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绿色屋顶植物群落动态的微气候与基质深度影响研究
作者及机构
本研究由加拿大圣玛丽大学（Saint Mary’s University）生物与环境科学系的Charlotte Brown和Jeremy Lundholm（通讯作者）合作完成，发表于2015年的《Landscape and Urban Planning》期刊（第143卷，134-142页）。
研究领域
本研究属于生态工程与城市景观规划交叉领域，聚焦于绿色屋顶（green roof）系统的植物群落动态。绿色屋顶是一种通过植被覆盖建筑屋顶以改善城市生态环境的技术，其核心科学问题包括植物适应性、群落演替（succession）及微气候（microclimate）调控。
研究动机
尽管绿色屋顶的基质深度（substrate depth）对植物生长的影响已有研究，但屋顶设置（如建筑隔热条件、高度、周围结构）对微气候及植物群落的长期影响尚不明确。此外，绿色屋顶常被类比为原生演替（primary succession）环境，但两者差异缺乏实证支持。
研究目标
1. 探究基质深度与非空调空间（non-air-conditioned space）对绿色屋顶植物群落的长期影响（5年）；
2. 分析微气候（如温度波动）如何通过干旱胁迫驱动群落变化；
3. 为绿色屋顶设计中的植物选择提供科学依据。
实验设计
研究在加拿大哈利法克斯（Halifax）开展，设计了两类绿色屋顶系统：
1. 遮蔽系统（Sheltered）：与建筑屋顶齐平，基质深度为75 mm和150 mm，周围设30 cm高挡板；
2. 抬高系统（Raised）：基质层高出屋顶80 cm，下方为未隔热的非空调空间，同样设置75 mm和150 mm两种深度。
研究对象与处理
- 植物群落：所有实验单元（cell）均种植相同的11种植物混合群落（表1），包括景天属（Sedum spp.）、禾草及原生草本，初始种植密度为4 cm间距网格。
- 数据采集：
- 植被监测：通过针框法（pin frame）记录物种丰度（canopy density）及覆盖度，采样时间跨度为2008–2012年（共7次）；
- 基质温度：埋设热电偶（thermocouples）记录不同季节的极值温度（15分钟间隔）。
数据分析
- 群落动态：使用非度量多维标度排序（NMDS，通过R软件“vegan”包）分析物种组成变化；
- 统计检验：重复测量方差分析（repeated-measures ANOVA）比较处理间差异（如物种数、原生种比例等）。
1. 群落演替趋势
- 殖民物种 dominance：5年后，非种植的ruderal species（如Phleum pratense、Taraxacum officinale）成为优势种，尤其在干旱年份（2012年）群落变化显著。
- 原生种衰退：原生植物（如Rhodiola rosea）比例从初始70%降至后期不足20%，而禾草（如Poa pratensis）在遮蔽系统中占比升高。
2. 基质深度与暴露条件的影响
- 深度效应：150 mm基质支持更高的植被密度（p<0.05）和更多非景天物种，而75 mm基质更利于景天类存活（占比>50%）。
- 暴露效应：抬高系统的温度波动更剧烈（冬季最低温低至−18.2°C，夏季最高达41.1°C），导致群落以耐旱景天为主；遮蔽系统则因较少胁迫而以禾草和豆科植物（如Trifolium spp.）为主。
3. 微气候与干旱的交互作用
- 2012年干旱事件显著降低所有处理的植被密度（p<0.01），但抬高系统的群落恢复力更差（密度下降50%），表明微气候通过干旱胁迫驱动群落重组。
科学意义
1. 首次量化了建筑隔热条件对绿色屋顶植物群落的长期影响，揭示了非空调空间导致的极端微气候是群落分异的关键因子；
2. 验证了绿色屋顶演替与原生演替的差异，指出其更接近次生演替（secondary succession）特征（因基质初始肥力较高）。
应用价值
- 设计建议：在寒冷地区，绿色屋顶应避免覆盖非隔热建筑，或选择耐温变物种（如景天）；
- 政策参考：需修订植物选择标准，纳入微气候适应性评估。
其他发现
- 自发性物种（如蒲公英）的入侵能力被低估，可能成为绿色屋顶管理的挑战；
- 基质深度与暴露条件的交互作用提示未来研究需多维设计。
（报告字数：约1500字）