3种固化无土基质的水肥保持效果及对立体绿化植物扦插和生长的影响

龙欣　范楚琪　房林　吴坤林　李琳　王田意　曹琪聪　黄玉源　曾宋君

關键词：立体绿化；种植基质；保水性；保肥性

中图分类号：S688 文献标识码：A

城市扩张与发展为城市人居环境和自然生态都带来了许多危机与挑战。早在第二次工业革命时期，西方各国在诸多环境破坏的压力下，人们开始寻求在城市创造适意的人居环境，并开启了“城市公园运动”，在较长一段时间内有效地缓解了工业化需求与自然生态的矛盾[1]。但随着城市化进程不断推进，城市用地空间紧张与自然生态的矛盾再次引起人们的注意，以柯布西耶、霍华德等为代表的建筑规划师开始设想一种能与建筑、城市、生态有机结合的绿化模式，经过多年的探索与实践，最终发展出立体绿化这一新型领域[2]。立体绿化实现在有限空间内“见缝插绿”满足绿化、生态需求，随着立体绿化技术的更新迭代，越来越多的立体绿化种植模式可以满足不同的绿化需求。根据调查，目前立体绿化多依附建筑物而构建，多采取模块种植式的手段[3]，在标准化的模块中填充特定基质并栽培植物，植物成活后将模块固定在构筑物垂直面上或特定平面上。这种立体绿化种植模式对基质的各方面性质要求更高，而植物成活与生长发育则直接取决于水肥供给和保持，因此研究基质的水肥保持效应对立体绿化有重要意义。

传统种植所采取的森林土壤、泥炭土、椰糠等基质，具有容重大、易松散难定型、依赖容器、保水能力和保肥能力较差等缺点[4]，并不适用于模块式立体绿化的推广，在此背景下，国内外科研人员不断寻求更加适宜立体绿化种植应用的新型人工基质。固化无土基质是通过废物利用、工业残料再加工等手段，模拟传统土壤基质理化性质使之更适宜植物生长发育[5]，利用不同材料的物理特性进行不同配比研发的轻型基质材料，多以海绵、棉花、生物炭、聚酯纤维等为原料。通过前期调研，本研究选取3 种具有发展前景的固化无土基质垒土、保浮科乐、国产炭棉为主要研究对象进行比较分析，测定其基本理化性质，着重分析其容重、持水能力、孔隙度等以及氮磷钾含量等指标；设计基质风干实验和淋溶实验，进一步分析3 种基质在保水能力和保肥能力上的差异，通过综合评价，筛选出最适合立体绿化模块种植的新型基质，并探讨无土固化基质对立体绿化发展及城市园林建设的价值和意义。

1 材料与方法

1.1 材料

试验以传统栽培基质泥炭土作为对照，选择3 种新型固化无土基质（垒土、保浮科乐、国产炭棉）作为立体绿化基质筛选材料。其中对照为德国大汉贝斯莎柏翠泥炭土，品目编号7-03，基质A 为垒土，是日本国立冈山大学环境学博士戚智勇研发的高分子材料与其他基质有机结合的新型基质，规格为45 cm×45 cm[6]，由广东伟晟生态环境建设有限公司提供；基质B 为进口的日本三得利公司生产的海绵状固化无土轻基质“保浮科乐”（pafcall），从上海丰田三得利美都园艺有限公司购得；基质C 为国产生物炭棉基质，购自广东佛山太农园艺有限公司，主要原料为聚醚-聚酯多元醇、竹质生物炭、异氰酸酯等[7]，以下简称“国产炭棉”，为上端面6 cm×6 cm 方形，下端面4.5 cm×4.5 cm 方形，高度5 cm 的规格，从中间划开一字型深2.5 cm 的开口以便种植植株。

扦插和生长试验中，选取鸭跖草科锦竹草属洋竹草的商业品种胭脂云锦竹草（Callisia repens‘Pink Lady）为实验材料，该品种从美国引进，已在华南、香港地区归化栽培。胭脂云锦竹草为多年生草本植物，茎匍匐，叶片呈垫状，多分枝，节生根。叶片卵形，小圆蜡状，光滑无毛，基部抱茎，近心形或钝，先端渐尖。叶面呈绿色至奶油色、粉红色过渡的斑纹，叶背面为粉紫色，极具观赏价值。喜温暖、湿润环境，对土壤要求不高，耐贫瘠、耐旱、耐高温，是一种适用于大湾区立体绿化的种植材料[8]。该植物易获取、扦插易活、生根迅速，是检验3 种固化无土基质种植性能的理论试验材料。试验时，剪取长势健壮、无病虫害的胭脂云枝条约3.5 cm，5 枝一簇分别扦插在预先设置不同基质的花盆中。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验地位于广东省广州市华南植物园科研区（23°10′46.4″N， 113°21′9.1″E）。该地区由于季风气候的影响，年均温约21.5 ℃，年降水量约1900 mm，其中4—9 月的降水量占全年的80%左右，平均相对湿度77%[9]。基质理化性质实验在科研区实验室进行，参照土壤国标设计试验，于2021 年10 月首先进行2 种传统基质与3 种固化物图基质的基本物理性质测定，2021 年11 月在专业实验室开展3 种固化无土基质的养分含量测定实验，主要测定指标为有机质含量、全氮、全磷、全钾含量，同时设计3 种固化无土基质控水30 d 内的保水性实验，记录0～30 d 的基质相对含水率（RWC）。2022 年12 月在实验室进行淋溶实验，研究3 种固化无土基质的保肥性。每个实验测定指标设置平行重复3 次。

2022 年1 月在玻璃温室进行3 种固化无土基质的盆栽实验，分为测定基质固化性能和种植性能2 个实验目的，基质的固化定型检验标准为：扦插的植物枝条在基质中生根后脱盆，手提起植物上部分而基质不松散脱落、不与植物分离则视为完成固化定型[10]。各设计3 种基质，每种基质设置10 个重复，每个处理选取5 枝扦插苗，即设计30 个重复的单因素完全随机实验。

1.2.2 指标测定 （1）基质基本物理性质测定。参照《中华人民共和国林业行业标准》（LY/T 1215—1999）的实验规范，以环刀法测算基质容重、通气孔隙度、总孔隙度、持水孔隙度等基质物理性质；烘干法测含水率。

（2）3 种基质的化学性质测定。参照国标及林业行业标准结合基质实际情况采取常规方法对3 种固化无土基质的养分含量进行测定。其中pH采用电位测定法（NY/T 1121.2—2006），1∶5 的基质水比，利用酸度计完成。根据预实验结果分析，3 种固化无土基质的有机质以及氮磷含量较高于一般森林土壤，选择减少样本质量，并用重铬酸钾-硫酸加热氧化法测定无土基质的有机质含量；分光光度法-靛酚蓝比色法测全氮含量；采用分光光度法-碱熔-钼锑抗比色法测全磷含量。通过硝酸-高氯酸消煮法消煮样品后，由于3 种基质全钾含量趋于一般森林土壤，选择土壤指标测定方法，用原子吸收分光光度计法测定全钾含量（乙炔空气火焰）[11]。于2022 年1 月在广州市中国科学院华南植物园科研区实验室内完成实验指标的测定工作。

（3）基质保水性测定。试验场地设计在中国科学院华南植物园玻璃温室中，取相等体积为200 mL的3 种固化无土基质装入等容量约为250 mL 规格的塑料育苗杯盛满各10 杯，并分别称重并记为a，2021 年11 月8 日起记为d1，使基质浸泡吸水至饱和状态，分别称重记录，从11 月8 日起至12 月3 日止，共计25 d 均在固定时间上午10：00 对每杯基质进行称重并记录。有3 种基质，设置25 个处理各10 个重复，共计750 个样本数。统计分析基质保水性样本数据， 计算从0～25 d 基质控水的相对含水率（RWC）。

（4）基质保肥性测定。设计如图1 的淋溶模拟装置，采用聚氯乙烯瓶底部钻5 个孔自制简易的淋溶过滤器，过滤器内径为50 mm，高100 mm，下方放置200 mL 的烧杯，用于收集淋溶液。过滤器内依次铺垫滤纸、纱布、石英砂50 mL、待测土柱300 mL、滤纸、纱布、石英砂50 mL，以獲得较为清澈的淋溶液样品，并通过0.7 mm×24 mm 规格的输液器控制去离子水流速，每种基质各设计3 个以上淋溶装置，分别收集垒土、保浮科乐、国产炭棉的淋溶液，从2022 年4 月3 日起每5 d 收集1 次，共收集8 次，每种基质3 个重复，共计72 个样品。采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测各样品淋溶液的氮含量，采用碱溶-钼锑抗比色法测磷含量[12]。

（5）在不同基质上的盆栽扦插实验。在中国科学院华南植物园玻璃温室内苗床上布置250 mL 规格的塑料育苗杯，分别装入垒土、保浮科乐、国产炭棉3 种基质，每种基质各10 杯，并剪取相同长度、部位的长势健壮、无病虫害的长约3.5 cm 的胭脂云锦竹草枝条，每5 枝为一簇分别扦插在预先设置不同基质处理组的育苗杯中。适当浇水，定期观察，并监测温室实时温度、湿度等气候条件，记录每盆扦插苗生根、生长发育状态。从2022 年1 月10 日起，待胭脂云锦竹草扦插苗完全生根发育并与基质结合后，从育苗杯中脱盆，用手提着植物上部，如果基质与植株不松散分离则视为完成脱盆固化，记录每盆所需的基质固化时间。2022 年3 月取出扦插苗，测量扦插植株的根长、根数、质量等指标。

本研究中，采用市场上常用的3 种固化无土基质的商品，即保浮科乐和国产炭棉都是已经完成塑形的海绵状结构直接装入育苗杯中种植植物，而垒土则是从大块状基质上取下碎絮状装入育苗杯中，原始状态较为松散，以植物根系与基质结合，手提植物上部基质不与植株分离且不松散视为完成固化，并记录每种基质完成固化所需天数。所采用的插条的大小、数量、生长状况一致，记录扦插生根发育后的枝条根数、根长、株高及鲜重等指标。观察3 种固化无土基质扦插的胭脂云枝条生根及发育情况并记录拍照，定期观测基质的固化表现。

1.3 数据处理

用Excel 软件统计实验数据并进行处理分析，通过SPSS Statistics 26 软件对实验数据进行方差分析，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）比较分析各项指标的差异显著性，并用Duncan法（新复极差法）多重比较分析各处理间的差异显著性；相关分析采用皮尔斯双侧检验法（Person）。

2 结果与分析

2.1 3 种固化无土基质的物理性质比较

立体绿化的特色种植需求对基质有不同的物理性质需求，受限于构筑物承重能力要求立体绿化基质有更小的容重；为便于长期养护管理，立体绿化基质需要更好透气性和保水性。通过实验测定4 种固化无土基质的容重、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度、气水孔隙比、持水能力等指标如表1，可反映基质保水性、透气性和疏松程度、支撑能力。

2.1.1 容重 植物根系生长及植株的固定依赖于固体基质的固定作用，常用容重反映固体基质质量要求， 一般植株种植基质的干容重范围为0.1～0.8 g/cm3，且应用于屋顶绿化的基质干容重应<0.5（LY/T 1970—2011），基质容重越小则说明该种基质材料越轻质。由表1 可知，垒土的容重最小约为0.14 g/cm3，对比保浮科乐、国产炭棉有显著差异，保浮科乐次之，而国产炭棉容重在三者比较中最大，作为对照的传统基质泥炭土的容重很大，难以满足立体绿化对承重的需求。垒土作为轻质固化无土栽培基质，可应用于对构筑物承重有较高要求的垂直绿化及屋顶绿化有一定优势。

2.1.2 持水能力 通过含水率、持水孔隙度、总孔隙度等指标可以反映基质的持水能力。垒土的含水率显著高于保浮科乐和国产炭棉，而3 种基质的持水孔隙度差异不大。综合表1 来看，3 种固化无土基质的持水能力都显著优于对照泥炭土，其中垒土的持水能力最好，其次为国产炭棉，保浮科乐较差。应用于立体绿化的基质总孔隙度应在55%～96%之间，70%～90%则更为理想[13]，3种固化无土基质均介于理想范围之间，其中垒土的总孔隙度最大，其次是国产炭棉，保浮科乐较小。

2.1.3 透气性 基质保障植物生长一方面需要有足够的水肥供给，另一方面也需要有较好的透气性以供植物根系生长及植株生长发育。通过通气孔隙度和气水孔隙比能反映植物的通气性能和持水能力的关系。一般改良基质的通气孔隙度要求为≥15%（LY/T 1970—2011），3 种基质的通气孔隙度差异不大，其中垒土为14.87%较接近这个目标。通气孔隙与持水孔隙比例在1∶1.5～1∶4 之间时视为较好的性质[14]，垒土和保浮科乐的气水孔隙比为0.21 较接近目标，而国产炭棉和泥炭土接近为0.14 在3 种基质中透气性较差。总体而言，3 种固化无土基质和泥炭土在透气性方面均不太理想，垒土和保浮科乐较好，但一般立体绿化种植技术上可以通过保留植株空隙弥补这一缺陷。

2.2 3 种固化无土基质的化学性质分析比较

基质的化学性质分析一般包括pH 的比较及缓冲性能分析、养分供给能力分析包括有机质含量测定、氮磷钾含量的测定。通过测定得到3 种固化无土基质的养分含量指标如表2。

2.2.1 酸碱度及缓冲性能 土壤溶液酸碱度体现了土壤胶体保持质子平衡的能力，一般植物在土壤基质pH 为4.5～8.2 的范围内生长良好（LY/T1970—2015），pH 也影响到土壤养分的形态和有效含量，多数元素有效率在基质pH 为5.0～8.0 范围时更高[15]，垒土、国产炭棉接近对照泥炭土的pH，4 种基质都处于大多数植物生长的土壤pH范围（5.5～7.5）。

2.2.2 有机质含量 有机质是土壤多种养分元素的来源和存在形式，还包含刺激植物生长的胡敏酸，对基质的保肥性和缓冲性有很大影响，是碳源和重要能源[16]。由于3 种固化无土基质是人工合成物质且多数含有生物炭材料，含碳量总体高于一般的自然土壤。通过重铬酸钾容量法-外加热法测定得出有机质含量，根据结果3 种固化无土基质的有机质含量均远超过一级土壤有机质40 g/kg 的标准。据相关研究表明，高产水稻土的有机质含量一般在25～50 g/kg 范围[17]，其中泥炭土由于沉积大量植物残体累积，其有机质含量较高，3 种固化无土基质的有机质含量也远远高于自然土壤的有机质含量，完全足够满足植物生长需求，尤其是国产炭棉的有机质含量十分丰富。

2.2.3 氮、磷、钾含量 氮、磷、钾是植物生长必须的三大营养元素，也是研究立体绿化基质水肥保持的关键内容，氮是植物细胞内蛋白质、核酸和叶绿素的组成成分，磷参与了植物呼吸作用、光合作用及能量转换过程，而钾与植物的新陈代谢、生长发育、抗逆性息息相关[18]。据鲁如坤研究，我国土壤氮含量范围为0.04%～0.38%，磷含量是0.017%～0.11%，钾含量是0.05%～2.5%，并认为低于0.2%的氮含量土壤为缺氮，磷含量低于10 mg/kg 则视为缺磷[13]。本研究所测定的基质氮、磷、钾均为全氮、全磷、全钾含量。由表2 可知，即使是含氮量相对较低的垒土全氮含量（5.97 g/kg）也达到了一级土壤含氮量标准，其氮含量接近自然界中营养物质丰富的东北黑土，而保浮科乐和国产炭棉接近泥炭土的含氮量，显著偏高。但3 种固化无土基质的含磷量和含钾量均低于六级基质要求，处于比较低的水平[19]，3种固化无土基质含磷量、含钾量较高于泥炭土，但在使用这3 种基质过程中仍需要适当增施磷钾肥以保证水肥平衡。

2.3 3 种固化无土基质和泥炭土保水性比较分析

水分的供给和保持是决定植物能否在基质中存活的直接因素，基质保水性主要包括基质的吸水能力和持水能力两方面[20]。本研究以时间变化为变量，记录各种基质从吸饱水的相对含水率到逐渐风干的变化，记录持续25 d，如图2 所示，起始吸水饱和状态时，垒土的相对含水率（RWC）为251%，显著高于其他2 种基质，控水3 种基质RWC 均逐渐降低，12 d 前垒土的RWC 均高于保浮科乐和国产炭棉，12 d 后国产炭棉和垒土持水能力相对一致，对照泥炭土在17 d 的RWC 为1.40%已近乎干燥，保浮科乐RWC 在23 d 时近乎为0，这2 种基质的保水性能较差。而国产炭棉和垒土直到25 d 仍未完全失水，尤其是垒土在25 d 时RWC 仍能保持7.3%，与其他3 种基质的保水性相比有显著优势。3 种固化无土基质在保水性方面都优于对照泥炭土，在立体绿化的实际应用中，受限于灌溉难度大，后期维护成本高、建筑物不能长期受到水流冲蚀等因素，基质具有更好的保水性有利于立体绿化种植应用的推广。

2.4 3 种固化无土基质保肥性分析

传统土壤淋溶作用是雨水透过土壤水平向下渗透，将土壤内容物从上层运输到更低层[21]。无论是屋顶绿化还是垂直绿化基质在降雨中都会因淋溶作用产生一定程度的氮磷流失，一方面对基质的肥力保持造成一定影响，一方面淋溶液所带出的氮磷等元素可能造成水体富营养化对环境产生污染[22]，研究基质的淋溶作用正是为了探究其肥力保持能力和对环境负面影响的可能性。

以不同淋溶次数收集到溶液中的氮、磷浓度为指标研究基质保肥性。整体而言，3 种固化无土基质淋溶结果的淋出氮、磷含量都极低（图3，图4），基本不会因此造成水体富营养化对环境产生影响。从图3 的氮素淋失表现来看，对照泥炭土的氮淋出总量显著超过其他3 种固化无土基质，对照单次淋失量也在其余3 种基质水平之上，其原因可能是泥炭土的结构松散，其通气孔隙度较大，土壤基质的胶体吸附性较差，较容易发生氮素淋失现象，泥炭土中含大量腐殖质对氮淋出量影响较大[4]。3 种固化无土基质整体上氮淋出总量较少且峰值均出现在第二次淋溶结果上，尤其是垒土的氮淋失总量最少。其中国产炭棉的氮素淋失结果在第二次淋溶峰值显著高于其他2 种基质。但对比8 次累计淋溶结果则是保浮科乐的淋失氮含量最高为30.29 mg/L，其次为国产炭棉27.01 mg/L，垒土相对较低为20.47 mg/L。

图4 为淋溶后磷素流失结果，垒土和保浮科乐的8 次淋溶结果磷素淋失极低，显著区别于对照泥炭土，尤其是垒土磷素结果近乎为零。将3种固化无土基质的磷素流失结果作一张小尺度的图5，可以更顯著地发现国产炭棉磷素淋失高于其他2 种基质，3 种基质的磷素淋失和氮素淋失结果一样峰值出现在第二次淋溶，猜测可能和各种基质内部毛管持水以及胶体性质有关。8 次累计淋溶结果的磷素淋失量最高的是国产炭棉为2.59 mg/L，其次是保浮科乐0.23 mg/L，垒土最低，为0.18 mg/L。综上所述，3 种固化无土基质都在水肥保持上有突出表现，且不会对环境造成不良影响，其中垒土在3 种基质中具有更显著的优势。

2.5 盆栽扦插和种植效果分析

2.5.1 基质固化性能分析 以泥炭土为对照组（CK），A 垒土、B 保浮科乐、C 国产炭棉完成固化所需平均时间分别为对照15 d，A 组9 d，B组7 d，C 组6 d。在第20 天将育苗杯中的盆栽植株脱盆进行固化检测试验发现，如图6 所示，对照泥炭土还是容易出现松散、基质与植株分离的情况，而垒土、保浮科乐和国产炭棉均与植物根系结合密切，保持不松散、不脱离状态。基质的固化效果有助于立体绿化植物应对极端天气，以上3 种基质相较于传统基质应用于立体绿化有明显优势，而垒土同时兼具传统基质的松散、易塑形的优点，又能在短期内与植物根系之间实现固化效果，是立体绿化的理想材料。

2.5.2 不同基质对扦插植物生根和生长的影响胭脂云枝条在4 种基质中扦插易生根成活，除了国产炭棉生根率较差约为88.89%外，其余基质扦插生根率均为100%。从生根数量来看，使用垒土作为基质的扦插苗能迅速生根并在基质中多方向扎根且生根数量显著多于其他3 种基质，其次为泥炭土，保浮科乐略少，国产炭棉则出现部分扦插苗生根少甚至不生根的表现。从主根长来看，以垒土、泥炭土和国产炭棉为基质的扦插苗主根长均显著长于以保浮科乐为基质的扦插苗主根长（表3）。3.5 cm 的扦插枝条25 d 后均有明显生长变化，其中垒土扦插苗的平均株高最高，保浮科乐扦插苗最矮，泥炭土、垒土和保浮科乐扦插苗鲜重均显著高于国产炭棉，其中垒土和泥炭土扦插苗表现茁壮，叶片茂盛，保浮科乐和国产炭棉相对叶片较少，长势一般。总体来说垒土扦插苗株高最高，泥炭土、国产炭棉次之，植株鲜重垒土、国产炭棉与泥炭土扦插苗差别不大，保浮科乐扦插苗鲜重较轻。

综上所述，应用于立体绿化的植物要求根系发育良好、植株茂密、不徒长，有利于便于后期养护管理，垒土的扦插苗生根数最多、主根长较长，且植物生长茂密，不徒长，具有显著优势（图7）。

3 讨论

立体绿化作为改善建筑物和城市可持续性发展的工具，其基质的水肥保持性能将限制植被生长状况，决定后期养护管理成本[24]。从功能性角度建立量化比较立体绿化基质指标标准，有利于推动立体绿化产业发展与研究[25]。本研究通过对基质物理化学性质、水肥保持性能、扦插栽培试验分析，基于立体绿化栽培基质理化指标标准，讨论3 种应用于立体绿化栽培的固化无土基质的性能差异，综合结果表明垒土在容重、保水性、保肥性、栽培性能方面均优于保浮科乐和国产炭棉。

本研究从立体绿化基质实际应用的功能角度出发，设计了控水、淋溶及扦插栽培试验，着重考虑到基质本身水肥保持性能、实际应用需求及其可能对周边环境生态产生的影响，综合评价3种固化无土基质的性能。由于立体绿化受限于特殊的种植方式，对基质的要求也区别于传统基质，无论是屋顶绿化还是垂直绿化，在保障支撑植物的基础条件下追求更轻的容重，垒土以0.14 g/cm3的容重对比其他固化无土基质和传统基质有显著优越性，可以满足更多构筑物承载绿植的需求，使之既不破坏原有建筑物的承重结构，也能出色完成绿化建设。立体绿化植物的生长需要基本的水肥供给则依靠基质的理化性质，基质应从透气性好、pH 适宜、保水保肥能力强几个角度筛选，以上研究结果表明，3 种基质均能基本满足植物种植需求，且pH 都在适宜植物生长良好范围内，透气性方面，垒土和保浮科乐优于国产炭棉，且垒土持水能力最佳，这一点在保水性实验中得到进一步证实。3 种固化无土基质肥力均可满足植物正常生长发育的基本需求，尤其是有机质含量、含氮量均处于较高的一级土壤水平，但含磷量、含钾量较低，需要在种植及养护管理过程中注意追施磷、钾肥，有利于立体绿化植物水肥平衡。通过扦插栽培试验结果可知，垒土基质可塑性极强，既具备传统基质的松散结构，可以被装入到任何容器中使用，也能脱离容器实现基质固化，可轻易通过铁丝、布毡、钢架、网膜等材料使用千变万化的结构塑形。同时，由于垒土具有柔软、韧性强的优点，可以用来解决立体绿化中曲面构架难题，是十分理想的铺贴式立体绿化材料，早在2013 年著名建筑师安藤忠雄就曾利用垒土为基质完成了大阪新梅田城“希望之墙”的大型立体绿化建设。除此之外，通过实验也验证了壘土栽培的植物具有根系发育良好、植株茂密、不徒长的优点，也是3 种固化无土基质中表现最好的。