建筑物的二氧化碳（CO2）排放占全球溫室氣體排放量的大約40%，盡管有《巴黎協定》的承諾，但大氣中的二氧化碳濃度仍在持續上升[1,2]。增材制造、預制和模塊化建筑的最新進展正在加速向基于生物的、受生物啟發的建筑圍護結構的轉變，這些結構可以減少材料需求、最小化廢物并降低運營排放。通過模仿自然過程，這些圍護結構將循環經濟原則融入建筑中，為快速擴張的城市提供了更多可驗證的碳封存解決方案。因此，城市綠色基礎設施已成為促進氣候變化適應和推動城市可持續性的一個有前景且實用的策略[3]。
綠色屋頂（GRs）將原本不透水的屋頂轉變為生物活躍的多功能景觀[4,5]。GRs分為密集型和擴展型兩種類型。密集型GRs依賴于較深的基質，能夠支持灌木和小樹[6]，而擴展型系統則以耐旱的Sedum物種為主，需要最少的灌溉和結構負荷[7]。從結構上看，GRs由多層組成，旨在提高系統性能并保護下方結構。從上到下，這些層通常包括植被、生長介質、過濾織物、排水系統和根系屏障[8]。適當的實施要求至少2%的坡度，以促進有效的雨水排放[9]。實證研究表明，GRs可以減弱暴雨峰值、緩解城市熱島效應、提升屋頂生物多樣性，并為快速發展的城市提供基于生物的碳封存能力[[10], [11], [12]]。因此，GRs是加強城市應對氣候變化能力綜合策略中的關鍵要素。
基于這些多功能效益，有兩種互補的途徑可以解釋GRs的氣候緩解潛力。首先，冠層植被通過光合作用吸收大氣中的CO2，并將碳儲存在地上和地下的生物量中[13,14]。其次，植被層降低了屋頂表面溫度，減少了室內冷卻需求以及與空調相關的化石燃料排放[15,16]。由于GRs占據了閑置的屋頂空間，它們提供了一種土地中性的、基于生物的圍護結構，特別適合高密度城市[17,18]。然而，報告的碳封存效率（CSE）在不同氣候、基質和管理方式下差異很大。這種變異性反映了GR碳動態受到CO2通量（凈生態系統交換（NEE）、總生態系統生產力（GEP）和生態系統呼吸作用（ER）的共同影響，這些因素共同決定了年凈生態系統生產力（NEP）以及生物量和生長介質中的碳儲量。因此，對GRs的碳動態測量采用了多種方法，包括室內外方法、生物量采樣、渦度協方差（EC）以及使用氣象站和土壤傳感器的綜合監測（表S1）。在亞熱帶、地中海和濕潤大陸性氣候下的現有室內外研究顯示，無論是短期監測還是多年監測，都記錄到了碳匯和碳源行為，這突顯了物種組成和季節性水分狀況的敏感性（表S2）[[19], [20], [21], [22], [23]]。對大型擴展型Sedum屋頂的多年EC監測進一步證明了年度凈CO2吸收的一致性，同時量化了在水文氣象極端條件下的顯著年際變化和不確定性，強調了水分狀況在調節NEE中的重要性[24,25]。將現場碳通量觀測與建筑能耗模擬相結合的互補方法區分了直接的生物CO2交換和間接的能源相關減排，從而明確了減排聲明的核算邊界[26]。同時，對基質和生物量碳儲量的實證評估表明，保水特性、基質深度和植被驅動的根系輸入可以強烈調節屋頂上的碳儲存軌跡[27]。因此，結合高頻CO2通量測量和年度生物量清單的可驗證協議對于準備進行審計的城市碳核算至關重要。
將GRs從小規模示范轉化為主流的基于生物的建筑實踐，需要在其相關的空間和時間尺度上進行碳平衡的決策級核算。首選的指標是NEP，即一年內CO2吸收和釋放的積分，它表明屋頂是持續的碳匯還是短暫的碳源[28]。在過去20年中，已經有了國際公認的方法（表S1–S2）。然而，大多數應用仍然特定于某種方法，因此只能捕捉到碳賬本的一部分，很少滿足運營城市碳核算所需的可審計性、成本效益和持久性標準。將實時氣體交換數據與定期生物量采樣相結合，并明確跟蹤微氣候驅動因素（如空氣溫度（Tair）、太陽輻射（SR）、降水量（Pre）、大氣壓力（patm）和蒸汽壓力，提供了一種可驗證的方法來量化瞬時通量動態和累積儲存[19,29]。然而，這樣的綜合協議仍然很少（表S2），這阻礙了GRs在資源保護和碳信用框架中的規模化應用。這些限制和跨研究的變異性在最近的高層次回顧和多年通量研究中得到了總結，強調了需要綜合的、可擴展的、適合審計的通量-儲量協議[5,6,26,28]。
除了測量完整性之外，由于水分可用性和冠層微氣候同時調節光合作用和呼吸作用，而背景大氣強迫也與這些變量相關，因此很難將CO2通量分配的機制控制因素普遍化。特別是，水分可用性和冠層微氣候（如溫度、蒸汽壓力條件和蒸散作用（ET）可以同時調節光合作用和呼吸作用，而背景大氣強迫也與這些變量相關。因此，基于雙變量相關性或單方程回歸的常見分析可能無法區分直接驅動因素和間接（中介）效應，限制了跨屋頂的機制推斷和普遍化。為了解決這一限制，我們提出了一個基于路徑的假設：在灌溉的擴展型Sedum屋頂上，冠層規模的微氣候對GEP和ER起主要控制作用，而背景大氣因素通過其對微氣候和水分狀況的影響起次要作用。因此，我們使用結構方程建模（SEM）來明確區分共線驅動因素之間的直接和間接效應，并測試所提出的因果路徑[30]。
為了解決這些不足，本研究聚焦于中國鄭州的Sedum lineare擴展型GRs，采用了雙組分的城市規模設計：一個用于高頻室內外通量監測的滴灌參考屋頂（區域1）和中央商務區（CBD）24個屋頂的全區生物量/土壤清單（區域2）。具體來說，我們的目標是：（1）使用透明/不透明室內外測量方法量化監測屋頂的日變化到季節性的CO2交換和年化NEP；（2）使用SEM測試冠層微氣候在調節GEP和ER方面是否優于背景大氣強迫的假設；（3）量化24個屋頂網絡的區域規模碳儲量及其異質性，為區域級別的碳核算提供可審計的基礎。
