肖超群，郭小平，劉 玲，羅 超，李若愚，劉冠宏

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083）

屋頂綠化是指在脫離自然土壤的各類建筑物和構(gòu)筑物上，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點、荷載要求和生態(tài)環(huán)境條件，選擇合適的植物材料，通過一定的技藝建造綠色景觀的形式［1-2］。屋頂綠化的應(yīng)用為解決城市綠化用地資源緊缺，改善城市生態(tài)環(huán)境提供了良好的途徑［3］?；|(zhì)是屋頂綠化的重要組成部分，在屋頂特殊條件如荷載、日照、風(fēng)等因子的限制下［4］，要求具有質(zhì)地輕、持水透氣性好、結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定、經(jīng)濟環(huán)保等特征，為植物的生長提供水、肥、氣、熱條件，滿足植物的正常生長需求［5］。屋頂綠化基質(zhì)主要有有機基質(zhì)、無機基質(zhì)及混合基質(zhì)等。有機基質(zhì)為植物提供生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)、促進土壤生物多樣性及其相關(guān)功能，主要如草炭，有機廢棄物堆肥等［6-7］；無機基質(zhì)則為植物提供生長支撐并減少植物受到外界不良環(huán)境（如風(fēng)、溫差變化等）的影響，主要由輕質(zhì)多孔的自然礦物質(zhì)（浮石、火山灰等）和人為加工材料（膨脹黏土、膨脹頁巖等）組成［7］。近年國外在屋頂綠化基質(zhì)材料的應(yīng)用側(cè)重于固體廢棄物的循環(huán)再利用，在建筑垃圾（碎磚、碎瓦、石灰石、黏土等）和有機廢棄物（園林綠化廢棄物、廢紙等）的研究上取得了較好的效果［8-9］。中國的屋頂綠化基質(zhì)仍選取草炭與其他基質(zhì)如珍珠巖、椰糠、蛭石等混合配制成的傳統(tǒng)草炭基質(zhì)。隨著生態(tài)文明和可持續(xù)發(fā)展要求的提出，尋求草炭的替代基質(zhì)已成為近年的研究熱點［10-11］?，F(xiàn)有報道大多為實驗室或苗圃盆栽條件下得到的基質(zhì)配方，缺乏實際應(yīng)用驗證。本研究在屋頂環(huán)境下自制模擬槽結(jié)構(gòu)，應(yīng)用綠化廢棄物堆肥逐步替代草炭與無機基質(zhì)組合配制屋頂綠化基質(zhì)，通過基質(zhì)性質(zhì)檢測，屋頂綠化栽植試驗植物生長指標(biāo)觀測，綜合評價得出質(zhì)量高、適合簡單式屋頂綠化植物生長的基質(zhì)配方，在促進綠化廢棄物資源化利用的同時，也為綠化廢棄物堆肥在屋頂綠化基質(zhì)的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于北京林業(yè)大學(xué)西配樓樓頂（40°00′N，116°20′E），樓頂高11.4 m，總面積為50 m×15 m，綠化面積350 m2；為典型北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促；降水季節(jié)分配不均，全年降水量的80%集中在夏季，年均降水量約600 mm，年均太陽輻射量112～136 kcal·cm-2。本研究在4 m×10 m的空地上進行，試驗選用的植物材料為佛甲草Sedum lineare和三七景天Sedum aizoon幼苗（摘心處理）均購自北京花卉市場，長勢一致，苗齡1 a，高度（7±1）cm。

試驗用屋頂綠化模擬槽尺寸為55 cm×31 cm×18 cm，底部帶排蓄水板（高2 cm），單側(cè)距離盒底0.5 cm處有1個內(nèi)徑1 cm的排水口。

試驗基質(zhì)材料包括綠化廢棄物堆肥、草炭、蛭石和火山巖。綠化廢棄物堆肥為腐熟堆肥，由北京地區(qū)綠化過程中修剪下來的樹枝風(fēng)干粉碎成5.0 mm以下的固體顆粒，通過條垛式堆肥方法制成；草炭粒徑0.2～5.0 mm，蛭石粒徑1.0～3.0 mm，火山巖粒徑3.0～6.0 mm，以上3種基質(zhì)材料均購自北京花卉市場?；|(zhì)材料理化性質(zhì)見表1。將基質(zhì)材料按照一定的體積比混合，以V（草炭）∶V（無機基質(zhì)）＝1∶1為對照，各處理組基質(zhì)配比如表2。其中無機基質(zhì)配比為V（蛭石）∶V（火山巖）＝2∶3。

1.2 試驗方法

試驗?zāi)M簡單式屋頂綠化試驗，真實樓頂環(huán)境下栽植佛甲草和三七景天幼苗，種植構(gòu)造層從上至下依次為植被層、基質(zhì)層、隔離過濾層（2 mm土工布）、排（蓄）水層以及側(cè)面排水口。根據(jù)北京地區(qū)的氣候特點，基質(zhì)厚度均設(shè)置為13 cm。處理組栽植佛甲草和三七景天幼苗各2盆，株間距為13 cm×14 cm，種植8株·盆-1。實驗前3 d每天澆足水（約3 L·箱-1），實驗開始后每周澆1次水（約1.5 L·箱-1）；期間由專人負責(zé)管理，每月月初除草1次，試驗期間除蟲1次，每組藥劑和藥量保持一致。不施肥。

表1 基質(zhì)材料的基本理化性質(zhì)Table 1 General physical and chemical properties of substrate materials

表2 基質(zhì)配比Table 2 Ratio of the substrates

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 各處理基質(zhì)理化性質(zhì)的測定 隨機取樣測定基質(zhì)的各項理化指標(biāo)，重復(fù)3次·組-1。物理指標(biāo)包括干容重、濕容重、總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度，用環(huán)刀法測定?；瘜W(xué)指標(biāo)包括pH值、電導(dǎo)率（EC）、陽離子交換量（CEC）、有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分數(shù)；pH值、EC值（水樣比5∶1）分別用pHB-3pH計及5021電導(dǎo)率儀測定，全氮、全磷質(zhì)量分數(shù)用全自動化學(xué)分析儀測定，CEC值、有機質(zhì)和全鉀質(zhì)量分數(shù)參照《土壤農(nóng)化分析》方法測定［12］。

1.3.2 佛甲草、三七景天生長指標(biāo)的測定 從植物緩苗期（7 d）之后隔15 d測定1次植物的生長指標(biāo)。從2個模擬槽中隨機選取3株進行測定，共測定4次，觀測時長60 d。佛甲草的生長指標(biāo)包括株高和覆蓋度，三七景天的生長指標(biāo)包括生長指數(shù)［（株高+最大幅寬+垂直幅寬）/3］［13］、分蘗數(shù)和覆蓋度。其中株高、幅寬用鋼卷尺測定，分蘗數(shù)通過數(shù)數(shù)法測定，覆蓋度通過拍照法和AutoCAD2007軟件計算面積。

1.3.3 植物指標(biāo)綜合評價 通過隸屬度函數(shù)X（f）＝（X-Xmin）/（Xmax-Xmin），得到綜合評價指數(shù)P＝（1/f）/（X1+X2+…+Xf）；其中X表示某一指標(biāo)測定值，Xmin表示該指標(biāo)測定的最小值，Xmax表示該指標(biāo)測定的最大值，X（f）表示第f個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。P值越大，植物生長越好，說明基質(zhì)配方對植物生長效果越佳。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel進行數(shù)據(jù)處理和作圖，用SPSS 22.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和差異性顯著檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比基質(zhì)處理理化性質(zhì)對比分析

屋頂荷載條件的限制要求基質(zhì)干容重為 0.20～0.80 g·cm-3［14］，濕容重為 0.45～1.30 kg·m-3［2］。 從表 3可以看出：實驗組的干容重為0.55～0.69 g·cm-3，濕容重為1.19～1.26 g·cm-3，滿足要求。總孔隙度由非毛管孔隙度和毛管孔隙度組成，非毛管孔隙度反映了基質(zhì)的通氣性，毛管孔隙度反映了基質(zhì)的持水性，與對照組相比，處理組總孔隙度、毛管孔隙度分別減少了3.6%～17.6%和1.4%～25.0%，非毛管孔隙度則呈現(xiàn)不同程度的增加或減少，說明傳統(tǒng)草炭基質(zhì)的綜合持水通氣性較好，優(yōu)于處理組。

表3 不同基質(zhì)的部分物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of different substrates

一般而言，偏中性的土壤條件更適合植物的生長。從表4可以看出：除對照組和T1組土壤呈酸性外，其余各組呈中性或者弱堿性，且隨著對照組中草炭被綠化廢棄物堆肥逐漸替代其pH值隨之增大，說明綠化廢棄物堆肥的添加能改良傳統(tǒng)草炭基質(zhì)的酸堿性。處理組EC值顯著高于對照組（0.34 mS·cm-1），T3組最高，為2.28 mS·cm-1，T3～T7組EC值逐漸降低，說明EC值隨綠化廢棄物堆肥的增加顯著增大，與胡嘉偉等［15］的研究結(jié)果一致。但過量的綠化廢棄物堆肥可能會導(dǎo)致土壤鹽堿化，需添加EC值較低的基質(zhì)降低其電導(dǎo)率。

陽離子交換量（CEC）反映了基質(zhì)的保肥性，其值越高保肥性越好。與對照組相比，綠化廢棄物堆肥和草炭配比降低了基質(zhì)的CEC值，隨著綠化廢棄物堆肥的增加，T3～T7組CEC值總體呈上升趨勢，且在綠化廢棄物堆肥體積比為50%前后差異顯著，低于50%或高于50%時則無顯著差異，說明有機基質(zhì)草炭的保肥能力較綠化廢棄物堆肥要強，且若只考慮CEC指標(biāo)，在綠化廢棄物堆肥基質(zhì)配比中可適當(dāng)降低其質(zhì)量分數(shù)。對照組有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)顯著高于處理組，達到了255.23 g·kg-1，T7組最低，為74.39 g·kg-1，說明就有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)而言，綠化廢棄物堆肥較草炭要低。氮、磷、鉀為植物生長所必需的營養(yǎng)元素，三者的供應(yīng)狀態(tài)直接影響到植物的產(chǎn)量和質(zhì)量［16］，對比對照組和T5組可以得出，草炭的全氮量較綠化廢棄物堆肥多，綠化廢棄物堆肥全磷量和全鉀量較高，隨著綠化廢棄物堆肥體積含量的增加，T3～T7組基質(zhì)全氮、全磷質(zhì)量分數(shù)隨之增加，而全鉀的變化則相對復(fù)雜，可能與蛭石含有較高的鉀（表2）有關(guān)，與李燕等［17］的研究結(jié)果大體一致，說明綠化廢棄物堆肥的氮磷鉀養(yǎng)分較草炭更均衡。碳氮比（C/N）反映了微生物的活性，C/N高則需要從外界補充氮素提高微生物的生物活性。由表3可知：對照組的C/N顯著高于處理組，處理組為14～22；受較高的有機質(zhì)和全氮質(zhì)量分數(shù)的影響，同等條件下，草炭基質(zhì)具有高碳氮比特性，而綠化廢棄物堆肥則具有降低碳氮比的作用。

表4 不同基質(zhì)的部分化學(xué)性質(zhì)Table 4 Chemical properties of different substrates

圖1 不同基質(zhì)條件對佛甲草株高和覆蓋度的影響Figure 1 Variation of the height and coverage of Sedum lineare under different substrate treatments

2.2 不同基質(zhì)對佛甲草幼苗生長的影響

佛甲草為匍匐草本植物，待植物成坪后許多生長指標(biāo)測定難以進行，因而本研究只選取了株高和覆蓋度作為調(diào)查指標(biāo)。從圖1A可以看出：栽植試驗的前30 d，各組間佛甲草株高無顯著差異；30～60 d對照組幾乎沒有增長，處理組則出現(xiàn)了明顯的增長優(yōu)勢；第60天時，T7組株高明顯高于其他組，為23.7 cm，株高從高到低依次為T7，T3，T5，T2，T4，ck和T6。從圖1B可以看出：栽植第15天時，各組覆蓋度值相差不大，在10%上下波動，之后對照組緩慢增長；栽植30～45 d，處理組覆蓋度呈較快增長，遠超對照組；第30天時T3和T2組增長幅度最大且最明顯，分別增長了314.28%和271.43%，第60天時，覆蓋度從大到小依次為 T3，T2， T4（≥80%），T5， T6，T7（＞50%），T1， ck。

2.3 不同基質(zhì)對三七景天幼苗生長的影響

由圖2A可知：栽植時長不同，三七景天生長指數(shù)出現(xiàn)波動。15～30 d，T3組生長指數(shù)最大，45～60 d，T4組生長指數(shù)最大；除在第30天，T7組生長指數(shù)最小外，其他時間，對照組生長指數(shù)均為最小。整體而言，處理組的生長指數(shù)在4個時間段均優(yōu)于對照組。由圖2B可知：三七景天在栽植第15天時，對照組分蘗數(shù)較T3組，T7組存在一定的優(yōu)勢，之后則逐漸落后于各處理組，在栽植第30～45天，處理組分蘗數(shù)整體呈較快增長，而對照組在栽植30 d之后分蘗數(shù)增長及其緩慢，分蘗能力低。由圖2C可知：在栽植的前30 d內(nèi)，三七景天對照組覆蓋度存在較大的優(yōu)勢，30 d之后其覆蓋度增長較緩慢，處理組則一直保持較快的增長速度，在第45～60天，各處理組均大于對照組。

圖2 不同基質(zhì)條件下三七景天生長指標(biāo)變化Figure 2 Variation of growth indexes of Sedum aizoon under different substrate treatments

表5 不同基質(zhì)條件下佛甲草、三七景天生長指標(biāo)綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation of growth indexes of Sedum lineare and S.aizoon with 60 days’plantation

2.4 不同基質(zhì)條件下2種植物生長綜合評價分析

本研究通過隸屬度函數(shù)計算綜合評價了不同基質(zhì)條件下第60天的佛甲草和三七景天生長指標(biāo)。結(jié)果表明 （表5）：處理組綜合評價系數(shù)遠大于對照組，其中，T4組綜合評價系數(shù)最高，為0.80，T2組次之，為0.72，說明此兩者為最適宜基質(zhì)；T3組、T5組的綜合評價系數(shù)較T6組和T7組大，且從T5組到T6組綜合評價系數(shù)降低速率最大，為40.7%，說明綠化廢棄物堆肥體積比≥50%的混合基質(zhì)對植物的生長具有明顯促進作用，此外，T6組、T7組的綜合評價系數(shù)亦遠大于對照組。

3 結(jié)論與討論

草炭為酸性有機基質(zhì)，具有質(zhì)輕、有機質(zhì)含量高和保肥性強的優(yōu)點，合理搭配其他基質(zhì)材料能夠滿足植物的基本生長需求，在園藝基質(zhì)中得到了廣泛的應(yīng)用；但草炭為不可再生資源，近年來的大量開采導(dǎo)致其資源應(yīng)用緊張，尋求其替代基質(zhì)刻不容緩。本研究發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)草炭基質(zhì)相比，添加綠化廢棄物堆肥的基質(zhì)滿足屋頂綠化基質(zhì)荷載要求，能較好地改良基質(zhì)酸堿性，降低碳氮比，均衡氮磷鉀養(yǎng)分，對植物中后期生長的促進效果更明顯；但是其EC值較高，需通過與其他基質(zhì)材料混配改良。魏樂等［18］的研究表明：綠化廢棄物堆肥能明顯改善基質(zhì)中大量元素和微量元素質(zhì)量分數(shù)，更好地促進植物生長；殷慶霏等［10］則發(fā)現(xiàn)添加綠化廢棄物堆肥基質(zhì)對植物株高、葉綠素、凈光合速率等指標(biāo)的促進作用明顯優(yōu)于草炭基質(zhì)。但是由于原料成分和堆肥工藝等無法統(tǒng)一，當(dāng)前制作出的綠化廢棄物堆肥良莠不齊，因而需要不斷實踐制訂堆肥產(chǎn)品標(biāo)準。

有機基質(zhì)和無機基質(zhì)含量決定了基質(zhì)的營養(yǎng)成分和礦物成分。基質(zhì)中有機基質(zhì)較高易引起荷載過大、細顆粒淀積以及不可預(yù)測的生物活性等一系列問題［19］?；|(zhì)在屋頂上其更換難度和更換成本要明顯高于地面，除了滿足基本的理化性質(zhì)外，還要求有較長的使用年限和良好的穩(wěn)定性。隨著時間的推移，有機基質(zhì)逐漸分解，基質(zhì)層變薄，合理的有機基質(zhì)和無機基質(zhì)配比可以滿足高質(zhì)量、使用年限長的屋頂綠化基質(zhì)要求。本研究通過屋頂綠化景天科Crassulaceae植物佛甲草、三七景天幼苗栽植試驗發(fā)現(xiàn)，綠化廢棄物堆肥在屋頂綠化應(yīng)用中比傳統(tǒng)草炭基質(zhì)效果要好，且綠化廢棄物堆肥體積比≥50%效果要比體積比＜50%好，即有機基質(zhì)含量高更有利于植物的生長，與李燕等［17］、湯聰?shù)龋?0］的研究結(jié)果一致。在有機基質(zhì)含量較高（T3）與較低（T2）能取得相同效果的情況下，建議使用有機基質(zhì)含量較低的配方。本研究中的T6，T7處理組綠化廢棄物堆肥體積比＜50%，其綜合評價系數(shù)值較低，但是依然遠大于傳統(tǒng)草炭基質(zhì)，若是在后期合理施用，其作為屋頂綠化的理想基質(zhì)具有較大的潛力。

對屋頂環(huán)境條件下景天科植物佛甲草、三七景天部分生長指標(biāo)的動態(tài)監(jiān)測和綜合評價分析顯示，T4組和T2組為最適宜配方基質(zhì)，即V（綠化廢棄物堆肥）∶V（無機基質(zhì)）＝65∶35和V（綠化廢棄物堆肥）∶V（草炭）∶V（無機基質(zhì)）＝30∶20∶50， 其中的無機基質(zhì)配比為V（火山巖）∶V（蛭石）＝3∶2。