建筑物的二氧化碳（CO2）排放占全球温室气体排放量的大约40%，尽管有《巴黎协定》的承诺，但大气中的二氧化碳浓度仍在持续上升[1,2]。增材制造、预制和模块化建筑的最新进展正在加速向基于生物的、受生物启发的建筑围护结构的转变，这些结构可以减少材料需求、最小化废物并降低运营排放。通过模仿自然过程，这些围护结构将循环经济原则融入建筑中，为快速扩张的城市提供了更多可验证的碳封存解决方案。因此，城市绿色基础设施已成为促进气候变化适应和推动城市可持续性的一个有前景且实用的策略[3]。
绿色屋顶（GRs）将原本不透水的屋顶转变为生物活跃的多功能景观[4,5]。GRs分为密集型和扩展型两种类型。密集型GRs依赖于较深的基质，能够支持灌木和小树[6]，而扩展型系统则以耐旱的Sedum物种为主，需要最少的灌溉和结构负荷[7]。从结构上看，GRs由多层组成，旨在提高系统性能并保护下方结构。从上到下，这些层通常包括植被、生长介质、过滤织物、排水系统和根系屏障[8]。适当的实施要求至少2%的坡度，以促进有效的雨水排放[9]。实证研究表明，GRs可以减弱暴雨峰值、缓解城市热岛效应、提升屋顶生物多样性，并为快速发展的城市提供基于生物的碳封存能力[[10], [11], [12]]。因此，GRs是加强城市应对气候变化能力综合策略中的关键要素。
基于这些多功能效益，有两种互补的途径可以解释GRs的气候缓解潜力。首先，冠层植被通过光合作用吸收大气中的CO2，并将碳储存在地上和地下的生物量中[13,14]。其次，植被层降低了屋顶表面温度，减少了室内冷却需求以及与空调相关的化石燃料排放[15,16]。由于GRs占据了闲置的屋顶空间，它们提供了一种土地中性的、基于生物的围护结构，特别适合高密度城市[17,18]。然而，报告的碳封存效率（CSE）在不同气候、基质和管理方式下差异很大。这种变异性反映了GR碳动态受到CO2通量（净生态系统交换（NEE）、总生态系统生产力（GEP）和生态系统呼吸作用（ER）的共同影响，这些因素共同决定了年净生态系统生产力（NEP）以及生物量和生长介质中的碳储量。因此，对GRs的碳动态测量采用了多种方法，包括室内外方法、生物量采样、涡度协方差（EC）以及使用气象站和土壤传感器的综合监测（表S1）。在亚热带、地中海和湿润大陆性气候下的现有室内外研究显示，无论是短期监测还是多年监测，都记录到了碳汇和碳源行为，这突显了物种组成和季节性水分状况的敏感性（表S2）[[19], [20], [21], [22], [23]]。对大型扩展型Sedum屋顶的多年EC监测进一步证明了年度净CO2吸收的一致性，同时量化了在水文气象极端条件下的显著年际变化和不确定性，强调了水分状况在调节NEE中的重要性[24,25]。将现场碳通量观测与建筑能耗模拟相结合的互补方法区分了直接的生物CO2交换和间接的能源相关减排，从而明确了减排声明的核算边界[26]。同时，对基质和生物量碳储量的实证评估表明，保水特性、基质深度和植被驱动的根系输入可以强烈调节屋顶上的碳储存轨迹[27]。因此，结合高频CO2通量测量和年度生物量清单的可验证协议对于准备进行审计的城市碳核算至关重要。
将GRs从小规模示范转化为主流的基于生物的建筑实践，需要在其相关的空间和时间尺度上进行碳平衡的决策级核算。首选的指标是NEP，即一年内CO2吸收和释放的积分，它表明屋顶是持续的碳汇还是短暂的碳源[28]。在过去20年中，已经有了国际公认的方法（表S1–S2）。然而，大多数应用仍然特定于某种方法，因此只能捕捉到碳账本的一部分，很少满足运营城市碳核算所需的可审计性、成本效益和持久性标准。将实时气体交换数据与定期生物量采样相结合，并明确跟踪微气候驱动因素（如空气温度（Tair）、太阳辐射（SR）、降水量（Pre）、大气压力（patm）和蒸汽压力，提供了一种可验证的方法来量化瞬时通量动态和累积储存[19,29]。然而，这样的综合协议仍然很少（表S2），这阻碍了GRs在资源保护和碳信用框架中的规模化应用。这些限制和跨研究的变异性在最近的高层次回顾和多年通量研究中得到了总结，强调了需要综合的、可扩展的、适合审计的通量-储量协议[5,6,26,28]。
除了测量完整性之外，由于水分可用性和冠层微气候同时调节光合作用和呼吸作用，而背景大气强迫也与这些变量相关，因此很难将CO2通量分配的机制控制因素普遍化。特别是，水分可用性和冠层微气候（如温度、蒸汽压力条件和蒸散作用（ET）可以同时调节光合作用和呼吸作用，而背景大气强迫也与这些变量相关。因此，基于双变量相关性或单方程回归的常见分析可能无法区分直接驱动因素和间接（中介）效应，限制了跨屋顶的机制推断和普遍化。为了解决这一限制，我们提出了一个基于路径的假设：在灌溉的扩展型Sedum屋顶上，冠层规模的微气候对GEP和ER起主要控制作用，而背景大气因素通过其对微气候和水分状况的影响起次要作用。因此，我们使用结构方程建模（SEM）来明确区分共线驱动因素之间的直接和间接效应，并测试所提出的因果路径[30]。
为了解决这些不足，本研究聚焦于中国郑州的Sedum lineare扩展型GRs，采用了双组分的城市规模设计：一个用于高频室内外通量监测的滴灌参考屋顶（区域1）和中央商务区（CBD）24个屋顶的全区生物量/土壤清单（区域2）。具体来说，我们的目标是：（1）使用透明/不透明室内外测量方法量化监测屋顶的日变化到季节性的CO2交换和年化NEP；（2）使用SEM测试冠层微气候在调节GEP和ER方面是否优于背景大气强迫的假设；（3）量化24个屋顶网络的区域规模碳储量及其异质性，为区域级别的碳核算提供可审计的基础。
