屋顶绿化轻型种植基质的水肥保持效应研究

李铭怡 邵艳艳 彭逗逗 许文年，3 夏振尧，3 肖 海

(1.三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002；3.三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；4.三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌 443002)

随着城市化进程的高速推进和人们生活水平的不断提高，对健康协调的绿色空间和自然环境的渴求也日趋强烈.而建筑之外水平方向上的绿化空间越来越困难，屋顶绿化则可以等面积补偿建筑其所占面积，作为一种改善城市生态环境和建设低碳城市的措施已得到越来越广泛的应用[1].但由于屋顶绿化的空间特殊性，受屋顶承重能力、屋顶自然条件及其他相关技术水平的制约，种植基质成为屋顶绿化成功的关键因素之一.种植基质不仅可以支持、固定植物，还可以充当养分和水分的载体，为植物生长提供稳定协调的水、气、肥等条件[2]，故其在如何减轻屋顶负荷的同时又满足绿化植物生长也成为研究的重点.

现国内外种植基质应用领域广泛，形式多样.日本大部分屋顶绿化都采用土壤与珍珠岩、蛭石、泥炭、煤渣等原料配置的人工轻质基质.德国则是采用轻草坪屋顶绿化[3]，其基质多采用泥炭、腐殖质、泡沫屑和有机肥料合成的人工种植基质；后来兴起的新型基质材料，如再生轻量气泡混凝土、泡沫有机树脂制品、陶质土壤等，使屋顶绿化种植土层的厚度与荷载大幅度降低.此外，有机废弃物产品因其含有丰富的有机质及氮、磷、钾等养分资源，可与无机材料等混配生产有机-无机复合型种植基质，在屋顶绿化植物栽培中也得到了推广应用[4].优良的屋顶绿化种植基质具有容重小、排水通透、植物易成活、保水保肥能力强等特点，但一般厚度也较浅，涵养水肥的能力有限，雨水和浇灌水的淋洗又容易造成水肥流失，产生潜在的生态危机[5].鉴于此，选取4种常见的材料(普通土壤、腐殖质、蛭石和陶粒)，通过室内试验测定，探究3种供试材料对屋顶绿化种植基的水肥增效保持机制，旨在探寻一种最优的屋顶绿化种植基质，为丰富我国现有的屋顶绿化类型及促进海绵城市建设提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验地设在湖北宜昌三峡大学地学楼内.材料为腐殖质、蛭石、陶粒以及本地土壤.化学成分见表1.

表1 供试材料化学成分表

1.2 试验设计与指标测定

1.2.1 试验设计

1)试验配比

试验设置土壤、腐殖质、蛭石和陶粒体积比为2∶1∶1∶1的水平1作为对照处理，在对照设置的基础上以3种供试材料以体积梯度为1、2、3、4、5和6分别等体积增加，共计16个处理，每个处理设置3个重复，总计样本数48个.

表2 单因素试验安排表(体积比)

2)降雨模拟试验

根据种植基配比试验得出的最优配比，将土壤、腐殖质、蛭石和陶粒按配比并搅拌均匀后装入花盆中.花盆底部均匀设置8个直径在1 mm左右的小孔，底部与种植基之间放一张滤纸，小孔用于雨水渗透，滤纸用于过滤原材料，土壤作为对照组，共计4个处理，每个处理设置3个重复，总计样本数12个.结合降雨级别划分标准和宜昌市气象数据，设置降雨强度分别为1 mm/h和5 mm/h代表中雨和暴雨降雨，每5 d对种植基进行一次人工模拟降雨试验，收集渗透过滤后溶液作水肥保持分析.

1.2.2 指标测定

保水性采用指标吸水率来测定[6]，保肥性指标为淋溶液中氮、磷的浓度，淋溶试验采用自制的淋溶装置，所用土柱为聚氯乙烯圆柱管，内径50 mm，高150 mm，底座打孔作为漏水孔并安装玻璃导管，下方放置烧杯，用于收集淋溶液.土柱表面、底部铺2层玻璃丝网，其上覆盖30 mm厚的石英砂，并铺上两层纱布，过滤淋溶液，防止土壤颗粒影响淋溶液性质.淋溶柱培养后每3天进行一次淋溶试验，共计8次.淋溶液养分含量均采用荷兰SKALAR SAN++流动分析仪测定.

图1 土柱淋溶模拟实验装置

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel对数据进行整理和统计分析；采用SPSS 20.0进行相关分析，基于Duncan分析对不同处理进行多重比较，显著性水平设定为α=0.05.图表中数据为3个重复的平均数±标准误差.

2 结果与分析

2.1 不同配比下3种供试材料对基质保水性的影响分析

土壤保水性是土壤吸进与保持水分能力的性能[7].本试验选择吸水率作为测定指标来测定种植基质的保水性.如图2所示，3组的保水性能均高于对照组CK，陶粒组和腐殖质组呈先上升后下降后趋于稳定的趋势，蛭石组整体呈上升趋势.说明3种材料均对基质保水性能有一定的提升效果.

图2 3种供试材料在不同配比下基质保水率变化趋势

2.2 不同配比下3种供试材料对基质保肥性的影响分析

2.2.1 不同配比下3种供试材料对基质氮淋出的影响分析

腐殖质组氮淋出总量均大于CK；陶粒组均小于CK；蛭石组水平2和3大于CK，其余水平均小于CK.第二次淋溶时，各处理氮淋出浓度差别最大.随着腐殖质体积的增加，从前两次淋溶的氮浓度差异显著迅速增加到8次淋溶的氮差异显著；蛭石组仅水平4在前6次淋溶的氮浓度差异显著，其余水平均为前5次淋溶的氮浓度差异显著；陶粒组出现随着陶粒体积的增加，从前两次淋溶的氮浓度差异显著缓慢增加到前5次淋溶的氮差异显著.第8次淋溶时，蛭石和陶粒组氮淋出量已相差不大，腐殖质组仍差异明显，说明腐殖质对氮淋出的影响最大，且作用持续时间长(如图3所示).

图3 3种供试材料在不同配比下氮淋出浓度变化趋势

表3 3种供试材料的氮淋出总量差异对比分析

3种供试材料对基质氮的增效保持效果明显，腐殖质最优，蛭石次之，陶粒最差.与CK相比，陶粒组水平6、蛭石组水平6、腐殖质组水平2氮淋出总量均最少(见表3).由氮淋出总量差异对比分析可知，供试材料的添加对基质氮淋出均有显著性.

2.2.2 不同配比下3种供试材料对基质磷淋出的影响分析

土壤中可供植物利用的磷是水溶态的无机磷，土壤理化性质和水分含量，微生物活性等都是影响土壤中磷的有效性的因素[8].3种供试材料的淋出浓度为中前期较大，后期减小，且腐殖质组的磷淋出持久性较差(如图4所示).在8次淋溶过程中，磷淋出浓度并不是逐渐减小，与氮淋出规律有明显不同.

图4 3种供试材料在不同配比下磷淋出浓度变化趋势

3种供试材料对基质中磷增加有显著作用，腐殖质效果最优，陶粒次之，蛭石最小.相对于CK，腐殖质组水平4、陶粒组水平6、蛭石组水平6磷淋出总量均最多(见表4)，供试材料的添加对基材可溶性磷增效保持有显著作用.

表4 3种供试材料的磷淋出总量差异对比分析

2.2.3 3种供试材料对土壤氮磷同步增效的影响

1)最优水平下氮淋溶过程对比分析

随着各种材料体积等量增加，腐殖质组水平2氮含量最大，蛭石水平6氮含量最大，陶粒水平6氮含量最大，说明各组该水平下的保氮性最佳.各处理对氮淋出浓度的影响明显不同，但均是在首次淋溶时氮淋出浓度最大，而后随着淋溶次数增加，氮淋出浓度逐渐减小(如图5所示).

图5 不同供试材料的最优水平氮淋出浓度变化趋势

2)最优水平下磷淋溶过程对比分析

腐殖质添加水平4在8次淋溶过程中磷淋出总量均高于其他处理，相比CK，第5次淋溶时，磷淋出浓度增加207.38%，且随淋溶次数增加而增加(如图6所示).蛭石水平6和陶粒水平6相比CK，均在第4次淋溶时，磷元素浓度较低，其余均高于CK.

图6 3种供试材料的最优水平磷淋出浓度变化对比

通过对各组曲线进行线性拟合，磷累积淋出量与淋溶次数的相关性均达到74%以上，CK累积淋出量与淋溶次数之间相关方程为y=-1.522 8x+13.449(R2=0.891 5)；腐殖质水平4、蛭石水平6和陶粒水平6处理的磷淋出量与淋溶次数之间的相关方程分别为y=-1.4381x+20.62(R2=0.7554)，y=-1.1952x+13.917(R2=0.746 7)，y=-2.035 2x+17.715(R2=0.766 1)，均低于CK.这说明供试材料的添加会影响磷的淋出效果.相关方程中，腐殖质水平4的k=-1.438 1，蛭石水平6的k=-1.195 2，说明随着淋溶次数的增加蛭石水平6的磷累积淋出量变化快、增量大，可见蛭石对磷保持作用显著.

3)3种供试材料对土壤氮磷增效分析

将氮淋出总量和磷淋出总量分别与材料添加量建立一元二次回归方程(如图7所示)，通过函数最优解方法处理，得到3种材料在氮磷增效最佳的添加量.

图7 3种供试材料对氮磷同步增效的分析

腐殖质组氮淋出总量回归方程为y=649.11x2-531.65x+215.23(R2=0.991 2)，磷淋出总量回归方程为y=-357.97x2+502.95x-78.413(R2=0.695 3).当添加量占比为51.37%时，氮磷同步增效最好，即水平2最优，相比CK，氮磷淋出量分别增加0.55%、32.52%.蛭石组氮淋出总量回归方程为y=-680.56x2+637.3x-24.978(R2=0.989 7)，磷淋出总量回归方程为y=293.65x2-311.72x+126.41(R2=0.324 9).当添加量占比为48.71%时，氮磷元素同步增效最好，即水平2最优，相比CK，氮磷淋出量分别增加13.98%、1.64%.陶粒组氮淋出总量回归方程y=286.94x2-383.19x+204.61(R2=0.938 9)，磷淋出总量回归方程为y=13.752x2+15.934x+47.062(R2=0.815 2).当添加量占比为73.05%时，氮磷同步增效最好，即水平5最优，相比CK，氮磷淋出量分别减少27.67%、增多21.95%.综合来看，腐殖质对土壤氮磷同步增效最佳，其水平4同步增效最好.

2.3 不同降雨条件下水肥保持分析

不同降雨强度下的水肥保持特性如图8～9所示.

图8 中雨条件下基质水肥保持分析

图9 暴雨条件下基质 水肥保持分析

由图8～9可知，不同降雨强度下最优添加A组和对照CK组的氮磷淋溶浓度均逐渐降低，在第5次淋溶时基本达到平衡状态，且淋溶浓度随降雨强度增加而增加，其中最优添加A组高于对照CK组，可见，混合添加材料有利于增强基质的水肥保持特性.

3 讨 论

基质保水性是基质吸收与保持水分能力的性能，主要受基质自身特性如总孔隙度、容重和有机质等的影响[7].本研究中，供试材料自身特性对基质保水性能影响显著，均对保水性具有一定的提升效果.腐殖质是亲水胶体，可以吸持大量水分，且自身较疏松，又可增加土壤疏松性和通气透水性，进而增强基质的持水能力[9].陶粒表面粗糙，微孔丰富且内部孔隙连通发达，可有效增加水分储存量，从而增加基质保水性[10]；蛭石透气性好，受温度影响变化小，且吸水力强，作为组成材料可使组成基质疏松多孔[11]，有效改善基质结构和孔隙状况，进而改善基质的保水特性.

土壤淋溶是造成氮磷等无机盐流失的重要途径之一.本研究发现3种供试材料对基材的氮磷有一定的滞留、蓄持作用，这主要是由3种材料的本身特性和存在状态决定的.腐殖质是土壤有机质在土壤中形成的一类特殊高分子化合物，一部分呈游离态酸和盐类形式存在，较易流失，而大部分则呈凝胶状与矿质粘粒紧密结合，成为胶体物质而不易被淋溶出来，因此本研究中淋溶初期氮磷淋出量较大，后期逐渐减小；同时，腐殖质含量的增加致使氮磷淋出量的下降幅度逐渐降低，这主要是由于腐殖质具有吸收、交换等多种功能[9]，可以蓄持、增加土壤的氮磷含量，且这种作用随着腐殖质含量增加而增大，这与席梦涵等[12]对不同屋顶绿化单体基质材料对降雨径流氮磷特征影响的研究基本一致.有研究表明，蛭石具有良好的选择性吸附及离子交换性能，吸附能力与表面亲和性紧密相关，且大分子量的可溶性物质与蛭石表面有更强的亲和力，但单位蛭石的离子交换能力有限[11]，因而造成了氮磷淋溶量的上下波动.蒋丽等[13]研究表明，陶粒的吸附作用可以分为物理吸附与化学吸附，物理吸附主要取决于陶粒的多孔性和比表面积，化学吸附作用力则是化学键力，过程相对较慢.本研究中，淋溶初期受陶粒吸附能力限制，氮磷离子还未完全被吸附便被淋洗掉，后期化学吸附作用逐渐加强，故而造成氮磷流失量前大后小的变化趋势；同时，陶粒的表面粗糙，具有一定的内部孔隙，适宜微生物的附着、生长，这也决定了其吸附能力大小.杨欣妍等[14]对陶粒除磷潜力研究发现陶粒的较大孔隙可以为吸附提供更多通道和吸附位点，但吸附过程存在一个平衡点.这与本研究较为一致，各处理水平上氮磷淋出量随陶粒含量的增加呈现波动变化，且在3～4次淋溶后淋出量趋于稳定.

3种供试材料的添加对基质氮磷的增效保持效果明显，其中腐殖质最优，陶粒、蛭石次之，这主要是由氮磷浓度含量和材料最适吸附量决定的.有研究表明，腐殖质不仅可以增加土壤孔隙度，也能显著提高土壤的有效养分含量，在保持土壤肥力和缓冲性方面起着重要的作用[15].杨梦珂等[16]研究发现，当基质类型为有机基质时，除本身具有较高氮磷等养分含量外，富含的纤维等物质还可以将轻型基质颗粒紧密粘结起来，达到保肥效果较佳.本研究与此较为相似，腐殖质作为有机物料在腐殖化过程中所形成的一类复杂而又稳定的大分子有机化合物，分子结构中的功能基团具有亲水性、离子交换性和络合性，起到制约淋溶等作用，也为氮磷的吸附提供了一定的固相表面和离子交换位点，起到了保肥增效的作用[9].蛭石有较强缓冲能力和离子交换能力，矿质营养也可适量释放，对氮磷吸收具有较好的效果.胡曰利等[11]在利用天然蛭石对污水中氨氮吸附去除率的研究中指出，蛭石用量越多，总的吸附性能就大，但存在一个最适平衡点.这与本研究得出的随着蛭石含量增多，氮磷吸附量从增多到趋于稳定，其存在一个最适吸附量结果一致.可见并不是蛭石越多，所能吸附储存的氮磷就越多.陶粒组氮磷淋出量随着陶粒体积的增加呈平稳变化，这可能与本身吸附特性及其内部孔隙微生物有关.有研究表明，陶粒内部孔隙发达且常为球形，堆积时颗粒间更易形成空隙，而孔隙率大的添料的复氧效果较好，多孔填料比表面积较大，利于微生物附着和生长繁殖，而微生物可利用氮磷养分数量有限，进而影响氮磷的变动[17].

屋顶绿化基质的组成材料选取应以通气性好，容重轻、保水保肥能力较优为宜.本研究中，3种供试材料均有保肥增效作用，不同的添加量，效果也不一样.腐殖质占比50%时为最佳.这主要是由于基材的淋溶效果受到其孔隙度影响较大，孔隙度大易导致养分流失加大.杨梦珂等[16]研究发现，蛭石和陶粒由于属于无机基质，性质稳定且自身氮磷含量少，对氮磷淋出量的影响相对较小.腐殖质是形成有机质的高分子有机化合物，随着基质中含量的增加而导致氮淋出量显著变化[9].有研究表明，土壤养分流失量与降雨量具有显著相关性，而降水是氮磷流失的主要动力，降雨条件影响土壤养分的流失量及形态[18].本研究中，在中、强降雨条件下最优比例组氮磷淋溶量的降低幅度大于对照组，可见混合添加材料有利于增强基质的水肥保持特性.这主要是由于腐殖质等添加物料影响了土壤孔隙度和团聚体结构，而团聚体粒径大小、分布及稳定性影响降雨时雨滴的入渗、径流的运移及土壤可蚀性[19].

4 结 论

1)3种供试材料对土壤水分保持、保肥增效均有显著效果.其中腐殖质效果最优，且效果持久，在一定范围内添加量越多，效果越好；当腐殖质添加量占比为50.0%时(即土壤∶腐殖质∶蛭石∶陶粒=2∶4∶1∶1)，3种材料对基质的滞蓄保肥效果最好，较适应用于屋顶绿化生产实践中.

2)3种供试材料可改善基质理化性质，增加孔隙度，改善团粒结构，增加土壤疏松性、通气性和透水性，对降低基质容重和增强水肥保持性能有着积极的影响，有效地提高了水分和养分利用效率，可有效减少面源污染.

3)3种供试材料混合搭配使用可以扬长避短，优化基质结构，在水、气、肥相互协调方面优于单一基质，特别是添加材料间的协同作用最有益于实现水肥的高效耦合并提高屋顶绿化效果.在实际应用时，还应充分考虑实际设计、屋顶承载力并结合种植形式，才可以取得较好的绿化效果和综合效益.