再生資源基質(zhì)在屋頂綠化中的應用研究進展

Research Progress on Application of Substrate from Recycled and Reused Resources in Roof Greening

Zou Weina1，Qin Bingduo1，Yuan Lin2，Song Lili1 （1.Schol of Ecological Technology and Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 2O1418，China; 2.State Key Laboratoryfor Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 20O241，China）

AbstractRoof greening substrates could not only support the growth of plants，but also play a key role in the ecological function of rof greening system.Replacing minerals and natural materials （perlite，vermiculite，peat，etc.）with recycled and reused resources as roof greening substrates is a potential solution to reduce overexploitation of natural resources and promote waste recycling.In this study，the domestic and foreign researches on the application of rof greening substrates converted from recycled and reused resources were systematically introduced.The types and characteristics of the main recycled and reused resources used to be substrates were analyzed.The responses of growth and development of roof greening plants to diferent substrates converted from recycled and reused resources were summarized. The ecological effect of rof greening substrates from recycled and reused resources were summarized and analyzed，including rainwater storage and purification，thermal regulation，carbon sequestration capacity， biodiversity and so on. And the future research directions were prospected，such as the ecological effect，the potential risks，the exploitation of raw material types and the most suitable ratio of substrates from recycled and reused resources.This paper could provide some references for further research and practice of substrates converted from recycled and reused resources.

KeywordsSubstrate；Recycled and reused resources； Roof greening; Performance； Plant adaptability

屋頂綠化的廣泛實踐提供了緩解熱島效應、降低建筑能源消耗、減少雨水徑流、改善空氣質(zhì)量、增加碳匯和生物多樣性等諸多生態(tài)服務功能。屋頂綠化基質(zhì)既要滿足保水、保肥、透氣等植物生長所需條件，又要因荷載、排水等要求而需具備質(zhì)輕、穩(wěn)定等性狀。常規(guī)基質(zhì)成分中的有機原料主要是泥炭等，無機材料通常由輕質(zhì)多孔的天然礦物質(zhì)加工、配制而成，常用的有珍珠巖、蛭石、浮石、火山巖顆粒等。礦物和天然材料的過度開采與使用，不僅會破壞生態(tài)環(huán)境，也會導致自然資源的迅速消耗[1-4]。在當前可持續(xù)發(fā)展的大背景下，由廢棄物轉(zhuǎn)化為基質(zhì)作為一種經(jīng)濟環(huán)保的資源化處理方式，在國內(nèi)外均已得到實踐和探索[4-13]。研究表明，將一種或幾種回收材料經(jīng)合理配制后用于屋頂綠化基質(zhì)，性能良好[14]，適宜植物生長[6，15-16]，符合屋頂綠化技術[17]和功能要求[18]。因此，將再生資源替代天然材料用于屋頂綠化基質(zhì)具有可行性，降低了屋頂綠化建設的環(huán)境影響[19-21]，有利于廢棄物減量化和循環(huán)利用。

本文通過系統(tǒng)梳理國內(nèi)外對再生資源利用型基質(zhì)在屋頂綠化中的應用研究，分析主要再生資源基質(zhì)的類型、特點，歸納屋頂綠化植物對其的響應，探索其對屋頂綠化生態(tài)效益的影響，并據(jù)此提出再生資源基質(zhì)應用于屋頂綠化的研究展望，以期為屋頂綠化的資源節(jié)約和綜合生態(tài)效益提升提供借鑒和參考。

屋頂綠化再生資源基質(zhì)的類型和性能

屋頂綠化通常由植被層、基質(zhì)層、隔離過濾層、排水層、阻根層和防水層組成[22-23]，各層之間相互作用、相互影響。性狀優(yōu)良的屋頂綠化基質(zhì)需要滿足支持植被生長、質(zhì)量輕、持水能力強、隔熱性能好、污染風險低、價格低廉且易于管理等要求[7，24-27]，通常由幾種無機和有機材料混合而成。有機材料為植物提供生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，但其比重和營養(yǎng)釋放要保持在適當水平，否則可能會造成雨洪徑流污染[28]，甚至可能帶來一些難以預測的風險[18]。無機材料為植物生長提供支撐和固定作用，并減少風、溫差等環(huán)境變化帶來的不良影響。一些國家（如法國、德國和美國）對屋頂綠化基質(zhì)配比的建議是 70%～95% 為無機物、 5% ＼～30%為有機物[18] O

1.1 再生資源基質(zhì)類型

當前屋頂綠化基質(zhì)中應用較多的再生資源主要包括建筑廢棄物、工業(yè)廢棄物、農(nóng)林廢棄物等（表1）。磚、瓦和混凝土塊等建筑廢棄物經(jīng)粉碎后可成為基質(zhì)中無機成分替代品的主要來源[5-6，29-30]。這一方面是因為建筑廢棄物供給充足，一般在本地就可獲取，便于運輸[14，31-32]；另一方面，碎磚顆粒等性能穩(wěn)定、容重較輕且酸堿度適中。一些國家甚至已有包含碎磚、碎瓦等的成品基質(zhì)出售，如德國[17，33]、澳大利亞[34]。一些研究評估了工業(yè)廢棄物用于屋頂綠化基質(zhì)的適用性，包括礦渣[35]、焚燒爐灰[6.36]、粉煤灰[37]等，主要用于替代無機成分，而污水處理廠產(chǎn)出的穩(wěn)定污泥[37]、醋糟等也可替代有機成分。農(nóng)林再生資源中的蘑菇栽培廢料、園林廢棄物等的堆肥可作為泥炭的替代物[38]，而稻殼、椰殼等制成的生物炭透氣性好、有機質(zhì)釋放緩慢，還能增加植物根際微生物群落的多樣性[39-40]，是調(diào)節(jié)基質(zhì)理化成分的良好選擇[41]。一些研究對固體廢棄物中占比較大的再生資源進行了探索，顯示碎橡膠[1，42]、紙灰[30，37]、塑料瓶[43-44]、發(fā)泡玻璃[8，45]等在屋頂綠化基質(zhì)中都有較好的應用。

再生資源基質(zhì)的類型和來源與屋頂綠化系統(tǒng)在整個生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響息息相關。一方面，基質(zhì)原材料的提取、生產(chǎn)和運輸所產(chǎn)生的環(huán)境負荷很大程度上取決于材料的類型[28，46]；另一方面，基質(zhì)性能直接影響屋頂綠化的生態(tài)效益和植物生長的狀態(tài)，耐久性則關系到更換的成本。因此，對再生資源基質(zhì)應用于屋頂綠化的適宜性，研究者們的共識可以總結(jié)為4個方面：（1）在當?shù)厝菀撰@得，運輸和使用便利，成本低[28，47-48]；（2）有利于解決環(huán)境問題[17，19-20]；（3）耐久性強[18]；（4）能維持植物生長所需水分養(yǎng)分[6，49] O

1.2 再生資源基質(zhì)的理化性質(zhì)及性能

基質(zhì)的特性主要表征為兩組參數(shù)，其中物理參數(shù)包括密度、粒徑、透水性、最大持水量、孔隙度等，化學參數(shù)包括酸堿度、電導率和有機質(zhì)、營養(yǎng)元素含量等[65-66]。再生資源基質(zhì)的理化性質(zhì)要符合相關的要求范圍和標準才能應用于屋頂綠化。據(jù)我國《種植屋面工程技術規(guī)程》（JGJ155—2013）可知，改良型種植基質(zhì)飽和水密度為 750～ 1300kg/m³ ，有機質(zhì)含量為 20%～30% ，總孔隙率為 65%～70% ，持水率為 30%～35% 。德國景觀研究發(fā)展與建設協(xié)會（FLLGuidelinesforthePlan-ning，Execution and Upkeep of Green-Roof Sites）建議屋頂綠化基質(zhì)容重不超過 ，透水性要好，持水率應大于 20% （ 35%～65% 最佳）[7]一般來說，高孔隙率的基質(zhì)有效熱導率更低（或熱阻率更高）[4，9，30，67-68]，因為熱流較難通過孔隙。基質(zhì)中添加農(nóng)林廢棄物能顯著改善總孔隙度和通氣孔隙度，提高氮、鉀等養(yǎng)分含量[69-70]，同時，有機碳成分能有效改善基質(zhì)結(jié)構(gòu)，使其透氣性與保水性更佳[71]。作為無機成分，建筑廢棄物顆粒酸堿度適中[31]，可以取得與天然砂石和陶粒類似甚至更優(yōu)的效果[72-73]

再生資源基質(zhì)需要經(jīng)過配方設計，也需測試評估其是否能夠滿足屋頂綠化系統(tǒng)正常運作的條件，并為植物生長提供適宜的環(huán)境[48]。一方面，基質(zhì)良好的性能需要在各角度取得平衡：例如基質(zhì)的孔隙度影響保水能力，但持水率過強則會降低其保溫隔熱的性能，因為水的熱傳導比空氣更強，因此要從基質(zhì)的顆粒內(nèi)和顆粒間的孔隙情況分別考慮，并在保水、隔熱能力和灌溉頻率之間探索最優(yōu)化的方案；另一方面，再生資源基質(zhì)的應用要評估污染物的析出風險：例如，Solano等[42]發(fā)現(xiàn)再生輪胎橡膠屑用于屋頂綠化基質(zhì)時會釋放出鋅，但與具有高陽離子交換能力的材料搭配使用則能減輕影響。此外，建筑廢棄物骨料用于屋頂綠化可能有重金屬污染風險[74]。有研究認為實驗室條件下會高估建筑廢棄物的潛在污染影響，實際環(huán)境中的污染水平要低[53] □

2 屋頂綠化植物對再生資源基質(zhì)的響應狀況

通過植物的生長狀態(tài)來評估再生材料是否適合作為屋頂綠化的基質(zhì)能直觀體現(xiàn)其效能。研究者們比較關注的植物表現(xiàn)主要有3個方面。一是生物量對基質(zhì)成分、配比的響應：Bates 等[6在一項為期6年的屋頂野花混合栽培試驗中使用碎磚、建筑廢棄物骨料和粉煤灰分別作為基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)植物的生物量增長變化不大;Molineux等[30]對比6種再生輕質(zhì)骨料及其組合發(fā)現(xiàn)，碎紅磚和黏土顆粒的混合基質(zhì)對提高植物群落豐度、均勻度和物種多樣性都有很大的作用，而紙灰顆粒在支持植物生長方面相對較差，可能是由于其持水能力有限且 pH 值高；一些研究還探索了不同無機骨料與有機質(zhì)的配比對植物生長的影響，如碎磚和堆肥的混合[75]，碎磚和天然壤土的組合[31]，碎瓷、發(fā)泡玻璃和園林廢棄物堆肥的配制8；椰殼[41]、污泥生物炭[30，61]、園林廢棄物[76-77]等作為屋頂綠化基質(zhì)的組成部分，均被證明能夠有效促進植物生長，提高覆蓋度和葉綠素含量等。二是在干旱脅迫下，植物對基質(zhì)厚度和粒徑的響應：有研究表明，在夏季高溫干旱和低維護的情況下，適宜的基質(zhì)厚度是植物在廢棄物基質(zhì)中存活的關鍵[78]；含有大粒徑碎磚顆粒的基質(zhì)在干旱期間可以讓植物的葉綠素熒光值和枯萎指數(shù)值維持在較高水平[79]；而添加大粒徑碎磚的基質(zhì)可以抑制植物地上部分的枝條生物量過快增長，提高根冠比，降低蒸騰速率，從而增強植物的抗旱性[75，80]。三是植物對基質(zhì)中潛在污染成分的反應：再生資源尤其是工業(yè)廢棄物可能殘留重金屬及其它有害成分，一直是推廣實踐者們的隱憂，如 Krawczyk等[48]使用二氧化硅廢料、碎磚、蘑菇廢料和椰子纖維等制備了5種基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)廢棄物基質(zhì)中微量元素 （ΔB，Cu_?Fe_?Mn_?Zn_?Cd_?Ni_?Pb 和Cr）濃度比常規(guī)基質(zhì)高，但不容易被根系吸收，在兩年的觀測中未見到植物異常生長；劉麗娟等[81]配置6種生污泥與建筑廢棄物混合基質(zhì)播種臭椿，證明植株未受到重金屬污染的明顯影響。

3 再生資源基質(zhì)對屋頂綠化生態(tài)效益的影響

目前，國內(nèi)外關于資源利用型基質(zhì)影響屋頂綠化生態(tài)效益的研究主要集中在雨水的滯蓄與凈化、熱調(diào)節(jié)、固碳能力、生物多樣性等方面。

3.1 雨水滯蓄作用

削減屋面雨水徑流量、儲存雨水是屋頂綠化系統(tǒng)的主要生態(tài)功能之一[23.82]。部分再生材料（如碎磚、發(fā)泡玻璃等）孔隙度較高，應用到屋頂綠化基質(zhì)中能提高其保水能力[4.83-84]，但基質(zhì)組分的差異會形成不同的雨水滯蓄效果[85-87]。例如，碳化稻殼的加入可以提高基質(zhì)的水文性能[88]，椰纖維混合基質(zhì)也有優(yōu)越的持水性[89]。同時，基質(zhì)粒徑對保水能力也有影響，粒徑小于1mm 的細顆粒碎磚會顯著影響基質(zhì)的持水量[57]此外，基質(zhì)厚度也是屋頂綠化雨水滯蓄性能的關鍵因素，因為厚度增加可以提高蓄水容量[90-95]。Zhang等[%]通過3年的連續(xù)監(jiān)測研究發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)基質(zhì)厚度為 15cm 的屋頂綠化雨水截留率和峰值徑流衰減率明顯高于 10cm 厚度的，但厚度超過一定的臨界值后雨水滯蓄效果差異不明顯

3.2 雨水凈化作用

屋頂綠化對于雨水徑流的影響是一把雙刃劍，一方面通過植被層和基質(zhì)層的截留、過濾、吸附和生物降解等作用去除污染物[97-98]，另一方面，屋頂綠化基質(zhì)中的有機物、速效氮、速效磷等易淋溶成分會直接影響徑流水質(zhì)[45.9-101]。研究表明，屋頂綠化基質(zhì)中的再生材料成分對雨水凈化的貢獻包括抑制基質(zhì)本身有機污染物的析出和直接凈化[18，54] O

如表2所示，不同再生資源基質(zhì)成分的理化性質(zhì)有差異，同時也會產(chǎn)生不同的雨水凈化效果。生物炭對營養(yǎng)物質(zhì)的析出起到緩解作用[102-103]可作為基質(zhì)的改良成分。Qiu等[6]將稻殼和木屑生物炭添加進屋頂綠化基質(zhì)中測試滲濾液成分，發(fā)現(xiàn)其總氮、總磷和COD含量比對照組低。Zhang等[104]模擬降雨污染負荷試驗（降雨 10～80 mm^? ）測試含椰殼生物炭的基質(zhì)和普通成品基質(zhì)的滲濾液，顯示前者的總氮和COD平均濃度僅為后者的一半。Vijayaraghavan等[7]以碎磚和生物吸附劑（馬尾藻纖維）等配制成屋頂綠化基質(zhì)并開展模擬降雨試驗，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)對金屬離子的去除能力較強，還能中和酸雨。與之類似，Kuoppam?ki等[63]也發(fā)現(xiàn)碎磚基質(zhì)對雨水徑流中銅、鉻、鎳離子的削減作用明顯優(yōu)于無綠化系統(tǒng)的屋頂。Chen等[45]發(fā)現(xiàn)發(fā)泡玻璃基質(zhì)對酸雨的凈化效果較好，相比普通基質(zhì)降低COD和磷的效果也較為突出。污泥轉(zhuǎn)化基質(zhì)凈化雨水的效果在一些研究中較為明顯：劉洋洋[105]將污水廠的穩(wěn)定污泥和粉煤灰等材料混合制成的基質(zhì)，在屋頂綠化中表現(xiàn)出良好的初期雨水凈化能力；韋杰文等[1]模擬中雨和暴雨強度的降雨，發(fā)現(xiàn)含 40% 鋁污泥的改良基質(zhì)對磷和重金屬具有固定和吸附作用。同時，也有研究認為添加污泥的屋頂綠化基質(zhì)的雨水凈化效果并不穩(wěn)定，需持續(xù)監(jiān)測[10，106] 。

3.3 屋面調(diào)溫作用

具備屋頂綠化的建筑相較裸露屋頂?shù)娜諟囟炔▌虞^小，原因主要是其基質(zhì)層、植被層和排水層產(chǎn)生較高的熱慣性[23，65，107-108]。基質(zhì)材料對屋頂綠化系統(tǒng)的熱阻性能起到關鍵性作用[0-11]，一些再生粗骨料由于孔隙率大、耐熱性好而成為屋頂綠化保溫材料的佳選[12]，能減少空調(diào)能耗，緩解城市熱島效應。例如，Naranjo等[43]發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度非常高（大約 50^°C ）的情況下，以橡膠屑為基質(zhì)的屋頂綠化系統(tǒng)溫度可降低 10.6～ 11.7^°C ；還有一些研究以基質(zhì)和植物為關鍵參數(shù)來預測屋頂綠化的節(jié)能效果[22，34，113-114] 。

再生資源基質(zhì)的調(diào)溫性能研究主要聚焦于孔隙度、持水率、厚度三者和導熱性之間的關系上。基質(zhì)孔隙度越高，持水性越好，導熱性越低，但在飽和持水情況下導熱系數(shù)會變高。例如Pianella等[34]分別測定了以碎瓦、粉煤灰和火山巖顆粒為主的3種基質(zhì)在不同水分條件下的導熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)干燥基質(zhì)的導熱系數(shù)低，但會隨含水率的增加而增加，含水率一致時碎瓦的導熱系數(shù)最高?；|(zhì)厚度的增加會提升屋頂綠化的熱容體積[40]，有助于增強調(diào)溫效果。有研究者在地中海氣候下評估了夏季和冬季橡膠屑在屋頂綠化基質(zhì)中應用的效果，發(fā)現(xiàn)其隔熱性能在夏季比裸露屋頂好，但在冬季則相反，若增加基質(zhì)厚度則會改善寒冷季節(jié)的熱性能[19，115]。Kazemi等[64]使用WUFI軟件對屋頂綠化的橡膠屑基質(zhì)層和火山巖粒排水層的隔熱性能進行參數(shù)化分析發(fā)現(xiàn)，隨著基質(zhì)和隔熱層厚度的增加，屋頂溫度波動減小，當基質(zhì)層厚度為10cm 、排水層厚度為 8cm 時，屋頂在冬、夏兩季均有良好的調(diào)溫性能。

3.4 固碳減排作用

屋頂綠化的生態(tài)系統(tǒng)服務功能可減少碳足跡、減緩氣候變化，植物的固碳釋氧的規(guī)模也不容小峴。基質(zhì)作為屋頂綠化系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響其碳儲存能力和減排效果。Luo 等[59]通過對比屋頂綠化中穩(wěn)定污泥基質(zhì)和天然土壤種植的鄉(xiāng)土植物，發(fā)現(xiàn)前者的固碳量是后者的1.8倍;Fan等[12]發(fā)現(xiàn)建筑廢棄物基質(zhì)固碳潛力大于天然土壤。同時，循環(huán)利用或用當?shù)貋碓吹牟牧峡梢詼p少屋頂綠化對環(huán)境的影響[37，16]，增加再生資源材料的比例可以減少基質(zhì)在生產(chǎn)和運輸過程中的碳排放量[117-119]。例如，在澳大利亞東南部碎陶瓦和煤灰渣被用作屋頂綠化基質(zhì)的主要成分[52，120-121]，正是由于在當?shù)厝菀撰@得。

3.5 生物多樣性影響

再生資源基質(zhì)主要通過提升植物、昆蟲、土壤動物等的適生環(huán)境質(zhì)量來促進屋頂綠化系統(tǒng)的生物多樣性。Bates等[發(fā)現(xiàn)碎磚基質(zhì)屋頂?shù)纳锒鄻有员确勖夯一|(zhì)更優(yōu)越。Jauni等[56]在芬蘭南部用碎混凝土、堆肥混合基質(zhì)進行了為期5年的種植試驗，發(fā)現(xiàn)堆肥含量和基質(zhì)厚度對線蟲的豐度有影響。Vannucchi等[60]應用污泥顆粒作為替代基質(zhì)成分建立了干旱地區(qū)的屋頂耐寒草本群落，發(fā)現(xiàn)中粒徑的污泥基質(zhì)中氮含量和水分含量較低，可以促進草本植物群落蓋度和訪花昆蟲的豐度。

4小結(jié)與展望

4.1 小結(jié)

（1）在當前國內(nèi)外研究和實踐中，屋頂綠化再生資源基質(zhì)的材料來源主要包括建筑廢棄物、工業(yè)廢棄物、農(nóng)林廢棄物和固體廢棄物，其中建筑廢棄物的應用更為廣泛。研究者們對如何選擇再生資源應用于屋頂綠化基質(zhì)材料的共識聚焦于使用便利、成本低、性能好。

（2）再生資源基質(zhì)需要經(jīng)過配方設計與測試后其理化性質(zhì)才能滿足屋頂綠化系統(tǒng)正常運作的需求，既要在各性能間取得良好的平衡，也要避免污染物影響。屋頂綠化植物的生長狀態(tài)能直觀體現(xiàn)再生資源基質(zhì)的性能，包括生物量對基質(zhì)成分、配比的響應，抗旱表現(xiàn)對基質(zhì)厚度、粒徑的響應，健康狀態(tài)對基質(zhì)潛在污染成分的反應等

（3）再生資源基質(zhì)的應用有利于提升屋頂綠化系統(tǒng)雨水滯蓄與凈化、熱調(diào)節(jié)以及固碳能力等生態(tài)效益。再生資源基質(zhì)組分、粒徑和厚度都會影響屋頂綠化的雨水滯蓄效果；凈化雨水的途徑包括抑制基質(zhì)本身有機污染物的析出和直接凈化；基質(zhì)孔隙度、持水率、厚度影響導熱性并決定調(diào)溫性能；再生資源基質(zhì)有較強的固碳能力，還能減少建筑建設和運輸過程中的碳排放，并能改善生物適生環(huán)境，促進屋頂綠化系統(tǒng)的生物多樣性

4.2 展望

國內(nèi)外的研究和實踐證明了合理配制的再生資源材料用于屋頂綠化基質(zhì)的可行性和優(yōu)越性。我國每年產(chǎn)生的可回收利用廢棄物數(shù)量巨大，研制開發(fā)成為屋頂綠化基質(zhì)是一個有潛力的方向。一方面，要加強再生資源基質(zhì)的性能、生態(tài)效益和潛在風險等方面的基礎研究，如經(jīng)濟成本、附加能源消耗、固碳效益和生態(tài)多樣性影響等方面均有待深入探索。另一方面，資源利用型基質(zhì)的研發(fā)和應用有待于進一步拓展，例如建筑和工業(yè)廢棄物在基質(zhì)生產(chǎn)上如何大規(guī)模使用，不同地區(qū)和類型屋頂綠化基質(zhì)的最適配比等。

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