生活在边缘地带：绿色屋顶上不同的基材深度会影响微气候和植物的生长情况

《Urban Forestry & Urban Greening》：Living at the edge: Varying substrate depth on green roofs affects the microclimate and plant establishment

绿色屋顶的基质深度对微气候和植被的影响研究。在奥地利蒂罗尔物流中心屋顶发现，14厘米基质深度较7厘米显著降低地表温度（38.7°C vs 47.7°C），改善水分条件，促进非景天酸代谢植物生长及物种多样性，而深层基质和结构异质性（如死木堆）可增强微生境异质性，减少单一景天科植物覆盖，为缓解城市热岛效应提供新策略。

　　绿色屋顶作为城市生态系统的组成部分，近年来在全球范围内受到越来越多的关注。随着城市化进程的加快，建筑物屋顶的面积迅速增加，这些区域往往被水泥覆盖，成为城市热岛效应的重要因素之一。绿色屋顶通过种植植物，不仅能够改善空气质量、吸收噪音，还能有效调节温度，降低城市热岛效应的影响。此外，绿色屋顶还具有雨水收集、减少地表径流、增加生物多样性等多重生态效益。然而，传统上，大多数绿色屋顶采用的是“广域型”设计，即使用较少的基质层（通常小于15厘米），以降低建造和维护成本，同时减轻建筑的静态负荷。这种设计虽然经济实用，但也限制了植物种类的多样性，因为浅层基质难以提供足够的水分和养分，导致植物生长受限，尤其是在高温和干旱条件下。

本研究聚焦于奥地利蒂罗尔地区一座新建的物流中心屋顶，该屋顶虽然采用了广域型绿色屋顶的设计，但通过增加基质深度和引入结构性异质元素，如死木堆，创造了一个更具多样性的生态环境。研究的主要目标是评估不同基质深度对屋顶微气候、植物群落组成和植物生理状态的影响，并探讨这些变化如何促进植物的生长和多样性。研究还旨在分析不同植物类型（如多肉植物和非多肉草本植物）在高温和干旱条件下的生理响应差异，以及它们对屋顶微气候的适应能力。

在研究过程中，科学家们通过安装气象站和土壤传感器，记录了屋顶的环境条件，包括土壤温度、水分含量和水势等参数。这些数据表明，基质深度的增加显著改善了屋顶的微气候条件。例如，在基质深度为7厘米的区域，土壤和地表温度分别达到47.7°C和57.1°C，而在基质深度为14厘米的区域，这些温度分别降低到38.7°C和49.6°C。这说明，较深的基质能够有效缓冲极端温度变化，为植物提供更稳定的生长环境。此外，基质深度的增加还提高了水分保持能力，从而促进了非多肉草本植物的生长，尽管这些植物在高温下可能表现出较低的生态指标值。

植物的生理状态是衡量其适应能力的重要指标。研究中，科学家们对几种主要植物进行了生理分析，包括三种多肉植物和三种非多肉草本植物。结果显示，多肉植物在干旱条件下表现出较强的抗旱能力，其叶片水势稳定在-0.6 MPa左右，而非多肉草本植物的水势则下降到-1.1至-2.3 MPa之间，表明其对干旱的敏感性较高。在夏季高温期间，多肉植物的光合作用效率（如电子传递速率和光系统II效率）表现出一定的下降，但其叶片温度仍相对稳定。相比之下，非多肉草本植物在高温下的叶片温度变化更为显著，这可能与其较高的蒸腾作用和较低的抗热能力有关。

此外，研究还发现，屋顶上的植物群落结构和多样性受到基质深度和结构性异质元素的影响。例如，在基质深度为14厘米的区域，植物种类和覆盖度均有所提高，且非多肉植物的占比增加。这种变化可能与基质深度增加带来的更稳定的水分供应和温度调节有关。同时，死木堆的存在为植物提供了额外的生态位，使得一些在传统屋顶上难以生存的植物得以生长，如某些非多肉草本植物和地衣类植物。这表明，通过引入结构性异质元素，可以显著提高屋顶生态系统的复杂性和多样性。

研究还利用了红外热成像和归一化植被指数（NDVI）来评估屋顶植物的生长状况。结果表明，基质深度增加的区域在夏季高温期间表现出更低的地表温度和更高的植被覆盖度，这可能与基质的热惯性和植物冠层的遮荫效应有关。NDVI值的变化也反映了植物生长状态的动态，尤其是在干旱和高温条件下，植物的光合作用能力和生物量增长受到显著影响。

从生态效益的角度来看，绿色屋顶的多样化设计能够更有效地发挥其功能。例如，较深的基质不仅有助于提高植物的存活率和多样性，还能增强屋顶的降温能力和雨水储存能力。这种设计对于应对气候变化带来的极端天气条件，如热浪和干旱，具有重要意义。同时，结构性异质元素的引入，如死木堆和砾石区域，能够为昆虫等生物提供栖息地，从而促进生物多样性的提升。

研究结果还表明，尽管基质深度的增加能够改善植物的生长条件，但其对植物的生态指标值（如温度、土壤湿度和氮含量）的影响相对有限，尤其是在早期的屋顶发展阶段。这可能与屋顶的年轻状态以及尚未完全形成稳定的植物群落有关。因此，进一步的研究需要关注屋顶植被的长期演替过程，以及不同基质深度和结构性异质元素对植物群落动态和生态功能的影响。

总的来说，这项研究揭示了基质深度和结构性异质元素在绿色屋顶设计中的重要性。通过在广域型绿色屋顶中引入这些元素，可以在不显著增加成本的情况下，创造出更加丰富的微气候条件，从而促进植物的多样性和生态功能的提升。这一发现为未来绿色屋顶的设计和管理提供了重要的参考，特别是在应对气候变化和城市生态挑战方面。同时，研究还强调了对屋顶生态系统的长期监测和研究的必要性，以更好地理解其在不同环境条件下的适应能力和生态效益。