陈璇，刘瑞芬
1.湖北工业大学土木建筑与环境学院
2.河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室
3.湖北永业行评估咨询有限公司
绿色屋顶作为海绵城市中源头控制的重要措施、年径流总量控制的重要手段，近年来受到广泛关注[1]。现代绿色屋顶结构通常包括植被层、基质层、蓄水层、过滤层、排水层、根阻层、防水层[2]，其中重要的设计变量包括基质层的组分及厚度、植被层的植物种类等。基质层的材料大致可分为田园土、改良土和人工基质。人工基质通常由轻质骨料和有机质按一定体积比组成，孔隙度大、粗糙度高、结构性强，在为植物生长提供必要水分和养分的同时，不影响绿色屋顶发挥雨水管理功能，是绿色屋顶基质层的首选[3]。常用的无机骨料包括膨化页岩、珍珠岩、陶粒、蛭石等[4]，有机质包括腐殖质、鸡粪、泥炭、椰子壳等。景天属植物被学界普遍认为是绿色屋顶植物层的优势种，这是由于景天属植物的景天酸代谢（CAM）光合作用有利于其在白天减少或抑制蒸腾作用，使水分损失达到最小化，让植物能够在恶劣环境下生存[5]。
近年来研究发现，当降水事件发生时，除叶片截留、植物吸收利用、水分蒸腾过程外，植被还可通过根系生长来改变基质的孔隙分布，从而影响绿色屋顶系统的水力特性[6]。Zhang等[7]研究指出，对于绿色屋顶雨水截留功能而言，由植物根系所引起的水流运动，要远高于由植物耗水策略所带来的差异。所以在研究绿色屋顶系统中水流运移规律时，既要考虑植物的耗水特性，也要考虑根系分布带来的影响[8]，目前这方面的研究相对缺乏。饱和导水率（Ks）代表介质全部孔隙充满水时，单位水势梯度下，单位面积介质的水流通量或渗流速度，其大小往往制约着地表径流的发生和发展[9]。相较于非饱和导水率，Ks更易获得，在模拟水分运移过程、推求非饱和导水率中得到了广泛的应用[10-11]。对于绿色屋顶系统，较高的Ks可以防止积水的产生，避免积水增加屋顶载荷，淹没植物，破坏基质层结构，是绿色屋顶设计的重要参数。目前绿色屋顶系统Ks的监测多集中于单纯基质层Ks的测定，较少探讨其与根系分布特征参数间的联系[12-13]。
笔者采用2种常用于绿色屋顶的景天属植物垂盆草（Sedum sarmentosum）[14]、佛甲草（Sedum lineare）[15-16]，种植于符合标准的不同厚度珍珠岩基质中，结合武汉市降水特点对植物采用统一浇水制度培养；
选取根长密度、根表面积密度、根体积密度等参数来描述根系形态，并测定基质的Ks。试图阐明不同厚度绿色屋顶人工基质中2种景天属植物的根系分布及其基质层Ks的变化、不同直径根系结构特征与Ks间的关系，以期丰富我国绿色屋顶中景天属植物根系分布特征的研究，并为研究绿色屋顶系统水流运移规律提供基础数据。
1.1 试验材料
试验于2020年11月——2021年3月在实验室内进行。垂盆草和佛甲草的生物学特性见表1。种植基质由直径为4～8 mm的珍珠岩与鸡粪按照体积比为9∶1充分混合而成[17]，其基本理化性质见表2 。
表1 2种景天属植物的生物学特性[18]Table 1 Biological characteristics of two Sedum plants
表2 珍珠岩基质的理化性质Table 2 Physical and chemical properties of perlite substrate
1.2 试验方法
1.2.1 植物培养
考虑到景天属植物属于浅根物种，边缘效应较弱，故采用室内小尺寸培养（培养体直径≥10 cm）的方式来模拟绿色屋顶条件[19]。将2种试验植物按照2 cm×2 cm的株行距扦插于直径为10 cm的圆柱体中。珍珠岩基质设定6、10、14 cm 3种厚度，则试验形成6组种植模块，每组设置3个重复样，共18个样品。
选取形态相同的健康植物茎段进行扦插，扦插密度为5株/组，将剪下的部分插入种植基质约10～20 mm，再把插穗周围捏实后浇透水，之后对其进行统一浇水管理[20]。由中国气象数据网（http://data.cma.cn）提供的地面气象站逐小时观测资料可知，武汉市1981——2010年的年均降水量为1 316 mm，其中日降水量≥0.1 mm的日数为121.3 d。基于种植容器开口的面积及武汉市降水数据确定各种植模块的浇水量及频次，即每隔3 d定时给每个种植模块浇灌大约85 mL水。
为模拟屋顶环境，将试验植物放入人工气候箱（MGC400H，上海一恒科学仪器有限公司）内培养，试验全程保持室温 25 ℃，光照 14 h/10 h（明/暗），控制湿度为40%～50%[21]。培养10 d后开始检查生根情况，共计生长103 d后，进行植物根系特征测定。
1.2.2 植物根系特征测定
取样时，用手轻轻拍打容器外侧，使根系与种植基质分离，再用蒸馏水慢慢冲洗根系，去除表面泥土。冲洗时，在根系下方放置100目筛，防止脱落的根系被水冲走。接着，用毛刷轻轻刷去根系附着的杂物，再将根系置于装有蒸馏水的烧杯中，24 h内完成根系特征测定。
根系特征由根系平板扫描系统（PMT-RTP-A3，德国）进行扫描后获取，像素设置为600 dpi。首先将根系置于根盘内，利用毛刷和镊子拨动根系，使之呈现自然舒展状态，并尽量减少交叉和重叠，接着进行扫描操作。将扫描根系图像保存后，使用Root Analysis系统对根系图像进行分析，可获得根系直径分类、根长、根系表面积、根系体积等根系特征参数，根长密度（mm/cm3）、根表面积密度(mm2/cm3)、根体积密度(mm3/cm3)分别由根长、根表面积和根体积与种植基质体积之比求得。
1.2.3 饱和导水率测定
基质的Ks根据国际上最为系统且成熟的《绿色屋顶用地规划、建设和实施指南》[22]中的方法测得，每组重复3次试验。具体步骤：测量样品厚度(H,cm)后，将样品浸没于水中至少24 h，接着将其静置排水，达2 h后，在样品顶部放置金属环针（两针长度分别为4.5和3.5 cm），不断加水通过样品，当水自由流出容器底部后，测得水位从4.5 cm下降到3.5 cm时的时间差(t，min)。Ks计算公式如下[23]：
1.3 数据分析
所有数据均采用SPSS 26.0软件进行分析，对重复试验结果取平均值，为确保数据质量，检查重复试验结果的标准偏差均低于10%。对于不同数据组间的差异，采用单因素ANOVA（用于三者间的比较）、T检验（用于二者间的比较）来分析。
2.1 根系分布特征
珍珠岩基质中，不同厚度下植物的根长密度有显著差异（图1）。对于2种植物，6 cm厚度基质组的总根长密度显著大于10、14 cm厚度基质组（P垂盆草=0.000，P佛甲草=0.000）。垂盆草的总根长密度在6、10、14 cm厚度基质中均显著大于佛甲草在同等基质厚度下的总根长密度（P＜0.05）。由图1(a)可知，垂盆草在6、10、14 cm厚度珍珠岩基质中的根长密度分别为0.11～4.27、0.78～3.97、0.16～2.36 mm/cm3，3种基质厚度下均以0.2～0.4 mm根系直径的根长密度最大，分别占总根长密度的47.35%、64.00%、36.74%。由图1(b)可知，佛甲草在6、10、14 cm厚度珍珠岩基质中的根长密度分别为0.22～3.29、0.32～0.24、0.27～1.69 mm/cm3。与垂盆草类似，佛甲草在3种基质厚度下均以0.2～0.4 mm根系直径的根长密度最大，分别占总根长密度的49.54%、56.99%、36.64%。
图1 2种植物在不同厚度基质中的根长密度Fig.1 Root length density of two plants in substrates of different depths
珍珠岩基质中，不同厚度下植物根系的根表面积密度有显著差异（图2）。对于2种植物，均表现为14 cm厚度基质组的总根表面积密度显著大于6、10 cm厚度基质组（P垂盆草=0.007，P佛甲草=0.000），且14 cm厚度基质组中垂盆草的总根表面积密度显著大于佛甲草（P＜0.05）。由图2（a）可知，垂盆草在6、10、14 cm厚度基质中的根表面积密度分别为0.23～3.57、0.76～3.67、0.48～2.23 mm2/cm3。6、10 cm厚度基质中，垂盆草在0.2～0.4 mm根系直 径的根表面积密度最大，分别占总根表面积密度的52.75%、67.07%；
而14 cm厚度基质中，垂盆草在0.2～0.4、0.4～0.6 mm根系直径的根表面积密度较大，分别占总根表面积密度的28.34%、28.82%，且无显著差异(P=0.786)。由图2（b）可知，佛甲草在6、10、14 cm厚度珍珠岩基质中的根表面积密度分别为 0.48～3.28、0.25～0.11、0.34～1.44 mm2/cm3。佛甲草在3个基质厚度下均以0.2～0.4 mm根系直径的根表面积密度最大，分别占总根表面积密度的49.17%、68.82%、23.67%。
图2 2种植物在不同厚度基质中的根表面积密度Fig.2 Root surface area density of two plants in substrates of different depths
珍珠岩基质中，不同厚度下植物根系的根体积密度有显著差异（图3）。2种植物均表现为14 cm厚度基质组的总根体积密度显著大于6、10 cm厚度基质组（P垂盆草=0.000，P佛甲草=0.000），且 14 cm 厚度基质组中垂盆草的总根体积密度显著大于佛甲草的总根体积密度（P＜0.05）。由图3(a)可知，垂盆草在6、10、14 cm厚度珍珠岩基质中的根体积密度分别为 0.04～0.33、0.04～0.33、0.03～0.38 mm3/cm3。6、10 cm基质中，垂盆草在0.2～0.4 mm根系直径的根体积密度最大，分别占总根体积密度的51.59%、79.33%。而14 cm厚度基质中，垂盆草在1.0～2.0 mm根系直径的根体积密度最大，占总根体积密度的28.28%。由图3（b）可知，佛甲草在6、10、14 cm厚度珍珠岩基质中的根体积密度分别为0.04～0.31、0.01～0.02、0.02～0.33 mm3/cm3。与垂盆草类似，佛甲草在6、10 cm厚度珍珠岩基质中，以0.2～0.4 mm根系直径的根体积密度最大，分别占总根体积密度的43.68%、72.54%；
而14 cm厚度珍珠岩基质中，佛甲草以1.0～2.0 mm根系直径的根体积密度最大，占总根体积密度的28.84%。
图3 2种植物在不同厚度基质中的根体积密度Fig.3 Root volume density of two plants in substrates of different depths
2.2 饱和导水率
有无植物时不同厚度基质的Ks(表3)表明，对于珍珠岩基质，景天属植物根系的加入会显著减小基质的Ks（P=0.000），减小幅度为95.15%～98.95%。有植物组中，垂盆草的Ks为0.568～2.121 cm/min，平均值为1.555 cm/min，变异系数为55.15%；
佛甲草的Ks为0.682～2.641 cm/min，平均值为1.355 cm/min，变异系数为82.12%。可以看出，佛甲草根系对Ks的改变更大，且2种植物均表现为14 cm厚度基质Ks小于6 cm厚度基质。一般来说，较厚的基质会促进根系的生长，而根系生长过程中会发生颗粒重排、孔隙堵塞、产生大孔隙等作用，影响粒径分布和孔隙连通性，导致Ks降低[24]。
表3 有无植物时不同厚度基质的饱和导水率Table 3 Saturated hydraulic conductivity of substrates of different depths with or without plants
3.1 不同基质厚度下根系分布特征
一般研究中将直径小于2 mm的根统称为细根[25]，但Pregitzer等[26]对北美9个树种的研究发现，不同根序细根的生理生态功能存在很大差异。对于直径小于2 mm的根进行更细致的划分，有利于观察其形式与功能的多样性[27]。因此，本研究中依据景天属根系直径分布特点，将直径区间设置在0.2 mm，以便分析根系分布特征。基于武汉市气候条件下培养的景天属植物根系典型扫描图（图4），以佛甲草根系为例，可直观看出不同厚度珍珠岩基质中，根系分布形态特点不同。
图4 不同厚度珍珠岩基质中佛甲草根系扫描图像Fig.4 Scanning images of the root system of Sedum lineare in perlite substrate with different depths
基质厚度为6 cm时，垂盆草和佛甲草的根系直径均为0～0.8 mm，其中0.2～0.4 mm根系直径的根长密度占比最高，总根长密度达到最大（图1）。根长密度是单位体积基质所含根系的长度，能反映根系在土体中的延伸、穿插、交织程度[28]。一般研究认为，基质层越厚，植物根系越发达，越利于其吸收更多水分[29]。这是由于更厚基质不仅具有更高的保水能力，而且能保持更稳定的温度，并为植物的根系提供更大的生长空间[30]。但景天属根系具有直径小、分布浅、横向分布广的特点，更厚基质带来的益处对于这种根系系统来说相对较小[19]。本研究中，基质厚度为6 cm时，根系全部表现为细根，而细根是根系吸水中最活跃的部分，构成了根系的大部分长度[31]。因此，基质厚度为6 cm时，景天属植物的根长密度最大。Lu等[32]研究了佛甲草在不同厚度基质中的根系生长特征，结果也表明生长在较薄基质（4 cm）中的佛甲草根系比生长在厚基质（10 cm）的根系有更大的根系长度。
基质厚度为14 cm时，垂盆草和佛甲草的根系直径均为0～2 mm，二者总根表面积密度中1～2 mm根系直径的占比分别为11.15%、17.52%，总根体积密度中1～2 mm根系直径的占比分别为28.28%、28.84%。此时，2种植物的总根表面积密度、根体积密度达到最大（图2、图3）。根表面积密度、根体积密度能反映根系与基质的接触面积，其与根长密度可综合反映根系在基质中的形态、结构和分布[33]。基质厚度为14 cm时，根系的总根长密度较小（4.61、6.47 mm/cm3，图1），但相较于基质厚度为6、10 cm时，根系直径范围更广，说明在这种情况下，植物根系会以调节粗、细根比例的方式增加与基质的接触面积来获得更多的水分、养分，为自身的生长创造条件[34]。
3.2 根系分布特征对饱和导水率的影响
由2.2节可知，有植物组的Ks显著小于无植物组。已有文献表明，植物根系会对Ks产生显著影响，改变范围低至-143%[35]。这与本研究的结果相似，根系的加入使得Ks改变了-98.95%～-95.15%。这是因为对于质地较硬的珍珠岩来说，景天属植物根系的生长不易改变颗粒间的相对位置，而是沿着颗粒间路径弯曲生长[36]。相比无植物组的总孔隙度，根系的加入占据孔隙体积使得基质总孔隙度减小，导致Ks降低[37]。
进一步分析有植物组根系分布特征参数与Ks的关系发现，Ks与0.2～0.4 mm根系直径的根长密度（P=0.050，R2=0.786）、根表面积密度（P=0.047，R2=0.818）、根体积密度（P=0.044，R2=0.824）存在显著正相关关系，且存在最大正相关系数（图5）。植物根系生长过程中，会与基质发生复杂的物理、化学和生物作用，植物生长初期主要考虑的物理过程包括土壤颗粒重排、孔隙堵塞、大团聚体(＞250 µm)的开裂、微团聚体 (2～250 µm)的合并和大孔隙 (＞30 µm)的产生[35]。根系通过创造、占据和利用孔隙体积，影响基质的粒径分布和孔隙连通性，进而改变Ks[38]。由2.1节可知，对于有植物组，6、10 cm厚度基质中0.2～0.4 mm根系直径的根系占比最大，该直径细根结合基质颗粒形成微团聚体，增加大孔连通度。不同厚度基质下，直径为0.2～0.4 mm根的特征参数（根长密度、根表面积密度、根体积密度）越大，基质的Ks就越大。由3.1节可知，对于景天属植物的浅根系统来说，随着基质厚度的增加，植物以调节扩大根系直径范围的方式来获得更多的水分、养分，因而14 cm厚度基质中直径为0.2～0.4 mm根的根系特征参数最小（图1～图3），其Ks最低。
图5 Ks与直径为0.2～0.4 mm根的根系特征参数的相关性Fig.5 Correlation between Ks and root characteristic parameters of 0.2～0.4 mm roots
本研究中，对于珍珠岩基质，景天属植物根系的加入可以极大地降低其Ks。这是由于景天属植物根系直径均小于2 mm，这些细根的存在堵塞了基质中的大孔隙，导致了有无植物组Ks的显著差异。而在有植物组中，值得注意的是景天属植物直径为0.2～0.4 mm根的根系特征参数与其Ks呈显著正相关。由此可知，景天属植物根系对珍珠岩基质Ks的改变显著。应加强绿色屋顶系统中根系对基质层水力特性改变的研究，以更好地描述绿色屋顶的水分运移过程，这对评价其在海绵城市建设中发挥的雨水截留调控功能有重要参考价值[39-41]。
（1）景天属植物的根长密度、根表面积密度、根体积密度受珍珠岩基质厚度影响显著。基质厚度不同时，6 cm基质中植物的根系直径为0～0.8 mm，此时植物的总根长密度最大，这与基质中直径为0.2～0.4 mm根的根长密度占比大有关；
14 cm基质中植物的根系直径为0～2 mm，此时植物的总根表面积密度、总根体积密度最大，这与基质中直径为1～2 mm根的表面积密度、根体积密度占比大有关。
（2）景天属植物根系对珍珠岩基质Ks的改变显著。相比无植物组，景天属植物根系的加入使得珍珠岩基质的Ks改变了-98.95%～-95.15%，有植物组的Ks远低于无植物组。而有植物组间，珍珠岩基质的Ks与景天属植物直径为0.2～0.4 mm根的根长密度（P=0.050，R2=0.786）、根表面积密度（P=0.047，R2=0.818）、根体积密度（P=0.044，R2=0.824）呈显著正相关。
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