植生型生態(tài)混凝土孔隙狀態(tài)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

摘　要: 為了完善植生型生態(tài)混凝土適生性的判據(jù),拌制了4組不同孔隙狀態(tài)的生態(tài)混凝土,在其上種植百喜草,考察了百喜草的表觀生長(zhǎng)情況,測(cè)定了百喜草植物體內(nèi)的脯氨酸含量、根系吸收面積及根系活力. 結(jié)果表明,生態(tài)混凝土的植物適生性不僅取決于孔隙率,同時(shí)也受孔隙平均孔徑的影響. 孔隙率越高,平均孔徑越大,越有利于植物的生長(zhǎng). 對(duì)于百喜草而言,相比于孔隙率為36%、平均孔徑小于4mm的生態(tài)混凝土,它在孔隙率為39. 45%、平均孔徑為6. 4mm的混凝土中長(zhǎng)勢(shì)較好.

關(guān)鍵詞: 生態(tài)混凝土; 骨料; 孔隙大小; 植物生長(zhǎng)

中圖分類號(hào): TU 528; X173　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

　　1993年,日本大成建設(shè)技術(shù)研究所開發(fā)出植生型生態(tài)混凝土, 1995年,日本. Ó  Ê y¨工學(xué)協(xié)會(huì)正式提出了生態(tài)混凝土的概念. 此后,國(guó)際上對(duì)生態(tài)混凝土的研究逐漸增多,在日本、韓國(guó)等國(guó)都有將生態(tài)混凝土用于河道護(hù)岸的實(shí)例[ 122 ] . 最近幾年,國(guó)內(nèi)也開展了對(duì)生態(tài)混凝土的研究工作.

　　生態(tài)混凝土由粗骨料、水泥、水和外加劑拌和澆注而成,與普通混凝土相比缺少細(xì)砂等細(xì)骨料. 粗骨料表面包覆一薄層水泥漿相互粘結(jié)而形成孔穴均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu),從而提供給植物生長(zhǎng)空間[ 3 ] .大多研究認(rèn)為生態(tài)混凝土對(duì)植物生長(zhǎng)的影響主要在于其孔隙率以及平均孔徑. 一般認(rèn)為,植生型生態(tài)混凝土的孔隙率在25% ～40%較佳[ 425 ] ,研究平均孔徑對(duì)植物生長(zhǎng)影響的較少,在許多情況下,僅以生態(tài)混凝土的孔隙率作為植物適生性的判據(jù),這顯然是不完善的.

　　本研究采用不同粒徑的碎石作為粗骨料拌制4組具有不同孔隙狀態(tài)的生態(tài)混凝土,并在該生態(tài)混凝土上種植百喜草( Paspalum notatum Flugge) ,通過對(duì)百喜草的表觀生長(zhǎng)情況、植物體脯氨酸含量、植物根系吸收面積、根系活力的監(jiān)測(cè),判定其生長(zhǎng)情況并預(yù)料其以后的生長(zhǎng)趨勢(shì),以獲得生態(tài)混凝土的孔隙率、平均孔徑對(duì)植物生長(zhǎng)的影響,明確生態(tài)混凝土植物適生性的決定因素. 這將為實(shí)際應(yīng)用中植生型生態(tài)混凝土的制備提供依據(jù).

1　材料與方法

1. 1　材料

　　在實(shí)驗(yàn)中使用的主要材料和試劑有: 碎石,425R普通硅酸鹽水泥,萘系高效減水劑,硬聚氯乙烯管(外徑為16mm,內(nèi)徑為15. 2mm) ,茚三酮,脯氨酸,甲烯藍(lán),乙酸乙酯,連二亞硫酸鈉,氯化三苯基四氮唑( TTC) ,琥珀酸鈉.

1. 2　試驗(yàn)方法

1. 2. 1　澆注生態(tài)混凝土

　　采用不同粒徑、級(jí)配的碎石作為粗骨料拌制不同配比的生態(tài)混凝土4組(見表1). 將拌好的混凝土澆入預(yù)先切割好的長(zhǎng)10 cm的聚氯乙烯( PVC)管中,澆注約7 cm厚. 考慮到實(shí)驗(yàn)工程中將以污水澆灌百喜草,為增強(qiáng)混凝土的抗污水腐蝕,提高其耐久性,在拌制過程中加入高效減水劑[ 6 ] .

1. 2. 2　生態(tài)混凝土孔隙狀態(tài)

　　測(cè)定生態(tài)混凝土在空氣中的質(zhì)量、在水中的質(zhì)量以及其體積,按以下公式計(jì)算得出其孔隙率[ 7 ] :A = 1 - (m2 - m1 ) / (ρwV ) ×100%.

　　式中: A為生態(tài)混凝土全孔隙率, %; m1 為水中生態(tài)混凝土稱重, kg; m2 為空氣中生態(tài)混凝土干重, kg; V為生態(tài)混凝土體積, cm3 ;ρw 為水的密度, kg/ cm3.生態(tài)混凝土的平均孔徑采用拓印方法測(cè)定[ 8 ] .

　　找一張韌性較好的白紙鋪在生態(tài)混凝土表面,用鉛筆輕輕在紙上涂抹. 混凝土的骨料部分將被鉛筆涂到而成黑色,孔隙部分不被涂到而保持白色. 測(cè)量白色部分的內(nèi)徑,最后取所有數(shù)據(jù)的平均值,即為生態(tài)混凝土孔隙的平均孔徑.

1. 2. 3　種植百喜草

　　整個(gè)試驗(yàn)在深圳市布吉鎮(zhèn)深圳環(huán)科所甘坑基地進(jìn)行. 通過前期的植物篩選實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)百喜草耐淹耐旱,生命力強(qiáng),生物量大且根系發(fā)達(dá),能完全適應(yīng)深圳的氣候. 因此,選擇百喜草作為混凝土栽種植物.待澆注的生態(tài)混凝土養(yǎng)護(hù)28天,并經(jīng)降堿處理后,采用自制的填充裝置往混凝土孔隙內(nèi)填充由普通土壤、泥炭土、堆肥、木屑、緩釋肥、保水劑組成的混合肥料. 然后在PVC管內(nèi),生態(tài)混凝土上覆蓋一層2～2. 5 cm厚的混合肥,并在肥料表面撒播百喜草草種. 最后在草種上再覆一層約0. 5～1 cm厚的較為疏松的泥炭土,以確保草種透水透氣,并保護(hù)草種不被動(dòng)物食用.

1. 2. 4　百喜草生長(zhǎng)狀況的觀察和監(jiān)測(cè)

　　試驗(yàn)從2005年5月開始,每間隔10天測(cè)定百喜草的株高. 以從土壤面到最長(zhǎng)葉片的植物體長(zhǎng)度表征株高.

　　待百喜草生長(zhǎng)三個(gè)月后將混凝土破碎,測(cè)量百喜草根系在生態(tài)混凝土中的生長(zhǎng)情況. 以根部頂端至最長(zhǎng)根系末端的長(zhǎng)度表征根長(zhǎng). 測(cè)定一系列根系長(zhǎng)度,求其平均值為平均根長(zhǎng). 測(cè)定時(shí)依據(jù)根系長(zhǎng)度的大致分布,有選擇性的選取根系進(jìn)行測(cè)量.取受損較少、長(zhǎng)度接近于平均根長(zhǎng)的根系,用于測(cè)定植物根系的根系活躍吸收面積和根系活力;取植物體葉片部分,測(cè)定其脯氨酸含量.

　　植物根系活躍吸收面積的測(cè)定采用甲烯藍(lán)法.采用甲烯藍(lán)作為被吸附物質(zhì),當(dāng)根系在甲烯藍(lán)溶液中已達(dá)到吸附飽和而仍留在溶液中時(shí),根系活躍部分能把原來吸附的物質(zhì)吸收到細(xì)胞中去,因而繼續(xù)吸附甲烯藍(lán). 從后一吸附量得出活躍吸收面積. 根系活躍吸收部分的面積與總吸收面積的比值即為活躍吸收面積, 活躍吸收面積從一方面表征了根系活力[ 9 ] .

　　根系活力的測(cè)定采用氯化三苯基四氮唑法.TTC是標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位為80mV 的氧化還原物質(zhì),溶于水中成為無色溶液,但還原后即生成紅色物質(zhì). 將植物根系浸泡入TTC溶液,會(huì)引起TTC還原.以其還原強(qiáng)度作為根系活力的指標(biāo)[ 9 ] .

　　脯氨酸含量測(cè)定采用茚三酮法. 在酸性條件下,

　　脯氨酸與茚三酮反應(yīng)生成穩(wěn)定的紅色縮合物,通過測(cè)定該紅色縮合物的量可得出脯氨酸含量[ 10 ] .

1. 2. 5　生態(tài)混凝土堿度釋放試驗(yàn)

　　按表1的配比拌制混凝土,常壓養(yǎng)護(hù)28天后,將混凝土放入4個(gè)小盆中,每盆中加入2L水,使水淹沒混凝土. 待浸泡24 h后,測(cè)量水的pH值. 再換一盆清水,重復(fù)以上步驟.

2　結(jié)果與討論

2. 1　生態(tài)混凝土孔隙狀態(tài)

　　生態(tài)混凝土孔隙中間填充著植物生長(zhǎng)的基質(zhì),以提供植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分和水分. 因此,生態(tài)混凝土的孔隙狀態(tài)對(duì)植物有著至關(guān)重要的影響. 孔隙狀態(tài)一般包括兩個(gè)方面:孔隙率和孔隙的平均孔徑.混凝土孔隙率低、平均孔徑小時(shí),其提供給植物根系的生長(zhǎng)空間也較小,但混凝土孔隙保土保水性能較好;孔隙率高、平均孔徑大,混凝土能提供植物較大的空間,但孔隙的保土保水性能較差,在幼苗完全長(zhǎng)成之前,容易因?yàn)榇笥隂_刷或河道護(hù)岸的反濾作用,使孔隙內(nèi)的肥料被淘空,從而不利于植物的進(jìn)一步生長(zhǎng)[ 11 ] . 4組生態(tài)混凝土的孔隙狀態(tài)見表2.

表2　生態(tài)混凝土孔隙狀態(tài)

　　由表2可以看出,隨著粗骨料粒徑的增大,生態(tài)混凝土的孔隙率上升. 當(dāng)采用20～40mm粒徑的骨料時(shí),孔隙率接近40% ,較之其余3種粒徑的混凝土,孔隙率明顯要高. 前3組生態(tài)混凝土骨料差異較大,但孔隙率卻非常接近,這是因?yàn)槠淇紫兜钠骄讖酱嬖谥艽蟮牟町?

2. 2　植物生長(zhǎng)情況

　　在植生型生態(tài)混凝土孔隙中填充肥料可以取代土壤成為植物的生長(zhǎng)基質(zhì),但混凝土孔隙分布限制了根系的延伸,孔隙的孔徑限制了植物根系的進(jìn)一步生長(zhǎng). 另外,混凝土具堿性特征,對(duì)植物的生長(zhǎng),營(yíng)養(yǎng)的吸收,特別是氨氮的吸收也有較大影響[ 12 ] .

　　從圖1中可以看出,在前30天, 4組百喜草的生長(zhǎng)狀態(tài)較為一致,此后,組1的百喜草生長(zhǎng)明顯滯后于其他3組. 分析認(rèn)為,前期百喜草根系只在肥料層中,而后,根系開始延伸到生態(tài)混凝土中,由于孔隙狀態(tài)的不同,百喜草的生長(zhǎng)受到不同的影響,從而導(dǎo)致生長(zhǎng)的快慢差異.

　　后期,組4的百喜草生長(zhǎng)明顯快過前3組,且較之前段時(shí)期生長(zhǎng)也有所加快,經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)百喜草的部分根系已透過混凝土層,扎到土壤中吸收養(yǎng)分.

從圖1和表3中可以看出,組3生態(tài)混凝土的

　　孔隙率高于組2,但百喜草在組3中的生長(zhǎng)卻不如組2. 其原因可能是: (1)根據(jù)生態(tài)混凝土堿度釋放試驗(yàn)(如圖2所示)發(fā)現(xiàn),組3混凝土的pH值高過組2; (2)組3采用的粗骨料粒徑分布較廣,由于存在一定級(jí)配,其平均孔徑小于組2混凝土的平均孔徑; (3)往混凝土孔隙中填充肥料時(shí),填充效果不可能完全一樣,另外草種的萌發(fā)、生長(zhǎng)速度也存在著一定的隨機(jī)性.

　　組1、2、3三組混凝土孔隙率較為接近,但百喜草在其中的生長(zhǎng)狀況卻截然不同. 到后期,百喜草在組2和組3中的生長(zhǎng)速度明顯快過組1; 90天時(shí),組2和組3中的百喜草無論是地面部分還是根系狀況都好于組1中的百喜草. 30～40天時(shí),百喜草根系開始接觸到生態(tài)混凝土表層,植物生長(zhǎng)開始受混凝土的影響,結(jié)果各組植物的生長(zhǎng)立即出現(xiàn)分化,這說明孔隙率并不能完全表征混凝土的植物適生性,其孔隙的平均孔徑同樣起了重要作用. 分析認(rèn)為孔隙平均孔徑的影響主要體現(xiàn)在兩方面: (1)孔徑太小,其間填充的營(yíng)養(yǎng)成分有限,植物不能通過根系獲取足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致根系不能進(jìn)一步地生長(zhǎng); ( 2)孔徑太小,填充的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)受水泥漿堿度釋放的影響較大,導(dǎo)致pH值過高,不利于植物正常生長(zhǎng).比較4組生態(tài)混凝土,發(fā)現(xiàn)百喜草的生長(zhǎng)情況與生態(tài)混凝土的平均孔徑成正相關(guān),平均孔徑越大,生長(zhǎng)情況越好. 另外考慮到百喜草屬于須根系植物,其最粗根徑約2mm等特性[ 13 ] ,并比較4組生態(tài)混凝土中的百喜草植株及根系生長(zhǎng)狀況可知,對(duì)于百喜草而言,生態(tài)混凝土的平均孔徑為6mm以上才能使其順利地生長(zhǎng).

2. 3　根系活躍吸收面積及根系活力

　　植物根系是活躍的吸收器官和合成器官,根的生長(zhǎng)情況和活力水平直接影響植物地上部分的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)狀況以及產(chǎn)量水平.

　　根系活力和根系活躍吸收面積表征了根系的發(fā)達(dá)程度,而根系的發(fā)達(dá)則確保了植物以后的生長(zhǎng). 由圖3和圖4可見,組4中的百喜草仍然可以繼續(xù)保持良好的長(zhǎng)勢(shì),而組1中的百喜草則難以長(zhǎng)大.

2. 4　脯氨酸含量

　　在正常環(huán)境條件下,植物體內(nèi)游離脯氨酸含量較低,但在逆境(如干旱、低溫、高溫、鹽漬等)及植物衰老時(shí),植物體內(nèi)游離脯氨酸含量可增加10 ～100倍,并且游離脯氨酸積累量與逆境程度、植物的抗逆性有關(guān). 因此,植物體內(nèi)游離脯氨酸的含量,在一定程度上可以表征逆境對(duì)植物的危害程度和植物對(duì)逆境的抵抗力.

　　組1的百喜草脯氨酸含量最高(見圖5) ,這表明組1的生態(tài)混凝土最不適宜于植物生長(zhǎng),這顯然

　　由于其過小的平均孔徑以及高pH 值的影響. 組4中百喜草脯氨酸含量最低,表明組4生態(tài)混凝土的孔隙狀態(tài)、堿度等因素較利于植物生長(zhǎng). 組2和組3百喜草的脯氨酸含量為兩者之間. 由此可見,生態(tài)混凝土的平均孔徑越大,植物適生性越好.

3　結(jié)論

　　(1) 粗骨料粒徑越大,孔隙率越高,平均孔徑也相應(yīng)的較大些;采用單一級(jí)配粗骨料拌制的生態(tài)混凝土的平均孔徑比采用多種級(jí)配骨料拌制的生態(tài)混凝土的平均孔徑大些.

　　(2) 百喜草在孔隙率約為36% ,平均孔徑分別為1. 8, 3. 7, 3. 2mm的3組生態(tài)混凝土中的生長(zhǎng)狀態(tài)有很大差異,在平均孔徑為3. 7和3. 2mm的生態(tài)混凝土中生長(zhǎng)的百喜草的株高和根系長(zhǎng)度為平均孔徑1. 8mm中的兩倍多,根系活躍吸收面積大50%左右,根系活力是后者的2～3倍,而脯氨酸含量還不到后者的70%. 這表明生態(tài)混凝土的植物適生性不僅決定于孔隙率,同時(shí)也受孔隙平均孔徑的影響.

　　(3) 百喜草在孔隙率為39. 45%,平均孔徑為6. 4mm的混凝土中長(zhǎng)勢(shì)良好,根系吸收能力強(qiáng),活躍吸收面積為36. 91%;根系活力高, TTC還原強(qiáng)度為63. 27μg/ ( g · h ) ; 植物體脯氨酸含量?jī)H為28. 24μg/g. 采用粒徑為20～40mm、水灰比為0. 3、灰骨比為1∶8拌制的植生型生態(tài)混凝土的孔隙狀態(tài)能充分滿足百喜草的生長(zhǎng)需求.

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