屋顶绿化初绿化基材配方研究

叶建军，余世孝，刘文利，李业学

(1.襄樊学院 建筑工程学院，湖北 襄樊 441053;2.中山大学生命科学学院，广东广州510275;3.电子科技大学中山学院，广东中山528400)

初绿化形式(extensive green roofs)，也有人翻译为简单屋顶绿化形式或拓展型屋顶绿化，是近年来在德国兴起和发展起来的屋顶绿化技术[1]，由于栽种以景天科为主的多浆植物[2]，具有载荷轻(小于 150 kg/m2)，不用对下部结构进行加固处理(特别是对上人屋面)、后期管理少、成本低的优点，已经成为欧洲屋顶绿化的主要形式。可以预见，在我国，初绿化也将成为屋顶绿化的主流[3]。

初绿化形式的结构一般分为防水层、泄水层、过滤层、种植层和植被层或者防水层、过滤层、种植层和植被层[4]。泄水层一般使用颗粒较大、空隙率大的材料如陶粒、碎石等，起到排泄多余积水的作用;过滤层一般使用天然或人工合成材料制作的织物，作用是截留种植层中的细颗粒材料，防止土壤流失[5];种植层是支持植物生长并与气候等因素直接接触的层次，在屋顶绿化各层中，处于最重要的地位，其材料组成和结构形式是区别屋顶绿化不同形式的关键，从结构上分类，一般有3类:基材形式，也称工程土壤形式(engineering soil)、基材种植板(块)形式(substrate board);植被毯+基材形式(vegetation matting+substrate)[6];工程土壤形式(engineering soil)由于可用材料众多，价格便宜，使用灵活，是应用最广泛的。本研究在总结前人的研究成果的基础上，归纳出配制初绿化基材的基本配制原则和要求，并在这些原则的指导下，采用盆栽试验方法，配制了一种新的初绿化基材。

1 初绿化基材——工程土壤的配制原则和要求

综合国内外有关初绿化基材的配制的文献[1，5，7]，特别是德国 FLL(2008英文版)的总结[8]，笔者对初绿化基材配制的基本原则和要求进行归纳。

1.1 经济性原则

要求基材的组成材料廉价、易获得;绿化施工技术易操作，造价低;绿化维护费用低;不因为屋顶绿化而需要对结构加固处理——要求组成材料轻质。相对于常规屋顶，屋顶绿化费用不能高出太多。出于经济性考虑，初绿化工程土壤应尽量使用当地材料，并努力实现废物循环利用[9]。

1.2 持久性原则

这是一个相对的概念，是相对于防水材料的寿命而言的。屋顶绿化应在在防水材料的寿命期限内，不明显衰退，基材不因水土流失、风化、矿化或腐烂而发生大量减少乃至消失。这就要求屋顶绿化基材应以性质稳定的无机材料为主，含有的易腐烂的有机质不能太多，FLL(2008版)建议不要超过65 g/L[8]。Beattie等建议有机质含量在10%～25%(体积比)[10]。

1.3 环保性原则

基材组成材料应无毒、环保，符合相关环保标准;绿化施工技术不应对环境造成不可接受的危害;屋面径流应符合国家地表水质要求;屋面不应有扬尘和土壤流失等污染。这就要求屋顶绿化应该使用缓释肥[11]，且容易污染屋面径流的有机质含量不能太多;易于造成土壤移动、流失和扬尘的细颗粒土不能太多，FLL(2008版)建议基材中壤土不要超过15%(体积比)[8]，Beattie等(2004)建议基材中有机质含量在10%～25%之间[10]。

1.4 适合屋顶绿化植物生长

基材的含水量、pH 值、含盐量、养分含量、三相比等指标要符合屋顶绿化植物生长需要。基材有利于植物抗旱和扎根固定。为持续供应养料和减少屋面径流污染，屋顶绿化施肥应选择缓释肥[11]。FLL(2008版)建议初绿化基材指标[8]如表1所示。

1.5 满足其它功能要求

屋顶绿化基材作为一种人造的工程土壤，往往需要完成一些其它的功能，如吸收、截留部分或全部屋面径流，减轻城市内涝[12];以及吸收径流中污染物，净化屋面径流的功能等[13]。

表1 FLL(2008版)建议初绿化基材指标

这些要求很多时候可以同时兼顾。譬如，要完成吸收和截留部分或全部屋面径流的功能，就要求屋顶绿化基材多孔，渗透性适中，这与植物生长要求的三相比可以兼顾。但更多时候几个要求之间是矛盾的，此时，需要在相互矛盾的要求中寻求折中。比如，细颗粒材料(一般是壤土)的含量就是这样，从植物抗旱和营养保持考虑，含量应该多一些好;可如果考虑基材密度、基材渗透性、水土流失控制等，其含量应该越少越好。折中考虑，就有了上述FLL(2008)建议值。上述有机物含量也是在植物生长需要、屋面环境保护和基材持久性要求的折中。正是考虑这些居多因素，屋顶绿化基材的组成一般为无机轻质粗颗粒材料、经腐烂除臭的有机质、细颗粒材料(一般为壤土)和缓释肥组成[14]，它们以适当比例组成，能基本兼顾上面的要求。

2 已有的可用作初绿化基材的技术方案及分析

已经公开的发明和其它技术资料提供了几种可用于初绿化基材的技术方案。(1)以无土轻质矿物材料为主要成分，添加肥料、保水剂等的技术方案(如发明“绿化用无机栽培基质”，申请号:200410072723.9)[14];(2)以农田或耕地表土为主要成分，添加肥料等的技术方案(如发明“一种绿化防漏节能屋面的建构方法”，申请号:96100525.4)[15];(3)以有机质为主要成分，添加长效肥料、保水剂等的技术方案(如发明“一种屋顶绿化基体材料及其制备方法”，专利号:200610019301.4)[16];(4)以固体废弃物为主要成分，添加长效肥等技术方案，如(“屋顶绿化系统及绿化方法“，申请号:200910063086.1)[17]。殷丽峰等 2006年在《屋顶绿化基质的选择及绿化种植模式的建立》一文中给出草炭、有机肥料(微生物肥料+蛭石)、珍珠岩、沙等4种材料作为人工轻质材料的原料，但是没有给出具体配方[18]。上述专利的具体配方详见参考文献[3]。

运用前述初绿化基材——工程土壤的配制原则和要求，就会发现上述技术方案存在一些问题。如中国科学院华南植物研究所的“屋顶绿化长效轻型基质配方”使用泥炭土和黄壤土太多，绿化层密度会较大，不能满足轻质的要求，也不利于土壤保持和屋面环境保护。

另外，泥炭土是北方草原经过多年才形成的腐植质沉积物，开采使用会破坏当地的生态。而且，将泥炭土从遥远的北方运往南方，是不经济的;王俊维申请的专利“绿化用无机栽培基质”的配方属完全无土栽培配方，材料是轻质的，由于没有添加任何细颗粒材料作为粘结材料和保水保肥材料，绿化层是松散和漏肥漏水的，不利于植物的防风固定和抗旱保肥;武汉理工大学2006年申请的专利“一种屋顶绿化基体材料及其制备方法”主要构成材料是有机物。这在屋顶上是不适合的，因为有机物的快速变质腐烂会污染屋面径流，进而污染城市水体。并且随着材料的分解和水流侵蚀，绿化层将很快消失分解，屋顶绿化也随之退化消失，不具有持久性;殷丽峰在《屋顶绿化基质的选择及绿化种植模式的建立》一文中给出的配方同样存在松散、整体性差的问题，草炭(泥炭土的另一称呼)的使用也是不环保和不经济的。

通过文献分析发现，国内科技文献还没有报道符合前述初绿化基材——工程土壤的配制原则和要求的技术方案。

3 材料与方法

本研究按照前述的配置原则和要求，采用有代表性植物，用盆栽的形式配制一种适合中部地区气候条件的基材。考虑到中部地区夏天有连续伏旱数10 d的天气，需要提高基材的保水性，决定适当提高细颗粒——壤土的含量。为了使壤土能固化，不移动和流失，适量加入少量水泥，加入水泥的想法借鉴了植被混凝土护坡绿化技术[19]。为降低含水泥的基材pH值和提高基材生物活性，新发明了一种屋顶绿化添加剂，本研究同时验证屋顶绿化添加剂的使用效果。

3.1 试验材料

陶粒、壤土、酒糟、水泥、缓释肥及少量屋顶绿化添加剂，黑麦草(Lolium perenne Linn.)和狗牙根〔Cynodon dactylon(Linn.)Pers.〕植物种子和垂盆草(Sedum sarmentosum Bunge)植物。试验用壤土取自襄樊学院校门外的田野，壤土的基本理化性质见表2。

研究用水泥为襄樊华新水泥有限公司生产的32.5普通硅酸盐水泥。研究所用酒糟来自于襄樊三九酿造厂，酒糟经过充分腐烂、晾晒处理，没有臭味。酒糟含水率为10%。试验选取圆球型膨胀黏土陶粒，其基本技术指标如表3所示。

表2 试验用壤土指标

表3 试验用陶粒技术指标

3.1.5 屋顶绿化添加剂 本研究使用专门为屋顶绿化研制的添加剂，功能是调节含水泥的基材pH值和增加基材的生物活性。

3.1.6 植物 选择狗牙根和黑麦草主要是考虑这两种草分布广泛，黑麦草代表冷季型草类，狗牙根代表暖季型草类;而垂盆草代表了景天科植物，被广泛用在屋顶绿化中[20]。

3.2 试验方法

为了得到植物所需的最佳配比，于2009年4月12号(气温12℃～28℃)在襄樊学院2号楼楼顶进行了黑麦草和狗芽根二种植物的试验，基材配制所用方法为:以陶粒，壤土，酒糟，水泥为因素，每因素取3个水平(表4)，做无交互作用的正交试验L934。基材装入盆口直径15 cm，盆底直径12 cm，高20 cm塑料花盆，每配比装花盆9个(即每配方重复9次)，在基材上表面距离盆口5 cm时，分别撒上黑麦草和狗牙根种子100粒，再在其上覆盖1 cm基材。种后，每天喷水湿润一次(各盆用水量一致)，4月22号记录每盆发芽种子的数目。

随后，为了验证选取的配方是否适合景天科植物生长，以及验证屋顶绿化添加剂是否能促进植物的发芽和生长，取最不利于狗牙根和黑麦草发芽的配方、和该配方+少量屋顶绿化添加剂，分别栽种垂盆草、播种狗牙根和黑麦草，方法同上。4月23号用两种配方分别栽种6盆垂盆草，每盆栽种3株，栽种时修剪枝蔓，高度3 cm。播种狗牙根和黑麦草各9盆，5月3号计算其发芽率。10月13号测量增长高度。

表4 数据统计因素及水平 L

3.3 数据处理

试验数据用SPSS 12.0处理，包括极差分析，均值比较(使用配对样本T检验法)，且检验前进行方差齐次性检验。

4 试验结果

4.1 正交试验两种植物发芽情况

从表5可以看出，狗牙根的发芽率明显低于黑麦草的发芽率(所有配方中，配方4的t4=tmin=9.6，P4=0.000＜0.05);在水泥用量较大时，狗牙根的发芽率随水泥用量增加而下降很快，黑麦草的发芽率也下降很快。

对于狗牙根，影响其发芽的 4个因素重要顺序是:主D→A→C→B次;只考虑发芽率，最佳配比是A2B3C1D3。对于黑麦草，影响其发芽的4个因素重要顺序是:主D→C→A→B次。只考虑发芽率，最佳配比是;两种草的最不利配方是配方9()。

从配1 、配2、配 3、配 4 以及配7 、配 8、配 9 可以看出，狗牙根的发芽率与水泥—壤土比呈负相关，即单位壤土中水泥的含量越高，狗牙根发芽率越低。但是，从全部配比看，狗牙根的发芽率与水泥—壤土比的相关关系不明显(图1)，说明其它两个因素与水泥—壤土比有相互作用。

图1 水泥—壤土比与狗牙根和黑麦草发芽率的关系

从配1、配2、配 3以及配 7、配 8、配9可以看出，黑麦草的发芽率与水泥—壤土比呈负相关关系，即单位壤土中水泥的含量越高，黑麦草发芽率越低。但是，从其它配比和全部配比看，黑麦草的发芽率与水泥—壤土比的相关关系不明显(图1)，说明其它两个因素与水泥—壤土比有相互作用。

4.2 3种植物在最不利配方和最不利配方+屋顶绿化添加剂下的发芽和生长情况

试验用最不利为配方为9(A3B3C2D1)，试验结果见图2—3。9盆配方9的狗牙根发芽率为0，黑麦草为6%，6个月平均增高6.5 cm;而9盆配方9+屋顶绿化添加剂狗牙根平均发芽率为42%，6个月平均增高28.5 cm;黑麦草为发芽率70%，6个月平均增高34.7 cm。狗牙根和黑麦草在配方9和配方9+屋顶绿化添加剂下发芽率差异显著(t黒=67，P=0.000＜0.05);6个月后它们的增长在两种配方下也差异显著(t黒 =18，P=0.000＜0.05)。

表5 试验结果记录

图2 两种植物在两种配方下的发芽率

表6 几种配方的理化指标

图3 3种植物在两种配方下的生长情况

经过6个月的生长，6盆配方9的垂盆草全部存活，平均增高1.7 cm，而6盆配方9+屋顶绿化添加剂的垂盆草也全部存活，平均增高6.8 cm;增高差异显著(t=5.6，P=0.031＜0.05)

4.3 几种特征配方基材理化指标

选取最有利于两种草发芽的配方A2B3C1D3，A2B2C3D2和最不利于两种草发芽的配方A3B3C2 D1，以及最不利配方A3B3C2D1+屋顶绿化添加剂的配方，测试表6指标。

5 分析与讨论

影响两种植物发芽最主要的因素是水泥，水泥在基材里存在，可以引起壤土pH值升高(经检测，水泥︰壤土=8%时，pH值已经达到9.7)，壤土板结。这两个因素对植物生长不利。如前所述，水泥的好处是可以固结细颗粒的壤土，防止壤土移动和流失，从而提高基材的养分含量、保水保肥和缓冲性能。因此，水泥的用量应该是在保证植物发芽率(水泥用量越低越好)与保证水泥流失(水泥用量越高越好)之间的平衡。从两种草类发芽率看，对于耐受碱度与狗牙根相近的植物，基材中水泥—壤土比不宜超过18%;黑麦草耐碱性比狗牙根高，但是，水泥—壤土比也不宜超过23%。

本试验虽然选取了水泥含量最高的配比栽种了景天植物垂盆草，从试验结果看，垂盆草的耐碱性能良好。由于国外研究工作已经证明[5]，景天科植物在类似本研究中的无水泥配方中，生长良好，所以，至少可以断定，垂盆草有很强的基材适应性，能在高水泥—壤土比的基材上栽种和生长，但其它种类的景天科植物的耐碱性如何，还需进一步研究。同样，对于景天植物的种子在碱性基材上的发芽试验，也有待进一步研究;另外，没有研究水泥用量与基材抗蚀性的关系，这在以后研究中需要考虑。

本研究提供的配方含有细颗粒材料比国外提供的15%参考含量高[8]，本研究细颗粒材料含量在19%～35%，从表6可以看出，基材中细颗粒材料越高，有效含水量越高。有利于植物的抗旱。但是，本研究没有考虑细颗粒材料对基材的渗透性的影响，需要后继研究探明规律。

试验中所有配方中狗牙根的发芽率明显低于黑麦草发芽率，可能的解释是黑麦草抗碱性比狗牙根强，但是由于狗牙根是暖季型植物，而播种时温度只有12℃～28℃，影响了狗牙根的发芽率，而且狗牙根种子比黑麦草小很多，跟基材接触不如黑麦草好，影响种子的吸涨和发芽。究竟哪种因素是主要的，需要进一步研究。

本研究表明屋顶绿化添加剂用在高水泥—壤土比(23%)的基材中，能显著降低基材碱性，显著提高两种草的发芽率，显著促进垂盆草的生长。但研究只用了一种水泥—壤土比的基材配方，要探明屋顶绿化添加剂的在不同水泥—壤土比的基材中的合适添加量，以及可用的最高水泥—壤土比，还需进一步研究。

6 结论

(1)配制的含水泥土19%～35%的初绿化基材能让狗牙根和黑麦草发芽有一定发芽率。对于狗牙根，基材中影响其发芽的4个因素重要顺序是:主D(水泥)→A(壤土)→C(陶粒)→B(酒糟)次;最佳配比是A2B3C1D3。对于黑麦草，影响其发芽的4个因素重要顺序是:主D→C→A→B次，最佳配比是A2B2

C3D2。

(2)基材中水泥的用量对狗牙根和黑麦草的发芽率影响显著。对于狗牙根，基材中水泥—壤土比不宜超过18%;麦草耐碱性比狗牙根高，但是，基材中水泥—壤土比也不宜超过23%。

(3)垂盆草有很好的耐碱性，能在水泥—壤土比为23%的基材上生长。

(4)屋顶绿化添加剂用于水泥—壤土比为23%的最不利配方A3B3C2D1中，可显著降低基材碱性，从而极大提高两种草的发芽率，促进垂盆草的生长。

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