澆灌方式對盤裝佛甲草養護耗水量及基質溫度的影響

韓菁菁， 冉茂宇

(華僑大學 建筑學院， 福建 廈門 361021)

佛甲草(SedumlineareThunb)因其抗氣候性較強、管理方便、綠期長、覆蓋率高等優點，成為屋面綠化和蒸發降溫的良好選材[1-4].然而，佛甲草常規澆灌養護和蒸發降溫要消耗大量水資源，且其基質溫度會影響屋面降溫效果.如何在保持佛甲草生長正常條件下減少其水量消耗而又不影響其降溫隔熱效果，是值得研究的重要課題.前人對佛甲草養護做了不少研究工作.蔡靜指出，高溫會導致佛甲草草層稀疏甚至失去綠化作用[5].趙定國[6-7]發現，利用無紡布種植佛甲草時，布料越薄的越有助于佛甲草根的生長；佛甲草喜水但不耐澇，淹在水里被太陽一曬就會死亡.盧珊珊等[8]研究表明，佛甲草在各種基質厚度下長勢都較佳，但透風性差，在夏季高溫高濕環境下易腐爛.陳倩等[9]通過對比6類蘚類植物和佛甲草、假儉草的吸水率和保水性實驗，表明佛甲草在8種試樣中具有最低的失水量.蘇怡檸等[10]的研究表明，在越夏養護佛甲草時，若氣溫在25～35 ℃之間且連續3日晴天，則應及時進行灌溉.

佛甲草用于建筑外表綠化具有隔熱降溫作用.陳祥等[11]探討了佛甲草綠墻的隔熱效果，表明佛甲草的水分蒸騰散熱所起的隔熱作用大于其遮擋太陽輻射所起的隔熱作用.Feng等[12]在廣州對佛甲草屋面的得熱和散熱進行研究，表明在其得熱中太陽輻射占99.1%，而在其散熱中植物土壤的蒸發蒸騰占58.4%，只有1.2%通過植物和土壤儲存或轉移到下面的房間.鄧小飛等[13]的研究表明，佛甲草屋面的降溫增濕效果在一日之中12:00-15:00最顯著.王璋元等[14]的報道表明，無論有無太陽輻射，在土壤基質含濕量相同的條件下，佛甲草種植模塊的隔熱性能和熱穩定性都要優于厚度相同的輕型種植土模塊.劉宏成等[15]的實驗表明，當土壤基質厚度超過200 mm時，土壤底部溫度趨于穩定.彭躍暖等[16]研究了蓄水層設置和植物選擇對綠色屋頂水分蒸發量的影響，表明蓄水層能增加植被屋面的水分蒸發量，土壤含水量與日水分蒸發量呈正相關；與實鋪地景竹草相比，佛甲草實驗槽在24 h內蒸發水量波動較大，中午前后出現低谷.彭明熙等[17]研究小葉景天、佛甲草、落地生根3種景天科植物的降溫增濕效果，發現佛甲草對太陽輻射的吸收最弱.

綜上，雖然前人對佛甲草養殖及維系進行了一些研究，也報道了其用于建筑外表綠化的降溫隔熱機制及效果，但關于佛甲草澆灌養護并未有具體的相關論述，也未涉及佛甲草基質溫度與其水分蒸發量及澆灌用水量的探究.本文設計并制作了8種澆灌試樣，在福建省廈門市的夏季典型氣候條件下，對比實測了不同澆灌方式對試樣水分蒸發量、澆灌用水量及基質溫度的影響.

1 實測試樣制作

從市面上購買多盤養殖好的佛甲草，從中選取株高、密度和長勢相近的8盤，其土壤基質厚度約35 mm，基質上層株高100 mm左右.種植盤為壁厚2 mm的黑色塑料盤，上部開口外緣為490 mm(長)×290 mm(寬)，底盤外緣為456 mm(長)×256 mm(寬)，底部四角有直徑15 mm，高20 mm的支撐腳，盤內開有6排×12列，直徑10 mm的排水孔，孔距縱向36 mm，橫向35 mm.

佛甲草種植盤外尺寸及測溫套管布置，如圖1所示.首先用電烙鐵沿底盤上表側向打一個直徑5 mm的孔，插入直徑為5 mm的塑料測溫套管，用于后續熱電偶探頭插入測量基質底部中心溫度.測溫套管插入端固定在底盤中心附近，另一端外露一定長度.

圖1 佛甲草種植盤外尺寸及測溫套管布置(單位：mm)Fig.1 Outer dimensions and arrangement of thermowells of palletized Sedum lineare Thunb (unit: mm)

然后，將帶土壤基質的佛甲草放入4個帶測溫套管的種植盤中形成4個測試樣本，分別編號為C1，B1，B2，B3.其中，C1用于不澆灌測試，B1，B2，B3分別用于每日早、中、晚裸澆1次的測試.C1，B1，B2，B3試樣縱向剖面相同，如圖2所示.

圖2 不澆灌和裸澆試樣剖面 圖3 吸液芯布料在種植盤中鋪展Fig.2 Sample profile without irrigation or with bare irrigation Fig.3 Spread wick cloth in planting tray

接著，將剩下4個帶測溫套管的種植盤編號為A1，A2，A3，A4，用于吸液澆灌試樣制作.其中，A1，A2，A3用于管式吸液芯制作，以對比不同吸水材料造成的影響；而A4用于片狀吸液芯制作，以對比吸液方式導致的影響，如圖3所示.利用外徑10 mm的薄壁塑料管切成高100 mm管段共72根，A1，A2，A3各用24根，分別用于吸液材料——無紡布、速干布、三明治網布的管式吸液芯制作.將三種布料剪切成175 mm(長)×50 mm(寬)的片狀，每兩片穿過一根管段，下端外露10 mm，上端穿過種植盤排水孔鋪展在底盤上表面，形成6排×4列的管式吸液芯陣列，如圖3A1～A3編號所示.用電烙鐵沿A4底盤中心橫向開4條100 mm長的縫隙，將8片236 mm(長)×100 mm(寬)速干布兩兩穿過同一縫隙，上部留出126 mm×100 mm鋪展在底盤上表面，如圖3中A4編號所示.

最后，用50 mm厚的白色泡沫制作4個內尺寸為445 mm(長)×245 mm(寬)×110 mm(高)的儲水盒，并在儲水盒內壁貼附防水薄膜，注入初始水量.將帶有吸液布料的A1，A2，A3，A4種植盤支撐腳卡放在儲水盒上(圖3)，再把帶土壤基質的佛甲草放入種植盤中，形成管式和片狀吸液澆灌試樣.管式和片狀的吸液澆灌試樣剖面，如圖4所示.上述制作的8個試樣對應的8種澆灌方式，如表1所示.

(a) 管式 (b) 片狀圖4 吸液芯澆灌試樣剖面圖 Fig.4 Profile of wick pouring sample

表1 各試樣對應的澆灌方式Tab.1 Watering method corresponding to each sample

2 實測內容與方法

測試時間為2020年7月5日0:00-14日24:00，地點選在華僑大學廈門校區建筑實驗樓的屋頂；屋頂周圍無遮擋，日照和通風均良好.各試樣現場測試布置，如圖5所示.圖5中：盤裝佛甲草的短邊朝向南北，相互之間幾乎無遮擋.

圖5 各試樣現場測試布置圖Fig.5 On-site test layout of each sample

實驗測試內容包括室外氣象參數(空氣溫度、相對濕度、風速和水平太陽輻射)，以及各試樣水分蒸發量及土壤基質的底部溫度.室外氣象參數測試采用PH-1移動氣象站，每隔5 min記錄1次；土壤基質的底部溫度測試采用銅-康銅熱電偶和JTRG-Ⅱ熱工巡檢儀每隔1 h記錄1次；水分蒸發量測試采用ACS-C電子秤每日8:00-22:00間隔1 h稱量1次.各儀器測試范圍和精度，如表2所示.表2中：tOA為室外空氣溫度；RH為室外相對濕度；vO為室外風速；IO為室外水平太陽輻射；tSB為基質底部溫度；W為水分蒸發量.

表2 各儀器測試范圍及精度Tab.2 Test range and accuracy of each instrument

為了避免熱電偶線對稱量的影響，每次稱量前將熱電偶探頭從測溫套管中抽出，再對試樣進行稱量.對于試樣B1，B2，B3,每次人工澆灌前后都稱量1次，以便獲得澆灌前和澆灌后1 h內的水分蒸發量.為了獲得人工裸澆佛甲草1次的耗水量，隨機選取5名人員，讓他們按自己的習慣分別對另外5盤長勢相似、生長狀況良好的佛甲草每日裸澆1次，共3次，要求每次澆透后停止澆灌并進行耗水量記錄.

3 測試結果與分析

3.1 室外氣象參數測試結果與分析

在實測期間，室外空氣溫度(tOA)、相對濕度(RH)、室外風速(vO)和水平太陽輻射累計值(I)隨著時間變化，如圖6，7所示.從圖6，7可知，除8日和9日兩陰天外，其余均為高溫晴天.統計可得，測試期內室外空氣溫度平均值33.0 ℃，最高值38.5 ℃，水平太陽輻射最大值為1 244 W·m-2，表現為廈門市典型的夏季天氣.

圖6 室外空氣溫度和相對濕度隨著時間變化Fig.6 Outdoor air temperature and relative humidity variation with time

圖7 室外水平太陽輻射累計和風速隨著時間變化Fig.7 Outdoor horizontal solar radiation accumulation and wind speed variation with time

3.2 逐日水分蒸發量測試結果與分析

各試樣的日水分蒸發量統計，如表3所示.根據太陽輻射累計量(I)大小，可以將表3中數據按氣候分為四類，分別是7月11-14日為晴天類，7月5-7日為似晴天類，7月8-10日為似陰天類，7月9日為陰天類.

表3 各試樣水分日蒸發量統計結果Tab.3 Statistic results of daily evaporation of each sample (kg)

從表3可知：試樣的日水分蒸發量與太陽輻射累計量總體上呈明顯正相關.對比A1，A2，A3試樣在同一日的水分蒸發量，可以發現它們之間的差別并不大.說明在管式吸液連續澆灌下，吸液材料對日水分蒸發量的影響不大；而對比A1，A2，A3，A4試樣在同一日的水分蒸發量，發現A4總比A1，A2，A3日水分蒸發量稍大，這可能是由于片狀布料吸液更易和鋪展更均勻的原因.對比B1，B2，B3在同一日的水分蒸發量，發現它們之間的差別也不大.說明在間歇裸澆每日1次的情況下，澆灌時間點對日水分蒸發量影響不大.

從表3還可知：對比吸液澆灌A組、間歇裸澆B組和不澆灌C1試樣水分蒸發量，發現A組和B組的日水分蒸發量差別也不大.這說明利用吸液布料連續澆灌和人工每日間歇裸澆，對佛甲草日水分蒸發量影響不大，但A組和B組日水分蒸發量大于C1試樣，且隨著天數推移，差別增大.觀察C1試樣日水分蒸發量隨著時間的變化，發現在持續高溫晴天下，3 d不澆灌,其日水分蒸發量顯著降低，6 d不澆灌,其日水分蒸發量趨于零.統計晴天類A組和B組日水分蒸發量均值，得到A組為1.105 kg，B組為1.078 kg，二者基本相等，均值為1.091 kg.

3.3 逐時水分蒸發量測試結果與分析

由于吸液材料對管式吸液持續澆灌日水分蒸發量影響不大，間歇裸澆時間點對試樣日水分蒸發量影響也不大，但可能對其逐時水分蒸發量有影響.因此，選擇A2，A4，B1，B2，B3試樣為代表，以7月13日為例來進行體現和分析，逐時水分蒸發量和太陽輻射逐時累計量隨著時間的變化，如圖8所示.圖8中：Wh為逐時水分蒸發量；Ih為太陽輻射逐時累計量.

圖8 大晴天7月13日逐時蒸發水量隨著時間變化Fig.8 Hourly evaporation variation with time on sunny July 13

從圖8可知：8:00的水分蒸發量是前晚22:00之后水分蒸發量的累積，故數值較高.從圖8還可知：所有試樣逐時水分蒸發量在上午隨著時間推移成增加趨勢，但在12:00-13:00時段出現低谷，而在13:00-14:00時段出現峰值，14:00后呈下降趨勢.究其原因，可能是與試樣吸收太陽輻射量和蒸發滯后有關.

從圖8還可知：在多數情況下，各試樣逐時水分蒸發量隨著太陽輻射累計量增大而增大.但是，由于佛甲草葉片均是向上傾斜生長且相互措置，隨著太陽高度角增大，其對太陽輻射的反射和遮擋將增加，導致了進入佛甲草內部的太陽輻射量反而減少，由此造成12:00-13:00時段水分蒸發量出現低谷現象.觀察B1，B2，B3的逐時水分蒸發量變化，發現8:00裸澆試樣B1的變化規律與吸液持續澆灌A1，A2試樣類同，但13:00裸澆試樣B2在下午時段逐時水分蒸發量明顯大于其他試樣，而19:00裸澆試樣B3在澆灌后至次日8；00逐時水分蒸發量明顯高于其他試樣.

3.4 裸澆耗水量測試結果與分析

一般人員裸澆耗水量的測試結果，如表4所示.由表4可知：裸澆1盤佛甲草平均每次需要耗水量為1.320 kg.由于A1，A2，A3，A4吸液持續灌溉不存在過分澆水和水分流失的現象，故其水分蒸發量等于其養護耗水量.表3中似晴天、似陰天和陰天下，吸液澆灌試樣日水分蒸發量均小于晴天條件下水分蒸發量.因此，對比表3和表4數據可知，相比于每日裸澆1次的間歇澆灌，吸液持續灌溉至少可節約澆灌用水18%左右.吸液持續灌溉不存在過分澆水及基質和營養流失現象，是值得推薦和應用的節水澆灌方式.

表4 裸澆實驗耗水量統計Tab.4 Statistics of water consumption in bare irrigation experiment (kg)

4 基質底部溫度測試結果與分析

試樣水分蒸發量是土壤基質和佛甲草葉片水分蒸發的總和.從前面日水分蒸發量和逐時水分蒸發量的分析可推知，吸液持續澆灌的試樣的基質溫度變化基本類同，但間歇裸澆時間點對間歇澆灌試樣基質溫度變化可能有影響.因此，選擇A2，A4，B1，B2，B3試樣為代表進行顯示，并加入C1試樣進行對比分析.6個試樣基質底部溫度(tSB)隨著時間的變化，如圖9所示.表5為它們的日均溫度和振幅值.表5中：數據單元格“/”前面的數值為日均溫度，后面的數值為日振幅值.

從圖9和表5可明顯看出：A4試樣日均溫度值一直保持最小，振幅值也基本保持最小.這是由于片狀吸液材料吸水容易，且測溫點落在吸液材料吸水正上方處更易被水浸濕的原因.A2試樣溫度波動稍大于A4試樣，但均低于B組和C組試樣；在有太陽輻射時段，A2試樣溫度均高于A4試樣，除澆灌時間點處有短時高于被澆灌的試樣外，其余時間都低于裸澆和不澆灌試樣；在無太陽輻射時段，A2試樣溫度都高于裸澆組試樣.這是由于其測溫點偏離吸液芯正上方且底部基質通風透氣差和蓄熱的原因.B1，B2，B3試樣在裸澆時間點溫度有短暫下降和迅速回升的現象.這是由于裸澆時水溫較低所致.

圖9 土壤基質底部溫度隨著時間的變化Fig.9 Temperature variation of soil substrate bottom with time

表5 基質底部溫度日均值和振幅值的統計結果Tab.5 Statistical results of daily average and amplitude values of substrate bottom temperature (℃)

觀察C1試樣基質底部溫度的變化，發現其溫度波動在所有天數內最大，6 d之內溫度波動與裸澆試樣相差不大，但6 d之后隨著天數的推移差別十分明顯，且任意時刻其溫度值都表現為最大.這說明C1試樣6 d之后水分蒸發消耗殆盡，與前述水分蒸發量測試相符.因此，利用儲水盒和吸液材料對盤裝佛甲草進行吸水持續澆灌，不僅可以降低其土壤基質溫度平均值，而且可降低溫度振幅值，有利與基質溫度穩定和屋面降溫隔熱.

5 結論

文中提出了吸液持續澆灌的構想，設計制作8種澆灌方式試樣，考察吸液持續澆灌、間歇淋水澆灌、不澆灌對盤裝佛甲草水分蒸發量、澆灌耗水量，以及土壤基質底部溫度的影響.通過分析，得出以下4點主要結論.

1) 吸液材料和吸液方式對吸液持續澆灌的日水分蒸發量和逐時水分蒸發量影響不大；間歇裸澆時間點對間歇澆灌的日水分蒸發量影響不大，但對逐時水分蒸發量有時序影響.

2) 吸液持續澆灌和每日1次淋水間歇澆灌，它們的日水分蒸發量和逐時水分蒸發量差別不大，都在12:00-13:00時段出現水分蒸發低谷，卻在13:00-14:00時段出現水分蒸發高峰.

3) 在夏季連續高溫下，吸液持續澆灌比每日淋水1次的間歇澆灌至少可節水18%，且可顯著降低基質溫度均值和振幅值.

4) 在夏季持續高溫條件下，盤裝佛甲草3 d不澆灌，水分蒸發量會顯著降低；而6 d不澆灌，其水分蒸發殆盡，基質溫度平均值和振幅值會顯著升高.