植生型生態(tài)混凝土孔隙狀態(tài)對植物生長的影響

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情況,測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. 對于百喜草而言,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的混凝土中長勢較好.

關(guān)鍵詞: 生態(tài)混凝土; 骨料; 孔隙大小; 植物生長

中圖分類號: TU 528; X173　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: 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)會正式提出了生態(tài)混凝土的概念. 此后,國際上對生態(tài)混凝土的研究逐漸增多,在日本、韓國等國都有將生態(tài)混凝土用于河道護(hù)岸的實例[ 122 ] . 最近幾年,國內(nèi)也開展了對生態(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空間[ 3 ] .大多研究認(rèn)為生態(tài)混凝土對植物生長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 ] ,研究平均孔徑對植物生長影響的較少,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) ,通過對百喜草的表觀生長情況、植物體脯氨酸含量、植物根系吸收面積、根系活力的監(jiān)測,判定其生長情況并預(yù)料其以后的生長趨勢,以獲得生態(tài)混凝土的孔隙率、平均孔徑對植物生長的影響,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

　　在實驗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　試驗方法

1. 2. 1　澆注生態(tài)混凝土

　　采用不同粒徑、級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10 cm的聚氯乙烯( PVC)管中,澆注約7 cm厚. 考慮到實驗工程中將以污水澆灌百喜草,為增強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

　　整個試驗在深圳市布吉鎮(zhèn)深圳環(huán)科所甘坑基地進(jìn)行. 通過前期的植物篩選實驗,發(fā)現(xiàn)百喜草耐淹耐旱,生命力強,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)草種不被動物食用.

1. 2. 4　百喜草生長狀況的觀察和監(jiān)測

　　試驗從2005年5月開始,每間隔10天測定百喜草的株高. 以從土壤面到最長葉片的植物體長度表征株高.

　　待百喜草生長三個月后將混凝土破碎,測量百喜草根系在生態(tài)混凝土中的生長情況. 以根部頂端至最長根系末端的長度表征根長. 測定一系列根系長度,求其平均值為平均根長. 測定時依據(jù)根系長度的大致分布,有選擇性的選取根系進(jìn)行測量.取受損較少、長度接近于平均根長的根系,用于測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,測定其脯氨酸含量.

　　植物根系活躍吸收面積的測定采用甲烯藍(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,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,會引起TTC還原.以其還原強度作為根系活力的指標(biāo)[ 9 ] .

　　脯氨酸含量測定采用茚三酮法. 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

　　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個小盆中,每盆中加入2L水,使水淹沒混凝土. 待浸泡24 h后,測量水的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的基質(zhì),以提供植物生長所需的養(yǎng)分和水分. 因此,生態(tài)混凝土的孔隙狀態(tài)對植物有著至關(guān)重要的影響. 孔隙狀態(tài)一般包括兩個方面:孔隙率和孔隙的平均孔徑.混凝土孔隙率低、平均孔徑小時,其提供給植物根系的生長空間也較小,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,在幼苗完全長成之前,容易因為大雨沖刷或河道護(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[ 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,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,這是因為其孔隙的平均孔徑存在著很大的差異.

2. 2　植物生長情況

　　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. 另外,混凝土具堿性特征,對植物的生長,營養(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組百喜草的生長狀態(tài)較為一致,此后,組1的百喜草生長明顯滯后于其他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,百喜草的生長受到不同的影響,從而導(dǎo)致生長的快慢差異.

　　后期,組4的百喜草生長明顯快過前3組,且較之前段時期生長也有所加快,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(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,填充效果不可能完全一樣,另外草種的萌發(fā)、生長速度也存在著一定的隨機性.

　　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狀況卻截然不同. 到后期,百喜草在組2和組3中的生長速度明顯快過組1; 90天時,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,百喜草根系開始接觸到生態(tài)混凝土表層,植物生長開始受混凝土的影響,結(jié)果各組植物的生長立即出現(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,其間填充的營養(yǎng)成分有限,植物不能通過根系獲取足夠的營養(yǎng)物質(zhì),導(dǎo)致根系不能進(jìn)一步地生長; ( 2)孔徑太小,填充的營養(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.比較4組生態(tài)混凝土,發(fā)現(xiàn)百喜草的生長情況與生態(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狀況可知,對于百喜草而言,生態(tài)混凝土的平均孔徑為6mm以上才能使其順利地生長.

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,根的生長情況和活力水平直接影響植物地上部分的生長和營養(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. 由圖3和圖4可見,組4中的百喜草仍然可以繼續(xù)保持良好的長勢,而組1中的百喜草則難以長大.

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,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植物的危害程度和植物對逆境的抵抗力.

　　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,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. 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;采用單一級配粗骨料拌制的生態(tài)混凝土的平均孔徑比采用多種級配骨料拌制的生態(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)混凝土中生長的百喜草的株高和根系長度為平均孔徑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的混凝土中長勢良好,根系吸收能力強,活躍吸收面積為36. 91%;根系活力高, TTC還原強度為63. 27μg/ ( g · h ) ; 植物體脯氨酸含量僅為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需求.

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