屋頂綠化初綠化基材配方研究

葉建軍，余世孝，劉文利，李業學

(1.襄樊學院 建筑工程學院，湖北 襄樊 441053;2.中山大學生命科學學院，廣東廣州510275;3.電子科技大學中山學院，廣東中山528400)

初綠化形式(extensive green roofs)，也有人翻譯為簡單屋頂綠化形式或拓展型屋頂綠化，是近年來在德國興起和發展起來的屋頂綠化技術[1]，由于栽種以景天科為主的多漿植物[2]，具有載荷輕(小于 150 kg/m2)，不用對下部結構進行加固處理(特別是對上人屋面)、后期管理少、成本低的優點，已經成為歐洲屋頂綠化的主要形式。可以預見，在我國，初綠化也將成為屋頂綠化的主流[3]。

初綠化形式的結構一般分為防水層、泄水層、過濾層、種植層和植被層或者防水層、過濾層、種植層和植被層[4]。泄水層一般使用顆粒較大、空隙率大的材料如陶粒、碎石等，起到排泄多余積水的作用;過濾層一般使用天然或人工合成材料制作的織物，作用是截留種植層中的細顆粒材料，防止土壤流失[5];種植層是支持植物生長并與氣候等因素直接接觸的層次，在屋頂綠化各層中，處于最重要的地位，其材料組成和結構形式是區別屋頂綠化不同形式的關鍵，從結構上分類，一般有3類:基材形式，也稱工程土壤形式(engineering soil)、基材種植板(塊)形式(substrate board);植被毯+基材形式(vegetation matting+substrate)[6];工程土壤形式(engineering soil)由于可用材料眾多，價格便宜，使用靈活，是應用最廣泛的。本研究在總結前人的研究成果的基礎上，歸納出配制初綠化基材的基本配制原則和要求，并在這些原則的指導下，采用盆栽試驗方法，配制了一種新的初綠化基材。

1 初綠化基材——工程土壤的配制原則和要求

綜合國內外有關初綠化基材的配制的文獻[1，5，7]，特別是德國 FLL(2008英文版)的總結[8]，筆者對初綠化基材配制的基本原則和要求進行歸納。

1.1 經濟性原則

要求基材的組成材料廉價、易獲得;綠化施工技術易操作，造價低;綠化維護費用低;不因為屋頂綠化而需要對結構加固處理——要求組成材料輕質。相對于常規屋頂，屋頂綠化費用不能高出太多。出于經濟性考慮，初綠化工程土壤應盡量使用當地材料，并努力實現廢物循環利用[9]。

1.2 持久性原則

這是一個相對的概念，是相對于防水材料的壽命而言的。屋頂綠化應在在防水材料的壽命期限內，不明顯衰退，基材不因水土流失、風化、礦化或腐爛而發生大量減少乃至消失。這就要求屋頂綠化基材應以性質穩定的無機材料為主，含有的易腐爛的有機質不能太多，FLL(2008版)建議不要超過65 g/L[8]。Beattie等建議有機質含量在10%～25%(體積比)[10]。

1.3 環保性原則

基材組成材料應無毒、環保，符合相關環保標準;綠化施工技術不應對環境造成不可接受的危害;屋面徑流應符合國家地表水質要求;屋面不應有揚塵和土壤流失等污染。這就要求屋頂綠化應該使用緩釋肥[11]，且容易污染屋面徑流的有機質含量不能太多;易于造成土壤移動、流失和揚塵的細顆粒土不能太多，FLL(2008版)建議基材中壤土不要超過15%(體積比)[8]，Beattie等(2004)建議基材中有機質含量在10%～25%之間[10]。

1.4 適合屋頂綠化植物生長

基材的含水量、pH 值、含鹽量、養分含量、三相比等指標要符合屋頂綠化植物生長需要。基材有利于植物抗旱和扎根固定。為持續供應養料和減少屋面徑流污染，屋頂綠化施肥應選擇緩釋肥[11]。FLL(2008版)建議初綠化基材指標[8]如表1所示。

1.5 滿足其它功能要求

屋頂綠化基材作為一種人造的工程土壤，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徑流，減輕城市內澇[12];以及吸收徑流中污染物，凈化屋面徑流的功能等[13]。

表1 FLL(2008版)建議初綠化基材指標

這些要求很多時候可以同時兼顧。譬如，要完成吸收和截留部分或全部屋面徑流的功能，就要求屋頂綠化基材多孔，滲透性適中，這與植物生長要求的三相比可以兼顧。但更多時候幾個要求之間是矛盾的，此時，需要在相互矛盾的要求中尋求折中。比如，細顆粒材料(一般是壤土)的含量就是這樣，從植物抗旱和營養保持考慮，含量應該多一些好;可如果考慮基材密度、基材滲透性、水土流失控制等，其含量應該越少越好。折中考慮，就有了上述FLL(2008)建議值。上述有機物含量也是在植物生長需要、屋面環境保護和基材持久性要求的折中。正是考慮這些居多因素，屋頂綠化基材的組成一般為無機輕質粗顆粒材料、經腐爛除臭的有機質、細顆粒材料(一般為壤土)和緩釋肥組成[14]，它們以適當比例組成，能基本兼顧上面的要求。

2 已有的可用作初綠化基材的技術方案及分析

已經公開的發明和其它技術資料提供了幾種可用于初綠化基材的技術方案。(1)以無土輕質礦物材料為主要成分，添加肥料、保水劑等的技術方案(如發明“綠化用無機栽培基質”，申請號:200410072723.9)[14];(2)以農田或耕地表土為主要成分，添加肥料等的技術方案(如發明“一種綠化防漏節能屋面的建構方法”，申請號:96100525.4)[15];(3)以有機質為主要成分，添加長效肥料、保水劑等的技術方案(如發明“一種屋頂綠化基體材料及其制備方法”，專利號:200610019301.4)[16];(4)以固體廢棄物為主要成分，添加長效肥等技術方案，如(“屋頂綠化系統及綠化方法“，申請號:200910063086.1)[17]。殷麗峰等 2006年在《屋頂綠化基質的選擇及綠化種植模式的建立》一文中給出草炭、有機肥料(微生物肥料+蛭石)、珍珠巖、沙等4種材料作為人工輕質材料的原料，但是沒有給出具體配方[18]。上述專利的具體配方詳見參考文獻[3]。

運用前述初綠化基材——工程土壤的配制原則和要求，就會發現上述技術方案存在一些問題。如中國科學院華南植物研究所的“屋頂綠化長效輕型基質配方”使用泥炭土和黃壤土太多，綠化層密度會較大，不能滿足輕質的要求，也不利于土壤保持和屋面環境保護。

另外，泥炭土是北方草原經過多年才形成的腐植質沉積物，開采使用會破壞當地的生態。而且，將泥炭土從遙遠的北方運往南方，是不經濟的;王俊維申請的專利“綠化用無機栽培基質”的配方屬完全無土栽培配方，材料是輕質的，由于沒有添加任何細顆粒材料作為粘結材料和保水保肥材料，綠化層是松散和漏肥漏水的，不利于植物的防風固定和抗旱保肥;武漢理工大學2006年申請的專利“一種屋頂綠化基體材料及其制備方法”主要構成材料是有機物。這在屋頂上是不適合的，因為有機物的快速變質腐爛會污染屋面徑流，進而污染城市水體。并且隨著材料的分解和水流侵蝕，綠化層將很快消失分解，屋頂綠化也隨之退化消失，不具有持久性;殷麗峰在《屋頂綠化基質的選擇及綠化種植模式的建立》一文中給出的配方同樣存在松散、整體性差的問題，草炭(泥炭土的另一稱呼)的使用也是不環保和不經濟的。

通過文獻分析發現，國內科技文獻還沒有報道符合前述初綠化基材——工程土壤的配制原則和要求的技術方案。

3 材料與方法

本研究按照前述的配置原則和要求，采用有代表性植物，用盆栽的形式配制一種適合中部地區氣候條件的基材。考慮到中部地區夏天有連續伏旱數10 d的天氣，需要提高基材的保水性，決定適當提高細顆粒——壤土的含量。為了使壤土能固化，不移動和流失，適量加入少量水泥，加入水泥的想法借鑒了植被混凝土護坡綠化技術[19]。為降低含水泥的基材pH值和提高基材生物活性，新發明了一種屋頂綠化添加劑，本研究同時驗證屋頂綠化添加劑的使用效果。

3.1 試驗材料

陶粒、壤土、酒糟、水泥、緩釋肥及少量屋頂綠化添加劑，黑麥草(Lolium perenne Linn.)和狗牙根〔Cynodon dactylon(Linn.)Pers.〕植物種子和垂盆草(Sedum sarmentosum Bunge)植物。試驗用壤土取自襄樊學院校門外的田野，壤土的基本理化性質見表2。

研究用水泥為襄樊華新水泥有限公司生產的32.5普通硅酸鹽水泥。研究所用酒糟來自于襄樊三九釀造廠，酒糟經過充分腐爛、晾曬處理，沒有臭味。酒糟含水率為10%。試驗選取圓球型膨脹黏土陶粒，其基本技術指標如表3所示。

表2 試驗用壤土指標

表3 試驗用陶粒技術指標

3.1.5 屋頂綠化添加劑 本研究使用專門為屋頂綠化研制的添加劑，功能是調節含水泥的基材pH值和增加基材的生物活性。

3.1.6 植物 選擇狗牙根和黑麥草主要是考慮這兩種草分布廣泛，黑麥草代表冷季型草類，狗牙根代表暖季型草類;而垂盆草代表了景天科植物，被廣泛用在屋頂綠化中[20]。

3.2 試驗方法

為了得到植物所需的最佳配比，于2009年4月12號(氣溫12℃～28℃)在襄樊學院2號樓樓頂進行了黑麥草和狗芽根二種植物的試驗，基材配制所用方法為:以陶粒，壤土，酒糟，水泥為因素，每因素取3個水平(表4)，做無交互作用的正交試驗L934。基材裝入盆口直徑15 cm，盆底直徑12 cm，高20 cm塑料花盆，每配比裝花盆9個(即每配方重復9次)，在基材上表面距離盆口5 cm時，分別撒上黑麥草和狗牙根種子100粒，再在其上覆蓋1 cm基材。種后，每天噴水濕潤一次(各盆用水量一致)，4月22號記錄每盆發芽種子的數目。

隨后，為了驗證選取的配方是否適合景天科植物生長，以及驗證屋頂綠化添加劑是否能促進植物的發芽和生長，取最不利于狗牙根和黑麥草發芽的配方、和該配方+少量屋頂綠化添加劑，分別栽種垂盆草、播種狗牙根和黑麥草，方法同上。4月23號用兩種配方分別栽種6盆垂盆草，每盆栽種3株，栽種時修剪枝蔓，高度3 cm。播種狗牙根和黑麥草各9盆，5月3號計算其發芽率。10月13號測量增長高度。

表4 數據統計因素及水平 L

3.3 數據處理

試驗數據用SPSS 12.0處理，包括極差分析，均值比較(使用配對樣本T檢驗法)，且檢驗前進行方差齊次性檢驗。

4 試驗結果

4.1 正交試驗兩種植物發芽情況

從表5可以看出，狗牙根的發芽率明顯低于黑麥草的發芽率(所有配方中，配方4的t4=tmin=9.6，P4=0.000＜0.05);在水泥用量較大時，狗牙根的發芽率隨水泥用量增加而下降很快，黑麥草的發芽率也下降很快。

對于狗牙根，影響其發芽的 4個因素重要順序是:主D→A→C→B次;只考慮發芽率，最佳配比是A2B3C1D3。對于黑麥草，影響其發芽的4個因素重要順序是:主D→C→A→B次。只考慮發芽率，最佳配比是;兩種草的最不利配方是配方9()。

從配1 、配2、配 3、配 4 以及配7 、配 8、配 9 可以看出，狗牙根的發芽率與水泥—壤土比呈負相關，即單位壤土中水泥的含量越高，狗牙根發芽率越低。但是，從全部配比看，狗牙根的發芽率與水泥—壤土比的相關關系不明顯(圖1)，說明其它兩個因素與水泥—壤土比有相互作用。

圖1 水泥—壤土比與狗牙根和黑麥草發芽率的關系

從配1、配2、配 3以及配 7、配 8、配9可以看出，黑麥草的發芽率與水泥—壤土比呈負相關關系，即單位壤土中水泥的含量越高，黑麥草發芽率越低。但是，從其它配比和全部配比看，黑麥草的發芽率與水泥—壤土比的相關關系不明顯(圖1)，說明其它兩個因素與水泥—壤土比有相互作用。

4.2 3種植物在最不利配方和最不利配方+屋頂綠化添加劑下的發芽和生長情況

試驗用最不利為配方為9(A3B3C2D1)，試驗結果見圖2—3。9盆配方9的狗牙根發芽率為0，黑麥草為6%，6個月平均增高6.5 cm;而9盆配方9+屋頂綠化添加劑狗牙根平均發芽率為42%，6個月平均增高28.5 cm;黑麥草為發芽率70%，6個月平均增高34.7 cm。狗牙根和黑麥草在配方9和配方9+屋頂綠化添加劑下發芽率差異顯著(t黒=67，P=0.000＜0.05);6個月后它們的增長在兩種配方下也差異顯著(t黒 =18，P=0.000＜0.05)。

表5 試驗結果記錄

圖2 兩種植物在兩種配方下的發芽率

表6 幾種配方的理化指標

圖3 3種植物在兩種配方下的生長情況

經過6個月的生長，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+屋頂綠化添加劑的垂盆草也全部存活，平均增高6.8 cm;增高差異顯著(t=5.6，P=0.031＜0.05)

4.3 幾種特征配方基材理化指標

選取最有利于兩種草發芽的配方A2B3C1D3，A2B2C3D2和最不利于兩種草發芽的配方A3B3C2 D1，以及最不利配方A3B3C2D1+屋頂綠化添加劑的配方，測試表6指標。

5 分析與討論

影響兩種植物發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(經檢測，水泥︰壤土=8%時，pH值已經達到9.7)，壤土板結。這兩個因素對植物生長不利。如前所述，水泥的好處是可以固結細顆粒的壤土，防止壤土移動和流失，從而提高基材的養分含量、保水保肥和緩沖性能。因此，水泥的用量應該是在保證植物發芽率(水泥用量越低越好)與保證水泥流失(水泥用量越高越好)之間的平衡。從兩種草類發芽率看，對于耐受堿度與狗牙根相近的植物，基材中水泥—壤土比不宜超過18%;黑麥草耐堿性比狗牙根高，但是，水泥—壤土比也不宜超過23%。

本試驗雖然選取了水泥含量最高的配比栽種了景天植物垂盆草，從試驗結果看，垂盆草的耐堿性能良好。由于國外研究工作已經證明[5]，景天科植物在類似本研究中的無水泥配方中，生長良好，所以，至少可以斷定，垂盆草有很強的基材適應性，能在高水泥—壤土比的基材上栽種和生長，但其它種類的景天科植物的耐堿性如何，還需進一步研究。同樣，對于景天植物的種子在堿性基材上的發芽試驗，也有待進一步研究;另外，沒有研究水泥用量與基材抗蝕性的關系，這在以后研究中需要考慮。

本研究提供的配方含有細顆粒材料比國外提供的15%參考含量高[8]，本研究細顆粒材料含量在19%～35%，從表6可以看出，基材中細顆粒材料越高，有效含水量越高。有利于植物的抗旱。但是，本研究沒有考慮細顆粒材料對基材的滲透性的影響，需要后繼研究探明規律。

試驗中所有配方中狗牙根的發芽率明顯低于黑麥草發芽率，可能的解釋是黑麥草抗堿性比狗牙根強，但是由于狗牙根是暖季型植物，而播種時溫度只有12℃～28℃，影響了狗牙根的發芽率，而且狗牙根種子比黑麥草小很多，跟基材接觸不如黑麥草好，影響種子的吸漲和發芽。究竟哪種因素是主要的，需要進一步研究。

本研究表明屋頂綠化添加劑用在高水泥—壤土比(23%)的基材中，能顯著降低基材堿性，顯著提高兩種草的發芽率，顯著促進垂盆草的生長。但研究只用了一種水泥—壤土比的基材配方，要探明屋頂綠化添加劑的在不同水泥—壤土比的基材中的合適添加量，以及可用的最高水泥—壤土比，還需進一步研究。

6 結論

(1)配制的含水泥土19%～35%的初綠化基材能讓狗牙根和黑麥草發芽有一定發芽率。對于狗牙根，基材中影響其發芽的4個因素重要順序是:主D(水泥)→A(壤土)→C(陶粒)→B(酒糟)次;最佳配比是A2B3C1D3。對于黑麥草，影響其發芽的4個因素重要順序是:主D→C→A→B次，最佳配比是A2B2

C3D2。

(2)基材中水泥的用量對狗牙根和黑麥草的發芽率影響顯著。對于狗牙根，基材中水泥—壤土比不宜超過18%;麥草耐堿性比狗牙根高，但是，基材中水泥—壤土比也不宜超過23%。

(3)垂盆草有很好的耐堿性，能在水泥—壤土比為23%的基材上生長。

(4)屋頂綠化添加劑用于水泥—壤土比為23%的最不利配方A3B3C2D1中，可顯著降低基材堿性，從而極大提高兩種草的發芽率，促進垂盆草的生長。

[1] 瓦爾特?科爾布(德)，塔西洛?施瓦茨(德).屋頂綠化[M].沈陽:遼寧科學技術出版社，2002.

[2] 葉瑞興.淺談城市屋頂綠化的植物配置與設計[J].福建林業科技，2007，34(1):220-223.

[3] 葉建軍，余世孝，郭聲波，等.已有建筑屋頂綠化的探討[J].襄樊學院學報，2009，30(2):65-68.

[4] 維爾弗雷德?舒馬赫.綠色種植屋面在德國[J].中國建筑防水，2005(8):23-25.

[5] Pledge E.Green roofs:ecological design&construction[M].Atglen:Schiffer books，2005.

[6] Molineux J C，Fentiman H C，Gange C A.Characterising alternative recycled waste materials for use as green roof growing media in the U.K.[J].Ecological Engineering，2009，35(10):1507-1513.

[7] Snodgrass E C，Snodgrass L L.Green roof plants:A resource and planting guide[M].USA:Timber Press，2006.

[8] FLL.Duidelines for the planning，construction and maintenance of green roofing(English version)[M].Germany Troisdorf:Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e.V.，2008.

[9] 葉建軍，鄢朝勇，郭聲波.利用固體廢棄物進行屋頂綠化的探討[C]∥海口:中國硅酸鹽學會年會“固體廢棄物在城鎮房屋建筑材料的應用研究”，房建材料分會，2006.

[10] Beattie D，Berghage R.Green roof media characteristics:the basics[C]∥Portland Toronto:Greening rooftops for sustainable commuties，North American green roof conf.，2004.

[11] Emilsson T，Berndtsson J C，Mattsson J E.Effect of using conventional and controlled release fertiliser on nutrient runoff from various vegetated roof systems[J].Ecological Engineering，2007，29(3):260-271.

[12] VanWoert N D，Rowe D B，Andresen J A，et al.Green roof stormwater retention:effects of roof surface，slope，and media depth[J].J.Environ.Qual.，2005，34(3):1036-1044.

[13] 萬靜.屋頂綠化新技術與城市雨水利用[J].技術與市場:園林工程，2005(7):22-25.

[14] 王俊維.綠化用無機栽培基質:中國，200410072723.9[P].2005-05-11.

[15] 吳永良.一種綠化防漏節能屋面的建構方法:中國，96100525.4[P].1996-10-30.

[16] 武漢理工大學.一種屋頂綠化基體材料及其制備方法:中國，200610019301.4[P].2006-11-15.

[17] 葉建軍，許文年，余世孝.屋頂綠化系統及綠化方法:中國，200910063086.1[P].2009-07-08.

[18] 殷麗峰，李樹華.屋頂綠化基質的選擇及綠化種植模式的建立[J].風景園林，2006(4):46-49.

[19] 許文年，葉建軍，周明濤，等.植被混凝土護坡綠化技術若干問題探討[J].水利水電技術，2004，35(10):50-52.

[20] 周偉偉，王雁，杜靜中.干旱脅迫對景天屬植物生理生化特性的影響[J].林業科學研究，2009(6):829-834.