第1章 城市环境与屋顶绿化
1.1 城市环境现状与特征
城市是人类社会发展和文明进步的产物，城市的发展同样给人类带来了前所未有的压力与挑战。现代城市建筑物集中分布，人口高度密集，经济活动十分频繁，对原有自然环境的改造与影响程度不断增大，其气候、水文、土壤等自然生态明显不同于城郊及广大农村，因而形成了特殊的城市生态环境。生活在城市中的人类与生态环境之间的关系出现了不协调，而这种不协调性*明显的特征是城市人类生存环境质量下降及由此引起的城市人类生存危机感的加深。简而言之，就是“城市化”带来了“城市病”，而“城市病”是几乎所有国家曾经或正在面临的问题（陆铭等，2019）。
1.1.1 城市土地资源日益紧缺
人口密集是城市的普遍现象，尤其是一些大城市、特大城市。联合国经济和社会事务部人口司编制的《2018年版世界城镇化展望》报告显示，全球城市人口总量到2050年将增加25亿，其中中国将新增2.55亿，目前世界上有55%的人口居住在城市，到2050年，这一比例预计将增加到68%。人口的急剧增加，使得住房、交通、工业园区和其他基本建设都将占用更多的土地资源，从而导致城市用地资源日益紧张。
尽管城市人口分布格局随城市规划建设的合理化逐渐发生了一些重要变化，如近年来我国一线城市核心区人口往郊区迁移，但对大城市而言，由于其经济社会发展水平高于周边地区，会在相当长时间内保持对流动人口的高吸引力，因此，城市建设所开拓的空间仍将会被社会经济发展所需的迁移人口所占用，人口压力会进一步加大。城市生态环境资源日益紧张，市政设施建设、交通环境改善和城市形象塑造将会持续面临困难（李双成等，2009）。
1.1.2 城市自然生境破碎化严重
在人类城镇化进程中，天然植被大面积消失的现象不断出现，自然绿色生境破碎或片段化趋势增强。在我国快速城镇化进程中，普遍采取将依地势而流的水道改直、水泥铺设地面、填平湿地、铲平山包、去除植被，再建设新的大量的与自然隔离的人工景观，这破坏了保留多年的和谐自然景观，截断了植物与自然土壤的交流（詹姆斯 希契莫夫等，2013；杭烨，2017）。在市区与近郊区很难找到未被破坏的自然生境，导致城市生物多样性与自然生态系统存在巨大的差异，物种数量不断减少，生物种类发生变化。
1.1.3 城市热岛效应加剧
全球变暖已是不争的事实，政府间气候变化专门委员会（IPCC）《全球升温1.5℃特别报告》（IPCC et al.，2018）的结论指出：2017年，人类活动引起的升温高出工业化前水平约1℃，平均每10年增加0.2℃。其中人类活动排放的温室气体是近50年全球变暖的主要原因。
城市热岛效应是一种普遍存在的现象，一般随着城市人口密度的增加和城市规模的扩大，热岛效应的强度也逐渐增大，而空气相对湿度与空气温度呈反比关系，所以温度较高的城市，其空气湿度低于周围地区。其原因主要是城市大气悬浮颗粒物多，一方面会减弱太阳辐射；另一方面，颗粒物作为凝结核会增加水汽的凝结，使得城市的降水量、云雾量比农村地区高。此外，城市中建筑物的大小、高低、密度、走向不同，也会影响城市各区域的风向和风速；城市的热岛效应及城市内部小环境的温度变化，也会影响到空气的流动。城市热岛效应产生的主要原因如下。
1.城市地表下垫面的变化
城市建设快速发展的过程中，需要大量的水泥和沥青用于屋顶建造，铺设人行道和其他道路。这些材料具有热物性，使城市地表比农村地区地表吸收更多的太阳辐射。此外，这些材料具有不同的表面辐射特性，这意味着它们以热辐射或热的形式传递能量，从而使得城市环境问题日益突出，区域气候与天气格局发生改变（如极端灾害天气发生频率明显提高），加剧了城市气候的变化程度，特别是城市热岛效应，影响了城市居民的生活与安全（Lambin et al.，2001； Patz et al.，2005）。
2.城市植被的绿色覆盖率较低
较低的绿色覆盖率减弱了植物对热量的蒸腾作用。在蒸散过程中，发生了两种相互作用：蒸发和蒸腾。在蒸发过程中，水分从土壤表面与植物叶片蒸发到周围的空气中；在蒸腾过程中，植物中的水分含量以蒸汽的形式通过植物叶片的气孔蒸腾消失。由此可知，蒸腾作用过程有助于冷却周围的空气。
3.城市高楼林立的峡谷效应
城市高楼林立，楼与楼之间相隔很近，这就提供了多个表面反射和相互吸收光照；另外，这些高大密集的建筑物阻止了自然风在城市中的自由流动，如果风不能任意流动，那么对流冷却就不会发生，空气污染就会增加。太阳光吸收和反射的增加及对流冷却的缺乏共同作用导致周围空气温度的升高。随着城市温度的上升，城市内的臭氧水平也在不断增加，城市热岛效应加剧。众所周知，城市热岛效应在世界上的多个城市都在上演，我们可以做的预防措施包括加强环境绿化、减少车辆废气排放及协调人类活动与环境保护之间的关系等。
国内外城市绿地降温效应的研究表明：在全球气候变化及快速城市化背景下，人们越来越意识到城市绿地在协助城市应对气候变化方面的重要作用，以及科学规划和管理绿地的重要意义（Oreskes，2004）；在新的技术和理论支持下，城市绿地降温效应的研究方法不断完善，研究内容不断深入和拓展（孔繁花等，2013）。
在夏季热浪中，城市温度升高使得城市居民饱受高温的折磨，对于大部分老年人来说，尤为严重。研究发现，城市热岛不仅增加了热浪的温度，而且延长了热岛的持续时间。极端的温度会导致热痉挛、中暑和衰竭。此外，如果一个人长期在极端的热浪中生存，将会受到永久性的器官损害，这意味着，他们将会有更大早期死亡的风险（李天健，2014）。
1.1.4 城市大气污染日趋严重
大气污染是城市生态系统的一个主要问题，*易被城市居民直接感受。我国城市大气污染物中，总悬浮颗粒物、二氧化硫及氮氧化物是主要污染物；汽车尾气污染呈上升趋势，表明我国一些大城市大气污染因素开始转型；北方城市的大气污染程度较南方城市严重，尤以冬季*为明显；大城市大气污染发展趋势减缓，但是中小城市大气污染恶化趋势甚于大城市（冷平生，2015）。
近年来我国加强了对城市大气环境的治理，大力改善能源结构，减少煤炭使用，增加绿色能源在生产、生活中的使用；加强生态环境建设，城市空气质量得到不断改善。但交通运输业的快速发展，使得汽车尾气中未燃尽的大量碳氢化合物和氮氧化物引发光化学烟雾污染，日益浓厚的烟雾导致人类呼吸道疾病大面积发生，目前我国城市的大气污染问题仍然十分严峻。
1.1.5 城市绿地数量不足，生物多样性明显减少
城市规模迅速扩大，在区域土地总面积中，城市占用土地面积的比例并不大，但是随着现代城市的扩容规模越来越大，城市所占土地面积的增加速度也在日益加快。城市绿地是城市生态系统的绿色基础，对整个城市生态环境的改善起着关键性的作用。
国务院2016年印发的《“十三五”生态环境保护规划》指出，到2020年，城市人均公园绿地面积达到14.6 m2，城市建成区绿地率达到38.9%，该规划还包括维护修复城市自然生态系统，提高城市生物多样性，加强城市绿地保护，完善城市绿线管理；扩大绿地、水域等生态空间，合理规划建设各类城市绿地，推广立体绿化、屋顶绿化；开展城市山体、水体、废弃地、绿地修复，通过自然恢复和人工修复相结合的措施，实施城市生态修复示范工程项目。尽管20年来我国城市绿化建设取得了较好的成绩，但城市绿化的相关指标仍不高，特别是大城市的中心城区，其绿化覆盖率与绿地率均维持在较低的水平，并且整个城市的绿地布局不均。城市绿地是城市中生物的栖息地和生态过程的发生空间，只有在城市发展建设中面向生物多样性保护，面向生态环境保护，才能维持绿地生态系统的健康，并充分发挥其在城市生态系统中的生态和景观功能，实现整个城市的可持续发展。
1.2 屋顶环境现状与特点
屋顶作为楼宇的头部，可以分为：平顶式、坡顶式和综合型，是整个建筑十分重要的组成部分，被称为是城市建筑的“第五立面”。建筑物的屋顶既是时代的印记，又是城市的窗口，更是城市风格与面貌的标志。随着城市中高层建筑越来越多，“第五立面”显得越发重要，尽管近年来“第五立面”更加频繁地进入人们的视野（赵娜娜和孔强，2009），但是目前大多数的城市建筑屋顶仍然是灰蒙蒙、光秃秃的，甚至散落着一些七零八落的杂物，或杂乱无章的线网，毫无美感可言（图1-1）。
图1-1 湛江市赤坎区光秃秃的屋顶（刘金祥拍摄，彩图请扫封底二维码）
相关部门对建筑屋顶的管理依然处于管理的“洼地”，如规划部门在审批建筑时，往往忽视对“第五立面”的审查，更不会注意它和周边建筑屋顶之间的和谐与协调；设计部门很少从美学角度来审视自己设计的“第五立面”，有时即便在屋顶上稍加装饰，也缺乏既有个性又与本建筑相协调的美感；主管部门对已建成楼宇的屋顶也没有制订切实可行的管理措施（谭一凡，2015）。可见，屋顶空间仍处于自行使用、自行管理模式，缺乏空间上的协调统一，该现状对营造出靓丽的城市空间景观非常不利。
我国绝大多数建筑屋顶还处于未利用状态，经过雨水长年累月的洗礼，呈现在眼前的是灰蒙蒙的一片；有些建筑，特别是旧建筑，屋顶搭建了临时搭棚、堆放垃圾，环境卫生现状令人担忧。国内已有屋顶绿化主要分布于五星级酒店，近年来兴建的商住楼，其屋顶绿化多数属开发商为增加商住楼商品价值而赠送或开发的，有些机关事业单位的办公楼顶也布置了屋顶花园，但占比较少。其他屋顶利用方式主要有修筑屋顶蓄水池、空调冷却塔，安装屋顶太阳能热水器、无线通信发射机、电视天线、广告牌等。
屋顶的环境因子主要包括光照、温度、风、降水与相对湿度、大气污染与噪声。
1.2.1 光照因子
屋顶上光照强度大，接受日辐射时间长，为植物光合作用提供了良好环境，有利于阳性植物的生长发育。例如，在屋顶上种植的草莓，可比地面种植的提前7～10 d成熟；在屋顶上种植的月季花，比地面上种植的叶片厚实、浓绿，花大色艳，花蕾数增加两倍之多，而且，春花开放时间提前，秋花期延长。同时，高层建筑的屋顶上紫外线较强，日照长度比地面显著增加，这就为长日照植物的生长提供了良好的光照条件，与城市地面相比，屋顶更有利于阳性植物的生长。
1.2.2 温度因子
建筑物材料的热容量小，白天接受太阳辐射后迅速升温，晚上受气温变化的影响又迅速降温，致使屋顶上的*高温度和*低温度高于或低于地面的*高温度与*低温度，日温差更大。在夏季，白天屋顶上的气温比地面温度高3～5℃；晚上低2～3℃（张景哲和刘启明，1988；曹京杭，2000）。较大的昼夜温差，对植物体内积累有机物十分有利，但过高的温度会使植物的叶片焦灼、根系受损，过低的温度又对植物造成寒害或冻害，因此，只有在一定范围内的日温差变化才会促进植物的生长。
1.2.3 风因子
屋顶位于高处，四周相对空旷，风速比地面大1～2级且易形成强风，对植物生长发育不利（殷丽峰和李树华，2006）。因此，屋顶距地面越高，绿化条件越差。屋顶花园的土层通常较薄，乔木的根系不能向纵深处生长，故选植物的时候应以浅根系、低矮、抗强风的植物为主。另外，就我国北方而言，春季的强风会使植物干梢，对植物的春季萌发往往造成很大的伤害，所以在选择屋顶种植植物时要充分考虑风因子。
1.2.4 降水与相对湿度
屋顶水分条件主要受降水与空气扩散影响。降水条件一致，但空气相对湿度情况差异较大，相对湿度比地面低10%～20%。一般低层建筑上的空气相对湿度较地面差异小，而高层建筑上的空气相对湿度由于受气流的影响大，往往明显低于地表（殷丽峰和李树华，2006）。屋顶植物蒸腾作用强，水分蒸发快，因此更需要保水。
1.2.5 大气污染与噪声
屋顶高于地面几米甚至几十米，因此气流通畅、空气清新、污染物少。屋顶空气浊
展开
