葉建軍，余世孝，劉文利，李業(yè)學(xué)

(1.襄樊學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖北 襄樊 441053;2.中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510275;3.電子科技大學(xué)中山學(xué)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(fā)展起來的屋頂綠化技術(shù)[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(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理(特別是對上人屋面)、后期管理少、成本低的優(yōu)點，已經(jīng)成為歐洲屋頂綠化的主要形式?？梢灶A(yù)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(jié)構(gòu)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(xì)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(jié)構(gòu)形式是區(qū)別屋頂綠化不同形式的關(guān)鍵，從結(jié)構(gòu)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(yīng)用最廣泛的。本研究在總結(jié)前人的研究成果的基礎(chǔ)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(dǎo)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(nèi)外有關(guān)初綠化基材的配制的文獻(xiàn)[1，5，7]，特別是德國 FLL(2008英文版)的總結(jié)[8]，筆者對初綠化基材配制的基本原則和要求進(jìn)行歸納。

1.1 經(jīng)濟(jì)性原則

要求基材的組成材料廉價、易獲得;綠化施工技術(shù)易操作，造價低;綠化維護(hù)費用低;不因為屋頂綠化而需要對結(jié)構(gòu)加固處理——要求組成材料輕質(zhì)。相對于常規(guī)屋頂，屋頂綠化費用不能高出太多。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，初綠化工程土壤應(yīng)盡量使用當(dāng)?shù)夭牧?，并努力實現(xiàn)廢物循環(huán)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(yīng)在在防水材料的壽命期限內(nèi)，不明顯衰退，基材不因水土流失、風(fēng)化、礦化或腐爛而發(fā)生大量減少乃至消失。這就要求屋頂綠化基材應(yīng)以性質(zhì)穩(wěn)定的無機(jī)材料為主，含有的易腐爛的有機(jī)質(zhì)不能太多，F(xiàn)LL(2008版)建議不要超過65 g/L[8]。Beattie等建議有機(jī)質(zhì)含量在10%～25%(體積比)[10]。

1.3 環(huán)保性原則

基材組成材料應(yīng)無毒、環(huán)保，符合相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn);綠化施工技術(shù)不應(yīng)對環(huán)境造成不可接受的危害;屋面徑流應(yīng)符合國家地表水質(zhì)要求;屋面不應(yīng)有揚(yáng)塵和土壤流失等污染。這就要求屋頂綠化應(yīng)該使用緩釋肥[11]，且容易污染屋面徑流的有機(jī)質(zhì)含量不能太多;易于造成土壤移動、流失和揚(yáng)塵的細(xì)顆粒土不能太多，F(xiàn)LL(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(jī)質(zhì)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(yǎng)分含量、三相比等指標(biāo)要符合屋頂綠化植物生長需要?；挠欣谥参锟购岛驮潭?。為持續(xù)供應(yīng)養(yǎng)料和減少屋面徑流污染，屋頂綠化施肥應(yīng)選擇緩釋肥[11]。FLL(2008版)建議初綠化基材指標(biāo)[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(nèi)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(biāo)

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(xì)顆粒材料(一般是壤土)的含量就是這樣，從植物抗旱和營養(yǎng)保持考慮，含量應(yīng)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(yīng)該越少越好。折中考慮，就有了上述FLL(2008)建議值。上述有機(jī)物含量也是在植物生長需要、屋面環(huán)境保護(hù)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(jī)輕質(zhì)粗顆粒材料、經(jīng)腐爛除臭的有機(jī)質(zhì)、細(xì)顆粒材料(一般為壤土)和緩釋肥組成[14]，它們以適當(dāng)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(shù)方案及分析

已經(jīng)公開的發(fā)明和其它技術(shù)資料提供了幾種可用于初綠化基材的技術(shù)方案。(1)以無土輕質(zhì)礦物材料為主要成分，添加肥料、保水劑等的技術(shù)方案(如發(fā)明“綠化用無機(jī)栽培基質(zhì)”，申請?zhí)?200410072723.9)[14];(2)以農(nóng)田或耕地表土為主要成分，添加肥料等的技術(shù)方案(如發(fā)明“一種綠化防漏節(jié)能屋面的建構(gòu)方法”，申請?zhí)?96100525.4)[15];(3)以有機(jī)質(zhì)為主要成分，添加長效肥料、保水劑等的技術(shù)方案(如發(fā)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(shù)方案，如(“屋頂綠化系統(tǒng)及綠化方法“，申請?zhí)?200910063086.1)[17]。殷麗峰等 2006年在《屋頂綠化基質(zhì)的選擇及綠化種植模式的建立》一文中給出草炭、有機(jī)肥料(微生物肥料+蛭石)、珍珠巖、沙等4種材料作為人工輕質(zhì)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(xiàn)[3]。

運(yùn)用前述初綠化基材——工程土壤的配制原則和要求，就會發(fā)現(xiàn)上述技術(shù)方案存在一些問題。如中國科學(xué)院華南植物研究所的“屋頂綠化長效輕型基質(zhì)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(zhì)的要求，也不利于土壤保持和屋面環(huán)境保護(hù)。

另外，泥炭土是北方草原經(jīng)過多年才形成的腐植質(zhì)沉積物，開采使用會破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)。而且，將泥炭土從遙遠(yuǎn)的北方運(yùn)往南方，是不經(jīng)濟(jì)的;王俊維申請的專利“綠化用無機(jī)栽培基質(zhì)”的配方屬完全無土栽培配方，材料是輕質(zhì)的，由于沒有添加任何細(xì)顆粒材料作為粘結(jié)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(fēng)固定和抗旱保肥;武漢理工大學(xué)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(gòu)成材料是有機(jī)物。這在屋頂上是不適合的，因為有機(jī)物的快速變質(zhì)腐爛會污染屋面徑流，進(jìn)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(zhì)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(huán)保和不經(jīng)濟(jì)的。

通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)科技文獻(xiàn)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(shù)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(qū)氣候條件的基材?？紤]到中部地區(qū)夏天有連續(xù)伏旱數(shù)10 d的天氣，需要提高基材的保水性，決定適當(dāng)提高細(xì)顆?！劳恋暮俊榱耸谷劳聊芄袒灰苿雍土魇?，適量加入少量水泥，加入水泥的想法借鑒了植被混凝土護(hù)坡綠化技術(shù)[19]。為降低含水泥的基材pH值和提高基材生物活性，新發(fā)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(xué)院校門外的田野，壤土的基本理化性質(zhì)見表2。

研究用水泥為襄樊華新水泥有限公司生產(chǎn)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(jīng)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(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2 試驗用壤土指標(biāo)

表3 試驗用陶粒技術(shù)指標(biāo)

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(diào)節(jié)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(xué)院2號樓樓頂進(jìn)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?；难b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(fù)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(fā)芽種子的數(shù)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(jìn)植物的發(fā)芽和生長，取最不利于狗牙根和黑麥草發(fā)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(fā)芽率。10月13號測量增長高度。

表4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計因素及水平 L

3.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)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(jìn)行方差齊次性檢驗。

4 試驗結(jié)果

4.1 正交試驗兩種植物發(fā)芽情況

從表5可以看出，狗牙根的發(fā)芽率明顯低于黑麥草的發(fā)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(fā)芽率隨水泥用量增加而下降很快，黑麥草的發(fā)芽率也下降很快。

對于狗牙根，影響其發(fā)芽的 4個因素重要順序是:主D→A→C→B次;只考慮發(fā)芽率，最佳配比是A2B3C1D3。對于黑麥草，影響其發(fā)芽的4個因素重要順序是:主D→C→A→B次。只考慮發(fā)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(fā)芽率與水泥—壤土比呈負(fù)相關(guān)，即單位壤土中水泥的含量越高，狗牙根發(fā)芽率越低。但是，從全部配比看，狗牙根的發(fā)芽率與水泥—壤土比的相關(guān)關(guān)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(fā)芽率的關(guān)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(fā)芽率與水泥—壤土比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即單位壤土中水泥的含量越高，黑麥草發(fā)芽率越低。但是，從其它配比和全部配比看，黑麥草的發(fā)芽率與水泥—壤土比的相關(guān)關(guān)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(fā)芽和生長情況

試驗用最不利為配方為9(A3B3C2D1)，試驗結(jié)果見圖2—3。9盆配方9的狗牙根發(fā)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(fā)芽率為42%，6個月平均增高28.5 cm;黑麥草為發(fā)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(fā)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(jié)果記錄

圖2 兩種植物在兩種配方下的發(fā)芽率

表6 幾種配方的理化指標(biāo)

圖3 3種植物在兩種配方下的生長情況

經(jīng)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(biāo)

選取最有利于兩種草發(fā)芽的配方A2B3C1D3，A2B2C3D2和最不利于兩種草發(fā)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(biāo)。

5 分析與討論

影響兩種植物發(fā)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(jīng)檢測，水泥︰壤土=8%時，pH值已經(jīng)達(dá)到9.7)，壤土板結(jié)。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(jié)細(xì)顆粒的壤土，防止壤土移動和流失，從而提高基材的養(yǎng)分含量、保水保肥和緩沖性能。因此，水泥的用量應(yīng)該是在保證植物發(fā)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(fā)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(jié)果看，垂盆草的耐堿性能良好。由于國外研究工作已經(jīng)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(qiáng)的基材適應(yīng)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(jìn)一步研究。同樣，對于景天植物的種子在堿性基材上的發(fā)芽試驗，也有待進(jìn)一步研究;另外，沒有研究水泥用量與基材抗蝕性的關(guān)系，這在以后研究中需要考慮。

本研究提供的配方含有細(xì)顆粒材料比國外提供的15%參考含量高[8]，本研究細(xì)顆粒材料含量在19%～35%，從表6可以看出，基材中細(xì)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(xì)顆粒材料對基材的滲透性的影響，需要后繼研究探明規(guī)律。

試驗中所有配方中狗牙根的發(fā)芽率明顯低于黑麥草發(fā)芽率，可能的解釋是黑麥草抗堿性比狗牙根強(qiáng)，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(fā)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(fā)芽。究竟哪種因素是主要的，需要進(jìn)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(fā)芽率，顯著促進(jìn)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(jìn)一步研究。

6 結(jié)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(fā)芽有一定發(fā)芽率。對于狗牙根，基材中影響其發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)芽率，促進(jìn)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(xué)技術(shù)出版社，2002.

[2] 葉瑞興.淺談城市屋頂綠化的植物配置與設(shè)計[J].福建林業(yè)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(xué)院學(xué)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，F(xiàn)entiman 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(jìn)行屋頂綠化的探討[C]∥?？?中國硅酸鹽學(xué)會年會“固體廢棄物在城鎮(zhèn)房屋建筑材料的應(yīng)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(shù)與城市雨水利用[J].技術(shù)與市場:園林工程，2005(7):22-25.

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

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

[16] 武漢理工大學(xué).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(tǒng)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(zhì)的選擇及綠化種植模式的建立[J].風(fēng)景園林，2006(4):46-49.

[19] 許文年，葉建軍，周明濤，等.植被混凝土護(hù)坡綠化技術(shù)若干問題探討[J].水利水電技術(shù)，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(yè)科學(xué)研究，2009(6):829-834.