綠色屋頂基質成分的選擇對屋頂徑流的改善效應

薛明珂，CLAIRE Farrell，李思芹

（1.楊凌職業技術學院，陜西楊凌712100；2.墨爾本大學，澳大利亞墨爾本3122；3.廈門市園林植物園，福建廈門361000）

綠色屋頂是放置在建筑屋頂表面的人工植被層，是用來緩和城市熱島效應帶來的負面影響。設計合理的綠色屋頂具有改善環境、社會、美學和經濟上的效益，如管理雨水、改善空氣質量、減少熱島效應、增加城市環境中的綠色空間和降低建筑能耗等[1-2]。因此，綠色屋頂是當前全世界較為感興趣的話題，但對綠色屋頂領域的研究還比較有限，前期研究大多在歐洲國家進行[3]，這些建造在不同國家的商業綠色屋頂內部的組件均從其他國家進口。但是，在沒有適當研究背景和使用進口部件的情況下，開發的商業綠色屋頂在較長一段時間內會受到影響，或在綠色屋頂本該體現的性能上會有所減弱。因此，在綠色屋頂領域的研究需要進行更深入的探索。

綠色屋頂包括幾個部分，其中，基質和植被是最重要的。考慮到綠色屋頂暴露在陽光直射下以及屋頂上惡劣的天氣條件，綠色屋頂的理想基質和植被要求具有鮮明的特征。其中，綠色屋頂的植被應該具備能在水分和養分條件都較差的條件下存活，并且要求地面覆蓋度好，植株繁殖快，根既短又軟[4-5]。這些要求嚴格地限制了綠色屋頂只可選擇少數幾種植物，常常被推薦使用的植物都是肉質植物和多年生草本植物[6]。除此之外，由于綠色屋頂的生長基質要求具有密度較小、儲水能力強、孔隙度大、水徑流量大的特征，因此通常需要采用不同比例的幾種組分混合來制備，廣泛應用的一些重要成分包括火山渣、浮石、碎磚和堆肥等[7-9]。

植物和生長基質基本都需要嚴格篩選，才可達到綠色屋頂所應具備的美學效益[4-5]。綠色屋頂的重要優點如減緩城市熱島效應和空氣污染、改善水質和生物多樣性等，往往都是在選擇基質組成部分時容易被忽視的部分，因為人們對綠色屋頂改變雨水質量的潛力知之甚少。雨水在穿過綠色屋頂時會從基質和植被中帶走營養離子或者重金屬污染離子，因此，經過綠色屋頂的雨水經常會被溶解和懸浮的雜質污染。MORAN 等[10]從美國北卡羅萊納州建造的2 個綠色屋頂收集了水質數據，結果表明，綠色屋頂徑流中的養分濃度高于降雨和普通建筑屋頂徑流中的養分濃度。BERNDTSSON 等[11]研究指出，從綠色屋頂徑流中觀測到的一些金屬離子濃度與中度污染的自來水中的金屬離子濃度相當。綠色屋頂對雨水的負面影響給公眾和決策者造成了困惑，同時，多名作者證實了綠色屋頂作為各種污染物的來源，具有能惡化徑流質量的潛力[4，12-13]。然而，目前世界上并沒有進行大量的研究來改善屋頂雨水的徑流質量。為了改善徑流質量，有可能會改變基質的特性，換句話說，可以通過改變綠色屋頂生長基質的生物吸附能力和淋濾潛力來獲得高質量的徑流。

為了利用低成本和環保材料設計一種新的綠色屋頂基質來提高徑流質量，并且支撐植物生長、提高屋頂綠化基質的整體吸附能力，本試驗采用馬尾藻作為特殊的基質有機添加劑，以馬齒莧作為試驗植被進行盆栽試驗研究。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試馬齒莧植株購于陜西省西安市鄠邑區苗木生產公司。馬齒莧具有在長期干旱和低營養供給條件下生存的能力；具有較短并且柔軟的根部，這為它能適應淺層的綠色屋頂基質提供了有利條件。

1.2 生長基質配制

采用4 種無機組分和2 種有機組分作為綠色屋頂的基質成分。無機成分包括加工硅質土（2～4 mm篩分粒度）、蛭石（0.5～2 mm）、砂（0.25～1 mm）和輕量級的膨脹聚合黏土（LECA）（4～10 mm）；椰糠泥炭土（0.5～1 mm）和馬尾藻（0.5～1 mm）被用作有機組分來支持植物生長。其中，加工硅質土和LECA 從印度艾哈邁達巴德進口，蛭石原產地為印度欽奈的蛭石礦山。棕色馬尾藻原產地為位于印度泰米爾納德邦的海灘，椰糠泥炭土從網上采購。本試驗通過析因設計，將上述的4 種有機成分和2 種無機成分按照不同的比例混合為13 種不同的混合綠色屋頂基質（表1），采用不同的配制方法來組合，此外，用這6 種成分分別作為單一綠色屋頂基質作為對照組，因此試驗基質共19 組。不同成分所占的不同比例決定了混合基質的體積密度、蓄水能力、孔隙度、滲透系數和植物的總生長量，以探究最適宜植物生長的基質組合。

表1 13 種不同綠色屋頂混合基質成分配比 %

體積密度由原樣品體積下的干質量（105 ℃烘干）來決定，滲透系數由固定水源噴淋測試或者水勢落差測試來計算，最終計算數值的高低取決于基質的孔隙度[14]。基質的孔隙度和持水能力根據澳大利亞標準測定方法盆栽混合測定[15]。

1.3 試驗配比

為了評估不同方法混合基質對馬齒莧生長的影響，本試驗采用盆栽法進行。每個基質盆內盛有大約體積為1 650 mL、高度為10 cm 的基質，盆內種植一棵馬齒莧切穗，每2 d 澆一次水，一次澆100 mL。40 d 后，將植物完整地從基質中移除出來，并稱量其干質量[16]。

1.4 溢流式填充床反應器分析方法

本試驗采用溢流填充床反應器來測量基質污染物離子浸出的程度[17]。約41.5 g 的優化混合基質裝載在2.5 cm×35.0 cm（內部直徑×高度）的玻璃反應器上，基質高為25 cm，采用蒸餾水噴淋來模擬徑流場景。第1 階段期間，泵入蒸餾水的流量為0.3 L/h。在相同反應時間下從反應器的底部收集滲出液體作為測量樣品，然后分析其理化性質（pH、電導率和金屬離子）。在分析金屬離子（鋁、鈣、鎘、鉻、銅、鐵、鉀、鎂、鈉、鎳、鉛和鋅）時，采用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES，Perkin Elmer Optima 5300 DV）來測量，試驗一直進行到電導率沒有明顯變化（P＜0.05）為止。當浸出試驗完成時，進流口轉移到金屬離子污染的蒸餾水流中，在這個階段中，試驗方法類似于浸出試驗，當其中一種金屬離子的出口滲出濃度達到相應入口濃度的0.1 倍時，試驗停止。

金屬離子被分為劇毒（鉛和鎘），有毒（鉻、銅、鎳和鋅），中等毒性（鐵和鋁），無毒（鈣、鉀、鈉）4 種類型。基于金屬離子的毒性，本試驗采用人為手段來制備含金屬離子污染的蒸餾水作為對照，并將金屬離子濃度為10.0，5.0，1.0，0.5 mg/L 時的溶液分別規定為劇毒、有毒、中等毒性和無毒溶液。

2 結果與分析

2.1 基質性質分析

由于配制的綠色屋頂混合基質是由不同體積比例的不同組分組成，因此顆粒直徑不同，本試驗所采用的基質成分粒徑范圍為0.25～10.00 mm。基質成分的粒徑也會影響整個基質的持水力、孔隙度和對植物的支撐力度。

一般情況下，綠色屋頂基質要求具有較輕的質地，以減輕建筑物的重量負載。本試驗中所有混合基質類型的容重范圍在495～763 kg/m3（圖1）。LECA（238 kg/m3）和蛭石（279 kg/m3）的加入使得生長基質的容重下降，但砂子（1 611 kg/m3）的加入使得最終混合的容重增加。值得注意的是，本試驗配置的綠色屋頂基質的容重（495 kg/m3）低于文獻中報道的那些商業基質，如840 kg/m3以礦渣為基底的綠色屋頂基質[8]和1 160 kg/m3以瓦渣為基底的綠色屋頂基質[16]。

表2 不同綠色屋頂基質成分特性和最適宜的基質混合（混合4）

持水量是衡量一個綠色屋頂能否在干旱條件下生存的重要因素，除此之外，它在減緩暴雨沖擊和避免洪水情況的發生中也扮演著重要角色。一般情況下，淺層綠色屋頂要求基質的持水能力要超過屋頂徑流的20%[18]。基質成分如馬尾藻（持水力＝260%）、椰糠泥炭土（持水力＝46.3%）和蛭石（持水力＝62.5%）的加入對提高持水性能起到至關重要的作用（表2），也正是基于這些成分的加入，使得本試驗配制的基質持水能力在60%～68.5%的范圍內（圖1）。

植物需要良好的空間來生長，板結的土壤會因減少根部吸氧而限制植物的生長。孔隙度（AFP）是用來控制土壤顆粒內部氣體空間的大小，一般在淺層綠色屋頂基質中孔隙度應大于基質總體積的10%[18]。基質成分顆粒一般尺寸較大，如LECA（AFP＝31.4%）和蛭石（AFP＝31.1%），可提高混合基質的AFP。本試驗中不同的混合基質將AFP 值的范圍控制在16.7%～21.0%（圖1）。

綠色屋頂上的徑流要求既平穩又緩慢，屋頂上應該避免存在水洼以防止滲漏、土壤侵蝕和多余的負載。輸水效率（HC）一般應大于3 600 mm/h[18]。土壤孔隙度結果相似，大尺寸的粒子如LECA 能提供更大的孔隙空間，從而提高HC。有機成分的添加通常會降低HC，這是由于隨著時間的推移，有機成分往往開始分解，會阻塞土壤空隙，降低HC。例如，馬尾藻的添加會使基質的HC 降低至340 mm/h。因此，要使屋頂徑流呈現一個勻速緩流，屋頂基質中應加入少量的有機質成分。本試驗配制的混合基質徑流控制在3 860～7 530 mm/h（圖1）。

對于所有綠色屋頂來說，基質對植被的支撐能力非常重要。淺層綠色屋頂通常只能支撐少數的植被物種，這是由于基質中含有少量的有機成分、基質層淺以及不規律的灌溉和屋頂上的極端天氣條件[7]。本試驗中，不同種類混合基質中馬齒莧的生長狀態都非常好，但在以椰糠泥炭土為主要添加物的基質中，馬齒莧的干質量增加了796%，甚至在只有砂子和LECA 的基質中也分別提高了119%和130%。用馬尾藻作為唯一的基質添加物時，馬齒莧沒有明顯地增加干質量，反而影響了其葉片顏色和芽的生長，可能是由于過量的馬尾藻存在過剩的鈉、鉀、鈣和鎂離子。TEIXEIRA 等[19]研究表明，高鹽度水平對馬齒莧會產生不利影響。本試驗中，混合4配比的綠色屋頂基質使得馬齒莧的干質量在40 d內增加了2.72 倍（圖1）。與以椰糠泥炭土為主要添加物的基質相比，其他種類混合基質中栽培的馬齒莧沒有表現出明顯的顏色變化和開花現象。

本試驗表明，在所有類型的混合基質中，混合4（20%加工硅質土，30%蛭石，10%砂，20%LECA，椰糠泥炭土10%和10%馬尾藻）被確定為最佳生長基質，其源于相對較低的容重，較高的持水力、孔隙度、水力傳導率以及植物干質量的增加程度。

2.2 連續流吸附試驗

綠色屋頂是否成功的主要測量指標之一是雨水徑流的質量[4]，若綠色屋頂能將干凈的雨水變成泥濘的水，那么就是不成功的。為了評估配制的最適宜綠色屋頂基質的滲出水情況，進一步對混合4基質進行了連續流吸附試驗。預試驗時在溢流填充床反應器中加入未經雨水沖洗的基質，并用蒸餾水作為水流滲入基質。在試驗初期，有幾種離子在滲出水中的濃度非常高，但隨著時間的推移呈顯著下降趨勢，輕金屬離子鈉、鈣、鉀和鎂是混合基質中主要滲出的離子（圖2），它們在反應開始10 min 內的滲出質量濃度分別為6.2，162，19.0，183 mg/L。可能是因為混合基質的成分如蛭石、加工硅質土、馬尾藻和椰糠泥炭土都含有豐富的輕金屬離子，而這些金屬離子對于植物生長和土壤成分的構成非常重要。除此之外，反應器的流出水中也發現了大量的鋁、鐵、銅和鋅離子，這有可能是因為蛭石中富含豐富的鋁離子和鐵離子[20-21]，其他重金屬離子通常出現在黏土礦物中。整個試驗過程中沒有檢測到鉻離子、鉛離子、鎘離子和鎳離子的滲出。

試驗中流出水的pH 一直處于中性或弱堿性（圖2），這是由基質中浸出的堿性成分造成的。綠色屋頂徑流呈現堿化狀態是有益的，尤其是對一些經常存在酸雨的地區。試驗中電導率剛開始非常高，隨著時間的推移呈逐漸下降趨勢（圖2）。因此，配制的混合4 基質對雨水徑流具有一定的吸附作用。

3 結論與討論

屋頂徑流的質量是檢測一個綠色屋頂是否成功的重要指標，而基質成分的設定在決定徑流質量中扮演重要的角色。較強的吸附能力和較少的雨水浸出應該在選擇基質組分時被視為重要的因素[22]。基于一些生物理化參數，本研究設計并開發了一種新的綠色屋頂基質成分組合，最佳混合基質（10%砂、30%蛭石、20%加工硅質土，20%LECA、10%椰糠泥炭土和10%馬尾藻）具有較高的持水力（67.6%）、孔隙度（21%）、水力傳導率（5 524 mm/h）和較低的容重（495 kg/m3）。由于椰糠泥炭土的存在，馬齒莧的干質量在40 d 內增長了2.72 倍。從溢流反應試驗中得出，最佳混合基質在減少不同離子的浸出上具有顯著作用，除此之外，這種基質組成也表現出很高的重金屬離子結合力，當反應物的體積為48.9 L時，徑流中鋁、鎘、鉻、銅、鐵、鎳、鉛和鋅離子的去除效率大于93.7%。結果說明，生長基質的研究發展能夠為城市生態提供多方面的經濟和環境效益，尤其在提高徑流質量方面。未來研究應該注重綠色屋頂基質在真實降雨過后的性能體現，同時，不同的栽培植物是否會改變基質的徑流質量也應作為一個重要的研究方向。