干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草生理特征的影響

田藝文鄒維娜秦秉鐸江南唐惠玲

(1. 上海應用技術大學生態技術與工程學院，上海 201418；2. 美麗中國與生態文明研究院上海高校智庫，上海 201418)

屋頂綠化是拓展新型生態空間的有效途徑，為城市提供緩解熱島效應、降低建筑能耗、減少雨水徑流、改善空氣質量、增加碳匯和生物多樣性等諸多生態服務功能。 低維護的粗放型屋頂綠化(extensive green roofs，EGR)應用廣泛，其基質層較薄，通常選擇種植如佛甲草(Sedum lineare)等抗性強的景天屬植物[1]。 作為屋頂綠化基質，既要滿足植物生長所需的養分和水分等要求，還需滿足屋頂環境下的質輕、保水、透氣和性質穩定等要求。 傳統栽培基質中的無機材料主要由珍珠巖、蛭石、浮石等輕質多孔的天然礦物質加工配制而成。 然而，這些物質的過度開采使用會導致自然資源迅速消耗[2]，故亟需其他材料尤其是循環再生資源類材料來替代。 在一些研究中，建筑廢棄物如磚、混凝土等作為屋頂綠化基質無機成分已表現出一定優越性[3-4]。

國內外對于建筑廢棄物作為屋頂綠化植物栽培基質的研究主要集中在以下兩個方面:一是植物對基質潛在污染成分的反應[5-7]，二是植物生物量對建筑廢棄物基質成分和配比的響應。Mickovski 等[8]比較了屋頂條件下草坪和景天類植物的建植和生長發育情況，發現包含建筑廢棄物的混合基質足以支撐植物生長。 Bates 等[3]發現碎磚和粉煤灰分別作為基質成分時，屋頂綠化植物的生物量增長無顯著差異，添加高比例的碎磚基質可栽培的植物種類更多。

夏季高溫干旱情況下，屋頂綠化植物能否在低維護條件下依靠基質存活、生長是粗放型屋頂綠化推廣應用的關鍵。 然而，國內外對于干旱條件下植物對建筑廢棄物基質適應性的研究較少。本試驗研究干旱脅迫條件下不同成分和配比的建筑廢棄物基質對佛甲草生長發育和抗旱性的影響，以期為建筑廢棄物在屋頂綠化中的應用及植物對其適應性研究提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021 年3—11 月在上海應用技術大學奉賢校區植物園玻璃溫室內進行。 供試基質材料包括碎磚、碎混凝土及泥炭、珍珠巖、蛭石。 建筑廢棄物顆粒(碎磚、碎混凝土)來自上海浦東新區興盛路基材料有限公司，經過除雜過篩得到均一粒徑(≤3 mm)；其他基質原材料(泥炭、珍珠巖、蛭石)購自上海鼎澤園藝有限公司。

供試植物材料為景天科景天屬佛甲草，購自上海市某苗木市場。

1.2 試驗設計

基質材料按不同配比混合均勻，得到4 個處理組，其中T1～T3 為碎磚、碎混凝土顆粒與泥炭按不同體積比配制，CK(對照)以珍珠巖、蛭石為無機原材料與泥炭按一定體積比配制。 各組基質配比方案及物理性質見表1。 不同組成成分的建筑廢棄物轉化基質見圖1，基質厚度10 cm。 各組基質分別裝入長寬高規格為38 cm×29.5 cm×13 cm 的長方形塑料容器箱，相鄰對邊距底部1 cm打孔(孔徑1.5 cm)形成蓄水層。

表1 處理基質配比方案及物理性質

圖1 不同組成成分的建筑廢棄物轉化基質

篩選生長健壯、長勢均勻的佛甲草幼株[株高為(5.5 ± 0.4) cm，鮮重為(15 ± 2) g]，根部經清洗、除菌處理后種植于容器箱，每處理種植5 箱作為5 次重復。 佛甲草于溫室內定植后養護60 d，期間每周澆水1 次，每2 周施肥1 次(美樂棵濃縮營養液30 ∶4000 稀釋)，以使植株發育健壯、均勻；之后進入觀測期，不再進行任何肥水管理，以模擬連續干旱環境自然生長。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 佛甲草生長指標 2021 年5 月15 日起進入觀測期并記為0 d，150 d 時用直尺測量佛甲草株高和根長；隨機選取佛甲草植株并整株取出，用清水快速洗凈，再用蒸餾水迅速沖洗3 次，用吸水紙擦干表面水分立即稱鮮重，后經105 ℃殺青、65 ℃烘干至恒重后稱干重。

1.3.2 佛甲草葉片生理生化指標 自觀測期開始每15 d 測量佛甲草覆蓋度、葉片相對含水量及葉片葉綠素、丙二醛和脯氨酸含量。

覆蓋度:在距離佛甲草冠層頂部25 cm 高度垂直向下拍照，通過Auto CAD 2017 軟件測量植物覆蓋面積并計算覆蓋度(以5%為計數段)。

葉片相對含水量:于各處理佛甲草覆蓋度峰值期，從每個種植箱隨機選取植株上部生長良好的50 片葉從基部剪下，稱量初始鮮重M0，后將葉片放入清水中浸泡5 h，擦干葉片表面多余水分后稱取飽和鮮重M1，105 ℃殺青后40 ℃烘72 h 至恒重稱干重M2。 相對含水量(%)＝(M0-M2)/(M1-M2)×100。

葉片葉綠素含量采用分光光度法測定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定，脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定。

1.4 數據處理與分析

使用Microsoft Excel 2021 整理數據，采用IBM SPSS Statistics 26 軟件進行數據統計分析，運用Origin 2021 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草生長的影響

不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草生長的影響不同(表2)。 與CK 相比，T3 處理株高無顯著差異，T1 株高顯著增加，T2 株高則顯著降低。 T1處理根長較CK 增加4.10%，但差異不顯著；T2、T3 根長顯著低于CK。 T1 處理佛甲草植株鮮重和干重較CK 分別增加15.29%和17.11%，T3 鮮重和干重較CK 分別降低8.62%和48.68%，但三者間差異均不顯著；T2 鮮重和干重均顯著低于CK。 表明干旱脅迫下單加碎磚基質組(T1)和混合組(T3)處理佛甲草生長情況與CK 差異較小，T1 甚至可取得優于CK 的栽培效果。

表2 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草生長的影響

2.2 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草覆蓋度的影響

覆蓋度能較直觀顯示佛甲草橫向生長情況，覆蓋度峰值越大，表明其橫向生長情況越好。 由圖2 看出，隨模擬干旱脅迫時間延長，各處理佛甲草覆蓋度均呈先增加后降低趨勢。 觀測期前60 d，T1 和CK 佛甲草覆蓋度較高，表明碎磚組成基質處理(T1)佛甲草生長速率較快，僅次于CK。CK 組佛甲草在105 d 達到覆蓋度峰值，為80%；T1 處理在120 d 時達到覆蓋度峰值(85%)，比CK 高出5 個百分點，且延遲15 d 出現，維持生長天數最長；T2 處理佛甲草在75 d 時到達覆蓋度峰值(65%)，比CK 低15 個百分點，之后逐漸萎蔫，出現葉片泛白、植株倒伏現象(圖3)；T3 處理佛甲草覆蓋度峰值在90 d 時出現，生長期比T2稍長。 觀測期內各處理覆蓋度峰值從高到低排序為T1＞CK＞T3＞T2，表明單一碎磚基質處理(T1)佛甲草橫向生長情況最好，優于CK，單一碎混凝土基質處理(T2)最差。

圖2 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草覆蓋度的影響

圖3 不同建筑廢棄物基質處理與CK 佛甲草覆蓋度峰值比較

2.3 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草葉片相對含水量的影響

干旱脅迫下，基質水分不足會導致受試植株葉片失水。 如圖4 所示，各處理佛甲草覆蓋度達到峰值時，葉片相對含水量排序為T1＞CK＞T3＞T2。 其中，T2 最低，為64.21%；T3 和T2 處理佛甲草葉片相對含水量較CK 分別低1.34 個和7.90個百分點；T1 葉片相對含水量最高，達74.31%，較CK 高2.20 個百分點。 T2 處理葉片相對含水量顯著低于CK，其他處理間差異不顯著。 表明單一碎磚基質(T1)和混合基質(T3)與常規輕質基質(CK)對佛甲草葉片相對含水量的影響接近。

圖4 干旱脅迫下不同處理佛甲草覆蓋度最高時的葉片相對含水量

2.4 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草葉片葉綠素含量的影響

干旱脅迫下，各處理佛甲草葉片葉綠素含量均呈先增加后減少趨勢(圖5)。 各處理在曲線拐點之前的范圍為0.75 ～0.91 mg/g。 各處理前期葉片葉綠素含量上升，是由于佛甲草定植后60 d的肥水養護使得基質養分和水分充足，短期內未出現干旱脅迫而處于正常生長狀態，但隨時間推移，干旱脅迫使佛甲草干枯凋謝，葉綠素含量迅速下降。 CK、T1、T2 和T3 葉綠素含量變化曲線的拐點時間分別為105、120、75 d 和90 d，拐點處葉綠素含量分別為0.88、0.91、0.80 mg/g 和0.83 mg/g，到達拐點時的增幅分別為15. 79%、18.18%、5.26%和10.67%。

圖5 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草葉片葉綠素含量的影響

2.5 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草葉片丙二醛含量的影響

丙二醛是衡量氧化脅迫程度的重要指標，能反映植物細胞膜脂過氧化程度。 圖6 顯示，各處理佛甲草葉片丙二醛含量均呈先增加后減少趨勢。 丙二醛含量增加階段，T2 處理增幅最大，達41.48%。表明干旱脅迫下，碎混凝土基質處理(T2)佛甲草葉片的膜脂過氧化程度嚴重，葉片細胞膜破壞程度較大。 單加碎磚基質處理(T1)佛甲草葉片丙二醛含量波動最小，峰值最低，增幅僅15.03%，表明其細胞膜破壞程度最小，膜脂過氧化在一定程度上得到抑制，抗旱性較強。 隨干旱脅迫時間增加，觀測后期佛甲草依次出現發黃、萎蔫、枯死現象，丙二醛含量驟減。

圖6 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草葉片丙二醛含量的影響

2.6 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草葉片脯氨酸含量的影響

植物體內脯氨酸含量高低及其隨時間和環境的增減一定程度上能反映植物抗旱性。 從圖7 可以看出，在長達180 d 的干旱條件下，各處理佛甲草葉片脯氨酸含量整體均呈先增加后減少趨勢。表明在持續干旱脅迫環境下，脯氨酸的合成能力受到影響，佛甲草葉片受到生理損害。 隨干旱脅迫時間延長，CK 葉片脯氨酸含量表現為先持續增加，105 d 達到峰值后逐漸降低；T1 處理佛甲草葉片脯氨酸含量整體較平穩，沒有出現大幅度增減波動，表明植株可能通過調節葉片脯氨酸積累量維持細胞持水能力，從而保障細胞正?；盍?，其佛甲草葉片脯氨酸含量在120 d 時達到最大值，且與CK 差異不大；T2 處理葉片脯氨酸含量在75 d后表現為持續下降趨勢，表明其葉片脯氨酸合成受到較嚴重影響；T3 處理葉片脯氨酸含量在90 d時達到最大值，之后持續下降。 上述結果表明，在不同組分建筑廢棄物基質處理(T1、T2、T3)下，單加碎磚基質處理(T1)佛甲草葉片脯氨酸含量整體較高，其次為混合基質處理(T3)，單加碎混凝土基質處理(T2)整體含量最低。

圖7 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對佛甲草葉片脯氨酸含量的影響

2.7 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質總孔隙度與佛甲草生長及生理指標間的相關性分析

表3顯示，佛甲草株高與根長和覆蓋度呈極顯著正相關，與葉片相對含水量和葉綠素含量呈顯著正相關。 佛甲草覆蓋度與葉片相對含水量極顯著正相關，與葉片葉綠素含量顯著正相關，與葉片丙二醛含量雖無顯著相關性，但存在一定負相關性。 基質總孔隙度對佛甲草覆蓋度有一定影響，但未達顯著水平，與葉片相對含水量及葉片葉綠素、脯氨酸含量均呈顯著正相關，與葉片丙二醛含量呈顯著負相關。 葉片相對含水量與丙二醛含量呈負相關，但未達顯著水平。

表3 干旱脅迫下佛甲草生長及生理指標與基質總孔隙度的相關分析

3 討論

3.1 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對作物生長指標的影響

在持續缺乏肥水供給的屋頂生長環境下，屋頂綠化植物生長所需的水分養分主要源于基質，且屋頂相對地面來說光照更強、風速更高，導致蒸發量更大，因此，基質中的水分成為影響屋頂綠化植物生長的關鍵因素[9]。 基質的物理性質如容重、孔隙率等是決定其性能的重要參數[10-11]。 容重直接影響基質的持水能力和通氣性，從而間接影響其肥力和植物生長狀況，同時，容重過大不符合屋面荷載的要求，容重過小則不能滿足其對植物的支撐作用，適宜范圍為0.1～0.8 g/cm3[12]。 本研究中，除碎混凝土顆?；|容重略高外，其余各組基質容重均在0.7 ～0.8 g/cm3之間；碎磚基質(T1)和混合基質(T3)的總孔隙度高于碎混凝土(T2)基質。 基質材料孔隙組成影響通氣性、透水性和根系發育，總孔隙度較大的基質蓄水保肥能力強，有利于植物根系生長[13]。 從不同基質總孔隙度與佛甲草生長指標的相關性結果可以看出，總孔隙度高的基質如碎磚顆粒表面裂隙更多，吸水性更好，有利于保水保肥，更利于植物生長。

株高和根長是植物在垂直方向上的重要生長指標。 本研究表明，干旱脅迫下單加碎磚基質(T1)對佛甲草生長有明顯促進作用。 覆蓋度是植物在水平方向上的重要生長指標，直接表征植物生長狀況。 Nektarios 等[14]研究指出，夏季持續高溫和干旱脅迫下，生長狀況良好的植物出現萎蔫情況，覆蓋度降低，維持生長的能力逐漸下降。本研究持續干旱條件下，不同基質栽培的佛甲草覆蓋度分別在75 ～120 d 后開始下降，其中，單加碎磚基質處理(T1)佛甲草覆蓋度峰值最高，且達到峰值的時間最晚，維持生長時間最長。

3.2 干旱脅迫下不同組分建筑廢棄物基質對作物抗性指標的影響

葉片葉綠素含量是反映光合能力的重要指標，也能在一定程度上反映植物的生長狀態與抗旱性[15]。 本試驗條件下，干旱脅迫前期，不同基質栽培的佛甲草葉片葉綠素含量均呈現緩慢增加趨勢，這是因為建筑廢棄物基質具備一定的持水保肥能力，同時，佛甲草植株自身積累的水分養分也參與光合作用；后期葉綠素濃度明顯下降，表明持續干旱脅迫影響葉綠體內類囊體膜的透性、流動性和組分變化，這與吳紅強等[16]的研究結果一致。 葉片相對含水量與植物體內水分狀況息息相關，能夠直接反映干旱脅迫時植物的失水程度和抵御干旱的能力[17]。 本研究中，覆蓋度達到最大時各處理佛甲草葉片相對含水量以碎磚基質處理(T1)最高，碎混凝處理(T2)最低，但各處理葉片相對含水量均在64.00%以上。 這與湯聰等[18]關于佛甲草的研究結論相比略高，表明建筑廢棄物碎磚具有較佳的基質潛力，用其栽培的佛甲草抗逆性更強。

葉片丙二醛含量能夠間接反映脅迫過程中植株受傷害的程度[19]。 干旱脅迫下，植物葉片丙二醛含量越高，說明細胞膜被破壞越厲害，其抗旱能力也就越差。 本研究中，各處理佛甲草葉片丙二醛含量在干旱脅迫前期呈逐漸增加趨勢，這與楊柳等[20]的研究結論一致，之后隨著佛甲草干枯，丙二醛含量減少。 脯氨酸的積累能夠通過多種途徑提高植物的抗逆能力[21]。 本試驗條件下，單加碎磚處理(T1)佛甲草葉片脯氨酸含量較高，且增幅較為穩定，而單加碎混凝土處理(T2)含量較低，表明碎磚顆粒對佛甲草抗旱性的提升優于碎混凝土顆粒。

諸多研究表明，碎磚或其他建筑廢棄物回收骨料適宜作為屋頂綠化植物生長基質[22]，能夠促進屋頂植物多樣性，取得良好的生態效果[23-24]。

4 結論

本研究持續干旱條件下，添加碎磚顆?；|(T1)種植的佛甲草生長期達120 d；覆蓋度最高，達85%；葉片葉綠素含量增幅最大，為18.18%；葉片丙二醛含量升高期波動最小，增幅僅15.03%；生長高峰葉片相對含水量最高，為74.31%。 常規輕質基質(CK)及添加碎磚和碎混凝土的混合基質(T3)種植的佛甲草生長指標較T1 略差，其中常規輕質基質(CK)佛甲草生長狀況優于混合基質(T3)。 添加碎混凝土基質(T2)種植的佛甲草生長表現最差，生長期僅75 d，覆蓋度峰值僅65%。

綜上，建筑廢棄物碎磚顆粒適用于屋頂綠化中佛甲草種植基質配置，可以取得與天然材料如珍珠巖、蛭石基質相近甚至更優的栽培效果。 建筑廢棄物基質的應用，將在環保、性能及成本方面給低維護粗放型屋頂綠化推廣帶來新的契機。