屋頂綠化基質(zhì)及植物耐旱性研究

馮曉燕 殷金巖 汪田野 王東棟 樊騰新 梁令帥 裴福云

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摘要：以小蚌蘭、翠蘆莉及顆粒基質(zhì)為材料，開展顆粒基質(zhì)保水性能的蒸發(fā)試驗及盆栽植物控水干旱試驗，以獲得相關(guān)性能指標(biāo)[不同干旱處理下（0、7、14、21 d）基質(zhì)含水量、植物葉片相對含水量、葉綠素含量（SPAD值）、凈光合速率、蒸騰速率、相對電導(dǎo)率、丙二醛（MDA）含量及根系生物量等指標(biāo)，并采用隸屬函數(shù)法對不同處理各指標(biāo)進(jìn)行綜合評價分析]，探究自主研發(fā)的輕型顆粒基質(zhì)抗旱保墑性能及相關(guān)植物的耐旱性。結(jié)果顯示，顆粒基質(zhì)具有良好的吸水、保水性能，在干旱條件下能為植物提供較為適宜的基質(zhì)生長條件;小蚌蘭在同等干旱條件下比翠蘆莉更具有耐旱性。本研究將為顆粒基質(zhì)抗旱保墑性能的評價及輕質(zhì)、節(jié)水型屋頂綠化景觀的建立提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：屋頂綠化;干旱脅迫;顆粒基質(zhì);小蚌蘭;翠蘆莉;基質(zhì)含水量;葉片生理指標(biāo);綜合評價;隸屬函數(shù)值

中圖分類號： S152;S688 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）10-0162-06

收稿日期：2019-05-12

基金項目：廣東省深圳市節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項（編號：深發(fā)改[2016]1023號）。

作者簡介：馮曉燕（1989—），女，河南信陽人，碩士，中級工程師，主要從事植物廢棄物資源化利用、立體綠化等研究。E-mail：elain2016@163.com。

通信作者：裴福云，博士，工程師，主要從事納米材料在土壤修復(fù)、光催化領(lǐng)域方面的應(yīng)用及新型基質(zhì)材料研究。E-mail：peify@126.com。

隨著城市化進(jìn)程加快，屋頂綠化作為一種新型的綠化方式，不僅可以彌補(bǔ)平地綠化的不足，緩解建筑面積和綠地面積之間的矛盾，還可以改善人居環(huán)境，彰顯出不可低估的生態(tài)、社會及經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。但屋頂環(huán)境較為特殊，屋頂綠化不僅要考慮承重，還須考慮強(qiáng)光照、大風(fēng)、極端溫度等惡劣的環(huán)境條件，而且基質(zhì)不與地表相連，易缺水干旱[3]。而干旱一直是制約植物生長發(fā)育的主要逆境因子，在園林植物選材日益豐富的情況下，抗旱品種的供應(yīng)需求也日趨旺盛[4]。鑒于栽培基質(zhì)占屋頂綠化系統(tǒng)質(zhì)量比重較大，對植物的生長也影響最大，因此對基質(zhì)的要求更高[5]，可見選擇吸水、保水性能好、輕質(zhì)的基質(zhì)材料至關(guān)重要。本研究通過試驗探究自主研發(fā)的輕型顆粒基質(zhì)的吸水、保水性能及耐旱性，并研究2種不同植物對基質(zhì)及干旱脅迫的適應(yīng)性，旨在為建立輕質(zhì)、節(jié)水型屋頂綠化景觀、實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料與試劑 供試材料包括顆粒基質(zhì)、普通營養(yǎng)土、植物（翠蘆莉、小蚌蘭）、自封袋、信封、濾紙、花盆、直尺等。試劑包括三氯乙酸（TCA）、2-硫代巴比妥酸（TBA）等，均購自東莞市常平正科化玻儀器店。

1.1.2 儀器與設(shè)備 培養(yǎng)皿、鑷子、研缽、分析天平、篩子、離心管，均購自東莞市常平正科化玻儀器店;移液槍、便攜氣象計、紫外分光光度計、電導(dǎo)儀、手持便攜式葉綠素儀、Li-6400全自動便攜式光合測量儀等。

1.2 試驗方法

1.2.1 室內(nèi)常溫常壓蒸發(fā)試驗 在關(guān)閉門窗（以保持室內(nèi)無風(fēng)狀態(tài)且其溫濕度變化較小）的環(huán)境條件下進(jìn)行試驗。顆粒基質(zhì)為試驗組，普通基質(zhì)土為對照，每組3個平行試驗。試驗中使用開口培養(yǎng)皿為蒸發(fā)器皿，以精度為0.01 g的電子天平和電子溫濕度表為稱量儀器，具體試驗方法如下：稱量一定體積顆粒基質(zhì)及普通基質(zhì)土為試驗材料，使試樣達(dá)到飽和，將飽和后的試樣均勻攤鋪在培養(yǎng)皿內(nèi)，記錄時間、溫度和相對濕度以及試樣和蒸發(fā)器皿的總質(zhì)量。每 3 h 稱量蒸發(fā)器皿質(zhì)量、溫度和相對濕度，直至蒸發(fā)過程結(jié)束[6]。

1.2.2 盆栽控水干旱試驗及指標(biāo)測定 試驗于2018年6—7月進(jìn)行，在廣東省東莞市鐵漢生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光園的抗逆植物大棚（114.10°E、22.99°N）內(nèi)開展盆栽控水干旱試驗，花盆規(guī)格為15 cm×15 cm×18 cm，試驗組（T）所用基質(zhì)為自制顆粒基質(zhì)，對照組（CK）為普通營養(yǎng)土，分別作控水（T干、CK干）和正常澆水養(yǎng)護(hù)（T水、CK水）2組處理。選取株齡長勢大小一致的翠蘆莉、小蚌蘭植株定植于試驗組及對照組花盆中，定植密度為1株/盆。控水組在6月下旬進(jìn)行干旱脅迫，在控水前1 d澆透水，使每盆的基質(zhì)相對含水量基本飽和，然后開始控水，連續(xù)控水21 d;澆水組每周澆水1次。分別于控水0、7、14、21 d測定土壤指標(biāo)及植物光合和生理生化指標(biāo)。

基質(zhì)含水量、葉片相對含水量及根系生物量采用烘干法[7]測定;葉綠素含量（以SPAD值計）采用手持便攜式葉綠素儀（SPAD-502，Japan）測定;相對電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀[7]測定;光合指標(biāo)采用Li-6400全自動便攜式光合測量儀測定;丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[8]測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)常溫常壓蒸發(fā)試驗結(jié)果分析

基質(zhì)水分蒸發(fā)是基質(zhì)內(nèi)部水分經(jīng)過基質(zhì)表面以水蒸氣的狀態(tài)擴(kuò)散到大氣的過程。影響基質(zhì)水分蒸發(fā)的因素有很多，歸納起來可分為2類：內(nèi)因和外因。內(nèi)因是指與基質(zhì)自身相關(guān)的各類化學(xué)物理性質(zhì)因素，主要影響水分在基質(zhì)內(nèi)的運(yùn)移特征。外因是指基質(zhì)蒸發(fā)時的外部環(huán)境因素，主要影響液態(tài)水汽化所需要的能量供應(yīng)強(qiáng)度[9]。本試驗各個處理組處于同一環(huán)境條件下，變動幅度不大，所以影響基質(zhì)蒸發(fā)的主要因素為內(nèi)因。

如圖1所示，隨著蒸發(fā)時間的延長，前期基質(zhì)水分蒸發(fā)速率較大，然后逐漸降低，這主要是因為前期基質(zhì)蒸發(fā)的水分主要是毛管水，較容易蒸發(fā)，然后是薄膜水和吸著水，在同等條件下幾種水分蒸發(fā)越來越難。由表1可知，同等體積的基質(zhì)，顆粒基質(zhì)初始含水量（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計，下同）是普通基質(zhì)土的4.8倍，蒸發(fā)9 h后，顆粒基質(zhì)含水量仍高達(dá)98.70%，而普通基質(zhì)土僅有12.07%;室內(nèi)蒸發(fā)50 h后，普通基質(zhì)土含水量僅剩0.20%，基本蒸發(fā)完全，而顆粒基質(zhì)為589%。由此可以看出，在同等蒸發(fā)時間及蒸發(fā)條件下，顆粒基質(zhì)具有良好的吸水、保水性能。

2.2 盆栽控水干旱試驗各指標(biāo)分析

2.2.1 干旱脅迫對基質(zhì)含水量的影響 一般隨著

干旱脅迫加劇，基質(zhì)含水量會呈不同程度的下降趨勢。由表2可知，隨著脅迫時間的延長，控水干旱脅迫下試驗組及對照組基質(zhì)含水量均呈持續(xù)下降趨勢，前期下降速率快，后期較為緩慢。其中，顆粒基質(zhì)飽和含水量較高，能達(dá)基質(zhì)自身干質(zhì)量的近15倍。顆粒基質(zhì)（T）含水量在持續(xù)干旱（控水）過程中一直高于CK普通營養(yǎng)土，干旱21 d后，小蚌蘭的T干旱組比CK干旱組基質(zhì)含水量高5.31百分點(diǎn)，翠蘆莉T干旱組比CK干旱組基質(zhì)含水量高2.36百分點(diǎn)，T澆水組基質(zhì)含水量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CK澆水組，說明顆粒基質(zhì)具有良好的吸水、保水性能，且顆粒基質(zhì)材質(zhì)輕，更符合屋頂綠化承重要求。通過顆粒基質(zhì)T干旱組數(shù)據(jù)可以看出，小蚌蘭基質(zhì)含水量持續(xù)高于翠蘆莉;CK干旱組的小蚌蘭的基質(zhì)含水量脅迫0～14 d均高于翠蘆莉組，21 d時接近持平，由此推測小蚌蘭抗旱性優(yōu)于翠蘆莉。

2.2.2 干旱脅迫對葉片相對含水量的影響 一般情況下，植物在受到干旱脅迫時，會導(dǎo)致葉片水分虧缺，相對含水量會呈下降趨勢，通常其下降的速率與抗旱能力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。植物在遭受同樣的干旱時，抗旱性越強(qiáng)的植物葉片相對含水量下降的幅度越小;抗旱性越差的植物葉片相對含水量下降幅度越大[10]。由表3可以看出，澆水組基本上處于動態(tài)平衡過程。干旱組在持續(xù)水分脅迫下， 小蚌蘭與翠蘆莉葉片相對含水量整體呈持續(xù)下降趨勢，顆粒基質(zhì)干旱組脅迫7 d后葉片相對含水量基本與飽和含水量持平，總體下降趨勢較為平緩，但CK干旱組下降速率快，干旱脅迫21 d，小蚌蘭及翠蘆莉CK干旱組葉片相對含水量分別比T干旱組低23.62、31.08百分點(diǎn)，可推測顆粒基質(zhì)在干旱條件下更適宜植物生長。干旱脅迫21 d后，T干旱組的小蚌蘭葉片相對含水量下降1.86百分點(diǎn)，翠蘆莉下降3960百分點(diǎn);CK干旱組的小蚌蘭下降25.50百分點(diǎn)，翠蘆莉下降71.07百分點(diǎn)，說明小蚌蘭在干旱條件下自身反饋調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，能夠更好地適應(yīng)于干旱脅迫。

2.2.3 干旱脅迫對葉綠素含量的影響 由于植物在遭受干旱脅迫時其葉片葉綠素含量關(guān)系著植物的光合同化過程，所以葉綠素含量是衡量植物抗旱性的重要生理指標(biāo)之一[11]。一般在遭受到干旱脅迫時植物的葉綠素含量都呈下降趨勢，所以通過測量各處理植物在干旱脅迫時葉綠素含量可以反映出不同種類植物對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制。由表4可以看出，隨著干旱脅迫加劇，小蚌蘭的葉綠素含量呈持續(xù)下降趨勢，T干旱組脅迫期內(nèi)降低 5.4，且CK干旱組脅迫后期，降幅較大，脅迫期內(nèi)降低132，可推測干旱脅迫下，顆粒基質(zhì)因保水性更好，能為植物提供適量水分，緩解葉綠素分解速度;而翠蘆莉T干旱組則呈“升高—降低—升高”趨勢，分析原因可能是干旱脅迫初期，葉片內(nèi)部保護(hù)機(jī)制使得葉綠素含量減少，并且葉片中含水量降低，導(dǎo)致葉綠素含量反而增加，中期葉綠素分解加劇導(dǎo)致含量降低，后期葉片發(fā)生萎蔫，葉綠素濃縮導(dǎo)致含量增加。翠蘆莉CK干旱組呈持續(xù)上升的趨勢，由此推測，隨著水分脅迫的持續(xù)，葉片含水量降低，而葉片葉綠素含量因葉綠素濃縮而持續(xù)上升。

2.2.4 干旱脅迫對植物相對電導(dǎo)率的影響 葉片細(xì)胞膜相對透性（相對電導(dǎo)率）是生物膜系統(tǒng)能否穩(wěn)定的重要指標(biāo)，膜系統(tǒng)穩(wěn)定是細(xì)胞進(jìn)行正常生理功能的基礎(chǔ)。植物在遭受到干旱脅迫后，葉片細(xì)胞膜受到損傷，質(zhì)膜透性會增加，細(xì)胞內(nèi)含物外滲，電導(dǎo)率會增大[12]。如表5所示，隨著水分脅迫加劇，植物葉片的相對電導(dǎo)率均呈不同程度的動態(tài)變化，其中小蚌蘭T干旱組呈持續(xù)上升趨勢，脅迫后21 d

相對電導(dǎo)率增加38.35百分點(diǎn)，CK干旱組呈先升后降趨勢，可能是植物自身對干旱脅迫的調(diào)節(jié)機(jī)制，對干旱有一定的適應(yīng)性，葉片相對電導(dǎo)率也隨之小幅度下降，最終（脅迫后21 d）增加41.64百分點(diǎn)，比T干旱組多增加3.29百分點(diǎn);翠蘆莉的T干旱組與CK干旱組相對電導(dǎo)率均呈“升高—降低—升高”趨勢，在土壤水分脅迫前期相對電導(dǎo)率升高，一段時間后，植株對脅迫形成了一定的抗性，相對電導(dǎo)率降低，但隨著脅迫時間延長和程度加劇，植物自身調(diào)節(jié)幅度達(dá)到極限，導(dǎo)致相對電導(dǎo)率再次升高。

2.2.5 干旱脅迫對MDA含量的影響 植物在遭受到干旱脅迫時會導(dǎo)致大量的自由基產(chǎn)生，致使MDA生成。一般來說，在干旱脅迫下，葉片MDA含量越高，其抗旱性越差[13]。由表6可以看出，在水分脅迫期內(nèi)，不同處理的MDA含量均整體呈不同程度的增加，其中小蚌蘭T干旱組在脅迫后21 d時增加19.76 μmol/g，CK干旱組增加31.29 μmol/g;翠蘆莉T干旱組增加7.40 μmol/g，CK干旱組增加70.95 μmol/g，CK干旱組的增幅比T干旱組多6355 μmol/g。可見，顆粒基質(zhì)因保水性較好，植物在同等水分脅迫條件下，產(chǎn)生的MDA也較少。

2.2.6 干旱脅迫對凈光合速率的影響 植物在遭受到干旱脅迫時，凈光合速率會下降，下降的幅度與植物的抗旱性呈正相關(guān)[14]。由表7可以看出，干旱處理組小蚌蘭和翠蘆莉凈光合速率均呈持續(xù)下降趨勢;CK干旱組脅迫21 d后，小蚌蘭、翠蘆莉凈光合速率均出現(xiàn)負(fù)值，極度缺水會抑制光合作用，T干旱組凈光合速率仍為正值，說明顆粒基質(zhì)更能適應(yīng)干旱環(huán)境，更能為植物在干旱環(huán)境中提供生存條件。澆水組凈光合速率也會一定程度降低，但植物能保持正常的生長。

2.2.7 干旱脅迫對蒸騰速率的影響 植物的蒸騰作用在植物水分代謝中起著很重要的調(diào)節(jié)支配作用，隨著干旱脅迫加劇，通過氣孔關(guān)閉來減少水分散失。由表8可以看出，隨著干旱脅迫的持續(xù)，小蚌蘭不同處理蒸騰速率呈“降低—升高—降低”趨勢，原因可能是干旱脅迫7 d時，剛雨過天晴，空氣濕度較大，蒸騰速率低;而翠蘆莉干旱組持續(xù)下降，澆水組則呈“降低—升高— 降低”趨勢。干旱脅迫21 d后，小蚌蘭的T干旱組蒸騰速率降低3.19 mmol/（m2·s），CK干旱組蒸騰速率降低3.93 mmol/（m2·s），說明顆粒基質(zhì)優(yōu)于普通營養(yǎng)土; 翠蘆莉組分別降低 3.95、3.23 mmol/（m2·s），說明普通營養(yǎng)土則優(yōu)于顆粒基質(zhì)。

2.2.8 干旱脅迫對根系生物量的影響 一般植物在缺少水分的環(huán)境下，會形成較大的根冠比，以充分吸收、利用水分，維系正常生理活動。如圖2所示，干旱脅迫21 d后，干旱組與對照組根系生物量差異不顯著，但小蚌蘭和翠蘆莉T干旱組根系生物量值大于CK干旱組，結(jié)合表2可以看出，T干旱組基質(zhì)因含水量高于CK干旱組，有利于植物根系生長，另外顆粒基質(zhì)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)有利于根系穿插生長。通常建筑屋頂?shù)某兄赜邢蓿糜谖蓓斁G化的土壤基質(zhì)往往特別淺薄（2～15 cm），因而在屋頂綠地環(huán)境中植物的根系生長所必需的資源與其發(fā)展所必需的空間十分有限，因而大體量的根系系統(tǒng)也不適合在屋頂基質(zhì)中生長[3]。故翠蘆莉這種根系發(fā)達(dá)、根系體量大的植物也不適宜于屋頂種植，以免爭奪資源而對屋頂產(chǎn)生破壞性影響。

2.3 盆栽控水干旱試驗各指標(biāo)綜合分析評價

由于抗旱性受多因素相互作用、相互影響，單一的抗旱性指標(biāo)往往難以全面反映植物對干旱適應(yīng)

的綜合能力，所以采用隸屬函數(shù)綜合評價法能夠消除單個指標(biāo)帶來的片面性，以對比各物種抗旱差異性[15]，故采用隸屬函數(shù)法對不同處理干旱脅迫21 d的生長指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評價。由表9可以看出，小蚌蘭的不同處理中CK澆水組值最高，各處理依次表現(xiàn)為CK水>T干>T水>CK干，干旱組的顆粒基質(zhì)優(yōu)于CK普通土，說明對于小蚌蘭而言，使用顆粒基質(zhì)在低澆水量條件下就可以接近普通土在高澆水量條件下的生長水平。翠蘆莉不同處理中T澆水組值最高，各處理依次表現(xiàn)為T水>CK水>T干>CK干。在澆水狀態(tài)下，小蚌蘭的CK優(yōu)于T，干旱狀態(tài)下的T處理僅次于CK水;對于翠蘆莉，澆水組優(yōu)于干旱組，干旱狀態(tài)下T優(yōu)于CK。可見，顆粒基質(zhì)在干旱條件下的性能優(yōu)于普通基質(zhì)土，因具有良好的吸水、保水性能，能為植物提供良好的土壤生長環(huán)境，在干旱環(huán)境條件下也表現(xiàn)優(yōu)異。而小蚌蘭的T干旱組隸屬函數(shù)值為0.70，翠蘆莉為045，說明小蚌蘭耐旱性優(yōu)于翠蘆莉，更能適應(yīng)屋頂干旱缺水的環(huán)境條件。

3 討論與結(jié)論

屋頂綠化由于屋頂承重限制及其特殊的環(huán)境條件，所需栽培基質(zhì)較普通綠化有著不同的要求。輕質(zhì)保水型屋頂綠化栽培基質(zhì)能夠直觀地減少荷載，對屋頂綠化的建設(shè)有直接的推動作用[16]。本研究以自主研發(fā)的輕型顆粒基質(zhì)為研究對象，通過顆粒基質(zhì)的室內(nèi)蒸發(fā)試驗及盆栽控水干旱試驗可以看出，當(dāng)干旱脅迫程度及時間呈梯度變化時，基質(zhì)指標(biāo)、植物的生理生化指標(biāo)及光合指標(biāo)會出現(xiàn)不同趨勢及程度的變化，且各指標(biāo)會相互作用、相互影響，并對耐旱性產(chǎn)生影響。通過基質(zhì)蒸發(fā)試驗可知，顆粒基質(zhì)相對于普通基質(zhì)土而言，具有良好的吸水、保水性能，在干旱條件下能為植物提供較為良好的土壤條件。

通過小蚌蘭和翠蘆莉2種不同植物在干旱脅迫和正常澆水養(yǎng)護(hù)條件下的各指標(biāo)變化趨勢及幅度可得出，小蚌蘭的抗旱性要強(qiáng)于翠蘆莉，翠蘆莉在干旱脅迫21 d時，已出現(xiàn)凈光合速率為負(fù)值、植物葉片嚴(yán)重萎蔫現(xiàn)象，且根系較為龐大，可能會對屋頂結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生破壞性影響，故不適宜用于基質(zhì)層較淺、管養(yǎng)頻率過低的屋頂綠化工程。

由于華南地區(qū)易遭受臺風(fēng)暴雨，干旱試驗在大棚內(nèi)，采用盆栽控水法開展研究，故所測試的植物會受花盆容積的限制，不能廣泛扎根，并且與室外屋頂環(huán)境不一致，該研究只能做初步對比研究，日后還須開展屋頂試驗進(jìn)一步驗證。

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