屋頂綠化輕型種植基質(zhì)的水肥保持效應(yīng)研究

李銘怡 邵艷艷 彭逗逗 許文年，3 夏振堯，3 肖 海

(1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；4.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

隨著城市化進程的高速推進和人們生活水平的不斷提高，對健康協(xié)調(diào)的綠色空間和自然環(huán)境的渴求也日趨強烈.而建筑之外水平方向上的綠化空間越來越困難，屋頂綠化則可以等面積補償建筑其所占面積，作為一種改善城市生態(tài)環(huán)境和建設(shè)低碳城市的措施已得到越來越廣泛的應(yīng)用[1].但由于屋頂綠化的空間特殊性，受屋頂承重能力、屋頂自然條件及其他相關(guān)技術(shù)水平的制約，種植基質(zhì)成為屋頂綠化成功的關(guān)鍵因素之一.種植基質(zhì)不僅可以支持、固定植物，還可以充當(dāng)養(yǎng)分和水分的載體，為植物生長提供穩(wěn)定協(xié)調(diào)的水、氣、肥等條件[2]，故其在如何減輕屋頂負(fù)荷的同時又滿足綠化植物生長也成為研究的重點.

現(xiàn)國內(nèi)外種植基質(zhì)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，形式多樣.日本大部分屋頂綠化都采用土壤與珍珠巖、蛭石、泥炭、煤渣等原料配置的人工輕質(zhì)基質(zhì).德國則是采用輕草坪屋頂綠化[3]，其基質(zhì)多采用泥炭、腐殖質(zhì)、泡沫屑和有機肥料合成的人工種植基質(zhì)；后來興起的新型基質(zhì)材料，如再生輕量氣泡混凝土、泡沫有機樹脂制品、陶質(zhì)土壤等，使屋頂綠化種植土層的厚度與荷載大幅度降低.此外，有機廢棄物產(chǎn)品因其含有豐富的有機質(zhì)及氮、磷、鉀等養(yǎng)分資源，可與無機材料等混配生產(chǎn)有機-無機復(fù)合型種植基質(zhì)，在屋頂綠化植物栽培中也得到了推廣應(yīng)用[4].優(yōu)良的屋頂綠化種植基質(zhì)具有容重小、排水通透、植物易成活、保水保肥能力強等特點，但一般厚度也較淺，涵養(yǎng)水肥的能力有限，雨水和澆灌水的淋洗又容易造成水肥流失，產(chǎn)生潛在的生態(tài)危機[5].鑒于此，選取4種常見的材料(普通土壤、腐殖質(zhì)、蛭石和陶粒)，通過室內(nèi)試驗測定，探究3種供試材料對屋頂綠化種植基的水肥增效保持機制，旨在探尋一種最優(yōu)的屋頂綠化種植基質(zhì)，為豐富我國現(xiàn)有的屋頂綠化類型及促進海綿城市建設(shè)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗地設(shè)在湖北宜昌三峽大學(xué)地學(xué)樓內(nèi).材料為腐殖質(zhì)、蛭石、陶粒以及本地土壤.化學(xué)成分見表1.

表1 供試材料化學(xué)成分表

1.2 試驗設(shè)計與指標(biāo)測定

1.2.1 試驗設(shè)計

1)試驗配比

試驗設(shè)置土壤、腐殖質(zhì)、蛭石和陶粒體積比為2∶1∶1∶1的水平1作為對照處理，在對照設(shè)置的基礎(chǔ)上以3種供試材料以體積梯度為1、2、3、4、5和6分別等體積增加，共計16個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，總計樣本數(shù)48個.

表2 單因素試驗安排表(體積比)

2)降雨模擬試驗

根據(jù)種植基配比試驗得出的最優(yōu)配比，將土壤、腐殖質(zhì)、蛭石和陶粒按配比并攪拌均勻后裝入花盆中.花盆底部均勻設(shè)置8個直徑在1 mm左右的小孔，底部與種植基之間放一張濾紙，小孔用于雨水滲透，濾紙用于過濾原材料，土壤作為對照組，共計4個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，總計樣本數(shù)12個.結(jié)合降雨級別劃分標(biāo)準(zhǔn)和宜昌市氣象數(shù)據(jù)，設(shè)置降雨強度分別為1 mm/h和5 mm/h代表中雨和暴雨降雨，每5 d對種植基進行一次人工模擬降雨試驗，收集滲透過濾后溶液作水肥保持分析.

1.2.2 指標(biāo)測定

保水性采用指標(biāo)吸水率來測定[6]，保肥性指標(biāo)為淋溶液中氮、磷的濃度，淋溶試驗采用自制的淋溶裝置，所用土柱為聚氯乙烯圓柱管，內(nèi)徑50 mm，高150 mm，底座打孔作為漏水孔并安裝玻璃導(dǎo)管，下方放置燒杯，用于收集淋溶液.土柱表面、底部鋪2層玻璃絲網(wǎng)，其上覆蓋30 mm厚的石英砂，并鋪上兩層紗布，過濾淋溶液，防止土壤顆粒影響淋溶液性質(zhì).淋溶柱培養(yǎng)后每3天進行一次淋溶試驗，共計8次.淋溶液養(yǎng)分含量均采用荷蘭SKALAR SAN++流動分析儀測定.

圖1 土柱淋溶模擬實驗裝置

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel對數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析；采用SPSS 20.0進行相關(guān)分析，基于Duncan分析對不同處理進行多重比較，顯著性水平設(shè)定為α=0.05.圖表中數(shù)據(jù)為3個重復(fù)的平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比下3種供試材料對基質(zhì)保水性的影響分析

土壤保水性是土壤吸進與保持水分能力的性能[7].本試驗選擇吸水率作為測定指標(biāo)來測定種植基質(zhì)的保水性.如圖2所示，3組的保水性能均高于對照組CK，陶粒組和腐殖質(zhì)組呈先上升后下降后趨于穩(wěn)定的趨勢，蛭石組整體呈上升趨勢.說明3種材料均對基質(zhì)保水性能有一定的提升效果.

圖2 3種供試材料在不同配比下基質(zhì)保水率變化趨勢

2.2 不同配比下3種供試材料對基質(zhì)保肥性的影響分析

2.2.1 不同配比下3種供試材料對基質(zhì)氮淋出的影響分析

腐殖質(zhì)組氮淋出總量均大于CK；陶粒組均小于CK；蛭石組水平2和3大于CK，其余水平均小于CK.第二次淋溶時，各處理氮淋出濃度差別最大.隨著腐殖質(zhì)體積的增加，從前兩次淋溶的氮濃度差異顯著迅速增加到8次淋溶的氮差異顯著；蛭石組僅水平4在前6次淋溶的氮濃度差異顯著，其余水平均為前5次淋溶的氮濃度差異顯著；陶粒組出現(xiàn)隨著陶粒體積的增加，從前兩次淋溶的氮濃度差異顯著緩慢增加到前5次淋溶的氮差異顯著.第8次淋溶時，蛭石和陶粒組氮淋出量已相差不大，腐殖質(zhì)組仍差異明顯，說明腐殖質(zhì)對氮淋出的影響最大，且作用持續(xù)時間長(如圖3所示).

圖3 3種供試材料在不同配比下氮淋出濃度變化趨勢

表3 3種供試材料的氮淋出總量差異對比分析

3種供試材料對基質(zhì)氮的增效保持效果明顯，腐殖質(zhì)最優(yōu)，蛭石次之，陶粒最差.與CK相比，陶粒組水平6、蛭石組水平6、腐殖質(zhì)組水平2氮淋出總量均最少(見表3).由氮淋出總量差異對比分析可知，供試材料的添加對基質(zhì)氮淋出均有顯著性.

2.2.2 不同配比下3種供試材料對基質(zhì)磷淋出的影響分析

土壤中可供植物利用的磷是水溶態(tài)的無機磷，土壤理化性質(zhì)和水分含量，微生物活性等都是影響土壤中磷的有效性的因素[8].3種供試材料的淋出濃度為中前期較大，后期減小，且腐殖質(zhì)組的磷淋出持久性較差(如圖4所示).在8次淋溶過程中，磷淋出濃度并不是逐漸減小，與氮淋出規(guī)律有明顯不同.

圖4 3種供試材料在不同配比下磷淋出濃度變化趨勢

3種供試材料對基質(zhì)中磷增加有顯著作用，腐殖質(zhì)效果最優(yōu)，陶粒次之，蛭石最小.相對于CK，腐殖質(zhì)組水平4、陶粒組水平6、蛭石組水平6磷淋出總量均最多(見表4)，供試材料的添加對基材可溶性磷增效保持有顯著作用.

表4 3種供試材料的磷淋出總量差異對比分析

2.2.3 3種供試材料對土壤氮磷同步增效的影響

1)最優(yōu)水平下氮淋溶過程對比分析

隨著各種材料體積等量增加，腐殖質(zhì)組水平2氮含量最大，蛭石水平6氮含量最大，陶粒水平6氮含量最大，說明各組該水平下的保氮性最佳.各處理對氮淋出濃度的影響明顯不同，但均是在首次淋溶時氮淋出濃度最大，而后隨著淋溶次數(shù)增加，氮淋出濃度逐漸減小(如圖5所示).

圖5 不同供試材料的最優(yōu)水平氮淋出濃度變化趨勢

2)最優(yōu)水平下磷淋溶過程對比分析

腐殖質(zhì)添加水平4在8次淋溶過程中磷淋出總量均高于其他處理，相比CK，第5次淋溶時，磷淋出濃度增加207.38%，且隨淋溶次數(shù)增加而增加(如圖6所示).蛭石水平6和陶粒水平6相比CK，均在第4次淋溶時，磷元素濃度較低，其余均高于CK.

圖6 3種供試材料的最優(yōu)水平磷淋出濃度變化對比

通過對各組曲線進行線性擬合，磷累積淋出量與淋溶次數(shù)的相關(guān)性均達到74%以上，CK累積淋出量與淋溶次數(shù)之間相關(guān)方程為y=-1.522 8x+13.449(R2=0.891 5)；腐殖質(zhì)水平4、蛭石水平6和陶粒水平6處理的磷淋出量與淋溶次數(shù)之間的相關(guān)方程分別為y=-1.4381x+20.62(R2=0.7554)，y=-1.1952x+13.917(R2=0.746 7)，y=-2.035 2x+17.715(R2=0.766 1)，均低于CK.這說明供試材料的添加會影響磷的淋出效果.相關(guān)方程中，腐殖質(zhì)水平4的k=-1.438 1，蛭石水平6的k=-1.195 2，說明隨著淋溶次數(shù)的增加蛭石水平6的磷累積淋出量變化快、增量大，可見蛭石對磷保持作用顯著.

3)3種供試材料對土壤氮磷增效分析

將氮淋出總量和磷淋出總量分別與材料添加量建立一元二次回歸方程(如圖7所示)，通過函數(shù)最優(yōu)解方法處理，得到3種材料在氮磷增效最佳的添加量.

圖7 3種供試材料對氮磷同步增效的分析

腐殖質(zhì)組氮淋出總量回歸方程為y=649.11x2-531.65x+215.23(R2=0.991 2)，磷淋出總量回歸方程為y=-357.97x2+502.95x-78.413(R2=0.695 3).當(dāng)添加量占比為51.37%時，氮磷同步增效最好，即水平2最優(yōu)，相比CK，氮磷淋出量分別增加0.55%、32.52%.蛭石組氮淋出總量回歸方程為y=-680.56x2+637.3x-24.978(R2=0.989 7)，磷淋出總量回歸方程為y=293.65x2-311.72x+126.41(R2=0.324 9).當(dāng)添加量占比為48.71%時，氮磷元素同步增效最好，即水平2最優(yōu)，相比CK，氮磷淋出量分別增加13.98%、1.64%.陶粒組氮淋出總量回歸方程y=286.94x2-383.19x+204.61(R2=0.938 9)，磷淋出總量回歸方程為y=13.752x2+15.934x+47.062(R2=0.815 2).當(dāng)添加量占比為73.05%時，氮磷同步增效最好，即水平5最優(yōu)，相比CK，氮磷淋出量分別減少27.67%、增多21.95%.綜合來看，腐殖質(zhì)對土壤氮磷同步增效最佳，其水平4同步增效最好.

2.3 不同降雨條件下水肥保持分析

不同降雨強度下的水肥保持特性如圖8～9所示.

圖8 中雨條件下基質(zhì)水肥保持分析

圖9 暴雨條件下基質(zhì) 水肥保持分析

由圖8～9可知，不同降雨強度下最優(yōu)添加A組和對照CK組的氮磷淋溶濃度均逐漸降低，在第5次淋溶時基本達到平衡狀態(tài)，且淋溶濃度隨降雨強度增加而增加，其中最優(yōu)添加A組高于對照CK組，可見，混合添加材料有利于增強基質(zhì)的水肥保持特性.

3 討 論

基質(zhì)保水性是基質(zhì)吸收與保持水分能力的性能，主要受基質(zhì)自身特性如總孔隙度、容重和有機質(zhì)等的影響[7].本研究中，供試材料自身特性對基質(zhì)保水性能影響顯著，均對保水性具有一定的提升效果.腐殖質(zhì)是親水膠體，可以吸持大量水分，且自身較疏松，又可增加土壤疏松性和通氣透水性，進而增強基質(zhì)的持水能力[9].陶粒表面粗糙，微孔豐富且內(nèi)部孔隙連通發(fā)達，可有效增加水分儲存量，從而增加基質(zhì)保水性[10]；蛭石透氣性好，受溫度影響變化小，且吸水力強，作為組成材料可使組成基質(zhì)疏松多孔[11]，有效改善基質(zhì)結(jié)構(gòu)和孔隙狀況，進而改善基質(zhì)的保水特性.

土壤淋溶是造成氮磷等無機鹽流失的重要途徑之一.本研究發(fā)現(xiàn)3種供試材料對基材的氮磷有一定的滯留、蓄持作用，這主要是由3種材料的本身特性和存在狀態(tài)決定的.腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)在土壤中形成的一類特殊高分子化合物，一部分呈游離態(tài)酸和鹽類形式存在，較易流失，而大部分則呈凝膠狀與礦質(zhì)粘粒緊密結(jié)合，成為膠體物質(zhì)而不易被淋溶出來，因此本研究中淋溶初期氮磷淋出量較大，后期逐漸減?。煌瑫r，腐殖質(zhì)含量的增加致使氮磷淋出量的下降幅度逐漸降低，這主要是由于腐殖質(zhì)具有吸收、交換等多種功能[9]，可以蓄持、增加土壤的氮磷含量，且這種作用隨著腐殖質(zhì)含量增加而增大，這與席夢涵等[12]對不同屋頂綠化單體基質(zhì)材料對降雨徑流氮磷特征影響的研究基本一致.有研究表明，蛭石具有良好的選擇性吸附及離子交換性能，吸附能力與表面親和性緊密相關(guān)，且大分子量的可溶性物質(zhì)與蛭石表面有更強的親和力，但單位蛭石的離子交換能力有限[11]，因而造成了氮磷淋溶量的上下波動.蔣麗等[13]研究表明，陶粒的吸附作用可以分為物理吸附與化學(xué)吸附，物理吸附主要取決于陶粒的多孔性和比表面積，化學(xué)吸附作用力則是化學(xué)鍵力，過程相對較慢.本研究中，淋溶初期受陶粒吸附能力限制，氮磷離子還未完全被吸附便被淋洗掉，后期化學(xué)吸附作用逐漸加強，故而造成氮磷流失量前大后小的變化趨勢；同時，陶粒的表面粗糙，具有一定的內(nèi)部孔隙，適宜微生物的附著、生長，這也決定了其吸附能力大小.楊欣妍等[14]對陶粒除磷潛力研究發(fā)現(xiàn)陶粒的較大孔隙可以為吸附提供更多通道和吸附位點，但吸附過程存在一個平衡點.這與本研究較為一致，各處理水平上氮磷淋出量隨陶粒含量的增加呈現(xiàn)波動變化，且在3～4次淋溶后淋出量趨于穩(wěn)定.

3種供試材料的添加對基質(zhì)氮磷的增效保持效果明顯，其中腐殖質(zhì)最優(yōu)，陶粒、蛭石次之，這主要是由氮磷濃度含量和材料最適吸附量決定的.有研究表明，腐殖質(zhì)不僅可以增加土壤孔隙度，也能顯著提高土壤的有效養(yǎng)分含量，在保持土壤肥力和緩沖性方面起著重要的作用[15].楊夢珂等[16]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基質(zhì)類型為有機基質(zhì)時，除本身具有較高氮磷等養(yǎng)分含量外，富含的纖維等物質(zhì)還可以將輕型基質(zhì)顆粒緊密粘結(jié)起來，達到保肥效果較佳.本研究與此較為相似，腐殖質(zhì)作為有機物料在腐殖化過程中所形成的一類復(fù)雜而又穩(wěn)定的大分子有機化合物，分子結(jié)構(gòu)中的功能基團具有親水性、離子交換性和絡(luò)合性，起到制約淋溶等作用，也為氮磷的吸附提供了一定的固相表面和離子交換位點，起到了保肥增效的作用[9].蛭石有較強緩沖能力和離子交換能力，礦質(zhì)營養(yǎng)也可適量釋放，對氮磷吸收具有較好的效果.胡曰利等[11]在利用天然蛭石對污水中氨氮吸附去除率的研究中指出，蛭石用量越多，總的吸附性能就大，但存在一個最適平衡點.這與本研究得出的隨著蛭石含量增多，氮磷吸附量從增多到趨于穩(wěn)定，其存在一個最適吸附量結(jié)果一致.可見并不是蛭石越多，所能吸附儲存的氮磷就越多.陶粒組氮磷淋出量隨著陶粒體積的增加呈平穩(wěn)變化，這可能與本身吸附特性及其內(nèi)部孔隙微生物有關(guān).有研究表明，陶粒內(nèi)部孔隙發(fā)達且常為球形，堆積時顆粒間更易形成空隙，而孔隙率大的添料的復(fù)氧效果較好，多孔填料比表面積較大，利于微生物附著和生長繁殖，而微生物可利用氮磷養(yǎng)分?jǐn)?shù)量有限，進而影響氮磷的變動[17].

屋頂綠化基質(zhì)的組成材料選取應(yīng)以通氣性好，容重輕、保水保肥能力較優(yōu)為宜.本研究中，3種供試材料均有保肥增效作用，不同的添加量，效果也不一樣.腐殖質(zhì)占比50%時為最佳.這主要是由于基材的淋溶效果受到其孔隙度影響較大，孔隙度大易導(dǎo)致養(yǎng)分流失加大.楊夢珂等[16]研究發(fā)現(xiàn)，蛭石和陶粒由于屬于無機基質(zhì)，性質(zhì)穩(wěn)定且自身氮磷含量少，對氮磷淋出量的影響相對較小.腐殖質(zhì)是形成有機質(zhì)的高分子有機化合物，隨著基質(zhì)中含量的增加而導(dǎo)致氮淋出量顯著變化[9].有研究表明，土壤養(yǎng)分流失量與降雨量具有顯著相關(guān)性，而降水是氮磷流失的主要動力，降雨條件影響土壤養(yǎng)分的流失量及形態(tài)[18].本研究中，在中、強降雨條件下最優(yōu)比例組氮磷淋溶量的降低幅度大于對照組，可見混合添加材料有利于增強基質(zhì)的水肥保持特性.這主要是由于腐殖質(zhì)等添加物料影響了土壤孔隙度和團聚體結(jié)構(gòu)，而團聚體粒徑大小、分布及穩(wěn)定性影響降雨時雨滴的入滲、徑流的運移及土壤可蝕性[19].

4 結(jié) 論

1)3種供試材料對土壤水分保持、保肥增效均有顯著效果.其中腐殖質(zhì)效果最優(yōu)，且效果持久，在一定范圍內(nèi)添加量越多，效果越好；當(dāng)腐殖質(zhì)添加量占比為50.0%時(即土壤∶腐殖質(zhì)∶蛭石∶陶粒=2∶4∶1∶1)，3種材料對基質(zhì)的滯蓄保肥效果最好，較適應(yīng)用于屋頂綠化生產(chǎn)實踐中.

2)3種供試材料可改善基質(zhì)理化性質(zhì)，增加孔隙度，改善團粒結(jié)構(gòu)，增加土壤疏松性、通氣性和透水性，對降低基質(zhì)容重和增強水肥保持性能有著積極的影響，有效地提高了水分和養(yǎng)分利用效率，可有效減少面源污染.

3)3種供試材料混合搭配使用可以揚長避短，優(yōu)化基質(zhì)結(jié)構(gòu)，在水、氣、肥相互協(xié)調(diào)方面優(yōu)于單一基質(zhì)，特別是添加材料間的協(xié)同作用最有益于實現(xiàn)水肥的高效耦合并提高屋頂綠化效果.在實際應(yīng)用時，還應(yīng)充分考慮實際設(shè)計、屋頂承載力并結(jié)合種植形式，才可以取得較好的綠化效果和綜合效益.