保水劑和生物表面活性劑配制屋頂綠化輕型基質的探究

譚其言，李素艷，孫向陽，郝惠蓉，李逸楠，孫經宇

（北京林業大學 林學院，北京 100083）

屋頂綠化是一種獨立于自然土壤，在各類建筑的頂部種植樹木花卉的綠化形式[1-2]，對解決中國城市綠化覆蓋率低、綠化資源緊張、“熱島效應”加劇等問題具有重大意義[3-4]。由于屋頂環境的風力大、光照強、濕度低且荷載非常有限[5-6]，同時植物的健康生長需要適宜的溫度、水分和養分，因此綠化基質應兼備質地輕、持水保水性強、通氣透水性強、肥力適中、結構穩定、經濟環保等特點[7]。屋頂綠化常用的基質有改良土和無機復合種植土，前者是將田園土與有機物質和無機物質按一定比例混合而成[8]，后者是非金屬礦物經高溫膨化后加入外源添加劑配制而成[9]。相比改良土，無機復合種植土不但能更好地解決基質容重大、透氣保水性差、肥力低等問題，還可避免基質結構不穩定、有機質含量及排水色度過高等問題，是屋頂綠化基質的最佳選擇[10]。研究表明：以適宜的粒徑比配制的珍珠巖輕型基質可改善基質的容重、孔隙度、電導率等指標，既能減輕屋頂負荷，又能避免板結[11]。由于珍珠巖交換吸附能力弱，通過孔隙截留作用和土粒吸附作用的保水保肥效果不理想。因此，在珍珠巖基質中添加合適的改良劑，提高輕型基質的保水保肥性能，對無機復合種植土的研發具有重要意義。保水劑是一種高分子親水聚合物，可反復吸水，能使基質的容重降低，持水量升高，孔隙狀況得到改善[12]，水分蒸發及養分流失減緩[13-14]。生物表面活性劑是無毒、可降解的微生物代謝產物，能降低固體物料的表面張力，在農業中常作為潤濕劑。適量添加生物表面活性劑不但能使基質有效水分分布更均勻，緩解基質局部干燥，提高水分利用率[15-16]，還能增加基質的保水保肥能力，促進植物根系發育[17]，降低土壤侵蝕，減少露霜危害和抑制土傳病原菌的繁殖[18]。保水劑和生物表面活性劑的應用主要集中在園藝栽培基質、農田土壤和森林土壤，但大多為單施，對兩者混施于屋頂綠化專用基質的研究鮮有報道。本研究在施用緩釋肥條件下在珍珠巖基質中添加保水劑和生物表面活性劑，結合基質的理化性質和植物生長指標，選出最優屋頂綠化專用基質配方。研究結果可為保水劑和生物表面活性劑在屋頂綠化基質方面的應用提供依據，同時對屋頂綠化新型基質的研發提供思路。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地點位于北京林業大學三頃園苗圃(40°01′N，116°35′E)，為暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候區，年均降水量626 mm，其中80%集中在夏季，年均太陽輻射量4.7～5.7 GJ·m-2。

供試材料包括珍珠巖、緩釋肥、保水劑和生物表面活性劑。珍珠巖產自河南信陽。將粒徑為0.20～1.00 mm和1.00～3.35 mm的2種珍珠巖按照質量比7∶3均勻混合，備用。保水劑為粉末狀，粒徑180～230 μm，購自煙臺潤星環保科技有限公司；生物表面活性劑購自西安瑞捷生物科技有限公司。將生物表面活性劑原液用去離子水稀釋50倍得到質量分數為2%的生物表面活性劑溶液備用。緩釋肥為美國施可得公司(The Scotts Company)的奧綠肥，主要養分組成：氮為15%、五氧化二磷為9%、氧化鉀為11%、氧化鎂為2%(均為質量分數)。

供試植物金葉蕕Caryopteris clandonensis‘Worcester Gold’和馬藺Iris lactea。試驗中選用長勢相同，苗齡1 a的植株。

1.2 試驗設計

試驗于2019年3月至2020年7月進行，由基質篩選試驗(2019年3-5月)和室外栽培試驗(2019年7月至2020年7月)2個部分組成。

1.2.1 基質篩選試驗 采用3×3完全隨機試驗，因素A為保水劑添加量，施用水平(以珍珠巖質量分數計)為0、0.5、1.0 g·kg-1，分別記為A0、A0.5、A1.0；因素B為質量分數2%的生物表面活性劑添加量，施用水平為0、100、200 mL·kg-1，分別記為B0、B100、B200；A0B0為對照組，共9個處理。每個處理重復5次，合計45盆。各處理基質組成見表1。

表1 試驗處理基質組成Table 1 Composition of substrate treatments

等量稱取9份1.1節中的珍珠巖，分別平鋪于園藝地墊上，按照表1的施用水平向珍珠巖均勻施加2%生物表面活性劑，混勻并風干。再施加保水劑和緩釋肥，充分混勻后將各處理裝入花盆(高17.5 cm，口徑16.0 cm，底徑12.5 cm)中，基質厚度設置為15 cm，每組處理裝5盆。定期澆水，保持基質濕度為田間持水量的60%左右，將基質在室外培育2個月后(2019年5月)現場取樣。

1.2.2 種植試驗 根據1.2.1節試驗結果，篩選出A1.0B100、A1.0B200等2種基質與對照進行屋頂栽培試驗，每種基質種植金葉蕕和馬藺各1槽(種植槽長156 cm、寬78 cm、高48 cm，槽底裝有排蓄水板和排水口)。按照簡單式屋頂花園種植規劃，設置厚度為40 cm的基質層。種植前1 d均勻澆水至排水口剛好流出水，種植當天將每株金葉蕕和馬藺修剪株高至10 cm，每槽種植32株，株間距17 cm×16 cm。期間由專人管護，定期澆水、除草，栽培1 a后(2020年7月)取樣。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 基質理化性質測定 基質樣品采集與處理：稱量體積為V的環刀質量(M0)。用環刀取樣后，將花盆中剩余基質置于牛皮紙上充分混勻，四分法縮分后將樣品封存于聚乙烯自封袋，帶回晾土室自然風干，去除雜質、粉碎并過篩。用于全氮測定的樣品過100目篩，測定其他指標的樣品過10目篩。

將取樣后的環刀放入水(密度為ρ水)中并保持水面與環刀上口持平但不淹沒環刀頂端，浸泡24 h后稱量(M1)，將環刀底蓋向下置于石英砂上，靜置2 h時稱量(M2)，繼續靜置至8 h時稱量(M3)，最終在105 ℃下烘干至恒量，冷卻至室溫后稱量(M4)。測定：基質容重A=(M4-M0) /V；基質飽和含水量B=(M1-M4)/(M4-M0)；基質毛管持水量C=(M2-M4)/(M4-M0)；基質田間持水量D=(M3-M4)/(M4-M0)；總孔隙度E=AB/ρ水；毛管孔隙度F=CA/ρ水；通氣孔隙度G=E-F；水氣比H=F/G[19]。

pH、電導率測定：以質量比為5∶1的水土比將去離子水和基質混合震蕩30 min，靜置后用雷磁S-3C型pH計測定pH，MP521型電導率儀測定電導率。

全氮、有效磷、速效鉀和陽離子交換量測定參考《土壤農化分析》[20]。全氮：凱氏定氮法；有效磷：0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法(波長700 nm)；速效鉀：醋酸銨浸提-火焰光度計法；陽離子交換量：氯化鋇-硫酸鎂(強迫交換)法。

1.3.2 基質理化性質綜合評價 將基質的理化指標組成優劣排序值矩陣，對基質進行綜合評價，評分越高表明基質越優[21]。

1.3.3 植株指標測定 每槽隨機選取5株植物，測定株高、根長、地上部鮮質量和根部鮮質量以及植物總鮮質量，并計算根冠比。

1.3.4 植株指標綜合評價 根據f(x)=(x-xmin)/(xmax-xmin)求得植物某一形態指標的隸屬函數值[22]。其中：x為該指標某一測定值，xmax和xmin分別表示該指標的最大值和最小值。基質綜合評價指數為各形態指標隸屬函數值的平均數，其值越大表明栽培基質越優。

1.4 數據分析

數據的整理和制圖用Excel 2016，數據分析用SPSS 20.0。

2 結果與分析

2.1 基質物理性質

2.1.1 容重、孔隙度及水氣比 由表2可知：隨保水劑和生物表面活性劑施用量增加，基質的容重、總孔隙度和通氣孔隙度均呈降低趨勢；毛管孔隙度和水氣比呈升高趨勢。就容重和通氣孔隙度而言，8個處理組較對照均顯著(P＜0.05)降低，且在A1.0B200處理下達到最小值0.096 g·cm-3和17.11%。就總孔隙度而言，除A0.5B200處理較對照顯著(P＜0.05)降低11.12%外，其余各處理較對照均無顯著差異。毛管孔隙度在A1.0B0處理下達到最大值54.19%，較對照提高10.82%，但各處理間差異均不顯著。各處理水氣比為1.76～3.14，其中A1.0B200處理顯著(P＜0.05)高于除A1.0B100外的其他處理。

表2 基質物理性質Table 2 Physical properties of substrate treatments

2.1.2 持水量 由圖1可知：隨保水劑和生物表面活性劑施用量增加，基質飽和含水量、毛管持水量、田間持水量均呈升高趨勢，且均在A1.0B200處理下達到最大值，分別較對照顯著(P＜0.05)提高27.48%、52.20%和55.55%。單施保水劑或生物表面活性劑均提高了基質的持水量，其中A1.0B0處理的飽和含水量、毛管持水量、田間持水量較對照分別顯著(P＜0.05)提升16.88%、32.70%和36.71%；A0B200處理較對照分別提升15.48%、27.04%和26.60%。混施保水劑和生物表面活性劑與單施保水劑或生物表面活性劑相比，對基質持水量的提高更顯著(P＜0.05)，其中A1.0B200處理的飽和含水量、毛管持水量和田間持水量較A1.0B0處理分別提高9.07%、14.70%和13.78%，較A0B200處理分別提高10.39%、19.81%和22.86%。

圖1 不同處理對基質持水量的影響Figure 1 Effects of different treatments on water holding capacity of substrate

2.2 基質化學性質

2.2.1 pH 如表3所示：單施生物表面活性劑可降低基質pH，A0B100和A0B200處理的pH較對照均顯著(P＜0.05)降低。其中，A0B100處理的pH為各處理間最低，較對照顯著降低(P＜0.05)，較A0B200處理無顯著差異。隨單施保水劑用量增加，基質pH先降低后升高。混施保水劑和生物表面活性劑降低了基質的pH，A1.0B200處理下，pH比對照顯著(P＜0.05)降低，基質更接近中性。

表3 基質化學性質Table 3 Chemical properties of substrate treatments

2.2.2 電導率 相同生物表面活性劑施用水平下，隨保水劑施用量增加，基質電導率呈升高趨勢(表3)，并在A1.0B0處理下達到最大值，較其余處理顯著(P＜0.05)提高。相同保水劑施用水平下，生物表面活性劑施用量為100或200 mg·kg-1時，基質電導率較不施生物表面活性劑時均顯著(P＜0.05)降低，但在2種施用量之間，生物表面活性劑對電導率的降低效果無顯著差異。

2.2.3 陽離子交換量和基質養分 隨著保水劑和生物表面活性劑用量增加，各處理陽離子交換量以及全氮、有效磷和速效鉀質量分數均呈升高趨勢(表3)。其中陽離子交換量和全氮質量分數在A1.0B200處理下達到最大值，較對照顯著(P＜0.05)增加，A1.0B10處理下次之。A1.0B100處理下的有效磷和速效鉀質量分數最高，分別較對照顯著(P＜0.05)提高44.36%和26.58%，A1.0B200處理次之，較A1.0B100無顯著差異。單施保水劑可顯著(P＜0.05)提高基質的陽離子交換量以及全氮、有效磷和速效鉀質量分數；A1.0B0處理基質的陽離子交換量以及全氮、有效磷和速效鉀質量分數較對照均顯著(P＜0.05)增加。單施生物表面活性劑時，僅基質的陽離子交換量和速效鉀質量分數顯著(P＜0.05)提高。

2.3 基質理化性質綜合評價

采用矩陣法綜合評價各組基質，容重越小得分越高；總孔隙度＞70%時，越大得分越高；水氣比越接近3.00評分越高；通氣孔隙度和持水孔隙度、飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、陽離子交換量以及全氮、有效磷和速效鉀質量分數越大評分越高；pH和電導率分別以接近7.00和500 μS·cm-1為優。最終求得各處理得分：對照為35分、A0B100為38分、A0B200為67分、A0.5B0為58分、A0.5B100為71分、A0.5B200為80、A1.0B0為87分、A1.0B100為100分和A1.0B200為100分，綜合評分最高的2組基質為A1.0B100和A1.0B200，故選用此2種基質進行栽培試驗。

2.4 植物生長指標

如圖2所示：無論是金葉蕕還是馬藺，2種植物的株高和根長均為A1.0B200處理最大，A1.0B100處理次之、對照最小。在A1.0B200基質上栽培金葉蕕和馬藺較在對照基質上均顯著(P＜0.05)提高了株高和根長，而在A1.0B100基質上的栽培效果與在對照上相比，金葉蕕的株高、根長增高均不顯著。

圖2 各處理株高和根長Figure 2 Plant height and root length for each treatment

由表4可知：2種植物的總鮮質量、地上部鮮質量和根部鮮質量均為A1.0B200處理最大，A1.0B100處理次之，對照最小。在A1.0B200栽培基質上，金葉蕕的總鮮質量、地上部鮮質量和根部鮮質量均達到最大值，較對照均有顯著(P＜0.05)提高，較A1.0B100均無顯著差異；馬藺的總鮮質量顯著(P＜0.05)大于對照和A1.0B100處理，地上部和根部鮮質量均顯著(P＜0.05)大于對照處理，較A1.0B100無顯著差異。金葉蕕和馬藺的根冠比在各處理間差異不顯著。

表4 植物鮮質量和根冠比Table 4 Fresh weight and root top ratio of plant

2.5 植物生長指標綜合評價

通過植株生長指標的隸屬度函數，計算得出A1.0B200基質的綜合評價系數大于A1.0B100處理和對照，即A1.0B200處理為本研究最適宜屋頂綠化基質配方(表5)。

表5 不同基質條件下對金葉蕕和馬藺生長指標的綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation of growth indexes of C.clandonensis ‘Worcester Gold’ and I. lactea

3 討論

降低基質容重可減輕屋頂系統的載質量，從而為適當增加基質厚度，種植較大型植物提供條件。本研究各處理基質容重均接近0.1 g·cm-3，達到基質容重的標準值(0.1～0.5 g·cm-3)[23]。施用保水劑和生物表面活性劑均降低了珍珠巖基質的容重、總孔隙度和通氣孔隙度，提高了其毛管孔隙度，原因可能是保水劑在基質中吸水膨脹，使單位體積內土粒減少[24]，堵塞了部分孔隙[25]，并將部分通氣孔隙轉變為毛管孔隙。這與崔敏[15]的研究結果基本一致。孔隙狀況影響基質的通氣性狀，栽培基質的總孔隙度應控制在54%～96%，水氣比以2～4較為合理[26]。除A0.5B200處理外，其余8組基質的總孔隙度均能達到常用無機復合種植土70%的標準[2]，而一般的改良土僅達49%。施加保水劑和生物表面活性劑還可改善珍珠巖基質的水氣比，A1.0B100和A1.0B200基質的水氣比最優，均較為接近3.0。混施保水劑和生物表面活性劑不但可以改善基質的三相比例、持水性能，還能提高其水肥利用率[27-28]。本研究中A1.0B200處理的飽和含水量、毛管持水量和田間持水量均大于其余處理，可能與施加生物表面活性劑可顯著增加土壤水分分布的均勻性，進而改善持水性能有關[16]。

密集型屋頂綠化栽培基質的pH適宜范圍為5.5～8.0，偏中性的基質更能保證基質養分的有效性。除對照和A1.0B0這2組基質外，其余6組基質pH均在適宜范圍內。ABAD等[29]認為：栽培基質的電導率應≤500 μS·cm-1。本研究中各處理的電導率為270～770 μS·cm-1，基本符合要求，但也有研究指出電導率在 100～2 000 μS·cm-1也是合理的[30]。

施加保水劑和生物表面活性劑均提高了基質的陽離子交換量，增強了珍珠巖基質的保肥能力。施加聚丙烯酸保水劑可以增加土壤的陽離子交換量，且在施用量為0.25%時達到最佳保肥效果[31]。生物表面活性劑呈酸性，同時具有一定的還原性，施加生物表面活性劑使珍珠巖中交換性陽離子Al3+和Fe2+的有效性增加，同時將部分Fe3+還原，這可能是生物表面活性劑提高珍珠巖基質陽離子交換量的主要原因[32]。本研究中，施加保水劑和生物表面活性劑提高了施肥條件下珍珠巖基質的全氮、有效磷和速效鉀質量分數，表明保水劑和生物表面活性劑可減少珍珠巖基質的養分淋失。馬煥成等[14]研究表明：保水劑對土壤中的氮、磷、鉀有較強的吸附作用，在改善土壤水分狀況的同時，可降低土壤養分淋失，改善土壤養分狀況。CHANG等[33]研究表明：施肥條件下施加生物表面活性劑通過改善草坪土壤水分狀況，從而減少草坪土壤養分流失。保水劑可與一些活性基團和離子發生反應，吸附養分[34]；生物表面活性劑可使土壤水分分布更均勻[16]，因此本研究與馬煥成等[14]和CHANG等[33]的研究結果基本一致。

植物對基質的適應性可通過植物生長指標反映，植株長勢越好表明基質越優。大量研究證實：施用保水劑或生物表面活性劑可明顯促進植物的生長。衛星等[35]研究指出：保水劑提高了基質對氮、磷、鉀的吸附和固定作用，增強了基質的保水能力，使白樺Betula platyphylla苗高和地徑提高；MA等[36]研究表明：保水劑施用量為1%時對土壤結構改善效果最好，促進了結縷草Zoysia japonica的生長；CHOI等[37]研究發現：施加生物表面活性劑的基質上，雞冠花Celosia cristata的株高、冠幅、鮮質量和干質量比不施加的處理提高明顯。本研究中A1.0B100和A1.0B200處理組的金葉蕕和馬藺的株高、根長和根冠比等指標均高于對照，主要是因為施加保水劑和生物表面活性劑明顯改善了基質的水氣比、陽離子交換量和酸堿性等理化性質，使基質更適合于植物的生長。此外，YANG等[38]研究發現：保水劑與氮肥混施增強了冬小麥Triticum aestivum葉綠素含量，進而提高其光合強度和水分利用效率，促進了植物的生長。本研究還發現：與2%生物表面活性劑施加量為100 mL·kg-1時相比，施加量為200 mL·kg-1時僅對馬藺生長的促進作用更明顯，這可能與植物種類有關。但保水劑和生物表面活性劑對植物生長發育的促進作用也要建立在嚴格控制用量的基礎上，因為保水劑中含大量的可溶性離子，過量施用會引起植物的鹽害，同時栽培基質中生物表面活性劑用量過高會阻礙植物根系生長，抑制種子萌發[15, 39]。

4 結論

施加保水劑和生物表面活性劑可以提高珍珠巖基質的持水和保肥性能，改善水氣比，減緩養分淋失，同時降低容重。在1.0 g·kg-1保水劑和200 mL·kg-1質量分數2%生物表面活性劑的施加量下，A1.0B200珍珠巖基質的持水性能最佳，水氣比接近3.00，全氮、速效磷、有效鉀質量分數達到最高，pH為偏中性，保肥效果最好。結合金葉蕕和馬藺生長指標的綜合評價，A1.0B200被篩選其為最優基質。