袁凌/ YUAN Ling

1 概述

1.1 背景

生態(tài)學(xué)，是研究生物體及其與周邊環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)。1960年代以來，隨著全球社會對生態(tài)環(huán)境問題的日益關(guān)注，生態(tài)學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門關(guān)于人類生活總環(huán)境的基礎(chǔ)學(xué)科，為人類建立了認識并協(xié)調(diào)自身與環(huán)境關(guān)系的新途徑（Eugene P. Odum，1997），同時也搭建了一個綜合多個學(xué)科的、頗具共識的理論與實踐平臺。許多傳統(tǒng)學(xué)科，如生物學(xué)、地理學(xué)、水文學(xué)、農(nóng)林科學(xué)、環(huán)境工程學(xué)等，紛紛引入生態(tài)學(xué)理論，進而發(fā)展了生態(tài)學(xué)的許多極具價值的分支，如保護生態(tài)學(xué)、生態(tài)地理學(xué)（景觀生態(tài)學(xué)）、生態(tài)工程（恢復(fù)生態(tài)學(xué)），等等；人居環(huán)境科學(xué)，包括城市規(guī)劃、建筑學(xué)和風(fēng)景園林等，在最近30年也吸收了大量生態(tài)學(xué)的內(nèi)容，城市生態(tài)學(xué)、景觀都市主義、綠色基礎(chǔ)設(shè)施等理論應(yīng)運而生。

另一方面，屋頂綠化作為一種“生態(tài)”的技術(shù)和意象已被公眾和設(shè)計師所接受，大量研究表明屋頂綠化可以提供豐富的生態(tài)服務(wù)，許多城市也將屋頂綠化作為一項重要的生態(tài)修復(fù)措施和綠色基礎(chǔ)設(shè)施，出臺了很多相關(guān)支持政策，各種技術(shù)和產(chǎn)品也逐漸完善（Nigel Dunnett，Noel Kinsbury，2008）。但是，屋頂綠化項目建成后的實際使用情況卻差強人意，很多項目需要投入大量人力、物力進行維護，或者僅能提供很少的生態(tài)服務(wù)，甚至產(chǎn)生污染和廢棄物，反而成為環(huán)境的負擔(dān)，或者因為投入不足而徹底荒廢，等等，這都與“生態(tài)”的初衷相違背，也成為制約屋頂綠化進一步發(fā)展的主要瓶頸，這一現(xiàn)象在我國尤其突出（孫金金 等，2015）。

筆者認為，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，正是由于人們雖心懷“生態(tài)”愿望，但并不具備生態(tài)學(xué)知識、未按生態(tài)學(xué)規(guī)律實踐造成的。很多研究和應(yīng)用或多或少地忽視了屋頂綠化是一個“生命體”的基本特征（更不用說將其視為一個復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng)），僅將其作為一種建筑表皮或特殊的園林景觀對待，以靜態(tài)的設(shè)計效果（特別是植被的視覺效果）為主要目標(biāo)。實際上，屋頂綠化具備明顯的生命特征（但不僅僅包括植物），又和周邊環(huán)境有著密切的關(guān)系，是一組動態(tài)的生命過程（以及包含其中的物質(zhì)和能量循環(huán)）而非靜止的機器或圖畫，因此更適合應(yīng)用生態(tài)學(xué)的相關(guān)知識。其次，既有的屋頂綠化研究分散在建筑學(xué)、風(fēng)景園林、環(huán)境工程等各個學(xué)科中（袁凌，2016），受各自學(xué)術(shù)背景的局限，管中窺豹、自說自話，缺乏統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)。生態(tài)學(xué)則能夠提供一個全面的視角和方法，統(tǒng)合相關(guān)學(xué)科形成合力，為屋頂綠化的研究和實踐提供完整的指導(dǎo)。

21世紀(jì)以來，隨著生態(tài)學(xué)的進一步發(fā)展，以及源于德國的簡式屋頂綠化技術(shù)在全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用及長時間觀測，西方學(xué)者逐步開展了關(guān)于屋頂綠化的生態(tài)學(xué)研究。在2007年的一篇開創(chuàng)性文章“屋頂綠化作為城市生態(tài)系統(tǒng)：生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能和服務(wù)”（Erica Oberndorfer et al.，2007）中“屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)”的概念被首次提出，文章嘗試將屋頂綠化看作是一種特殊的生態(tài)系統(tǒng)，并提倡用生態(tài)學(xué)的視角、理論和方法開展相關(guān)研究和實踐，這一進路很快得到了眾多生態(tài)學(xué)者、屋頂綠化研究者和從業(yè)人員的認同和參與。

1.2 《屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)》一書簡介

2015年，美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校農(nóng)學(xué)與園藝學(xué)系教授理查德·K. 薩頓（Richard K. Sutton）擔(dān)任主編，集結(jié)30位歐美學(xué)者，出版了《屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)》（Green Roof Ecosystems）一書（圖1，以下簡稱該書）。作為著名的斯普林格（Springer）出版社《生態(tài)學(xué)研究》系列叢書之一，該書所代表的屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)研究，可以看作是生態(tài)學(xué)的一個新領(lǐng)域，同時也是西方屋頂綠化研究的前沿和方向，具有較高的學(xué)術(shù)價值。

該書共分十七章。第一章是對屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的理論性概述；第二章至第五章是對整個生態(tài)系統(tǒng)中的非生物部分，即各種物質(zhì)流和能量流的研究，分別介紹了觀測方法、熱量、水文、營養(yǎng)循環(huán)等4個方面；第六章是屋頂綠化土壤，即基質(zhì)的研究，作者②特別比較了商業(yè)基質(zhì)和自然土壤對于屋頂綠化的優(yōu)缺點，以及通過兩個實驗探討了應(yīng)用自然土壤模仿自然生態(tài)系統(tǒng)的可能性和潛力；第七章和第十四章分別是對微生物和節(jié)肢動物的研究，這是非常前沿的領(lǐng)域，但對于屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)非常重要；第八章和第九章研究了植物的多樣性問題和生態(tài)服務(wù)功能，這也是目前生態(tài)學(xué)領(lǐng)域最關(guān)注的兩個議題；第十章至第十三章，以及第十六章，主要將屋頂綠化放到更宏觀的生態(tài)學(xué)視野下，基于不同的工程和實驗案例，探討屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的本土化、群落組合和演替機制；第十五章再次回到理論研究，主要利用尺度等重要的生態(tài)學(xué)概念，對屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)進行理論梳理。最后，編者在第十七章進行了總結(jié)，并對未來的研究方向進行了全面展望。

該書不但內(nèi)容豐富，案例詳實，而且具有學(xué)科融合的特點。各章作者來自生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、農(nóng)林學(xué)、園藝學(xué)、景觀設(shè)計、環(huán)境工程等不同領(lǐng)域，但都以生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)，從不同角度對屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)進行了深入剖析，無論何種背景的讀者，只要具備一定的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)知識，就能夠從中獲得跨學(xué)科視角帶來的啟發(fā)和大量信息，這正是生態(tài)學(xué)這一平臺的優(yōu)勢。該書還體現(xiàn)了生態(tài)學(xué)對屋頂綠化實踐（包括設(shè)計、施工和運維）的重要意義，即在全生命周期和各級空間尺度上，使屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)盡可能少地消耗資源，可持續(xù)、健康地生長或演替，同時為人類社會提供最大化的生態(tài)服務(wù)。

1.3 本文的結(jié)構(gòu)

本文并不打算對該書作全面的介紹，而是選取對我國當(dāng)前屋頂綠化研究和實踐最具參考價值的部分進行闡述。

首先，本文嘗試對屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的各個組成部分進行簡要介紹，這是構(gòu)成該書前半部分的基本內(nèi)容，也為屋頂綠化的進一步研究提供了一種系統(tǒng)的認識論。

本文第三章介紹了北美學(xué)者對于“本土化”屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的探索。“本土化”是筆者總結(jié)的詞匯，用來歸納該書多個章節(jié)（不同作者）所共同提倡的一種策略。該詞具有兩層含義，一是以基質(zhì)即土壤作為核心，引入土壤學(xué)、水文學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)等理論進行設(shè)計；二是以項目所在地的生態(tài)本底為基礎(chǔ)，充分研究當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥?、生物群落等各種因素，或直接模擬當(dāng)?shù)厣愁愃频淖匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)。筆者認為這兩個層面的“本土化”，正是當(dāng)前我國屋頂綠化研究和實踐普遍缺失、亟待彌補的重要環(huán)節(jié)。

第四章介紹了著名景觀設(shè)計師、謝菲爾德大學(xué)景觀系教授奈杰爾·鄧尼特（Nigel Dunnett）編寫的“雜草屋頂綠化”（Ruderal Green Roofs）（第十章）?；诔鞘猩鷳B(tài)學(xué)、生態(tài)過程和植物生長策略理論等既有研究，以及對城市生物多樣性和新的生態(tài)美學(xué)的追求，鄧尼特提倡以自發(fā)定殖、彈性演替為特征的“雜草策略”，代替以設(shè)計定殖并維持其穩(wěn)定（代價高昂）為目標(biāo)的傳統(tǒng)屋頂綠化策略。這是未來屋頂綠化的重點發(fā)展方向：深入研究和充分利用雜草策略，才能真正實現(xiàn)屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的長期合理性和生態(tài)服務(wù)功能的最大化。

該書在不同章節(jié)記錄了許多長期觀測的屋頂綠化案例，本文在第五章進行了介紹。通過分析這些長期觀測得到的結(jié)論，可以佐證生態(tài)學(xué)理論對于屋頂綠化的普適性，以及“本土化策略”“雜草策略”的有效性；筆者認為這種長期觀測記錄也是我國當(dāng)前所匱乏和亟需開展的，是未來屋頂綠化研究和實踐的基石。

2 屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的組成

2.1 “屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)”的概念及其意義

圖1 《Green Roof Ecosystems》一書封面

根據(jù)最早提出“生態(tài)系統(tǒng)”一詞的英國植物學(xué)家坦斯利（Tansley）的定義，生態(tài)系統(tǒng)是“生物與環(huán)境構(gòu)成的統(tǒng)一整體，在這個整體中，生物與環(huán)境之間相互影響和制約，并在一定時期內(nèi)處于相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)”（Eugene P. Odum，1997）。這種將生物和環(huán)境當(dāng)作一個整體看待，并以達到某種動態(tài)平衡為目標(biāo)的“生態(tài)系統(tǒng)”的觀念，暗含了人類自身的根本需求，對生態(tài)學(xué)影響深遠，也為公眾所熟悉。

“生態(tài)系統(tǒng)”概念的基本特征是開放性，包含兩層含義，一是即使系統(tǒng)概貌與功能長期不變，其物質(zhì)輸入和輸出也是連續(xù)不斷的（Eugene P. Odum，1997），即動態(tài)平衡的狀態(tài)；二是系統(tǒng)的邊界（即對應(yīng)尺度）可以根據(jù)需要設(shè)定，比如既可以把地球看作一個生態(tài)系統(tǒng)，探討氣候變化等宏觀問題，也可以將池塘或花園看作一個生態(tài)系統(tǒng)，研究它對于周邊居民的生態(tài)服務(wù)功能。生態(tài)學(xué)家將地球上的生態(tài)系統(tǒng)分成很多類型，如熱帶雨林、溫帶草原、沙漠，等等，之前的研究大多集中在這些自然生態(tài)系統(tǒng)類型方面，人工生態(tài)系統(tǒng)特別是城市生態(tài)系統(tǒng)是近期才開始受到關(guān)注的一個類型。而屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)則屬于其中更細分、更微觀的一個子系統(tǒng)，是一種相對簡單又特殊的生態(tài)系統(tǒng)，是一種嚴(yán)酷的、新奇的、人造的生態(tài)位（Richard K. Sutton，2015）。

將屋頂綠化視為一種生態(tài)系統(tǒng)，一方面可以利用生態(tài)學(xué)的理論構(gòu)架和生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)有研究成果，對屋頂綠化本身進行更加深入、全面和系統(tǒng)的研究，將原本屬于氣象、水文、植物、微生物、環(huán)境等學(xué)科的知識整合起來，從而系統(tǒng)地改進屋頂綠化的設(shè)計和技術(shù)；反過來，也可以豐富或支持更宏觀或更微觀的生態(tài)系統(tǒng)研究和實踐，比如，屋頂綠化作為一個子系統(tǒng)，不但在整個城市生態(tài)系統(tǒng)中參與資源分配和提供服務(wù)，并且和其他子系統(tǒng)發(fā)生互動。

2.2 屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的基本組成

參照其他生態(tài)系統(tǒng)的相對成熟的研究，該書在第一章對屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的基本組成及其相互關(guān)系進行了描述（圖2）。這個生態(tài)系統(tǒng)主要包括以下組成部分：（1）生產(chǎn)者，主要是植物，它們通過光合作用轉(zhuǎn)化和存儲太陽能；（2）消費者（包括分解者），主要是微生物、土壤動物及其他動物等，它們以植物為食或?qū)⒋蠓肿佑袡C物分解為小分子有機物，吸收并存儲水和營養(yǎng)物質(zhì)，將無機基質(zhì)改造為植物賴以生存的土壤（成土作用），這對于整個屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)非常重要，但往往被忽視；（3）循環(huán)要素，包括熱量、水、營養(yǎng)物質(zhì)、有機物、基質(zhì)等，它們在屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)中流動，相互間還存在一定的耦合關(guān)系；（4）能源和外部系統(tǒng)，包括太陽、大氣圈、人與城市生態(tài)系統(tǒng)等，作為屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的輸入和輸出環(huán)境。一般自然界的陸生生態(tài)系統(tǒng)受到人與城市生態(tài)系統(tǒng)的影響較少，而屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)則與之緊密聯(lián)系。

圖2 屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)基本組成及其相互關(guān)系示意

通過建立這樣一個模型，將屋頂綠化中的所有組成部分納入一個完整的系統(tǒng)之中，明確各部分在其中的位置、作用以及同其他部分的關(guān)系，研究者即可建立一種系統(tǒng)的認識。實際上，當(dāng)前大多數(shù)研究都是以某個學(xué)科為背景，著眼于其中一個或幾個要素，探討這個系統(tǒng)中的一部分關(guān)系。屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的提出，有助于研究者開拓視野、突破局限，也有助于學(xué)科的融合和創(chuàng)新。當(dāng)然，具體的工作才剛剛起步。筆者將結(jié)合該書相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容，對一些組成部分進行簡要介紹。

2.3 循環(huán)要素的觀測

生態(tài)學(xué)的模型建立在可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上。該書第四章介紹了西方屋頂綠化研究界在熱量、水、風(fēng)、基質(zhì)特性、氣體與碳交換等方面的觀測技術(shù)所取得的進展和研究成果?？傮w說來，目前無機循環(huán)要素的觀測都取得了一定的成果，但也存在不足。首先，各個學(xué)科和機構(gòu)的研究者各自為政，觀測數(shù)據(jù)比較零散；其次，由于經(jīng)費的制約，其觀測覆蓋范圍和數(shù)據(jù)量還不足；此外，關(guān)于各個要素的循環(huán)機制之間耦合關(guān)系的研究還很少。因此，作者指出了未來的工作方向：（1）在一個項目中全面采集各種數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)集成；（2）實現(xiàn)自動、實時觀測；（3）及時應(yīng)用新型傳感器；（4）拓展鄰里和城市尺度的觀測；（5）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立區(qū)域性乃至全國性的數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

以上建議對我國屋頂綠化行業(yè)的發(fā)展具有很好的參考意義。當(dāng)前我國一些大城市開始加大屋頂綠化的推廣工作，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃、政策也陸續(xù)出臺，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫也應(yīng)該及時建設(shè)，才能用數(shù)據(jù)和事實說話，推動屋頂綠化的技術(shù)進步和可持續(xù)發(fā)展。目前，上海的一些工作已經(jīng)走到了前列（董楠楠 等，2016），值得其他城市學(xué)習(xí)和借鑒。

2.4 水文系統(tǒng)

該書第四章將屋頂綠化看作是一個水文系統(tǒng)，應(yīng)用水文學(xué)和生態(tài)學(xué)的知識對現(xiàn)有屋頂綠化進行審視和改良。作者指出，目前流行的簡式屋頂綠化系統(tǒng)（以德國FLL③標(biāo)準(zhǔn)為代表）源于北歐，具有特定的水文特征：采用耐寒耐旱的景天科植物，該類植物的蒸騰速率、需水量和儲水能力都比較弱，適合生長在貧瘠、排水通暢的基質(zhì)中，因此基質(zhì)的蓄水能力也很弱，與大多數(shù)陸生生態(tài)系統(tǒng)相比，具有輕質(zhì)、速干、低含水量的特點，比較適合氣候溫和、降雨充沛且均勻的溫帶海洋性氣候。但并不能很好地適應(yīng)其他氣候條件，比如地中海式氣候或內(nèi)陸干熱地區(qū)，需要蓄滯雨水能力強且排水緩慢的基質(zhì)（較為理想的是能保持一定的土壤濕度達一周左右）或儲水能力更強的耐旱植物（例如仙人掌）。另一方面，自然界很多生態(tài)系統(tǒng)有著完全不同的水文過程，比如冬季多雨的美洲西北太平洋地區(qū)，屋頂綠化的生境更適合自身儲水能力很強的苔蘚植物，這些苔蘚植物甚至能夠幫助其他（維管）植物調(diào)節(jié)土壤水分（圖3）。

圖3 不同的屋頂綠化水文系統(tǒng)（筆者主持的一個位于北京、無灌溉也無排水板的簡式屋頂綠化項目中，在保水條件較好的位置自發(fā)生長了大量苔蘚植物，印證了該章觀點）

圖4 多樣性的（簡式）屋頂綠化（筆者主持的北京某屋頂綠化項目，包括多年生鄉(xiāng)土宿根花卉、景天科植物、一年生禾本植物甚至雜草等多種植物的組合實驗，自2016年春建成以來表現(xiàn)良好）

因此，在不同氣候區(qū)，有必要根據(jù)環(huán)境因素和實際需要設(shè)計特定的水文系統(tǒng)。首先是植物的選擇及群落組合，即在高蒸騰能力（一般意味著能夠提供較多的生態(tài)服務(wù)）和抗旱能力之間取得平衡；其次是與氣候、植物匹配的基質(zhì)性狀（顆粒大小、孔隙率、吸水率、有機物含量等），甚至包括隔離層、排水板、溢水口等構(gòu)造都可以重新設(shè)計；再次是屋頂綠化的坡向、坡度、遮陰（建筑物或構(gòu)件）等。

此外，灌溉系統(tǒng)也是水文系統(tǒng)的一部分，在多數(shù)情況下，當(dāng)前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍是必要的，但有很大的改進空間。首先，灌溉系統(tǒng)應(yīng)和氣候、植物、基質(zhì)、蓄排水構(gòu)造相匹配，最有效的辦法是實現(xiàn)智能化灌溉，但目前仍受到成本因素和可靠性的制約。如果在降雨不足的地區(qū)或季節(jié)嘗試不加灌溉，那么這個系統(tǒng)中的其他因素——如植物的抗旱能力、基質(zhì)的蓄水能力、遮陰措施等則需要充分調(diào)動起來，還可以允許整個系統(tǒng)發(fā)生一定的彈性變化，比如旱－濕植物群落的自然演替，這在本文后面的章節(jié)中會進一步介紹。

2.5 營養(yǎng)循環(huán)

既有研究大多從量化屋頂綠化的生態(tài)服務(wù)功能出發(fā)，停留在對屋頂綠化的固碳釋氧能力、對污染物的凈化能力和排放水平的觀測中，很少從營養(yǎng)物質(zhì)——主要是氮（N）、磷（P）、碳（C）——循環(huán)的大背景的角度進行研究，但這正是生態(tài)系統(tǒng)研究的基本內(nèi)容之一，也是實現(xiàn)保持整個屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的長期健康生長、提升并維持其提供生態(tài)服務(wù)的能力，以及降低污染排放這3個目標(biāo)的關(guān)鍵。事實上，從營養(yǎng)循環(huán)的角度來看，這3個目標(biāo)指向同一個問題。

該書第五章在總結(jié)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，勾勒出一般屋頂綠化營養(yǎng)循環(huán)的大致特征。在C循環(huán)方面，屋頂綠化的NEP（Net Ecosystem Productivity，凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，指由大氣進入生態(tài)系統(tǒng)的CO2量，即碳匯能力）很低，大致相當(dāng)于溫帶森林的1%，與節(jié)能減少的碳排放相比也微不足道，因此屋頂綠化的直接碳匯能力基本可以忽略。另一方面，由于大多數(shù)屋頂綠化具有淺基質(zhì)、快速排水的構(gòu)造特征，無法像多數(shù)陸生生態(tài)系統(tǒng)那樣在土壤中匯集營養(yǎng)物質(zhì)，尤其是在建成初期和施肥后，是一個明顯的、排向城市雨水系統(tǒng)的污染源，包括DOC（Dissolved Organic Carbon，溶解有機碳，一般認為是一種污染物）源、P源和N源（相對P較輕）等。

因此，目前大多數(shù)屋頂綠化本質(zhì)上和很多人工生態(tài)系統(tǒng)——如農(nóng)田、花園——類似，為了植物旺盛生長而人為地投入大量營養(yǎng)物質(zhì)，隨即造成了周邊和下游環(huán)境的富營養(yǎng)化。如果屋頂綠化的核心目標(biāo)是真正的而不是看上去的“生態(tài)”，那么必須深入研究營養(yǎng)循環(huán)的機制（還有很多物質(zhì)，比如CH4、NOX等尚未研究），摒棄一些膚淺的觀念，并著力扭轉(zhuǎn)負面作用。比如，研發(fā)既生長旺盛又排放少的系統(tǒng)，基質(zhì)應(yīng)該蓄滯雨水同時留住營養(yǎng)；盡量依靠生態(tài)系統(tǒng)自身的固氮作用，將施肥最小化甚至不施肥，等等。

總之，屋頂綠化應(yīng)成為營養(yǎng)物質(zhì)的“匯”而非“源”，關(guān)鍵在于土壤而非植物。從自然界的演替規(guī)律及生態(tài)修復(fù)理論與實踐——屋頂綠化正是一種生態(tài)修復(fù)——可以得知，無機基質(zhì)吸收和存儲營養(yǎng)物質(zhì)的成土過程，是一個生態(tài)系統(tǒng)長期健康生長的基礎(chǔ)，同時也是一個對環(huán)境有益的“匯”的過程，通過改變屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)中的一些觀念和設(shè)計，是完全可以實現(xiàn)的，這在后文“本土化”一章會詳細闡述。

2.6 植物多樣性

植物是整個屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)中研究得最充分的領(lǐng)域。該書的第八章從多樣性的角度探討了屋頂綠化的植物問題。常見的簡式屋頂綠化以為數(shù)不多的幾種景天科植物為主，理由是它們更適應(yīng)屋頂嚴(yán)酷的環(huán)境；但對草原等其他生態(tài)系統(tǒng)的大量研究表明，多樣性植物群落的長期表現(xiàn)大大優(yōu)于單一植物群落，能夠更好地抵御氣候變化、病蟲害、物種入侵等脅迫，同時提供更多更好的生態(tài)服務(wù)。作者據(jù)此作出一個重要推論：可能有許多種類在屋頂（單一存在）環(huán)境中因表現(xiàn)不佳而被排除，但如果在合適的群落中則能夠（作為一個整體）適應(yīng)屋頂環(huán)境。因為多樣性的群落具備以下優(yōu)勢和特征：錯位生長，降低同種競爭的強度和密度；共生互惠，比如苔蘚、地衣能夠為維管植物改善營養(yǎng)、溫度和濕度；復(fù)合的植被層具有更好的遮陽、保溫和保濕效果；土壤越厚，動物、微生物種群越豐富，有利于植物生長，等等。

該書第九章探討了屋頂植物能夠提供的生態(tài)服務(wù)，如改善熱環(huán)境、蓄滯雨水、凈化空氣、美學(xué)效果，等等。作者認為要取得生態(tài)服務(wù)的最大化，理想的屋頂綠化植物需要具備以下特征：（1）相對較大的葉面；（2）濃密的冠層；（3）慢生長的成形結(jié)構(gòu)；（4）遮陰最大化，基質(zhì)濕度損失最小化，但水充足時有蒸騰作用，干旱時保水，大雨時滯水；（5）淺色葉面，有葉毛或蠟質(zhì)，反射熱量且吸污；（6）明顯的開花。實際上單個植物很難擁有以上全部特征，而多樣性的植物群落則完全具備，也從另一個角度證明多樣性的植物群落能夠提供更多更好的生態(tài)服務(wù)功能（圖4）。

但多樣性不是通過簡單的植物配置就可以實現(xiàn)的，還涉及生境營造、人工定殖與自然演替的關(guān)系等復(fù)雜而有趣的問題，在后文“本土化”“雜草策略”等章節(jié)和案例中將進一步闡述。

2.7 微生物

雖然微生物領(lǐng)域的研究在國外也剛剛起步，但幾乎所有的研究者都承認微生物是整個屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)。該書第七章介紹了西方學(xué)界取得的進展，值得引起重視。

微生物對任何一個生態(tài)系統(tǒng)的健康和生態(tài)服務(wù)功能都非常重要，是營養(yǎng)循環(huán)中的關(guān)鍵角色。當(dāng)前研究表明，屋頂綠化中的微生物基本類型主要包括4種。（1）菌根真菌，一種植物根系與土壤真菌之間的共生聯(lián)系，即植物提供碳（通過光合作用獲得），交換真菌提供的營養(yǎng)物質(zhì)；菌根真菌大大提高了植物在惡劣環(huán)境中的生存能力。有研究觀測到某些菌根真菌在屋頂綠化中比較常見，但深層次的機制尚不得而知。（2）分解者，包括某些真菌和細菌，分解大分子有機物，影響土壤－大氣的氣體交換及營養(yǎng)物質(zhì)匯集。（3）固氮細菌，禾本科和豆科植物與不同的固氮細菌能夠建立起緊密的共生關(guān)系，這一點已經(jīng)被人工生態(tài)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用。（4）內(nèi)生真菌，即生長在植物內(nèi)部的細菌。少量研究表明內(nèi)生真菌能夠協(xié)助植物在屋頂更好地生存，包括大量的葉面微生物群落，對城市環(huán)境比較敏感，目前尚不清楚在屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)中的豐度和機制。

當(dāng)前研究僅僅是開始識別其中一些明顯的種類和機制，但即便如此，也揭示了微生物對屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的重要性。比如，有研究者通過觀察植物－土壤－微生物－節(jié)肢動物的相互作用機制發(fā)現(xiàn)，土壤有機物對微生物群落具有關(guān)鍵作用，其含量的波動影響微生物群落的數(shù)量、活力和組成，而這又會影響整個屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的健康和生態(tài)服務(wù)功能；紐約的一項研究表明，屋頂綠化中最豐富的微生物是那些能夠降解有機污染物且耐受重金屬的群落，因此屋頂綠化的微生物群落有其特殊性，這可能是其區(qū)別于其他生境的關(guān)鍵特征之一。總之，對于屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)來說，微生物的組成和機制是一個亟待深入研究的基礎(chǔ)領(lǐng)域，對學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展有決定性作用。

3 本土化策略

近30年來，源自北歐的以輕型、快速排水的人工基質(zhì)和耐旱的景天科植物為基本配置的簡式屋頂綠化系統(tǒng)在世界范圍獲得了廣泛應(yīng)用，但也暴露出一定的局限性?；诟鞣N氣候條件、土壤和生物群落等地域生態(tài)本底，對現(xiàn)有的屋頂綠化系統(tǒng)進行改良和創(chuàng)新，筆者將其稱為“本土化策略”，這是《屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)》一書中多個章節(jié)（不同作者）所共同持有的觀點或傾向，筆者嘗試將其歸納為以下幾個方面。

3.1 對工程基質(zhì)的本土化改良

北美洲的學(xué)者通過實踐和觀察，意識到源于德國FLL標(biāo)準(zhǔn)的工程基質(zhì)并不能適應(yīng)北美洲的各種氣候條件。該書第三章以美國西南部的德克薩斯為例，開展了熱帶亞熱帶氣候條件下的本土化改良實驗。

作者首先觀察并分析了熱氣候條件下基質(zhì)中的水文、熱力和植物分布根系特征。德克薩斯州屋頂?shù)谋砻鏈囟雀哌_50℃（春季）至70℃（夏季），遠高于植物根部的生理適應(yīng)溫度（一般為3～40℃），因此植物根系需要在一定的基質(zhì)深度之下才能正常生長，觀察當(dāng)?shù)刂参锔翟谝粋€厚度為10cm的基質(zhì)中的分布不難發(fā)現(xiàn)，根系只有在基質(zhì)底部才逐漸展開（圖5左）。因此，在熱氣候條件下，基質(zhì)必須保證一定的厚度，本身還需要足夠的熱阻。此外，通過適當(dāng)?shù)恼陉柋苊馕蓓斶^熱和水分快速蒸發(fā)，在熱氣候特別是干熱氣候條件下是非常必要的。

其次，流行的工程基質(zhì)具有快速排水的特點，不能滿足熱帶植物根系的保水需求，因此，在基質(zhì)厚度有限的情況下，需要開發(fā)有一定存水能力的基質(zhì)，作者嘗試采用分層的巖棉基質(zhì)并取得了良好的效果，這種巖棉基質(zhì)從農(nóng)業(yè)中借鑒而來，上層的功能為透水和隔熱，下層為儲水層（圖5右）。此外，蓄排水板上的存水杯也被證明能夠發(fā)揮很大的作用，應(yīng)該通過增加存水杯的數(shù)量和單個容積的方式提高其儲水能力。

圖5 左：在10cm厚基質(zhì)中的一株4年生禾本植物的根系分布；右：分層的巖棉基質(zhì)系統(tǒng)（來源：Green Roof Ecosystems）

我國的氣候條件較北美洲更加多樣化，但目前還沒有針對不同氣候條件專門開發(fā)相應(yīng)的基質(zhì)系統(tǒng)，這是亟需啟動的工作。

3.2 土壤學(xué)視角：工程基質(zhì)與自然土壤的比較

在所有陸生生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是和大氣、水并列的維持生命的重要介質(zhì)，土壤學(xué)是一門歷史悠久的獨立學(xué)科，也是生態(tài)學(xué)的重要支撐。越來越多的學(xué)者傾向于將土壤視為一個有生命的系統(tǒng)，是陸生生態(tài)系統(tǒng)的組織中心，因為所有用于維持初級和次級生產(chǎn)力的必要成分——包括水、營養(yǎng)物質(zhì)和有機物等——都存儲在土壤中，并通過土壤發(fā)生再循環(huán)；相應(yīng)的，土壤也是整個生態(tài)環(huán)境健康狀況的最佳指示物，因為如果土壤的質(zhì)量得以維持，那么其上的任何系統(tǒng)（天然植被、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園林等）都得以持續(xù)（Eugene P. Odum，1997）。

這種土壤學(xué)的論斷同樣也適合屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)，不過大多數(shù)屋頂綠化采用工程基質(zhì)而非自然土壤，該書第六章認為首先有必要從土壤學(xué)的視角，對工程基質(zhì)和自然土壤進行比較。

常見的工程基質(zhì)是一種人工混合物，無機基質(zhì)的含量相對較高（一般在70%以上），且盡量選用輕質(zhì)、多孔的材料，如浮石、膨脹珍珠巖、蛭石等；混合少量的有機物以供植物生長所需，如泥炭、鋸木及肥料等。工程基質(zhì)的優(yōu)點在于：性狀可控、有利于工業(yè)化生產(chǎn)和施工、荷載較小、排水快速等。缺點包括：（1）過于單一的生態(tài)系統(tǒng)和低生態(tài)服務(wù)；（2）并不是一個自維持系統(tǒng)，且只適合某些氣候條件和植物；（3）無機基質(zhì)的生產(chǎn)過程往往需要高溫加熱，會產(chǎn)生污染和碳排放。此外，越來越多的研究質(zhì)疑工程基質(zhì)的所謂穩(wěn)定性，如有機質(zhì)會隨著時間增長，無機基質(zhì)存在一定的侵蝕性，更明顯的是在建造和運維過程中會受到種子污染（即雜草現(xiàn)象），等等。

相比工程基質(zhì)，自然土壤最大的特征是其復(fù)雜性。自然土壤根據(jù)氣候和發(fā)育程度本身有很多種類型，其無機質(zhì)部分由各種不同比例的礫、砂、淤泥、粘土組合而成；有機質(zhì)則是由不同來源（植物、動物等）、不同分解程度的腐殖質(zhì)的混合物組成。此外，大多數(shù)天然土壤孔隙率低，顆粒過小，因而密度偏大，排水速度慢，甚至容易堵塞排水系統(tǒng)。對于屋頂綠化來說，這些特征一般被認為是缺點。

3.3 將屋頂綠化視為一種成土過程和生態(tài)修復(fù)：自然土壤的優(yōu)勢

從土壤學(xué)視角來看，屋頂綠化即使采用工程基質(zhì)，其物理、化學(xué)和生物性狀都會隨時間而變化，即類似于包含淋溶和淀積作用的自然界的成土過程。經(jīng)過一段時間、達到某種動態(tài)平衡的屋頂綠化基質(zhì)，類似于某些環(huán)境下（比如干旱等）發(fā)育不成熟的自然土壤。

圖6 左：福特沃斯市郊外的一種干旱荒原，被研究者作為原型在屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)中進行模仿，并將其（發(fā)育不成熟的）土壤移植到BRIT項目；右：BRIT屋頂綠化建成第三年的實景（來源：Green Roof Ecosystems）

更進一步，從恢復(fù)生態(tài)學(xué)的角度，屋頂綠化可以看作是一個生態(tài)修復(fù)過程。人類的建筑活動破壞了原場地上的生態(tài)系統(tǒng)，未施綠化的建筑屋頂和礦山、道路邊坡類似，可以看作是一個強烈擾動之后原始植被破壞殆盡，但基巖和大氣等外圍因素仍然存在的生態(tài)系統(tǒng)；如果不進行人為干預(yù)——即生態(tài)修復(fù)，靠自然的成土作用和植被演替，需要數(shù)十至數(shù)百年的時間緩慢恢復(fù)到原來的生態(tài)系統(tǒng)，但這往往超出建筑的功能和壽命，所以除了建筑廢墟外很少有完全自然恢復(fù)的實例。和礦山、邊坡的生態(tài)恢復(fù)工程一樣，人為加速生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)速度即為生態(tài)修復(fù)（工程），而大量實踐證明生態(tài)修復(fù)的技術(shù)核心是將健康的土壤接種到被破壞的系統(tǒng)中，特別是早期階段。

如果以生態(tài)修復(fù)為目標(biāo)，自然土壤則具有工程基質(zhì)無法替代的優(yōu)勢，因為自然土壤的直接使用相當(dāng)于大大加快了成土過程。首先，自然土壤中包含豐富的種子庫，大量先鋒物種可以快速定殖，而后續(xù)演替的物種也相當(dāng)豐富；其次，自然土壤中還包含了豐富的生物庫，包括維系生態(tài)系統(tǒng)健康運行所必需的各種微生物和節(jié)肢動物，可以迅速建立相對完整的生態(tài)系統(tǒng)；第三，自然土壤中有機物、營養(yǎng)物質(zhì)種類豐富、含量充足，提供更多樣、更有彈性的生態(tài)位；此外，多數(shù)自然土壤保水性較強，利于生態(tài)系統(tǒng)的抗旱。

作者進一步認為，自然土壤復(fù)雜的特性，尤其是富含未知的種子庫、生物庫和有機物，意味著生態(tài)系統(tǒng)的彈性和演化潛力，在長期表現(xiàn)上比單一系統(tǒng)具有更強的適應(yīng)性，能夠提供更多更好的生態(tài)服務(wù)。因此，作者主張在屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計建造中，向礦山、邊坡的生態(tài)修復(fù)學(xué)習(xí)，以自然土壤為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)本底，同時改良土壤和構(gòu)造。

3.4 案例一：德克薩斯州植物學(xué)研究所屋頂綠化

第六章后半部分作者列舉了德克薩斯州植物學(xué)研究所（Botanical Research Institute of Texas，BRIT）屋頂綠化項目作為本土化策略的一個案例。這個位于德克薩斯州福特沃斯市的項目始于2007年，業(yè)主和設(shè)計師（一群植物學(xué)家和生態(tài)學(xué)家）設(shè)想通過模仿本地的草原生態(tài)系統(tǒng)，將屋頂建成城市環(huán)境中本地物種的棲息地，是一個“調(diào)和生態(tài)學(xué)”（Reconciliation Ecology，指人類和其他生物間的調(diào)和）的嘗試。

作者將具體的操作稱為仿生策略（Bio-mimicry Strategy）或生境模板策略（Habitat Template Strategy），步驟包括：（1）尋找一個和屋頂綠化生境相似的本地自然生態(tài)系統(tǒng)；（2）模仿這個自然生態(tài)系統(tǒng)建立一個屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)，重點是將自然生態(tài)系統(tǒng)中的土壤接種到屋頂綠化上；（3）對比屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)和自然原型的長期表現(xiàn)；（4）不斷改進屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)以優(yōu)化功能。

圖7 密西西比河兩岸的干旱基巖斷崖草原與當(dāng)?shù)匚蓓斁G化的類似生境（來源：Green Roof Ecosystems）

為此，該項目的業(yè)主和設(shè)計師深入調(diào)研了當(dāng)?shù)亟纪獾母珊祷脑匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)：以堅硬的石灰?guī)r為基巖，土壤非常瘠薄且發(fā)育不成熟；由于氣候干熱且降雨不均，所有生物必須充分利用土壤水分波動，盡量存儲水分以度過干旱期；而且沒有哪一種植物能夠持續(xù)主導(dǎo)，因為任何一種植物都無法持續(xù)適應(yīng)這種不穩(wěn)定的環(huán)境，同時積聚足夠的生物量去屏蔽其他植物，這使得干旱荒原具有較好的生物多樣性（圖6）。

接下來，從荒原挖取的土壤被移植到BRIT建筑的屋頂，種植了一些經(jīng)過實驗挑選的本土多年生耐旱植物，并配合一些改良的構(gòu)造方式，以更好地模擬荒原的水文環(huán)境，為了快速定殖，灌溉系統(tǒng)被用于第一個生長季并隨后停止。一個干旱的夏季過后，幾乎所有的多年生植物都枯死了，而自然土壤中的種子庫快速重建了植被覆蓋，從而證明自然土壤，包括其中的種子庫和豐富的微生物群落，對于一個健康、有彈性的屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)而言具有重要意義。隨后數(shù)年的觀察顯示，屋頂植物群落隨氣候的干濕波動而變化，超過90種新的植物被發(fā)現(xiàn)，除了來自自然土壤的種子庫，也很可能來自鳥類和風(fēng)媒傳播。而豐富的節(jié)肢動物群落，甚至鳥類的棲息行為也被逐漸觀察到。作者認為，一個源于當(dāng)?shù)鼗脑挥诔鞘协h(huán)境中的新奇生態(tài)系統(tǒng)（Novel Ecosystem）由此被創(chuàng)造出來，實現(xiàn)了創(chuàng)造城市景觀并為當(dāng)?shù)匚锓N提供棲息地的初衷。

3.5 案例二：模仿當(dāng)?shù)夭菰参锶郝涞拿髂崽K達屋頂綠化

該書第十一章以作者在明尼蘇達州的實踐為例，討論了本土植物群落在屋頂綠化上的應(yīng)用。明尼蘇達州位于美國中北部的北美大草原，作者發(fā)現(xiàn)其屋頂綠化的生境，包括基質(zhì)特征，與北美大草原相似，特別是一種位于密西西比河兩岸的干旱基巖斷崖草原（圖7）：土壤瘠薄，太陽暴曬，暴露在強風(fēng)之中。作者通過實地調(diào)研和文獻研究發(fā)現(xiàn)，這一生態(tài)系統(tǒng)中的植物群落是一種典型的北美大草原上的干旱植物群落：禾本植物的覆蓋度在50%～100%之間，種類組合由土壤和地形決定，但往往小須芒草（Schizachryium scoparium）成為支配種，非禾本的草本植物覆蓋度在5%～50%之間，種類組合復(fù)雜多變。禾本植物根系占有競爭（數(shù)量和速度）優(yōu)勢，因此其他植物只能發(fā)展大的結(jié)節(jié)狀根，或者發(fā)展在禾本植物根幕之下的深根。

在作者負責(zé)設(shè)計的兩個當(dāng)?shù)氐奈蓓斁G化項目中，基于以上研究進行了植物配置，按照調(diào)研中統(tǒng)計的物種比例設(shè)定種植比例，以及早期和后期演替種。這兩個項目均采用常見的人工基質(zhì)及構(gòu)造，配備灌溉系統(tǒng)，并進行日常維護。項目2008年建成后至2014年一直進行觀察，其中一個案例的植物群落基本保持穩(wěn)定，最初種下的44種植物在2014年仍有約34種繁盛。另一個案例建于2004年，從2010年起不再灌溉和除草，至2014年最初種下的植物種類大多數(shù)仍然存在。觀察記錄顯示，物種組合每年都發(fā)生明顯變化，干旱而無灌溉的年份覆蓋度會有所降低，雜草也趁虛而入，占據(jù)超過25%的空間。

但無論如何，實踐證明只要輔以灌溉，絕大多數(shù)草原植物都能夠在瘠薄的土壤上繁盛（7cm），包括許多深根植物適應(yīng)了屋頂綠化，根系水平發(fā)展?？傮w而言，草原群落組成了一個富有彈性的、本土化的屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)。

總之，屋頂綠化設(shè)計應(yīng)向本土耐風(fēng)和水脅迫的自然生態(tài)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，包括其土壤和植物群落等多個方面。例如在北京地區(qū)的屋頂綠化，可借鑒北部壩上草原、西部干旱土石山區(qū)甚至西北干旱地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)修復(fù)工程的實踐經(jīng)驗。

4 雜草策略

如果說本土化策略是向自然生態(tài)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，那么雜草策略則來源于對城市生態(tài)系統(tǒng)的認識和利用。這個無處不在的外部系統(tǒng)，強有力地影響了屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的方方面面；城市特殊的環(huán)境和動力，讓屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)具有不同于農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)的重要特點。只有認清并順應(yīng)這些特點，屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)才能夠真正健康地維持，為城市提供更多更好的生態(tài)服務(wù)。

英國著名景觀設(shè)計師奈杰爾·鄧尼特，在本書第十章“雜草屋頂綠化”中深刻分析了這一背景和機制，并結(jié)合生態(tài)學(xué)相關(guān)理論，提出雜草策略這一適合屋頂綠化的種植設(shè)計策略，具有很高的學(xué)術(shù)水準(zhǔn)和實踐參考價值。

4.1 從廢墟景觀到棕色屋頂

輝煌的城市似乎是人類掌控自然的象征。而各種原因形成的各種廢墟，則一直警醒著后人，只要文明稍一退卻，野蠻的大自然就會卷土重來，短短數(shù)十年，就可以將宏偉的人造工程變成荊棘叢生的廢墟。但是，這些廢墟多多少少又和純粹的自然景觀不同，這些混雜著城市和自然的奇特景觀，歷來是詩人和藝術(shù)家的靈感源泉，到了近現(xiàn)代則成為生態(tài)學(xué)家的興趣點。二戰(zhàn)后的柏林，因為特殊的政治環(huán)境導(dǎo)致一些空地——這些空地和市民的日常生活近在咫尺而被方便地觀察——長達數(shù)十年無人擾動而雜草叢生，逐漸引起了植物學(xué)家和生態(tài)學(xué)家的注意。有趣的是，現(xiàn)今流行的簡式屋頂綠化系統(tǒng)也源于二戰(zhàn)后的西德，其原型或靈感極有可能來源于其中的一種廢墟生境。

后工業(yè)化時代，很多西方城市也提供了類似廢墟的環(huán)境，比如廢棄的工業(yè)區(qū)，衰敗的中央商務(wù)區(qū)（Central Business District，CBD），典型的如最近十多年的底特律。而在當(dāng)代的歐洲，受這些廢墟環(huán)境的啟發(fā)，產(chǎn)生了“棕色屋頂”或“生物多樣性屋頂”等概念和技術(shù)。這種屋頂模仿城市棕地（即廢棄地）在沒有或很少人為干預(yù)條件下的半自然生態(tài)恢復(fù)過程，多選用碎磚瓦、壓碎混凝土塊、雜填土等建筑垃圾，有時也加入原場地的表土、砂石或其他再生材料，以提供不同厚度和光照、水熱條件的基質(zhì)，為不同的本地植物群落、土壤動物和鳥類等大型動物，創(chuàng)造多樣的、異質(zhì)的生境，并通過構(gòu)造措施控制或減少排水，保持旱季土壤的濕度，減少或取消灌溉設(shè)施，以盡量降低維護成本。這種屋頂為各種城市生物提供了棲息地，比如在倫敦，將一種名叫Black Redstat的明星鳥類的保護與生態(tài)多樣性屋頂?shù)慕ㄔO(shè)緊密地結(jié)合在一起。

4.2 城市生態(tài)學(xué)

城市生態(tài)學(xué)發(fā)軔于二戰(zhàn)后對城市廢墟中動植物的研究，目前已成為生態(tài)學(xué)的一個重要分支。根據(jù)Forman（Richard，2014）的定義，城市生態(tài)學(xué)是“研究人類聚集區(qū)內(nèi)的生物、人工結(jié)構(gòu)和物理環(huán)境之間相互作用的科學(xué)”“是一門具有多樣化應(yīng)用前景的基礎(chǔ)學(xué)科”。還有一些極具啟發(fā)性的研究也極大地豐富了城市生態(tài)學(xué)的內(nèi)容，例如Oliver Gilbert（1991）的《城市棲息地生態(tài)學(xué)》（The Ecology of Urban Habitats），揭示了城市相對于自然生態(tài)系統(tǒng)的共同規(guī)律和特殊性，以及適應(yīng)了城市環(huán)境的一些動植物群落的驚人表現(xiàn)；P. Del Tredici（2010）的《美國東北部的野生城市植物：田野調(diào)查指南》（Wild Urban Plants of the Northeast: a Field Guide）更是熱烈地提出“普世化的城市植物”的概念，指出那些完全適應(yīng)城市環(huán)境的——往往是那些討厭的雜草甚至入侵或歸化物種——才是未來真正的城市植物。

城市生態(tài)學(xué)的研究為屋頂綠化提供了更多的理論支持，反過來，屋頂綠化也將成為城市生態(tài)學(xué)的一個重要研究對象和實踐類型。相對于地面綠化，屋頂綠化是一種更加人工化、城市化的生境，不僅如此，屋頂綠化在建成之后，將形成一個與地面綠化完全不同的生態(tài)系統(tǒng)，其特征不僅表現(xiàn)在嚴(yán)酷的生境、極低的養(yǎng)護投入，更表現(xiàn)在較高的、大多數(shù)是不可預(yù)計的擾動頻率（包括環(huán)境脅迫、人為干擾、周邊生物群落的擴散影響等），導(dǎo)致其遠遠不是一個靜止的系統(tǒng)，其基質(zhì)、生物群落會隨時間而變化。為了應(yīng)對這些變化，需要一種適當(dāng)?shù)牟呗?，形成具有一定脅迫忍耐力、彈性和多樣性的生態(tài)系統(tǒng)。

4.3 雜草策略：用彈性代替穩(wěn)定

對此，鄧尼特基于功能生態(tài)學(xué)中的CSR理論，提出了廣義的雜草策略。C即Competitor（競爭者），指在較低的環(huán)境壓力下，那些生長茂盛的植物，它們采取最大化地攝取資源（光、水、營養(yǎng)）并將這些資源投入生長、占據(jù)空間、排擠其他物種的策略，在屋頂綠化水分和肥力充沛的情況下，那些高大的多年生草本植物，就是這樣的競爭者。S即Stress-Tolerators（脅迫忍受者），最典型的屬景天科植物，在資源非常有限的供給條件下緩慢生長出持久的、通常有保護性組織的葉子，以及一些特殊的生理結(jié)構(gòu)。通常這些植物都不會太高產(chǎn)，稀疏、生物量不大，以緊湊生長、節(jié)約用能為特征。而R則指狹義的雜草（Ruderals），具有快速定殖、生長與繁殖以適應(yīng)不斷的擾動的特點，比如在兩個干旱或寒冷季節(jié)之間快速生長，并開花結(jié)果繁殖后代的一年生草本植物。

在屋頂綠化這種特殊的環(huán)境下，過低的脅迫和擾動，會導(dǎo)致競爭者主導(dǎo)，但又不可能提供一個長期的、穩(wěn)定的環(huán)境供其持續(xù)發(fā)展（一般而言，會按照草地、灌叢、喬木的路徑持續(xù)演化為森林生態(tài)系統(tǒng)）；往往被一場擾動所中斷（例如灌溉故障、干旱事件或病蟲害，或者僅僅是人為清除），這往往導(dǎo)致屋頂綠化被迫宣告失敗，要么荒廢要么重新設(shè)計與建造，造成浪費。而一個被設(shè)計為S主導(dǎo)的，即目前最常見的景天科植物所支配的簡式屋頂綠化系統(tǒng)，也不會是長久的、單一的穩(wěn)定狀態(tài)，競爭者和雜草都會在適當(dāng)條件下在這里定殖。

在自然界和那些富有彈性的城市生態(tài)系統(tǒng)中，往往是一種受到外部條件影響的CSR之間的動態(tài)平衡狀態(tài)。鄧尼特指出，對于屋頂綠化而言，以（狹義的）雜草策略為主導(dǎo)的、綜合其他兩種策略的屋頂綠化種植設(shè)計，是保持屋頂綠化生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)彈性的關(guān)鍵，這種（廣義的）雜草策略是理想的屋頂綠化策略。鄧尼特進而提出一種雜草屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)：以雜草策略為基礎(chǔ)，以自發(fā)定殖、自然演替和周期性的、適度的人為擾動為基本特征，使其處在不斷調(diào)整但有規(guī)律的過程中。這是一種自然界沒有的、人類參與設(shè)計營造的全新的生態(tài)系統(tǒng)。

2007年，這一理論得以在鄧尼特主持設(shè)計的謝菲爾德的一所小學(xué)的屋頂綠化中檢驗（圖8）。該屋頂采用棕色屋頂?shù)某Ｒ娀|(zhì)設(shè)計，“植物配置和維護”則采取持續(xù)觀察與靈活干涉的雜草策略。第一年以自發(fā)定殖為主，雨季過后當(dāng)?shù)仉s草作為先鋒物種開始繁盛；第二年兩種競爭植物出現(xiàn)并開始占據(jù)越來越大的空間，人為除去部分競爭者，并播撒多種草本植物種子。經(jīng)過長期觀察發(fā)現(xiàn)，在一年生的雜草植物中，最成功的是自播能力強的種子；而很多兩年生和多年生的開花草本植物也非常成功，脅迫忍受者被逐漸排擠出局，而長遠來看競爭者也無法獲得完全成功，因為沒有施肥，場地的生產(chǎn)力不夠?？傮w來說，屋頂綠化長期的植物多樣性取決于較強的繁殖能力（自播能力），以及脅迫條件下較為保守的生長特性。該項目迄今的表現(xiàn)——非常豐富的多樣性和彈性十足的景觀——獲得了用戶和當(dāng)?shù)卣暮迷u。

受園林綠化傳統(tǒng)的影響，屋頂綠化中的雜草在大多數(shù)實踐者眼中還是一個無法容忍、除之而后快的存在，實際上，很多屋頂綠化的設(shè)計理念、技術(shù)、維護措施就是圍繞防范雜草、維持初始“植物配置”這個核心目標(biāo)展開的。鄧尼特從城市生態(tài)學(xué)中獲得靈感和理論支持，重新審視雜草這一概念，并拓展成一種可以操作的策略，在實踐方面獲得了成功，相信對我國屋頂綠化研究和實踐是一個很好的啟示。

5 長期演替與觀察

任何類型的生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)價值和演替規(guī)律，都需要放到足夠長的時間中進行觀測。不只是屋頂綠化，其他人造或人工管理的生態(tài)系統(tǒng)亦是如此，環(huán)境工程師和景觀建筑師們對這些生態(tài)系統(tǒng)的長期表現(xiàn)的預(yù)測能力，受制于可供參考的案例數(shù)量及其包含的數(shù)據(jù)。

具體分析屋頂綠化的“足夠長”時間尺度，體現(xiàn)在幾個方面：（1）單株植物及其他生物個體的生命周期尺度，比如一年生和多年生的植物，以季節(jié)或月為基本單元，研究周期橫跨一到數(shù)年；（2）植物群落演替的時間尺度，以年為基本單位，研究周期一般5年起步；（3）屋頂綠化構(gòu)造，特別是建筑防水的壽命，短則5年，長達數(shù)十年；（4）建筑的壽命，大多數(shù)建筑可以達到50年以上，歐洲現(xiàn)在還保留了一些具有100年歷史的屋頂綠化，這得益于建筑本身的質(zhì)量以及社會經(jīng)濟的穩(wěn)定。但是，能夠觀測的時間跨度，卻受制于實驗設(shè)計、經(jīng)費、研究者自身等實際情況，歐美大多數(shù)屋頂綠化的研究課題也僅持續(xù)1～2年的時間（Dvorak et al.，2010）。一些歐美學(xué)者意識到這個問題，從世紀(jì)之交開始著手對一些案例進行長期觀察，并尋找一些建造年代較早、保存至今的屋頂綠化，參考相關(guān)圖紙、文獻，對其進行歷史研究。

第十二章“群落組合與機制”、第十三章“長期屋頂群落”記錄了若干長期、系統(tǒng)觀察的案例，對開展類似研究很有借鑒意義。

第十二章重點記錄了美國康奈爾大學(xué)的兩處屋頂綠化在2004～2013年這10年間的植物演替，并對影響演替的相關(guān)因素進行了分析。這兩處相鄰的屋頂綠化，分別位于兩棟單層學(xué)生食堂的屋頂，它們之間和前后分別是3棟大致平行的四層學(xué)生宿舍樓，從而形成了一種東西向的峽谷效應(yīng)，可抵御冬季的寒風(fēng)，形成了一個相對比較適宜的生境，但二者的日照水平由于前排建筑的遮擋狀況不同而有較大差別（圖9）。

兩個屋頂綠化分別按照集中式和簡式進行設(shè)計，維護方式相同（第一年灌溉，之后沒有任何灌溉和維護），經(jīng)過9年的持續(xù)觀察，并對照其不同的生境條件，發(fā)現(xiàn)了一些有價值的信息，如表1和圖10所示。

作者結(jié)合生態(tài)學(xué)理論和觀察數(shù)據(jù)進行了總結(jié)。

（1）初始的種植設(shè)計，在沒有維護（除草）的情況下，將很快發(fā)生雜草定殖，并隨外部因素變化（主要是氣候因素影響的土壤濕度），植物組合逐年波動。某些物種在某個時間段內(nèi)可能形成支配性物種，比如屋1，2012年的干旱使得小須芒草繁盛，整個屋頂?shù)奈锓N多樣性降低；但2013年多樣性又開始恢復(fù)，作者推斷作為先鋒物種的小須芒草，支持未來的更穩(wěn)定、更具多樣性的群落。

圖8 左：混合各種建筑廢料作為棕色屋頂?shù)幕|(zhì)；右：基于棕色屋頂和雜草策略的謝菲爾德Sharrow小學(xué)屋頂綠化實景（來源：Green Roof Ecosystems）

圖9 左：康奈爾大學(xué)兩處相鄰的屋頂綠化，左側(cè)虛線內(nèi)為“屋1”，右側(cè)為“屋2”；右：兩個屋頂綠化的年平均太陽輻射小時數(shù)的差異，可以看出屋1日照條件較好，太陽輻射較為強烈，屋2相對蔭涼，相應(yīng)的土壤水分保持條件較好（來源：Green Roof Ecosystems）

圖10 康奈爾大學(xué)兩處屋頂綠化的初始種植設(shè)計與歷時10年的演替觀察，每種顏色代表一種植物及其分布范圍（來源：Green Roof Ecosystems）

表1 康奈爾大學(xué)兩處屋頂綠化的對比（根據(jù)Green Roof Ecosystems第十二章相關(guān)內(nèi)容繪制）

（2）在氣候和維護條件相同、基質(zhì)還更薄的條件下，屋2作為單一景天科植物屋頂綠化系統(tǒng)，反而演替為相對穩(wěn)定且具有更高多樣性的綠色屋頂，作者推斷主要有兩方面原因。一是景天科植物具有“沙漠護士”功能，可在干旱氣候條件下為小氣候降溫、保水，從而為其他植物抵御環(huán)境脅迫、協(xié)助其成功定殖，從而保持整個系統(tǒng)的彈性和多樣性。第二個原因可能更重要，即太陽輻射強度，特別是在夏季，直接影響基質(zhì)濕度，從而支配植物的長期演替規(guī)律；在該案例中，屋2位于更加蔭涼的生境，夏季基質(zhì)的含水率保持相對穩(wěn)定，使其獲得并維持了較高的生物多樣性。

第十三章則記錄了一些觀測時間更長的案例，其中德國柏林的兩個案例觀測時間超過20年（1985～2005年），再加上北美的一些5～10年的案例，與上文康奈爾大學(xué)案例的一些觀測結(jié)論類似，即影響屋頂綠化植物組合長期演替規(guī)律的因素包括：基質(zhì)的組成和肥力、基質(zhì)深度、基質(zhì)濕度、微氣候、屋頂坡度和朝向、灌溉、種植設(shè)計等。其中，基質(zhì)濕度是一個關(guān)鍵因素，而基質(zhì)濕度又主要由氣候條件、輻射強度和灌溉條件決定。長期穩(wěn)定的灌溉可以保持屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但在實際中，這種情況只有在少數(shù)使用和維護頻繁并且持續(xù)的花園式屋頂綠化中才得以實現(xiàn)。絕大多數(shù)屋頂綠化，從長期來看，都處在一種隨氣候和人為擾動（不持續(xù)的灌溉也可以看作是一種擾動）而波動的狀態(tài)：干旱的年份會導(dǎo)致某些耐旱的植物形成支配種，而潮濕的夏天則又滋生新的物種定殖。這與鄧尼特的結(jié)論類似，證明了雜草策略的普適性。

6 總結(jié)

該書的最后，編者薩頓對屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)理論基礎(chǔ)、設(shè)計和維護方法、政策導(dǎo)向以及未來的研究和實踐方向系統(tǒng)地進行了總結(jié)。筆者結(jié)合薩頓的總結(jié)與我國屋頂綠化發(fā)展的需求，提煉成如下重點內(nèi)容。

（1）所有生態(tài)系統(tǒng)都是動態(tài)的，屋頂綠化也不例外，其波動的頻率和幅度往往高于地面綠化。以往的屋頂綠化過于強調(diào)穩(wěn)定，導(dǎo)致過高的投入和過低的生態(tài)服務(wù)，以及大量項目的短命和失敗。屋頂綠化的設(shè)計和維護，應(yīng)有一種范式（paradigm）的轉(zhuǎn)變，才能改變目前尷尬的狀態(tài)，而生態(tài)學(xué)及生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)理論，正好提供這樣一種途徑。

（2）屋頂綠化是一個生命體，包含了植物、各種動物和微生物，在調(diào)節(jié)屋頂綠化生態(tài)功能中起關(guān)鍵作用的是基質(zhì)和其中的微生物群落，我們對此還知之甚少，這方面的研究應(yīng)該盡快展開。另一方面，在當(dāng)前的設(shè)計和管理中，應(yīng)給“未知”的生態(tài)系統(tǒng)留有余量，采用一種適應(yīng)性的、靈活的、基于不斷學(xué)習(xí)的、經(jīng)驗積累和數(shù)據(jù)分析的設(shè)計與管理方法。

（3）人類本身是屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)的一部分，屋頂綠化則是城市生態(tài)系統(tǒng)的一部分，與周邊的自然生態(tài)系統(tǒng)也存在很多關(guān)聯(lián)，因此諸如本土化、雜草等策略不失為一種理性而充滿前景的選擇。

注釋

①“Green Roof”直譯為“綠色屋頂”，但在我國更常用“屋頂綠化”，本文“綠色屋頂”和“屋頂綠化”為同義詞。

② 文中“作者”一律指《屋頂綠化生態(tài)系統(tǒng)》的作者，“筆者”指本文作者，以示區(qū)別。

③ FLL為德國景觀設(shè)計和園林建筑研究會。