景觀環(huán)境常用有機(jī)地表覆蓋物的吸水性能研究

陳超萍

喬麗芳

韓 陽

賈浩然

張毅川*

氣候變化、快速城市化及不合理的城市管網(wǎng)規(guī)劃使中國很多城市，尤其是大中城市出現(xiàn)嚴(yán)重的城市內(nèi)澇等雨水問題[1]，加強(qiáng)城市雨水管理已刻不容緩。雨水管理不僅僅是解決雨水的排放問題，更重要的是實(shí)現(xiàn)雨水的資源化利用。借鑒西方發(fā)達(dá)國家低影響開發(fā)設(shè)施建設(shè)的經(jīng)驗，中國于2013年開始建設(shè)對雨水“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市[2]。城市綠地是雨水“三自然”管理的主要承載面，主要由植被、地表覆蓋物和土壤組成。植被冠層的雨水截留能力通常不超過10mm[3]，對雨水的截留作用較小。城市綠地土壤受人為干擾較大，滲透能力普遍較低，難以滿足強(qiáng)降雨條件下的雨水利用要求[4]。增加土壤滲透能力和地表滯留能力是提升綠地雨水管理效率的關(guān)鍵。對于建成綠地，土壤改良不僅成本高，而且會對綠地造成破壞，因此增加地表覆蓋物就成為一種經(jīng)濟(jì)、高效的雨水滯留措施。有機(jī)地表覆蓋物廣泛應(yīng)用于西方國家的庭院、公園和街道等綠地中，發(fā)揮著保持水土、促進(jìn)滲透等重要作用[5-6]。Keesstra等的研究表明，稻草覆蓋物能有效削減雨水徑流、減少土壤侵蝕[7]。地表覆蓋物能夠有效增強(qiáng)土壤保水能力并延緩地表徑流的發(fā)生[8-9]，其中麥秸稈植被毯和椰絲纖維植被毯均能顯著減少徑流并增加入滲[10]。

中國近年來也開始在綠地中廣泛應(yīng)用類型多樣的地表覆蓋物，但由于缺乏材料的吸水特性等相關(guān)研究，景觀設(shè)計人員在選擇材料時更多的是考慮景觀美學(xué)效果，導(dǎo)致有機(jī)地表覆蓋物在城市雨水管理中的作用未得到充分發(fā)揮。因此，研究不同類型有機(jī)地表覆蓋物的吸水特性，將有利于城市綠地雨水資源的自然積存，減少人工雨水設(shè)施的投入，也有助于廢棄資源的轉(zhuǎn)化利用。

表1 16種有機(jī)地表覆蓋物的名稱、密度及產(chǎn)地

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗所選材料為景觀環(huán)境中常見的16種有機(jī)地表覆蓋物(表1)。

1.2 方法

1.2.1 試驗處理

每種有機(jī)地表覆蓋物試驗重復(fù)3次。每種材料試驗前取包裹紗布一塊，浸泡至水中10min后懸掛至無水滴下時，放置在電子天平上稱重去皮。每種材料取100g放入紗布袋中，完全浸入盛水并稱重后的燒杯中浸泡，每隔10min取出紗布袋懸掛至無水滴下時稱重，直到連續(xù)3次稱重誤差在10%以內(nèi)時，即為飽和狀態(tài)。

1.2.2 材料密度的測定

將16種材料放入鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重備用。每種材料取100g放入真空袋，抽真空后置入裝滿水的燒杯中，通過測定排水體積計算材料密度。

1.2.3 質(zhì)量吸水倍率的測定

材料吸收的水分質(zhì)量與材料干燥狀態(tài)時質(zhì)量的比。

式中，M為材料的質(zhì)量吸水倍率(g·g-1)；M0為材料在干燥狀態(tài)時的初始質(zhì)量(g)；Ms為材料在吸水飽和狀態(tài)時的質(zhì)量(g)。

1.2.4 質(zhì)量吸水速率的測定

材料在單位時間內(nèi)的質(zhì)量吸水倍率。

式中，SMnt為材料在第n個10min內(nèi)的質(zhì)量吸水倍率(g·g-1·10min-1)；Mnt為材料在第n個10min時的質(zhì)量(g)；M(n-1)t為材料在第(n-1)個10min時的質(zhì)量(g)；M0t為材料在干燥狀態(tài)時的初始質(zhì)量(g)。

1.2.5 質(zhì)量(體積)吸水率占比

材料在某一時間節(jié)點(diǎn)質(zhì)量(體積)吸水倍率占總質(zhì)量(體積)吸水倍率的百分比。

1.2.6 體積吸水倍率的測定

材料吸收水分的體積與材料干燥時體積的比。

式中，V為材料的體積吸水倍率(cm3·cm-3)；M0為材料在初始干燥狀態(tài)時的質(zhì)量(g)；M1為材料在吸水飽和狀態(tài)時的質(zhì)量(g)；ρw為水的密度，本試驗取1g·cm-3；ρm為材料在干燥狀態(tài)下的密度(g·cm-3)。

1.2.7 體積吸水速率的測定

材料在單位間隔時間(10min)內(nèi)的體積吸水倍率。

式中，SVnt為材料在第n個10min內(nèi)的體積吸水倍率(cm3·cm-3·10min-1)；Mnt為材料在第n個10min時的質(zhì)量(g)；M(n-1)t為材料在第(n-1)個10min時的質(zhì)量(g)；M0t為材料在干燥狀態(tài)時的初始質(zhì)量(g)；ρw為水的密度，本試驗取1g·cm-3；ρm為材料在干燥狀態(tài)下的密度(g·cm-3)。

1.2.8 飽和時長的測定

材料從浸水開始到完全飽和時所用時長(min)。

1.3 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析采用Excel和Spss軟件，采用鄧肯新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)地表覆蓋物的質(zhì)量吸水倍率

圖1 有機(jī)地表覆蓋物的質(zhì)量吸水倍率

圖2 有機(jī)地表覆蓋物的質(zhì)量吸水速率

圖3 有機(jī)地表覆蓋物的體積吸水倍率

圖1 反映了不同有機(jī)地表覆蓋物浸水后的質(zhì)量吸水倍率。由圖1 可以看出，1 6 種材料均能吸收水分，但差異較大。1 6 種材料的質(zhì)量吸水倍率依次為：鋸末2.4 3 g·g-1＞花生殼2.23g·g-1＞橡樹葉1.73g·g-1＞復(fù)葉槭粉碎物1.67g·g-1＞棕椰絲1.59g·g-1＞松塔殼1.44g·g-1＞杉木樹皮1.41g·g-1＞柳樹皮1.40g·g-1＞打磨松樹皮(3～6mm)1.05g·g-1＞發(fā) 酵 松 樹 皮( 9 ～1 7 m m ) 0 .9 5 g · g-1＞松針0.9 3 g·g-1＞發(fā)酵松樹皮(3 ～6 m m)0.8 6 g·g-1＞核桃殼0.6 8 g·g-1＞彩色松樹皮(1.5 ～3 c m)0.5 7 g·g-1＞打磨松樹皮(3～5cm)0.30g·g-1＞蚯蚓糞0.28g·g-1。其中，鋸末和花生殼的質(zhì)量吸水倍率顯著高于其他材料，打磨松樹皮(3～5cm)和蚯蚓糞顯著低于其他材料。鋸末的質(zhì)量吸水倍率是蚯蚓糞的8.68倍。

2.2 有機(jī)地表覆蓋物的質(zhì)量吸水速率

如圖2所示，16種材料的質(zhì)量吸水速率表現(xiàn)出一定的規(guī)律性：在10min內(nèi)均達(dá)到最高，之后隨著時間的增長迅速下降，在第50min時大多數(shù)材料吸水達(dá)到飽和狀態(tài)。第10min時，16種材料的質(zhì)量吸水率占比平均為75.60%，最低的核桃殼為51.22%，最高的復(fù)葉槭粉碎物達(dá)89.42%。不同有機(jī)地表覆蓋物在浸入水后的10min內(nèi)質(zhì)量吸水速率差別十分明顯，鋸末和花生殼的質(zhì)量吸水速率明顯優(yōu)于其他材料，蚯蚓糞和打磨松樹皮(3～5cm)的質(zhì)量吸水速率較小，鋸末是蚯蚓糞和打磨松樹皮(3～5cm)的12和11倍。

2.3 有機(jī)地表覆蓋物的體積吸水倍率

圖3反映了不同材料的體積吸水倍率。16種材料的體積吸水倍率依次為：鋸末0.63cm3·cm-3＞蚯蚓糞0.54cm3·cm-3＞花生殼0.42cm3·cm-3＞柳樹皮0.42cm3·cm-3＞松塔殼0.38cm3·cm-3＞杉木樹皮0.33cm3·cm-3＞打磨松樹皮(3～6mm)0.29cm3·cm-3＞復(fù)葉槭粉碎物0.27cm3·cm-3＞發(fā)酵松樹皮(9 ～1 7 m m)0.2 6 c m3·c m-3＞發(fā)酵松樹皮(3～6mm)0.21cm3·cm-3＞棕椰絲0.1 9 c m3·c m-3＞橡樹葉0.1 9 c m3·c m-3＞核桃殼0 .1 8 c m3· c m-3＞彩色松樹皮(1.5～3cm)0.17cm3·cm-3＞松針0.12cm3·cm-3＞打磨松樹皮(3～5cm)0.09cm3·cm-3。其中，鋸末的體積吸水倍率顯著高于其他材料，打磨松樹皮(3～5cm)和松針的體積吸水倍率差異不顯著，但與其他材料存在顯著性差異。鋸末的體積吸水倍率分別是松針和打磨松樹皮(3～5cm)的5.25和7倍。

2.4 有機(jī)地表覆蓋物的體積吸水速率

如圖4所示，16種材料的體積吸水速率表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，在第10min時均達(dá)到最高，之后隨著時間的增長逐漸下降，在第50min時大多數(shù)材料吸水達(dá)到飽和狀態(tài)。第10min時的體積吸水率占比與質(zhì)量吸水速率相同。不同有機(jī)地表覆蓋物在浸入水后的10min內(nèi)體積吸水速率差異明顯，鋸末、花生殼、柳樹皮和蚯蚓糞的體積吸水速率明顯優(yōu)于其他材料，打磨松樹皮(3～5cm)、松針和核桃殼的體積吸水速率較小，最高的鋸末是打磨松樹皮(3～5cm)的8.83倍。

2.5 有機(jī)地表覆蓋物的飽和時長

如圖5所示，16種有機(jī)地表覆蓋物材料的飽和時長為25～60min。其中花生殼達(dá)到飽和狀態(tài)用時最短，為25min；彩色松樹皮(1.5～3cm)、發(fā)酵松樹皮(3～6mm)和松針次之，飽和時長均為30min；橡樹葉、復(fù)葉槭粉碎物和鋸末的飽和時長均為33.33min；松塔殼達(dá)到飽和用時最長，為60min；蚯蚓糞次之，飽和時長為51.67min；花生殼與發(fā)酵松樹皮(9～17mm)、橡樹葉、彩色松樹皮(1.5～3cm)、打磨松樹皮(3～5cm)、發(fā)酵松樹皮(3～6mm)、松針、復(fù)葉槭粉碎物和鋸末的飽和時長差異不顯著。松塔殼與蚯蚓糞、打磨松樹皮(3～6mm)和柳樹的飽和時長差異不顯著，但顯著高于其他材料。

圖4 有機(jī)地表覆蓋物的體積吸水速率

圖5 有機(jī)地表覆蓋物的飽和時長

3 討論

在城市綠化中，當(dāng)作為屋頂花園材料等需要考慮荷載時，可以考慮將質(zhì)量吸水倍率和質(zhì)量吸水速率指標(biāo)作為有機(jī)地表覆蓋物選取的依據(jù)。試驗表明，不同材料的質(zhì)量吸水倍率存在顯著差異，這與材料自身的特性和處理方式有關(guān)。鋸末、花生殼、橡樹葉、復(fù)葉槭粉碎物、棕椰絲、松塔殼、杉木樹皮、柳樹皮和打磨松樹皮(3～6mm)等材料的質(zhì)量吸水倍率都超過1g·g-1。一般而言，在同等質(zhì)量下，粒徑小的材料的觸水面積要大于粒徑大的材料。鋸末粒徑最小，質(zhì)量吸水倍率表現(xiàn)也最好；松樹皮等粒徑較大，觸水面積較小，因此質(zhì)量吸水倍率也較小。蚯蚓糞的質(zhì)量吸水倍率最低，是因為這類材料經(jīng)過生產(chǎn)加工成球形后，密度較大，相比而言吸水質(zhì)量較小。孫夢輝在研究中得出，稻草編織物的質(zhì)量吸水倍率為4.28，黃麻編織物為2.60，棕櫚編織物為1.94，棕櫚葉編織物為1.63[11]。這是由于編織物的主要組成部分為纖維，再加上網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加了持水能力，因此，編織覆蓋物持水能力的強(qiáng)弱可能與材料本身的組成特性有關(guān)。綠地土壤的滲透能力可以承載小雨強(qiáng)的降雨，而鋪設(shè)有機(jī)地表覆蓋物的主要作用是應(yīng)對較大雨強(qiáng)的降雨。根據(jù)質(zhì)量吸水倍率，可以推定在強(qiáng)降雨初期，鋸末、花生殼等材料能夠有效滯留水分，減少地表徑流的產(chǎn)生，延緩洪峰形成的時間。

城市地表綠化中，在對荷載沒有特殊要求的情況下，更多時候應(yīng)考慮將體積吸水倍率和體積吸水速率等指標(biāo)作為地表覆蓋物材料選取的依據(jù)。城市鋪設(shè)地表覆蓋物的厚度一般在5～15cm，厚度增加會影響土壤的透氣性，在有限的厚度內(nèi)如何最大限度地吸收雨水是需要優(yōu)先考慮的問題。鋸末、蚯蚓糞、花生殼、柳樹皮、松塔殼和杉木樹皮等材料的體積吸水倍率較高，均超過了0.3cm3·cm-3，可以應(yīng)對較強(qiáng)的降雨。本次選擇的16種材料均為顆粒狀，纖維含量較低，加上未形成網(wǎng)狀持水結(jié)構(gòu)，相對編織物的吸水能力更低。另外，景觀環(huán)境建設(shè)對有機(jī)覆蓋物的美學(xué)效果要求較高，這在一定程度上影響了高吸水材料的應(yīng)用。有研究表明，枯落物的分解程度會影響枯落物層的持水能力，分解程度越高，枯落物層的持水能力越強(qiáng)[12]。對有機(jī)地表覆蓋物進(jìn)行加工，增加腐化或分解程度，也可以進(jìn)一步提高吸水性能。如曲炳鵬等以園林廢棄物為原料，使用環(huán)保型水性聚氨酯作為膠黏劑制備而成的用于覆蓋城市裸露土壤的生態(tài)覆蓋墊就具有較強(qiáng)的吸水能力[13]。

城市的強(qiáng)降雨往往具有時間短、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，極易導(dǎo)致嚴(yán)重積水內(nèi)澇，影響生產(chǎn)和居民生活。關(guān)于有機(jī)地表覆蓋物的質(zhì)量和體積吸水速率的研究結(jié)果表明，降雨初期的吸收速率最高，可以有效滯留雨水，降低地表徑流，延緩洪峰形成的時間。而后吸水速率下降，雨水下滲至土壤，有效補(bǔ)充土壤水分。不同材料飽和所需時長與材料自身特性相關(guān)，同等質(zhì)量或體積吸水倍率條件下，飽和時長越短，材料的吸水速度越快、效率越高，可以應(yīng)對的短時降雨強(qiáng)度就越大。

地表覆蓋物材料適合于中國半濕潤地區(qū)的綠地，因為這些地區(qū)的年降水量為400～800mm，降雨大部分集中在6—9月。地表覆蓋物在夏季可以有效吸收雨水，減少地表徑流，在其他季節(jié)則可以減少土壤水分蒸發(fā)，增加土壤濕度。而對于年降雨量高，尤其是超過1 200mm的降雨頻繁地區(qū)，地表覆蓋物自身可能會長期保持在近飽和狀態(tài)，并使土壤長期維持較高的含水率，影響植物的正常生長。這時可以選擇吸水性能較低的有機(jī)地表覆蓋物用于減少水土流失、控制雜草、增加有機(jī)質(zhì)和美化環(huán)境。

4 結(jié)論

1)質(zhì)量吸水速率和體積吸水速率都具有相同的規(guī)律性：0～10min內(nèi)達(dá)到最高，然后大幅降低。第10min時，16種材料的吸水率占比均達(dá)到最高，但是具有顯著差異，最高的材料達(dá)到約90%，較低的只有約50%。吸水飽和時長也具有顯著差異，最快的25min，最慢的約60min。

2)有機(jī)地表覆蓋物的選擇應(yīng)結(jié)合土壤和降雨條件等綜合確定，年降雨量高的地區(qū)和年降雨量低的地區(qū)在選擇有機(jī)地表覆蓋物時，對吸水性能的要求也有所不同，需要進(jìn)一步研究。

3)有機(jī)地表覆蓋物的質(zhì)量吸水倍率和體積吸水倍率具有顯著差異。質(zhì)量吸水倍率適宜作為屋頂花園材料的選擇依據(jù)，鋸末、花生殼、橡樹葉、復(fù)葉槭粉碎物、棕椰絲、松塔殼、杉木樹皮、柳樹皮和打磨松樹皮(3～6mm)等都具有超過自身質(zhì)量的水分吸收能力。體積吸水倍率適宜作為地面綠化用有機(jī)地表覆蓋物的選擇依據(jù)，鋸末、蚯蚓糞、花生殼、柳樹皮、松塔殼和杉木樹皮等的體積吸水倍率都超過0.3cm3·cm-3。如何對這些材料進(jìn)行處理以增加吸水性能則還需進(jìn)一步探究。

注：文中圖片均由陳超萍繪制。