立體綠化塑形基質材料綜述

周青，鄧靜，付勇，游紹力，黃昊，王珂，孫鵬程，徐良平，張楩楠，陳曦

（1.成都市公園城市建設管理局，成都 610095；2.成都市園林綠化工程質量監督站，成都 610095；3.北京中建工程顧問有限公司，北京 102629）

伴隨著中國城市化進程的加速，人與自然環境的關系日趨緊張，城市化帶來的高收入與綠色環境稀缺之間的錯配，給城市的立體綠化技術發展帶來了經濟的驅動力。立體綠化充分利用墻體，屋頂等散落空間配置綠色植物，從而起到改善城市生態美化城市景觀，蓄存降水，吸收粉塵，緩解熱島效應，降低太陽輻射等作用。

基質具有支撐、保水、透氣、保肥幾個基本功能，因此立體綠化基質的選擇尤為重要。立體綠化基質是由單一或兩種以上不同種類的有機物和無機物按一定比例混配組成，具有輕質、通透與保蓄性能好的特性，可以用來代替自然土壤進行立體綠化種植的固型物質。塑形基質是指根據土壤機理與植物生長需求，選取必要的有機物料、天然礦物質等材料有機合成的，親水透氣，氣相、液相、固相比合理，適合植物、微生物生長繁育且澆水無物質流出，可工業化生產和任意塑形的多孔人工土壤[1]。

目前市場上比較流行的立體綠化基質材料分為兩大類：一類是不含有機物的，如巖棉基質和酚醛樹脂類基質（花泥），根據行業標準T/CABEE 005-2020《立體綠化栽培基質通用技術標準》[1]這些基質由于不含有機質不能定義為塑形基質材料；另一類是含有機物的基質，如脲醛樹脂類基質（美植磚），聚酯纖維類基質（壘土），聚氨酯類基質（保浮科樂，水彈土，黑綿土），這些基質材料基本符合立本綠化基質材料中對塑形基質的要求。

酚醛樹脂型（花泥）

花泥是由美國人Smithers Oasis于1954年發明，至今已有60年制造歷史。人們將鮮花插入充分吸水的花泥中，可延長鮮花的壽命，增強插花或花籃的美化及欣賞效果，有利于長途運輸的鮮花保鮮（圖1）。

花泥主要是由酚醛泡沫制成，1907年美國化學家巴克蘭（Baekeland）提出關于酚醛樹脂加壓，加熱固化的專利實現了酚醛樹脂的實用化。花泥所用化合物主要是苯酚和甲醛形成甲階酚醛樹脂，然后添加固化劑、發泡劑、表面活性劑等通過發泡得到花泥。

花泥具有細密多孔的海綿狀泡沫體，吸水性、保水性高，但是由于酚醛樹脂的泡沫要求開孔，本身材料的脆性大，所以花泥不能夠添加其它有機營養物質，因此很難作為一種營養基質來使用，更多的是做為鮮切花保水的載體。

目前很多企業生產的花泥泡沫游離酚和游離甲醛含量高，在質量上花泥泡沫硬度較大、酥脆、掉渣、無彈性、容重大約20～40 kg/m3，總孔隙度在90%以上，通氣孔隙度5%。因為本身沒有養分，結構過于脆弱，酚醛樹脂型基質的在立體綠化工程中應用并不多見。

巖棉

巖棉基質一般是由60%輝綠巖（或玄武巖）、20%焦碳、20%石灰石，加上少量煉鐵后的礦渣經高溫熔融、成形，最后經壓縮、固化成特定密度后再裁剪而成。在這個過程中，加入了具有表面親水作用的黏結劑，酚醛樹脂是其中的重要成分，因此也有甲醛（圖2）。

農用巖棉容重較小，一般在60～80 kg/m3，其總孔隙度達到90%以上，通氣孔隙度達到28%，具有良好的透氣性和保水性。經過1600℃的高溫提煉，無菌、無污染，具有吸水和保水性強、無毒無菌、物理特性穩定、質量輕、易搬運等優點。巖棉化學性質是穩定的惰性，不會與營養液發生反應，因此可以快速調整根系環境，給植株根系創造最佳生長環境[2]，但同時巖棉本身沒有任何有機質，其緩沖性非常弱，造成系統的容錯率低，更適合高精度控制的植物工廠生產。

巖棉基質不能自行分解，而巖棉在國內目前還沒有有效的回收體系，廢棄的巖棉在自然環境中不斷受到侵蝕，其表面會容易形成游離硅烷醇（NFS），意大利都靈大學Francesco Turci和比利時魯汶大學（UCLouvain）Dominique Lison教授課題組對導致矽肺病的原因進行了多年探索后，發現二氧化硅顆粒表面近乎游離的硅烷醇（Nearly Free Silanols，NFS）是矽肺病的致病元兇[3]，因此，在農業發達國家巖棉的回收利用具有嚴格要求。目前巖棉在立體綠化工程中主要代替毛氈做為綠化保水材料。

脲醛樹脂型

脲醛樹脂型塑形基質以美植磚為代表，是近來用于立體綠化的一種基質材料，一般為板塊狀態，也可留有圓形凹槽，便于苗木移植，使用上便于排布施工（圖3）。基質干燥狀態下彎曲力學強度達到450 kPa，強度高，在水分浸泡后性能下降到136 kPa。容重在380 kg/m3，總孔隙度在60%，通氣孔隙率3%左右，吸水率可達160%。

美植磚是在適當溫度壓力條件下采用壓制工藝成型，以農林業廢棄物和脲醛樹脂為主要成分。脲醛樹脂（UF）是尿素與甲醛在催化劑（堿性或酸性催化劑）作用下縮聚成初期脲醛樹脂，然后再在固化劑或助劑作用下形成不溶、不熔的固態材料，它在人造板的制造中大量使用，但是由于大量采用脲醛膠，產品的甲醛含量非常高，不適用于密閉環境，固化后膠層老化(水解，熱解)釋放的甲醛也是造成甲醛污染的重要來源[4,5]。

相關改進的制造方法中采用的是植物大豆膠代替了脲醛膠，這樣可以降低甲醛的釋放，這在板材工業中已經有實現，但是在塑形基質市場上沒有見到相關產品。

另外，美植磚中大量農業廢棄物秸稈沒有經過充分腐熟處理，在潮濕環境下非常容易產生霉爛變質，這點在室內應用會有影響。目前脲醛樹脂類的美植磚由于價格低，施工方便，在護坡、屋頂綠化有大量應用，但是，由于醛含量高，易霉變，一般不用在室內和人密集區。

聚酯纖維型

聚酯纖維型塑形基質材料是采用熱塑性聚酯（PET）纖維與有機和無機質材料混合，通過熔融熱合而成固體基質材料，類似于美植磚，代表性產品為壘土，也是熱壓成型的工藝，由于避免使用脲醛膠，壘土的甲醛含量非常低（圖4）。然而在另一方面，由于脲醛膠的滲透力比熔融的PET樹脂更強，因此，美植磚強度更好，壘土非常容易掉落渣土，在水浸泡后壘土的彎曲力學強度由193 kPa下降到78 kPa，大尺寸壘土基質在水浸泡后強度難以承受自重而容易斷裂。聚酯纖維型和脲醛樹脂型塑形基質都屬于壓制型基質材料，它們在一次施工之后就難以再次移動。壘土容重在300 kg/m3，總孔隙度在76%，通氣孔隙率7%左右，吸水率可達230%。

圖4 聚酯纖維型塑形基質

壘土加工需要加熱壓制，對能源的需要較高，而且由于壓制工藝，質品結構相對簡單，不能得到相對復雜的制品。壘土的熱壓加工屬于物理變化，它所使用的熱塑性材料來源可以是聚酯，聚酰胺、聚丙烯，聚乙烯、乙烯 -醋酸乙烯酯共聚物等熱塑性聚合物材料，而有機質植物纖維可來源于植物秸桿、米糠、鋸木粉、干枯的水草、苔蘚、藻類等。聚酯纖維型塑形基質材料目前大量應用在護坡、屋頂，甚至可以用于室內綠化,是非常流行的一種立體綠化基質材料，強度雖然低于美植磚，但工程應用還是比較方便，甲醛含量非常低，而且后期的養護方便，植物成活率高。

聚氨酯型

這類塑形基質最初是在上世紀拜耳發明聚氨酯材料之后就有國外公司進行園藝種植的嘗試，本文最早追溯到1959年DOW化學的相關專利[6]，1974年Bayer就有利用聚氨酯開孔泡沫材料進行種植的技術[7]，之后GRAVI MECHANICS 公司開始生產出聚氨酯與有機基質混合的塑形材料[8]；甚至近年來Huntsman公司研究發現聚氨酯塑型材料可以用作水稻植株的植物生長基質，由此顯著減少甲烷氣體的排放（減少溫室氣體排放）[9]，國內北京艾方德科技公司甚至開發出可被黃粉蟲食用的聚氨酯塑形基質，這將有利于未來太空環境中的應用。

目前國內流行的有保浮科樂，水彈土，黑綿土等產品（圖5）。聚氨酯塑形基質主要成份為聚氨酯，有機無機原料，其中有機質原料來源原則上可以是任何農業廢棄物，與美植磚，壘土一樣屬于含有機質的基質材料。一般容重在200～300 kg/m3，總孔隙度達到90%以上，通氣孔隙度在23%，吸水率大于400%，

圖5 聚氨酯塑形基質

聚氨酯塑型基質加工是在常溫下可以進行，加工過程利用反應產生的CO2來發泡，同時固化成型，混合物在模具內固化前可自由流動，而后由于CO2在模具內的釋放而自增壓，不需要額外的加工壓力和熱能，是較為節省能源的一種加工方式，同時也可以做到任意塑型。從能源利用消耗的角度來說，更加環保。

聚氨酯塑形基質由于分子鏈結構中的親水鏈段在水分作用之下會產生溶脹效應，從而很巧妙地解決了傳統土壤存在的保水與透氣之間的矛盾：親水鏈段起到保水作用，同時，溶脹效應會使基質材料在吸水時所有氣孔打開，保證了基質的透氣性；失水過程氣孔會收縮關閉，減少水分揮發，這種類似呼吸的方式，是一種材料的智能化響應，具有非常獨特的優勢，這是其它任何一種基質材料所不具備的性能。但是，這也會不可避免地產生失水收縮的問題，這在植物正常生長的水分條件下不會存在收縮現象，只有在極端失水的情況下發生。形變的發生也為我們提供了一種判斷植物缺水的方法。如圖6所示，聚氨酯基質材料在吸水前后的孔隙變化，其中吸水之后孔隙變的更大更深，表示氣孔的打開。

圖6 水彈土吸水前后的三維顯微圖

聚氨酯塑型基質是目前發展最快的一類立體綠化基質材料，由于質量輕，保水性好，透氣率高，而且更加干凈，可塑性高，能夠自由裁剪。目前在國外應用于垂直綠化、屋頂綠化，還可以應用于育苗，創意園藝制品等方面。

以上幾種基質材料在水飽和的情況下在力學性能上存在一定的差異，一般來說含有機物的基質材料水飽和情況下力學性能下降比較多，而花泥和巖棉相對力學性能下降比較少（圖7）。

圖7 基質材料含水情況下力學性能下降程度

另外，對于垂直綠化尤其是室內應用方面材料的甲醛含量需要特別關注，幾種材料通過定量浸泡在水中24 h，經過化學衍生之后采用液相色譜檢測水中的甲醛含量得到以下結果：

從圖8可知，由于美植磚采用的是脲醛樹脂，因此，其中的甲醛含量遠比其它幾種材料要高，達到200 μg/g以上，而巖棉與花泥都是含有酚醛樹脂材料，其甲醛含量也在十幾個μg/g；只有聚氨酯塑形土和聚酯纖維塑形土的甲醛含量小于5 μg/g。由此來看，綠化場景在室內和人口密集地都要注意盡量選用低甲醛含量的基質，對于蔬菜種植類基質材料的選用，更要注意安全性。

圖8 基質材料甲醛含量

材料科學快速發展的今天，各種各樣的種植基質材料應運而生，它們在不同程度上解決了傳統土壤的散、易流失、保水差、易板結等問題，同時它們各自也存在不同的缺陷，如成本高，有害物質析出，能耗高等問題有待于進一步解決。然而隨著材料科技的發展，立體種植必將充分利用新技術，為多彩的城市生活增添綠色的一筆。