成都自生草本植物屋顶绿化夏季气候适应性研究

成都自生草本植物屋顶绿化夏季气候适应性研究

 

摘要：【目的】针对成都夏季城市热岛效应加剧、园林屋顶绿化养护管理成本高及景观同质化严重等问题，探讨自生草本植物在屋顶绿化中的夏季气候适应性，以期丰富屋顶绿化植物种类，构建低维护植物景观来缓解城市热岛效应。

 

【方法】通过构建绿色屋顶容器式实验平台，采用实验验证法对成都市16种常见的自生草本植物开展为期3个月的适应性观测，分析自生草本植物的生长高度、地面覆盖度、植物存活期等相关数据。

 

【结果】求米草、狗牙根、白茅、山莴苣、马兰、薄荷、马蹄金、车前、铁苋菜9种植物在极端高温、干旱的气候条件下长势较好，适宜成都市屋顶绿化的夏季气候条件，具有应用优势。水芹、荩草、狗尾草、淡竹叶、鱼眼草、犁头尖、龙葵无法适应屋顶绿化气候环境，不适合成都市屋顶绿化植物造景应用。

 

【结论】研究结果为城市屋顶绿化应用提供多样植物选择依据，创新了屋顶绿化材料运用，自生植物更适宜低维护、可持续植物景观，具有重要的社会价值、生态价值。

 

1研究背景

 

全球城市化的快速发展导致热岛效应等“城市病”流行[1]，城市环境恶化对人类健康和生命安全构成潜在威胁[2-3]。绿色基础设施作为自然生命支持系统，是解决快速城市化中生态问题的重要途径[4]。当前城市建筑密集、用地紧张，屋顶绿化既能发挥绿地的生态效益又不会占用新的土地[5]，还能减缓因地面植被减少和工业废气排放导致的城市热岛效应。因此，不少城市纷纷出台政策措施鼓励施行屋顶绿化，如成都市在“十四·五”公园城市建设规划[6]中明确：增加屋顶绿化面积，做到应绿尽绿。成都作为公园城市示范区，屋顶绿化发展较早，目前正往可持续性生态景观、低廉的成本与操作便捷的容器式种植方向发展[7]。

 

当前全国范围内所使用的屋顶绿化植物多为园林植物，且屋顶温度较地面温度更高，植物生长过程中的需水量更大[8]，修剪、除草、病虫害防治等养护管理更加频繁，无形中增加了养护管理的成本。同时，建造前需对屋顶绿化植物进行筛选，多选用浅根系植物，否则会造成植物根系穿透防水层或结构层等破坏建筑结构的恶果[9]。因此，屋顶绿化的植物种类选择大为受限，导致景观同质化、视觉效果单一等问题。成都位于全球34个生物多样性热点地区之一，植物种类丰富，四川现有1.2万余种野生植物，成都市约有4000种[7]。屋顶绿化可用植物种类单一的现实困境使得业界开始关注城市中的自生植物。

 

自生植物（spontaneousvegetation/plants）是指能在城市环境影响中自然生长的植物[10-11]，较园林植物只要较低的经济投入就能体现地域特色，更适应本土自然和气候条件；更少的养护管理就能为许多鸟类和昆虫提供食源和栖息地[12]，能自然生长良好，形成的景观极具野趣。相比于人工培育的园林植物，自生植物具有强大的自愈力和自然演替能力，管理维护频次更低，更强调植物的自然特性，满足低成本、可持续的园林景观要求。因此，本研究以自生草本植物为研究对象，探索自生草本植物在屋顶绿化中的夏季气候适应性和应用价值。

 

近年来国内外学者的研究主要集中在城市环境中自生植物的物种组成及其具备的美学和生态学价值，少数研究侧重于物种丰富度、景观特性以及生境适应性等方面[13]。在国外，已有将自生植物运用于景观设计的先例（如德国北杜伊斯堡景观公园、美国纽约高线公园），并取得了瞩目的成就，国内对自生植物的研究多停留于理论探索，少有将自生植物运用于城市绿化的实践。

 

本研究探讨自生草本植物在屋顶绿化中的夏季气候适应性理由如下。1）自生植物夏季气候适应性是能否在屋顶绿化应用推广的关键。根据成都市气象数据统计，成都市近3年冬季平均低温6.8℃，夜间极端低温为?2~0℃；夏季平均高温31.3℃，白天极端高温高达40℃。从植物气候适应性角度，植物越冬条件远优于夏季；从节能减排角度，成都市建筑冬季保温需求远低于夏季降温需求。园林植物难以适应屋顶夏季气候环境[14]，自生植物是否适应还缺乏相关验证。2）自生植物中的乔木、灌木、藤本根系相对发达，难以适应屋顶薄土种植要求，且易危害建筑结构，因此，本研究选择根系较浅的自生草本植物进行探讨。

 

本研究以四川省成都市为例，通过连续监测、分析自生草本植物在屋顶绿化上的生长表现绩效，探讨自生草本植物在城市屋顶绿化中的夏季气候适应性，发掘城市中自生植物的应用潜力，为屋顶绿化植物选择提供新思路，丰富城市景观多样性。

 

2实验方法

 

2.1植物种植

 

本研究采用实验验证法，选取16种成都市常见的一年生或多年生自生草本植物进行夏季屋顶绿化适应性种植实验，包括9科16属，所选植株均健硕无病虫害。通过监测16种自生草本植物的生长高度、地面覆盖度、植物存活期等相关参数，筛选出可供成都地区屋顶绿化推广应用的适生种类，提升屋顶绿化植物的稳定性与多样性。

 

本研究时间节点为：2022年5月10日前完成自生草本植物实地调研、野外采集和屋顶种植工作，5月10日—6月30日进行实验预观察，及时补种死亡率较高的植物，植物生长稳定后（存活率为80%）于2022年7月初开始进行夏季屋顶绿化中的自生植物气候适应性观测，观测时间共计3个月。

 

2.1.1屋顶绿化实验平台搭建

 

1）实验场地选择。实验场地位于成都市西南交通大学犀浦校区内某教学楼6楼一处光照充足且开阔的屋顶平台。对于本研究而言，高校校园作为城市绿地的重要组成部分，通常具有占地较广、绿地率和绿化覆盖率较高、植被种类丰富等特点，也是城市中重要的自生植物生长场所。2022年校区内夏季温度高达40℃，与市区同样具有高温困扰且校内便于进行自生植物植株采集，避免因远距离采集、运输造成植物缺水萎蔫、影响存活率的情况。

 

2）自生植物采集。国内学者对城市区域中自生植物的研究主要在墙体[15-16]、校园[17-18]、河流廊道[19]、公园[20]、工业废弃地[21]中展开，并证明以上5种生境中自生植物种类丰富。本研究结合地理大数据云平台提供的成都市2020年30m精细地表覆盖数据，将成都市地表分为灌溉农田、草地、林地、裸露地等21种类型，主要参考灌溉农田的分布范围（指导本研究的自生草本植物采集工作），分析成都市地表类型中自生植物生存的可能性和空间布局范围。结合文献查阅和大数据指导下的自生植物分布情况，确定本研究的调研场地和采集范围（表1）。

 

调研内容包括自生草本植物的品种类型、形态特征、根系长短、观赏价值，并在此基础上，进行自生植物采集和屋顶实验种植。根据调研内容以及采集区域内辨析到的自生植物出现频次、生长状况、繁衍情况初步确定了16种自生草本植物的采集工作，由于实验场地位于西南交通大学犀浦校区，为确保植物采集后到移栽前的存活率，因此自生植物采集点主要为成都市西南交通大学犀浦校区和成都市犀浦镇的农田田埂、荒野地，所选植物均为景观效果较好的观叶、观果或观花的浅根系自生草本植物（表2）。

 

3）屋顶种植。屋顶种植实验平台共设置16个种植实验槽，种植槽大小为45cm×45cm，槽底部距地面2cm，覆土厚度小于10cm。每个种植槽种植一种植物，植株初始覆盖度达10%~30%，匍匐型植物种植于种植槽中部，其余类型植物采用随机分布法均匀种植于种植槽内（图1）。种植土采用成都市农田土壤，土壤密度符合植物种植需求。移栽后记录植物初始高度、覆盖度、存活期、重生性和自发生长性等相关数据。

 

2.1.2灌溉及后期养护

 

为保证植物在移栽后能够存活，实验团队对16个种植槽进行人工浇灌，2022年5月10日—6月15日每天在傍晚进行浇灌（每个种植槽水量2400ml）。定期清除种植槽内的非实验植物，避免影响植物生长和数据采集。2022年6月15日后，当自生植物存活率为80%后，以自然养护方式为主，根据天气炎热程度与植被生存状况，进行人工浇灌（每个种植槽水量2400ml，浇灌时间为傍晚），间隔时间约为3~7天，不进行其他的养护工作（如病虫害防治）。

 

2.2植物生长指标监测

 

在2022年7—9月夏季气温最高时段进行连续适应性观测，为避免植物因中午或下午日照而变软变矮，影响观测数据，观测起始时间为上午9：00—10：00，主要监测植物生长高度、地面覆盖度、存活期、重生性及自发生长性5个指标。

 

2.2.1生长高度

 

将植物生长高度作为16种自生草本植物的垂直生长观测指标，植物生长高度为从基质表面植物基部到现存最高叶片顶端或最高种头、花朵先端部位的距离[22]。实验开始和实验结束时各记录一次自生草本植物生长高度。

 

2.2.2地面覆盖度

 

将地面覆盖度作为16种自生草本植物的水平生长观测指标。地面覆盖度=种植槽中植被覆盖的总面积/种植槽总面积。数据采集方法：对种植槽进行垂直俯拍，拍摄时间为09：00—10：00，拍摄间隔为7d，采用PS软件对拍摄照片进行图像裁剪，删除无关元素并进行网格划分处理[23]。

 

2.2.3植物存活期

 

将植物存活期作为16种自生草本植物的生存指标。植物死亡的认定标准为：植被地上部分完全枯萎或整株叶片萎蔫，植物矮化严重，植株易从土中拔出，须根已完全腐烂，浇水后未发出新芽[24]。该指标于实验开始至结束期间持续观察。

 

2.2.4重生性及自发生长性

 

将重生性作为16种自生草本植物的生存指标，自发生长性作为其生长指标。重生性是自生植物因比园林植物更具适应性、稳定性和抗逆性，在环境因子不适的情况下依然能顽强生长，甚至在出现生长不良或枯萎现象后，通过灌溉依然可恢复生长，发出新枝或新叶的特征[25]。自发生长性是自生植物自播繁衍和适应性的综合表现，相对于园林植物，它们能形成更适宜场地环境和气候条件的种群形态，以及更稳定、优越的生态系统[26]。该指标于实验开始至结束期间持续观察。

 

 

3实验结果与分析

 

3.1生长高度

 

整个实验周期中，马蹄金是本研究中选取的所有自生草本植物中最低矮的种类，由初始高度2cm生长至7cm；犁头尖最终生长高度10cm，鱼眼草最终生长高度11.5cm；实验周期结束后，水芹可生长至28cm，但结合实地调研可知它通常与马蹄金一样是地被植物；薄荷、荩草、车前、狗牙根、马兰、淡竹叶、铁苋菜、求米草生长高度相近，最终生长高度分别为24、32、37、38、42、44、44、50cm；山莴苣生长高度最高，实验周期结束时达150cm以上，并呈现持续增长的态势，其次生长高度较高的为白茅（77cm）、龙葵（65cm）、狗尾草（58cm）（图2）。

 

整体而言，实验平台上大多数自生草本植物生长高度都为10~60cm，其中山莴苣生长高度≥150cm。综合种植条件分析，求米草、狗牙根、白茅、山莴苣、铁苋菜在屋顶绿化上的生长高度与其在地面上的最佳生长高度十分接近，说明该5种自生草本植物能在相对更贫瘠的土壤中生长良好，并且能适应长日晒、无充足水分灌溉的屋顶绿化环境。马兰适应性强、耐热，对土壤无严苛要求，但在屋顶的生长高度与它在地面上的最佳生长高度相比表现一般，原因可能是马兰的生长适温为15~22℃，高于30℃的温度会使它的茎叶纤维化，而屋顶相对于地面温度更高，日照时间更长，茎叶更易纤维化进而影响生长高度。鱼眼草、车前在屋顶的生长高度远不如地面的最佳生长高度，原因可能是屋顶炎热干旱的环境条件不适于喜湿润的鱼眼草生长，车前虽耐旱、喜光，但其最佳的生长温度为20~24℃，气温超过32℃则会生长缓慢。

 

3.2地面覆盖度

 

根据观测结果，淡竹叶、荩草在第2次实验观测时覆盖度已达到80%~90%，第3次实验观测时覆盖度达100%；狗尾草、狗牙根在第3次实验观测时覆盖度达到80%~90%，实验表明这4种自生草本植物生长迅速并能较快适应屋顶环境。白茅、求米草、铁苋菜在实验观测初期（2022年7月3—17日）便呈现覆盖度衰减趋势，由7月3日观测的覆盖度10%~25%降低到7月17日观测的覆盖度2%~19%，受2022年夏季成都市第一段高温天气（7月4—16日）影响，无法适应长日晒的屋顶环境，部分植株死亡，7月17日之后逐渐适应环境而又重新生长，9月18日覆盖度达100%。鱼眼草在7月3日观测时覆盖度为10%，7月3日—8月7日覆盖度逐渐递减，呈生长衰弱趋势，8月14日植株全部死亡，覆盖度为0。除鱼眼草外，7月17日—8月14日其他自生草本植物逐渐适应屋顶绿化环境，整体生长良好，地面覆盖度呈上升或持平趋势。但在8月14—21日的极端高温天气影响下，荩草、狗尾草、淡竹叶、龙葵、水芹植株全部死亡，狗牙根、求米草、山莴苣、马兰、薄荷、车前大面积死亡，部分植株趋于倒伏，观赏效果普遍较差，叶片呈中度或重度卷曲、萎蔫、变薄甚至黄化脱落；8月28日之后，由于天气转凉，存活的植物复绿并呈现自然生长状态（图3）。

 

覆盖度最终达到80%以上的自生草本植物包括求米草、狗牙根、白茅、山莴苣、马蹄金、车前、铁苋菜，根据前期调研和植物生长习性可知求米草、白茅、车前对土壤要求不严，可在不同类型土壤上生长；狗牙根、山莴苣耐热、抗旱不耐阴，更适宜屋顶绿化环境。地面覆盖度最终为10%~80%的植物为薄荷、犁头尖，薄荷的适应性强，对土壤无严苛要求，在8月4日之后地面覆盖度逐渐降低并维持在50%左右，原因可能是高温炎热的天气导致部分植株死亡；犁头尖性喜温暖，多生长于湿润处，屋顶环境温湿度条件较差，不利于犁头尖生长。地面覆盖度最终为0（死亡）的植物包括鱼眼草、淡竹叶、荩草、狗尾草、马兰、水芹、龙葵，其中鱼眼草、淡竹叶、荩草、狗尾草、水芹、龙葵因8月中下旬的高温曝晒而导致植物缺水死亡、覆盖度骤降；马兰虽耐热，适应性强，但在长时间的阳光曝晒下也出现叶片焦黄脱落，部分植物死亡，覆盖度逐渐下降，在10月2日最后一次实验观测时覆盖度为0，植物全部死亡。

 

 

3.3植物存活期

 

实验监测期共93d（图4），其中鱼眼草存活时间为42d，荩草、狗尾草、淡竹叶存活时间为45d，水芹存活时间为46d，龙葵存活时间为56d，这6种植物的死亡原因均为无法适应极端高温天气，不适于用作成都地区屋顶绿化植物种类；犁头尖在监测期间一直存活，在高温天气下虽不会死亡，但是生长状况一直较差，不具备良好的观赏特性，不适于用作屋顶绿化；马兰存活时间为93d（最后一次实验观测时死亡），度过了2022年夏季最酷热的时期（7月4—16日和7月28日—8月22日），可以作为成都地区屋顶绿化的植物材料；求米草、狗牙根、白茅、山莴苣、薄荷、马蹄金、车前、铁苋菜存活时间长达93d并呈现持续生长态势，不仅能适应屋顶环境，还能承受夏季高温天气，并且生长良好，

适宜用作屋顶绿化。

 

实验中的多数植物有较长的存活期，少部分植物如荩草、狗尾草、淡竹叶、鱼眼草、水芹、龙葵在8月中下旬出现死亡植株。尽管荩草、狗尾草、淡竹叶和水芹在死亡之前生长十分旺盛（属于浅根系植物，在低于10cm的薄土上依然能正常生长），还是在8月中旬的高温影响下缺水死亡，表明这4种植物耐热、耐旱性不佳，在无越夏保护措施的情况下不适宜在屋顶这样相对严苛的条件下生长、生存。依据观测，龙葵的死亡原因可能是土壤干旱和病虫害感染导致，2022年7月、8月成都出现持续高温，最高温达到40℃，降雨少，在无充足人工灌溉的情况下，土壤缺水，不利于需水量大的龙葵生长，此外，龙葵易感染病虫害而影响正常生长，最终死亡。从第一次实验观测开始鱼眼草死亡率逐渐上升，直至8月中旬全部死亡，原因可能是植物长时间处于阳光曝晒、空气湿度低、土壤干旱的生存环境，这不利于喜欢湿润或半湿润环境的鱼眼草生存。

 

3.4重生性及自发生长性

 

2022年夏季成都先后出现两段区域强高温过程，分别为7月4—16日和7月28日—8月22日，在高温天气期间，每隔3d进行一次灌溉（每个种植槽水量2400ml），观察自生草本植物生长情况。越夏过后，水芹在经历大面积死亡的情况下，残存的植物根系又能快速复绿并生长旺盛；车前植株恢复生长，焦黄的叶片逐渐复绿，叶片面积增大，颜色鲜艳，水芹和车前的自我恢复能力较已死亡的其他自生草本植物更强，有助于降低人工管理成本。通泉草、碎米荠、蛇莓并非实验开始时在野外采集进行实验观测的植物对象，但它们于9月中下旬在种植槽里自发生长，说明其具有良好的繁衍和适应环境的能力，能有效降低种植、养护、管理成本，其中碎米荠在9月生长十分旺盛，许多自生草本植物种植槽里都有碎米荠的出现，大面积侵占了原始植物的生存空间，因此在屋顶绿化实践上对于碎米荠的使用还应当慎重考虑；通泉草花色为淡紫色，花小可人，花叶兼美，可作为屋顶绿化植物点缀绿色草坪；蛇莓返青早、绿期长，春季可观黄花，夏季可观红果，景观效果良好，结合实际调研观察发现马蹄金和蛇莓可混合栽植作为地被植物，也可用于屋顶绿化，突破传统草地一眼望去全是绿色的景观局限。

 

4讨论

 

成都市属中亚热带湿润季风气候区，年平均气温16℃，炎热季节持续时间为3个多月。2022年夏季出现持续极端高温干旱天气，根据Microsoft历史天气查询可知，将天气分为晴朗、阴、雨3种，7月晴朗天气持续时间占全月的44.1%，较2021年7月晴朗天气持续时间增加17.6%，在8月温度持续在40℃以上。这虽然为本研究的实验带来风险，但也考验了极端气候条件下自生植物气候适应性，使本研究结果更具有应用价值和推广价值。

 

本研究通过构建绿色屋顶容器式实验平台，聚焦自生草本植物在屋顶绿化中的气候适应性，提出成都地区适应屋顶绿化夏季气候的自生草本植物。求米草、狗牙根、白茅、山莴苣、薄荷、马蹄金、车前、铁苋菜在该实验观测中表现优异，非常适合作为成都地区屋顶绿化植物。马兰可以作为成都地区屋顶绿化的备用植物材料。山莴苣、马兰、薄荷除观叶外还可观花，花色为开花植物的主要观赏特性，使绿色环境在色彩上产生变化，具有彩化和美化作用，赋予景观多样性和可观性，给人以强烈的视觉冲击[27]。水芹、荩草、狗尾草、淡竹叶、鱼眼草、犁头尖、龙葵无法适应屋顶绿化气候环境，不适合作为成都地区屋顶绿化植物。

 

 

本研究筛选出的植物种类不仅为低维护植物景观理念下自生植物在屋顶绿化中的应用提供参考，同时也为新自然主义生态种植设计理念的自生草本植物引种提供借鉴。本研究也存在局限性：实验仅采集了7—9月的实验数据，采集数据未能覆盖植物整个生长季的全过程，后续研究会在10月及以后的时期继续进行更为全面的实验数据采集和全面分析评估；所选的自生草本植物种类有限，还有大量自生草本植物有待挖掘；实验仅记录了单一自生草本植物在屋顶绿化上的气候适应性数据，对于多种自生草本植物搭配混植的气候适应性有待继续实验。

 

5结论

 

本研究聚焦自生草本植物在屋顶绿化中的气候适应性，是目前少有的自生植物在城市景观中的应用探索。自生植物“见缝插绿”地在城市裸露土地和荒地景观中发挥重要作用，成为园林植物死亡后弥补观赏价值和生态价值的“替补选手”。如今，自生植物在低维护条件下实现自我更替、具有气候适应性强、易管理等生态价值和经济价值也逐渐被发掘和认可，相较于园林植物更适应于屋顶绿化严苛的环境条件。从低成本营建屋顶绿化景观，补位屋顶绿化植物种类单一的角度出发，自生植物是构建质朴野趣和低维护景观的关键材料，具有的美学价值也能够满足人类日益增长的亲近自然的需要，应当进行适当引种。利用自生植物来装点城市中的绿色空间不仅具有重要的社会价值，更具有生态价值。