硬质路面绿化用结构土技术概述

2017-06-30 04:33:17

伍海兵 / WU Hai-bing周 坤 / ZHOU Kun方海兰* / FANG Hai-lan

摘 要:针对中国城市中大量硬质路面覆盖而引发的绿化质量差、城市内涝加剧的现象,分析了硬质路面绿化存在的主要问题,介绍了绿化混凝土、Silva Cell和结构土3种硬质路面绿化技术。重点介绍结构土的原材料、生产加工、应用区域和范围以及现场施工的技术要求,分析结构土能提供植物生长所需基本条件、承载路面、增加植物生长空间和用作雨水蓄积器的性能,以及具有选材便利、适用范围广和无须专门养护的技术优势,就技术、建设理念、经济发展水平和施工工序复杂4个方面分析了结构土在我国应用中存在的难题,提出适宜我国应用的结构土技术研发和标准制定等6条建议,为全面提升我国城市硬质路面绿化景观和海绵城市建设提供技术依据。

关键词:风景园林;硬质路面;绿化;结构土

文章编号:1000-6664(2017)05-0112-05

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2015-11-28;

修回日期:2016-10-20

基金项目:上海科委标准专项(编号14D20503200)资助

Abstract: In view of the phenomenon that the poor quality of greening and urban water logging were caused seriously in cities of China covered by a large number of hard pavements, the status and the existing main problems of hard pavement greening were analyzed. Greening concrete, Silva Cell and structure soil, these three kinds of greening technologies applied in hard pavement were introduced. Several technical points of structure soil were mainly focused, such as selection and control of raw materials, the production process, the application area and region, and the site construction. Moreover, technical advantages of structure soil, such as providing basic conditions needed for plant growth, bearing the pavement load, increasing plant growth space, using as rainwater storage device, convenient material selection and wide range of application and without special maintenance were analyzed. Four kinds of the existing problems for the application of structure soil in China focused on techniques, construction concept, economical developing level and the complex construction process were also analyzed. Finally, six kinds of suggestions were proposed to expand the application of structure soil in China, like the suitable technology development and standard setting for structure soil in China, changing the investment concept for construction, multi-sectoral jointing, leading projects demonstration, recommending as a new technology to promote the construction of sponge city. It would provide technical basis for improving the greening landscape for urban hard pavement and sponge city construction.

Key words: landscape architecture; hard pavement; greening; structure soil

* 通信作者(Author for Correspondence) E-mail: fhl_1969@126.com

城市绿地是美化城市、维护城市生态安全和促进可持续发展的重要生态要素[1-2]。中国一直面临人多地少的窘状,尤其目前城市发展还处在经济占主导的阶段,要大片、成片地发展 “城市森林”显然不现实,因此,除了极其有限的土地被规划为绿地,特殊空间绿化是我国城市“增绿”必不可少的手段。当城市扩张被大量道路、人行道、广场、露天停车场等硬质路面所覆盖时,这些硬质路面绿化就成为城市绿化不可或缺的重要组成部分。城市硬质路面剧增不但增加了城市地表径流、洪涝和排水压力,加剧了城市内涝,也严重挤压着城市有限的绿化空间,大部分园林植物在这种环境下不能健康生长[3],其寿命远远低于它们在自然环境中的寿命[4]。特别在我国,绿化一直注重对地上部分——园林植物的投入,对地下部分——土壤的重要性却认识不足,在硬质路面绿化上表现得更为突出。

传统的绿化种植显然不能满足硬质路面特殊生境的要求,如住房和城乡建设部颁布的标准《绿化种植土壤》中规定,绿化种植土壤中应无明显的石块,石砾(≥2mm)含量应小于20%[5],这符合一般绿化种植要求;但在机械或人为践踏严重压实下的硬质地面下,即使原生土壤再好,由于受到严重压实,其理化性质也会发生退化,难以满足植物正常生长的需求[6]。城市硬质路面绿化,必须保证植物根系有足够的生长空间以及水分、养分等必要的生长条件,在这种特殊的立地生境下,“适树适地”已很难满足绿化需求,很难找到一种适宜城市硬质路面生长的绿化树种,所以“改地适树”是解决城市硬质路面绿化的唯一手段。如何改善硬质路面地下园林植物的生长环境已被大家所关注[7],这也是提高我国城市绿化质量必须攻克的棘手难题。

为此,本文在分析城市硬质路面绿化存在问题的基础上,重点介绍结构土等硬质路面绿化用土新技术,分析其应用的技术要求、优势及其在我国应用中存在的问题和相应的对策建议,以期为提高我国城市硬质路面绿化种植技术和海绵城市建设提供技术支撑。

1 城市硬质路面的绿化现状

城市硬质路面导致的高度密封、严重压实的土壤是阻碍园林植物正常生长的主要因素[2];同时,空间狭小也是硬质路面阻碍植物根系正常生长的因子之一,导致许多植物根系难以生长或畸形生长甚至早衰早亡[8]。有研究表明90%的植物生长不好是与土壤相关的,而城市硬质路面导致土壤的严重退化,不但影响植物的正常生长,也降低了植物的抵抗力,加重了城市植物的病虫害[9]。

硬质路面施工过程中机械的大量使用以及建成后大量行人的践踏更加剧了土壤压实,致使植物根系无法贯穿和畸形生长[10]。畸形生长不仅导致人行道铺装被破坏性拱起,造成公共实施破坏和财产损失,影响了城市景观效果[3];而且也导致树木生长缓慢、根系发育退化、根系过浅等问题。根系的固着力减弱,一旦遇到大风、暴雨等异常天气就容易折断、倒伏而危害建筑设施,甚至对过往人群的安全构成危害。

2 城市硬质路面绿化新技术

针对城市硬质路面的特殊生境,一些园艺发达的国家以园林绿化植物健康生长为目标,研发了几种适宜城市硬质路面用的绿化新技术,其中以绿化结构土的应用较好。

2.1 绿化混凝土

20世纪90年代,园艺发达的国家开始研发硬质路面绿化,如日本的绿化混凝土[11],利用骨料、水泥以及水混合而成,主要用于构筑海堤、河岸、人行道等[12]。在国内,有学者研发了植被混凝土或生态混凝土等技术[13-14],但大多尚处于实验室阶段[15]。目前绿化混凝土选择植物主要集中在草本植物[16],乔、灌木应用较少,不能满足城市绿化植物多样性的需求;而且受水泥的影响,绿化混凝土的pH一般高达12以上,很多植物在其中很难生长发育[17]。因此,绿化混凝土在城市硬质路面绿化中的应用受到限制。

2.2 Silva Cell技术

Silva Cell技术[18]是由James Urban和DeepRoot公司研究团队针对路面下土壤而营建的一种地下空间模式,它是将有机矿质土作为填充土的悬承路面技术,核心技术是Silva Cell系统。其原理是利用Silva Cell系统支撑硬质路面承受的外部压力,为地下部分创造未压实环境,以促进植物根系的生长[19]。Silva Cell技术在美国、加拿大等发达国家有一定的推广应用市场[20];但其约2 800元/m3的高昂建造费,限制了其在世界范围内的推广应用。

2.3 结构土技术

结构土是专为道路、人行道、商业广场、露天停车场等硬质路面绿化而专门研制的特殊用土,它是由石块(鹅卵石、石灰石等)、土壤和有机黏合剂按照一定比例混合形成的混合物。如Angers和INRA实验室联合研制的Melange Terre Pierre结构土[21],这种结构土按绿化需要由小鹅卵石(65%)和土壤(35%)组成,并根据不同树种添加火山灰、石灰石或硅酸等其他材料。再如Bartens等利用火山岩和矿质土壤按体积比3:1进行混合形成的Davis结构土[22]。其中应用最为广泛的是20世纪90年代由美国康奈尔大学研发的CU-结构土[23-25],使用有机溶胶作为黏合剂,将石块和土壤按4:1的重量比混合。

结构土的原理是利用鹅卵石、石块等硬质材料满足一般硬质路面的承载要求,确保地下土壤不被压实;利用石块孔隙间的土壤和缝隙为植物生长提供营养、水分和足够的生长空间。由于操作简单、物美价廉,该技术在美国、澳大利亚以及加拿大等发达国家的绿化工程中已得到广泛应用[26],类似结构土技术在荷兰、法国等欧洲国家也得到发展[21]。

3 结构土应用的技术要求3.1 原材料选择

结构土的原材料选择无统一要求,针对不同工程的绿化和经济要求,选择的原材料也不同。如CU-结构土要求的石块最好为花岗岩,粒径大小在4.0~7.5cm,填充的土壤最好为壤土或黏壤土,黏合剂建议使用聚苯烯酸钾[26];有的则建议使用鹅卵石或沙子,土壤用农业土壤,并根据不同树种添加火山灰、石灰石或硅酸等材料[21]。还可以根据当地的实际情况,选择方便且物美价廉的原料,如城市建设过程中产生的大量建材或城市水体清淤过程中产生的淤泥等,都可以作为结构土的原料。

3.2 生产加工

结构土生产按照地址分为异地生产和原位生产。

异地生产是指就近施工地点建立结构土生产基地,预先按照配比准备好各种原材料。一般先铺设20~30cm厚的石料,然后在石料层上均匀铺设成比例量的黏合剂和土壤,然后用搅拌机搅拌。搅拌过程中根据需要调节土壤的酸碱性或者肥力,在搅拌过程中适当加水使石块和土壤充分结合,一般含水量控制在20%以内。为防止在运输过程中土壤和石块分离,可适当地喷洒水。这种混合方式比较适合小石块。

原位生产分为填充前用水混合和填充前干混合。(1)填充前用水混合:先在施工地点将石块装成25cm层深,将比例适当的土壤置于石块表层,喷洒水分,将分布在石块上层的土壤随水冲入石块间的缝隙中。该方法的主要优点是,可以保证石块与石块间的土壤不被压实,保持土壤疏松;其缺点是土壤可能分布不均匀。由于湿土较难进入石块缝隙中,这种方法适用于大石块。(2)填充前干混合:先在施工地点将石块装成25cm层深,将比例适当的土壤置于石块表层,利用机械振动和扰动将土壤和石块混合均匀,其优点是保证石块间的土壤疏松而不被压实,但要求石块和土壤混合时必须是干的,并且石块直径应大于8cm[27]。

3.3 应用区域和范围

结构土使用范围和深度应根据不同植物种类和应用场地以及经费承受度来确定。结构土一般用于种植穴和硬质路面的缝接处,由于硬质路面绿化种植穴的空间较少,因此结构土设计的空间要达到植物根系生长所能达到的范围。若种植乔木或大灌木,在种植穴外围应至少铺设直径不小于1.5m、深度不低于1.2m的结构土;对于高大乔木,在种植穴外围应至少铺设直径不小于2m、深度不低于1.5m的结构土。在经济条件允许的情况下,除种植穴外,整条道路、广场或者停车场都可以铺设结构土,这样更有利于植物生长和排水。

3.4 现场施工

结构土施工前应先根据结构土铺设范围,在项目施工前期开挖地形,利用铁板或者木板等耐挤压的材料有效隔离种植穴。结构土宜逐层铺设以确保铺设平整,每层不宜超过30cm,并逐层使用碾压机或振荡机进行碾压,确保结构土填充紧实,直至低于地面8~10cm;然后在其上铺设一薄层小石砾,最后再铺设硬质路面。为充分发挥结构土的排水作用,最后一层硬质路面最好铺设透水砖;并在结构土的低洼处预设排水口与城市排水管道衔接,确保入渗的雨水能及时排出。

4 结构土的技术优势

4.1 提供植物生长所需基本条件

结构土能满足植物生长所需要的水、肥、气和空间。结构土要求石块粒径在4.0~7.5cm,确保石块之间的孔隙度能控制在45%~55%,这样就有足够空间满足植物根系生长和延长的需要,而孔隙间填充的空气也能满足植物呼吸所需。将土壤填充在结构土石块缝隙中,既能保证土壤疏松不被压实,还能为植物提供生长所需要的水分和养分。总之,结构土有效地解决了城市硬质路面种植穴狭小的问题,使植物根系能够健康地生长发育,提高植物景观效果。

4.2 满足承载要求并维护硬质路面平整

传统硬质路面绿化缺少地下生长空间,加上透水、透气不好,植物根系往往会往地上生长,拱起并破坏平整的硬质路面。而结构土只要安装合理,其中的石块就能满足路面承载的需求,而且石块间缝隙也能为植物根系生长提供足够的空间,这样植物根系一般就能在结构土缝隙中生长和延长,而不会发生根系拱起现象,能保证路面齐整不被破坏,减少硬质路面的维护费用。

4.3 为植物根系提供更广的生长空间

结构土可以将硬质路面种植穴内的植物根系与附近公园、林地等公共绿地土壤连接,使植物根系能够达到种植穴外适合其生长的土壤空间,在有限的空间内为植物提供更广阔的地下生长空间。

4.4 可以作为雨水蓄积器

由于结构土石块间具有丰富的大孔隙,在100%最大压实情况下,其入渗率仍可达610mm/h,而常规壤土在100%最大压实情况下,入渗率只有12.7mm/h[4]。而根据上海迪士尼结构土应用现场的观测,结构土的入渗率更是高达1 000mm/h以上[28]。由此可见,结构土的雨水入渗率非常高,在美国,结构土也被作为可渗透路面人行道中暴雨的收集器。如在美国的Ithaca,结构土被证实能及时蓄存百年难遇的暴雨24小时不间断下的雨水。结构土不仅能增加雨水入渗,而且能蓄积更多雨水,提高硬质路面的持水能力,据美国报道,使用结构土的硬质路面绿化能减少10%~30%的灌溉用水,降低绿化养护成本。

4.5 选材灵活,适用范围广

结构土原材料可以根据当地情况因地制宜地选择,选材范围广。结构土技术符合AASHTO(美国公路及运输协会)行业标准荷载要求,其技术受土壤类型、地形、水文、施工场地大小等干扰小,能满足各种园林绿化植物生长和城市雨洪管理的需要。结构土可大量用于城市休闲绿地,如住宅小区、屋顶花园、城市广场、停车场等,不仅可以大幅度增加城市绿化面积,还可改善硬质路面绿化质量,对城市的绿地生态系统建设具有积极作用。

4.6 不需专门养护

传统硬质路面绿化虽然前期投入少,但后期由于植物长势不佳、路面被根系拱起、浇水频繁等问题会导致各种维护或修缮费用增加。相比较传统的硬质路面绿化,结构土虽然在建设时会额外增加费用,但只要施工质量好,后期几乎不需要额外的养护,也不会发生额外的维护费用。从长远来看,结构土的总体投入未必就比传统硬质路面绿化要高,但生态效益却大大提高,是一种可持续、低维护的绿化种植模式。

5 结构土在我国应用中存在的问题分析5.1 技术上需要解决的问题

5.1.1 检测方法

结构土不同于传统土壤,它的许多指标的测定,如结构土孔隙度的测定,就与我国传统土壤学测定方法不一致,因此其各项指标的检测方法也需要进一步对比研究。只有明确统一了检测方法才能为结构土科学、合理地应用提供技术基础。

5.1.2 质量评价标准

结构土是特殊的绿化技术,科学、合理地评价其性能是确保其应用的基础,因此在对应检测方法的基础上,应该确立各种结构土原材料以及产品质量的评价标准,特别是确立各项指标相对应的评价数值。如原材料的粒径大小、理化性质、养分含量,以及结构土的理化性质、土/石块比例、物质组成等评价指标。针对不同粒径石块组成或者不同立地条件的用途,建立结构土质量评价标准是关键。

5.1.3 现场应用和施工技术要求高

由于立地条件和植物种类不同,结构土使用的深度、范围,以及施工程序也不同,而且不同操作方式对结构土的应用效果影响也很大。根据行道树、广场绿地、居住小区人行道等不同典型硬质路面的绿化特点,确立适宜不同植物、不同立地条件下结构土的现场施工工程要求和技术规程是结构土成功应用的关键所在。

5.2 建设理念的制约

我国的城市建设理念与欧美发达国家差距较大。如欧美等国家的绿化工程非常注重前期和基础设施投入,其地下部分可以占整个绿化投入的50%[29];而在中国,这个比例一般不会超过20%,许多绿化工程甚至都没有考虑土壤改良费用[30]。

5.3 经济发展水平的制约

应用结构土会增加前期的建设成本,以上海的经验,一般结构土的生产造价不低于400元/m3,如果使用较好的花岗岩生产结构土,那么其成本会在800元/m3以上,这还不包括结构土地形开挖和安装的费用。虽然应用结构土的生态效益显著,但直接经济效益甚微,就目前我国经济发展水平而言,要大面积推广应用有一定难度。

5.4 现场施工工序复杂

结构土堆放和施工的程序较复杂,特别是在我国,许多绿化施工往往是在建筑施工之后,而结构土应用必须在道路或广场建设过程中结合建筑施工同时进行。如果按照传统的施工程序,一般是先建筑施工,绿化种植最多预留绿化种植穴,此时再安装结构土则为时已晚,因此硬质路面结构土施工不仅仅是绿化施工单位的工作,还需要建设方整体统筹,协调市政、道路等项目参建方施工的流程。

6 结构土在我国推广应用的建议

结构土在我国的推广应用虽然存在各种问题,但鉴于我国城市化快速发展所引发的城市内涝加剧、绿化景观受限等严峻的现实以及绿化结构土的技术优势和生态效益,其应用前景还是非常广阔的。针对我国国情,要推广这一项新技术,建议从以下几个方面进行努力。

6.1 研发适宜我国应用的结构土技术

在国外,虽然结构土技术已经较为成熟,但在我国其还是一门新技术,而且我国土壤类型和立地条件差异大,应根据不同立地条件和当地资源,研发适宜我国应用的结构土技术。特别是尽量利用当地的废弃物资源,以降低结构土生产成本。

6.2 制定适宜我国应用的结构土应用技术规范

鉴于结构土生产和施工的特殊要求,应汲取国外结构土现成的技术成果和标准规范,尽早制定适宜我国应用的结构土技术标准,以便能更好地指导结构土的生产和具体应用。

6.3 转变建设投资理念,增大前期投入

与传统的绿化种植技术相比,虽然结构土后期维护成本有所降低,但其前期建设成本大大增加。转变传统的低投入、高维护的建设模式,了解结构土是一种低维护、可持续的绿化种植模式,适当增加前期建设费用投资,将结构土预算纳入工程预算,为结构土具体应用提供保障。

6.4 多部门联动共同推进结构土技术的应用

结构土应用不仅局限于绿化行业,还与市政、水务、房地产建设等行业或部门有关,只有几个部门联动,才能使结构土技术更好落实。结构土设计应和市政、道路施工同步,在地形开挖、排水管网铺设和硬质路面铺装的前期就应该多部门联动,布置好结构土施工工序,确保结构土能及时、有效地安装。

6.5 通过重点工程进行示范引领

由于美国华莱士迪士尼公司的引进,香港和上海的迪士尼都成功地应用了结构土技术。一方面我们可以在这2座乐园的现场观测结构土对植物长势的影响,另一方面建议有经济实力的业主在重点区域或对景观质量要求较高的硬质路面上先行先试,通过重点示范引领,让大家了解结构土的技术优势,然后再逐步推广。

6.6 作为海绵城市建设的新技术进行推介

随着海绵城市建设在我国的兴起,各种与海绵城市建设相关的技术得到了大家重视和应用。可以借助我国海绵城市建设的平台,加快结构土的推广应用。

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(编辑/李旻)

作者简介:

伍海兵/1986年生/男/安徽人/硕士/上海市园林科学规划研究院、上海城市困难立地绿化工程技术研究中心工程师/研究方向为城市土壤(上海 200232)

周 坤/1983年生/男/上海人/硕士/上海申迪园林投资建设有限公司工程师/研究方向为城市景观开发与建设(上海 201205)

方海兰/1969年生/女/安徽人/博士/上海市园林科学规划研究院、上海城市困难立地绿化工程技术研究中心教授级工程师/研究方向为城市土壤质量评价与废弃物土地利用(上海 200232)

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