新技术在立体绿化中的应用

唐桂兰+马大庆

摘要：指出了立体绿化能够改善城市生态环境，如净化空气、缓解温室效应等，伴随着新技术、新材料、新理念等在立体绿化中的推广应用，屋顶绿化和墙面绿化等绿化形式也在不断地发展进步。通过资料搜集、实地参观学习等方式，对目前立体绿化中使用的新技术进行了归纳总结，并探讨了部分具有代表性的技术措施，包括节水灌溉技术、补光技术、新型栽培介质、废物利用技术等，以期人们能对新技术在建筑绿化中的应用有更深入的了解，推广新技术的应用。

关键词：立体绿化；新技术；节水灌溉

中图分类号：S731.2

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）07-0040-06

1 引言

城市的发展随着土地资源的紧缺、环境条件日益恶劣等问题面临瓶颈，城市建设用地和绿化用地之间的矛盾愈演愈烈，寻求新的城市绿化途径变得愈发重要。立体绿化作为一种节能节地、美观环保的绿化形式逐渐受到人们的关注，主要包括屋顶的绿化、墙面的绿化和公共设施的绿化等[1～3]。

立体绿化的发展很大的程度上依赖技术水平的提升，从种植基盘、种植袋等植物载体和支撑结构组成的墙面绿化系统，到模块化组装或整体铺设的屋顶绿化系统，从节水灌溉系统到手机物联网自动控制，从中水、雨水回用技术到屋顶花园生态链微循环系统等。各种新技术在立体绿化中的应用，使绿化资材更加轻质高效，植物选择和养护管理更加科学合理，灌溉系统更加精确和节水，同时也拓宽了立体绿化的适用范围。

2 立体绿化新技术概述

2.1 节水灌溉技术

由于立体绿化植物生长环境相对恶劣，大风和强烈的光照容易导致植物缺水状况，因此立体绿化的灌溉需要大量水分，这将带来较高的耗水量和灌溉成本。由此可见，节水灌溉及其新技术在立体绿化中的应用非常必要。

2.1.1 自动灌溉系统

自动灌溉系统是适用于立体绿化的节水灌溉措施，系统由水箱、自动控制箱、灌溉管网和排水系统组成。

自动控制箱是整个自动灌溉系统的核心部位（图1、2），在控制箱内一般有自动控制器、过滤器、施肥器、肥料桶、截止阀、电磁阀等部件，有的控制箱还连有湿度传感器。传感器固定在栽培基质或无土种植毯中，当基质含水量约低于正常湿度20%时，自动控制器会发出指令，自吸泵提水进行自动灌溉。此外还有雨水感应器，在有降水的情况下，不进行滴灌。

按照屋顶或墙面绿化植物水分需求设置灌溉管网的间距和灌溉频率。例如通常情况下，南方墙面绿化项目在夏天和干燥天气1 d灌溉2次，冬天则一周2～3次，使用精确灌溉系统，用水量每天为1～2 L/m3。

由于植物的需水量不同，各建筑朝向导致的光照和通风条件的差异也会对植物需水量产生影响，这需要在立体绿化植物设计阶段就予以考虑。可根据外界条件进行立体绿化的区域划分，划定区域滴灌面积10～50 m2，具体可根据实际情况而定，同一区域内选择需水量相似的植物种类。在采取的区域湿度感应预警系统中，各个区域设置湿度感应器，而不同区域设置的灌溉临界点不同，灌溉量有所区分，这样能最大限度地实现节水灌溉。

屋顶绿化通过排蓄水板将多余的水分排到排水管道中，墙面绿化则通过水分层层向下渗透，最终滴落在排水槽内实现排水。收集这些排出的水到水箱中回用于灌溉，可以实现水资源的循环利用，尽量减少水源浪费。灌溉用水通常是市政管网的水，也可以是将灰水、黑水经过处理回收利用的水，其中雨水是浇灌植物最理想的水源。通过雨水收集系統，将屋顶绿化积蓄的水源储藏在水箱内，通过计算该立体绿化项目中植物每日的总需水量，采用适当容量的水箱，至少保证24 h水量充足。

2.1.2 水肥一体化灌溉

立体绿化可采用水肥一体化的灌溉模式，将液态肥料按照一定比例混于灌溉水中，在给植物灌溉的同时进行施肥，补充立体绿化植物所需的营养物质。利用水动力肥料泵能够实现浇水和施肥操作的自动化。

水动力肥料泵（又称比例加药泵）目前已在墙面绿化灌溉中使用，工作原理是由管路中水流的动能驱动加药泵工作。在带压水流的驱动下，按比例定量将浓药剂吸入，然后再与作为动力的水结合。由于吸入的药剂始终同进入肥料泵的肥料体积直接成比例，而与管路中水压及水量的变化无关，从而实现直接流量比例混合及投加。例如南京紫东国际创意园屋顶菜园（图3）、杭州大华华领室内植物墙（图4）采用的就是水肥一体化灌溉的方式。

2.1.3 节水灌溉措施：滴灌、微喷、渗灌和痕量灌溉技术

目前滴灌系统在墙面绿化和屋顶菜园、屋顶花园的应用已经比较普遍。滴灌是将水通过直径约10 mm毛管上的孔口或滴头送到植物根部进行局部灌溉。它是非常有效的一种节水灌溉方式，水的利用率可达95%。一种压力补偿滴头—PCJ补偿滴头目前也被使用在立体绿化滴灌系统中，压力补偿系统保持在不同的进口压力（在建议的工作压力范围内）条件下的均匀出流量，保证了水、肥的精确分布；借助水流压力使弹性硅胶片改变水口断面，调节流量、使水流稳定。

微喷又称雾滴喷灌，是在总结喷灌与滴灌的基础上，研制和发展起来的一种先进灌溉技术。由于雾滴细小，其适应性更好，植物从苗期到衰老全过程都适用。它利用低压水泵和管道系统输水，在低压水的作用下，通过特别设计的微型雾化喷头，把水喷射到空中，并散成细小雾滴，洒在植物枝叶上或表土上。微喷可以增加土壤水分，保持植株叶片湿润，为叶面除尘，也能提高空气湿度，起到调节小气候的作用，尤其对墙面绿化的喜阴湿植物的补水特别适宜。当利用微喷或滴灌给叶面补水时，微喷头和滴头应略低于植物株高，不影响植物墙整体美观。

渗灌，即地下灌溉，是利用地下管道将灌溉水输入田间埋于地下一定深度的渗水管道内，借助土壤毛细管作用湿润土壤的灌水方法。深圳大竹叠翠公司的自动调湿渗灌系统（图5），它由给水管道、控制阀门组、自动调湿控制器、系统管网和排水-透气口组成，整个渗灌管网埋在土壤层以下，植物通过毛细管作用将水分吸收。屋顶绿化采用这种方式灌溉能够极大地节省水源。

痕量灌溉技术是以土壤的毛细管为基础，依照植物的需求，缓慢、适量地为植物根系进行供水分的一项技术，它是世界上最省水的灌溉技术，该技术与植物需水特点完全匹配，即植物需要多少水就供给多少水。

屋顶绿化适宜使用滴灌、渗灌、痕量灌溉技术；墙面绿化适宜使用滴灌、微喷技术。采用合适的灌溉系统对于提高灌溉效率、节省水源开支具有重要意义。此外，不管使用哪种灌溉措施，立体绿化的排水工作一定要做好，尤其是屋顶绿化，使用排蓄水板或其他排水资材都应注意汇水问题（图6）。

2.1.4 手机、PC物联网技术

物联网技术在农业中常用，适合推广应用于立体绿化中。在立体绿化领域，其核心是对灌溉管网的水流进行精确管理，屋面气象站和土壤传感器会将收集的灌溉参数，通过互联网传输到服务器上，水流没浇或过流等异常情况会及时报警，并反映到手机、电脑上，管理者用智能手机、个人电脑对灌溉效果进行实时监控，方便快捷。常州凤凰谷武进影艺宫墙面绿化、南京紫东国际创意园屋顶菜园等案例都使用了这种技术（图7）。

物联网系统包括数据采集系统、视频采集系统、控制系统、无线传输系统以及数据处理系统等。对于立体绿化，数据采集系统装置主要是湿度传感器，将土壤湿度状况实时显示在手机或PC电脑上。视频采集系统采用高精度网络摄像机和全球眼系统进行紧密融合，清晰稳定，辅助管理人员进行实时看管。控制系统主要由控制设备和相应的继电器控制电路组成，通过继电器可以自由控制各种灌溉设备，包括喷淋、滴灌等喷水系统等。无线传输系统将采集到的数据通过3G网络传输到服务器上，由数据处理系统进行数据处理，为用户提供分析和决策依据，用户可随时随地通过电脑和手机等终端进行查询，给出指令[3]（图8）。

2.1.5 后备电源和停电报警系统

自动灌溉系统可以配合后备电源和停电报警系统（图9），后备电源包括在线式UPS、自吸泵和控制器，UPS（不间断电源）在停电时依然能给逆变器供电，使电路正常运行，不间断地保证自动灌溉；自吸泵不需在管路内充水即可自动抽水，具有操作方便、效率高等优点，运用在立体绿化灌溉系统中能实现灌溉的自动化管理。

2.1.6 中水、雨水回用系统

中水即再生水，是指污水经适当处理后，达到一定的水质指标，满足某种使用要求，可以进行有益使用的水。中水虽不能饮用，但它可以用于一些水质要求不高的场合，如冲洗厕所、冲洗汽车、喷洒道路、绿化等。中水和雨水的回收利用可采用人工湿地生态系统结合循环渗滤系统的技术原理，将净化后的中水和雨水再接入灌溉系统。经过处理的中水和自然降落的雨水通过收集，在缺乏降水的天气用于立体绿化的灌溉，是一种有效的节水措施。

雨水和中水容易残留杂质，可利用反冲洗过滤器（图10）或连续偏侧流雨污分离器，将固体杂质分离。反冲洗过滤器利用滤网直接拦截水中的杂质，自动清洗过滤，自动排污；连续偏侧流雨污分离器，当水流进入系统，其自身产生离心力，形成强劲的水漩涡，可以持续的循环过滤，过滤动力更突出。

2.1.7 屋顶绿化的蓄能腔体：灰水、黑水的回收利用

常州的“树立方”项目的建筑使用多个“蓄能腔体”，即将雨水、生活用水等水体通过自然净化储存到“蓄能腔体”中，蓄能腔高为8～23 cm，能够储存水分。当水位高于设定高度时，水将进入到下一个蓄能腔中，从而形成了无动力循环。蓄能腔采用高强度、高渗透性材料，使植物自下而上吸取水分，模拟自然界的地下水系统，通过该系统，植物可以按需索取，從而实现水资源的按需分配，全自动无动力供水，避免了传统的自上而下浇灌模式下的水资源的浪费或供水不足的问题。

生活中产生的灰水和黑水，灰水一般指厨房废水、洗衣机和洗澡用过的废水，可以直接进入蓄能腔中，经过自然净化用于绿化用水。黑水即冲马桶产生的污水，进入化粪池进行发酵、分解，经臭氧消毒杀菌处理后，进入蓄能腔体，给植物提供水分和养分，做到灰水与黑水100%及时收集、及时利用，确保生活灰水、黑水零排放。

2.2 立体绿化的新型无土栽培基质

垂直花园大师帕特里特·布兰克（Patrick Blanc）在他的墙面绿化案例中采用了无土栽培技术，用两层毡布作为植物扎根的基质，采用混有液态肥料的水进行灌溉。现在这种无土栽培的方式也在我国出现，这种方式清洁卫生，植物少有病虫害[4]。随着工艺水平的进步，各类新栽培介质日益涌现，例如玻璃轻石（图11）和一体化有机基质（图12）等。

玻璃轻石是利用废旧玻璃为原料生产出来的一种轻型基质，具有良好的储蓄水分的作用，1 m3的玻璃轻石可以储存600～700 kg的水分。它能在屋顶绿化中作为排水层使用，也可作为基质的组分提高基质厚度、改善植物扎根条件，提高基质通气和保水、保肥能力，其作为一种废物利用的新型优质基质应该得到推广利用。

一体化有机基质是由利用秸秆、木屑等为原料，添加土壤改良剂、活性炭、养分颗粒体等多种添加物制成。该基质具有一体化程度高，可以模块化铺设种植，轻质，良好的透气，保水性能优等特点，同时也是一种可再生的种植基质。

日本三得利（Suntory）公司发明的专利产品Pafcal（图13），可以完全替代土壤，种植植物。水与空气并存：完全吸水状态下，空气含量占60%、固态13%、液态27%，空气含量远高于土壤和普通海绵。普通海绵的保水能力到达一定程度后就会急剧下降，但是Pafcal的保水能力从下至上基本均匀。

无土栽培技术用在立体绿化中的优势明显，一是保证植物健康生长，由于根系内含有足够的空气，故不会因水分过多而导致烂根；二是轻巧方便，例如Pafcal的含水状态下约260 g，约为土壤的1/2，干燥时仅约85 g，金洋有机基质干重14.5 kg/m3，容重为0.28 g/cm3，不到普通土壤的1/3，在承重不够的空间和场所也能实现绿化设计；三是清洁环保，因为不含土壤，植物不会受病虫害，并且是成型材料，不会像土壤一样飞散，也不会有污水产生，还可以重复使用。

2.3 植物墙补光系统：更科学的植物排布方案

随着墙面绿化走进室内，室内阴暗的环境衍生出给植物墙补光的研究方向。如今，给植物补光的措施，不仅仅是补充植物所需的光照条件，也影响了植物选择与搭配方式，融合了美观、时尚的观念。室内或室外补光及装饰，使用荧光灯或LED灯进行补光，要考虑最佳的红蓝光配比[5]。

在进行室内墙面绿化植物的选择前，先进行光照模拟分析，测量不同高度、不同光源距离点的光照度，为墙面绿化的植物选择和配置提供依据；对于室外墙面绿化，还应考虑不同朝向的不同光照强度，配置喜阴、耐阴或喜阳、耐阳光直射的植物（图15）。

2.4 空气过滤水技术：提高植物墙去除甲醛、PM2.5等有害物质的能力

对于墙面绿化，人们最关心的是健康安全性，而不是装饰性和功能性，定量说明最为有力。试验表明，通气差会导致去除甲醛的能力差，流动的空气才能保证甲醛颗粒得到植物的净化，而湿度低会导致去除PM2.5的能力差。普通室内植物墙能去除50%的甲醛和70%的PM2.5，但是跟空气净化器相比，还是有差距。

采用空气过滤水技术的植物墙，帮助室内空气流通、湿度变大，甲醛去除率可达到90%以上，PM2.5去除率达80%以上。如果室内空气较好，只用植物墙的植物去除有害气体即可；若空气较差，就打开空气过滤水，1.5～2 h即可净化室内空气，方便健康（图16、17）。

2.5 利用立体绿化将固体废物回收利用

自然界中生产、消费、降解三个环节是平衡的，而现在人类生存的环境却忽视了降解者的重要性，生活垃圾、污水、工业废弃物等大量存在，成为阻碍人类社会和谐发展的一大难题。如果能像自然界那样一切可以再生循环利用，在垃圾循环、水循环、材料循环、废弃物循环方面实现微循环、微降解，就地、就近循环利用，这样，人类生活对大自然的冲突就可尽可能降低[6]。

常州“树立方”项目利用屋顶绿化承载此项技术，在屋顶花园中的水池养殖鱼虾，厨房的废食废物用来作为鱼食，死鱼和内脏用来做虾食，菜根、剩菜和果皮等进行发酵分解制成肥料，供做植物肥料，而废水通过处理也可以作为肥水给植物浇水，植物又可以成为鱼类的食物，依此形成生态链。实现垃圾资源化、降低成本、减少排放，这是最理想的立体绿化生态系统。

3 结语

我国目前正在大力鼓励绿色建筑的建设，立体绿化满足节地、节能、节水、节材的绿建要求，例如同一栋楼屋顶绿化过的房间比没有的房间节省约70%的空调电能；有墙面绿化的建筑，室内空气温度较无绿化的低约3～5 ℃，空气相对湿度可提高10%～20%。可以预见，立体绿化将是城市建设发展的一大方向，是改善和深刻影响人类生活环境质量的重要举措，对于城市节能减排工作意义非凡。

我国的上海、北京、深圳、杭州等地已开展了立体绿化新技术的研究和应用工作，并引进国外先进技术，在立體绿化构件资材、植物生长基质、灌溉系统、植物选育和施工技术方面有了长足的进步，但是还需进一步地研究，立体绿化技术的大面积地使用与推广指日可待。

参考文献：

[1]刘 卫，姚士宇，梁盛平.城市立体绿化研究[J].现代农业科技，2010（4）：4.

[2]熊 芳.城市空间中立体绿化设计的探讨[D].武汉：湖北工业大学，2012：7.

[3]管继刚.物联网技术在智能农业中的应用[J].通信管理与技术，2010（3）：24～27，42.

[4]吴玉琼.垂直绿化新技术在建筑中的应用[D].广州：华南理工大学，2012：33.

[5]曲 溪，叶方铭，宋杰琼，等.LED灯在植物补光领域的效用探究[J].灯与照明，2008（2）：41～45.

[6]仇保兴.城市生态化改造的必由之路—重建微循环[J].城市观察，2012（6）：5～20.