模塊式立體綠化基質篩選

蔣 慧,黎國健,羅旭榮

(深圳市方格生態環境有限公司,廣東深圳 518035)

立體綠化是指以建(構)筑物為載體,以植物材料為主體營建的各種綠化形式的總稱,其最大的特點是脫離土壤環境,在建(構)筑物上種植植物[1]。雖然立體綠化的體量面積較小,但這種直接依附于建筑物的綠化形式,能夠更直接地在夏季建筑物高溫能耗時起到緩解的作用,通過植物對太陽輻射的吸收、反射以及遮擋,有效地降低建筑物表面溫度,降低建筑物空調等能耗的使用率。在快速發展的城市化進程中,模塊式立體綠化作為建筑的有機組成部分,以其施工便捷靈活、景觀效果見效快、維護管理方便等優勢,在綠色建筑中占據重要的地位[2]。這種綠化形式不僅具有美化硬質建筑外觀、改善環境的作用,又可以減少建筑能耗,提高節能減排的效率[3]。 由于脫離了地面土壤環境,模塊式立體綠化的基質對于植物生長十分重要,不僅在有限的生長空間為植物提供生長所需的水、肥、氣、熱等生長條件,還起到固定和支撐植物的作用。所以模塊式立體綠化基質的篩選是保障植物可持續景觀的重要基礎。

模塊式立體綠化是指以沿著建筑墻體搭建鋼結構骨架作為支撐體系,采用模塊式單元種植槽,并添加基質作為植物生長的基礎。整個系統的單元通過構件連接安裝,并采用自動控制滴灌系統,對植物的生長進行人工控制管理[4]。目前,關于立體綠化集成技術的研究已有一定的成果,作為模塊式立體綠化,模塊結構、灌溉系統以及基質是影響其景觀持續效果的重要因素[5]。植物因地制宜的選擇也很重要。相對于地面綠化,模塊式立體綠化的植物處于建筑物的立面上甚至高空中,其賴以生存的基質除滿足上述植物生長的基本要求外,還需要滿足質量輕、抗降解、整體穩定性好的要求[6]。具體表現在具有比較理想的理化性質,如總孔隙度、透氣性、持水性、肥力達到一定的要求,以及為了保證立面結構安全的基質荷載要求,通常用飽和容重來進行判斷。由于模塊式單元種植槽的基質處在立面的高空環境,所以應充分考慮后期維護的便捷及管理成本,基質還具備不易降解、不易松散穩定性好的特點。作為人工選擇的基質材料也應考慮具有經濟實用、環境友好等優點[7]。

立體綠化植物生長介質來源主要是兩類:一個是水,以“垂直綠化之父”帕特里特·布蘭克為代表的毛氈式立體綠化,不使用基質土壤,通過輸送水分和營養液來支撐植物生長;另一個是基質,這是大部分立體綠化采用的方式。立體綠化基質的發展經歷了傳統基質、復配基質再到塑形基質的過程。關于立體綠化基質,國內沒有統一的規范和標準,目前相對權威的是深圳市2021年發布的《立體綠化工程驗收規程》(DB4403/T 178—2021)地方標準。該規程規定了立體綠化工程的驗收程序、驗收記錄、驗收評價、常規項目驗收和分項驗收的要求,其中包括對立體綠化基質的相關要求。而在實際工程運用中基質使用仍不規范,部分基質是苗木帶黃土外包裹一圈泥炭土,有些基質比較松散無法固定植物根系、有機質含量較高導致基質流失嚴重,有些基質保水性較差,植物景觀效果難以持續。由于立體綠化苗木培育沒有形成專門的標準化生產,依賴于傳統苗木的培育流程。所以在這種環境下培育的立體綠化苗木基質也不一定符合相關要求。苗圃育苗基質不能滿足上墻植物基質的要求,導致植物上墻后出現各種因基質理化性質差異較大生長不良的問題。所以,標準化的基質配比有利于立體綠化植物持續穩定的生長,保證植物的長期效果,真正發揮生態環境價值。

立體綠化技術是一個跨行業、跨領域、不斷創新的技術大合集,隨著科技的進步和材料科學的發展,不同類型的種植基質材料也層出不窮,它們在不同程度上解決了傳統基質的易流失、理化性質差等問題[8]。現階段市場上比較新型的立體綠化基質材料為塑形基質,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、土非土)[9]。其中聚氨酯塑形基質是目前發展較快的一類立體綠化基質材料,具有質量輕、保水性好、透氣率高的優點,非常符合立體綠化基質的要求,而且更加干凈,可塑性高。由于塑形基質也存在一定的缺陷,如聚氨酯類基質在極端環境下存在失水收縮的風險、營養成分低,脲醛樹脂類基質有害物質超標以及生產能耗高、成本較高等原因,推廣應用受到一定的限制[10]。對于室外立體綠化基質仍以復配輕型基質為主。筆者分析泥炭、牛糞木粒、椰糠、藥渣、木粒、珍珠巖、松樹皮、有機肥按照一定比例形成的復配基質的理化性質,研究不同基質配方對常見立體綠化植物生長的影響,篩選出適宜模塊式立體綠化植物生長的栽培基質,為模塊式立體綠化的可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料供試植物材料為立體綠化常用的生長一致的植物:小蚌蘭、紅檵木、鴨腳木。供試基質材料為4種復配基質,成分種類包括泥炭、牛糞木粒、藥渣、椰糠、木粒、珍珠巖、松樹皮、有機肥。具體配方比例見表1。

表1 4種基質配方比例

1.2 試驗方法試驗于2022年2月17日在惠州博羅苗圃基地進行,2月17日至3月5日,試驗苗在立體綠化模塊中進行預培,試驗環境為溫室大棚(圖1)。試驗苗木為小蚌蘭、紅檵木、鴨腳木。共設置4個基質處理,每種處理3種植物,每個模塊可種植16棵植物,每種處理重復16次。3月6日篩選長勢一致的模塊植物在室外進行上墻試驗(圖2),從左至右依次為T1～T4。期間植物給水采用自動滴管系統,保證基質水分充足,即3月6日—3月28日,每7 d灌溉2次,每次15 min。3月29日—5月29日,每7 d灌溉3次,周一、周四、周日自動灌溉,每次15 min。5月30日—6月17日,每天澆水1次,每次15 min。整個試驗周期120 d。記錄不同基質植物120 d后的生長高度、冠幅和成活率。

圖1 在溫室大棚培育的試驗植物Fig.1 Experimental plants reared in a greenhouse

圖2 上墻試驗的植物Fig.2 Plants tested on the wall

1.3 測定指標與方法

1.3.1理化性質評價法。基質理化性質評價方法是根據基質水肥氣熱的屬性來綜合考慮植物生長的環境,理想的基質理化指標:容重0.1～0.8 g/cm3, 總孔隙度>75%, 持水孔隙度>60%,通氣孔隙度>15%,大小孔徑比1∶1.5～1∶4.0,pH 6.0～7.5, C/N<30,最好在25左右,電導率(EC值)1.0～2.5 mS/cm,陽離子代換量(CEC值)300～1 000 mmol/kg。

在理化性質評價時,除參考上述理想基質的理化性質外,在同類別的理化性質指標上以《立體綠化工程驗收規程》為準。具體要求見表2。

表2 立體綠化基質理化性質要求

1.3.2生長指標評價法。通過記錄4種配方基質栽培的植物生長高度、冠幅、成活率,分析不同配方的基質對植物生長的影響,根據立體綠化對植物生長的要求,篩選出植物生長速度適中、植物生長狀態良好的基質。

2 結果與分析

2.1 理化性質評價法4種不同配比基質常用理化性質見表3。飽和容重是指材料的孔隙充滿水時的單位體積重量。該體積重量值體現了基質飽和濕度時的荷載,是衡量基質輕型安全的重要指標。當飽和濕度時的荷載超過安全范圍時,會加重模塊式立體綠化結構的負擔,從而造成一定的安全隱患。所以模塊式立體綠化基質第一個重要的指標是符合安全范圍的荷載。根據深圳市《立體綠化工程驗收規程》,立體綠化基質飽和容重低于0.80～1.50 g/cm3,屬于安全荷載的范圍。從表3可以看出,4種基質的飽和容重均符合安全要求,最輕質的是T3配方,其次是T1。

表3 4種配方理化性質

總孔隙度是指基質中通氣孔隙與持水孔隙的總和,以孔隙體積占基質總體積的百分比來表示。總孔隙度增大則說明基質比較疏松,能容納更多的空氣和水,有利于植物根系生長,同時基質的穩固性會較差,容易出現植物漂浮的情況。反之,則基質較重而緊密,水分和空氣的體積量相對變小,不利于根系伸展和呼吸。總之總孔隙度過大或者過小都不利于植物的生長。從表3可以看出,T2、T3、T4的總孔隙度差異不大,均在0.65～0.68,T2的持水性明顯差于其他配方,T4的持水性較好,而通氣性相對較差。通過對比理想基質的要求,綜合總孔隙度、持水性和通氣性,配方T1最接近理想基質的要求,其次是T3。

有機質含量對于模塊式立體綠化而言是在滿足植物生長的基礎上,盡量減少有機質的基質含量。根據工程項目經驗,隨著植物的生長,有機質含量高的基質容易發生基質沉降現象,被降解吸收的有機質導致整體基質含量變少,即能夠提供給植物持續有效生長的基質也會變少,最終會對高空立面上的植物產生不良影響。根據表2模塊式立體綠化種植基質理化性質要求,有機質含量在30～100 g/kg比較適宜,從表3可以看出,各基質配方有機質含量為T1>T3>T4>T2。

基質的pH是基質酸度和堿度的總稱,主要是用來衡量基質酸性和堿性反應的強弱。基質的pH正常范圍在4.50～9.50。我國土壤pH有明顯的南北差異。長江以南地區一般為酸性或者強酸性的土壤。根據表2模塊式立體綠化種植基質理化性質要求,模塊式立體綠化的基質pH在5.50～8.00較適合。從表3可以看出,T4配方pH為4.38,低于正常范圍,T2配方最理想,其他均低于5.50,表現為酸性土壤。

陽離子代換量(CEC值)是預測植物養分在土壤中有效性和保持能力的基本土壤性質。它是有效養分供應的潛力,而不是對有效養分的直接測量。CEC值說明土壤黏土顆粒上保留的陽離子,這些陽離子可以與土壤溶液中的陽離子交換。向土壤中添加肥料會增加土壤溶液中養分的濃度,一方面可以供給植物根系吸收,另一方面也同時增加養分向黏土顆粒移動并儲存。所以土壤黏土顆粒保留陽離子的能力越高,其為植物持續提供養分的能力就越強。從表3可以看出,4種基質的CEC值均在合理范圍,其中T2配方的CEC值最低,說明其為植物持續提供養分的能力可能較差。

電導率(EC值)常用來表示基質鹽分。由于EC值反映的只是可溶性鹽離子的濃度,而土壤中的有機質或尿素這類分子態的物質是不能導電的,所以EC值低,不一定代表基質缺肥,需要具體情況具體分析。但如果EC值太高,土壤的可溶性鹽離子會影響植物的生長。根據表2模塊式立體綠化基質理化性質要求,立體綠化基質EC值在1.00～1.50 mS/cm比較適宜。從表3可以看出,配方T1和T4中可溶性鹽離子的濃度過高,超過理想指標范圍。

2.2 生長指標評價法模塊式立體綠化的基質是植物在有限的生長空間中最直接的生長來源,為植物提供生長所需的水、肥、氣、熱等生長條件。相較于理化性質的對比,通過植物的生長應用情況指標可以更加直觀地反映基質對植物的影響,從而篩選出既能夠保障植物生長又能發揮其觀賞價值的基質。4種不同基質對植物生長的影響見圖3。從圖3可以看出,3月6日上墻試驗,植物生長狀態比較一致。植物上墻適應一段時間后,4月14日,T2基質的小蚌蘭和鴨腳木葉偏黃,長勢不佳。T4基質鴨腳木葉偏黃,長勢一般。T3基質的植物生長良好,T1基質小蚌蘭和鴨腳木長勢很好,鴨腳木葉色翠綠而濃密,小蚌蘭葉片肥厚,與其他組存在明顯差異。經過60 d以上的生長,5月21日T2基質的小蚌蘭和鴨腳木葉色明顯偏黃,長勢不佳。T4基質鴨腳木葉色也不正常,變黃。T1和T3基質的3種植物長勢均較良好。植物生長效果表現為T1>T3>T4>T2。

注:從左到右為基質T1～T4。Note:Matrix T1-T4 from left to right.圖3 4種不同基質配方對小蚌蘭、紅檵木和鴨腳木生長的影響Fig.3 Effects of four different substrate formulations on the growth of Pterygium japonicum,Stepparent japonicum and Pterygium japonicum

通過3種植物的株高、冠幅、成活率來進一步觀察不同基質配比的效果。小蚌蘭上墻前的株高是13.5 cm,從圖4可以看出,T1配比的小蚌蘭120 d株高增長了3.0 cm,T2配比的小蚌蘭株高增長了0.5 cm,T3配比的小蚌蘭株高增長了1.0 cm,T4配比的小蚌蘭株高增長了0.5 cm。株高增幅表現為T1>T3>T4=T2。鴨腳木上墻前的株高是15.0 cm,T1配比的鴨腳木120 d株高增長了24.0 cm,T2配比的鴨腳木株高增長了2.0 cm,T3配比的鴨腳木株高增長了6.5 cm,T4配比的鴨腳木株高增長了9.0 cm。株高增幅表現為T1>T4>T3>T2。紅檵木上墻前的株高是32.5 cm,T1配比的紅檵木120 d株高增長了4.0 cm,T2配比的紅檵木株高增長了1.0 cm,T3配比的紅檵木株高增長了1.5 cm,T4配比的紅檵木株高增長了1.0 cm。株高增幅表現為T1>T3>T2=T4。

圖4 不同配比基質3種植物株高的變化Fig.4 Changes in height of three plants with different proportioning substrates

整體而言,T1配方的基質植物株高增幅明顯優于其他配比,T3配方的植物長勢也較良好,而T2配方的基質植物株高生長明顯較差。

小蚌蘭上墻前的冠幅是14.5 cm,從圖5可以看出,T1配比的小蚌蘭120 d冠幅增長了11.0 cm,T2配比的小蚌蘭冠幅減少了3.0 cm,T3配比的小蚌蘭冠幅增長了6.5 cm,T4配比的小蚌蘭冠幅增長了3.0 cm。冠幅增幅表現為T1>T3>T4>T2。鴨腳木上墻前的冠幅是15.0 cm,T1配比的鴨腳木120 d冠幅增長了12.0 cm,T2配比的鴨腳木冠幅減少了3.0 cm,T3配比的鴨腳木冠幅增長了8.0 cm,T4配比的鴨腳木冠幅增長了4.0 cm。冠幅增幅表現為T1>T3>T4>T2。紅檵木上墻前的冠幅是12.0 cm,T1配比的紅檵木120 d冠幅增長了1.5 cm,T2配比的紅檵木冠幅增長了0.5 cm,T3配比的紅檵木冠幅增長了6.5 cm,T4配比的紅檵木冠幅增長了8.5 cm。冠幅增幅表現為T4>T3>T1>T2。

圖5 不同配比基質3種植物冠幅的變化Fig.5 Changes of crown breadth of three plants with different proportioning substrates

從圖6可以看出,鴨腳木在不同基質的成活率均為100%,小蚌蘭在T1、T2、T3、T4基質中成活率分別為94%、75%、100%、94%。紅檵木在不同基質成活率分別為88%、94%、100%、100%。基質對不同植物的成活率影響較小,可能與植物品種和種植方式有一定關系。

圖6 不同配比基質3種植物成活率的變化Fig.6 Changes of survival rate of three plants with different proportioning substrates

3 結論與討論

對模塊式立體綠化4種不同配比基質的理化性質研究結果表明,基質的理化性質對篩選基質具有重要的指導作用。4種基質中,T1配方在飽和容重、總孔隙度、持水性、通氣性等性狀上比較理想。CEC值為714 mmol/kg,在4種基質中僅次于T3,這說明T1配方基質為植物提高可持續養分的潛力較強。這也與該配方基質的植物生長速度最快的結果較符合。但T1配方的基質EC值為2.76 mS/cm,不僅超過了理想基質的范圍,而且是《立體綠化工程驗收規程》中模塊式立體綠化指標的1.84倍。基質中較高的EC值,會對植物生長產生影響。T2配方的pH是4種基質中最理想的,但也是有機質含量最低、CEC值最低、持水性最差的。土壤的pH對CEC值的影響較大,一般而言,土壤pH為3.5～4.0時CEC最低,并隨著pH的升高而增加。T2配方的pH最高,而CEC值最低,說明與其他基質相比該基質配方為植物持續提供養分的能力較差,這也與后續植物生長較差較符合。T3配方在飽和容重、總孔隙度、持水性、通氣性等物理性質上也比較理想,有機質含量僅次于T1配方,且CEC值最高,綜合表明該配方能夠持續地為植物生長提供養分的潛力較強。除pH偏酸性,其他各方面指標都比較理想,這也與植物生長狀態良好的情況相符合。T4配方基質通氣性相對較差,pH最小偏酸性,有機質含量及CEC值屬于中等。綜合4種基質配方的理化性質,T3屬于相對較理想的基質,其他配方基質有比較明顯的缺陷,如T2配方基質養分明顯較低,T1配方的 EC值過高,存在一定的植物危害風險。T4配方pH太低,通氣性較差,植物容易生長不良。

從植物生長指標來篩選基質是最直觀的一個方式。經過120 d的上墻觀察,表明不同基質對植物生長影響較大。從植物冠幅、株高來看,T1配方的基質表現最佳。其次是T3,而植物生長較差是T2和T4配方,都不同程度地出現了黃葉、生長緩慢等不良現象。立體綠化植物生長是在有限的空間去營造一個人工控制的環境,對于植物景觀的要求與地面景觀有一定差異。在立面面積有限的空間,植物的密度比一般地面上的密度高,可供植物生長的空間比較有限,植物之間存在的競爭更加明顯。植物冠幅和株高生長過快會加大植物修剪維護成本,這對于高空的立體綠化項目而言,還存在一定的危險性。根據《立體綠化管養規范》模塊式立體綠化一般一級養護每年修剪至少 2 次,二級養護每年修剪至少 1 次。高空的立體綠化植物修剪次數宜適當。從4種基質配方的植物生長效果來看,T1配方的植物在120 d的試驗期內株高、冠幅生長最快,特別是長勢較好的鴨腳木和紅檵木冠幅和株高遠超過了模塊生長空間,達到了要修剪的程度。所以綜合植物的株高、冠幅、植物長勢以及維護成本,T3配方最適宜。

綜上所述,通過比較4種不同基質的理化性質和對植物生長的影響,表明T3配方即泥炭∶松樹皮∶有機肥為6∶2∶2比較符合模塊式立體綠化植物的要求,可適當提高基質的pH,以滿足更多植物的需求。通過規范化標準化的基質配比,為模塊式立體綠化植物提供可持續的養分環境,才能從根本上保證植物的景觀效果,推動立體綠化的健康發展。