种植屋面景天植物的生态效益研究
摘要：通过测定表明：屋顶绿化植物凹叶景天和垂盆草释氧固碳效能、蒸腾强度较强；计算结果表明：蒸腾强度大的植物，消耗热量多，导致周围空气降温效果明显，两者成正比关系。研究结果表明：景天科植物对水分胁迫的感知能力较强，能够立刻做出反应，减小气孔开张度，从而减少水分蒸腾散失，抵御水分胁迫对膜脂造成的伤害。景天属屋顶绿化植物的间接经济效益研究表明：1.325㎡的凹叶景天、3.493㎡垂盆草可满足一个成年人一天的耗氧量和消耗产生的二氧化碳量；1㎡的垂盆草、凹叶景天每小时吸热量分别相当于1KW 的空调工作0.661h 、1.162h ，节省电量分别为约0.661度、1.162度度电；以景天科植物为主的植被降温效应研究表明：植被屋面应当选择耐高温植物。
关键词：种植屋面 景天植物 释氧 固碳 二氧化碳 蒸腾 吸热量
1. 生态指标计算方法
1.1. 叶面积指数（r ）
调查1㎡植被绿地植物的叶片数量(C),随机选取20片叶并测量和计算单叶面积(Si),求得每平方米叶片总面积S=Si×C。
1.2. 释氧固碳量
在植物的光合作用日变化曲线中，其净同化量是由净光合速率曲线和时间横轴围合的面积，公式为jP= Σ[(Pi+Pi+1)/2×(ti+1-ti)×3600/1000]i=1式中P
为单位叶面积日同化量，单位:毫摩尔(mmol)，Pi 为初测点瞬时净光合速率，Pi+1为下一测点净光合速率，单位：微摩尔/平方米·秒(μmol·m-2·S-1) 。ti 为初测点时间，ti+1为下一测点时间，单位：小时(hr)。净同化量是昼净光合量减去夜间暗呼吸量的差，暗呼吸量按昼净光合量的20%计算。然后由单位叶面积日净同化量计算出CO2积累量和CO2释放量。
1.3. 蒸腾强度
单位叶面积日蒸腾总量计算公式为
jE=Σ[(ei+ei+1)/2×(ti+1-ti)×3600/1000]i=1式中E 为单位叶面积日蒸腾总量，单位：摩尔/平方米·天(mol·m-2.d-1) 。ei 为初测点瞬时蒸腾速率，ei+1下一测点蒸腾速率，单位：毫摩尔/平方米·秒(mmol·m-2·S-1) 。ti 为初测点时间，ti+1为下一测点时间，单位：小时(hr)[2-4]。
为更直观比较各植物蒸腾作用，可以把蒸腾速率换算为以单位时间和单位叶面积蒸腾量表示的蒸腾强度。单位叶面积全天平均蒸腾强度用E0表示，E0为全天各测定时段蒸腾强度平均值，单位：克/平方米·小时(g·m-2.h-1) 。
1.4. 降温增湿效能
根据单位面积日蒸腾量计算释水量，求算植物的降温增湿效能。
2. 研究结果
2.1. 释氧固碳效能
绿化植物进行光合作用时，吸收空气中的二氧化碳和土壤中的水分，合成有机物质并释放氧气。根据测得的净光合速率，按上述公式计算出单位叶面积4种植物的日释氧固碳量，结果表明：垂盆草、凹叶景天、玉吊钟和大叶油草4种植物的释氧固碳量存在明显差异。仅以单位叶面积来看，凹叶景天和大叶油草释氧固碳量较高，日固碳分别为33.75g/㎡、32.23g/㎡，日释氧分别为24.55g/㎡、23.44g/㎡；其次是垂盆草，日固碳17.85g/㎡，释氧12.98g/㎡；玉吊钟释氧固碳量最低，仅为9.72g/㎡、7.07g/㎡。因4种植物的叶面积指数与单位叶面积固碳释氧量排序一致，所以4种植物的单位绿地面积固碳释氧量从高至低排序仍为：凹叶景天、大叶油草、垂盆草、玉吊钟。
从4种植物的净光合速率Pn （mmolCO2·m-2·d-1）的比较，是凹叶景天（127.84）＞大叶油草（122.09）＞垂盆草（67.63）＞玉吊钟（36.8）, 说明在生长速度上凹叶景天和大叶油草相当，而垂盆草和玉吊钟均低于大叶油草，属于生长较慢的植物种类。
2.2. 蒸腾强度
根据测定的植物叶面积蒸腾速率，交换为以水分量表示的蒸腾强度，利用植物叶面积指数r ，计算出4种植物单位绿化面积单位时间内的蒸腾量。研究表明：从单位叶面积日平均蒸腾强度来看, 凹叶景天最高，达到67.90g/㎡·h，其次为垂盆草，达51.75g/㎡·h，再次则是大叶油草，为36.13g/ ㎡·h，而以玉吊钟蒸腾强度最弱，仅为16.65g/㎡·h。从单位绿地面积的蒸腾量来看差异则更明显。
2.3. 降温效应
计算结果表明：蒸腾强度大的植物，消耗热量多，导致周围空气降温效果越明显，两者成正比关系。蒸腾强度最大的凹叶景天，每平方米绿地面积可使其周围1000m3空气降温达到3.33℃，降温效果十分显著；其次是垂盆草和大叶油草，分别可降低温度1.89℃、1.44℃；而蒸腾强度最弱的凌霄，只使其周围1000m3空气降温0.64℃。取得这样的降温效果，是在充分考虑了大气的对流、湍流、辐射产生的热量交换的基础上测算的。由于城市空间相对狭 小，空气对流减弱，屋顶绿化植物降温效能应更为明显。
2.4. 增湿效应
计算结果表明：蒸腾强度大的植物，转化为水分的量较多，导致周围空气相对湿度相应也增加，两者呈正比关系。蒸腾强度最大的凹叶景天可使其周围1000m3空气相对湿度增加4.8%；垂盆草和大叶油草次之，可分别增湿达2.8%和2.02%；玉吊钟增湿效能最低，仅为0.99%。城市空间相对狭少，空气对流较小的条件下，测定叶面附近湿度增加可以达到5%-10%甚至更多。
2.5. 抗旱节水效应分析
4种植物在遭受水分胁迫时，其蒸腾速率均有不同程度的下降，但景天科植物和禾本科植物下降幅度有所不同。大叶油草对水分胁迫的反应不敏感，下降幅度较小；而3种景天植物随着水分胁迫程度加剧，蒸腾速率急剧下降，表明景天科植物对水分胁迫的感知能力较强，能够立刻做出反应，减小气孔开张度，从而减少水分蒸腾散失，抵御水分胁迫对膜脂造成的伤害。从3种景天科植物的蒸腾速率及对水分胁迫的反应看，玉吊钟蒸腾速率始终维持在较低的水平，表明植株耗水量低，因而抗旱性最强，其次是凹叶景天和垂盆草。
3. 景天属屋顶绿化植物的间接经济效益分析
在空气中，二氧化碳的含量通常稳定在0.03%左右。在城市中，由于工厂集中、人口密集，产生的二氧化碳比较多，其含量有时可在达到0.05%-0.07%，局部地区甚至高达0.2%。当二氧化碳含量达到0.05%时，人们呼吸就感到不适；到0.2%时，就头昏耳鸣、心悸、血压升高；到1%以上，则可能危及到生命。同时由于城市下垫面层净得热量大于郊区，使得城市气温高于郊区，从而形成城市热岛。研究表明，一般城市年平均气温比郊区高0.5-1. 0℃ 。
绿化植物作为大自然的保护神，能通过光合作用维护城市二氧化碳与氧化的平衡，减轻城市大气污染；通过蒸腾作用降低空气温度，增加空气相对湿度，改善城市小气候环境，从而有效缓解城市效应。而屋顶绿化，在城市寸土尺金的空间限制中，将绿化向第五立面延伸，既节约宝贵的土地资源，又可改善城市生态环境。据测定，一个成年人每天需要呼吸消耗氧750 g 左右，产生二氧化碳900g 左右，那么，1.325㎡的凹叶景天、3.493㎡垂盆草、5.358㎡玉吊钟即可满足一个成年人一天的需求量。如将屋顶绿化植物降温效能与功率为1KW 的空调进行比较（把空调制冷效率看作100%），1㎡的垂盆草、凹叶景天、玉吊钟每小时吸热量分别相当于空调工作0.661h 、1.162h 、0.228h ，节省电量分别为约0.661度、
1.162度、0.228度电，按深圳目前电价每度￥0.70元计，每小时节省电费达￥0.46元、￥0.81元、￥0.16元。由此可见，屋顶绿化所产生的生态效益和间接的经济效益非常可观。
4. 以景天科植物为主的植被降温效应研究
4.1 植被屋面所处的高温环境分析
园林所实验中心座落在园科公园内，四周绿树成荫，绿荫环抱，小气候环境相对一般高层建筑屋面要优越（见图11.53）。从实验中心屋顶的实测数据表明（见图11.54 ）, 在夏季高温季节，屋顶裸露面较地面高5-7℃，从高温持续时间来看，屋面高温持续的时间更长，10点就基本接近了地面的最高温，至下午2 点较12 点相比仅下降了1.4℃，温度仍维持在50℃以上，而地面12 点温度也仅48.4℃，至下午2点已下降了近3℃。由此可以看出屋面所处的环境温度更高，而且高温持续时间更长。
从屋面植被上方40cm 的气温的变化趋势，可以看出屋面植被夏季生长所处的环境，基本维持在40℃以上的高温胁迫环境中，因此筛选屋顶绿化植物其中一个重要指标是植物要能忍耐40℃以上的高温。
4.2 以景天科植物为主的轻型屋顶绿化植被降温效应分析
从以景天科植物为主的轻型屋面植被的降温效果来看（见表11.20 屋顶与地面不同下垫面温度对比
），有植被的屋面较裸露屋面可降低温度达7-12℃，尤其在12 点至下午2 点的高温期间降温效果更明显，降温幅度达12 度，屋面植被层的温度维持在40-42℃左右，与地面植被层的温度仅高出1-2℃，而地面植被降温幅度最高时也才8℃。因屋面基质层较薄，且不接地气，受建筑体本身传热影响，基质层的温度要比地面土壤层温度高2-5℃。调查显示，在屋面植被中，植株地上部和地下部均处于近40℃的高温胁迫环境中。
深圳市园林科研所 谭一凡等 世界屋顶绿化大会 2012-11-09
种植屋面景天植物的生态效益研究
摘要：通过测定表明：屋顶绿化植物凹叶景天和垂盆草释氧固碳效能、蒸腾强度较强；计算结果表明：蒸腾强度大的植物，消耗热量多，导致周围空气降温效果明显，两者成正比关系。研究结果表明：景天科植物对水分胁迫的感知能力较强，能够立刻做出反应，减小气孔开张度，从而减少水分蒸腾散失，抵御水分胁迫对膜脂造成的伤害。景天属屋顶绿化植物的间接经济效益研究表明：1.325㎡的凹叶景天、3.493㎡垂盆草可满足一个成年人一天的耗氧量和消耗产生的二氧化碳量；1㎡的垂盆草、凹叶景天每小时吸热量分别相当于1KW 的空调工作0.661h 、1.162h ，节省电量分别为约0.661度、1.162度度电；以景天科植物为主的植被降温效应研究表明：植被屋面应当选择耐高温植物。
关键词：种植屋面 景天植物 释氧 固碳 二氧化碳 蒸腾 吸热量
1. 生态指标计算方法
1.1. 叶面积指数（r ）
调查1㎡植被绿地植物的叶片数量(C),随机选取20片叶并测量和计算单叶面积(Si),求得每平方米叶片总面积S=Si×C。
1.2. 释氧固碳量
在植物的光合作用日变化曲线中，其净同化量是由净光合速率曲线和时间横轴围合的面积，公式为jP= Σ[(Pi+Pi+1)/2×(ti+1-ti)×3600/1000]i=1式中P
为单位叶面积日同化量，单位:毫摩尔(mmol)，Pi 为初测点瞬时净光合速率，Pi+1为下一测点净光合速率，单位：微摩尔/平方米·秒(μmol·m-2·S-1) 。ti 为初测点时间，ti+1为下一测点时间，单位：小时(hr)。净同化量是昼净光合量减去夜间暗呼吸量的差，暗呼吸量按昼净光合量的20%计算。然后由单位叶面积日净同化量计算出CO2积累量和CO2释放量。
1.3. 蒸腾强度
单位叶面积日蒸腾总量计算公式为
jE=Σ[(ei+ei+1)/2×(ti+1-ti)×3600/1000]i=1式中E 为单位叶面积日蒸腾总量，单位：摩尔/平方米·天(mol·m-2.d-1) 。ei 为初测点瞬时蒸腾速率，ei+1下一测点蒸腾速率，单位：毫摩尔/平方米·秒(mmol·m-2·S-1) 。ti 为初测点时间，ti+1为下一测点时间，单位：小时(hr)[2-4]。
为更直观比较各植物蒸腾作用，可以把蒸腾速率换算为以单位时间和单位叶面积蒸腾量表示的蒸腾强度。单位叶面积全天平均蒸腾强度用E0表示，E0为全天各测定时段蒸腾强度平均值，单位：克/平方米·小时(g·m-2.h-1) 。
1.4. 降温增湿效能
根据单位面积日蒸腾量计算释水量，求算植物的降温增湿效能。
2. 研究结果
2.1. 释氧固碳效能
绿化植物进行光合作用时，吸收空气中的二氧化碳和土壤中的水分，合成有机物质并释放氧气。根据测得的净光合速率，按上述公式计算出单位叶面积4种植物的日释氧固碳量，结果表明：垂盆草、凹叶景天、玉吊钟和大叶油草4种植物的释氧固碳量存在明显差异。仅以单位叶面积来看，凹叶景天和大叶油草释氧固碳量较高，日固碳分别为33.75g/㎡、32.23g/㎡，日释氧分别为24.55g/㎡、23.44g/㎡；其次是垂盆草，日固碳17.85g/㎡，释氧12.98g/㎡；玉吊钟释氧固碳量最低，仅为9.72g/㎡、7.07g/㎡。因4种植物的叶面积指数与单位叶面积固碳释氧量排序一致，所以4种植物的单位绿地面积固碳释氧量从高至低排序仍为：凹叶景天、大叶油草、垂盆草、玉吊钟。
从4种植物的净光合速率Pn （mmolCO2·m-2·d-1）的比较，是凹叶景天（127.84）＞大叶油草（122.09）＞垂盆草（67.63）＞玉吊钟（36.8）, 说明在生长速度上凹叶景天和大叶油草相当，而垂盆草和玉吊钟均低于大叶油草，属于生长较慢的植物种类。
2.2. 蒸腾强度
根据测定的植物叶面积蒸腾速率，交换为以水分量表示的蒸腾强度，利用植物叶面积指数r ，计算出4种植物单位绿化面积单位时间内的蒸腾量。研究表明：从单位叶面积日平均蒸腾强度来看, 凹叶景天最高，达到67.90g/㎡·h，其次为垂盆草，达51.75g/㎡·h，再次则是大叶油草，为36.13g/ ㎡·h，而以玉吊钟蒸腾强度最弱，仅为16.65g/㎡·h。从单位绿地面积的蒸腾量来看差异则更明显。
2.3. 降温效应
计算结果表明：蒸腾强度大的植物，消耗热量多，导致周围空气降温效果越明显，两者成正比关系。蒸腾强度最大的凹叶景天，每平方米绿地面积可使其周围1000m3空气降温达到3.33℃，降温效果十分显著；其次是垂盆草和大叶油草，分别可降低温度1.89℃、1.44℃；而蒸腾强度最弱的凌霄，只使其周围1000m3空气降温0.64℃。取得这样的降温效果，是在充分考虑了大气的对流、湍流、辐射产生的热量交换的基础上测算的。由于城市空间相对狭 小，空气对流减弱，屋顶绿化植物降温效能应更为明显。
2.4. 增湿效应
计算结果表明：蒸腾强度大的植物，转化为水分的量较多，导致周围空气相对湿度相应也增加，两者呈正比关系。蒸腾强度最大的凹叶景天可使其周围1000m3空气相对湿度增加4.8%；垂盆草和大叶油草次之，可分别增湿达2.8%和2.02%；玉吊钟增湿效能最低，仅为0.99%。城市空间相对狭少，空气对流较小的条件下，测定叶面附近湿度增加可以达到5%-10%甚至更多。
2.5. 抗旱节水效应分析
4种植物在遭受水分胁迫时，其蒸腾速率均有不同程度的下降，但景天科植物和禾本科植物下降幅度有所不同。大叶油草对水分胁迫的反应不敏感，下降幅度较小；而3种景天植物随着水分胁迫程度加剧，蒸腾速率急剧下降，表明景天科植物对水分胁迫的感知能力较强，能够立刻做出反应，减小气孔开张度，从而减少水分蒸腾散失，抵御水分胁迫对膜脂造成的伤害。从3种景天科植物的蒸腾速率及对水分胁迫的反应看，玉吊钟蒸腾速率始终维持在较低的水平，表明植株耗水量低，因而抗旱性最强，其次是凹叶景天和垂盆草。
3. 景天属屋顶绿化植物的间接经济效益分析
在空气中，二氧化碳的含量通常稳定在0.03%左右。在城市中，由于工厂集中、人口密集，产生的二氧化碳比较多，其含量有时可在达到0.05%-0.07%，局部地区甚至高达0.2%。当二氧化碳含量达到0.05%时，人们呼吸就感到不适；到0.2%时，就头昏耳鸣、心悸、血压升高；到1%以上，则可能危及到生命。同时由于城市下垫面层净得热量大于郊区，使得城市气温高于郊区，从而形成城市热岛。研究表明，一般城市年平均气温比郊区高0.5-1. 0℃ 。
绿化植物作为大自然的保护神，能通过光合作用维护城市二氧化碳与氧化的平衡，减轻城市大气污染；通过蒸腾作用降低空气温度，增加空气相对湿度，改善城市小气候环境，从而有效缓解城市效应。而屋顶绿化，在城市寸土尺金的空间限制中，将绿化向第五立面延伸，既节约宝贵的土地资源，又可改善城市生态环境。据测定，一个成年人每天需要呼吸消耗氧750 g 左右，产生二氧化碳900g 左右，那么，1.325㎡的凹叶景天、3.493㎡垂盆草、5.358㎡玉吊钟即可满足一个成年人一天的需求量。如将屋顶绿化植物降温效能与功率为1KW 的空调进行比较（把空调制冷效率看作100%），1㎡的垂盆草、凹叶景天、玉吊钟每小时吸热量分别相当于空调工作0.661h 、1.162h 、0.228h ，节省电量分别为约0.661度、
1.162度、0.228度电，按深圳目前电价每度￥0.70元计，每小时节省电费达￥0.46元、￥0.81元、￥0.16元。由此可见，屋顶绿化所产生的生态效益和间接的经济效益非常可观。
4. 以景天科植物为主的植被降温效应研究
4.1 植被屋面所处的高温环境分析
园林所实验中心座落在园科公园内，四周绿树成荫，绿荫环抱，小气候环境相对一般高层建筑屋面要优越（见图11.53）。从实验中心屋顶的实测数据表明（见图11.54 ）, 在夏季高温季节，屋顶裸露面较地面高5-7℃，从高温持续时间来看，屋面高温持续的时间更长，10点就基本接近了地面的最高温，至下午2 点较12 点相比仅下降了1.4℃，温度仍维持在50℃以上，而地面12 点温度也仅48.4℃，至下午2点已下降了近3℃。由此可以看出屋面所处的环境温度更高，而且高温持续时间更长。
从屋面植被上方40cm 的气温的变化趋势，可以看出屋面植被夏季生长所处的环境，基本维持在40℃以上的高温胁迫环境中，因此筛选屋顶绿化植物其中一个重要指标是植物要能忍耐40℃以上的高温。
4.2 以景天科植物为主的轻型屋顶绿化植被降温效应分析
从以景天科植物为主的轻型屋面植被的降温效果来看（见表11.20 屋顶与地面不同下垫面温度对比
），有植被的屋面较裸露屋面可降低温度达7-12℃，尤其在12 点至下午2 点的高温期间降温效果更明显，降温幅度达12 度，屋面植被层的温度维持在40-42℃左右，与地面植被层的温度仅高出1-2℃，而地面植被降温幅度最高时也才8℃。因屋面基质层较薄，且不接地气，受建筑体本身传热影响，基质层的温度要比地面土壤层温度高2-5℃。调查显示，在屋面植被中，植株地上部和地下部均处于近40℃的高温胁迫环境中。
深圳市园林科研所 谭一凡等 世界屋顶绿化大会 2012-11-09