薛明珂

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生物工程分院，陜西 楊凌 712100)

1 引言

綠色屋頂對城市的環(huán)境能產(chǎn)生有益的影響，其中基質(zhì)通常扮演植物生長中人工土壤的角色?；|(zhì)可為植物提供水分、營養(yǎng)和物理支撐，同時(shí)具有較輕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、通氣暢通、能自由排水等特性[1]。目前，對新型基質(zhì)材料提供綠色屋頂服務(wù)[2]、基質(zhì)生物特性[3]或基質(zhì)對植被生長的影響等方面的研究較少[4]。每一種基質(zhì)成分(例如礦物含量、有機(jī)質(zhì)種類、人工添加劑、混合比例)對植被生長和生理性能的影響，以及最終對其所提供服務(wù)的影響，也缺乏研究[5]。

水分脅迫是綠色屋頂上植物生長最常見的限制條件之一[6]。提升基質(zhì)持水能力可以通過適當(dāng)減小基質(zhì)顆粒尺寸來實(shí)現(xiàn)[7]，研究表明，在澳大利亞極端干旱條件下，增加基質(zhì)持水能力可以提高5種不同肉質(zhì)植物的存活率[8]，然而，在其他生長條件下，基質(zhì)顆粒的大小以及因此而產(chǎn)生的持水能力如何影響植物的生長和性能，還不完全清楚。除了增加基質(zhì)中較小顆粒的數(shù)量之外，另一種方法是使用人工保水凝膠，但這種方法可能對基質(zhì)排水和水分滯留產(chǎn)生負(fù)面影響。Farrell 等人[9]的試驗(yàn)表明,保水性凝膠可以增加綠色屋頂基質(zhì)的持水量,但增加的這部分水在干旱時(shí)期對植物來說是不可用的。

盡管基質(zhì)成分有可能嚴(yán)重影響植被生長，從而影響綠色屋頂?shù)氖褂眯阅埽溆绊懗潭热匀晃粗?。如果沒有這些知識，就很難設(shè)計(jì)出專門提供特定服務(wù)的基質(zhì)，提供優(yōu)化的性能。

基于上述考慮，筆者研究利用屋頂盆栽試驗(yàn)，檢驗(yàn)不同基質(zhì)成分對黑麥草(Lolium perenne)的生長和生理性能的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方法

該研究在一個(gè)控制16 h 20℃/8 h 15℃的溫室中進(jìn)行。

八種混合基質(zhì)由以下三種成分構(gòu)成:(i)碎磚(2 ～5 mm粒徑的磚末、直徑4 ～15 mm的碎磚)、(ii)有機(jī)質(zhì)(樹皮、綠色廢料堆肥)和(iii)聚丙烯酰胺凝膠，即“膨脹凝膠”(有、無)(表1)。磚是粉碎的廢紅磚，過濾之后確保磚碎片在設(shè)定的尺寸限制內(nèi)。綠色廢料堆肥由陜西楊凌當(dāng)?shù)鼗▓@收集的堆肥廢料組成，樹皮來自于普通花園混合針葉樹樹皮覆蓋物。SwellGelTM是一種由交聯(lián)聚丙烯酰胺制成的土壤添加劑，它能在基質(zhì)水分含量較高時(shí)膨脹并被儲(chǔ)存，并在水分下降時(shí)緩慢釋放回植物體內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)對磚的尺寸(2 ～5 mm /4～15 mm)、有機(jī)質(zhì)類型(綠色堆肥/樹皮)、膨脹凝膠(存在/不存在)和基質(zhì)深度(80 mm /120 mm)進(jìn)行了全因子設(shè)計(jì)(表1)。每種混合基質(zhì)中都含有20%有機(jī)物質(zhì)和80%的磚，在此基礎(chǔ)上，添加占基質(zhì)總體積1%的干膨脹凝膠，將每種混合基質(zhì)被設(shè)置為兩種深度(80 mm和120 mm)，并放入尺寸為12 cm×11 cm×11 cm的基質(zhì)盆。每種基質(zhì)類型和深度各重復(fù)8次，共128盆。

表1 八種混合基質(zhì)構(gòu)成

注:不同組分的基質(zhì)混合，每組混合都分為兩種基質(zhì)深度(80 mm和120 mm)。

2.2 植物種類及水分狀況

黑麥草是一種常見的植物，它比常用的綠色屋頂種植草耐受力低，但生長速度較快。考慮到筆者試驗(yàn)的主要目的是檢測基質(zhì)組分的影響以及基質(zhì)對植物生理性能影響的差異，因此在試驗(yàn)期間，與生長緩慢的綠色屋頂物種相比，基質(zhì)之間的差異用生長速度快的黑麥草進(jìn)行量化會(huì)更容易。每罐種子(約500粒)均勻播種在飽和的基質(zhì)上，每天澆水至飽和，直到發(fā)芽后兩周停止。

2.3 基質(zhì)持水性和蒸發(fā)速率

將基質(zhì)在溫室中風(fēng)干3周，稱基質(zhì)的干重。然后將它們浸透(在靜水中浸2 d)，再排水排15 min，直到達(dá)到田間持水量，然后稱重，并將前后重量差作為持水量。

在試驗(yàn)過程中，每天給基質(zhì)盆稱重，每次澆水后15 min稱重。隨著時(shí)間的推移，盆重減少都?xì)w因于蒸發(fā)作用(15 min排水后，淋濾沒有造成進(jìn)一步的損失)。試驗(yàn)期間各盆的總蒸發(fā)量計(jì)算為各時(shí)段所有重量差之和。

2.4 植物根冠比和地上部分含氮量

發(fā)芽后，植物在經(jīng)歷了16周的生長期后，收獲所有地上植物生物量，于80℃烘箱內(nèi)烘2 d并稱干重。在測定根的生物量之前，應(yīng)在水中沖洗以去除所有基質(zhì)殘?jiān)Ｇ逑赐戤吅?，將附著膨脹凝膠的根部浸泡一夜，使凝膠膨脹，然后用手術(shù)刀手動(dòng)取出。所有根材料在稱重之前應(yīng)烘干(80℃下烘2 d)。采用凱氏定氮法[10]對最終收獲的烘干后的地上部分樣品進(jìn)行葉片組織氮(N)含量測定。

2.5 數(shù)據(jù)分析

為了確定基質(zhì)組分(磚體大小、有機(jī)質(zhì)類型、膨脹凝膠和基材深度)的主要因子效應(yīng)和相互作用，采用了四向ANOVAs的分析方法。利用Tukey HSD測試法來確定每種基質(zhì)之間的差異。

3 結(jié)果

3.1 基質(zhì)持水性

膨脹凝膠增加了基質(zhì)24%的持水能力(p< 0.0001)，碎磚比磚末減少了約35%的持水能力(p< 0.0001)(圖1a和b，表2)。有機(jī)質(zhì)類型(樹皮或綠色廢棄物)對持水量影響不顯著(表2)?；|(zhì)深度從80 mm增加到120 mm，持水能力顯著提高28%(p< 0.0001)(圖1a和b，表2)。無論有機(jī)質(zhì)含量如何，含磚末和膨脹凝膠的基質(zhì)總持水能力顯著高于含碎磚和無膨脹凝膠的基質(zhì)(Tukey HSD,p< 0.05)。

3.2 基質(zhì)水分蒸發(fā)量

與無膨脹凝膠(p< 0.0001)和樹皮(p< 0.0001)相比，膨脹凝膠和綠色廢料有機(jī)質(zhì)分別能增加4%和7%的蒸發(fā)量，碎磚比磚末能顯著降低12%的蒸發(fā)量(p< 0.0001)(圖1c、d、表3)?；|(zhì)深度對總蒸發(fā)量有顯著影響，120 mm深度的基質(zhì)可增加11%的蒸發(fā)量(p< 0.0001)(圖1c、d，表3)。在兩種不同的基質(zhì)深度下，綠色廢料和磚末混合的基質(zhì)蒸發(fā)速率均大于樹皮和碎磚的混合基質(zhì)(p< 0.05)。

3.3 根冠比

與樹皮相比，綠色廢料的根冠比顯著降低15%(p< 0.0001)；碎磚與磚末相比，根冠比顯著增加16%(p< 0.0001)(圖2a和b，表4)，膨脹凝膠的存在使根冠比降低了15%(p< 0.0001)(圖2a和b，表4)。采用相同的階乘交互法通過觀察根的生物量來觀察根冠比,膨脹凝膠與樹皮有機(jī)質(zhì)混合比與綠色廢料有機(jī)質(zhì)混合更能顯著降低根冠比(p<0.0001)(圖2a和b)。根冠比在120 mm深度基質(zhì)中比80 mm深度高17%(p< 0.0001)。

注:(a)80 mm深度基質(zhì)的持水量(mL·L-1基質(zhì))；(b)120 mm深度基質(zhì)的持水量(mL·L-1基質(zhì))；(c)80 mm深度基質(zhì)的總蒸發(fā)量(mL·盆-1)；(d)80 mm深度基質(zhì)的總蒸發(fā)量(mL·盆-1)?？s寫如下:SG表示SwellGel，即膨脹凝膠。

表2 基質(zhì)中磚的尺寸、有機(jī)物成分和膨脹凝膠對基質(zhì)持水量的影響

表3 基質(zhì)中磚的尺寸、有機(jī)物成分和膨脹凝膠對基質(zhì)總蒸發(fā)量的影響

注釋：表示顯著性P<0.01，"''"表示顯著性P<0.001，"'''"表示顯著性P<0.0001。

表4 基質(zhì)中磚的尺寸、有機(jī)物成分和膨脹凝膠對黑麥草根冠比的影響

注釋：“'”表示顯著性P<0.01，“''”表示顯著性P<0.001，“'''”表示顯著性P<0.0001。

3.4 地上部分氮含量

綠色廢料有機(jī)質(zhì)、膨脹凝膠和碎磚對地上部氮濃度的影響非常相似，分別比樹皮、無膨脹凝膠和磚末提高21%、20%和22%(p< 0.0001)(圖3a, b，表5)。交互作用顯著，與樹皮相比，當(dāng)有綠色廢料存在時(shí)，由膨脹凝膠引起的嫩枝氮濃度的增加要大得多，且這種效應(yīng)只發(fā)生在基質(zhì)無機(jī)物是磚末的時(shí)候(p< 0.001)(表5)。在基質(zhì)深度為80 mm(p< 0.05)和120 mm時(shí)，含有膨脹凝膠和綠色廢料的基質(zhì)比沒有膨脹凝膠和樹皮的基質(zhì)具有更高的地上部分含氮量(p< 0.05)，但基質(zhì)深度對地上部分氮濃度影響不顯著(表5)。

注:(a)80 mm基質(zhì)深度的地上部氮濃度(mg·mg-1N生物量)；(b)120 mm基質(zhì)深度的地上部氮濃度(mg·mg-1N生物量)。

表5 基質(zhì)中磚的尺寸、有機(jī)物成分和膨脹凝膠對黑麥草地上部N含量的影響

注釋：“'”表示顯著性P<0.01，“''”表示顯著性P<0.001，“'''”表示顯著性P<0.0001。

4 討論

筆者研究是一個(gè)量化綠色屋頂組分對植物生長和生理性能重要性的研究。很明顯，改變屋頂基質(zhì)的組成和類型對植物的生理性能和水分平衡具有重要的影響。

4.1 持水性和蒸發(fā)量

膨脹凝膠增加了屋頂基質(zhì)的持水能力，有利于植被地上部分的生長。在筆者試驗(yàn)中，它對基質(zhì)持水能力的影響小于磚尺寸帶來的影響，這并不意味著膨脹凝膠對持水能力的影響有限，因?yàn)樗诨旌匣|(zhì)中只占1%的體積，而磚占80%?？梢酝ㄟ^增加膨脹凝膠用量來對基質(zhì)產(chǎn)生更大的影響，但增加量有限，因?yàn)榛|(zhì)在濕潤和干燥環(huán)境中會(huì)膨脹和收縮，這會(huì)對植物的生長和生物量形成產(chǎn)生負(fù)面影響[11]。

植被在增加綠色屋頂?shù)恼舭l(fā)速率中起主要作用[12]，在筆者試驗(yàn)中，與沒有植被覆蓋的基質(zhì)相比，黑麥草的存在增加了13%到57%的總蒸發(fā)量。總蒸發(fā)量與生物量的總量有關(guān)。有機(jī)質(zhì)類型不影響基質(zhì)的持水能力，但通過影響生物量的生產(chǎn)和蒸發(fā)作用，間接影響基質(zhì)的失水速率。

4.2 植物生長情況

以綠色廢料堆肥代替樹皮作為有機(jī)質(zhì)組分，可顯著提高植物生物量。已經(jīng)有研究表明，增加綠色屋頂基質(zhì)的有機(jī)成分可以促進(jìn)植物生長[11]，筆者試驗(yàn)是證明不同的有機(jī)質(zhì)類型對綠色屋頂植物生長有顯著影響。與樹皮相比，綠色廢料中營養(yǎng)物質(zhì)的含量較高，這與綠色廢料堆肥基質(zhì)中根冠比較低這一結(jié)果相一致。這表明植物不需要將綠色廢料基質(zhì)中的養(yǎng)分分配給根系來吸收營養(yǎng)，而需要更多地分配給地上部分用作光合作用[13]。在含有膨脹凝膠和磚末的基質(zhì)中也表現(xiàn)出相同的根冠比，這可能是由于可用水的增加降低了對根系的需水量[14]。

當(dāng)磚的尺寸從2～5 mm增加到4～15 mm時(shí)，植株長勢明顯下降。這可能是由于粒徑越大，顆粒間孔隙空間越小，持水性越差[14]。這種影響也可能是由于在整個(gè)試驗(yàn)過程中從碎磚基質(zhì)中浸出的氮量較高，因此氮的消耗速度就更快。

膨脹凝膠對植物生長的影響相對較小，這可能是由于常規(guī)灌溉沒有導(dǎo)致足夠大的水分脅迫，難以體現(xiàn)凝膠的作用。Olszewski 等[15]研究中基質(zhì)的溫度更高，澆水頻率更低，在使用膨脹凝膠改善基質(zhì)后，多肉植物地上部分生物量增加了很多。

基質(zhì)的深度對植物生長沒有影響，這與許多其他研究形成了鮮明的對比。很多研究表明這是影響綠色屋頂植物建立和生長的一個(gè)主要因素[16]，增加基質(zhì)深度能保護(hù)植物免受霜凍的傷害[17]，并能減少植物因極端溫度波動(dòng)而造成的傷害[18]，這些情況都不存在于受控環(huán)境中。因此，在我們的研究中，深基質(zhì)的好處還沒有完全顯現(xiàn)出來。

4.3 地上部分氮含量

地上部分氮濃度隨膨脹凝膠的加入而增加，但其作用機(jī)理尚不清楚。這可能是由于膨脹凝膠降解形成丙烯酰胺之后又降解成銨或氮氧化物[19]，或通過膨脹凝膠從基質(zhì)中吸收氮的原因。另一種可能是由于膨脹凝膠所產(chǎn)生的水分囊使周圍微生物活動(dòng)的增加，因?yàn)橐延醒芯孔C明真菌和細(xì)菌可以很容易地在聚丙烯酰胺凝膠中定植并利用氮[19]。

5 結(jié)論

研究表明，改變常用的綠色屋頂基質(zhì)成分的特性，可以顯著改變植物的生理性能。在此試驗(yàn)中，有機(jī)質(zhì)類型對植物生長和健康的影響最大。樹皮和綠色廢料堆肥都增加了植物有效養(yǎng)分，顯著提高了地上部分氮含量，加快總蒸發(fā)量。然而，綠色廢料堆肥的加入降低了黑麥草的根冠比，因此也潛在的降低了黑麥草的干旱脅迫。膨脹凝膠在本試驗(yàn)中加快了黑麥草的生長，提高了基質(zhì)持水能力。綠色屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)需要與特定環(huán)境相結(jié)合，如高降雨量地區(qū)不需要高保水性。綠色屋頂基質(zhì)成分變化對綠色屋頂整體植被的生長和生理性能起到重要的作用，從而影響整個(gè)綠色屋頂所能提供的目標(biāo)服務(wù)。