郝留昌，王志勇

（湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南株洲 412007）

0 引言

綠色屋頂是利用屋頂空間通過多種植物、土壤和其他生命形式建立的屋頂綠化、屋頂花園、屋頂農(nóng)場等多元化綠色空間。這種多層次的屋頂生態(tài)系統(tǒng)，是可持續(xù)的綠色建筑技術(shù)之一，近年來在全球范圍內(nèi)廣受歡迎[1]。國內(nèi)外許多學者的研究表明，綠色屋頂不僅具有美學價值，還能夠進行雨水截留、降低城市熱島效應(yīng)、增加城市綠化面積、提高空氣質(zhì)量、降低建筑能耗以及減少噪音等[1-2]，其社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益非常顯著。如何提高各種生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量及其固碳能力，是近年來國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域。綠色屋頂中的各類植物作為生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，具有固碳釋氧的天然生理機能。近年來，國內(nèi)外學者在綠色屋頂固碳潛力方面開展了一些探索性研究工作，本文著重介紹綠色屋頂?shù)墓烫纪緩?，闡述綠色屋頂固碳潛力的影響因素（植被種植層、土壤基質(zhì)層、建筑類型和氣候條件等），并從綠色屋頂全生命周期的五個階段進行固碳量分析，以期為綠色屋頂?shù)墓烫夹史治龊凸烫剂坑嬎闾峁﹨⒖肌?/p>

1 綠色屋頂?shù)墓烫纪緩?/h2>

固碳，也稱為碳封存，是指增加除大氣之外的碳庫碳含量的措施，包括物理固碳和生物固碳。生物固碳將二氧化碳儲存在草原或森林等植被以及土壤和海洋中，包括植物固碳、海洋固碳、土壤固碳等方式。陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳被認為是最經(jīng)濟可行和環(huán)境友好的減緩大氣CO2濃度升高的重要途徑之一，其固碳能力的主體主要為植物和土壤。植物是生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的關(guān)鍵參與者，植物固碳的主要機制是通過光合作用利用太陽能將空氣中的CO2轉(zhuǎn)化為有機物，既維持了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡，也提供了植物碳匯和空氣凈化功能?？梢酝ㄟ^改變植物的形狀和特性來提高植物的固碳能力。也可以通過植被覆蓋、水土保持和自然保護等方式來間接提高其固碳能力。土壤固碳是指土壤環(huán)境中的植物、動物和微生物經(jīng)過復(fù)雜的響應(yīng)，把二氧化碳氣體轉(zhuǎn)化為有機形式固定在土壤中。當植物死亡或者落葉掉落時，它們的有機物質(zhì)會被分解成碳和其他元素，通過根系和枯枝落葉等將碳傳遞給土壤。土壤固碳能力的強弱及其固定的有機物類型，非常依賴于土壤內(nèi)物質(zhì)的組成和變化。綠色屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)主要包括植被種植層、土壤基質(zhì)層、過濾層、排水層和防水層等。綠色屋頂通過植物和基質(zhì)部分可以直接吸收大氣中的CO2，把CO2固定到基質(zhì)中或者通過光合作用變成O2[3]。綠色屋頂?shù)闹参锊糠趾突|(zhì)部分還可以通過阻擋陽光和蒸騰作用的過程來降低建筑物周圍的溫度[4]，減少建筑物的制冷需求，增加建筑物的使用年限[5]，降低建筑物的能耗[6]，減少化石燃料的消耗，進而間接減少CO2的排放，最終達到固碳減排的作用。從長遠來看，植物和土壤基質(zhì)是綠色屋頂捕獲和儲存空氣中CO2的最有效策略。

2 綠色屋頂固碳潛力的影響因素

綠色屋頂?shù)闹脖环N植層、土壤基質(zhì)層、建筑類型和氣候條件等因素共同決定了綠色屋頂?shù)纳鷳B(tài)效益、可行性和適應(yīng)性。植被種植層影響生態(tài)功能和外觀，土壤基質(zhì)層影響植物生長和水分管理，建筑類型影響結(jié)構(gòu)和設(shè)計，氣候條件影響植被生存能力。這些要素相互交織，綜合決定了綠色屋頂?shù)目冃?，詳細分析可幫助實現(xiàn)最佳綠色屋頂設(shè)計，兼顧美觀、環(huán)保和適用性。

2.1 植被種植層

綠色屋頂植被層的選擇至關(guān)重要，植物種類不同，CO2的吸收效率大不相同。CO2吸收效率還與植物搭配組合方式有關(guān)。近年來關(guān)于綠色屋頂植被層固碳潛力的研究主要集中在這兩個方向。

如果考慮固碳作用，景天科植物還遠遠不夠理想，原因是其固碳量比其它種類植物低。Kuronuma[7]等人的研究表明，日本千葉縣的綠色屋頂植被能夠有效吸收大氣中的CO2，且草本植物比景天科植物能更有效地捕捉碳。Chen[8]通過實驗測試了5種綠色屋頂植物對CO2的吸收效果，得出結(jié)論：樓草要比景天科植物具有更好的固碳潛力。Agra[9]運用實驗方法測試了景天科植物和一年生植物周圍環(huán)境CO2濃度，發(fā)現(xiàn)一年生植物要比景天科植物的固碳潛力大。Whittinghill[10]研究比較了9個地面景觀系統(tǒng)和3個不同復(fù)雜程度的屋頂綠化景觀系統(tǒng)的碳含量，結(jié)果表明：地面景觀系統(tǒng)的固碳效率要大于綠色屋頂系統(tǒng)，這是因為綠色屋頂基質(zhì)較淺，限制了植物根系的生長，從而抑制了植物的生物量增長，而地面景觀系統(tǒng)的生物量和基質(zhì)深度要高于綠色屋頂系統(tǒng)；取決于木本植物景觀系統(tǒng)的龐大的生物量和更大的木質(zhì)結(jié)構(gòu)，其碳吸收量最多。Yacob[11]量化了10種不同熱帶植物的固碳量，發(fā)現(xiàn)空心蓮子草要比其他9種植物吸收的CO2更多；在0.64 m2的試驗臺屋頂上它的CO2吸收量為0.010 t CO2/年，因此可以被很好地用作綠色屋頂植物。上述研究大多聚焦于特定區(qū)域，這樣的地域局限性可能導(dǎo)致研究結(jié)果在全球范圍內(nèi)的適用性受到限制，因為不同地區(qū)的氣候、土壤特性以及環(huán)境條件都會對植物的固碳效果產(chǎn)生顯著影響。而且，當引入新的植物物種時，必須深入考察其對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。新植物的引入可能引發(fā)多種問題，例如入侵性物種的引入、生態(tài)平衡的破壞以及與本地植物的競爭等。這些潛在影響需要在研究和應(yīng)用過程中得到足夠的關(guān)注，以確保生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健康?？傊疄榱烁玫亓私夂蛻?yīng)用綠色屋頂?shù)墓烫夹Ч?，研究必須考慮更加廣泛的地理差異和生態(tài)系統(tǒng)影響。這意味著需要在各個地區(qū)進行更多的實地調(diào)查和研究，以了解植物在不同環(huán)境條件下的固碳潛力，并確保引入的植物不會對當?shù)氐纳鷳B(tài)平衡產(chǎn)生負面影響。通過綜合考慮地理差異和生態(tài)系統(tǒng)的影響，可以更好地發(fā)揮綠色屋頂在固碳方面的潛力，為可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻。

不同種類的植物組合也能很好地提高綠色屋頂?shù)墓烫夹屎蜐摿Γㄟ^在綠色屋頂種植多樣性植物，可以在不顯著增加成本的情況下，提高其吸收CO2的效率，從而獲得更多的碳吸收收益。莫慧芝[12]運用實驗方法研究了14種簡式屋頂綠化植物并分析其固碳效益，結(jié)果表明，蘚狀景天、錦繡莧和紫竹梅三種植物互相搭配合理種植可以起到很好的固碳釋氧效益。陳愛葵[13]調(diào)查研究了10個草坪草建植的簡單式綠色屋頂?shù)墓烫紳摿Γㄟ^實驗得出以朝鮮結(jié)樓草或狗牙根為主建成的綠色屋頂在單位時間內(nèi)的CO2吸收量最多。在進行綠色屋頂種植時，建議采用多樣性的搭配方式，選擇不同類型的植物組合，以增加固碳效果?？紤]到綠色屋頂?shù)膶嶋H承重荷載，即使不能種植喬木類植物，也應(yīng)考慮灌木和草本植物的混合搭配種植方式[14]，盡量避免單一品種的種植。綜上所述，多樣性植物組合可以降低風險和增強生態(tài)適應(yīng)性。單一植物種類可能會受到病蟲害、氣候變化等因素的影響，而多樣性組合能夠降低這些風險，使綠色屋頂更加穩(wěn)健。此外，不同類型的植物具有不同的生長周期和特點，這也有助于保持植被層的健康和可持續(xù)性。但是植物的選擇和組合可能受到綠色屋頂承重、水分管理等實際因素的限制。所以在實際設(shè)計和實施過程中，需要充分考慮這些因素，以確保植物組合的可行性和穩(wěn)定性。

2.2 土壤基質(zhì)層

土壤基質(zhì)層是綠色屋頂必不可少的基本構(gòu)造，它不僅顯著影響綠色屋頂?shù)恼w性能，而且基質(zhì)的種類、深度和含水量是直接影響碳捕獲和儲存能力的關(guān)鍵因素[15]。

土壤基質(zhì)的種類會直接影響基質(zhì)的碳儲存效果，優(yōu)良的基質(zhì)成分可以提高綠色屋頂基質(zhì)的生理性能[16]，顯著提高其固碳潛力。Luo等[17]運用實驗證明混合污泥基質(zhì)比當?shù)靥烊煌寥阑|(zhì)的固碳潛力大，是一種比天然土壤優(yōu)良的種植基質(zhì)。Young等[18]研究了黑麥草在8種基質(zhì)中的生長和生理性能，結(jié)果顯示基質(zhì)成分的改變可以顯著提高植物的生長和生理性能從而提高綠色屋頂?shù)墓烫紳摿?。Chen等[19]把改良的土壤添加劑作為基質(zhì)組成部分，發(fā)現(xiàn)生物炭和污泥作為添加劑能改變土壤的化學性質(zhì)、增加碳儲存能力進而影響綠色屋頂?shù)墓烫紳摿?。綜上所述，選擇適當?shù)耐寥阑|(zhì)并進行合適的改良，可以直接提高綠色屋頂?shù)墓烫紳摿?。這種方法對于優(yōu)化綠色屋頂植被層的固碳效果具有重要意義。然而，需要進一步的研究和實踐來驗證這些發(fā)現(xiàn)，并確保所采取的改進措施在長期內(nèi)能夠產(chǎn)生可持續(xù)的固碳效應(yīng)。

土壤基質(zhì)的深度是綠色屋頂?shù)谋Ｋ阅堋B(yǎng)分供應(yīng)能力、溫度調(diào)節(jié)能力、根系穿透情況以及屋面荷載情況的關(guān)鍵影響因素，同時亦會對綠色屋頂?shù)奶純Υ婺芰Ξa(chǎn)生一定影響。隨著基質(zhì)深度的增加，植物根系發(fā)育空間大大增加，能夠儲存更多的水分，從而減少植物遭受干旱的情況[20]，提高了綠色屋頂?shù)母魺嵝阅?。Zhang等[21]調(diào)查研究了3種深度的基質(zhì)對18種非肉質(zhì)草本多年生植物的影響，結(jié)果表明大多數(shù)植物在20 cm厚的基質(zhì)中生長得很好，基質(zhì)深度的增加能給植物提供更多的養(yǎng)分并吸收更多的CO2。謝爾德[22]的研究表明15種多年生非肉質(zhì)草本植物在10 cm深土壤基質(zhì)中的存活率和生物量均低于同樣物種在20 cm基質(zhì)深的生物量和存活率。黎小廷等[23]通過實驗得出自然土的總碳（TC）和總有機碳（TOC）的含量隨著基質(zhì)厚度的增加而增加。需要注意的是，不同植物生存發(fā)育所需的基質(zhì)深度不一樣，多種植物搭配種植的基質(zhì)深度大小也有閾值，合理控制基質(zhì)深度是降低綠色屋頂?shù)慕ㄔ斐杀?、促進植物健康生長、提高CO2吸收量和固碳潛力的一項重要技術(shù)手段。

含水量通過影響基質(zhì)成分中微生物的活性進而影響綠色屋頂?shù)墓烫紳摿?。Ondono[24]設(shè)計了兩種灌溉條件研究植物的理化和微生物基質(zhì)特性，結(jié)果表明適當?shù)墓喔瓤梢蕴岣呋|(zhì)內(nèi)微生物的活性和促進植物生長，從而增加其固碳潛力。綠色屋頂在灌溉時應(yīng)綜合考慮植物種類、基質(zhì)深度、氣候條件等因素，選取合理的灌溉方式，有效降低灌溉成本和節(jié)約能源消耗。

2.3 建筑類型

除了土壤基質(zhì)層和植被種植層之外，建筑類型和氣候條件也會影響綠色屋頂?shù)墓烫紲p排效果[25]。Nadeeshani[26]研究發(fā)現(xiàn)，與混凝土平屋頂相比，綠色屋頂可減少近90%的傳熱；與傳統(tǒng)的混凝土平屋頂相比，集約型綠色屋頂?shù)纳芷谔寂欧帕拷档?4.71%。法國拉羅謝爾海洋氣候條件下的一棟單戶住宅樓，非隔熱和隔熱綠色屋頂分別比傳統(tǒng)屋頂節(jié)能48%和10%[27]。Silva[28]研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)隔熱水平的不同，半集約式綠色屋頂比黑色屋頂減少能耗30%～60%，集約型綠色屋頂在相同條件下所需能源減少45%～70%。這表明，在推廣綠色屋頂過程中，需要分建筑類型論證其環(huán)境效益，不能實行一刀切政策，必須針對每種建筑的特點，深入研究其潛在的環(huán)境收益。

2.4 氣候條件

魏格連等[29]運用EnergyPlus軟件模擬分析了4個城市（長春、北京、長沙、廣州）氣候類型下綠色屋頂?shù)墓?jié)能效益，發(fā)現(xiàn)4個城市種植屋面的全年能耗節(jié)能率在整體上從高到低依次表現(xiàn)為長沙＞廣州＞北京＞長春，這說明種植屋面更適合以降溫為主的夏熱冬冷地區(qū)或夏熱冬暖地區(qū)，其節(jié)能效果更顯著。Ascione等[30]在考慮多種氣候、降雨強度、灌溉需求和建筑類型的情況下，通過大量的數(shù)據(jù)分析評估了綠色屋頂應(yīng)用于歐洲現(xiàn)代辦公建筑的節(jié)能效果，得出在溫暖氣候條件下最高可節(jié)能11%，在寒冷氣候條件下最高可節(jié)能7%。不同氣候區(qū)域的綠色屋頂需考慮植被適應(yīng)性、排水系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素，設(shè)計和管理綠色屋頂必須充分了解當?shù)貧夂驐l件，以確保其在各種氣候環(huán)境下發(fā)揮最佳的生態(tài)和環(huán)境效益。

3 綠色屋頂?shù)娜芷诠烫剂?/h2>

全生命周期評價可以用于評估產(chǎn)品、服務(wù)或過程在整個生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響，包括從原材料采集、制造、運輸、使用、維護和終止到廢棄處理的所有階段。綠色屋頂?shù)耐寥阑|(zhì)層、排水層、過濾層、防水阻根層等組成構(gòu)件，在加工、制造、運輸、使用、廢棄等全過程中也會消耗能源。

綠色屋頂?shù)脑牧想A段涉及到材料的選擇及其生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響。通過合理選擇環(huán)保、可持續(xù)材料，采用低能耗、低排放的生產(chǎn)方法，優(yōu)化生產(chǎn)過程和確保正確的組裝，可以在綠色屋頂原材料階段有效地減少環(huán)境足跡以及在制作階段降低對環(huán)境的影響。同時，通過源頭減碳，也為后續(xù)的過程降碳和末端固碳奠定了基礎(chǔ)。Rasul[31]利用生命周期評估法比較了綠色屋頂和非綠色屋頂在原材料消耗和運行過程中的非生物消耗、臭氧層消耗、人類毒性、淡水生態(tài)毒性、光化學氧化、酸化和富營養(yǎng)化等對環(huán)境的影響，結(jié)果表明，綠色屋頂?shù)拇蠖鄶?shù)環(huán)境指標減排量在35%～83%范圍內(nèi)，對環(huán)境有著積極影響。Bianchini[32]也運用了生命周期評估法比較了綠色屋頂聚合物材料制造過程中NO2、SO2、O3、和PM10等空氣污染物排放量，以及綠色屋頂在環(huán)境中的污染去除能力。研究結(jié)果表明，綠色屋頂能夠在13～32年內(nèi)平衡掉聚合物生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的空氣污染。

運輸階段涉及能源消耗、排放物釋放以及交通運輸對環(huán)境的影響，要合理規(guī)劃供應(yīng)鏈，減少物流距離和運輸頻次，以降低運輸階段的環(huán)境影響。一般情況下綠色屋頂在運輸階段產(chǎn)生的環(huán)境負荷會比其它階段的影響小。閆笑[33]應(yīng)用Gabi軟件構(gòu)建全生命周期模型，對綠色屋頂?shù)染G色基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的環(huán)境影響進行對比分析，發(fā)現(xiàn)綠色屋頂在運輸階段對環(huán)境負荷的貢獻占比為0.0006%～20.75%，運輸過程主要對平流層臭氧消耗、陸地生態(tài)毒性、海洋生態(tài)毒性及淡水生態(tài)毒性產(chǎn)生影響。

在使用階段，綠色屋頂?shù)奶寂欧挪糠謥碜怨喔妊b置，其中電能的消耗占碳成本的23%～35%[5]，實現(xiàn)灌溉的節(jié)能化和規(guī)范化有助于減少碳成本。但在使用階段，綠色屋頂可以通過降低建筑能耗、降低屋頂周圍溫度以及延長屋頂使用壽命周期等多種方式抵消在不同階段中所產(chǎn)生的能源消耗，實現(xiàn)固碳減排的效果。Kuronma[7]運用生命周期評價方法對模塊化綠色屋頂生產(chǎn)和維護過程中的CO2排放進行了計算，結(jié)果表明綠色屋頂?shù)腃O2回收期在5.8～15.9年之間，在其使用壽命內(nèi)能夠有效地減少CO2排放。綠色屋頂可以有效減少太陽輻射和熱量傳遞，增強建筑物的隔熱性能[34]，通過植物冠層的遮蔭作用和蒸騰效應(yīng)影響屋頂?shù)臒嵝阅埽档涂照{(diào)用電成本和減少化石燃料的消耗，進而減少碳排放。Berardi[35]運用建模的方法指出改造成綠色屋頂后，建筑能源需求減少了3%，并顯著提高了綠色屋頂以下樓層室內(nèi)舒適度。同時還得出改造后的綠色建筑，能耗更多地受土壤深度的影響，而冷卻需求主要受LAI參數(shù)的影響，冷卻需求的減少與屋頂表面溫度的降低直接相關(guān)。Huang等人[36]調(diào)查研究了臺灣中部地區(qū)綠色屋頂?shù)臒嵝阅埽芯堪l(fā)現(xiàn)與普通屋頂相比，鳳仙花綠色屋頂?shù)淖罡邷囟瓤山档徒? ℃，究其原因是它的蒸散率與土壤濕度較高。Yu等[37]研究表明，與傳統(tǒng)的非綠色屋頂相比，綠色屋頂每年可減少20.21%的能源消耗。紫外線的長期照射和人類活動影響會加快屋頂各種材料的老化和破壞，導(dǎo)致普通屋頂?shù)氖褂脡勖挥?5～20年左右。綠色屋頂?shù)闹脖粚涌梢员Ｗo屋頂免受紫外線和極端溫度波動的影響，且土壤基質(zhì)層還可以有效減少人為破壞或冰雹等自然災(zāi)害帶來的破壞，所以綠色屋頂?shù)氖褂脡勖绕胀ㄎ蓓敻吆芏?，一般可以達到50年左右[38]。因此，綠色屋頂可以降低屋頂材料更換的頻率，從而節(jié)省材料成本，減少資源消耗和廢棄物產(chǎn)生。

在回收階段，盡管會消耗一定量的能源并產(chǎn)生一些環(huán)境排放，但回收過程的資源再利用和能量節(jié)省，也會產(chǎn)生一些正面效益。Bianchini[32]的研究指出，安裝聚合物綠色屋頂仍然是具有積極效果的，但有必要探索代替當前使用的聚合物材料，以提升綠色屋頂?shù)目沙掷m(xù)性。同時，強調(diào)了廢棄材料的回收和再利用在綠色屋頂實踐中有很大作用。Chenani[39]運用生命周期評估的方法發(fā)現(xiàn)，在綠色屋頂使用壽命結(jié)束階段，通過材料的回收和焚燒等處理方式，可以在非生物消耗、臭氧層消耗、人類毒性、酸化和富營養(yǎng)化等方面產(chǎn)生積極的環(huán)境影響。這表明在綠色屋頂?shù)纳芷诮K點，適當?shù)牟牧咸幚矸椒ㄒ部梢栽诙鄠€環(huán)境方面產(chǎn)生正面的效應(yīng)。綜上所述，盡管全生命周期評價提供了全面的洞察，但其結(jié)果可能受到地域差異、技術(shù)變化和研究方法的影響。此外，研究還可以進一步探索如何提高綠色屋頂?shù)目沙掷m(xù)性，包括材料替代、更高效的能源利用和持續(xù)監(jiān)測等方面。最終，綜合考慮全生命周期評價的結(jié)果，可以更好地推動綠色屋頂?shù)陌l(fā)展，以實現(xiàn)環(huán)境友好和可持續(xù)的建筑實踐。

4 總結(jié)

綠色屋頂是緩解城市熱島效應(yīng)、凈化城市空氣、促進城市低碳發(fā)展的重要措施。通過對近年來國內(nèi)外有關(guān)綠色屋頂固碳減排潛力評估的文獻進行歸納和分析，發(fā)現(xiàn)這方面的研究主要集中于碳封存的影響因素分析，多借助于實驗和模擬手段，對綠色屋頂?shù)闹脖唤M成與搭配方式、土壤基質(zhì)的選取、運維管理[40]等影響變量進行分析與探討。諸多研究成果表明綠色屋頂?shù)闹脖粚雍突|(zhì)層以及建筑類型和氣候條件等因素對其固碳效果影響較大：合理選擇植物種類或者進行不同植被的組合和合理密植能夠顯著增強綠色屋頂?shù)墓烫夹б?；?yōu)良的土壤基質(zhì)能夠提供適宜的綠植生長環(huán)境，進而提高綠色屋頂?shù)奶嘉諠摿Γ唤ㄖ愋秃蜌夂驐l件對于綠色屋頂能否發(fā)揮最佳的環(huán)境效益和生態(tài)效益亦產(chǎn)生一定影響。相對于國外，國內(nèi)在綠色屋頂固碳領(lǐng)域的研究起步較晚，目前的研究多以定性分析為主，較少關(guān)注綠色屋頂?shù)墓烫剂?，缺乏對綠色屋頂全生命周期的環(huán)境效益進行定量研究。因此，今后應(yīng)結(jié)合綠色屋頂全生命周期各階段的特點，基于生命周期評價理論，建立綠色屋頂全生命周期碳排放的核算模型，定量分析影響固碳潛力的各項因素，合理測算固碳量，科學評價其全生命周期內(nèi)的碳成本和碳效益，為綠色屋頂?shù)募夹g(shù)推廣提供參考依據(jù)，助力城市雙碳目標的實現(xiàn)。