綠化廢棄物堆肥配制屋頂綠化新型基質(zhì)的研究

肖超群，郭小平，劉 玲，羅 超，李若愚，劉冠宏

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083）

屋頂綠化是指在脫離自然土壤的各類(lèi)建筑物和構(gòu)筑物上，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載要求和生態(tài)環(huán)境條件，選擇合適的植物材料，通過(guò)一定的技藝建造綠色景觀的形式［1-2］。屋頂綠化的應(yīng)用為解決城市綠化用地資源緊缺，改善城市生態(tài)環(huán)境提供了良好的途徑［3］。基質(zhì)是屋頂綠化的重要組成部分，在屋頂特殊條件如荷載、日照、風(fēng)等因子的限制下［4］，要求具有質(zhì)地輕、持水透氣性好、結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特征，為植物的生長(zhǎng)提供水、肥、氣、熱條件，滿足植物的正常生長(zhǎng)需求［5］。屋頂綠化基質(zhì)主要有有機(jī)基質(zhì)、無(wú)機(jī)基質(zhì)及混合基質(zhì)等。有機(jī)基質(zhì)為植物提供生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、促進(jìn)土壤生物多樣性及其相關(guān)功能，主要如草炭，有機(jī)廢棄物堆肥等［6-7］；無(wú)機(jī)基質(zhì)則為植物提供生長(zhǎng)支撐并減少植物受到外界不良環(huán)境（如風(fēng)、溫差變化等）的影響，主要由輕質(zhì)多孔的自然礦物質(zhì)（浮石、火山灰等）和人為加工材料（膨脹黏土、膨脹頁(yè)巖等）組成［7］。近年國(guó)外在屋頂綠化基質(zhì)材料的應(yīng)用側(cè)重于固體廢棄物的循環(huán)再利用，在建筑垃圾（碎磚、碎瓦、石灰石、黏土等）和有機(jī)廢棄物（園林綠化廢棄物、廢紙等）的研究上取得了較好的效果［8-9］。中國(guó)的屋頂綠化基質(zhì)仍選取草炭與其他基質(zhì)如珍珠巖、椰糠、蛭石等混合配制成的傳統(tǒng)草炭基質(zhì)。隨著生態(tài)文明和可持續(xù)發(fā)展要求的提出，尋求草炭的替代基質(zhì)已成為近年的研究熱點(diǎn)［10-11］?，F(xiàn)有報(bào)道大多為實(shí)驗(yàn)室或苗圃盆栽條件下得到的基質(zhì)配方，缺乏實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。本研究在屋頂環(huán)境下自制模擬槽結(jié)構(gòu)，應(yīng)用綠化廢棄物堆肥逐步替代草炭與無(wú)機(jī)基質(zhì)組合配制屋頂綠化基質(zhì)，通過(guò)基質(zhì)性質(zhì)檢測(cè)，屋頂綠化栽植試驗(yàn)植物生長(zhǎng)指標(biāo)觀測(cè)，綜合評(píng)價(jià)得出質(zhì)量高、適合簡(jiǎn)單式屋頂綠化植物生長(zhǎng)的基質(zhì)配方，在促進(jìn)綠化廢棄物資源化利用的同時(shí)，也為綠化廢棄物堆肥在屋頂綠化基質(zhì)的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于北京林業(yè)大學(xué)西配樓樓頂（40°00′N(xiāo)，116°20′E），樓頂高11.4 m，總面積為50 m×15 m，綠化面積350 m2；為典型北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促；降水季節(jié)分配不均，全年降水量的80%集中在夏季，年均降水量約600 mm，年均太陽(yáng)輻射量112～136 kcal·cm-2。本研究在4 m×10 m的空地上進(jìn)行，試驗(yàn)選用的植物材料為佛甲草Sedum lineare和三七景天Sedum aizoon幼苗（摘心處理）均購(gòu)自北京花卉市場(chǎng)，長(zhǎng)勢(shì)一致，苗齡1 a，高度（7±1）cm。

試驗(yàn)用屋頂綠化模擬槽尺寸為55 cm×31 cm×18 cm，底部帶排蓄水板（高2 cm），單側(cè)距離盒底0.5 cm處有1個(gè)內(nèi)徑1 cm的排水口。

試驗(yàn)基質(zhì)材料包括綠化廢棄物堆肥、草炭、蛭石和火山巖。綠化廢棄物堆肥為腐熟堆肥，由北京地區(qū)綠化過(guò)程中修剪下來(lái)的樹(shù)枝風(fēng)干粉碎成5.0 mm以下的固體顆粒，通過(guò)條垛式堆肥方法制成；草炭粒徑0.2～5.0 mm，蛭石粒徑1.0～3.0 mm，火山巖粒徑3.0～6.0 mm，以上3種基質(zhì)材料均購(gòu)自北京花卉市場(chǎng)。基質(zhì)材料理化性質(zhì)見(jiàn)表1。將基質(zhì)材料按照一定的體積比混合，以V（草炭）∶V（無(wú)機(jī)基質(zhì)）＝1∶1為對(duì)照，各處理組基質(zhì)配比如表2。其中無(wú)機(jī)基質(zhì)配比為V（蛭石）∶V（火山巖）＝2∶3。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)M簡(jiǎn)單式屋頂綠化試驗(yàn)，真實(shí)樓頂環(huán)境下栽植佛甲草和三七景天幼苗，種植構(gòu)造層從上至下依次為植被層、基質(zhì)層、隔離過(guò)濾層（2 mm土工布）、排（蓄）水層以及側(cè)面排水口。根據(jù)北京地區(qū)的氣候特點(diǎn)，基質(zhì)厚度均設(shè)置為13 cm。處理組栽植佛甲草和三七景天幼苗各2盆，株間距為13 cm×14 cm，種植8株·盆-1。實(shí)驗(yàn)前3 d每天澆足水（約3 L·箱-1），實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后每周澆1次水（約1.5 L·箱-1）；期間由專(zhuān)人負(fù)責(zé)管理，每月月初除草1次，試驗(yàn)期間除蟲(chóng)1次，每組藥劑和藥量保持一致。不施肥。

表1 基質(zhì)材料的基本理化性質(zhì)Table 1 General physical and chemical properties of substrate materials

表2 基質(zhì)配比Table 2 Ratio of the substrates

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 各處理基質(zhì)理化性質(zhì)的測(cè)定 隨機(jī)取樣測(cè)定基質(zhì)的各項(xiàng)理化指標(biāo)，重復(fù)3次·組-1。物理指標(biāo)包括干容重、濕容重、總孔隙度、非毛管孔隙度和毛管孔隙度，用環(huán)刀法測(cè)定?；瘜W(xué)指標(biāo)包括pH值、電導(dǎo)率（EC）、陽(yáng)離子交換量（CEC）、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)；pH值、EC值（水樣比5∶1）分別用pHB-3pH計(jì)及5021電導(dǎo)率儀測(cè)定，全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)用全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定，CEC值、有機(jī)質(zhì)和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照《土壤農(nóng)化分析》方法測(cè)定［12］。

1.3.2 佛甲草、三七景天生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 從植物緩苗期（7 d）之后隔15 d測(cè)定1次植物的生長(zhǎng)指標(biāo)。從2個(gè)模擬槽中隨機(jī)選取3株進(jìn)行測(cè)定，共測(cè)定4次，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)60 d。佛甲草的生長(zhǎng)指標(biāo)包括株高和覆蓋度，三七景天的生長(zhǎng)指標(biāo)包括生長(zhǎng)指數(shù)［（株高+最大幅寬+垂直幅寬）/3］［13］、分蘗數(shù)和覆蓋度。其中株高、幅寬用鋼卷尺測(cè)定，分蘗數(shù)通過(guò)數(shù)數(shù)法測(cè)定，覆蓋度通過(guò)拍照法和AutoCAD2007軟件計(jì)算面積。

1.3.3 植物指標(biāo)綜合評(píng)價(jià) 通過(guò)隸屬度函數(shù)X（f）＝（X-Xmin）/（Xmax-Xmin），得到綜合評(píng)價(jià)指數(shù)P＝（1/f）/（X1+X2+…+Xf）；其中X表示某一指標(biāo)測(cè)定值，Xmin表示該指標(biāo)測(cè)定的最小值，Xmax表示該指標(biāo)測(cè)定的最大值，X（f）表示第f個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。P值越大，植物生長(zhǎng)越好，說(shuō)明基質(zhì)配方對(duì)植物生長(zhǎng)效果越佳。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，用SPSS 22.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異性顯著檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比基質(zhì)處理理化性質(zhì)對(duì)比分析

屋頂荷載條件的限制要求基質(zhì)干容重為 0.20～0.80 g·cm-3［14］，濕容重為 0.45～1.30 kg·m-3［2］。 從表 3可以看出：實(shí)驗(yàn)組的干容重為0.55～0.69 g·cm-3，濕容重為1.19～1.26 g·cm-3，滿足要求?？偪紫抖扔煞敲芸紫抖群兔芸紫抖冉M成，非毛管孔隙度反映了基質(zhì)的通氣性，毛管孔隙度反映了基質(zhì)的持水性，與對(duì)照組相比，處理組總孔隙度、毛管孔隙度分別減少了3.6%～17.6%和1.4%～25.0%，非毛管孔隙度則呈現(xiàn)不同程度的增加或減少，說(shuō)明傳統(tǒng)草炭基質(zhì)的綜合持水通氣性較好，優(yōu)于處理組。

表3 不同基質(zhì)的部分物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of different substrates

一般而言，偏中性的土壤條件更適合植物的生長(zhǎng)。從表4可以看出：除對(duì)照組和T1組土壤呈酸性外，其余各組呈中性或者弱堿性，且隨著對(duì)照組中草炭被綠化廢棄物堆肥逐漸替代其pH值隨之增大，說(shuō)明綠化廢棄物堆肥的添加能改良傳統(tǒng)草炭基質(zhì)的酸堿性。處理組EC值顯著高于對(duì)照組（0.34 mS·cm-1），T3組最高，為2.28 mS·cm-1，T3～T7組EC值逐漸降低，說(shuō)明EC值隨綠化廢棄物堆肥的增加顯著增大，與胡嘉偉等［15］的研究結(jié)果一致。但過(guò)量的綠化廢棄物堆肥可能會(huì)導(dǎo)致土壤鹽堿化，需添加EC值較低的基質(zhì)降低其電導(dǎo)率。

陽(yáng)離子交換量（CEC）反映了基質(zhì)的保肥性，其值越高保肥性越好。與對(duì)照組相比，綠化廢棄物堆肥和草炭配比降低了基質(zhì)的CEC值，隨著綠化廢棄物堆肥的增加，T3～T7組CEC值總體呈上升趨勢(shì)，且在綠化廢棄物堆肥體積比為50%前后差異顯著，低于50%或高于50%時(shí)則無(wú)顯著差異，說(shuō)明有機(jī)基質(zhì)草炭的保肥能力較綠化廢棄物堆肥要強(qiáng)，且若只考慮CEC指標(biāo)，在綠化廢棄物堆肥基質(zhì)配比中可適當(dāng)降低其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)照組有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于處理組，達(dá)到了255.23 g·kg-1，T7組最低，為74.39 g·kg-1，說(shuō)明就有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)而言，綠化廢棄物堆肥較草炭要低。氮、磷、鉀為植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，三者的供應(yīng)狀態(tài)直接影響到植物的產(chǎn)量和質(zhì)量［16］，對(duì)比對(duì)照組和T5組可以得出，草炭的全氮量較綠化廢棄物堆肥多，綠化廢棄物堆肥全磷量和全鉀量較高，隨著綠化廢棄物堆肥體積含量的增加，T3～T7組基質(zhì)全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之增加，而全鉀的變化則相對(duì)復(fù)雜，可能與蛭石含有較高的鉀（表2）有關(guān)，與李燕等［17］的研究結(jié)果大體一致，說(shuō)明綠化廢棄物堆肥的氮磷鉀養(yǎng)分較草炭更均衡。碳氮比（C/N）反映了微生物的活性，C/N高則需要從外界補(bǔ)充氮素提高微生物的生物活性。由表3可知：對(duì)照組的C/N顯著高于處理組，處理組為14～22；受較高的有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，同等條件下，草炭基質(zhì)具有高碳氮比特性，而綠化廢棄物堆肥則具有降低碳氮比的作用。

表4 不同基質(zhì)的部分化學(xué)性質(zhì)Table 4 Chemical properties of different substrates

圖1 不同基質(zhì)條件對(duì)佛甲草株高和覆蓋度的影響Figure 1 Variation of the height and coverage of Sedum lineare under different substrate treatments

2.2 不同基質(zhì)對(duì)佛甲草幼苗生長(zhǎng)的影響

佛甲草為匍匐草本植物，待植物成坪后許多生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定難以進(jìn)行，因而本研究只選取了株高和覆蓋度作為調(diào)查指標(biāo)。從圖1A可以看出：栽植試驗(yàn)的前30 d，各組間佛甲草株高無(wú)顯著差異；30～60 d對(duì)照組幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)，處理組則出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)；第60天時(shí)，T7組株高明顯高于其他組，為23.7 cm，株高從高到低依次為T(mén)7，T3，T5，T2，T4，ck和T6。從圖1B可以看出：栽植第15天時(shí)，各組覆蓋度值相差不大，在10%上下波動(dòng)，之后對(duì)照組緩慢增長(zhǎng)；栽植30～45 d，處理組覆蓋度呈較快增長(zhǎng)，遠(yuǎn)超對(duì)照組；第30天時(shí)T3和T2組增長(zhǎng)幅度最大且最明顯，分別增長(zhǎng)了314.28%和271.43%，第60天時(shí)，覆蓋度從大到小依次為 T3，T2， T4（≥80%），T5， T6，T7（＞50%），T1， ck。

2.3 不同基質(zhì)對(duì)三七景天幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖2A可知：栽植時(shí)長(zhǎng)不同，三七景天生長(zhǎng)指數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)。15～30 d，T3組生長(zhǎng)指數(shù)最大，45～60 d，T4組生長(zhǎng)指數(shù)最大；除在第30天，T7組生長(zhǎng)指數(shù)最小外，其他時(shí)間，對(duì)照組生長(zhǎng)指數(shù)均為最小。整體而言，處理組的生長(zhǎng)指數(shù)在4個(gè)時(shí)間段均優(yōu)于對(duì)照組。由圖2B可知：三七景天在栽植第15天時(shí)，對(duì)照組分蘗數(shù)較T3組，T7組存在一定的優(yōu)勢(shì)，之后則逐漸落后于各處理組，在栽植第30～45天，處理組分蘗數(shù)整體呈較快增長(zhǎng)，而對(duì)照組在栽植30 d之后分蘗數(shù)增長(zhǎng)及其緩慢，分蘗能力低。由圖2C可知：在栽植的前30 d內(nèi)，三七景天對(duì)照組覆蓋度存在較大的優(yōu)勢(shì)，30 d之后其覆蓋度增長(zhǎng)較緩慢，處理組則一直保持較快的增長(zhǎng)速度，在第45～60天，各處理組均大于對(duì)照組。

圖2 不同基質(zhì)條件下三七景天生長(zhǎng)指標(biāo)變化Figure 2 Variation of growth indexes of Sedum aizoon under different substrate treatments

表5 不同基質(zhì)條件下佛甲草、三七景天生長(zhǎng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)Table 5 Comprehensive evaluation of growth indexes of Sedum lineare and S.aizoon with 60 days’plantation

2.4 不同基質(zhì)條件下2種植物生長(zhǎng)綜合評(píng)價(jià)分析

本研究通過(guò)隸屬度函數(shù)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)了不同基質(zhì)條件下第60天的佛甲草和三七景天生長(zhǎng)指標(biāo)。結(jié)果表明 （表5）：處理組綜合評(píng)價(jià)系數(shù)遠(yuǎn)大于對(duì)照組，其中，T4組綜合評(píng)價(jià)系數(shù)最高，為0.80，T2組次之，為0.72，說(shuō)明此兩者為最適宜基質(zhì)；T3組、T5組的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)較T6組和T7組大，且從T5組到T6組綜合評(píng)價(jià)系數(shù)降低速率最大，為40.7%，說(shuō)明綠化廢棄物堆肥體積比≥50%的混合基質(zhì)對(duì)植物的生長(zhǎng)具有明顯促進(jìn)作用，此外，T6組、T7組的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)亦遠(yuǎn)大于對(duì)照組。

3 結(jié)論與討論

草炭為酸性有機(jī)基質(zhì)，具有質(zhì)輕、有機(jī)質(zhì)含量高和保肥性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，合理搭配其他基質(zhì)材料能夠滿足植物的基本生長(zhǎng)需求，在園藝基質(zhì)中得到了廣泛的應(yīng)用；但草炭為不可再生資源，近年來(lái)的大量開(kāi)采導(dǎo)致其資源應(yīng)用緊張，尋求其替代基質(zhì)刻不容緩。本研究發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)草炭基質(zhì)相比，添加綠化廢棄物堆肥的基質(zhì)滿足屋頂綠化基質(zhì)荷載要求，能較好地改良基質(zhì)酸堿性，降低碳氮比，均衡氮磷鉀養(yǎng)分，對(duì)植物中后期生長(zhǎng)的促進(jìn)效果更明顯；但是其EC值較高，需通過(guò)與其他基質(zhì)材料混配改良。魏樂(lè)等［18］的研究表明：綠化廢棄物堆肥能明顯改善基質(zhì)中大量元素和微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，更好地促進(jìn)植物生長(zhǎng)；殷慶霏等［10］則發(fā)現(xiàn)添加綠化廢棄物堆肥基質(zhì)對(duì)植物株高、葉綠素、凈光合速率等指標(biāo)的促進(jìn)作用明顯優(yōu)于草炭基質(zhì)。但是由于原料成分和堆肥工藝等無(wú)法統(tǒng)一，當(dāng)前制作出的綠化廢棄物堆肥良莠不齊，因而需要不斷實(shí)踐制訂堆肥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

有機(jī)基質(zhì)和無(wú)機(jī)基質(zhì)含量決定了基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)成分和礦物成分。基質(zhì)中有機(jī)基質(zhì)較高易引起荷載過(guò)大、細(xì)顆粒淀積以及不可預(yù)測(cè)的生物活性等一系列問(wèn)題［19］?；|(zhì)在屋頂上其更換難度和更換成本要明顯高于地面，除了滿足基本的理化性質(zhì)外，還要求有較長(zhǎng)的使用年限和良好的穩(wěn)定性。隨著時(shí)間的推移，有機(jī)基質(zhì)逐漸分解，基質(zhì)層變薄，合理的有機(jī)基質(zhì)和無(wú)機(jī)基質(zhì)配比可以滿足高質(zhì)量、使用年限長(zhǎng)的屋頂綠化基質(zhì)要求。本研究通過(guò)屋頂綠化景天科Crassulaceae植物佛甲草、三七景天幼苗栽植試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，綠化廢棄物堆肥在屋頂綠化應(yīng)用中比傳統(tǒng)草炭基質(zhì)效果要好，且綠化廢棄物堆肥體積比≥50%效果要比體積比＜50%好，即有機(jī)基質(zhì)含量高更有利于植物的生長(zhǎng)，與李燕等［17］、湯聰?shù)龋?0］的研究結(jié)果一致。在有機(jī)基質(zhì)含量較高（T3）與較低（T2）能取得相同效果的情況下，建議使用有機(jī)基質(zhì)含量較低的配方。本研究中的T6，T7處理組綠化廢棄物堆肥體積比＜50%，其綜合評(píng)價(jià)系數(shù)值較低，但是依然遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)草炭基質(zhì)，若是在后期合理施用，其作為屋頂綠化的理想基質(zhì)具有較大的潛力。

對(duì)屋頂環(huán)境條件下景天科植物佛甲草、三七景天部分生長(zhǎng)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和綜合評(píng)價(jià)分析顯示，T4組和T2組為最適宜配方基質(zhì)，即V（綠化廢棄物堆肥）∶V（無(wú)機(jī)基質(zhì)）＝65∶35和V（綠化廢棄物堆肥）∶V（草炭）∶V（無(wú)機(jī)基質(zhì)）＝30∶20∶50， 其中的無(wú)機(jī)基質(zhì)配比為V（火山巖）∶V（蛭石）＝3∶2。