干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草生理特征的影响

田艺文邹维娜秦秉铎江南唐惠玲

(1. 上海应用技术大学生态技术与工程学院，上海 201418；2. 美丽中国与生态文明研究院上海高校智库，上海 201418)

屋顶绿化是拓展新型生态空间的有效途径，为城市提供缓解热岛效应、降低建筑能耗、减少雨水径流、改善空气质量、增加碳汇和生物多样性等诸多生态服务功能。 低维护的粗放型屋顶绿化(extensive green roofs，EGR)应用广泛，其基质层较薄，通常选择种植如佛甲草(Sedum lineare)等抗性强的景天属植物[1]。 作为屋顶绿化基质，既要满足植物生长所需的养分和水分等要求，还需满足屋顶环境下的质轻、保水、透气和性质稳定等要求。 传统栽培基质中的无机材料主要由珍珠岩、蛭石、浮石等轻质多孔的天然矿物质加工配制而成。 然而，这些物质的过度开采使用会导致自然资源迅速消耗[2]，故亟需其他材料尤其是循环再生资源类材料来替代。 在一些研究中，建筑废弃物如砖、混凝土等作为屋顶绿化基质无机成分已表现出一定优越性[3-4]。

国内外对于建筑废弃物作为屋顶绿化植物栽培基质的研究主要集中在以下两个方面:一是植物对基质潜在污染成分的反应[5-7]，二是植物生物量对建筑废弃物基质成分和配比的响应。Mickovski 等[8]比较了屋顶条件下草坪和景天类植物的建植和生长发育情况，发现包含建筑废弃物的混合基质足以支撑植物生长。 Bates 等[3]发现碎砖和粉煤灰分别作为基质成分时，屋顶绿化植物的生物量增长无显著差异，添加高比例的碎砖基质可栽培的植物种类更多。

夏季高温干旱情况下，屋顶绿化植物能否在低维护条件下依靠基质存活、生长是粗放型屋顶绿化推广应用的关键。 然而，国内外对于干旱条件下植物对建筑废弃物基质适应性的研究较少。本试验研究干旱胁迫条件下不同成分和配比的建筑废弃物基质对佛甲草生长发育和抗旱性的影响，以期为建筑废弃物在屋顶绿化中的应用及植物对其适应性研究提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021 年3—11 月在上海应用技术大学奉贤校区植物园玻璃温室内进行。 供试基质材料包括碎砖、碎混凝土及泥炭、珍珠岩、蛭石。 建筑废弃物颗粒(碎砖、碎混凝土)来自上海浦东新区兴盛路基材料有限公司，经过除杂过筛得到均一粒径(≤3 mm)；其他基质原材料(泥炭、珍珠岩、蛭石)购自上海鼎泽园艺有限公司。

供试植物材料为景天科景天属佛甲草，购自上海市某苗木市场。

1.2 试验设计

基质材料按不同配比混合均匀，得到4 个处理组，其中T1～T3 为碎砖、碎混凝土颗粒与泥炭按不同体积比配制，CK(对照)以珍珠岩、蛭石为无机原材料与泥炭按一定体积比配制。 各组基质配比方案及物理性质见表1。 不同组成成分的建筑废弃物转化基质见图1，基质厚度10 cm。 各组基质分别装入长宽高规格为38 cm×29.5 cm×13 cm 的长方形塑料容器箱，相邻对边距底部1 cm打孔(孔径1.5 cm)形成蓄水层。

表1 处理基质配比方案及物理性质

图1 不同组成成分的建筑废弃物转化基质

筛选生长健壮、长势均匀的佛甲草幼株[株高为(5.5 ± 0.4) cm，鲜重为(15 ± 2) g]，根部经清洗、除菌处理后种植于容器箱，每处理种植5 箱作为5 次重复。 佛甲草于温室内定植后养护60 d，期间每周浇水1 次，每2 周施肥1 次(美乐棵浓缩营养液30 ∶4000 稀释)，以使植株发育健壮、均匀；之后进入观测期，不再进行任何肥水管理，以模拟连续干旱环境自然生长。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 佛甲草生长指标 2021 年5 月15 日起进入观测期并记为0 d，150 d 时用直尺测量佛甲草株高和根长；随机选取佛甲草植株并整株取出，用清水快速洗净，再用蒸馏水迅速冲洗3 次，用吸水纸擦干表面水分立即称鲜重，后经105 ℃杀青、65 ℃烘干至恒重后称干重。

1.3.2 佛甲草叶片生理生化指标 自观测期开始每15 d 测量佛甲草覆盖度、叶片相对含水量及叶片叶绿素、丙二醛和脯氨酸含量。

覆盖度:在距离佛甲草冠层顶部25 cm 高度垂直向下拍照，通过Auto CAD 2017 软件测量植物覆盖面积并计算覆盖度(以5%为计数段)。

叶片相对含水量:于各处理佛甲草覆盖度峰值期，从每个种植箱随机选取植株上部生长良好的50 片叶从基部剪下，称量初始鲜重M0，后将叶片放入清水中浸泡5 h，擦干叶片表面多余水分后称取饱和鲜重M1，105 ℃杀青后40 ℃烘72 h 至恒重称干重M2。 相对含水量(%)＝(M0-M2)/(M1-M2)×100。

叶片叶绿素含量采用分光光度法测定，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定，脯氨酸含量采用酸性茚三酮法测定。

1.4 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2021 整理数据，采用IBM SPSS Statistics 26 软件进行数据统计分析，运用Origin 2021 软件作图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草生长的影响

不同组分建筑废弃物基质对佛甲草生长的影响不同(表2)。 与CK 相比，T3 处理株高无显著差异，T1 株高显著增加，T2 株高则显著降低。 T1处理根长较CK 增加4.10%，但差异不显著；T2、T3 根长显著低于CK。 T1 处理佛甲草植株鲜重和干重较CK 分别增加15.29%和17.11%，T3 鲜重和干重较CK 分别降低8.62%和48.68%，但三者间差异均不显著；T2 鲜重和干重均显著低于CK。 表明干旱胁迫下单加碎砖基质组(T1)和混合组(T3)处理佛甲草生长情况与CK 差异较小，T1 甚至可取得优于CK 的栽培效果。

表2 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草生长的影响

2.2 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草覆盖度的影响

覆盖度能较直观显示佛甲草横向生长情况，覆盖度峰值越大，表明其横向生长情况越好。 由图2 看出，随模拟干旱胁迫时间延长，各处理佛甲草覆盖度均呈先增加后降低趋势。 观测期前60 d，T1 和CK 佛甲草覆盖度较高，表明碎砖组成基质处理(T1)佛甲草生长速率较快，仅次于CK。CK 组佛甲草在105 d 达到覆盖度峰值，为80%；T1 处理在120 d 时达到覆盖度峰值(85%)，比CK 高出5 个百分点，且延迟15 d 出现，维持生长天数最长；T2 处理佛甲草在75 d 时到达覆盖度峰值(65%)，比CK 低15 个百分点，之后逐渐萎蔫，出现叶片泛白、植株倒伏现象(图3)；T3 处理佛甲草覆盖度峰值在90 d 时出现，生长期比T2稍长。 观测期内各处理覆盖度峰值从高到低排序为T1＞CK＞T3＞T2，表明单一碎砖基质处理(T1)佛甲草横向生长情况最好，优于CK，单一碎混凝土基质处理(T2)最差。

图2 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草覆盖度的影响

图3 不同建筑废弃物基质处理与CK 佛甲草覆盖度峰值比较

2.3 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草叶片相对含水量的影响

干旱胁迫下，基质水分不足会导致受试植株叶片失水。 如图4 所示，各处理佛甲草覆盖度达到峰值时，叶片相对含水量排序为T1＞CK＞T3＞T2。 其中，T2 最低，为64.21%；T3 和T2 处理佛甲草叶片相对含水量较CK 分别低1.34 个和7.90个百分点；T1 叶片相对含水量最高，达74.31%，较CK 高2.20 个百分点。 T2 处理叶片相对含水量显著低于CK，其他处理间差异不显著。 表明单一碎砖基质(T1)和混合基质(T3)与常规轻质基质(CK)对佛甲草叶片相对含水量的影响接近。

图4 干旱胁迫下不同处理佛甲草覆盖度最高时的叶片相对含水量

2.4 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草叶片叶绿素含量的影响

干旱胁迫下，各处理佛甲草叶片叶绿素含量均呈先增加后减少趋势(图5)。 各处理在曲线拐点之前的范围为0.75 ～0.91 mg/g。 各处理前期叶片叶绿素含量上升，是由于佛甲草定植后60 d的肥水养护使得基质养分和水分充足，短期内未出现干旱胁迫而处于正常生长状态，但随时间推移，干旱胁迫使佛甲草干枯凋谢，叶绿素含量迅速下降。 CK、T1、T2 和T3 叶绿素含量变化曲线的拐点时间分别为105、120、75 d 和90 d，拐点处叶绿素含量分别为0.88、0.91、0.80 mg/g 和0.83 mg/g，到达拐点时的增幅分别为15. 79%、18.18%、5.26%和10.67%。

图5 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草叶片叶绿素含量的影响

2.5 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草叶片丙二醛含量的影响

丙二醛是衡量氧化胁迫程度的重要指标，能反映植物细胞膜脂过氧化程度。 图6 显示，各处理佛甲草叶片丙二醛含量均呈先增加后减少趋势。 丙二醛含量增加阶段，T2 处理增幅最大，达41.48%。表明干旱胁迫下，碎混凝土基质处理(T2)佛甲草叶片的膜脂过氧化程度严重，叶片细胞膜破坏程度较大。 单加碎砖基质处理(T1)佛甲草叶片丙二醛含量波动最小，峰值最低，增幅仅15.03%，表明其细胞膜破坏程度最小，膜脂过氧化在一定程度上得到抑制，抗旱性较强。 随干旱胁迫时间增加，观测后期佛甲草依次出现发黄、萎蔫、枯死现象，丙二醛含量骤减。

图6 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草叶片丙二醛含量的影响

2.6 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草叶片脯氨酸含量的影响

植物体内脯氨酸含量高低及其随时间和环境的增减一定程度上能反映植物抗旱性。 从图7 可以看出，在长达180 d 的干旱条件下，各处理佛甲草叶片脯氨酸含量整体均呈先增加后减少趋势。表明在持续干旱胁迫环境下，脯氨酸的合成能力受到影响，佛甲草叶片受到生理损害。 随干旱胁迫时间延长，CK 叶片脯氨酸含量表现为先持续增加，105 d 达到峰值后逐渐降低；T1 处理佛甲草叶片脯氨酸含量整体较平稳，没有出现大幅度增减波动，表明植株可能通过调节叶片脯氨酸积累量维持细胞持水能力，从而保障细胞正常活力，其佛甲草叶片脯氨酸含量在120 d 时达到最大值，且与CK 差异不大；T2 处理叶片脯氨酸含量在75 d后表现为持续下降趋势，表明其叶片脯氨酸合成受到较严重影响；T3 处理叶片脯氨酸含量在90 d时达到最大值，之后持续下降。 上述结果表明，在不同组分建筑废弃物基质处理(T1、T2、T3)下，单加碎砖基质处理(T1)佛甲草叶片脯氨酸含量整体较高，其次为混合基质处理(T3)，单加碎混凝土基质处理(T2)整体含量最低。

图7 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对佛甲草叶片脯氨酸含量的影响

2.7 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质总孔隙度与佛甲草生长及生理指标间的相关性分析

表3显示，佛甲草株高与根长和覆盖度呈极显著正相关，与叶片相对含水量和叶绿素含量呈显著正相关。 佛甲草覆盖度与叶片相对含水量极显著正相关，与叶片叶绿素含量显著正相关，与叶片丙二醛含量虽无显著相关性，但存在一定负相关性。 基质总孔隙度对佛甲草覆盖度有一定影响，但未达显著水平，与叶片相对含水量及叶片叶绿素、脯氨酸含量均呈显著正相关，与叶片丙二醛含量呈显著负相关。 叶片相对含水量与丙二醛含量呈负相关，但未达显著水平。

表3 干旱胁迫下佛甲草生长及生理指标与基质总孔隙度的相关分析

3 讨论

3.1 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对作物生长指标的影响

在持续缺乏肥水供给的屋顶生长环境下，屋顶绿化植物生长所需的水分养分主要源于基质，且屋顶相对地面来说光照更强、风速更高，导致蒸发量更大，因此，基质中的水分成为影响屋顶绿化植物生长的关键因素[9]。 基质的物理性质如容重、孔隙率等是决定其性能的重要参数[10-11]。 容重直接影响基质的持水能力和通气性，从而间接影响其肥力和植物生长状况，同时，容重过大不符合屋面荷载的要求，容重过小则不能满足其对植物的支撑作用，适宜范围为0.1～0.8 g/cm3[12]。 本研究中，除碎混凝土颗粒基质容重略高外，其余各组基质容重均在0.7 ～0.8 g/cm3之间；碎砖基质(T1)和混合基质(T3)的总孔隙度高于碎混凝土(T2)基质。 基质材料孔隙组成影响通气性、透水性和根系发育，总孔隙度较大的基质蓄水保肥能力强，有利于植物根系生长[13]。 从不同基质总孔隙度与佛甲草生长指标的相关性结果可以看出，总孔隙度高的基质如碎砖颗粒表面裂隙更多，吸水性更好，有利于保水保肥，更利于植物生长。

株高和根长是植物在垂直方向上的重要生长指标。 本研究表明，干旱胁迫下单加碎砖基质(T1)对佛甲草生长有明显促进作用。 覆盖度是植物在水平方向上的重要生长指标，直接表征植物生长状况。 Nektarios 等[14]研究指出，夏季持续高温和干旱胁迫下，生长状况良好的植物出现萎蔫情况，覆盖度降低，维持生长的能力逐渐下降。本研究持续干旱条件下，不同基质栽培的佛甲草覆盖度分别在75 ～120 d 后开始下降，其中，单加碎砖基质处理(T1)佛甲草覆盖度峰值最高，且达到峰值的时间最晚，维持生长时间最长。

3.2 干旱胁迫下不同组分建筑废弃物基质对作物抗性指标的影响

叶片叶绿素含量是反映光合能力的重要指标，也能在一定程度上反映植物的生长状态与抗旱性[15]。 本试验条件下，干旱胁迫前期，不同基质栽培的佛甲草叶片叶绿素含量均呈现缓慢增加趋势，这是因为建筑废弃物基质具备一定的持水保肥能力，同时，佛甲草植株自身积累的水分养分也参与光合作用；后期叶绿素浓度明显下降，表明持续干旱胁迫影响叶绿体内类囊体膜的透性、流动性和组分变化，这与吴红强等[16]的研究结果一致。 叶片相对含水量与植物体内水分状况息息相关，能够直接反映干旱胁迫时植物的失水程度和抵御干旱的能力[17]。 本研究中，覆盖度达到最大时各处理佛甲草叶片相对含水量以碎砖基质处理(T1)最高，碎混凝处理(T2)最低，但各处理叶片相对含水量均在64.00%以上。 这与汤聪等[18]关于佛甲草的研究结论相比略高，表明建筑废弃物碎砖具有较佳的基质潜力，用其栽培的佛甲草抗逆性更强。

叶片丙二醛含量能够间接反映胁迫过程中植株受伤害的程度[19]。 干旱胁迫下，植物叶片丙二醛含量越高，说明细胞膜被破坏越厉害，其抗旱能力也就越差。 本研究中，各处理佛甲草叶片丙二醛含量在干旱胁迫前期呈逐渐增加趋势，这与杨柳等[20]的研究结论一致，之后随着佛甲草干枯，丙二醛含量减少。 脯氨酸的积累能够通过多种途径提高植物的抗逆能力[21]。 本试验条件下，单加碎砖处理(T1)佛甲草叶片脯氨酸含量较高，且增幅较为稳定，而单加碎混凝土处理(T2)含量较低，表明碎砖颗粒对佛甲草抗旱性的提升优于碎混凝土颗粒。

诸多研究表明，碎砖或其他建筑废弃物回收骨料适宜作为屋顶绿化植物生长基质[22]，能够促进屋顶植物多样性，取得良好的生态效果[23-24]。

4 结论

本研究持续干旱条件下，添加碎砖颗粒基质(T1)种植的佛甲草生长期达120 d；覆盖度最高，达85%；叶片叶绿素含量增幅最大，为18.18%；叶片丙二醛含量升高期波动最小，增幅仅15.03%；生长高峰叶片相对含水量最高，为74.31%。 常规轻质基质(CK)及添加碎砖和碎混凝土的混合基质(T3)种植的佛甲草生长指标较T1 略差，其中常规轻质基质(CK)佛甲草生长状况优于混合基质(T3)。 添加碎混凝土基质(T2)种植的佛甲草生长表现最差，生长期仅75 d，覆盖度峰值仅65%。

综上，建筑废弃物碎砖颗粒适用于屋顶绿化中佛甲草种植基质配置，可以取得与天然材料如珍珠岩、蛭石基质相近甚至更优的栽培效果。 建筑废弃物基质的应用，将在环保、性能及成本方面给低维护粗放型屋顶绿化推广带来新的契机。