景观环境常用有机地表覆盖物的吸水性能研究

陈超萍

乔丽芳

韩 阳

贾浩然

张毅川*

气候变化、快速城市化及不合理的城市管网规划使中国很多城市，尤其是大中城市出现严重的城市内涝等雨水问题[1]，加强城市雨水管理已刻不容缓。雨水管理不仅仅是解决雨水的排放问题，更重要的是实现雨水的资源化利用。借鉴西方发达国家低影响开发设施建设的经验，中国于2013年开始建设对雨水“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市[2]。城市绿地是雨水“三自然”管理的主要承载面，主要由植被、地表覆盖物和土壤组成。植被冠层的雨水截留能力通常不超过10mm[3]，对雨水的截留作用较小。城市绿地土壤受人为干扰较大，渗透能力普遍较低，难以满足强降雨条件下的雨水利用要求[4]。增加土壤渗透能力和地表滞留能力是提升绿地雨水管理效率的关键。对于建成绿地，土壤改良不仅成本高，而且会对绿地造成破坏，因此增加地表覆盖物就成为一种经济、高效的雨水滞留措施。有机地表覆盖物广泛应用于西方国家的庭院、公园和街道等绿地中，发挥着保持水土、促进渗透等重要作用[5-6]。Keesstra等的研究表明，稻草覆盖物能有效削减雨水径流、减少土壤侵蚀[7]。地表覆盖物能够有效增强土壤保水能力并延缓地表径流的发生[8-9]，其中麦秸秆植被毯和椰丝纤维植被毯均能显著减少径流并增加入渗[10]。

中国近年来也开始在绿地中广泛应用类型多样的地表覆盖物，但由于缺乏材料的吸水特性等相关研究，景观设计人员在选择材料时更多的是考虑景观美学效果，导致有机地表覆盖物在城市雨水管理中的作用未得到充分发挥。因此，研究不同类型有机地表覆盖物的吸水特性，将有利于城市绿地雨水资源的自然积存，减少人工雨水设施的投入，也有助于废弃资源的转化利用。

表1 16种有机地表覆盖物的名称、密度及产地

1 材料与方法

1.1 材料

本试验所选材料为景观环境中常见的16种有机地表覆盖物(表1)。

1.2 方法

1.2.1 试验处理

每种有机地表覆盖物试验重复3次。每种材料试验前取包裹纱布一块，浸泡至水中10min后悬挂至无水滴下时，放置在电子天平上称重去皮。每种材料取100g放入纱布袋中，完全浸入盛水并称重后的烧杯中浸泡，每隔10min取出纱布袋悬挂至无水滴下时称重，直到连续3次称重误差在10%以内时，即为饱和状态。

1.2.2 材料密度的测定

将16种材料放入鼓风干燥箱中烘干至恒重备用。每种材料取100g放入真空袋，抽真空后置入装满水的烧杯中，通过测定排水体积计算材料密度。

1.2.3 质量吸水倍率的测定

材料吸收的水分质量与材料干燥状态时质量的比。

式中，M为材料的质量吸水倍率(g·g-1)；M0为材料在干燥状态时的初始质量(g)；Ms为材料在吸水饱和状态时的质量(g)。

1.2.4 质量吸水速率的测定

材料在单位时间内的质量吸水倍率。

式中，SMnt为材料在第n个10min内的质量吸水倍率(g·g-1·10min-1)；Mnt为材料在第n个10min时的质量(g)；M(n-1)t为材料在第(n-1)个10min时的质量(g)；M0t为材料在干燥状态时的初始质量(g)。

1.2.5 质量(体积)吸水率占比

材料在某一时间节点质量(体积)吸水倍率占总质量(体积)吸水倍率的百分比。

1.2.6 体积吸水倍率的测定

材料吸收水分的体积与材料干燥时体积的比。

式中，V为材料的体积吸水倍率(cm3·cm-3)；M0为材料在初始干燥状态时的质量(g)；M1为材料在吸水饱和状态时的质量(g)；ρw为水的密度，本试验取1g·cm-3；ρm为材料在干燥状态下的密度(g·cm-3)。

1.2.7 体积吸水速率的测定

材料在单位间隔时间(10min)内的体积吸水倍率。

式中，SVnt为材料在第n个10min内的体积吸水倍率(cm3·cm-3·10min-1)；Mnt为材料在第n个10min时的质量(g)；M(n-1)t为材料在第(n-1)个10min时的质量(g)；M0t为材料在干燥状态时的初始质量(g)；ρw为水的密度，本试验取1g·cm-3；ρm为材料在干燥状态下的密度(g·cm-3)。

1.2.8 饱和时长的测定

材料从浸水开始到完全饱和时所用时长(min)。

1.3 统计分析

统计分析采用Excel和Spss软件，采用邓肯新复极差法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 有机地表覆盖物的质量吸水倍率

图1 有机地表覆盖物的质量吸水倍率

图2 有机地表覆盖物的质量吸水速率

图3 有机地表覆盖物的体积吸水倍率

图1 反映了不同有机地表覆盖物浸水后的质量吸水倍率。由图1 可以看出，1 6 种材料均能吸收水分，但差异较大。1 6 种材料的质量吸水倍率依次为：锯末2.4 3 g·g-1＞花生壳2.23g·g-1＞橡树叶1.73g·g-1＞复叶槭粉碎物1.67g·g-1＞棕椰丝1.59g·g-1＞松塔壳1.44g·g-1＞杉木树皮1.41g·g-1＞柳树皮1.40g·g-1＞打磨松树皮(3～6mm)1.05g·g-1＞发 酵 松 树 皮( 9 ～1 7 m m ) 0 .9 5 g · g-1＞松针0.9 3 g·g-1＞发酵松树皮(3 ～6 m m)0.8 6 g·g-1＞核桃壳0.6 8 g·g-1＞彩色松树皮(1.5 ～3 c m)0.5 7 g·g-1＞打磨松树皮(3～5cm)0.30g·g-1＞蚯蚓粪0.28g·g-1。其中，锯末和花生壳的质量吸水倍率显著高于其他材料，打磨松树皮(3～5cm)和蚯蚓粪显著低于其他材料。锯末的质量吸水倍率是蚯蚓粪的8.68倍。

2.2 有机地表覆盖物的质量吸水速率

如图2所示，16种材料的质量吸水速率表现出一定的规律性：在10min内均达到最高，之后随着时间的增长迅速下降，在第50min时大多数材料吸水达到饱和状态。第10min时，16种材料的质量吸水率占比平均为75.60%，最低的核桃壳为51.22%，最高的复叶槭粉碎物达89.42%。不同有机地表覆盖物在浸入水后的10min内质量吸水速率差别十分明显，锯末和花生壳的质量吸水速率明显优于其他材料，蚯蚓粪和打磨松树皮(3～5cm)的质量吸水速率较小，锯末是蚯蚓粪和打磨松树皮(3～5cm)的12和11倍。

2.3 有机地表覆盖物的体积吸水倍率

图3反映了不同材料的体积吸水倍率。16种材料的体积吸水倍率依次为：锯末0.63cm3·cm-3＞蚯蚓粪0.54cm3·cm-3＞花生壳0.42cm3·cm-3＞柳树皮0.42cm3·cm-3＞松塔壳0.38cm3·cm-3＞杉木树皮0.33cm3·cm-3＞打磨松树皮(3～6mm)0.29cm3·cm-3＞复叶槭粉碎物0.27cm3·cm-3＞发酵松树皮(9 ～1 7 m m)0.2 6 c m3·c m-3＞发酵松树皮(3～6mm)0.21cm3·cm-3＞棕椰丝0.1 9 c m3·c m-3＞橡树叶0.1 9 c m3·c m-3＞核桃壳0 .1 8 c m3· c m-3＞彩色松树皮(1.5～3cm)0.17cm3·cm-3＞松针0.12cm3·cm-3＞打磨松树皮(3～5cm)0.09cm3·cm-3。其中，锯末的体积吸水倍率显著高于其他材料，打磨松树皮(3～5cm)和松针的体积吸水倍率差异不显著，但与其他材料存在显著性差异。锯末的体积吸水倍率分别是松针和打磨松树皮(3～5cm)的5.25和7倍。

2.4 有机地表覆盖物的体积吸水速率

如图4所示，16种材料的体积吸水速率表现出一定的规律性，在第10min时均达到最高，之后随着时间的增长逐渐下降，在第50min时大多数材料吸水达到饱和状态。第10min时的体积吸水率占比与质量吸水速率相同。不同有机地表覆盖物在浸入水后的10min内体积吸水速率差异明显，锯末、花生壳、柳树皮和蚯蚓粪的体积吸水速率明显优于其他材料，打磨松树皮(3～5cm)、松针和核桃壳的体积吸水速率较小，最高的锯末是打磨松树皮(3～5cm)的8.83倍。

2.5 有机地表覆盖物的饱和时长

如图5所示，16种有机地表覆盖物材料的饱和时长为25～60min。其中花生壳达到饱和状态用时最短，为25min；彩色松树皮(1.5～3cm)、发酵松树皮(3～6mm)和松针次之，饱和时长均为30min；橡树叶、复叶槭粉碎物和锯末的饱和时长均为33.33min；松塔壳达到饱和用时最长，为60min；蚯蚓粪次之，饱和时长为51.67min；花生壳与发酵松树皮(9～17mm)、橡树叶、彩色松树皮(1.5～3cm)、打磨松树皮(3～5cm)、发酵松树皮(3～6mm)、松针、复叶槭粉碎物和锯末的饱和时长差异不显著。松塔壳与蚯蚓粪、打磨松树皮(3～6mm)和柳树的饱和时长差异不显著，但显著高于其他材料。

图4 有机地表覆盖物的体积吸水速率

图5 有机地表覆盖物的饱和时长

3 讨论

在城市绿化中，当作为屋顶花园材料等需要考虑荷载时，可以考虑将质量吸水倍率和质量吸水速率指标作为有机地表覆盖物选取的依据。试验表明，不同材料的质量吸水倍率存在显著差异，这与材料自身的特性和处理方式有关。锯末、花生壳、橡树叶、复叶槭粉碎物、棕椰丝、松塔壳、杉木树皮、柳树皮和打磨松树皮(3～6mm)等材料的质量吸水倍率都超过1g·g-1。一般而言，在同等质量下，粒径小的材料的触水面积要大于粒径大的材料。锯末粒径最小，质量吸水倍率表现也最好；松树皮等粒径较大，触水面积较小，因此质量吸水倍率也较小。蚯蚓粪的质量吸水倍率最低，是因为这类材料经过生产加工成球形后，密度较大，相比而言吸水质量较小。孙梦辉在研究中得出，稻草编织物的质量吸水倍率为4.28，黄麻编织物为2.60，棕榈编织物为1.94，棕榈叶编织物为1.63[11]。这是由于编织物的主要组成部分为纤维，再加上网状结构增加了持水能力，因此，编织覆盖物持水能力的强弱可能与材料本身的组成特性有关。绿地土壤的渗透能力可以承载小雨强的降雨，而铺设有机地表覆盖物的主要作用是应对较大雨强的降雨。根据质量吸水倍率，可以推定在强降雨初期，锯末、花生壳等材料能够有效滞留水分，减少地表径流的产生，延缓洪峰形成的时间。

城市地表绿化中，在对荷载没有特殊要求的情况下，更多时候应考虑将体积吸水倍率和体积吸水速率等指标作为地表覆盖物材料选取的依据。城市铺设地表覆盖物的厚度一般在5～15cm，厚度增加会影响土壤的透气性，在有限的厚度内如何最大限度地吸收雨水是需要优先考虑的问题。锯末、蚯蚓粪、花生壳、柳树皮、松塔壳和杉木树皮等材料的体积吸水倍率较高，均超过了0.3cm3·cm-3，可以应对较强的降雨。本次选择的16种材料均为颗粒状，纤维含量较低，加上未形成网状持水结构，相对编织物的吸水能力更低。另外，景观环境建设对有机覆盖物的美学效果要求较高，这在一定程度上影响了高吸水材料的应用。有研究表明，枯落物的分解程度会影响枯落物层的持水能力，分解程度越高，枯落物层的持水能力越强[12]。对有机地表覆盖物进行加工，增加腐化或分解程度，也可以进一步提高吸水性能。如曲炳鹏等以园林废弃物为原料，使用环保型水性聚氨酯作为胶黏剂制备而成的用于覆盖城市裸露土壤的生态覆盖垫就具有较强的吸水能力[13]。

城市的强降雨往往具有时间短、强度大的特点，极易导致严重积水内涝，影响生产和居民生活。关于有机地表覆盖物的质量和体积吸水速率的研究结果表明，降雨初期的吸收速率最高，可以有效滞留雨水，降低地表径流，延缓洪峰形成的时间。而后吸水速率下降，雨水下渗至土壤，有效补充土壤水分。不同材料饱和所需时长与材料自身特性相关，同等质量或体积吸水倍率条件下，饱和时长越短，材料的吸水速度越快、效率越高，可以应对的短时降雨强度就越大。

地表覆盖物材料适合于中国半湿润地区的绿地，因为这些地区的年降水量为400～800mm，降雨大部分集中在6—9月。地表覆盖物在夏季可以有效吸收雨水，减少地表径流，在其他季节则可以减少土壤水分蒸发，增加土壤湿度。而对于年降雨量高，尤其是超过1 200mm的降雨频繁地区，地表覆盖物自身可能会长期保持在近饱和状态，并使土壤长期维持较高的含水率，影响植物的正常生长。这时可以选择吸水性能较低的有机地表覆盖物用于减少水土流失、控制杂草、增加有机质和美化环境。

4 结论

1)质量吸水速率和体积吸水速率都具有相同的规律性：0～10min内达到最高，然后大幅降低。第10min时，16种材料的吸水率占比均达到最高，但是具有显著差异，最高的材料达到约90%，较低的只有约50%。吸水饱和时长也具有显著差异，最快的25min，最慢的约60min。

2)有机地表覆盖物的选择应结合土壤和降雨条件等综合确定，年降雨量高的地区和年降雨量低的地区在选择有机地表覆盖物时，对吸水性能的要求也有所不同，需要进一步研究。

3)有机地表覆盖物的质量吸水倍率和体积吸水倍率具有显著差异。质量吸水倍率适宜作为屋顶花园材料的选择依据，锯末、花生壳、橡树叶、复叶槭粉碎物、棕椰丝、松塔壳、杉木树皮、柳树皮和打磨松树皮(3～6mm)等都具有超过自身质量的水分吸收能力。体积吸水倍率适宜作为地面绿化用有机地表覆盖物的选择依据，锯末、蚯蚓粪、花生壳、柳树皮、松塔壳和杉木树皮等的体积吸水倍率都超过0.3cm3·cm-3。如何对这些材料进行处理以增加吸水性能则还需进一步探究。

注：文中图片均由陈超萍绘制。