屋顶绿化作为新兴的技术,逐渐被广泛运用。尤其随着城市建筑体的增多,屋顶面积也随之增多,充分利用屋顶这一资源将会是城市生态研究的重点。近年来有关屋顶绿化的研究日益增多,研究热点主要有屋顶植物配置,屋顶绿化对建筑降温的影响,不同种类的添加剂对屋顶降雨径流和屋顶生物群落多样性的影响等。生物炭作为改善地球生态环境的有效添加剂,已经被证实具有很大作用。它可以通过热解技术将有机质碳化固定,达到固碳减排的作用,而且施入土壤之后还可以改善多种土壤性质和生物性状。虽然在地面上(农田和森林)生物炭被广泛使用,但是在屋顶上还未被详细研究。由于屋顶环境具有夏季高温,冬季低温,缺水干旱,昼夜和年温差大,以及建筑承重有限等特点,使得屋顶绿化的关键载体—基质(土壤为主)受到很大限制,因此在屋顶绿化上使用土壤改良材料是一种最直接和有效的改良方式。生物炭相比蛭石,煤渣,砖块和污泥等常用屋顶基质改良材料不仅具有改善多种土壤性质的功能,而且可以直接或间接的改善微生物和植物的性状和固定大量的碳,是屋顶绿化潜在的改良材料。本文对五种浓度梯度的生物炭处理在屋顶绿化中的应用效果进行了试验研究,期望阐述生物炭对屋顶绿化基质理化性质和生物性状改善的作用机理及其生态学效应,以此获得屋顶绿化中施用生物炭的最优比例和对屋顶绿化生态效益的改良效果,从而为生物炭在屋顶绿化上的应用提供借鉴。主要研究结果如下:1、施用生物炭后能有效降低屋顶基质的密度,增加基质的孔隙度,从而降低基质重量。随着生物炭的增多影响效果越明显,20%的生物炭处理对基质密度和孔隙影响最大,分别可以降低10%和提高9.3%。2、添加生物炭以后可以显著调节屋顶基质冬夏两季的温度和水分。在夏季高温情况下,生物炭可以降低屋顶基质温度和增加基质水分,而在冬季可以提高基质温度和水分。但是在夏季太阳辐射强烈和环境温度过高的时候,20%的生物炭处理会增加屋顶基质温度,夏季最优的基质温度和水分状况为10-15%的生物炭处理。3、添加生物炭后能有效中和屋顶土壤的pH值,施用量越多效果越明显。随着时间的增加,屋顶基质的pH变化逐渐变缓。5-20%生物炭处理使得土壤pH值下降6.1-12.7%。4、施用生物炭能够显著提高基质养分含量(碳、氮、磷、钾),采用10-15%的生物炭处理改善效果最好。与CK相比,施加生物炭处理可以提高基质25.2-58.7%的总碳含量,27.5-115.2%的总氮含量,6.3-28.2%的总磷含量,7.0-35.7%的总钾含量。20%生物炭处理在夏季养分含量要低于10-15%的生物炭处理,在冬季高于其他处理。5、施用生物炭显著增加了屋顶土壤微生物的生物量和改善微生物的群落结构。在一年的周期内,10-15%的生物炭处理对屋顶微生物的改善作用最明显。与CK相比,生物炭处理可以增加47.1-66.1%的屋顶土壤微生物总生物量,真菌增加82.2%～101.4%,放线菌增加38.1-62.5%,丛枝菌根真菌增加53.6-100.3%,厌氧菌增加272.1-595.6%,而细菌则减少14.0-15.7%的生物量。在不同季节里,生物炭有效保持屋顶土壤微生物群落结构的稳定性,减少季节变化对微生物群落结构的影响。在冬夏两季生物炭对微生物群落的影响机理不同,夏季里生物炭主要通过改善屋顶基质的物理性质(孔隙,温度和水分)从而影响微生物群落结构的多样性和丰富度,冬季里生物炭主要通过改善屋顶基质的化学性质(氮磷钾)从而影响屋顶土壤微生物群落结构的多样性和稳定性。6、生物炭添加对三种不同环境响应的植物(黑麦草,佛甲草和黄瓜)生长均有促进作用。相比不添加生物炭的处理,5-10%生物炭处理对黑麦草效果最好,最多可以增加171.4%的生物量;15-20%生物炭处理对佛甲草效果最好,最多可以增加163.3%的生物量;10-15%生物炭处理对黄瓜效果最好,最多可以增加98.9%的生物量。生物炭的添加能促进植物光合作用,显著增加植物的碳含量。添加生物炭能提高8.1-51.6%屋顶植物的有效水分,能够将植物达到萎蔫状态的时间延时约1.8天,这对植物在夏季屋顶炎热环境下的存活有十分重要的作用。此外,生物炭还能通过提高基质水分和有效养分含量对植物生长起到改善作用。7、添加生物炭可以显著减少屋顶径流量和改善径流水质。对于中小雨的径流削减可达95%以上;暴雨情况下,生物炭提高截留雨水17.8-72.3%;而大暴雨情况下,生物炭提高截留雨水10.1-22.9%。生物炭能够有效净化径流水质,改变屋顶径流的pH值。相比水泥屋面,生物炭处理可以降低18.0-24.6%的屋顶径流pH值。同时生物炭可以明显减少屋顶径流的悬浮物(TSS),比无生物炭处理的TSS减少12.6-30.6%,比水泥屋面径流的TSS减少28.5-43.2%。相比对照处理,生物炭处理可以减少屋顶绿化径流中8.8-11.1%的氨氮。同时生物炭对屋顶径流中TP的吸附作用比对TN的吸附作用要高。相比不添加生物炭处理,生物炭处理可以降低屋顶绿化径流中14.3-42.9%的TP和7.4-18.1%的TN。生物炭处理可以削减屋顶径流中90%以上的PO43--P,并且可以改变径流中氮磷结构,从而有利于屋顶基质保留雨水中的养分元素。8、添加生物炭能够调节屋顶温度和屋顶低空环境温度。研究表明,夏季里生物炭处理的表面最高温度比不添加生物炭处理的表面最高温度低6.2-8.5%,而白天基质底部最高温度低了 9.3-15.0%。冬季里生物炭处理的基质底部温度比不添加生物炭处理要高5.1-31.3%。此外,生物炭在夏季不同气候条件下能降低约1-4℃的屋顶低空环境温度,以此调节建筑顶部微气候。Design Builder建筑模型模拟结果表明,夏季生物炭的添加能够有效的提高屋顶绿化对屋顶降温作用,并且可以减小屋顶热辐射范围,降低约1.5-4.8%的建筑顶层最高室内温度和每月0.82-1.38 kWh m-2的建筑能耗。9、添加生物炭能够显著改善近屋顶表面空气质量和降低颗粒物浓度。试验表明相比不添加生物炭的屋顶绿化,添加生物炭分别可以降低7.3-28.8%的CO2,10.6-20.7%的CO,9.8-21.6%的SO2,2.1-1 1.5%的N02。此外研究结果还表明添加生物炭提高屋顶绿化对空气中颗粒物的吸附,分别减少24.0-46.6%的PM2.5,3.7-23.3%的PM1.0,17.3-38.4%的PM10,高温环境不利于生物炭基质降低PM1.0一类的微小颗粒。10、以南京市2000万m2的屋顶绿化生态经济模型分析得出,施用生物炭能够显著增加屋顶整体的生态效益,包括降雨截留、节能减排和空气净化等。相比不添加生物炭的处理,生物炭能够通过增加基质孔隙等性质去改善降雨径流,从而减轻城市洪涝水平和机率,每年降低城市雨水管理和治理成本约2729万元。生物炭通过提高屋顶绿化的降温效应对建筑内部能耗进行改善,每年可以节约约13405万元的能源消耗。生物炭还通过促进植物生长和改善基质性质从而有效消减空气中的污染物,每年可节省因空气质量问题所带来直接和间接损失的费用约710万元和5264万元。随着生物炭施用,每年可持续总体生态效益约增加41.3%,约合22108万元。并且生物炭的施加还可以一次性增加4000万元的城市固体废弃循环利用效益和缩短1-3年的屋顶绿化投资回报年限。以上研究结果表明,在屋顶绿化中生物炭的施用随着季节变化可以从多种方面(生物和非生物)调节屋顶生态效益,改善城市整体环境质量,减少城市污染治理成本,并且随着屋顶环境的温度光照和植物种类等限制生物炭的施用量需要控制在合理范围内(本文以10-15%生物炭施加量效果最好)。生物炭作为屋顶绿化基质改良材料不仅可行,而且能够很好的提升屋顶总体生态效益。