立體綠化塑形基質(zhì)材料綜述

周青，鄧靜，付勇，游紹力，黃昊，王珂，孫鵬程，徐良平，張楩楠，陳曦

（1.成都市公園城市建設(shè)管理局，成都 610095；2.成都市園林綠化工程質(zhì)量監(jiān)督站，成都 610095；3.北京中建工程顧問有限公司，北京 102629）

伴隨著中國城市化進(jìn)程的加速，人與自然環(huán)境的關(guān)系日趨緊張，城市化帶來的高收入與綠色環(huán)境稀缺之間的錯配，給城市的立體綠化技術(shù)發(fā)展帶來了經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動力。立體綠化充分利用墻體，屋頂?shù)壬⒙淇臻g配置綠色植物，從而起到改善城市生態(tài)美化城市景觀，蓄存降水，吸收粉塵，緩解熱島效應(yīng)，降低太陽輻射等作用。

基質(zhì)具有支撐、保水、透氣、保肥幾個基本功能，因此立體綠化基質(zhì)的選擇尤為重要。立體綠化基質(zhì)是由單一或兩種以上不同種類的有機(jī)物和無機(jī)物按一定比例混配組成，具有輕質(zhì)、通透與保蓄性能好的特性，可以用來代替自然土壤進(jìn)行立體綠化種植的固型物質(zhì)。塑形基質(zhì)是指根據(jù)土壤機(jī)理與植物生長需求，選取必要的有機(jī)物料、天然礦物質(zhì)等材料有機(jī)合成的，親水透氣，氣相、液相、固相比合理，適合植物、微生物生長繁育且澆水無物質(zhì)流出，可工業(yè)化生產(chǎn)和任意塑形的多孔人工土壤[1]。

目前市場上比較流行的立體綠化基質(zhì)材料分為兩大類：一類是不含有機(jī)物的，如巖棉基質(zhì)和酚醛樹脂類基質(zhì)（花泥），根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)T/CABEE 005-2020《立體綠化栽培基質(zhì)通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]這些基質(zhì)由于不含有機(jī)質(zhì)不能定義為塑形基質(zhì)材料；另一類是含有機(jī)物的基質(zhì)，如脲醛樹脂類基質(zhì)（美植磚），聚酯纖維類基質(zhì)（壘土），聚氨酯類基質(zhì)（保浮科樂，水彈土，黑綿土），這些基質(zhì)材料基本符合立本綠化基質(zhì)材料中對塑形基質(zhì)的要求。

酚醛樹脂型（花泥）

花泥是由美國人Smithers Oasis于1954年發(fā)明，至今已有60年制造歷史。人們將鮮花插入充分吸水的花泥中，可延長鮮花的壽命，增強(qiáng)插花或花籃的美化及欣賞效果，有利于長途運(yùn)輸?shù)孽r花保鮮（圖1）。

花泥主要是由酚醛泡沫制成，1907年美國化學(xué)家巴克蘭（Baekeland）提出關(guān)于酚醛樹脂加壓，加熱固化的專利實(shí)現(xiàn)了酚醛樹脂的實(shí)用化?；嗨没衔镏饕潜椒雍图兹┬纬杉纂A酚醛樹脂，然后添加固化劑、發(fā)泡劑、表面活性劑等通過發(fā)泡得到花泥。

花泥具有細(xì)密多孔的海綿狀泡沫體，吸水性、保水性高，但是由于酚醛樹脂的泡沫要求開孔，本身材料的脆性大，所以花泥不能夠添加其它有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，因此很難作為一種營養(yǎng)基質(zhì)來使用，更多的是做為鮮切花保水的載體。

目前很多企業(yè)生產(chǎn)的花泥泡沫游離酚和游離甲醛含量高，在質(zhì)量上花泥泡沫硬度較大、酥脆、掉渣、無彈性、容重大約20～40 kg/m3，總孔隙度在90%以上，通氣孔隙度5%。因?yàn)楸旧頉]有養(yǎng)分，結(jié)構(gòu)過于脆弱，酚醛樹脂型基質(zhì)的在立體綠化工程中應(yīng)用并不多見。

巖棉

巖棉基質(zhì)一般是由60%輝綠巖（或玄武巖）、20%焦碳、20%石灰石，加上少量煉鐵后的礦渣經(jīng)高溫熔融、成形，最后經(jīng)壓縮、固化成特定密度后再裁剪而成。在這個過程中，加入了具有表面親水作用的黏結(jié)劑，酚醛樹脂是其中的重要成分，因此也有甲醛（圖2）。

農(nóng)用巖棉容重較小，一般在60～80 kg/m3，其總孔隙度達(dá)到90%以上，通氣孔隙度達(dá)到28%，具有良好的透氣性和保水性。經(jīng)過1600℃的高溫提煉，無菌、無污染，具有吸水和保水性強(qiáng)、無毒無菌、物理特性穩(wěn)定、質(zhì)量輕、易搬運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)。巖棉化學(xué)性質(zhì)是穩(wěn)定的惰性，不會與營養(yǎng)液發(fā)生反應(yīng)，因此可以快速調(diào)整根系環(huán)境，給植株根系創(chuàng)造最佳生長環(huán)境[2]，但同時巖棉本身沒有任何有機(jī)質(zhì)，其緩沖性非常弱，造成系統(tǒng)的容錯率低，更適合高精度控制的植物工廠生產(chǎn)。

巖棉基質(zhì)不能自行分解，而巖棉在國內(nèi)目前還沒有有效的回收體系，廢棄的巖棉在自然環(huán)境中不斷受到侵蝕，其表面會容易形成游離硅烷醇（NFS），意大利都靈大學(xué)Francesco Turci和比利時魯汶大學(xué)（UCLouvain）Dominique Lison教授課題組對導(dǎo)致矽肺病的原因進(jìn)行了多年探索后，發(fā)現(xiàn)二氧化硅顆粒表面近乎游離的硅烷醇（Nearly Free Silanols，NFS）是矽肺病的致病元兇[3]，因此，在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家?guī)r棉的回收利用具有嚴(yán)格要求。目前巖棉在立體綠化工程中主要代替毛氈做為綠化保水材料。

脲醛樹脂型

脲醛樹脂型塑形基質(zhì)以美植磚為代表，是近來用于立體綠化的一種基質(zhì)材料，一般為板塊狀態(tài)，也可留有圓形凹槽，便于苗木移植，使用上便于排布施工（圖3）?；|(zhì)干燥狀態(tài)下彎曲力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到450 kPa，強(qiáng)度高，在水分浸泡后性能下降到136 kPa。容重在380 kg/m3，總孔隙度在60%，通氣孔隙率3%左右，吸水率可達(dá)160%。

美植磚是在適當(dāng)溫度壓力條件下采用壓制工藝成型，以農(nóng)林業(yè)廢棄物和脲醛樹脂為主要成分。脲醛樹脂（UF）是尿素與甲醛在催化劑（堿性或酸性催化劑）作用下縮聚成初期脲醛樹脂，然后再在固化劑或助劑作用下形成不溶、不熔的固態(tài)材料，它在人造板的制造中大量使用，但是由于大量采用脲醛膠，產(chǎn)品的甲醛含量非常高，不適用于密閉環(huán)境，固化后膠層老化(水解，熱解)釋放的甲醛也是造成甲醛污染的重要來源[4,5]。

相關(guān)改進(jìn)的制造方法中采用的是植物大豆膠代替了脲醛膠，這樣可以降低甲醛的釋放，這在板材工業(yè)中已經(jīng)有實(shí)現(xiàn)，但是在塑形基質(zhì)市場上沒有見到相關(guān)產(chǎn)品。

另外，美植磚中大量農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈沒有經(jīng)過充分腐熟處理，在潮濕環(huán)境下非常容易產(chǎn)生霉?fàn)€變質(zhì)，這點(diǎn)在室內(nèi)應(yīng)用會有影響。目前脲醛樹脂類的美植磚由于價格低，施工方便，在護(hù)坡、屋頂綠化有大量應(yīng)用，但是，由于醛含量高，易霉變，一般不用在室內(nèi)和人密集區(qū)。

聚酯纖維型

聚酯纖維型塑形基質(zhì)材料是采用熱塑性聚酯（PET）纖維與有機(jī)和無機(jī)質(zhì)材料混合，通過熔融熱合而成固體基質(zhì)材料，類似于美植磚，代表性產(chǎn)品為壘土，也是熱壓成型的工藝，由于避免使用脲醛膠，壘土的甲醛含量非常低（圖4）。然而在另一方面，由于脲醛膠的滲透力比熔融的PET樹脂更強(qiáng)，因此，美植磚強(qiáng)度更好，壘土非常容易掉落渣土，在水浸泡后壘土的彎曲力學(xué)強(qiáng)度由193 kPa下降到78 kPa，大尺寸壘土基質(zhì)在水浸泡后強(qiáng)度難以承受自重而容易斷裂。聚酯纖維型和脲醛樹脂型塑形基質(zhì)都屬于壓制型基質(zhì)材料，它們在一次施工之后就難以再次移動。壘土容重在300 kg/m3，總孔隙度在76%，通氣孔隙率7%左右，吸水率可達(dá)230%。

圖4 聚酯纖維型塑形基質(zhì)

壘土加工需要加熱壓制，對能源的需要較高，而且由于壓制工藝，質(zhì)品結(jié)構(gòu)相對簡單，不能得到相對復(fù)雜的制品。壘土的熱壓加工屬于物理變化，它所使用的熱塑性材料來源可以是聚酯，聚酰胺、聚丙烯，聚乙烯、乙烯 -醋酸乙烯酯共聚物等熱塑性聚合物材料，而有機(jī)質(zhì)植物纖維可來源于植物秸桿、米糠、鋸木粉、干枯的水草、苔蘚、藻類等。聚酯纖維型塑形基質(zhì)材料目前大量應(yīng)用在護(hù)坡、屋頂，甚至可以用于室內(nèi)綠化,是非常流行的一種立體綠化基質(zhì)材料，強(qiáng)度雖然低于美植磚，但工程應(yīng)用還是比較方便，甲醛含量非常低，而且后期的養(yǎng)護(hù)方便，植物成活率高。

聚氨酯型

這類塑形基質(zhì)最初是在上世紀(jì)拜耳發(fā)明聚氨酯材料之后就有國外公司進(jìn)行園藝種植的嘗試，本文最早追溯到1959年DOW化學(xué)的相關(guān)專利[6]，1974年Bayer就有利用聚氨酯開孔泡沫材料進(jìn)行種植的技術(shù)[7]，之后GRAVI MECHANICS 公司開始生產(chǎn)出聚氨酯與有機(jī)基質(zhì)混合的塑形材料[8]；甚至近年來Huntsman公司研究發(fā)現(xiàn)聚氨酯塑型材料可以用作水稻植株的植物生長基質(zhì)，由此顯著減少甲烷氣體的排放（減少溫室氣體排放）[9]，國內(nèi)北京艾方德科技公司甚至開發(fā)出可被黃粉蟲食用的聚氨酯塑形基質(zhì)，這將有利于未來太空環(huán)境中的應(yīng)用。

目前國內(nèi)流行的有保浮科樂，水彈土，黑綿土等產(chǎn)品（圖5）。聚氨酯塑形基質(zhì)主要成份為聚氨酯，有機(jī)無機(jī)原料，其中有機(jī)質(zhì)原料來源原則上可以是任何農(nóng)業(yè)廢棄物，與美植磚，壘土一樣屬于含有機(jī)質(zhì)的基質(zhì)材料。一般容重在200～300 kg/m3，總孔隙度達(dá)到90%以上，通氣孔隙度在23%，吸水率大于400%，

圖5 聚氨酯塑形基質(zhì)

聚氨酯塑型基質(zhì)加工是在常溫下可以進(jìn)行，加工過程利用反應(yīng)產(chǎn)生的CO2來發(fā)泡，同時固化成型，混合物在模具內(nèi)固化前可自由流動，而后由于CO2在模具內(nèi)的釋放而自增壓，不需要額外的加工壓力和熱能，是較為節(jié)省能源的一種加工方式，同時也可以做到任意塑型。從能源利用消耗的角度來說，更加環(huán)保。

聚氨酯塑形基質(zhì)由于分子鏈結(jié)構(gòu)中的親水鏈段在水分作用之下會產(chǎn)生溶脹效應(yīng)，從而很巧妙地解決了傳統(tǒng)土壤存在的保水與透氣之間的矛盾：親水鏈段起到保水作用，同時，溶脹效應(yīng)會使基質(zhì)材料在吸水時所有氣孔打開，保證了基質(zhì)的透氣性；失水過程氣孔會收縮關(guān)閉，減少水分揮發(fā)，這種類似呼吸的方式，是一種材料的智能化響應(yīng)，具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢，這是其它任何一種基質(zhì)材料所不具備的性能。但是，這也會不可避免地產(chǎn)生失水收縮的問題，這在植物正常生長的水分條件下不會存在收縮現(xiàn)象，只有在極端失水的情況下發(fā)生。形變的發(fā)生也為我們提供了一種判斷植物缺水的方法。如圖6所示，聚氨酯基質(zhì)材料在吸水前后的孔隙變化，其中吸水之后孔隙變的更大更深，表示氣孔的打開。

圖6 水彈土吸水前后的三維顯微圖

聚氨酯塑型基質(zhì)是目前發(fā)展最快的一類立體綠化基質(zhì)材料，由于質(zhì)量輕，保水性好，透氣率高，而且更加干凈，可塑性高，能夠自由裁剪。目前在國外應(yīng)用于垂直綠化、屋頂綠化，還可以應(yīng)用于育苗，創(chuàng)意園藝制品等方面。

以上幾種基質(zhì)材料在水飽和的情況下在力學(xué)性能上存在一定的差異，一般來說含有機(jī)物的基質(zhì)材料水飽和情況下力學(xué)性能下降比較多，而花泥和巖棉相對力學(xué)性能下降比較少（圖7）。

圖7 基質(zhì)材料含水情況下力學(xué)性能下降程度

另外，對于垂直綠化尤其是室內(nèi)應(yīng)用方面材料的甲醛含量需要特別關(guān)注，幾種材料通過定量浸泡在水中24 h，經(jīng)過化學(xué)衍生之后采用液相色譜檢測水中的甲醛含量得到以下結(jié)果：

從圖8可知，由于美植磚采用的是脲醛樹脂，因此，其中的甲醛含量遠(yuǎn)比其它幾種材料要高，達(dá)到200 μg/g以上，而巖棉與花泥都是含有酚醛樹脂材料，其甲醛含量也在十幾個μg/g；只有聚氨酯塑形土和聚酯纖維塑形土的甲醛含量小于5 μg/g。由此來看，綠化場景在室內(nèi)和人口密集地都要注意盡量選用低甲醛含量的基質(zhì)，對于蔬菜種植類基質(zhì)材料的選用，更要注意安全性。

圖8 基質(zhì)材料甲醛含量

材料科學(xué)快速發(fā)展的今天，各種各樣的種植基質(zhì)材料應(yīng)運(yùn)而生，它們在不同程度上解決了傳統(tǒng)土壤的散、易流失、保水差、易板結(jié)等問題，同時它們各自也存在不同的缺陷，如成本高，有害物質(zhì)析出，能耗高等問題有待于進(jìn)一步解決。然而隨著材料科技的發(fā)展，立體種植必將充分利用新技術(shù)，為多彩的城市生活增添綠色的一筆。