不同骨料對(duì)粗放型綠色屋頂人工基質(zhì)理化性質(zhì)的影響

陳 璇， 周明來(lái)， 葉建軍， 劉 瑛， 劉瑞芬

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，河湖生態(tài)修復(fù)與藻類(lèi)利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430068)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市綠化利用面積不斷減少，使得城市雨洪管理、熱島效應(yīng)等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出。屋頂是城市的第五個(gè)立體平面，綠色屋頂可簡(jiǎn)單定義為“置于人工建筑物上方的植被覆蓋面”，該技術(shù)的出現(xiàn)為增加城市綠化面積、改善生態(tài)環(huán)境提供了潛在機(jī)遇。現(xiàn)代綠色屋頂結(jié)構(gòu)通常包括植被層、基質(zhì)層、過(guò)濾層、排水層、根阻層和防水層[1]。其中植被層、基質(zhì)層無(wú)疑是最為重要的部分：植物層保證綠色屋頂發(fā)揮多種生態(tài)效益，如攔截及蒸騰雨水徑流、固碳釋氧等；基質(zhì)層則是主要的水流/溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所，并為植物生長(zhǎng)提供必要的水、空氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。按照基質(zhì)厚度劃分，綠色屋頂可分為粗放型和精細(xì)型，其中粗放型綠色屋頂?shù)幕|(zhì)層較薄、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、維護(hù)量小[2]。其基質(zhì)層種植材料大致可分為田園土、改良土和人工基質(zhì)(以下簡(jiǎn)稱基質(zhì))[3]?；|(zhì)通常由80%～90% 的輕質(zhì)骨料和10% ～20% 的有機(jī)質(zhì)組成，相較于田園土和改良土，具有重量輕、理化性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，在為植物生長(zhǎng)提供水分、養(yǎng)分的同時(shí)不影響屋面排水，是綠色屋頂基質(zhì)層的首選[4]。不同國(guó)家所研發(fā)的基質(zhì)組分繁多，輕質(zhì)骨料包括膨化頁(yè)巖、珍珠巖、陶粒、蛭石、浮石、火山巖、蒙脫石等，有機(jī)質(zhì)包括腐殖質(zhì)、泥炭、鋸木屑、椰殼、家禽糞便等[5]。在我國(guó)，王嘯宇[6]等對(duì)比了珍珠巖、沸石、陶粒、稻殼炭、蛭石、雞糞的物理性質(zhì)，從輕質(zhì)和保水特性方面考慮，以期篩選出適用于綠色屋頂?shù)幕|(zhì)組分。潘穎[7]等通過(guò)對(duì)蛭石、珍珠巖、石英砂、爐灰渣的物理、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，分析比較其養(yǎng)分含量及持水性上的差異，為基質(zhì)組分的選用及管理提供理論依據(jù)。大多數(shù)學(xué)者[8]通過(guò)對(duì)比單一基質(zhì)組分的理化性質(zhì)進(jìn)行篩選，但如何選擇適宜配比，并使之混合后仍能滿足綠色屋頂設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，作為基質(zhì)主要成分的輕質(zhì)骨料，其添加率、級(jí)配及類(lèi)型是如何影響基質(zhì)理化性質(zhì)，在我國(guó)綠色屋頂研究中尚不多見(jiàn)。

本文采用四種基質(zhì)組分，包括三種常見(jiàn)輕質(zhì)骨料蛭石3～5 mm、珍珠巖3～6 mm、珍珠巖4～8 mm和一種有機(jī)質(zhì)雞糞。每種骨料按照90%、85%、80%的添加率與有機(jī)質(zhì)雞糞進(jìn)行充分混合，共得到九組基質(zhì)種類(lèi)。參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-2019)》[9]和國(guó)際上最為系統(tǒng)且成熟的德國(guó)FLL規(guī)范[10]，測(cè)定各組基質(zhì)的理化性質(zhì)，包括顆粒粒徑分布、干密度、比重、孔隙度、最大持水量、飽和載荷、滲透率、有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮含量、速效磷含量，以分析骨料的添加率、級(jí)配和類(lèi)型對(duì)粗放型綠色屋頂基質(zhì)理化性質(zhì)的影響，并篩選出符合FLL標(biāo)準(zhǔn)的適宜基質(zhì)，為粗放型綠色屋頂基質(zhì)的選配提供一定理論依據(jù)及技術(shù)參考，有助于綠色屋頂技術(shù)在我國(guó)的推廣與應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中用到的三種骨料分別為蛭石3～5 mm、珍珠巖3～6 mm、珍珠巖4～8 mm，有機(jī)質(zhì)為雞糞(圖1)。蛭石是一種主要是金云母或黑云母經(jīng)熱液蝕變或風(fēng)化形成的層狀硅酸鹽礦物，通氣、排水效果好、密度低，有一定的保肥能力和吸附重金屬能力[11]。珍珠巖是一種酸性火山玻璃質(zhì)熔巖，具有無(wú)數(shù)不規(guī)則的密閉氣孔，蜂窩狀結(jié)構(gòu)很發(fā)達(dá)，孔隙率高、密度低[12]。雞糞富含植物生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)元素，肥源廣，經(jīng)高溫發(fā)酵烘干后，無(wú)毒無(wú)臭，便于貯存、銷(xiāo)售、運(yùn)輸。四種基質(zhì)組分的基本特性見(jiàn)表1。

圖 1 試驗(yàn)使用骨料及有機(jī)質(zhì)

表1 試驗(yàn)使用骨料及有機(jī)質(zhì)基本特性

1.2 試驗(yàn)方案

將1.1中的每種骨料按照90%、85%、80%的添加率與有機(jī)質(zhì)充分混合，共得到九組基質(zhì)種類(lèi)。測(cè)定指標(biāo)包括粒徑級(jí)配曲線、干密度、比重、孔隙度、最大持水量、飽和載荷、滲透率、有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮含量、速效磷含量，其中有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮含量、速效磷含量由湖北省武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥所測(cè)定。

粒徑級(jí)配曲線由篩分法[9]測(cè)得，每組重復(fù)兩次試驗(yàn)。比重由比重瓶法[9]測(cè)得，每組重復(fù)兩次試驗(yàn)?？紫抖扔捎?jì)算法[13]求得，每組重復(fù)兩次試驗(yàn)，記樣品干密度為ρd和樣品比重為ρs，由孔隙度(%)=1-ρd/ρs求得。干密度、最大持水量、飽和載荷、滲透率由FLL規(guī)范中的方法測(cè)得，每組重復(fù)三次試驗(yàn)。具體步驟如下：取充分混勻后樣品1 L，放置于容器筒(圖2a)中，使用7 mm厚的圓形鋼板覆蓋樣品后，用重4.5 kg且落高為45 cm的擊實(shí)錘(圖2b)對(duì)樣品進(jìn)行六次沖擊，得到壓實(shí)樣品并測(cè)量樣品高度h，根據(jù)容器筒底面積S算出壓實(shí)后樣品體積V。接著將筒內(nèi)樣品浸沒(méi)于水中達(dá)24 h后，取出筒稱重，記質(zhì)量為M0；接著將其靜置，排水達(dá)2 h后，再次稱重，記質(zhì)量為M1，確定樣品體積V1；排水結(jié)束后，在樣品頂部放置金屬環(huán)針(兩針長(zhǎng)度分別為4.5 cm和3.5 cm，圖2c)，不斷加水通過(guò)樣品，當(dāng)水自由流出容器底部后，測(cè)得水位從4.5 cm下降到3.5 cm時(shí)的時(shí)間差t；最后將筒內(nèi)樣品放入105℃烘箱中烘干至恒重，記烘干后樣品質(zhì)量為M，容器筒質(zhì)量為m。由干密度(g/cm3)=M/V、最大持水量(%)=100(M1-M-m)/ρ水V1、飽和載荷(kg/m2)=(M0-m)/S、滲透率[14](cm/s)=h/(ht+0.4t)，求得各項(xiàng)指標(biāo)。

圖 2 FLL試驗(yàn)器材

1.3 數(shù)據(jù)分析

將以上所有重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果取平均值，為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，檢查重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于14%。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 26.0軟件完成，采用單因素ANOVA(用于三者間的比較)、t檢驗(yàn)(用于兩者間的比較)來(lái)分析骨料添加率、級(jí)配及類(lèi)型對(duì)基質(zhì)理化性質(zhì)的影響[15]。

2 結(jié)果和討論

2.1 結(jié)果

試驗(yàn)使用骨料及有機(jī)質(zhì)的理化性質(zhì)如表2所示。與三種骨料相比，雞糞質(zhì)地松軟、易于壓實(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)不如骨料豐富，利于持水的細(xì)小顆粒較多，其干密度、比重、最大持水量最高而孔隙度最低；由1.2中飽和載荷計(jì)算式可知，飽和載荷與干密度、比重、最大持水率均有關(guān)，且一般應(yīng)與這幾個(gè)指標(biāo)的數(shù)值呈正相關(guān)，由于雞糞這幾項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均為最大，因此其飽和載荷最高。雞糞的滲透率為0.204 cm/s，而三種骨料的滲透率相當(dāng)，均大于0.9 cm/s，這是由于骨料的孔隙通道發(fā)達(dá)，有利于排水[6]。測(cè)定可知，雞糞富含植物生長(zhǎng)所需有機(jī)質(zhì)及氮、磷，骨料中有機(jī)質(zhì)總量及氮磷元素含量較低。由以上四種組分所組成的9種基質(zhì)的相關(guān)理化性質(zhì)見(jiàn)圖3(大寫(xiě)字母代表骨料添加率相同、骨料類(lèi)型不同時(shí)，指標(biāo)之間有顯著性差異；小寫(xiě)字母代表骨料類(lèi)型相同、骨料添加率不同時(shí)，指標(biāo)之間有顯著性差異。)，各組基質(zhì)的粒徑分布見(jiàn)圖4。

表2 試驗(yàn)使用骨料及有機(jī)質(zhì)的理化性質(zhì)

(a)各組基質(zhì)的干密度、比重

(b)各組基質(zhì)的最大持水量、孔隙度

(c)各組基質(zhì)的滲透率、飽和載荷

(d)各組基質(zhì)的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量圖 3 各組基質(zhì)的理化性質(zhì)

圖 4 各組基質(zhì)的粒徑分布

2.2 討論

2.2.1骨料添加率的影響蛭石的添加率對(duì)蛭石組基質(zhì)(以下簡(jiǎn)稱為蛭石組)的干密度、孔隙度、最大持水量、飽和載荷、滲透率無(wú)顯著影響。李耀龍等[16]研究也表明，雖然隨著蛭石添加率的降低總體上蛭石組呈現(xiàn)出干密度增大、持水量減小的趨勢(shì)，但統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明該變化趨勢(shì)是不明顯的，即指標(biāo)的變化并無(wú)明顯規(guī)律。如圖3所示，當(dāng)蛭石的添加率為90%時(shí)，比重、有機(jī)質(zhì)含量會(huì)顯著減小。蛭石添加率為90%時(shí)相應(yīng)比重為1.59，明顯小于蛭石添加率為85%和80%的相應(yīng)比重2.15和2.14。如表2所示，蛭石比重(1.46)低于雞糞比重(2.22)，這與物質(zhì)的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān)，組成元素的原子量越大、結(jié)構(gòu)構(gòu)造越緊密，比重越大[17]。因此當(dāng)蛭石的添加率增加、雞糞的添加率減少時(shí)，蛭石組比重會(huì)顯著減小，更接近于蛭石比重。此外，蛭石的添加率對(duì)蛭石組的有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮及速效磷含量有顯著影響。由表2可知，檢測(cè)后可知，相較于蛭石，雞糞富含有機(jī)質(zhì)及氮、磷元素，因此隨著蛭石添加率的增加，雞糞的添加率減少，蛭石組的有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮及速效磷含量顯著減小。

珍珠巖的添加率對(duì)珍珠巖組基質(zhì)(以下簡(jiǎn)稱為珍珠巖組)的干密度、孔隙度、最大持水量、飽和載荷、滲透率有顯著影響，而對(duì)比重?zé)o顯著影響。隨著珍珠巖的添加率的增加，珍珠巖組的干密度、最大持水量、飽和載荷減小而孔隙度、滲透率增大。由于試驗(yàn)所用雞糞的干密度約為珍珠巖的4～6倍(表2)，混合基質(zhì)中珍珠巖添加率的增加(即雞糞比例的減少)導(dǎo)致珍珠巖組的干密度減小。此外，由孔隙度計(jì)算式可知孔隙度受比重和干密度的共同影響，而試驗(yàn)中所用珍珠巖(2.01～2.09)比重與雞糞比重(2.22)相當(dāng)，統(tǒng)計(jì)分析也發(fā)現(xiàn)骨料添加率對(duì)珍珠巖組比重?zé)o顯著影響，則珍珠巖組的孔隙度與干密度呈負(fù)相關(guān)(R2=0.8218,圖5)，珍珠巖添加率的增加使得珍珠巖組的孔隙度增大。關(guān)于持水能力，人們普遍認(rèn)為與組分粒徑大小有關(guān)：細(xì)顆粒會(huì)增大持水能力，而粗顆粒會(huì)增大通氣排水量[18]。Abad等[19]認(rèn)為粒徑在0.125～1 mm的細(xì)顆?？娠@著影響椰糠與泥炭的物理性質(zhì)；Guber等[20]認(rèn)為顆粒粒徑<0.25 mm、<0.5 mm和<1 mm是保水特性改變的重要分組參數(shù)；Graceson等[21]認(rèn)為粒徑小于1 mm的細(xì)顆粒會(huì)顯著影響綠色屋頂基質(zhì)的持水量；Noguera等[22]發(fā)現(xiàn)將粒徑為0.5mm時(shí)，椰糠的持水量有顯著改變。本文通過(guò)對(duì)珍珠巖組的最大持水量及其顆粒粒徑分布的質(zhì)量分?jǐn)?shù)做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)珍珠巖組最大持水量與粒徑為0.5～1 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)(R2=0.7197，圖5)。隨著珍珠巖添加率的增加，粒徑為0.5～1 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，最終導(dǎo)致最大持水量的減小。由飽和載荷計(jì)算式，可推斷其值與干密度、比重、孔隙結(jié)構(gòu)均有關(guān)，通過(guò)分析表3珍珠巖組數(shù)據(jù)，可知珍珠巖組的飽和載荷與干密度呈正相關(guān)(R2=0.9209，圖5)。而滲透率可反映基質(zhì)中孔隙構(gòu)成，如孔隙的大小、多少以及連通情況等，與顆粒成分、顆粒形狀、排列狀況、細(xì)料含量均有關(guān)[23]。珍珠巖添加率的減少、雞糞的增多使得基質(zhì)中的細(xì)小顆粒增多，阻塞原有珍珠巖孔隙結(jié)構(gòu)、降低其連通度，最終導(dǎo)致珍珠巖組基質(zhì)滲透率下降。與蛭石組類(lèi)似，檢測(cè)后可知，相較于珍珠巖，雞糞富含有機(jī)質(zhì)及氮、磷元素，隨著珍珠巖添加率的增加，雞糞的添加率減少，珍珠巖組的有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮及速效磷含量顯著減小。

(a)珍珠巖組的孔隙度、飽和載荷與干密度的相關(guān)性擬合曲線

(b)珍珠巖組最大持水量與粒徑為0.5～1 mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性擬合曲線圖 5 珍珠巖組的相關(guān)性擬合曲線

2.2.2骨料級(jí)配的影響通過(guò)對(duì)比分析骨料添加率相同的珍珠巖3～6 mm組和珍珠巖4～8 mm組的各項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)骨料級(jí)配對(duì)基質(zhì)的干密度、比重、孔隙度、飽和載荷、滲透率無(wú)顯著影響。對(duì)于最大持水量而言，當(dāng)珍珠巖骨料添加率為85%、90%時(shí)，骨料級(jí)配對(duì)最大持水量有顯著影響，珍珠巖3～6 mm組的最大持水量高于珍珠巖4～8 mm組的。由2.2.1分析可知，珍珠巖組最大持水量與粒徑為0.5～1 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有正相關(guān)關(guān)系。如圖4所示，當(dāng)珍珠巖骨料添加率相同時(shí)，珍珠巖3～6 mm組粒徑為0.5～1 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于珍珠巖4～8 mm組相應(yīng)的值，導(dǎo)致前者的最大持水量高于后者。對(duì)于有機(jī)質(zhì)總量而言，當(dāng)珍珠巖骨料添加率相同時(shí)，骨料級(jí)配對(duì)有機(jī)質(zhì)總量有顯著影響，珍珠巖3～6 mm組的有機(jī)質(zhì)總量高于珍珠巖4～8 mm組的。對(duì)于堿解氮、速效磷而言，當(dāng)珍珠巖骨料添加率為90%時(shí)，骨料級(jí)配對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)有顯著影響，珍珠巖3～6 mm組的堿解氮、速效磷含量高于珍珠巖4～8 mm組的。這是由于珍珠巖3～6 mm的有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮及速效磷含量均高于珍珠巖4～8 mm。

2.2.3骨料類(lèi)型的影響骨料類(lèi)型對(duì)基質(zhì)的干密度、孔隙度、最大持水量、飽和載荷、滲透率有顯著影響，對(duì)比珍珠巖組，蛭石組的干密度、最大持水量、飽和載荷更高，孔隙度更小，滲透率的波動(dòng)性更小。一般來(lái)說(shuō)，混合基質(zhì)的物理性質(zhì)是其各組分相應(yīng)物理性質(zhì)的折中[24]。由于基質(zhì)中骨料所占比例遠(yuǎn)高于有機(jī)質(zhì)，基質(zhì)物理性質(zhì)主要由其中骨料的物理性質(zhì)所決定。與珍珠巖相比，蛭石的干密度高而孔隙度低(見(jiàn)表2)，因此當(dāng)骨料添加率相同時(shí)，與珍珠巖組相比，蛭石組的干密度高而孔隙度低，這與王嘯宇[6]等、潘穎[7]等的研究結(jié)果一致。如表2所示，蛭石的最大持水量高于珍珠巖的，這可能是由于二者持水機(jī)理的不同。蛭石為層狀硅酸鹽礦物，結(jié)構(gòu)層往往帶負(fù)電并具有較高的層電荷密度，結(jié)構(gòu)層的高電荷允許水分子進(jìn)入層空間，層空間水化傾向強(qiáng)烈，這種層結(jié)構(gòu)及層間水化反應(yīng)都有利于蛭石的持水[25]。而珍珠巖是一種酸性火山玻璃質(zhì)熔巖，具有無(wú)數(shù)不規(guī)則的密閉氣孔，蜂窩狀結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，主要靠孔隙吸持水分[26]。圖3數(shù)據(jù)也表明，當(dāng)骨料添加率相同時(shí)，蛭石組的最大持水量高于珍珠巖組。飽和載荷與干密度、比重、孔隙結(jié)構(gòu)等有關(guān)，而最大持水率能夠一定程度反映孔隙結(jié)構(gòu)。將表2中四種組分及表3中九種基質(zhì)的數(shù)據(jù)匯總做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)飽和載荷與干密度、最大持水率呈正相關(guān)，相關(guān)指數(shù)R2分別為0.7510、0.7651(圖6)。由于蛭石的干密度、最大持水量均高于珍珠巖，因此蛭石的飽和載荷更高(表2)，同樣的，當(dāng)骨料添加率相同時(shí)，蛭石組的飽和載荷高于珍珠巖組(圖3)。表3中，蛭石組滲透率范圍為0.22～0.30 cm/s，相比于珍珠巖組的滲透率范圍0.07～0.91 cm/s，其變化波動(dòng)較小。由2.2.1分析可知，蛭石組滲透率受骨料添加率影響不顯著，這可能是由于蛭石質(zhì)地較軟，吸水后顆粒骨架膨脹，與雞糞混合時(shí)，形成的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，連通度改變不大，因此滲透率變化波動(dòng)?。欢渲閹r質(zhì)地較硬，吸水后顆粒骨架穩(wěn)定，與雞糞混合后基質(zhì)孔隙連通度變化隨骨料添加率而改變，因此滲透率變異性更大，說(shuō)明即便添加率范圍一致，不同骨料對(duì)滲透率的調(diào)節(jié)能力有異，相對(duì)于蛭石，珍珠巖對(duì)于滲透率的調(diào)節(jié)范圍更廣。

骨料類(lèi)型對(duì)骨料添加率為90%基質(zhì)的比重有顯著影響，由2.2.1分析可知，當(dāng)蛭石添加率到達(dá)90%時(shí)，蛭石組比重會(huì)顯著降低，更接近于蛭石比重。而當(dāng)珍珠巖添加率在80%～90%之間變動(dòng)時(shí)，珍珠巖組比重?zé)o顯著變化。這是由于試驗(yàn)中所使用的珍珠巖比重(2.01～2.09)與雞糞比重(2.22)相近，兩者之間的體積百分比變動(dòng)不影響混合后基質(zhì)比重，其改變與骨料添加率無(wú)關(guān)。因此骨料類(lèi)型僅對(duì)添加率為90%基質(zhì)的比重有顯著影響，蛭石組的比重低于珍珠巖組的。此外，骨料類(lèi)型對(duì)基質(zhì)組的有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮含量、速效磷含量有顯著影響。檢測(cè)可知，蛭石的有機(jī)質(zhì)含量高于珍珠巖，因此蛭石組的有機(jī)質(zhì)總量高于珍珠巖組。蛭石、珍珠巖的堿解氮及速效磷含量相當(dāng)。由于蛭石的干密度高于蛭石，骨料添加率相同時(shí)，取出蛭石的質(zhì)量更高，進(jìn)而表現(xiàn)為蛭石組的堿解氮及速效磷含量高于珍珠巖組。

圖 6 基質(zhì)的飽和載荷與最大持水量、 干密度的相關(guān)性擬合曲線

2.2.4粗放型綠色屋頂人工基質(zhì)的篩選根據(jù)FLL規(guī)范[10]，粗放型綠色屋頂基質(zhì)中粒徑小于0.063 mm顆粒的含量不應(yīng)超過(guò)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的7%，粒徑小于4 mm顆粒的含量應(yīng)高于總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的25%，最大粒徑應(yīng)限制為10～12 mm。因?yàn)檫^(guò)多的細(xì)顆粒會(huì)降低基質(zhì)的滲透率，增加重量，而適宜比例的細(xì)顆粒則有助于保水、保肥，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。在滿足粒徑分布的前提下，低干密度、高持水能力、高孔隙率和高滲透率是粗放型綠色屋頂人工基質(zhì)理想的物理性質(zhì)[27]。低干密度對(duì)降低屋頂載荷有重要意義，特別是老舊屋頂承載能力有限，一般考慮應(yīng)小于0.8 g/cm3。此外，本試驗(yàn)還測(cè)得了飽和載荷，與干密度不同，飽和的重量考慮了降雨和排水因素，其值一般不超過(guò)100 kg/m2[14]。高持水能力既可以延長(zhǎng)植物在干旱期的存活率又能減少屋頂徑流，但此值過(guò)高會(huì)導(dǎo)致植物爛根，F(xiàn)LL規(guī)定其范圍為20%～65%。高孔隙度有利于植物根系之間的氣體交換以維持植物正常生長(zhǎng)，F(xiàn)LL規(guī)定其值應(yīng)大于10%[28]。高滲透率可以防止積水的產(chǎn)生，避免積水增加屋頂載荷、淹沒(méi)植物、破壞基質(zhì)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)LL規(guī)定其值應(yīng)大于0.1 cm/s。有機(jī)質(zhì)及氮、磷元素用于維持植物生長(zhǎng)，其含量需要設(shè)定在與綠化類(lèi)型和建筑形式相適應(yīng)的水平，并考慮到如果它們滲出可能會(huì)造成污染[29]，針對(duì)粗放型綠色屋頂，F(xiàn)LL規(guī)定有機(jī)質(zhì)的含量應(yīng)小于基質(zhì)總質(zhì)量的4%，堿解氮含量應(yīng)小于80 mg/L，速效磷含量應(yīng)小于200 mg/L。

Berndtsson等[30]在瑞典馬爾默和隆德的研究表明，綠色屋頂可以降低氨氮和總氮，但同時(shí)也是硝酸鹽、總磷和磷酸鹽的釋放源。因此，基質(zhì)的化學(xué)指標(biāo)在滿足FLL規(guī)范的同時(shí)，也應(yīng)考慮日后運(yùn)行過(guò)程中帶來(lái)的污染問(wèn)題。

本試驗(yàn)中，添加率為90%的蛭石3～5 mm組、添加率為90%的珍珠巖3～6mm組和添加率為90%珍珠巖4～8 mm組符合FLL規(guī)范關(guān)于粗放型綠色屋頂人工基質(zhì)物理性質(zhì)的各項(xiàng)要求，具備潛在應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)骨料為珍珠巖時(shí)，珍珠巖4～8 mm組的氮磷含量低于珍珠巖3～6 mm組，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮使用。

3 結(jié)論

將三種骨料蛭石3～5 mm、珍珠巖3～6 mm、珍珠巖4～8 mm按照90%、85%、80%的添加率分別與一種有機(jī)質(zhì)雞糞混合, 共得到九組基質(zhì)種類(lèi)，測(cè)試各組基質(zhì)的理化性質(zhì)及分析骨料的添加率、級(jí)配以及類(lèi)型對(duì)粗放型綠色屋頂人工基質(zhì)理化性質(zhì)的影響，得出以下結(jié)論。

1)蛭石添加率的改變對(duì)蛭石組的干密度、孔隙度、最大持水量、飽和載荷、滲透率無(wú)顯著影響，當(dāng)蛭石的添加率達(dá)到90%時(shí)，蛭石組比重顯著減小。隨著蛭石添加率的增加，雞糞的添加率減少，蛭石組的有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮及速效磷含量顯著減小。珍珠巖添加率的改變對(duì)珍珠巖組的比重?zé)o顯著影響，但添加率的增加會(huì)使得珍珠巖組的干密度、最大持水量、飽和載荷、有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮及速效磷含量顯著減小而孔隙度、滲透率增加。

2)珍珠巖的骨料級(jí)配對(duì)珍珠巖組的干密度、比重、孔隙度、飽和載荷、滲透率無(wú)顯著影響。而對(duì)于最大持水量而言，當(dāng)珍珠巖添加率為90%、85%時(shí)，珍珠巖3～6 mm組的最大持水量大于珍珠巖4～8 mm組的，這是由于相同骨料添加率下，前者粒徑為0.5～1 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于后者的相應(yīng)值。對(duì)于有機(jī)質(zhì)總量而言，當(dāng)珍珠巖骨料添加率相同時(shí)，骨料級(jí)配對(duì)有機(jī)質(zhì)總量有顯著影響，珍珠巖3～6 mm組的有機(jī)質(zhì)總量高于珍珠巖4～8 mm組的。對(duì)于堿解氮、速效磷而言，當(dāng)珍珠巖骨料添加率為90%時(shí)，骨料級(jí)配對(duì)這兩項(xiàng)指標(biāo)有顯著影響，珍珠巖3～6 mm組的堿解氮、速效磷含量高于珍珠巖4～8 mm組的。

3)骨料類(lèi)型對(duì)基質(zhì)的干密度、孔隙度、最大持水量、飽和載荷、滲透率有顯著影響，當(dāng)骨料添加率相同時(shí)，對(duì)比珍珠巖組，蛭石組的干密度、最大持水量、飽和載荷更高，孔隙度更小，當(dāng)骨料添加率在90～80 % 之間變動(dòng)時(shí)，對(duì)比珍珠巖組，蛭石組的滲透率的波動(dòng)性更小。當(dāng)骨料添加率為90 %時(shí)，骨料類(lèi)型對(duì)基質(zhì)比重有顯著影響，蛭石組的比重低于珍珠巖組的。此外，骨料類(lèi)型對(duì)基質(zhì)組的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷有顯著影響。由骨料添加率相同時(shí)，蛭石組的有機(jī)質(zhì)總量、堿解氮及速效磷含量均高于珍珠巖組的。

4)根據(jù)FLL規(guī)范，添加率為90%的蛭石3～5 mm組、添加率為90%的珍珠巖3～6 mm組和添加率為90%珍珠巖4～8 mm組符合粗放型綠色屋頂人工基質(zhì)物理性質(zhì)的要求，可用于進(jìn)一步研究。

粗放型綠色屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)與研究中，植物的選擇對(duì)于綠色屋頂?shù)倪\(yùn)行也是至關(guān)重要的，因此，筆者未來(lái)的研究將會(huì)圍繞粗放型綠色屋頂植物的篩選以及受植物根系影響基質(zhì)層的水分遷移運(yùn)動(dòng)而展開(kāi)，為粗放型綠色屋頂人工基質(zhì)-植物優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)及技術(shù)參考。