城市特殊生境绿化技术研究
——以上海20年的研究成果为例

胡永红 秦 俊 王红兵

40多年来，中国城市的高速发展产生了纵向任性的高密度“水泥森林”和横向无度的硬质铺装，仅上海中心城区就高达60%以上的不透水面[1]，引发了绿地空间严重缩水、热岛效应加剧、城市雨洪频发等一系列严重的城市环境问题。2019年，上海中心城区人均公共绿地不足5m2，远低于世界卫生组织推荐的人均公共绿地面积20m2[2-3]。随着经济社会发展和人民生活水平的提升，高密度的中心城区居民对美丽宜居城市环境的需求更加迫切。当前，解决人口密度大、绿化用地少与高质量实现扩绿增绿、满足人们对美好生活向往的矛盾，成为公园城市建设的核心难题，开展路面、屋面、墙面及桥柱等城市特殊生境绿化成为城市高质量发展和城市品质提升的关键抓手。城市特殊生境绿化是指对城市建筑、构筑物等不透水表面重建生境、实施绿化，属于城市园艺学范畴，关键是根据城市风土环境筛选适生植物，借助新材料和技术，让植物在城市中与人工环境融为一体，并能长期持续生长。但由于缺乏对城市特殊生境难题的深刻认识，缺少相应的理论和技术支持，特殊生境绿化在我国发展一度较为缓慢。20世纪90年代上海进行了高架绿化的探索[4]，2004年上海的城市特殊生境绿化仅10多万平方米[5]，约占当年绿地面积的0.04%。生境的特殊性对植物耐旱、耐阴等抗性能力，以及根系适应性要求严苛，适生种类少，筛选周期长，需综合考虑建筑荷载、防水和排水，以及根系的容器限制等。

上海植物园、上海辰山植物园等科研团队紧紧围绕扩绿增绿的重大需求，立足上海，辐射全国，历经近20年联合攻关，遵循低维护、低造价和可持续原则[6]，解决了有限生长空间与植物持续健康生长之间的矛盾，提出了基于根冠平衡的有限空间生长理念，构建了特殊生境可持续绿化的技术体系，在植物收集选育、一体化介质模块、低维护和标准化建管等方面取得一系列创新性成果(图1)。技术成果先后示范应用于上海生态建筑示范楼、上海世博会主题馆植物墙、上海进博会、北京世园会等重大工程，以及上海高架下桥柱绿化等，取得了显著的经济、生态和社会效益，被CCTV 1、CCTV 13、《人民日报》等重要媒体多次跟踪报道[7-9]，引领上海乃至更大区域的屋顶绿化、墙面绿化、高架绿化等特殊生境绿化技术的创新发展。2017年，上海的特殊生境绿化已达350余万平方米(https://www.sohu.com/a/235109024_548654)，成为国内主要示范城市之一。本文以上海为例，总结了近20年来城市特殊生境绿化的研究进展，围绕植物、介质、模块和管护四要素进行系统的论述。

图1 城市特殊生境绿化的理论和技术体系(作者绘)

1 特殊生境主要特点

建筑物、构筑物离地面较远，因此土、光、热、水、风等生态因子具有一定的特殊性。相对于陆地表面生境，特殊生境具有以下特点[10]。1)光：屋顶往往表现为强光照；墙面因朝向而不同，南立面采光最好，北立面最差，东立面居中，西立面表现出较强的西晒现象；高架桥下往往存在光照不足的问题。2)温度：屋顶和墙面的日温差、年温差都远高于地面。据2003年7月对上海10处屋顶测试表明，昼夜温差最大值可达30℃[11]。3)水：屋顶相对湿度一般比地面低10%～20%[12]53。由于介质土层薄，又被不透水面阻断雨水渗透，蓄水量小，加剧了水分短板问题，需要大量和频繁地依赖人工补水。高架桥下由于阻隔了自然降水，完全依赖人工灌溉。4)风：屋顶风速较大，可比地面高2～3级[13]73，且随着与地面距离的增加而增大；墙面风环境更复杂，会受到湍流和穿堂风的危害。5)土：为人工覆盖栽培介质或改良土，存在蓄水性差、热辐射变化剧烈、根系生长空间受限制等问题。高架桥下还容易遭受交通污染问题(如汽车尾气、燃油泄漏)。6)生物：因介质土层薄，有机质含量低，水分和温度变化剧烈，易干旱，往往表现为缺少丰富的微生物种群、生物多样性低下、微生物活性低。总体上，特殊生境表现为恶劣的光、热、水、风、土和生物等条件，加之荷载限制，成为很多植物分布的客观制约因素，应有相应的对策(图2)，解决有限空间的持续生长问题成为关键。

图2 城市特殊生境的六大生态要素特征和对策(作者绘)

2 特殊生境重建技术

生境的特殊性要求因“境”制宜进行绿化设计，具体分析绿化空间的生态条件和承重条件，是生境再造设计和植物配置的前提。针对生境的特殊性，生境营造必须充分考虑这些特殊需求，以有限空间的持续生长理念为指导，以中度生长势为原则，通过介质配方实验获得轻型、节水新型介质，兼具雨水收集利用、养分持久等优点，并通过植物筛选实验优选综合抗性强、绿期长和年生长量小的植物等综合技术。围绕特殊生境绿化的植物、介质、模块和管护四要素开展了一系列研究并获得了多项技术成果，形成完整的特殊生境绿化技术体系。

2.1 特色植物基因资源保护、种质创新和定向筛选

特殊生境的恶劣环境对植物有着严苛的要求，增加适生植物资源一直是研究热点[11][12]134。城市里的植物已不同于自然环境的植物，经过人为选择驯化，与城市环境相适应，与人的需求相衔接。2004年，胡永红团队开始立足华东植物区系特征和长江流域原生气候土壤环境条件，针对城市特殊生境的特点，制订了城市适生植物收集策略，即遵从高抗、高观赏、中度生长、可持续利用、低维护成本的原则，收集了以花灌木和球、宿根植物为主的优良种质资源。建成了城市特殊生境绿化植物资源圃，主要包括月季(Rosaspp.)、牡丹(Paeoniaspp.)、芍药(P.spp.)等八大专类植物核心资源圃，储存种质资源3 530份，为城市特殊生境绿化植物种质及基因储备库。进一步借助多种育种手段改良品种，培育新品系，筛选新品种，如耐移栽矮玉兰、耐晒耐湿热色叶牡丹、耐热抗旱眼斑月季、耐阴丰花连蕊茶等。

胡永红等自2004年针对低荷载屋顶绿化开展景天属植物抗性筛选以来，持续10多年进行高抗植物筛选研究，先后对景天属(Sedumspp.)、玉簪属(Hostaspp.)、鸢尾属(Irisspp.)、鼠尾草属(Salviaspp.)等宿根花卉[14-17]，牡丹、月季、山茶属(Camelliaspp.)和木槿属(Hibiscusspp.)等木本适生种，以及地被竹类开展了综合筛选[18-22]，获得耐旱、耐热、耐寒、耐阴等高抗植物582种(含品种)。比如，筛选出‘曼海姆宫殿’等46个耐热月季品种和‘安吉拉’等44个耐冷、晚花月季品种，发现‘安吉拉’具有较强的耐热、耐冷和抗病能力，同时长势旺盛、花期长、花量繁多，极具推广价值。从耐热月季品种‘曼海姆宫殿’中克隆了编码热激蛋白RcHSP70的基因，该基因可提高植物对高温、低温、重金属、高盐、高pH、氧化等非生物胁迫的耐性，为月季抗性品种的引种、筛选和培育提供了理论支持[22-24]。

总体上，上海在特殊生境绿化的植物方面表现出3个阶段的进展：早期将景天属引入屋顶绿化，制成景天毯，满足了低荷载、低维护的需求；然后将小灌木引入墙面绿化，延长了墙面绿化维持周期，减少了绿化植物更换次数，降低了运维成本；进一步将色叶、观花小灌木引入低光照桥柱空间，提升了绿化品质。部分成果列入了《立体绿化技术规程》(DG/TJ 08-75—2014)[25]。

2.2 新型介质研发

早在21世纪初就获得缩短成型时间50%以上的轻型快速一体化成型介质——椰丝介质[26-27]，以及保水介质、缓释性介质、防控杂草75%以上的竹粉介质、除盐介质[28-31]，利用椰丝、秸秆、树枝落叶、竹粉等农林废弃物，替代不可再生的泥炭，并用于黏质土壤的改良，降低容重，成为轻型介质的主要配方材料，定向适用于景天属植物、地被植物和可移动垂直绿化植物[26，32-33]。进一步研发了适用于行道树土壤改良的配方土配方[34]。针对城市行道树面临的种植池小、土壤压实、排水透气性差等问题，进行了行道树土壤改良研究，选择银杏(Ginkgo biloba)、香樟(Cinnamomum camphora)、悬铃木(Platanus acerifolia)和广玉兰(Magnolia grandiflora)为供试树种，获得石块颗粒物直径3cm、比例40%～80%的最优改良方案[34-35]，实现根系与地下生态空间的有机融合。成果已在上海多个街区进行应用，效果良好。

总之，上海在特殊生境绿化的介质方面实现了3次技术突破：早期采用草炭、珍珠岩和木屑为主要配方原材料研发轻型介质，满足容重小的要求；随后使用城市枯枝落叶为主的堆肥替代草炭这一有限资源，践行了废弃物再利用的循环经济理念；进一步添加复合高吸水材料及复合纤维等新材料，实现了节水和根系持续生长目标。2013年，行标列入了常用改良土配方[36]。

2.3 模块容器的技术革新

首创了“介质-设施-建筑”一体化生境再造技术体系[10，37]。作为“介质-设施-建筑”一体化的重要一环，研发把介质和植物固着于建筑表面的根系扩容种植设施是必要的，为此较早研制了可自由装配的壁挂式种植模块系统、防止堵塞的错位叠垒式花盆、防止盘根的辰山种植箱，以及用于高架桥底硬质地面的专用花箱等[38-41]。构建坡屋顶绿化示范模型[42]，并把容器式绿化技术成功应用于古建筑屋顶[43]，模块化系统和拼装式垂直绿化技术应用于上海市重大工程[44]。

上海在特殊生境绿化栽培模块容器方面实现了3次技术革新：早期研发的壁挂式模块，采用被动储水与滴灌结合、容器与介质一体化，实现了模块国产化；随后研发的叠垒式花盆，采取浸润式自主灌溉，克服了灌溉堵塞技术难题，提升了灌溉系统的稳定性，并实现了欧美规模出口；进一步研发的种植箱系统，彻底解决了盘根、缠根问题，实现有限空间的可持续生长。综合新技术应用于上海世博园，体现科学性、先进性[45]。

2.4 低维护管理技术

发明了屋顶、高架桥等初期雨水弃流装置[46]，创制节能、智能雨水循环再利用系统，实现雨水滞蓄率高达57.2%以上。迈出了资源循环利用的3个重要步伐：收集雨水，解决了基本需水问题；净化雨水，解决了水污染的问题；利用太阳能自动灼烧污泥垃圾实现了养分的自利用，实现了节水、节能和资源循环利用。

创立低成本的屋顶、高架桥等建筑环境的管护关键技术和标准，制定上海桥柱、屋顶和高架沿口养护指导价。提出中度生长势和全生命周期理念[12]120；132[47]，制定垂直绿化工程、屋顶绿化和高架桥绿化技术规程，有效保障特殊环境可持续绿化的实施。实现了建筑表面低荷载和植物长期健康生长的装配式生境再造，可使绿化持续效果由不足2年延长至5年以上[12]114；132；138，实现了有限空间的持续生长。

3 结语

特殊生境绿化以植物为根本、模块为框架、介质为载体、管护为助力，四位一体，环环相扣，层层递进，共同提升绿化品质，服务于有限空间的持续健康生长目标。上海在植物、介质、模块和管护四方面每个阶段性的技术进步都与所处的时代背景密不可分。21世纪初，屋顶绿化等特殊生境绿化在大城市兴起，建筑荷载是关注的焦点，轻型是基本要求，模块摆脱依赖进口是主要目标；随着特殊生境绿化的广泛推广，植物丰富多样化和延长绿期成为更高要求，改进和替代滴灌系统成为现实需求，选用更加环保的材料和雨水利用成为更高目标；近年来，城市绿化向质量型发展，如上海“四化”就是追求绿化品质的新阶段、新目标，植物彩化成为更高需求，而防盘根、太阳能利用、节水和循环利用则是可持续发展的体现。

近20年是上海特殊生境绿化从起步到快速发展的时期，获得的技术进步产生了良好的示范效应。从2004年上海生态建筑示范楼(莘庄)率先应用景天属强耐旱植物[48]，到2010上海世博会主题馆5 000m2植物墙选用金森女贞(Ligustrum japonicum‘Howardii’)等小灌木[49]，再到2018年1 000m2虹梅高架绿化配置‘金叶’柊树(Osmanthus heterophyllus‘Variegatus’)等超强综合抗性新优品种[12]85，均在不同时期引领上海等城市的特殊生境绿化新方向。结合实践应用，上海较早开展了特殊生境绿化的功能评价，从形成微气候及其有关的光合作用、碳汇、降温增湿、减缓热岛效应、增加空气负离子含量、节水、蓄截雨水、径流水质量、降解重金属、根际微生物等方面进行系统研究[50-52]，如屋顶绿化可降低屋面温度7～9℃，建筑节能6%～48%，截蓄雨水45%～70%[13]32-37；44-50[48]。首次建立改善热环境的社区-住区-斑块多尺度研究方法，构建热环境指数的模型和植物群落降温多因子回归模型[53-54]，首创具有国际水平的屋顶绿化水的污染物循环模型[55-56]，制定《上海市绿色建筑评价标准》(DGTJ 08-2090—2012)。

今后应从社会学方面探讨城市及城市里的人对特殊生境绿化的需求，遵循城市社会性规律，遵守经济学成本规则，规划适合推广的空间，切实转化技术成果，做到需求引领、技术推动。未来的特殊生境绿化应体现可持续绿化理念，符合绿化载体维护的全生命周期，减少更换次数，降低绿化成本。随着人工智能技术的进步，借助“互联网+”和“物联网”实施人机交互，实现智能化管控灌溉和病虫害防治，实现新形势下的精细化养护。可以预见未来上海乃至全国在扩绿增绿建设中特殊生境绿化必将成为更加重要的一环，在公园城市建设中将发挥更具特色的作用。

致谢：感谢多年来上海辰山植物园和上海植物园研究团队同事和研究生的参与、支持和帮助；感谢相关课题资助方提供的一系列支持和帮助；感谢北京林业大学张启翔教授一直以来的指导和鼓励。