绿色屋顶基质对黑麦草生理性状的影响

薛明珂

(杨凌职业技术学院 生物工程分院，陕西 杨凌 712100)

1 引言

绿色屋顶对城市的环境能产生有益的影响，其中基质通常扮演植物生长中人工土壤的角色。基质可为植物提供水分、营养和物理支撑，同时具有较轻、化学性质稳定、通气畅通、能自由排水等特性[1]。目前，对新型基质材料提供绿色屋顶服务[2]、基质生物特性[3]或基质对植被生长的影响等方面的研究较少[4]。每一种基质成分(例如矿物含量、有机质种类、人工添加剂、混合比例)对植被生长和生理性能的影响，以及最终对其所提供服务的影响，也缺乏研究[5]。

水分胁迫是绿色屋顶上植物生长最常见的限制条件之一[6]。提升基质持水能力可以通过适当减小基质颗粒尺寸来实现[7]，研究表明，在澳大利亚极端干旱条件下，增加基质持水能力可以提高5种不同肉质植物的存活率[8]，然而，在其他生长条件下，基质颗粒的大小以及因此而产生的持水能力如何影响植物的生长和性能，还不完全清楚。除了增加基质中较小颗粒的数量之外，另一种方法是使用人工保水凝胶，但这种方法可能对基质排水和水分滞留产生负面影响。Farrell 等人[9]的试验表明,保水性凝胶可以增加绿色屋顶基质的持水量,但增加的这部分水在干旱时期对植物来说是不可用的。

尽管基质成分有可能严重影响植被生长，从而影响绿色屋顶的使用性能，但其影响程度仍然未知。如果没有这些知识，就很难设计出专门提供特定服务的基质，提供优化的性能。

基于上述考虑，笔者研究利用屋顶盆栽试验，检验不同基质成分对黑麦草(Lolium perenne)的生长和生理性能的影响。

2 试验设计

2.1 试验方法

该研究在一个控制16 h 20℃/8 h 15℃的温室中进行。

八种混合基质由以下三种成分构成:(i)碎砖(2 ～5 mm粒径的砖末、直径4 ～15 mm的碎砖)、(ii)有机质(树皮、绿色废料堆肥)和(iii)聚丙烯酰胺凝胶，即“膨胀凝胶”(有、无)(表1)。砖是粉碎的废红砖，过滤之后确保砖碎片在设定的尺寸限制内。绿色废料堆肥由陕西杨凌当地花园收集的堆肥废料组成，树皮来自于普通花园混合针叶树树皮覆盖物。SwellGelTM是一种由交联聚丙烯酰胺制成的土壤添加剂，它能在基质水分含量较高时膨胀并被储存，并在水分下降时缓慢释放回植物体内。

实验对砖的尺寸(2 ～5 mm /4～15 mm)、有机质类型(绿色堆肥/树皮)、膨胀凝胶(存在/不存在)和基质深度(80 mm /120 mm)进行了全因子设计(表1)。每种混合基质中都含有20%有机物质和80%的砖，在此基础上，添加占基质总体积1%的干膨胀凝胶，将每种混合基质被设置为两种深度(80 mm和120 mm)，并放入尺寸为12 cm×11 cm×11 cm的基质盆。每种基质类型和深度各重复8次，共128盆。

表1 八种混合基质构成

注:不同组分的基质混合，每组混合都分为两种基质深度(80 mm和120 mm)。

2.2 植物种类及水分状况

黑麦草是一种常见的植物，它比常用的绿色屋顶种植草耐受力低，但生长速度较快。考虑到笔者试验的主要目的是检测基质组分的影响以及基质对植物生理性能影响的差异，因此在试验期间，与生长缓慢的绿色屋顶物种相比，基质之间的差异用生长速度快的黑麦草进行量化会更容易。每罐种子(约500粒)均匀播种在饱和的基质上，每天浇水至饱和，直到发芽后两周停止。

2.3 基质持水性和蒸发速率

将基质在温室中风干3周，称基质的干重。然后将它们浸透(在静水中浸2 d)，再排水排15 min，直到达到田间持水量，然后称重，并将前后重量差作为持水量。

在试验过程中，每天给基质盆称重，每次浇水后15 min称重。随着时间的推移，盆重减少都归因于蒸发作用(15 min排水后，淋滤没有造成进一步的损失)。试验期间各盆的总蒸发量计算为各时段所有重量差之和。

2.4 植物根冠比和地上部分含氮量

发芽后，植物在经历了16周的生长期后，收获所有地上植物生物量，于80℃烘箱内烘2 d并称干重。在测定根的生物量之前，应在水中冲洗以去除所有基质残渣。清洗完毕后，将附着膨胀凝胶的根部浸泡一夜，使凝胶膨胀，然后用手术刀手动取出。所有根材料在称重之前应烘干(80℃下烘2 d)。采用凯氏定氮法[10]对最终收获的烘干后的地上部分样品进行叶片组织氮(N)含量测定。

2.5 数据分析

为了确定基质组分(砖体大小、有机质类型、膨胀凝胶和基材深度)的主要因子效应和相互作用，采用了四向ANOVAs的分析方法。利用Tukey HSD测试法来确定每种基质之间的差异。

3 结果

3.1 基质持水性

膨胀凝胶增加了基质24%的持水能力(p< 0.0001)，碎砖比砖末减少了约35%的持水能力(p< 0.0001)(图1a和b，表2)。有机质类型(树皮或绿色废弃物)对持水量影响不显著(表2)。基质深度从80 mm增加到120 mm，持水能力显著提高28%(p< 0.0001)(图1a和b，表2)。无论有机质含量如何，含砖末和膨胀凝胶的基质总持水能力显著高于含碎砖和无膨胀凝胶的基质(Tukey HSD,p< 0.05)。

3.2 基质水分蒸发量

与无膨胀凝胶(p< 0.0001)和树皮(p< 0.0001)相比，膨胀凝胶和绿色废料有机质分别能增加4%和7%的蒸发量，碎砖比砖末能显著降低12%的蒸发量(p< 0.0001)(图1c、d、表3)。基质深度对总蒸发量有显著影响，120 mm深度的基质可增加11%的蒸发量(p< 0.0001)(图1c、d，表3)。在两种不同的基质深度下，绿色废料和砖末混合的基质蒸发速率均大于树皮和碎砖的混合基质(p< 0.05)。

3.3 根冠比

与树皮相比，绿色废料的根冠比显著降低15%(p< 0.0001)；碎砖与砖末相比，根冠比显著增加16%(p< 0.0001)(图2a和b，表4)，膨胀凝胶的存在使根冠比降低了15%(p< 0.0001)(图2a和b，表4)。采用相同的阶乘交互法通过观察根的生物量来观察根冠比,膨胀凝胶与树皮有机质混合比与绿色废料有机质混合更能显著降低根冠比(p<0.0001)(图2a和b)。根冠比在120 mm深度基质中比80 mm深度高17%(p< 0.0001)。

注:(a)80 mm深度基质的持水量(mL·L-1基质)；(b)120 mm深度基质的持水量(mL·L-1基质)；(c)80 mm深度基质的总蒸发量(mL·盆-1)；(d)80 mm深度基质的总蒸发量(mL·盆-1)。缩写如下:SG表示SwellGel，即膨胀凝胶。

表2 基质中砖的尺寸、有机物成分和膨胀凝胶对基质持水量的影响

表3 基质中砖的尺寸、有机物成分和膨胀凝胶对基质总蒸发量的影响

注释：表示显著性P<0.01，"''"表示显著性P<0.001，"'''"表示显著性P<0.0001。

表4 基质中砖的尺寸、有机物成分和膨胀凝胶对黑麦草根冠比的影响

注释：“'”表示显著性P<0.01，“''”表示显著性P<0.001，“'''”表示显著性P<0.0001。

3.4 地上部分氮含量

绿色废料有机质、膨胀凝胶和碎砖对地上部氮浓度的影响非常相似，分别比树皮、无膨胀凝胶和砖末提高21%、20%和22%(p< 0.0001)(图3a, b，表5)。交互作用显著，与树皮相比，当有绿色废料存在时，由膨胀凝胶引起的嫩枝氮浓度的增加要大得多，且这种效应只发生在基质无机物是砖末的时候(p< 0.001)(表5)。在基质深度为80 mm(p< 0.05)和120 mm时，含有膨胀凝胶和绿色废料的基质比没有膨胀凝胶和树皮的基质具有更高的地上部分含氮量(p< 0.05)，但基质深度对地上部分氮浓度影响不显著(表5)。

注:(a)80 mm基质深度的地上部氮浓度(mg·mg-1N生物量)；(b)120 mm基质深度的地上部氮浓度(mg·mg-1N生物量)。

表5 基质中砖的尺寸、有机物成分和膨胀凝胶对黑麦草地上部N含量的影响

注释：“'”表示显著性P<0.01，“''”表示显著性P<0.001，“'''”表示显著性P<0.0001。

4 讨论

笔者研究是一个量化绿色屋顶组分对植物生长和生理性能重要性的研究。很明显，改变屋顶基质的组成和类型对植物的生理性能和水分平衡具有重要的影响。

4.1 持水性和蒸发量

膨胀凝胶增加了屋顶基质的持水能力，有利于植被地上部分的生长。在笔者试验中，它对基质持水能力的影响小于砖尺寸带来的影响，这并不意味着膨胀凝胶对持水能力的影响有限，因为它在混合基质中只占1%的体积，而砖占80%。可以通过增加膨胀凝胶用量来对基质产生更大的影响，但增加量有限，因为基质在湿润和干燥环境中会膨胀和收缩，这会对植物的生长和生物量形成产生负面影响[11]。

植被在增加绿色屋顶的蒸发速率中起主要作用[12]，在笔者试验中，与没有植被覆盖的基质相比，黑麦草的存在增加了13%到57%的总蒸发量。总蒸发量与生物量的总量有关。有机质类型不影响基质的持水能力，但通过影响生物量的生产和蒸发作用，间接影响基质的失水速率。

4.2 植物生长情况

以绿色废料堆肥代替树皮作为有机质组分，可显著提高植物生物量。已经有研究表明，增加绿色屋顶基质的有机成分可以促进植物生长[11]，笔者试验是证明不同的有机质类型对绿色屋顶植物生长有显著影响。与树皮相比，绿色废料中营养物质的含量较高，这与绿色废料堆肥基质中根冠比较低这一结果相一致。这表明植物不需要将绿色废料基质中的养分分配给根系来吸收营养，而需要更多地分配给地上部分用作光合作用[13]。在含有膨胀凝胶和砖末的基质中也表现出相同的根冠比，这可能是由于可用水的增加降低了对根系的需水量[14]。

当砖的尺寸从2～5 mm增加到4～15 mm时，植株长势明显下降。这可能是由于粒径越大，颗粒间孔隙空间越小，持水性越差[14]。这种影响也可能是由于在整个试验过程中从碎砖基质中浸出的氮量较高，因此氮的消耗速度就更快。

膨胀凝胶对植物生长的影响相对较小，这可能是由于常规灌溉没有导致足够大的水分胁迫，难以体现凝胶的作用。Olszewski 等[15]研究中基质的温度更高，浇水频率更低，在使用膨胀凝胶改善基质后，多肉植物地上部分生物量增加了很多。

基质的深度对植物生长没有影响，这与许多其他研究形成了鲜明的对比。很多研究表明这是影响绿色屋顶植物建立和生长的一个主要因素[16]，增加基质深度能保护植物免受霜冻的伤害[17]，并能减少植物因极端温度波动而造成的伤害[18]，这些情况都不存在于受控环境中。因此，在我们的研究中，深基质的好处还没有完全显现出来。

4.3 地上部分氮含量

地上部分氮浓度随膨胀凝胶的加入而增加，但其作用机理尚不清楚。这可能是由于膨胀凝胶降解形成丙烯酰胺之后又降解成铵或氮氧化物[19]，或通过膨胀凝胶从基质中吸收氮的原因。另一种可能是由于膨胀凝胶所产生的水分囊使周围微生物活动的增加，因为已有研究证明真菌和细菌可以很容易地在聚丙烯酰胺凝胶中定植并利用氮[19]。

5 结论

研究表明，改变常用的绿色屋顶基质成分的特性，可以显著改变植物的生理性能。在此试验中，有机质类型对植物生长和健康的影响最大。树皮和绿色废料堆肥都增加了植物有效养分，显著提高了地上部分氮含量，加快总蒸发量。然而，绿色废料堆肥的加入降低了黑麦草的根冠比，因此也潜在的降低了黑麦草的干旱胁迫。膨胀凝胶在本试验中加快了黑麦草的生长，提高了基质持水能力。绿色屋顶的设计需要与特定环境相结合，如高降雨量地区不需要高保水性。绿色屋顶基质成分变化对绿色屋顶整体植被的生长和生理性能起到重要的作用，从而影响整个绿色屋顶所能提供的目标服务。