模块式立体绿化基质筛选

蒋 慧,黎国健,罗旭荣

(深圳市方格生态环境有限公司,广东深圳 518035)

立体绿化是指以建(构)筑物为载体,以植物材料为主体营建的各种绿化形式的总称,其最大的特点是脱离土壤环境,在建(构)筑物上种植植物[1]。虽然立体绿化的体量面积较小,但这种直接依附于建筑物的绿化形式,能够更直接地在夏季建筑物高温能耗时起到缓解的作用,通过植物对太阳辐射的吸收、反射以及遮挡,有效地降低建筑物表面温度,降低建筑物空调等能耗的使用率。在快速发展的城市化进程中,模块式立体绿化作为建筑的有机组成部分,以其施工便捷灵活、景观效果见效快、维护管理方便等优势,在绿色建筑中占据重要的地位[2]。这种绿化形式不仅具有美化硬质建筑外观、改善环境的作用,又可以减少建筑能耗,提高节能减排的效率[3]。 由于脱离了地面土壤环境,模块式立体绿化的基质对于植物生长十分重要,不仅在有限的生长空间为植物提供生长所需的水、肥、气、热等生长条件,还起到固定和支撑植物的作用。所以模块式立体绿化基质的筛选是保障植物可持续景观的重要基础。

模块式立体绿化是指以沿着建筑墙体搭建钢结构骨架作为支撑体系,采用模块式单元种植槽,并添加基质作为植物生长的基础。整个系统的单元通过构件连接安装,并采用自动控制滴灌系统,对植物的生长进行人工控制管理[4]。目前,关于立体绿化集成技术的研究已有一定的成果,作为模块式立体绿化,模块结构、灌溉系统以及基质是影响其景观持续效果的重要因素[5]。植物因地制宜的选择也很重要。相对于地面绿化,模块式立体绿化的植物处于建筑物的立面上甚至高空中,其赖以生存的基质除满足上述植物生长的基本要求外,还需要满足质量轻、抗降解、整体稳定性好的要求[6]。具体表现在具有比较理想的理化性质,如总孔隙度、透气性、持水性、肥力达到一定的要求,以及为了保证立面结构安全的基质荷载要求,通常用饱和容重来进行判断。由于模块式单元种植槽的基质处在立面的高空环境,所以应充分考虑后期维护的便捷及管理成本,基质还具备不易降解、不易松散稳定性好的特点。作为人工选择的基质材料也应考虑具有经济实用、环境友好等优点[7]。

立体绿化植物生长介质来源主要是两类:一个是水,以“垂直绿化之父”帕特里特·布兰克为代表的毛毡式立体绿化,不使用基质土壤,通过输送水分和营养液来支撑植物生长;另一个是基质,这是大部分立体绿化采用的方式。立体绿化基质的发展经历了传统基质、复配基质再到塑形基质的过程。关于立体绿化基质,国内没有统一的规范和标准,目前相对权威的是深圳市2021年发布的《立体绿化工程验收规程》(DB4403/T 178—2021)地方标准。该规程规定了立体绿化工程的验收程序、验收记录、验收评价、常规项目验收和分项验收的要求,其中包括对立体绿化基质的相关要求。而在实际工程运用中基质使用仍不规范,部分基质是苗木带黄土外包裹一圈泥炭土,有些基质比较松散无法固定植物根系、有机质含量较高导致基质流失严重,有些基质保水性较差,植物景观效果难以持续。由于立体绿化苗木培育没有形成专门的标准化生产,依赖于传统苗木的培育流程。所以在这种环境下培育的立体绿化苗木基质也不一定符合相关要求。苗圃育苗基质不能满足上墙植物基质的要求,导致植物上墙后出现各种因基质理化性质差异较大生长不良的问题。所以,标准化的基质配比有利于立体绿化植物持续稳定的生长,保证植物的长期效果,真正发挥生态环境价值。

立体绿化技术是一个跨行业、跨领域、不断创新的技术大合集,随着科技的进步和材料科学的发展,不同类型的种植基质材料也层出不穷,它们在不同程度上解决了传统基质的易流失、理化性质差等问题[8]。现阶段市场上比较新型的立体绿化基质材料为塑形基质,如脲醛树脂类基质(美植砖)、聚酯纤维类基质(垒土)、聚氨酯类基质(保浮科乐、水弹土、黑绵土、土非土)[9]。其中聚氨酯塑形基质是目前发展较快的一类立体绿化基质材料,具有质量轻、保水性好、透气率高的优点,非常符合立体绿化基质的要求,而且更加干净,可塑性高。由于塑形基质也存在一定的缺陷,如聚氨酯类基质在极端环境下存在失水收缩的风险、营养成分低,脲醛树脂类基质有害物质超标以及生产能耗高、成本较高等原因,推广应用受到一定的限制[10]。对于室外立体绿化基质仍以复配轻型基质为主。笔者分析泥炭、牛粪木粒、椰糠、药渣、木粒、珍珠岩、松树皮、有机肥按照一定比例形成的复配基质的理化性质,研究不同基质配方对常见立体绿化植物生长的影响,筛选出适宜模块式立体绿化植物生长的栽培基质,为模块式立体绿化的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料供试植物材料为立体绿化常用的生长一致的植物:小蚌兰、红檵木、鸭脚木。供试基质材料为4种复配基质,成分种类包括泥炭、牛粪木粒、药渣、椰糠、木粒、珍珠岩、松树皮、有机肥。具体配方比例见表1。

表1 4种基质配方比例

1.2 试验方法试验于2022年2月17日在惠州博罗苗圃基地进行,2月17日至3月5日,试验苗在立体绿化模块中进行预培,试验环境为温室大棚(图1)。试验苗木为小蚌兰、红檵木、鸭脚木。共设置4个基质处理,每种处理3种植物,每个模块可种植16棵植物,每种处理重复16次。3月6日筛选长势一致的模块植物在室外进行上墙试验(图2),从左至右依次为T1～T4。期间植物给水采用自动滴管系统,保证基质水分充足,即3月6日—3月28日,每7 d灌溉2次,每次15 min。3月29日—5月29日,每7 d灌溉3次,周一、周四、周日自动灌溉,每次15 min。5月30日—6月17日,每天浇水1次,每次15 min。整个试验周期120 d。记录不同基质植物120 d后的生长高度、冠幅和成活率。

图1 在温室大棚培育的试验植物Fig.1 Experimental plants reared in a greenhouse

图2 上墙试验的植物Fig.2 Plants tested on the wall

1.3 测定指标与方法

1.3.1理化性质评价法。基质理化性质评价方法是根据基质水肥气热的属性来综合考虑植物生长的环境,理想的基质理化指标:容重0.1～0.8 g/cm3, 总孔隙度>75%, 持水孔隙度>60%,通气孔隙度>15%,大小孔径比1∶1.5～1∶4.0,pH 6.0～7.5, C/N<30,最好在25左右,电导率(EC值)1.0～2.5 mS/cm,阳离子代换量(CEC值)300～1 000 mmol/kg。

在理化性质评价时,除参考上述理想基质的理化性质外,在同类别的理化性质指标上以《立体绿化工程验收规程》为准。具体要求见表2。

表2 立体绿化基质理化性质要求

1.3.2生长指标评价法。通过记录4种配方基质栽培的植物生长高度、冠幅、成活率,分析不同配方的基质对植物生长的影响,根据立体绿化对植物生长的要求,筛选出植物生长速度适中、植物生长状态良好的基质。

2 结果与分析

2.1 理化性质评价法4种不同配比基质常用理化性质见表3。饱和容重是指材料的孔隙充满水时的单位体积重量。该体积重量值体现了基质饱和湿度时的荷载,是衡量基质轻型安全的重要指标。当饱和湿度时的荷载超过安全范围时,会加重模块式立体绿化结构的负担,从而造成一定的安全隐患。所以模块式立体绿化基质第一个重要的指标是符合安全范围的荷载。根据深圳市《立体绿化工程验收规程》,立体绿化基质饱和容重低于0.80～1.50 g/cm3,属于安全荷载的范围。从表3可以看出,4种基质的饱和容重均符合安全要求,最轻质的是T3配方,其次是T1。

表3 4种配方理化性质

总孔隙度是指基质中通气孔隙与持水孔隙的总和,以孔隙体积占基质总体积的百分比来表示。总孔隙度增大则说明基质比较疏松,能容纳更多的空气和水,有利于植物根系生长,同时基质的稳固性会较差,容易出现植物漂浮的情况。反之,则基质较重而紧密,水分和空气的体积量相对变小,不利于根系伸展和呼吸。总之总孔隙度过大或者过小都不利于植物的生长。从表3可以看出,T2、T3、T4的总孔隙度差异不大,均在0.65～0.68,T2的持水性明显差于其他配方,T4的持水性较好,而通气性相对较差。通过对比理想基质的要求,综合总孔隙度、持水性和通气性,配方T1最接近理想基质的要求,其次是T3。

有机质含量对于模块式立体绿化而言是在满足植物生长的基础上,尽量减少有机质的基质含量。根据工程项目经验,随着植物的生长,有机质含量高的基质容易发生基质沉降现象,被降解吸收的有机质导致整体基质含量变少,即能够提供给植物持续有效生长的基质也会变少,最终会对高空立面上的植物产生不良影响。根据表2模块式立体绿化种植基质理化性质要求,有机质含量在30～100 g/kg比较适宜,从表3可以看出,各基质配方有机质含量为T1>T3>T4>T2。

基质的pH是基质酸度和碱度的总称,主要是用来衡量基质酸性和碱性反应的强弱。基质的pH正常范围在4.50～9.50。我国土壤pH有明显的南北差异。长江以南地区一般为酸性或者强酸性的土壤。根据表2模块式立体绿化种植基质理化性质要求,模块式立体绿化的基质pH在5.50～8.00较适合。从表3可以看出,T4配方pH为4.38,低于正常范围,T2配方最理想,其他均低于5.50,表现为酸性土壤。

阳离子代换量(CEC值)是预测植物养分在土壤中有效性和保持能力的基本土壤性质。它是有效养分供应的潜力,而不是对有效养分的直接测量。CEC值说明土壤黏土颗粒上保留的阳离子,这些阳离子可以与土壤溶液中的阳离子交换。向土壤中添加肥料会增加土壤溶液中养分的浓度,一方面可以供给植物根系吸收,另一方面也同时增加养分向黏土颗粒移动并储存。所以土壤黏土颗粒保留阳离子的能力越高,其为植物持续提供养分的能力就越强。从表3可以看出,4种基质的CEC值均在合理范围,其中T2配方的CEC值最低,说明其为植物持续提供养分的能力可能较差。

电导率(EC值)常用来表示基质盐分。由于EC值反映的只是可溶性盐离子的浓度,而土壤中的有机质或尿素这类分子态的物质是不能导电的,所以EC值低,不一定代表基质缺肥,需要具体情况具体分析。但如果EC值太高,土壤的可溶性盐离子会影响植物的生长。根据表2模块式立体绿化基质理化性质要求,立体绿化基质EC值在1.00～1.50 mS/cm比较适宜。从表3可以看出,配方T1和T4中可溶性盐离子的浓度过高,超过理想指标范围。

2.2 生长指标评价法模块式立体绿化的基质是植物在有限的生长空间中最直接的生长来源,为植物提供生长所需的水、肥、气、热等生长条件。相较于理化性质的对比,通过植物的生长应用情况指标可以更加直观地反映基质对植物的影响,从而筛选出既能够保障植物生长又能发挥其观赏价值的基质。4种不同基质对植物生长的影响见图3。从图3可以看出,3月6日上墙试验,植物生长状态比较一致。植物上墙适应一段时间后,4月14日,T2基质的小蚌兰和鸭脚木叶偏黄,长势不佳。T4基质鸭脚木叶偏黄,长势一般。T3基质的植物生长良好,T1基质小蚌兰和鸭脚木长势很好,鸭脚木叶色翠绿而浓密,小蚌兰叶片肥厚,与其他组存在明显差异。经过60 d以上的生长,5月21日T2基质的小蚌兰和鸭脚木叶色明显偏黄,长势不佳。T4基质鸭脚木叶色也不正常,变黄。T1和T3基质的3种植物长势均较良好。植物生长效果表现为T1>T3>T4>T2。

注:从左到右为基质T1～T4。Note:Matrix T1-T4 from left to right.图3 4种不同基质配方对小蚌兰、红檵木和鸭脚木生长的影响Fig.3 Effects of four different substrate formulations on the growth of Pterygium japonicum,Stepparent japonicum and Pterygium japonicum

通过3种植物的株高、冠幅、成活率来进一步观察不同基质配比的效果。小蚌兰上墙前的株高是13.5 cm,从图4可以看出,T1配比的小蚌兰120 d株高增长了3.0 cm,T2配比的小蚌兰株高增长了0.5 cm,T3配比的小蚌兰株高增长了1.0 cm,T4配比的小蚌兰株高增长了0.5 cm。株高增幅表现为T1>T3>T4=T2。鸭脚木上墙前的株高是15.0 cm,T1配比的鸭脚木120 d株高增长了24.0 cm,T2配比的鸭脚木株高增长了2.0 cm,T3配比的鸭脚木株高增长了6.5 cm,T4配比的鸭脚木株高增长了9.0 cm。株高增幅表现为T1>T4>T3>T2。红檵木上墙前的株高是32.5 cm,T1配比的红檵木120 d株高增长了4.0 cm,T2配比的红檵木株高增长了1.0 cm,T3配比的红檵木株高增长了1.5 cm,T4配比的红檵木株高增长了1.0 cm。株高增幅表现为T1>T3>T2=T4。

图4 不同配比基质3种植物株高的变化Fig.4 Changes in height of three plants with different proportioning substrates

整体而言,T1配方的基质植物株高增幅明显优于其他配比,T3配方的植物长势也较良好,而T2配方的基质植物株高生长明显较差。

小蚌兰上墙前的冠幅是14.5 cm,从图5可以看出,T1配比的小蚌兰120 d冠幅增长了11.0 cm,T2配比的小蚌兰冠幅减少了3.0 cm,T3配比的小蚌兰冠幅增长了6.5 cm,T4配比的小蚌兰冠幅增长了3.0 cm。冠幅增幅表现为T1>T3>T4>T2。鸭脚木上墙前的冠幅是15.0 cm,T1配比的鸭脚木120 d冠幅增长了12.0 cm,T2配比的鸭脚木冠幅减少了3.0 cm,T3配比的鸭脚木冠幅增长了8.0 cm,T4配比的鸭脚木冠幅增长了4.0 cm。冠幅增幅表现为T1>T3>T4>T2。红檵木上墙前的冠幅是12.0 cm,T1配比的红檵木120 d冠幅增长了1.5 cm,T2配比的红檵木冠幅增长了0.5 cm,T3配比的红檵木冠幅增长了6.5 cm,T4配比的红檵木冠幅增长了8.5 cm。冠幅增幅表现为T4>T3>T1>T2。

图5 不同配比基质3种植物冠幅的变化Fig.5 Changes of crown breadth of three plants with different proportioning substrates

从图6可以看出,鸭脚木在不同基质的成活率均为100%,小蚌兰在T1、T2、T3、T4基质中成活率分别为94%、75%、100%、94%。红檵木在不同基质成活率分别为88%、94%、100%、100%。基质对不同植物的成活率影响较小,可能与植物品种和种植方式有一定关系。

图6 不同配比基质3种植物成活率的变化Fig.6 Changes of survival rate of three plants with different proportioning substrates

3 结论与讨论

对模块式立体绿化4种不同配比基质的理化性质研究结果表明,基质的理化性质对筛选基质具有重要的指导作用。4种基质中,T1配方在饱和容重、总孔隙度、持水性、通气性等性状上比较理想。CEC值为714 mmol/kg,在4种基质中仅次于T3,这说明T1配方基质为植物提高可持续养分的潜力较强。这也与该配方基质的植物生长速度最快的结果较符合。但T1配方的基质EC值为2.76 mS/cm,不仅超过了理想基质的范围,而且是《立体绿化工程验收规程》中模块式立体绿化指标的1.84倍。基质中较高的EC值,会对植物生长产生影响。T2配方的pH是4种基质中最理想的,但也是有机质含量最低、CEC值最低、持水性最差的。土壤的pH对CEC值的影响较大,一般而言,土壤pH为3.5～4.0时CEC最低,并随着pH的升高而增加。T2配方的pH最高,而CEC值最低,说明与其他基质相比该基质配方为植物持续提供养分的能力较差,这也与后续植物生长较差较符合。T3配方在饱和容重、总孔隙度、持水性、通气性等物理性质上也比较理想,有机质含量仅次于T1配方,且CEC值最高,综合表明该配方能够持续地为植物生长提供养分的潜力较强。除pH偏酸性,其他各方面指标都比较理想,这也与植物生长状态良好的情况相符合。T4配方基质通气性相对较差,pH最小偏酸性,有机质含量及CEC值属于中等。综合4种基质配方的理化性质,T3属于相对较理想的基质,其他配方基质有比较明显的缺陷,如T2配方基质养分明显较低,T1配方的 EC值过高,存在一定的植物危害风险。T4配方pH太低,通气性较差,植物容易生长不良。

从植物生长指标来筛选基质是最直观的一个方式。经过120 d的上墙观察,表明不同基质对植物生长影响较大。从植物冠幅、株高来看,T1配方的基质表现最佳。其次是T3,而植物生长较差是T2和T4配方,都不同程度地出现了黄叶、生长缓慢等不良现象。立体绿化植物生长是在有限的空间去营造一个人工控制的环境,对于植物景观的要求与地面景观有一定差异。在立面面积有限的空间,植物的密度比一般地面上的密度高,可供植物生长的空间比较有限,植物之间存在的竞争更加明显。植物冠幅和株高生长过快会加大植物修剪维护成本,这对于高空的立体绿化项目而言,还存在一定的危险性。根据《立体绿化管养规范》模块式立体绿化一般一级养护每年修剪至少 2 次,二级养护每年修剪至少 1 次。高空的立体绿化植物修剪次数宜适当。从4种基质配方的植物生长效果来看,T1配方的植物在120 d的试验期内株高、冠幅生长最快,特别是长势较好的鸭脚木和红檵木冠幅和株高远超过了模块生长空间,达到了要修剪的程度。所以综合植物的株高、冠幅、植物长势以及维护成本,T3配方最适宜。

综上所述,通过比较4种不同基质的理化性质和对植物生长的影响,表明T3配方即泥炭∶松树皮∶有机肥为6∶2∶2比较符合模块式立体绿化植物的要求,可适当提高基质的pH,以满足更多植物的需求。通过规范化标准化的基质配比,为模块式立体绿化植物提供可持续的养分环境,才能从根本上保证植物的景观效果,推动立体绿化的健康发展。