摘 要: 为了完善植生型生态混凝土适生性的判据,拌制了4组不同孔隙状态的生态混凝土,在其上种植百喜草,考察了百喜草的表观生长情况,测定了百喜草植物体内的脯氨酸含量、根系吸收面积及根系活力. 结果表明,生态混凝土的植物适生性不仅取决于孔隙率,同时也受孔隙平均孔径的影响. 孔隙率越高,平均孔径越大,越有利于植物的生长. 对于百喜草而言,相比于孔隙率为36%、平均孔径小于4mm的生态混凝土,它在孔隙率为39. 45%、平均孔径为6. 4mm的混凝土中长势较好.
关键词: 生态混凝土; 骨料; 孔隙大小; 植物生长
中图分类号: TU 528; X173 文献标识码: A
1993年,日本大成建设技术研究所开发出植生型生态混凝土, 1995年,日本. Ó Ê y¨工学协会正式提出了生态混凝土的概念. 此后,国际上对生态混凝土的研究逐渐增多,在日本、韩国等国都有将生态混凝土用于河道护岸的实例[ 122 ] . 最近几年,国内也开展了对生态混凝土的研究工作.
生态混凝土由粗骨料、水泥、水和外加剂拌和浇注而成,与普通混凝土相比缺少细砂等细骨料. 粗骨料表面包覆一薄层水泥浆相互粘结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构,从而提供给植物生长空间[ 3 ] .大多研究认为生态混凝土对植物生长的影响主要在于其孔隙率以及平均孔径. 一般认为,植生型生态混凝土的孔隙率在25% ～40%较佳[ 425 ] ,研究平均孔径对植物生长影响的较少,在许多情况下,仅以生态混凝土的孔隙率作为植物适生性的判据,这显然是不完善的.
本研究采用不同粒径的碎石作为粗骨料拌制4组具有不同孔隙状态的生态混凝土,并在该生态混凝土上种植百喜草( Paspalum notatum Flugge) ,通过对百喜草的表观生长情况、植物体脯氨酸含量、植物根系吸收面积、根系活力的监测,判定其生长情况并预料其以后的生长趋势,以获得生态混凝土的孔隙率、平均孔径对植物生长的影响,明确生态混凝土植物适生性的决定因素. 这将为实际应用中植生型生态混凝土的制备提供依据.
1 材料与方法
1. 1 材料
在实验中使用的主要材料和试剂有: 碎石,425R普通硅酸盐水泥,萘系高效减水剂,硬聚氯乙烯管(外径为16mm,内径为15. 2mm) ,茚三酮,脯氨酸,甲烯蓝,乙酸乙酯,连二亚硫酸钠,氯化三苯基四氮唑( TTC) ,琥珀酸钠.
1. 2 试验方法
1. 2. 1 浇注生态混凝土
采用不同粒径、级配的碎石作为粗骨料拌制不同配比的生态混凝土4组(见表1). 将拌好的混凝土浇入预先切割好的长10 cm的聚氯乙烯( PVC)管中,浇注约7 cm厚. 考虑到实验工程中将以污水浇灌百喜草,为增强混凝土的抗污水腐蚀,提高其耐久性,在拌制过程中加入高效减水剂[ 6 ] .
1. 2. 2 生态混凝土孔隙状态
测定生态混凝土在空气中的质量、在水中的质量以及其体积,按以下公式计算得出其孔隙率[ 7 ] :A = 1 - (m2 - m1 ) / (ρwV ) ×100%.
式中: A为生态混凝土全孔隙率, %; m1 为水中生态混凝土称重, kg; m2 为空气中生态混凝土干重, kg; V为生态混凝土体积, cm3 ;ρw 为水的密度, kg/ cm3.生态混凝土的平均孔径采用拓印方法测定[ 8 ] .
找一张韧性较好的白纸铺在生态混凝土表面,用铅笔轻轻在纸上涂抹. 混凝土的骨料部分将被铅笔涂到而成黑色,孔隙部分不被涂到而保持白色. 测量白色部分的内径,最后取所有数据的平均值,即为生态混凝土孔隙的平均孔径.
1. 2. 3 种植百喜草
整个试验在深圳市布吉镇深圳环科所甘坑基地进行. 通过前期的植物筛选实验,发现百喜草耐淹耐旱,生命力强,生物量大且根系发达,能完全适应深圳的气候. 因此,选择百喜草作为混凝土栽种植物.待浇注的生态混凝土养护28天,并经降碱处理后,采用自制的填充装置往混凝土孔隙内填充由普通土壤、泥炭土、堆肥、木屑、缓释肥、保水剂组成的混合肥料. 然后在PVC管内,生态混凝土上覆盖一层2～2. 5 cm厚的混合肥,并在肥料表面撒播百喜草草种. 最后在草种上再覆一层约0. 5～1 cm厚的较为疏松的泥炭土,以确保草种透水透气,并保护草种不被动物食用.
1. 2. 4 百喜草生长状况的观察和监测
试验从2005年5月开始,每间隔10天测定百喜草的株高. 以从土壤面到最长叶片的植物体长度表征株高.
待百喜草生长三个月后将混凝土破碎,测量百喜草根系在生态混凝土中的生长情况. 以根部顶端至最长根系末端的长度表征根长. 测定一系列根系长度,求其平均值为平均根长. 测定时依据根系长度的大致分布,有选择性的选取根系进行测量.取受损较少、长度接近于平均根长的根系,用于测定植物根系的根系活跃吸收面积和根系活力;取植物体叶片部分,测定其脯氨酸含量.
植物根系活跃吸收面积的测定采用甲烯蓝法.采用甲烯蓝作为被吸附物质,当根系在甲烯蓝溶液中已达到吸附饱和而仍留在溶液中时,根系活跃部分能把原来吸附的物质吸收到细胞中去,因而继续吸附甲烯蓝. 从后一吸附量得出活跃吸收面积. 根系活跃吸收部分的面积与总吸收面积的比值即为活跃吸收面积, 活跃吸收面积从一方面表征了根系活力[ 9 ] .
根系活力的测定采用氯化三苯基四氮唑法.TTC是标准氧化还原电位为80mV 的氧化还原物质,溶于水中成为无色溶液,但还原后即生成红色物质. 将植物根系浸泡入TTC溶液,会引起TTC还原.以其还原强度作为根系活力的指标[ 9 ] .
脯氨酸含量测定采用茚三酮法. 在酸性条件下,
脯氨酸与茚三酮反应生成稳定的红色缩合物,通过测定该红色缩合物的量可得出脯氨酸含量[ 10 ] .
1. 2. 5 生态混凝土碱度释放试验
按表1的配比拌制混凝土,常压养护28天后,将混凝土放入4个小盆中,每盆中加入2L水,使水淹没混凝土. 待浸泡24 h后,测量水的pH值. 再换一盆清水,重复以上步骤.
2 结果与讨论
2. 1 生态混凝土孔隙状态
生态混凝土孔隙中间填充着植物生长的基质,以提供植物生长所需的养分和水分. 因此,生态混凝土的孔隙状态对植物有着至关重要的影响. 孔隙状态一般包括两个方面:孔隙率和孔隙的平均孔径.混凝土孔隙率低、平均孔径小时,其提供给植物根系的生长空间也较小,但混凝土孔隙保土保水性能较好;孔隙率高、平均孔径大,混凝土能提供植物较大的空间,但孔隙的保土保水性能较差,在幼苗完全长成之前,容易因为大雨冲刷或河道护岸的反滤作用,使孔隙内的肥料被淘空,从而不利于植物的进一步生长[ 11 ] . 4组生态混凝土的孔隙状态见表2.
表2 生态混凝土孔隙状态
由表2可以看出,随着粗骨料粒径的增大,生态混凝土的孔隙率上升. 当采用20～40mm粒径的骨料时,孔隙率接近40% ,较之其余3种粒径的混凝土,孔隙率明显要高. 前3组生态混凝土骨料差异较大,但孔隙率却非常接近,这是因为其孔隙的平均孔径存在着很大的差异.
2. 2 植物生长情况
在植生型生态混凝土孔隙中填充肥料可以取代土壤成为植物的生长基质,但混凝土孔隙分布限制了根系的延伸,孔隙的孔径限制了植物根系的进一步生长. 另外,混凝土具碱性特征,对植物的生长,营养的吸收,特别是氨氮的吸收也有较大影响[ 12 ] .
从图1中可以看出,在前30天, 4组百喜草的生长状态较为一致,此后,组1的百喜草生长明显滞后于其他3组. 分析认为,前期百喜草根系只在肥料层中,而后,根系开始延伸到生态混凝土中,由于孔隙状态的不同,百喜草的生长受到不同的影响,从而导致生长的快慢差异.
后期,组4的百喜草生长明显快过前3组,且较之前段时期生长也有所加快,经观察发现百喜草的部分根系已透过混凝土层,扎到土壤中吸收养分.
从图1和表3中可以看出,组3生态混凝土的
孔隙率高于组2,但百喜草在组3中的生长却不如组2. 其原因可能是: (1)根据生态混凝土碱度释放试验(如图2所示)发现,组3混凝土的pH值高过组2; (2)组3采用的粗骨料粒径分布较广,由于存在一定级配,其平均孔径小于组2混凝土的平均孔径; (3)往混凝土孔隙中填充肥料时,填充效果不可能完全一样,另外草种的萌发、生长速度也存在着一定的随机性.
组1、2、3三组混凝土孔隙率较为接近,但百喜草在其中的生长状况却截然不同. 到后期,百喜草在组2和组3中的生长速度明显快过组1; 90天时,组2和组3中的百喜草无论是地面部分还是根系状况都好于组1中的百喜草. 30～40天时,百喜草根系开始接触到生态混凝土表层,植物生长开始受混凝土的影响,结果各组植物的生长立即出现分化,这说明孔隙率并不能完全表征混凝土的植物适生性,其孔隙的平均孔径同样起了重要作用. 分析认为孔隙平均孔径的影响主要体现在两方面: (1)孔径太小,其间填充的营养成分有限,植物不能通过根系获取足够的营养物质,导致根系不能进一步地生长; ( 2)孔径太小,填充的营养物质受水泥浆碱度释放的影响较大,导致pH值过高,不利于植物正常生长.比较4组生态混凝土,发现百喜草的生长情况与生态混凝土的平均孔径成正相关,平均孔径越大,生长情况越好. 另外考虑到百喜草属于须根系植物,其最粗根径约2mm等特性[ 13 ] ,并比较4组生态混凝土中的百喜草植株及根系生长状况可知,对于百喜草而言,生态混凝土的平均孔径为6mm以上才能使其顺利地生长.
2. 3 根系活跃吸收面积及根系活力
植物根系是活跃的吸收器官和合成器官,根的生长情况和活力水平直接影响植物地上部分的生长和营养状况以及产量水平.
根系活力和根系活跃吸收面积表征了根系的发达程度,而根系的发达则确保了植物以后的生长. 由图3和图4可见,组4中的百喜草仍然可以继续保持良好的长势,而组1中的百喜草则难以长大.
2. 4 脯氨酸含量
在正常环境条件下,植物体内游离脯氨酸含量较低,但在逆境(如干旱、低温、高温、盐渍等)及植物衰老时,植物体内游离脯氨酸含量可增加10 ～100倍,并且游离脯氨酸积累量与逆境程度、植物的抗逆性有关. 因此,植物体内游离脯氨酸的含量,在一定程度上可以表征逆境对植物的危害程度和植物对逆境的抵抗力.
组1的百喜草脯氨酸含量最高(见图5) ,这表明组1的生态混凝土最不适宜于植物生长,这显然
由于其过小的平均孔径以及高pH 值的影响. 组4中百喜草脯氨酸含量最低,表明组4生态混凝土的孔隙状态、碱度等因素较利于植物生长. 组2和组3百喜草的脯氨酸含量为两者之间. 由此可见,生态混凝土的平均孔径越大,植物适生性越好.
3 结论
(1) 粗骨料粒径越大,孔隙率越高,平均孔径也相应的较大些;采用单一级配粗骨料拌制的生态混凝土的平均孔径比采用多种级配骨料拌制的生态混凝土的平均孔径大些.
(2) 百喜草在孔隙率约为36% ,平均孔径分别为1. 8, 3. 7, 3. 2mm的3组生态混凝土中的生长状态有很大差异,在平均孔径为3. 7和3. 2mm的生态混凝土中生长的百喜草的株高和根系长度为平均孔径1. 8mm中的两倍多,根系活跃吸收面积大50%左右,根系活力是后者的2～3倍,而脯氨酸含量还不到后者的70%. 这表明生态混凝土的植物适生性不仅决定于孔隙率,同时也受孔隙平均孔径的影响.
(3) 百喜草在孔隙率为39. 45%,平均孔径为6. 4mm的混凝土中长势良好,根系吸收能力强,活跃吸收面积为36. 91%;根系活力高, TTC还原强度为63. 27μg/ ( g · h ) ; 植物体脯氨酸含量仅为28. 24μg/g. 采用粒径为20～40mm、水灰比为0. 3、灰骨比为1∶8拌制的植生型生态混凝土的孔隙状态能充分满足百喜草的生长需求.
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