壤則均可視為一種處理；并且排水材料中儲(chǔ)存的水與土壤顆粒沒有直接接觸，導(dǎo)致種植屋面土壤水的補(bǔ)充過程相對(duì)自然界土壤水的保持和運(yùn)動(dòng)有很大不同。目前，人們多是根據(jù)排水材料蓄水性能來推斷其補(bǔ)水效果，而有關(guān)材料蓄水量大小對(duì)上層土壤墑情的實(shí)際影響尚沒有看到有關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道。筆者選取了5種常用排水材料(4種具有蓄水性能)，通過構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái)模擬輕型種植屋面，在室內(nèi)自然狀態(tài)下對(duì)不同材料處理后的土壤溫、濕度以及土壤底部空氣溫、濕度進(jìn)行了多維定量研究，主要探討了輕型種植屋面不同排水材料蓄水性能的實(shí)效性，以及由此可能導(dǎo)致其土壤熱濕環(huán)境發(fā)生變化的原因，并對(duì)種植屋面保溫隔熱作用的季節(jié)性差異進(jìn)行了討論。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)的5種排水材料分別是碎石、陶粒、HDPE排水板、玻璃輕石和PVC排水板(圖1)。碎石和陶粒是種植屋面?zhèn)鹘y(tǒng)的排水材料；玻璃輕石是利用廢玻璃研磨、高溫焙燒、發(fā)泡膨脹后冷卻而形成的一種多孔輕質(zhì)無機(jī)材料，是近年來開發(fā)的循環(huán)利用型產(chǎn)品；HDPE和PVC排水板屬于塑料類塊狀有機(jī)材料，是目前市場(chǎng)上最有代表性的兩種型號(hào)。排水層材料總厚度均為 3 cm。

圖1 試驗(yàn)材料Fig.1 Test materials

根據(jù)前期試驗(yàn)得到的材料蓄水性能指標(biāo)[22]，通過材料蓄水體積比(蓄水體積/材料所占空間體積)，可計(jì)算出5種材料在3 cm厚時(shí)每平方米最大蓄水量，蓄水量從大到小依次為：PVC排水板>玻璃輕石>HDPE排水板>陶粒>碎石(表1)。通常認(rèn)為碎石沒有蓄水能力(吸水率在1%～2%之間)。

表1 不同排水材料基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of different drainage materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)地為一塊約600 m2的水泥空地，主方向朝南偏西。試驗(yàn)平臺(tái)由15個(gè)1 m×1 m的種植池組成，下部架空以模擬種植屋面(室內(nèi)自然狀態(tài))。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每種材料對(duì)應(yīng)一個(gè)種植池(圖2(a))，5個(gè)種植池連成一組，共3組(即5個(gè)處理3個(gè)重復(fù))，組間距0.8 m。種植土取自一苗圃地0～60 cm土，去雜后充分混合均勻，設(shè)計(jì)土層厚度12 cm，統(tǒng)一植物配置為佛甲草(SedumlineareThunb)；2014-03-23進(jìn)行佛甲草根莖撒播(每池1.5 kg)，等量充分澆水培育；至當(dāng)年4月底，佛甲草已完全覆蓋種植池，停止人工養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建完畢(圖3(a))。

種植池構(gòu)造：池壁為12 cm厚磚砌體，內(nèi)外均用水泥砂漿找平，基層采用預(yù)制鋼筋混凝土板架空；根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康臎]有設(shè)置絕熱層、防水層和保護(hù)層；過濾層統(tǒng)一采用200 g/m2白色土工布，每池預(yù)埋一直徑2.5 cm的PVC排水管(圖2(b))。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)Fig.2 Test bed design drawing

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Test site

1.3 數(shù)據(jù)采集

土壤溫、濕度數(shù)據(jù)采樣周期總計(jì)15個(gè)月，分為前后兩個(gè)階段。第1階段時(shí)間為2014年10月—12月，采樣周期3個(gè)月。第2階段時(shí)間為2015年1月—12月，采樣周期12個(gè)月。土壤溫、濕度的數(shù)據(jù)采集分為4種方法，前2種為主要實(shí)驗(yàn)方法。

一是連續(xù)采集：使用iButton紐扣式(美國MAXIM型號(hào)DS1923)全自動(dòng)溫濕度記錄儀，溫度測(cè)量范圍-20～85 ℃，精度±0.5 ℃，濕度測(cè)量范圍0～100% RH，精度±3%RH；安裝在自制的PVC塑料管底部(圖3(b))，測(cè)量深度12 cm；時(shí)間從2014-10-01開始，至2014-12-31結(jié)束；全程92 d，記錄間隔1 h，共計(jì)采集土壤層底部和排水層交界處空氣溫、濕度數(shù)據(jù)2 208組。此記錄儀內(nèi)部為微電腦存儲(chǔ)器，在取回讀數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)只有安裝在第3組種植池的數(shù)據(jù)是完整的，所以沒有重復(fù)值。

二是按月采集：土壤濕度(體積含水量)使用8100-202土壤水分傳感器，測(cè)量范圍0～飽和，精度±3%VWC(Volumetric Water Content)；土壤溫度使用8100-203土壤溫度傳感器，測(cè)量范圍-20～60 ℃，精度±0.5 ℃；測(cè)量深度5 cm，測(cè)量時(shí)間均在中午11:00左右；同時(shí)將溫度傳感器探頭避光放置于(儀器架空底座通風(fēng)孔內(nèi))土壤表面用于測(cè)量近土表大氣溫度；時(shí)間從2015年1月至12月，每月一次(通常在雨后3～5 d)，共計(jì)采集土壤和土表溫、濕度數(shù)據(jù)12組。

三是實(shí)時(shí)采集：使用特安斯TASI-8620數(shù)字K型熱電偶溫度計(jì)，測(cè)量范圍-50～1 000 ℃，精度為讀數(shù)的±0.3%+1℃；用于試驗(yàn)場(chǎng)地大氣溫度測(cè)量，測(cè)量位置為樹蔭下約1 m高。

四是天氣數(shù)據(jù)采集：記錄下實(shí)驗(yàn)期間當(dāng)?shù)貧庀笳救兆罡吆妥畹蜌鉁匾约敖涤昵闆r。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS19軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，SigmaPlot 12.5制圖；采用一般線性模型單變量分析不同處理之間的差異顯著性(顯著性水平設(shè)為0.05)；表格中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，用不同的字母表示統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異；采用重復(fù)度量方差分析將月數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成季節(jié)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤空氣溫、濕度的時(shí)變化特征

如圖4所示，不同材料處理土壤空氣溫度(底部)變化趨勢(shì)和大氣溫度季節(jié)性變化基本一致，從10月初的20 ℃左右開始逐漸下降，到12月份最低溫度已接近0 ℃；從圖中可以看到，各處理之間的溫度曲線幾乎重疊在一起難以區(qū)分，說明差異不明顯。

圖4 不同排水材料處理土壤空氣溫、濕度的時(shí)動(dòng)態(tài)變化(2014)Fig.4 Hourly dynamic changes of soil air temperature and soil air relative humidity(RH) by different material treatments (2014)

各材料處理之間土壤空氣濕度(底部)的變化表現(xiàn)出不同的變化特征。在11月中旬以前，各處理之間土壤空氣濕度變化形態(tài)基本一致，數(shù)據(jù)采集開始，第1組數(shù)據(jù)為85.5%RH、85.5%RH、83.8%RH、85.2%RH和86.2%RH(按圖中材料序號(hào)升序排列)，最大和最小值相差不到3%，但隨后則出現(xiàn)分化；其中，玻璃輕石和兩個(gè)塑料排水板處理總體上保持相同的變化形態(tài)，曲線之間距離相差不大；而陶粒處理在11月底與前述3種材料處理曲線形態(tài)發(fā)生明顯偏離，土壤空氣濕度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從最高的88.6%RH下降到最低的76.6%RH；碎石處理則早在11月上旬即開始進(jìn)入顯著下降通道，隨后在12月初趨于平穩(wěn)，土壤空氣濕度從最高的88.5%RH下降到最低的54.9%RH。

2014年天氣記錄表明，春夏兩季雨水較多，直到9月底雨水天氣逐步停止，此后一直到10月20日，無雨天為21 d；10月高溫平均值為23 ℃，低溫平均值為14 ℃；從10月底到11月底有雨天氣為11 d，以小雨為主，雨量不大；11月高溫平均值為16 ℃，低溫平均值為8 ℃；而進(jìn)入12月份，僅在月初有3次小雨，截至31日則為長達(dá)21 d的多云晴朗天氣；12月高溫平均值為9 ℃，低溫平均值為-1 ℃。2014年秋冬季雨水明顯偏少，體現(xiàn)在圖4中土壤空氣濕度變化曲線卻可以看到存在明顯的滯后現(xiàn)象。

2.2 土壤空氣溫度和氣溫的日變化特征

圖5 不同排水材料處理平均土壤空氣溫度和氣溫的日動(dòng)態(tài)變化(2014)Fig.5 Daily dynamic changes of average soil air temperature and air temperature by different material treatments (2014)

如圖5所示，為了解佛甲草輕型種植屋面的保溫隔熱性能，把各處理日平均土壤空氣溫度(底部)和當(dāng)?shù)赝沾髿鉁囟鹊娜兆畲笾岛妥钚≈捣旁谕粡垐D中，可以看到，土壤空氣日最高溫度絕大部分時(shí)間小于日最高氣溫，占比為92.4%；土壤空氣日最低溫度絕大部分時(shí)間要大于日最低氣溫，占比也為92.4%，其中小于日最低氣溫的7 d均在最低氣溫≥5 ℃時(shí)。尤其在冬季(12月)最低氣溫低至-4 ℃的4 d里，土壤空氣最低溫度也在0 ℃及以上，平均溫差5.8 ℃；整個(gè)12月份，土壤空氣最高溫度比最高氣溫平均降低了2.6 ℃，而土壤空氣最低溫度比最低氣溫平均提高了3.4 ℃。

2.3 土壤溫、濕度的月變化特征

如圖6所示，不同排水材料處理的土壤溫度月變化明顯，總體變化曲線呈單峰形態(tài)，與當(dāng)?shù)厝昙竟?jié)性氣溫變化趨勢(shì)基本一致；最低值出現(xiàn)在12月，各處理平均土壤溫度2.8 ℃，最低土壤溫度1.1 ℃；最高值出現(xiàn)在8月，各處理平均土壤溫度34.7 ℃，最高土壤溫度40.1 ℃。土壤濕度總體上除8月、9月外變化幅度不大；其中，8月濕度偏低可能和高溫有關(guān)，而9月份則是出現(xiàn)旱情；圖6中，9月土壤濕度顯示有深淺兩個(gè)部分，深色部分是9月21日測(cè)量值，此時(shí)已有近一個(gè)月沒有有效降雨，加上土壤溫度在25 ℃以上，導(dǎo)致土壤濕度出現(xiàn)急劇下降，平均土壤濕度僅為0.18 m3·m-3；淺色部分是9月28日雨后第3天測(cè)量值，土壤平均濕度為0.32 m3·m-3。

圖6 不同排水材料處理土壤溫、濕度月動(dòng)態(tài)變化(2015)Fig.6 Monthly dynamic changes of soil temperature and soil moisture by different material treatments (2015)

為了更好地了解高溫和干旱對(duì)不同排水材料處理下土壤溫、濕度的具體影響，進(jìn)一步分析8月和9月的土壤溫、濕度數(shù)據(jù)。從表2可以看出，8月(高溫)情況：土壤溫度在各處理間差異不顯著(P>0.05)；同時(shí)，其他數(shù)據(jù)顯示，實(shí)驗(yàn)當(dāng)日天氣預(yù)報(bào)最高氣溫是37 ℃，而場(chǎng)地樹蔭下中午氣溫超過42 ℃；此時(shí)，土壤濕度在各處理之間的差異也不顯著(P>0.05)。9月(干旱)情況：土壤溫度在各處理間差異不顯著(P>0.05)，比高溫時(shí)平均低了約10 ℃；此時(shí)，土壤濕度在陶粒、玻璃輕石、HDPE排水板和PVC排水板處理之間差異不顯著(P>0.05)，但均顯著大于碎石處理(P<0.05)，土壤濕度平均提高了約35%。9月(雨后)情況：測(cè)量時(shí)間在雨后第3天(偏早)，土壤溫度和干旱時(shí)沒有太大變化；而此時(shí)各處理中土壤濕度最小的是HDPE排水板且差異顯著(P<0.05)；另外，從圖6可以看出，大概有一半的月份屬于這種情況。

表2 不同排水材料處理下土壤溫、濕度在8月、9月的變化(2015)Table 2 Changes of soil temperature and soil moisture in August and September by different material treatments (2015)

注：差異顯著性比較為不同材料處理間的分析結(jié)果；數(shù)據(jù)后字母不同代表差異顯著(P<0.05)。

2.4 土壤溫、濕度的季節(jié)變化特征

為了統(tǒng)計(jì)和分析方便，采用重復(fù)度量方差分析，把12個(gè)月的土壤溫、濕度數(shù)據(jù)按四季降維處理，劃分原則：春季為3月—5月，夏季為6月—8月，秋季為9月—11月，冬季為12月—2月。

根據(jù)表3可以看到，不同排水材料處理的土壤溫度季節(jié)變化明顯，最高值出現(xiàn)在夏季，各處理平均值為29.9 ℃，最低值出現(xiàn)在冬季，各處理平均值為4.7 ℃；4個(gè)季節(jié)土壤溫度在各處理間均無顯著差異(P>0.05)。土壤濕度季節(jié)變化不明顯，各處理間土壤濕度除秋季外，其他季節(jié)均無顯著差異(P>0.05)。秋季：碎石處理的土壤濕度最小且顯著小于其它材料(P<0.05)；其中，PVC排水板、陶粒和玻璃輕石處理之間的土壤濕度均無顯著差異(P>0.05)；而HDPE排水板雖然蓄水量大于陶粒，但該處理下的土壤濕度卻比陶粒小。

表3 不同排水材料處理土壤溫、濕度季節(jié)變化(2015)Table 3 Seasonal changes of soil temperature and soil moisture by different material treatments (2015)

注：表中秋季采用9月21日測(cè)量值；差異顯著性比較為不同材料處理間的分析結(jié)果；數(shù)據(jù)后字母不同代表差異顯著(P<0.05)。

2.5 土壤溫度和土表溫度的月變化特征

如圖7所示，為了解佛甲草輕型種植屋面在白天的實(shí)際隔熱效果，把各處理土壤溫度(5 cm深)和土表溫度的平均值做進(jìn)一步比較。可以看到全年土壤溫度8月份最大，平均值為34.7 ℃，而土表溫度平均值為40.6 ℃；12月份最小，土壤溫度平均值為2.8 ℃，而土表溫度平均值為5.9 ℃。無論四季變化，土表溫度均明顯大于土壤5 cm深處溫度，且溫差值在春夏季大于秋冬季，全年溫差平均值為5.4 ℃。

圖7 不同排水材料處理平均土壤溫度和土表溫度月動(dòng)態(tài)變化(2015)Fig.7 Monthly dynamic changes of average soil temperature and soil surface temperature by different material treatments(2015)

3 討論

3.1 不同排水材料對(duì)輕型種植屋面土壤濕環(huán)境的影響

天氣記錄表明，本地2014年春夏季雨水多，秋冬季雨水少，并分別在10月份和12月份出現(xiàn)長時(shí)間無雨天氣；特別以12月份最為嚴(yán)重，因?yàn)榍皟蓚€(gè)月雨水也不多，對(duì)土壤含水量造成負(fù)累積效應(yīng)。圖4展示了2014年10月—12月期間5種不同排水材料的種植屋面土壤在自然狀態(tài)下土壤空氣濕度(底部)的變化情況，這和表1中排水材料蓄水性能的比較結(jié)果基本一致。碎石作為排水材料幾乎沒有蓄水能力，由于排水層沒有雨水存儲(chǔ)，從降雨天氣停止不久,其土壤空氣濕度便開始進(jìn)入下降趨勢(shì)；而陶粒在和其它具有蓄水能力的材料比較中蓄水量最小，這在隨后的旱情發(fā)展中也得到體現(xiàn)；蓄水量較大的玻璃輕石和PVC、HDPE排水板在此次旱情過程中由于有充足的雨水存儲(chǔ)，土壤空氣濕度變化相對(duì)一直比較平穩(wěn)。由于試驗(yàn)檢測(cè)的是土壤底部空氣相對(duì)濕度，與能夠及時(shí)反映降雨情況的土壤表層濕度相比，其變化具有滯后現(xiàn)象，而且iButton紐扣式溫濕度記錄儀安裝在塑料管底部，雨量不大的降雨對(duì)其幾乎沒有影響，所以，碎石處理的土壤空氣濕度一直在下降；而陶粒、玻璃輕石和PVC、HDPE排水板處理的土壤空氣濕度在11月過后偶有起伏，直到12月中旬才開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，土壤空氣濕度變化滯后明顯。同時(shí)，雨天記錄尚無法對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間的有效降雨和無記錄的短時(shí)降雨進(jìn)行判斷統(tǒng)計(jì)，所以，只能進(jìn)行整體趨勢(shì)性的比較?？傮w上，由當(dāng)?shù)厍锒竟?jié)雨水偏少所導(dǎo)致的不同排水材料處理土壤空氣濕度變化，可以較好地反映出排水材料蓄水性能對(duì)種植屋面土壤濕環(huán)境的影響，但根據(jù)圖4尚無法判斷陶粒、玻璃輕石和PVC、HDPE排水板處理之間是否存在顯著差異。

從2015年土壤濕度的季節(jié)變化特征看，排水材料對(duì)種植屋面土壤濕度的影響，在一年中除了秋季之外的其他3個(gè)季節(jié)均沒有顯著差異(表3)，這可能和南京地區(qū)雨水充沛以及測(cè)量時(shí)間的安排有關(guān)。秋季的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與9月的干旱有很大關(guān)系，排水材料的蓄水性能優(yōu)勢(shì)才得以體現(xiàn)，使得4種具有蓄水能力的排水材料處理土壤濕度均顯著大于碎石處理的土壤(P<0.05)，表現(xiàn)出較好的抗旱潛力；所不同的是，HDPE排水板處理的土壤濕度要小于PVC排水板、玻璃輕石和陶粒處理。另外，對(duì)9月干旱期間土壤濕度的統(tǒng)計(jì)分析表明，雖然玻璃輕石、陶粒和PVC、HDPE排水板之間蓄水量大小不一，但處理之間的土壤濕度均無顯著差異(P>0.05)，顯著差異僅僅表現(xiàn)在他們與沒有蓄水能力的碎石之間。同時(shí)，通過表1和表2的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看到，不同排水材料的蓄水性能和土壤濕度并不是一一對(duì)應(yīng)，其中PVC排水板的蓄水量是陶粒的2倍左右，但統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明它們之間的土壤濕度沒有顯著差異(P>0.05)。這說明不同排水材料對(duì)上層土壤濕度的影響機(jī)制相對(duì)(自然土壤)比較復(fù)雜，其補(bǔ)水過程需要進(jìn)一步研究。

4種具有蓄水能力的排水材料，在9月干旱時(shí)土壤濕度沒有顯著差異，但一年中有一半的月份(包括9月28日雨后第3天)HDPE排水板處理的土壤濕度均明顯小于其他材料(表2、圖6)，表3的統(tǒng)計(jì)也有類似的結(jié)果。通過對(duì)兩種塑料排水板板面孔洞面積的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這可能與材料的排水性能指標(biāo)(通水量)有關(guān)。從圖1可以看出，HDPE排水板的孔洞面積要明顯大于PVC排水板，其通水面積約占板總面積的33%，而PVC排水板只占1%左右(表1)，所以，前者豎向通水量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者以及其他材料；也有實(shí)驗(yàn)表明[23]，此類塑料排水板的通水量比顆粒狀的碎石要高出很多。在雨后初期，HDPE排水板的土壤濕度由于排水迅速，上層土壤濕度就要小于其他材料(表2)，這也導(dǎo)致9月—11月的秋季土壤濕度在統(tǒng)計(jì)分析中其要略小于其他3種具有蓄水性能的排水材料。HDPE排水板處理的土壤濕度在其它季節(jié)沒有類似表現(xiàn)，可能與測(cè)量時(shí)間有關(guān)(有些月份在雨后第5天)，使得各材料處理在不同月份有不同的表現(xiàn)，導(dǎo)致在重復(fù)度量方差分析時(shí)差異不顯著。同時(shí)，HDPE排水板處理的以上性能也沒有在圖4土壤空氣濕度的動(dòng)態(tài)變化中予以體現(xiàn)，這可能與雨后初期各處理土壤濕度均較大有關(guān)。

以上結(jié)果表明，在兩場(chǎng)降雨之間，不同排水材料對(duì)土壤濕度的影響體現(xiàn)在其自身同時(shí)具有的排水和蓄水性能誰在發(fā)揮主導(dǎo)作用；并會(huì)隨著降雨間隔時(shí)間長短發(fā)生變化，間隔時(shí)間短則排水性能占主導(dǎo)；間隔時(shí)間長則蓄水性能占主導(dǎo)；期間排、蓄水性能所起作用會(huì)在某一時(shí)間點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)換，而在兩次轉(zhuǎn)換之間的大部分時(shí)間，土壤濕度則會(huì)趨同。由于土壤濕度測(cè)量時(shí)間并不固定在雨后的某一天，而且不同季節(jié)的土壤蒸發(fā)量也不一致，除了9月干旱，其他月份的測(cè)量可能大多處在兩次轉(zhuǎn)換之間或之前的雨后初期，所以，一年中除秋季(含9月)外，其他季節(jié)的土壤濕度所有材料處理之間均沒有顯著差異。

不同排水材料對(duì)上部土壤濕度的影響具有時(shí)間選擇性，除干旱月份外，與材料蓄水性能的相關(guān)性不大。對(duì)于雨量充沛的季節(jié)，不能忽視材料排水性能的影響；對(duì)于夏末秋初溫度較高時(shí)期出現(xiàn)的干旱，可能是由于材料總蓄水量有限，具有蓄水能力的4種排水材料之間對(duì)土壤濕度的影響沒有顯著差異(P>0.05)。所以，對(duì)于輕型種植屋面不能單純以排水材料的蓄水量大小來評(píng)價(jià)其抵御干旱的能力，特別在干旱又高溫的月份，有限的雨水存儲(chǔ)可能使得他們之間沒有本質(zhì)區(qū)別。

3.2 不同排水材料對(duì)輕型種植屋面土壤熱環(huán)境的影響

土壤表面在吸收太陽輻射能后，借分子傳導(dǎo)的形式把熱量傳入深層，使下層增溫；反過來，當(dāng)土壤表面冷卻后，溫度下降到比深層溫度低時(shí)，熱量由深層輸出[24]。從圖4可以看出，從2014年10月初到12月底，各材料處理間種植屋面土壤空氣溫度變化趨勢(shì)相同且差異不大，而表3針對(duì)4個(gè)季節(jié)土壤溫度的統(tǒng)計(jì)分析也表明，各處理之間沒有顯著差異(P>0.05)。這表明，土壤溫度沒有受到不同排水材料處理的影響。根據(jù)之前的討論結(jié)果，種植屋面土壤濕度在干旱、雨后和秋季均受到不同排水材料的顯著影響(P<0.05)；由于水的比熱容較大，在接受相同太陽輻射情況下，通常土壤濕度越大溫度就會(huì)越低，但這并沒有體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中。不同材料處理下的土壤溫度沒有呈現(xiàn)和土壤濕度對(duì)應(yīng)的有規(guī)律變化。究其原因，可能是影響土壤溫度的還有其他因素，比如，陶粒和玻璃輕石曾廣泛用作建筑的保溫材料[25-26]，這樣就在統(tǒng)計(jì)學(xué)分析時(shí)對(duì)土壤溫度變化規(guī)律造成了干擾。

另外，從圖5可以看出，在2014年10月—12月，從秋季到冬季的轉(zhuǎn)換過程中，把不同材料處理的平均土壤空氣溫度日最高值(日最低值)與當(dāng)?shù)卮髿鉁囟冗M(jìn)行對(duì)應(yīng)比較可以發(fā)現(xiàn)，它們之間變化差異明顯。土壤空氣日最高溫度絕大部分時(shí)間小于日最高氣溫，土壤空氣日最低溫度絕大部分時(shí)間要高于日最低氣溫，表明佛甲草輕型種植屋面在秋冬季節(jié)白天某個(gè)時(shí)間段具有隔熱作用，而在夜間某個(gè)時(shí)間段具有保溫作用，特別體現(xiàn)在日最低氣溫小于0 ℃以下時(shí)，變化趨勢(shì)為氣溫越低保溫效果越明顯。這可能是由于種植屋面在白天吸收太陽輻射能、晚上釋放熱量所導(dǎo)致；實(shí)際上，由于種植屋面整體上是具有生物學(xué)特征的復(fù)合體，其熱過程伴隨著植物的光合、蒸騰作用，土壤微生物的分解轉(zhuǎn)化作用以及土壤水分的積蓄和蒸發(fā)等，所以，在秋冬季節(jié)與建筑屋面絕熱材料的熱工性能表現(xiàn)有著很大不同，也與種植屋面在夏季夜間的熱工性能表現(xiàn)有所不同[27]。雖然種植屋面(室內(nèi)自然狀態(tài))相對(duì)降低了冬季白天室內(nèi)最高溫度，但由于其可以使冬季夜間室內(nèi)的最低溫度相對(duì)得以提高而起到削峰填谷的效果，總體來看，在冬季夜間發(fā)揮保溫的積極作用大于白天隔熱的消極作用。

為了進(jìn)一步定量分析佛甲草輕型種植屋面隔熱性能，在測(cè)量土壤溫度(5 cm)的同時(shí)，測(cè)量了土表溫度(圖7)，可以看到，一年中溫差值是變化的，說明其隔熱性能不是一個(gè)固定值，這可能與土壤中水分含量和植物生長狀態(tài)有關(guān)，也就可以解釋為什么春夏季的溫差值大于秋冬季；而從2015全年的平均溫差看，在中午11:00左右土表溫度比土壤溫度高了約5.4 ℃，再次表明佛甲草種植屋面在白天的隔熱效果非常顯著，有利于夏季制冷能耗的降低。

4 結(jié)論

1)輕型種植屋面(室內(nèi)自然狀態(tài))土壤及土壤底部空氣溫度沒有受到不同排水材料蓄水性能的影響。對(duì)土壤溫度和土表溫度的溫差分析表明，輕型種植屋面在全年白天具有隔熱作用，且大小隨季節(jié)而變化；另外，對(duì)土壤底部空氣溫度和氣溫的對(duì)比分析表明，輕型種植屋面在冬季白天具有隔熱作用，夜間則具有保溫作用；綜合分析顯示，種植屋面的熱工性能存在季節(jié)性和日內(nèi)差異。

2)輕型種植屋面土壤濕度在少雨季節(jié)受到不同排水材料的顯著影響，而在雨量充沛的季節(jié)差異不顯著；同時(shí)，土壤底部空氣濕度也表現(xiàn)出相類似的變化趨勢(shì)。在干旱月份，與碎石處理相比，具有蓄水能力的4種排水材料(陶粒、玻璃輕石、HDPE和PVC排水板)有明顯的抗旱優(yōu)勢(shì)，平均土壤濕度約提高了35%，但這4種材料的蓄水量大小對(duì)處理之間的土壤濕度沒有顯著影響。另外，材料的排水性能對(duì)土壤濕度有顯著影響，通水量大的材料在雨后初期土壤濕度顯著小于其他材料。

3)輕型種植屋面排水材料的蓄水性能實(shí)效性得到初步驗(yàn)證。由于排水材料不同的物理特性以及給上層土壤的補(bǔ)水機(jī)制不同于自然土壤，加上有限的總蓄水量和排水性能的影響，輕型種植屋面土壤熱濕環(huán)境的變化不完全由排水材料蓄水量大小決定。

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