綠色屋頂基質(zhì)成分的選擇對(duì)屋頂徑流的改善效應(yīng)

薛明珂，CLAIRE Farrell，李思芹

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100；2.墨爾本大學(xué)，澳大利亞墨爾本3122；3.廈門(mén)市園林植物園，福建廈門(mén)361000）

綠色屋頂是放置在建筑屋頂表面的人工植被層，是用來(lái)緩和城市熱島效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響。設(shè)計(jì)合理的綠色屋頂具有改善環(huán)境、社會(huì)、美學(xué)和經(jīng)濟(jì)上的效益，如管理雨水、改善空氣質(zhì)量、減少熱島效應(yīng)、增加城市環(huán)境中的綠色空間和降低建筑能耗等[1-2]。因此，綠色屋頂是當(dāng)前全世界較為感興趣的話題，但對(duì)綠色屋頂領(lǐng)域的研究還比較有限，前期研究大多在歐洲國(guó)家進(jìn)行[3]，這些建造在不同國(guó)家的商業(yè)綠色屋頂內(nèi)部的組件均從其他國(guó)家進(jìn)口。但是，在沒(méi)有適當(dāng)研究背景和使用進(jìn)口部件的情況下，開(kāi)發(fā)的商業(yè)綠色屋頂在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)受到影響，或在綠色屋頂本該體現(xiàn)的性能上會(huì)有所減弱。因此，在綠色屋頂領(lǐng)域的研究需要進(jìn)行更深入的探索。

綠色屋頂包括幾個(gè)部分，其中，基質(zhì)和植被是最重要的?？紤]到綠色屋頂暴露在陽(yáng)光直射下以及屋頂上惡劣的天氣條件，綠色屋頂?shù)睦硐牖|(zhì)和植被要求具有鮮明的特征。其中，綠色屋頂?shù)闹脖粦?yīng)該具備能在水分和養(yǎng)分條件都較差的條件下存活，并且要求地面覆蓋度好，植株繁殖快，根既短又軟[4-5]。這些要求嚴(yán)格地限制了綠色屋頂只可選擇少數(shù)幾種植物，常常被推薦使用的植物都是肉質(zhì)植物和多年生草本植物[6]。除此之外，由于綠色屋頂?shù)纳L(zhǎng)基質(zhì)要求具有密度較小、儲(chǔ)水能力強(qiáng)、孔隙度大、水徑流量大的特征，因此通常需要采用不同比例的幾種組分混合來(lái)制備，廣泛應(yīng)用的一些重要成分包括火山渣、浮石、碎磚和堆肥等[7-9]。

植物和生長(zhǎng)基質(zhì)基本都需要嚴(yán)格篩選，才可達(dá)到綠色屋頂所應(yīng)具備的美學(xué)效益[4-5]。綠色屋頂?shù)闹匾獌?yōu)點(diǎn)如減緩城市熱島效應(yīng)和空氣污染、改善水質(zhì)和生物多樣性等，往往都是在選擇基質(zhì)組成部分時(shí)容易被忽視的部分，因?yàn)槿藗儗?duì)綠色屋頂改變雨水質(zhì)量的潛力知之甚少。雨水在穿過(guò)綠色屋頂時(shí)會(huì)從基質(zhì)和植被中帶走營(yíng)養(yǎng)離子或者重金屬污染離子，因此，經(jīng)過(guò)綠色屋頂?shù)挠晁?jīng)常會(huì)被溶解和懸浮的雜質(zhì)污染。MORAN 等[10]從美國(guó)北卡羅萊納州建造的2 個(gè)綠色屋頂收集了水質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，綠色屋頂徑流中的養(yǎng)分濃度高于降雨和普通建筑屋頂徑流中的養(yǎng)分濃度。BERNDTSSON 等[11]研究指出，從綠色屋頂徑流中觀測(cè)到的一些金屬離子濃度與中度污染的自來(lái)水中的金屬離子濃度相當(dāng)。綠色屋頂對(duì)雨水的負(fù)面影響給公眾和決策者造成了困惑，同時(shí)，多名作者證實(shí)了綠色屋頂作為各種污染物的來(lái)源，具有能惡化徑流質(zhì)量的潛力[4，12-13]。然而，目前世界上并沒(méi)有進(jìn)行大量的研究來(lái)改善屋頂雨水的徑流質(zhì)量。為了改善徑流質(zhì)量，有可能會(huì)改變基質(zhì)的特性，換句話說(shuō)，可以通過(guò)改變綠色屋頂生長(zhǎng)基質(zhì)的生物吸附能力和淋濾潛力來(lái)獲得高質(zhì)量的徑流。

為了利用低成本和環(huán)保材料設(shè)計(jì)一種新的綠色屋頂基質(zhì)來(lái)提高徑流質(zhì)量，并且支撐植物生長(zhǎng)、提高屋頂綠化基質(zhì)的整體吸附能力，本試驗(yàn)采用馬尾藻作為特殊的基質(zhì)有機(jī)添加劑，以馬齒莧作為試驗(yàn)植被進(jìn)行盆栽試驗(yàn)研究。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試馬齒莧植株購(gòu)于陜西省西安市鄠邑區(qū)苗木生產(chǎn)公司。馬齒莧具有在長(zhǎng)期干旱和低營(yíng)養(yǎng)供給條件下生存的能力；具有較短并且柔軟的根部，這為它能適應(yīng)淺層的綠色屋頂基質(zhì)提供了有利條件。

1.2 生長(zhǎng)基質(zhì)配制

采用4 種無(wú)機(jī)組分和2 種有機(jī)組分作為綠色屋頂?shù)幕|(zhì)成分。無(wú)機(jī)成分包括加工硅質(zhì)土（2～4 mm篩分粒度）、蛭石（0.5～2 mm）、砂（0.25～1 mm）和輕量級(jí)的膨脹聚合黏土（LECA）（4～10 mm）；椰糠泥炭土（0.5～1 mm）和馬尾藻（0.5～1 mm）被用作有機(jī)組分來(lái)支持植物生長(zhǎng)。其中，加工硅質(zhì)土和LECA 從印度艾哈邁達(dá)巴德進(jìn)口，蛭石原產(chǎn)地為印度欽奈的蛭石礦山。棕色馬尾藻原產(chǎn)地為位于印度泰米爾納德邦的海灘，椰糠泥炭土從網(wǎng)上采購(gòu)。本試驗(yàn)通過(guò)析因設(shè)計(jì)，將上述的4 種有機(jī)成分和2 種無(wú)機(jī)成分按照不同的比例混合為13 種不同的混合綠色屋頂基質(zhì)（表1），采用不同的配制方法來(lái)組合，此外，用這6 種成分分別作為單一綠色屋頂基質(zhì)作為對(duì)照組，因此試驗(yàn)基質(zhì)共19 組。不同成分所占的不同比例決定了混合基質(zhì)的體積密度、蓄水能力、孔隙度、滲透系數(shù)和植物的總生長(zhǎng)量，以探究最適宜植物生長(zhǎng)的基質(zhì)組合。

表1 13 種不同綠色屋頂混合基質(zhì)成分配比 %

體積密度由原樣品體積下的干質(zhì)量（105 ℃烘干）來(lái)決定，滲透系數(shù)由固定水源噴淋測(cè)試或者水勢(shì)落差測(cè)試來(lái)計(jì)算，最終計(jì)算數(shù)值的高低取決于基質(zhì)的孔隙度[14]?；|(zhì)的孔隙度和持水能力根據(jù)澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法盆栽混合測(cè)定[15]。

1.3 試驗(yàn)配比

為了評(píng)估不同方法混合基質(zhì)對(duì)馬齒莧生長(zhǎng)的影響，本試驗(yàn)采用盆栽法進(jìn)行。每個(gè)基質(zhì)盆內(nèi)盛有大約體積為1 650 mL、高度為10 cm 的基質(zhì)，盆內(nèi)種植一棵馬齒莧切穗，每2 d 澆一次水，一次澆100 mL。40 d 后，將植物完整地從基質(zhì)中移除出來(lái)，并稱量其干質(zhì)量[16]。

1.4 溢流式填充床反應(yīng)器分析方法

本試驗(yàn)采用溢流填充床反應(yīng)器來(lái)測(cè)量基質(zhì)污染物離子浸出的程度[17]。約41.5 g 的優(yōu)化混合基質(zhì)裝載在2.5 cm×35.0 cm（內(nèi)部直徑×高度）的玻璃反應(yīng)器上，基質(zhì)高為25 cm，采用蒸餾水噴淋來(lái)模擬徑流場(chǎng)景。第1 階段期間，泵入蒸餾水的流量為0.3 L/h。在相同反應(yīng)時(shí)間下從反應(yīng)器的底部收集滲出液體作為測(cè)量樣品，然后分析其理化性質(zhì)（pH、電導(dǎo)率和金屬離子）。在分析金屬離子（鋁、鈣、鎘、鉻、銅、鐵、鉀、鎂、鈉、鎳、鉛和鋅）時(shí)，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES，Perkin Elmer Optima 5300 DV）來(lái)測(cè)量，試驗(yàn)一直進(jìn)行到電導(dǎo)率沒(méi)有明顯變化（P＜0.05）為止。當(dāng)浸出試驗(yàn)完成時(shí)，進(jìn)流口轉(zhuǎn)移到金屬離子污染的蒸餾水流中，在這個(gè)階段中，試驗(yàn)方法類似于浸出試驗(yàn)，當(dāng)其中一種金屬離子的出口滲出濃度達(dá)到相應(yīng)入口濃度的0.1 倍時(shí)，試驗(yàn)停止。

金屬離子被分為劇毒（鉛和鎘），有毒（鉻、銅、鎳和鋅），中等毒性（鐵和鋁），無(wú)毒（鈣、鉀、鈉）4 種類型?；诮饘匐x子的毒性，本試驗(yàn)采用人為手段來(lái)制備含金屬離子污染的蒸餾水作為對(duì)照，并將金屬離子濃度為10.0，5.0，1.0，0.5 mg/L 時(shí)的溶液分別規(guī)定為劇毒、有毒、中等毒性和無(wú)毒溶液。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)性質(zhì)分析

由于配制的綠色屋頂混合基質(zhì)是由不同體積比例的不同組分組成，因此顆粒直徑不同，本試驗(yàn)所采用的基質(zhì)成分粒徑范圍為0.25～10.00 mm。基質(zhì)成分的粒徑也會(huì)影響整個(gè)基質(zhì)的持水力、孔隙度和對(duì)植物的支撐力度。

一般情況下，綠色屋頂基質(zhì)要求具有較輕的質(zhì)地，以減輕建筑物的重量負(fù)載。本試驗(yàn)中所有混合基質(zhì)類型的容重范圍在495～763 kg/m3（圖1）。LECA（238 kg/m3）和蛭石（279 kg/m3）的加入使得生長(zhǎng)基質(zhì)的容重下降，但砂子（1 611 kg/m3）的加入使得最終混合的容重增加。值得注意的是，本試驗(yàn)配置的綠色屋頂基質(zhì)的容重（495 kg/m3）低于文獻(xiàn)中報(bào)道的那些商業(yè)基質(zhì)，如840 kg/m3以礦渣為基底的綠色屋頂基質(zhì)[8]和1 160 kg/m3以瓦渣為基底的綠色屋頂基質(zhì)[16]。

表2 不同綠色屋頂基質(zhì)成分特性和最適宜的基質(zhì)混合（混合4）

持水量是衡量一個(gè)綠色屋頂能否在干旱條件下生存的重要因素，除此之外，它在減緩暴雨沖擊和避免洪水情況的發(fā)生中也扮演著重要角色。一般情況下，淺層綠色屋頂要求基質(zhì)的持水能力要超過(guò)屋頂徑流的20%[18]?；|(zhì)成分如馬尾藻（持水力＝260%）、椰糠泥炭土（持水力＝46.3%）和蛭石（持水力＝62.5%）的加入對(duì)提高持水性能起到至關(guān)重要的作用（表2），也正是基于這些成分的加入，使得本試驗(yàn)配制的基質(zhì)持水能力在60%～68.5%的范圍內(nèi)（圖1）。

植物需要良好的空間來(lái)生長(zhǎng)，板結(jié)的土壤會(huì)因減少根部吸氧而限制植物的生長(zhǎng)?？紫抖龋ˋFP）是用來(lái)控制土壤顆粒內(nèi)部氣體空間的大小，一般在淺層綠色屋頂基質(zhì)中孔隙度應(yīng)大于基質(zhì)總體積的10%[18]?；|(zhì)成分顆粒一般尺寸較大，如LECA（AFP＝31.4%）和蛭石（AFP＝31.1%），可提高混合基質(zhì)的AFP。本試驗(yàn)中不同的混合基質(zhì)將AFP 值的范圍控制在16.7%～21.0%（圖1）。

綠色屋頂上的徑流要求既平穩(wěn)又緩慢，屋頂上應(yīng)該避免存在水洼以防止?jié)B漏、土壤侵蝕和多余的負(fù)載。輸水效率（HC）一般應(yīng)大于3 600 mm/h[18]。土壤孔隙度結(jié)果相似，大尺寸的粒子如LECA 能提供更大的孔隙空間，從而提高HC。有機(jī)成分的添加通常會(huì)降低HC，這是由于隨著時(shí)間的推移，有機(jī)成分往往開(kāi)始分解，會(huì)阻塞土壤空隙，降低HC。例如，馬尾藻的添加會(huì)使基質(zhì)的HC 降低至340 mm/h。因此，要使屋頂徑流呈現(xiàn)一個(gè)勻速緩流，屋頂基質(zhì)中應(yīng)加入少量的有機(jī)質(zhì)成分。本試驗(yàn)配制的混合基質(zhì)徑流控制在3 860～7 530 mm/h（圖1）。

對(duì)于所有綠色屋頂來(lái)說(shuō)，基質(zhì)對(duì)植被的支撐能力非常重要。淺層綠色屋頂通常只能支撐少數(shù)的植被物種，這是由于基質(zhì)中含有少量的有機(jī)成分、基質(zhì)層淺以及不規(guī)律的灌溉和屋頂上的極端天氣條件[7]。本試驗(yàn)中，不同種類混合基質(zhì)中馬齒莧的生長(zhǎng)狀態(tài)都非常好，但在以椰糠泥炭土為主要添加物的基質(zhì)中，馬齒莧的干質(zhì)量增加了796%，甚至在只有砂子和LECA 的基質(zhì)中也分別提高了119%和130%。用馬尾藻作為唯一的基質(zhì)添加物時(shí)，馬齒莧沒(méi)有明顯地增加干質(zhì)量，反而影響了其葉片顏色和芽的生長(zhǎng)，可能是由于過(guò)量的馬尾藻存在過(guò)剩的鈉、鉀、鈣和鎂離子。TEIXEIRA 等[19]研究表明，高鹽度水平對(duì)馬齒莧會(huì)產(chǎn)生不利影響。本試驗(yàn)中，混合4配比的綠色屋頂基質(zhì)使得馬齒莧的干質(zhì)量在40 d內(nèi)增加了2.72 倍（圖1）。與以椰糠泥炭土為主要添加物的基質(zhì)相比，其他種類混合基質(zhì)中栽培的馬齒莧沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的顏色變化和開(kāi)花現(xiàn)象。

本試驗(yàn)表明，在所有類型的混合基質(zhì)中，混合4（20%加工硅質(zhì)土，30%蛭石，10%砂，20%LECA，椰糠泥炭土10%和10%馬尾藻）被確定為最佳生長(zhǎng)基質(zhì)，其源于相對(duì)較低的容重，較高的持水力、孔隙度、水力傳導(dǎo)率以及植物干質(zhì)量的增加程度。

2.2 連續(xù)流吸附試驗(yàn)

綠色屋頂是否成功的主要測(cè)量指標(biāo)之一是雨水徑流的質(zhì)量[4]，若綠色屋頂能將干凈的雨水變成泥濘的水，那么就是不成功的。為了評(píng)估配制的最適宜綠色屋頂基質(zhì)的滲出水情況，進(jìn)一步對(duì)混合4基質(zhì)進(jìn)行了連續(xù)流吸附試驗(yàn)。預(yù)試驗(yàn)時(shí)在溢流填充床反應(yīng)器中加入未經(jīng)雨水沖洗的基質(zhì)，并用蒸餾水作為水流滲入基質(zhì)。在試驗(yàn)初期，有幾種離子在滲出水中的濃度非常高，但隨著時(shí)間的推移呈顯著下降趨勢(shì)，輕金屬離子鈉、鈣、鉀和鎂是混合基質(zhì)中主要滲出的離子（圖2），它們?cè)诜磻?yīng)開(kāi)始10 min 內(nèi)的滲出質(zhì)量濃度分別為6.2，162，19.0，183 mg/L?？赡苁且?yàn)榛旌匣|(zhì)的成分如蛭石、加工硅質(zhì)土、馬尾藻和椰糠泥炭土都含有豐富的輕金屬離子，而這些金屬離子對(duì)于植物生長(zhǎng)和土壤成分的構(gòu)成非常重要。除此之外，反應(yīng)器的流出水中也發(fā)現(xiàn)了大量的鋁、鐵、銅和鋅離子，這有可能是因?yàn)轵问懈缓S富的鋁離子和鐵離子[20-21]，其他重金屬離子通常出現(xiàn)在黏土礦物中。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有檢測(cè)到鉻離子、鉛離子、鎘離子和鎳離子的滲出。

試驗(yàn)中流出水的pH 一直處于中性或弱堿性（圖2），這是由基質(zhì)中浸出的堿性成分造成的。綠色屋頂徑流呈現(xiàn)堿化狀態(tài)是有益的，尤其是對(duì)一些經(jīng)常存在酸雨的地區(qū)。試驗(yàn)中電導(dǎo)率剛開(kāi)始非常高，隨著時(shí)間的推移呈逐漸下降趨勢(shì)（圖2）。因此，配制的混合4 基質(zhì)對(duì)雨水徑流具有一定的吸附作用。

3 結(jié)論與討論

屋頂徑流的質(zhì)量是檢測(cè)一個(gè)綠色屋頂是否成功的重要指標(biāo)，而基質(zhì)成分的設(shè)定在決定徑流質(zhì)量中扮演重要的角色。較強(qiáng)的吸附能力和較少的雨水浸出應(yīng)該在選擇基質(zhì)組分時(shí)被視為重要的因素[22]?；谝恍┥锢砘瘏?shù)，本研究設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種新的綠色屋頂基質(zhì)成分組合，最佳混合基質(zhì)（10%砂、30%蛭石、20%加工硅質(zhì)土，20%LECA、10%椰糠泥炭土和10%馬尾藻）具有較高的持水力（67.6%）、孔隙度（21%）、水力傳導(dǎo)率（5 524 mm/h）和較低的容重（495 kg/m3）。由于椰糠泥炭土的存在，馬齒莧的干質(zhì)量在40 d 內(nèi)增長(zhǎng)了2.72 倍。從溢流反應(yīng)試驗(yàn)中得出，最佳混合基質(zhì)在減少不同離子的浸出上具有顯著作用，除此之外，這種基質(zhì)組成也表現(xiàn)出很高的重金屬離子結(jié)合力，當(dāng)反應(yīng)物的體積為48.9 L時(shí)，徑流中鋁、鎘、鉻、銅、鐵、鎳、鉛和鋅離子的去除效率大于93.7%。結(jié)果說(shuō)明，生長(zhǎng)基質(zhì)的研究發(fā)展能夠?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)提供多方面的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，尤其在提高徑流質(zhì)量方面。未來(lái)研究應(yīng)該注重綠色屋頂基質(zhì)在真實(shí)降雨過(guò)后的性能體現(xiàn)，同時(shí)，不同的栽培植物是否會(huì)改變基質(zhì)的徑流質(zhì)量也應(yīng)作為一個(gè)重要的研究方向。