澆灌方式對盤裝佛甲草養(yǎng)護耗水量及基質(zhì)溫度的影響

韓菁菁， 冉茂宇

(華僑大學(xué) 建筑學(xué)院， 福建 廈門 361021)

佛甲草(SedumlineareThunb)因其抗氣候性較強、管理方便、綠期長、覆蓋率高等優(yōu)點，成為屋面綠化和蒸發(fā)降溫的良好選材[1-4].然而，佛甲草常規(guī)澆灌養(yǎng)護和蒸發(fā)降溫要消耗大量水資源，且其基質(zhì)溫度會影響屋面降溫效果.如何在保持佛甲草生長正常條件下減少其水量消耗而又不影響其降溫隔熱效果，是值得研究的重要課題.前人對佛甲草養(yǎng)護做了不少研究工作.蔡靜指出，高溫會導(dǎo)致佛甲草草層稀疏甚至失去綠化作用[5].趙定國[6-7]發(fā)現(xiàn)，利用無紡布種植佛甲草時，布料越薄的越有助于佛甲草根的生長；佛甲草喜水但不耐澇，淹在水里被太陽一曬就會死亡.盧珊珊等[8]研究表明，佛甲草在各種基質(zhì)厚度下長勢都較佳，但透風(fēng)性差，在夏季高溫高濕環(huán)境下易腐爛.陳倩等[9]通過對比6類蘚類植物和佛甲草、假儉草的吸水率和保水性實驗，表明佛甲草在8種試樣中具有最低的失水量.蘇怡檸等[10]的研究表明，在越夏養(yǎng)護佛甲草時，若氣溫在25～35 ℃之間且連續(xù)3日晴天，則應(yīng)及時進行灌溉.

佛甲草用于建筑外表綠化具有隔熱降溫作用.陳祥等[11]探討了佛甲草綠墻的隔熱效果，表明佛甲草的水分蒸騰散熱所起的隔熱作用大于其遮擋太陽輻射所起的隔熱作用.Feng等[12]在廣州對佛甲草屋面的得熱和散熱進行研究，表明在其得熱中太陽輻射占99.1%，而在其散熱中植物土壤的蒸發(fā)蒸騰占58.4%，只有1.2%通過植物和土壤儲存或轉(zhuǎn)移到下面的房間.鄧小飛等[13]的研究表明，佛甲草屋面的降溫增濕效果在一日之中12:00-15:00最顯著.王璋元等[14]的報道表明，無論有無太陽輻射，在土壤基質(zhì)含濕量相同的條件下，佛甲草種植模塊的隔熱性能和熱穩(wěn)定性都要優(yōu)于厚度相同的輕型種植土模塊.劉宏成等[15]的實驗表明，當土壤基質(zhì)厚度超過200 mm時，土壤底部溫度趨于穩(wěn)定.彭躍暖等[16]研究了蓄水層設(shè)置和植物選擇對綠色屋頂水分蒸發(fā)量的影響，表明蓄水層能增加植被屋面的水分蒸發(fā)量，土壤含水量與日水分蒸發(fā)量呈正相關(guān)；與實鋪地景竹草相比，佛甲草實驗槽在24 h內(nèi)蒸發(fā)水量波動較大，中午前后出現(xiàn)低谷.彭明熙等[17]研究小葉景天、佛甲草、落地生根3種景天科植物的降溫增濕效果，發(fā)現(xiàn)佛甲草對太陽輻射的吸收最弱.

綜上，雖然前人對佛甲草養(yǎng)殖及維系進行了一些研究，也報道了其用于建筑外表綠化的降溫隔熱機制及效果，但關(guān)于佛甲草澆灌養(yǎng)護并未有具體的相關(guān)論述，也未涉及佛甲草基質(zhì)溫度與其水分蒸發(fā)量及澆灌用水量的探究.本文設(shè)計并制作了8種澆灌試樣，在福建省廈門市的夏季典型氣候條件下，對比實測了不同澆灌方式對試樣水分蒸發(fā)量、澆灌用水量及基質(zhì)溫度的影響.

1 實測試樣制作

從市面上購買多盤養(yǎng)殖好的佛甲草，從中選取株高、密度和長勢相近的8盤，其土壤基質(zhì)厚度約35 mm，基質(zhì)上層株高100 mm左右.種植盤為壁厚2 mm的黑色塑料盤，上部開口外緣為490 mm(長)×290 mm(寬)，底盤外緣為456 mm(長)×256 mm(寬)，底部四角有直徑15 mm，高20 mm的支撐腳，盤內(nèi)開有6排×12列，直徑10 mm的排水孔，孔距縱向36 mm，橫向35 mm.

佛甲草種植盤外尺寸及測溫套管布置，如圖1所示.首先用電烙鐵沿底盤上表側(cè)向打一個直徑5 mm的孔，插入直徑為5 mm的塑料測溫套管，用于后續(xù)熱電偶探頭插入測量基質(zhì)底部中心溫度.測溫套管插入端固定在底盤中心附近，另一端外露一定長度.

圖1 佛甲草種植盤外尺寸及測溫套管布置(單位：mm)Fig.1 Outer dimensions and arrangement of thermowells of palletized Sedum lineare Thunb (unit: mm)

然后，將帶土壤基質(zhì)的佛甲草放入4個帶測溫套管的種植盤中形成4個測試樣本，分別編號為C1，B1，B2，B3.其中，C1用于不澆灌測試，B1，B2，B3分別用于每日早、中、晚裸澆1次的測試.C1，B1，B2，B3試樣縱向剖面相同，如圖2所示.

圖2 不澆灌和裸澆試樣剖面 圖3 吸液芯布料在種植盤中鋪展Fig.2 Sample profile without irrigation or with bare irrigation Fig.3 Spread wick cloth in planting tray

接著，將剩下4個帶測溫套管的種植盤編號為A1，A2，A3，A4，用于吸液澆灌試樣制作.其中，A1，A2，A3用于管式吸液芯制作，以對比不同吸水材料造成的影響；而A4用于片狀吸液芯制作，以對比吸液方式導(dǎo)致的影響，如圖3所示.利用外徑10 mm的薄壁塑料管切成高100 mm管段共72根，A1，A2，A3各用24根，分別用于吸液材料——無紡布、速干布、三明治網(wǎng)布的管式吸液芯制作.將三種布料剪切成175 mm(長)×50 mm(寬)的片狀，每兩片穿過一根管段，下端外露10 mm，上端穿過種植盤排水孔鋪展在底盤上表面，形成6排×4列的管式吸液芯陣列，如圖3A1～A3編號所示.用電烙鐵沿A4底盤中心橫向開4條100 mm長的縫隙，將8片236 mm(長)×100 mm(寬)速干布兩兩穿過同一縫隙，上部留出126 mm×100 mm鋪展在底盤上表面，如圖3中A4編號所示.

最后，用50 mm厚的白色泡沫制作4個內(nèi)尺寸為445 mm(長)×245 mm(寬)×110 mm(高)的儲水盒，并在儲水盒內(nèi)壁貼附防水薄膜，注入初始水量.將帶有吸液布料的A1，A2，A3，A4種植盤支撐腳卡放在儲水盒上(圖3)，再把帶土壤基質(zhì)的佛甲草放入種植盤中，形成管式和片狀吸液澆灌試樣.管式和片狀的吸液澆灌試樣剖面，如圖4所示.上述制作的8個試樣對應(yīng)的8種澆灌方式，如表1所示.

(a) 管式 (b) 片狀圖4 吸液芯澆灌試樣剖面圖 Fig.4 Profile of wick pouring sample

表1 各試樣對應(yīng)的澆灌方式Tab.1 Watering method corresponding to each sample

2 實測內(nèi)容與方法

測試時間為2020年7月5日0:00-14日24:00，地點選在華僑大學(xué)廈門校區(qū)建筑實驗樓的屋頂；屋頂周圍無遮擋，日照和通風(fēng)均良好.各試樣現(xiàn)場測試布置，如圖5所示.圖5中：盤裝佛甲草的短邊朝向南北，相互之間幾乎無遮擋.

圖5 各試樣現(xiàn)場測試布置圖Fig.5 On-site test layout of each sample

實驗測試內(nèi)容包括室外氣象參數(shù)(空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和水平太陽輻射)，以及各試樣水分蒸發(fā)量及土壤基質(zhì)的底部溫度.室外氣象參數(shù)測試采用PH-1移動氣象站，每隔5 min記錄1次；土壤基質(zhì)的底部溫度測試采用銅-康銅熱電偶和JTRG-Ⅱ熱工巡檢儀每隔1 h記錄1次；水分蒸發(fā)量測試采用ACS-C電子秤每日8:00-22:00間隔1 h稱量1次.各儀器測試范圍和精度，如表2所示.表2中：tOA為室外空氣溫度；RH為室外相對濕度；vO為室外風(fēng)速；IO為室外水平太陽輻射；tSB為基質(zhì)底部溫度；W為水分蒸發(fā)量.

表2 各儀器測試范圍及精度Tab.2 Test range and accuracy of each instrument

為了避免熱電偶線對稱量的影響，每次稱量前將熱電偶探頭從測溫套管中抽出，再對試樣進行稱量.對于試樣B1，B2，B3,每次人工澆灌前后都稱量1次，以便獲得澆灌前和澆灌后1 h內(nèi)的水分蒸發(fā)量.為了獲得人工裸澆佛甲草1次的耗水量，隨機選取5名人員，讓他們按自己的習(xí)慣分別對另外5盤長勢相似、生長狀況良好的佛甲草每日裸澆1次，共3次，要求每次澆透后停止?jié)补嗖⑦M行耗水量記錄.

3 測試結(jié)果與分析

3.1 室外氣象參數(shù)測試結(jié)果與分析

在實測期間，室外空氣溫度(tOA)、相對濕度(RH)、室外風(fēng)速(vO)和水平太陽輻射累計值(I)隨著時間變化，如圖6，7所示.從圖6，7可知，除8日和9日兩陰天外，其余均為高溫晴天.統(tǒng)計可得，測試期內(nèi)室外空氣溫度平均值33.0 ℃，最高值38.5 ℃，水平太陽輻射最大值為1 244 W·m-2，表現(xiàn)為廈門市典型的夏季天氣.

圖6 室外空氣溫度和相對濕度隨著時間變化Fig.6 Outdoor air temperature and relative humidity variation with time

圖7 室外水平太陽輻射累計和風(fēng)速隨著時間變化Fig.7 Outdoor horizontal solar radiation accumulation and wind speed variation with time

3.2 逐日水分蒸發(fā)量測試結(jié)果與分析

各試樣的日水分蒸發(fā)量統(tǒng)計，如表3所示.根據(jù)太陽輻射累計量(I)大小，可以將表3中數(shù)據(jù)按氣候分為四類，分別是7月11-14日為晴天類，7月5-7日為似晴天類，7月8-10日為似陰天類，7月9日為陰天類.

表3 各試樣水分日蒸發(fā)量統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 Statistic results of daily evaporation of each sample (kg)

從表3可知：試樣的日水分蒸發(fā)量與太陽輻射累計量總體上呈明顯正相關(guān).對比A1，A2，A3試樣在同一日的水分蒸發(fā)量，可以發(fā)現(xiàn)它們之間的差別并不大.說明在管式吸液連續(xù)澆灌下，吸液材料對日水分蒸發(fā)量的影響不大；而對比A1，A2，A3，A4試樣在同一日的水分蒸發(fā)量，發(fā)現(xiàn)A4總比A1，A2，A3日水分蒸發(fā)量稍大，這可能是由于片狀布料吸液更易和鋪展更均勻的原因.對比B1，B2，B3在同一日的水分蒸發(fā)量，發(fā)現(xiàn)它們之間的差別也不大.說明在間歇裸澆每日1次的情況下，澆灌時間點對日水分蒸發(fā)量影響不大.

從表3還可知：對比吸液澆灌A組、間歇裸澆B組和不澆灌C1試樣水分蒸發(fā)量，發(fā)現(xiàn)A組和B組的日水分蒸發(fā)量差別也不大.這說明利用吸液布料連續(xù)澆灌和人工每日間歇裸澆，對佛甲草日水分蒸發(fā)量影響不大，但A組和B組日水分蒸發(fā)量大于C1試樣，且隨著天數(shù)推移，差別增大.觀察C1試樣日水分蒸發(fā)量隨著時間的變化，發(fā)現(xiàn)在持續(xù)高溫晴天下，3 d不澆灌,其日水分蒸發(fā)量顯著降低，6 d不澆灌,其日水分蒸發(fā)量趨于零.統(tǒng)計晴天類A組和B組日水分蒸發(fā)量均值，得到A組為1.105 kg，B組為1.078 kg，二者基本相等，均值為1.091 kg.

3.3 逐時水分蒸發(fā)量測試結(jié)果與分析

由于吸液材料對管式吸液持續(xù)澆灌日水分蒸發(fā)量影響不大，間歇裸澆時間點對試樣日水分蒸發(fā)量影響也不大，但可能對其逐時水分蒸發(fā)量有影響.因此，選擇A2，A4，B1，B2，B3試樣為代表，以7月13日為例來進行體現(xiàn)和分析，逐時水分蒸發(fā)量和太陽輻射逐時累計量隨著時間的變化，如圖8所示.圖8中：Wh為逐時水分蒸發(fā)量；Ih為太陽輻射逐時累計量.

圖8 大晴天7月13日逐時蒸發(fā)水量隨著時間變化Fig.8 Hourly evaporation variation with time on sunny July 13

從圖8可知：8:00的水分蒸發(fā)量是前晚22:00之后水分蒸發(fā)量的累積，故數(shù)值較高.從圖8還可知：所有試樣逐時水分蒸發(fā)量在上午隨著時間推移成增加趨勢，但在12:00-13:00時段出現(xiàn)低谷，而在13:00-14:00時段出現(xiàn)峰值，14:00后呈下降趨勢.究其原因，可能是與試樣吸收太陽輻射量和蒸發(fā)滯后有關(guān).

從圖8還可知：在多數(shù)情況下，各試樣逐時水分蒸發(fā)量隨著太陽輻射累計量增大而增大.但是，由于佛甲草葉片均是向上傾斜生長且相互措置，隨著太陽高度角增大，其對太陽輻射的反射和遮擋將增加，導(dǎo)致了進入佛甲草內(nèi)部的太陽輻射量反而減少，由此造成12:00-13:00時段水分蒸發(fā)量出現(xiàn)低谷現(xiàn)象.觀察B1，B2，B3的逐時水分蒸發(fā)量變化，發(fā)現(xiàn)8:00裸澆試樣B1的變化規(guī)律與吸液持續(xù)澆灌A1，A2試樣類同，但13:00裸澆試樣B2在下午時段逐時水分蒸發(fā)量明顯大于其他試樣，而19:00裸澆試樣B3在澆灌后至次日8；00逐時水分蒸發(fā)量明顯高于其他試樣.

3.4 裸澆耗水量測試結(jié)果與分析

一般人員裸澆耗水量的測試結(jié)果，如表4所示.由表4可知：裸澆1盤佛甲草平均每次需要耗水量為1.320 kg.由于A1，A2，A3，A4吸液持續(xù)灌溉不存在過分澆水和水分流失的現(xiàn)象，故其水分蒸發(fā)量等于其養(yǎng)護耗水量.表3中似晴天、似陰天和陰天下，吸液澆灌試樣日水分蒸發(fā)量均小于晴天條件下水分蒸發(fā)量.因此，對比表3和表4數(shù)據(jù)可知，相比于每日裸澆1次的間歇澆灌，吸液持續(xù)灌溉至少可節(jié)約澆灌用水18%左右.吸液持續(xù)灌溉不存在過分澆水及基質(zhì)和營養(yǎng)流失現(xiàn)象，是值得推薦和應(yīng)用的節(jié)水澆灌方式.

表4 裸澆實驗耗水量統(tǒng)計Tab.4 Statistics of water consumption in bare irrigation experiment (kg)

4 基質(zhì)底部溫度測試結(jié)果與分析

試樣水分蒸發(fā)量是土壤基質(zhì)和佛甲草葉片水分蒸發(fā)的總和.從前面日水分蒸發(fā)量和逐時水分蒸發(fā)量的分析可推知，吸液持續(xù)澆灌的試樣的基質(zhì)溫度變化基本類同，但間歇裸澆時間點對間歇澆灌試樣基質(zhì)溫度變化可能有影響.因此，選擇A2，A4，B1，B2，B3試樣為代表進行顯示，并加入C1試樣進行對比分析.6個試樣基質(zhì)底部溫度(tSB)隨著時間的變化，如圖9所示.表5為它們的日均溫度和振幅值.表5中：數(shù)據(jù)單元格“/”前面的數(shù)值為日均溫度，后面的數(shù)值為日振幅值.

從圖9和表5可明顯看出：A4試樣日均溫度值一直保持最小，振幅值也基本保持最小.這是由于片狀吸液材料吸水容易，且測溫點落在吸液材料吸水正上方處更易被水浸濕的原因.A2試樣溫度波動稍大于A4試樣，但均低于B組和C組試樣；在有太陽輻射時段，A2試樣溫度均高于A4試樣，除澆灌時間點處有短時高于被澆灌的試樣外，其余時間都低于裸澆和不澆灌試樣；在無太陽輻射時段，A2試樣溫度都高于裸澆組試樣.這是由于其測溫點偏離吸液芯正上方且底部基質(zhì)通風(fēng)透氣差和蓄熱的原因.B1，B2，B3試樣在裸澆時間點溫度有短暫下降和迅速回升的現(xiàn)象.這是由于裸澆時水溫較低所致.

圖9 土壤基質(zhì)底部溫度隨著時間的變化Fig.9 Temperature variation of soil substrate bottom with time

表5 基質(zhì)底部溫度日均值和振幅值的統(tǒng)計結(jié)果Tab.5 Statistical results of daily average and amplitude values of substrate bottom temperature (℃)

觀察C1試樣基質(zhì)底部溫度的變化，發(fā)現(xiàn)其溫度波動在所有天數(shù)內(nèi)最大，6 d之內(nèi)溫度波動與裸澆試樣相差不大，但6 d之后隨著天數(shù)的推移差別十分明顯，且任意時刻其溫度值都表現(xiàn)為最大.這說明C1試樣6 d之后水分蒸發(fā)消耗殆盡，與前述水分蒸發(fā)量測試相符.因此，利用儲水盒和吸液材料對盤裝佛甲草進行吸水持續(xù)澆灌，不僅可以降低其土壤基質(zhì)溫度平均值，而且可降低溫度振幅值，有利與基質(zhì)溫度穩(wěn)定和屋面降溫隔熱.

5 結(jié)論

文中提出了吸液持續(xù)澆灌的構(gòu)想，設(shè)計制作8種澆灌方式試樣，考察吸液持續(xù)澆灌、間歇淋水澆灌、不澆灌對盤裝佛甲草水分蒸發(fā)量、澆灌耗水量，以及土壤基質(zhì)底部溫度的影響.通過分析，得出以下4點主要結(jié)論.

1) 吸液材料和吸液方式對吸液持續(xù)澆灌的日水分蒸發(fā)量和逐時水分蒸發(fā)量影響不大；間歇裸澆時間點對間歇澆灌的日水分蒸發(fā)量影響不大，但對逐時水分蒸發(fā)量有時序影響.

2) 吸液持續(xù)澆灌和每日1次淋水間歇澆灌，它們的日水分蒸發(fā)量和逐時水分蒸發(fā)量差別不大，都在12:00-13:00時段出現(xiàn)水分蒸發(fā)低谷，卻在13:00-14:00時段出現(xiàn)水分蒸發(fā)高峰.

3) 在夏季連續(xù)高溫下，吸液持續(xù)澆灌比每日淋水1次的間歇澆灌至少可節(jié)水18%，且可顯著降低基質(zhì)溫度均值和振幅值.

4) 在夏季持續(xù)高溫條件下，盤裝佛甲草3 d不澆灌，水分蒸發(fā)量會顯著降低；而6 d不澆灌，其水分蒸發(fā)殆盡，基質(zhì)溫度平均值和振幅值會顯著升高.