全 文 ：第 33卷 第 3期 生 态 科 学 33(3): 559−567
2014 年 5 月 Ecological Science May 2014

收稿日期: 2014-01-07; 修订日期: 2014-04-26
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(51278318); 四川省环保厅重点科技支撑课题(2011HB001)和四川省科技厅科技支撑计划(2013SZ0103)
作者简介: 黎小廷(1988—), 男, 四川什邡人, 硕士研究生, 研究方向为生态环境工程, 污染控制, E-mail: s20111310@163.com
*通信作者: 罗鸿兵, 男, 博士, 副教授, 研究方向为市政工程、环境工程、温室效应与碳足迹碳标签等, E-mail: hbluo@sicau.edu.cn

黎小廷, 刘晓玲, 罗鸿兵, 等. 基于市政污泥的拓展型绿色屋顶基质的固碳潜力研究[J]. 生态科学, 2014, 33(3): 559−567.
LI Xiaoting, LIU Xiaoling, LUO Hongbing, et al. Carbon sequestration potential on mixed sewage sludge as substrate on extensive
green roofs[J]. Ecological Science, 2014, 33(3): 559−567.

基于市政污泥的拓展型绿色屋顶基质的固碳潜力研究
黎小廷 1, 刘晓玲 2, 罗鸿兵 3,4,* , 张可 3,4, 黄波 5, 朱春燕 6, 陈凤辉 3,4,
范良千 3,4, 蒋明抒 1
1. 四川农业大学资源环境学院, 成都 611130
2. 四川水利职业技术学院, 成都 611231
3. 四川农业大学土木工程学院, 成都 611830
4. 四川省高等学校村镇建设防灾减灾工程研究中心, 四川农业大学, 成都 611830
5. 四川农业大学建筑与城乡规划学院, 成都 611830
6. 四川农业大学风景园林学院, 成都 611130

【摘要】 为提高固体废弃物资源化利用率, 探索绿色屋顶基质的固碳能力, 推广绿色屋顶的应用, 研究选择混合污泥
土(污泥与自然土等体积混合)和本地自然土作为绿色屋顶的种植基质, 分别修建 20 cm、25 cm 和 30 cm 三个不同厚度的
绿色屋顶 , 进行了一年的对比试验。结果表明: 混合污泥土平均总碳含量较高 , 为(44.33±7.12) g⋅kg–1, 平均总有机碳
(36.02±6.03) g⋅kg–1 高于自然土的总有机碳(19.64±4.3) g⋅kg–1。混合污泥土 TC 与 TOC 含量随土层深度的增加降低规律不
明显, 而自然土比较明显。混合污泥土的碳密度(13.15 kg⋅m–2)是本地自然土(8.58 kg⋅m–2)的 1.53 倍, 一年的固碳量混合污
泥土(3.81 kg⋅m–2)与自然土(3.89 kg⋅m–2)相当, 两者的固碳能力都处于较高水平。可见混合污泥土是一种潜力较大的绿色
屋顶种植基质。若将成都市 34 km2 没有绿化的屋顶面积的 50%选择混合污泥土作为绿色屋顶基质进行推广应用, 成都绿
色屋顶基质每年将增加固碳 6.48×107 kg, 相当于每年减少 CO2 排放量 2.38×108 kg, 利用市政污泥 2.125×106 m3(2.231×106 t),
这将对成都市固体废弃物资源化利用和成都“世界现代田园城市”的建设起十分积极的作用。

关键词：拓展型绿色屋顶; 固碳潜力; 污泥; 总碳; 总有机碳
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2014.03.025 中图分类号：X502 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2014)03-559-09
Carbon sequestration potential on mixed sewage sludge as substrate on exten-
sive green roofs
LI Xiaoting1, LIU Xiaoling2, LUO Hongbing3,4, *, ZHANG Ke3,4, HUANG Bo5, ZHU Chunyan6, CHEN Fenghui3,4,
FAN Liangqian3,4, JIANG Mingshu1
1. College of Resources and Environmental Science, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
2. Sichuan Water Conservancy Vocational College, Chengdu 611231, China
3. College of Civil Engineering, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611830, China
4. Sichuan Higher Education Engineering Research Center for Disaster Prevention and Mitigation of Village Construction, Sichuan
Agricultural University, Chengdu 611830, China
5. College of Architecture and Urban-Rural Planning, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611830, China
6. College of Landscape Architecture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
560 生 态 科 学 33 卷
Abstract: Local-natural soil (LNS) and mixed-sewage-sludge soil (MSSS, equivalent volume of sewage sludge and LNS), were
selected to establish extensive green roof with three substrate depth of 20 cm, 25 cm and 30 cm from July 2012 to June 2013 in this
study, in order to improve the reuse rate of solid waste, to investigate the carbon sequestration potential of green substrates and to
expand the application of green roof. The results show that total carbon (TC) content of MSSS was (44.33 ± 7.12) g·kg–1 and total
organic carbon (TOC) content of MSSS was (36.02 ± 6.03) g·kg–1 with a higher level than TOC content of LNS (19.64 ± 4.3) g·kg–1.
It’s found that TC and TOC content of MSSS was not obviously decreased with the increasing green roof substrate depth, while TC
and TOC content of LNS significantly decreased with the increasing green roof substrate depth. Carbon density of MSSS (13.15
kg·m–2) was 1.53 times than LNS (8.58 kg·m–2), while carbon sequestration of LNS (3.89 kg·m–2) was very close to that of MSSS
(3.81 kg·m–2) in the one-year experiment. Both MSSS and LNS were in a high level of carbon sequestration. It’s evident that MSSS
should be considered as a kind of high potential green roof substrate. If 50 % of the none-greening roof areas (34 km2) will be
applied in green roofs using MSSS as its substrate in Chengdu City, green roofs will sequestrate carbon 3.24×107 kg·a–1,
equivalently reduce CO2 emission 1.19×108 kg·yr–1 and reuse sewage sludge 2.125×106 m3 (2.231×106 t), which will make a great
contribution to improving the resource utilization of solid waste in Chengdu City and the construction of Chengdu World-class
Modern Garden City.
Key words: extensive green roof; carbon sequestration ability; sewage sludge; TC; TOC
1 前言
随着现代城市化进程的加快, 城市面积不断增
大, 高楼大厦、产业园区、城市人口的不断增加, 人
们起来越担心这可能造成城市绿化不足、城市热岛
效应、耕地减少、乡村逐渐退化等不良后果。屋
顶作为城市建筑的第五面 [1], 有着庞大的可利用
面积, 国内外许多学者都已经意识到了这一宝贵的
空间资源纷纷开始进行绿色屋顶的研究。研究结果
表明, 绿色屋顶有着十分理想的改善环境综合效应
的能力[1–4]。
然而, 绿色屋顶能不能充分发挥其环境效应与
绿色屋顶基质有很大的关系[5], 特别是基质的有机
碳含量[6]。基质有机碳在很大程度上影响着基质结
构的形成和稳定性、基质的持水性能和植物营养的
生物有效性以及基质的缓冲性能和生物多样性, 能
直接影响基质肥力和植被的生长[7]。
同时, 我国面临严峻的固体废弃物处理现状, 其
中市政污泥的处理处置尤为严峻。近年来, 我国平均
年产污泥量约 1000 万吨, 资源化利用仅占 19%, 63%
为陆地填埋, 仍有 14%的污泥未得到任何处理[8–10]。
因此, 本文选择混合污泥土(污泥与自然土等体积混
合)和本地自然土作为绿色屋顶基质并进行对比研
究, 主要研究内容包括: (1) 对比分析两种基质的总
碳与总有机碳特征; (2) 分析两种基质的固碳能力;
(3) 探讨混合污泥土作为绿色屋顶基质应用的潜在
效果。这不仅能为特定地区与条件下的绿色屋顶提
供基础数据; 还能增加城市绿化面积, 提高市政污
泥的资源化利用, 同时还能为成都现代田园城市的
建设提供参考或指导价值。
2 材料与方法
2.1 研究区概况
本研究区选择在成都都江堰市的四川农业大
学都江堰校区土木工程学院(原城乡建设学院)楼顶。
都江堰市属于四川省成都市行政范围, 地处北纬
30°44′—31°22′, 东经 103°25′—103°47′, 海拔一般在
600—1200 m之间, 属中亚热带湿润气候, 四季分明,
夏无酷暑(极端最高气温 32 ℃), 冬无严寒(极端最低
气温–5℃, 不常见), 气候宜人。年平均气温 15.2 ,℃
1月份平均气温最低4.6 , 7℃ 月份平均气温最高24.7 ℃。
年均降水量 1200 mm, 年均无霜期 280 d[11]。
2.2 材料
试验选择两种基质(污泥土、本地自然土, 见图
1)用于绿色屋顶研究, 其基本性质见表 1, 相关性质
测定方法与仪器见表 2。污泥土是由经无害化、脱
水处理过的市政污泥与自然土等体积混合而成, 来
自成都高新西区污水处理厂。市政污泥本身含有相
当高的氮、磷养分, 钾的含量相对自然土少一些, 其
次, 污泥的总碳与总有机碳含量也远远高于自然
土。经等体积均匀混合得到的混合污泥土同样有较
高的总碳、总有机碳含量和养分状况。
2.3 方法
2.3.1 绿色屋顶营建方法
不同类型的屋顶营建方法不同, 本次研究针对
平面屋顶(坡度≤10%), 采用国内外先进成熟的绿
色屋顶设计营建技术并考虑楼面实际情况、当地气
候条件, 对绿色屋顶进行合理设计与建造。
3 期 黎小廷, 等. 基于市政污泥的拓展型绿色屋顶基质的固碳潜力研究 561

图 1 绿色屋顶原始基质 (a. 本地自然土; b. 市政污泥; c. 混合污泥土)
Fig. 1 Initial substrates of green roof. a. local-natural soil (LNS); b. municipal sewage sludge (MSS); c. mixed-sewage-
sludge soil (MSSS, equivalent volume of LNS and MSS)
表 1 绿色屋顶原始基质基本理化性质
Tab. 1 Basic physicochemical properties of initial substrates
类型 容重/(g·cm–3) 含水率% pH TC /(g·kg–1) TOC /(g·kg–1) TN/(g·kg–1) TP/(g·kg–1) TK/(g·kg–1)
本地自然土 1.25±0.08 20.6—31.0 6.36±0.28 16.58±3.22 12.16±0.58 12.3±1.34 2.3±0.18 17.6±2.21
混合污泥土 1.15±0.07 42.3—53.6 6.78±0.35 76.5±13.5 55.6±6.3 15.6±1.88 8.71±1.03 12.8±1.45
污泥 1.05±0.09 65.1—75.0 7.21±0.43 136.5±23.7 108.3±12.1 22.6±2.35 15.1±1.89 8.2±0.68
表 2 基质理化性质分析方法和仪器
Tab. 2 Analysis methods and instruments of green roof substrates physicochemical properties
分析项目 分析方法 分析仪器
容重 环刀－重量法 Denver T214 分析天平
pH 玻璃电极法 PB－10 酸度计
总碳(TC) 催化氧化法
总有机碳 (TOC) 20%盐酸酸化烘干－催化氧化法
全氮(TN) 硫酸、高氯酸消煮－催化氧化法
碳/氮分析仪(品牌: Analytik Jena AG; 产地: 德
国; 型号规格: multi N/C 2100, HT 1300)
全磷(TP) 硫酸、高氯酸消煮－钼锑抗分光光度法 全自动间断化学分析仪 (品牌: Seal Analytical; 产地: 英国)
全钾(TK) 氢氟酸、高氯酸消煮－火焰原子吸收分光光度法 原子吸收分光光度计(品牌: 普析通用; 型号: TAS－990)

按照典型规范的绿色屋顶设计要求, 设计包括:
防水层、排水层、过滤层、基质层、植株层[11], 因
此, 本研究拓展型绿色屋顶结构设计见图 2a, 试验
区域设置两个 4.5 m×3 m 的绿色屋顶(GF-A, GF-B),
GF-A 和 GF-B 分别对应的基质是本地自然土和混合
污泥土, 并且将每个绿色屋顶分成基质厚度为 30 cm,

图 2 绿色屋顶结构设计与分布图(a. 绿色屋顶垂直结构剖面图; b. 绿色屋顶样地水平分布图: L30、L25、L20 表示本地自然
土厚度 30 cm、25 cm、20 cm; M30、M25、M20 表示混合污泥土厚度 30 cm、25 cm、20 cm).
Fig. 2 Space distribution of green roof (GF). a. Vertical structure of GFs; b. Horizontal layout of GFs: L30, L25, L20 are
local-natural soil (LNS) depth of 30 cm, 25 cm and 20 cm, respectively; M30, M25, M20 are mixed-sewage-sludge soil (MSSS)
depth of 30 cm, 25 cm and 20 cm, respectively.
562 生 态 科 学 33 卷
25 cm, 20 cm 的三个小样地, 如图 2b 所示。其中
L30、L25、L20 表示本地自然土厚度 30 cm、25 cm、
20 cm; M30、M25、M20 表示混合污泥土厚度
30 cm、25 cm、 20 cm。这 6 个不同厚度的拓展型
屋顶植物均同时种植本土植物麦冬 (Ligustrum
vicaryi)、肾蕨(Nephrolepis auriculata)、金叶女贞
(Liriope spicata)。
2.3.2 样品采集与处理方法
试验从 2012 年 7 月到 2013 年 6 月, 为期 1 年,
每月对研究区两个绿色屋顶基质随机设置采样点,
每种基质中的三个不同基质厚度的样地各设置采样
剖面一个, 每个采样点按基质厚度每 5 cm 取一个土
样, 即: 基质厚度为 30 cm 分 6 层; 基质厚度 25 cm
分 5 层; 基质厚度 20 cm 分 4 层。研究区每月(25 或
26 号)对每种基质的三个样地采集样品 15 个, 每月
共 30 个土样。植物样采集时间为试验后期 (2013 年 6
月底), 包括麦冬(Ligustrum vicaryi)、肾蕨(Nephrolepis
auriculata)、金叶女贞(Liriope spicata)的地上部分和
地下部分。试验一年共计 378 个样品, 其中土样 360 个,
植物样 18 个。土样经自然风干后, 磨碎, 过 0.15 mm 尼
龙筛, 保存。植物在 85 ℃的烘箱中烘干, 用粉碎机
粉碎后, 直接保存。
2.3.3 绿色屋顶基质固碳计算方法
基质的碳密度是一定范围内基质中有机碳的储
存大小, 绿色屋顶基质碳密度计算公式为[12]:
C SOC BD Hi i i i= × × (1)
其中, Ci为绿色屋顶 i基质碳密度(kg·m−2), SOCi为绿
色屋顶 i 基质的平均总有机碳含量(g·kg−1); BDi 为绿
色屋顶 i基质的容重(g·cm−3); Hi为绿色屋顶 i基质层
平均厚度(m)。
基质的固碳量是一定时间和范围内对有机碳的
封存量, 绿色屋顶基质固碳量计算公式为:
( )E BC SOC SOC BD Hi i iiΔ = − × × (2)
其中, CiΔ 为绿色屋顶 i 基质的一年的固碳量(kg·m–2);
SOCE 为试验结束绿色屋顶 i 基质的有机碳含量
(g·kg–1); SOCB为试验开始绿色屋顶 i 基质有机碳含
量(g·kg–1)。
绿色屋顶推广后基质固碳计算方法:
C C S Ni i′ ′= Δ × × (3)
其中 , Ci′ 为 绿色屋 顶 推广后 基 质固碳 总 量
(kg), CiΔ 为试验中基质的一年的固碳量(kg m–2), S′
为绿色屋顶推广应用的面积(m2), N 为年限。
2.3.4 样品测定与数据分析方法
试验用分析天平(Denver, T140)测定了植物的生
物量包括地上部分与地下部分的干重; 用碳氮分析
仪(Multi C/N 2100, HT1300, 德国, 耶拿)测定样品
的总碳(TC)与总有机碳(TOC), 为保证数据的准确
性, 每个样品均平行测定三次, 取平均值。数据分析
采用软件 Excel 2003, 用 SPSS17.0 分析数据的差异
显著性。
3 结果与讨论
3.1 绿色屋顶基质不同深度总碳(TC)的特征
基质不同深度 TC 年平均含量分布情况见图 3。
在三个不同厚度的自然土中, 基质深度 10 cm 以上
时, TC 含量表现为 L30>L20>L25, 而在 10 cm 以下

图 3 绿色屋顶基质不同深度的总碳(TC)特征
Fig. 3 Characteristic of substrate total carbon (TC) in different depths on extensive green roofs
3 期 黎小廷, 等. 基于市政污泥的拓展型绿色屋顶基质的固碳潜力研究 563
呈现 L30>L25>L20。在污泥土中, M25 和 M20 的 TC
含量在 10 cm 处最高; 三个厚度基质的 TC 含量在
20 cm 处也较高。同一深度下, TC 含量统一表现为
M20>M25>M30。另外, 污泥土中基质厚度越小, TC
含量较大, 而在自然土中差不多呈相反规律。其原
因可能在于污泥土中微生物活跃, 土层越薄有利于
TC 的迁移; 而自然土性质相对稳定。总体来说, 两
种基质的 TC 含量都有随土层深度增加而下降的趋
势, 主要可能是因为表层土受植物凋落物的影响而
TC 含量较高, 同时, 植物根系和微生物的活动影响
着 TC 向下迁移的程度。
3.2 绿色屋顶基质不同深度总有机碳(TOC)的特征
基质不同深度 TOC 年平均含量分布情况见图
4。在自然土同一深度下, 除 5 cm 处 TOC 含量表现
为 L25>L30>L20 外, 其它都是 L30>L25>L20。在混
合污泥土同一深度下, 15 cm 以上时, 可以看出基质
的厚度越厚 TOC 含量越低, 即: M20>M25>M30; 在
15 cm 以下时, TOC 含量与 15 cm 以上规律恰好相
反。相比两种基质, TOC 含量在不同基质厚度中都
呈现出随深度增加而减小的趋势, 这一规律较 TC
的更为明显。原因是 TC 中含有的极不稳定的无机
碳会大大影响基质中 TC 含量的分布; 而相同基质
与环境条件下, TOC 的变化则要稳定得多。
3.3 绿色屋顶基质 TC 含量与分析
三个不同厚度下本地自然土和混合污泥土的 TC
月平均含量变化如图 5。三个厚度下自然土的 TC 含量
随时间呈上升趋势明显, 线性关系为: L30, y = 1.278x +
17.53(R² = 0.502); L25, y = 0.994x + 18.20(R2 = 0.639);
L20, y = 1.329x + 16.05(R² = 0.749); 而污泥土的 TC
含量随时间波动较大, 不成线性关系, 但表现出非

图 4 绿色屋顶基质不同深度的总有机碳(TOC)特征
Fig. 4 Characteristic of substrate TOC in different depths on extensive green roofs

图 5 基质月平均总碳含量 (a. 本地自然土; b. 混合污泥土)
Fig. 5 Monthly average TC contents in three substrate depths of local-natural soil (a) and mixed-sewage-sludge soil (b)
564 生 态 科 学 33 卷
线性(多项式)关系, 相关系数为: M30 (R² = 0.479); M25
(R2 = 0.580); M20 (R² = 0.573)。一方面是因为取自
农田的经常耕种的自然土性质较为稳定, 植物生长
也趋于自然; 另一方面则是因为污泥土的特殊成分,
微生物活动频繁, 植物猛长所致。同时不难看出, 春
夏季随着气温回升, 可能由于微生物的频繁活动使
得污泥土中的 TC 含量增加, 而到了秋冬季节污泥土
的 TC 含量变化趋于平静。另外, 混合污泥土的 TC
平均含量从 2012 年 7 月的 43.98 g·kg−1增加到 2013
年 6 月的 55.95 g·kg–1, 增幅为 28.9%, TC 年平均含量
为 (44.33±7.12) g·kg–1; 本地自然土的TC平均含量变化
为 18.88 g·kg–1 (2012 年 7 月) 到 32.13 g·kg–1 (2013 年 6
月), 增幅为70.2%, TC年平均值为(25.07± 5.51) g·kg–1;
绿色屋顶污泥土的 TC 年平均含量是本地自然土的
1.77 倍, TC 年平均增幅却只有本地自然土的 2/5。
3.4 绿色屋顶基质 TOC 含量与分析
三个不同厚度下本地自然土和混合污泥土的
TOC 月平均含量变化如图 6。混合污泥土的月平均
TOC 含量在 26.06—47.82 g·kg–1 之间, 年平均含量
为(36.02± 6.03) g·kg–1; 本地自然土的TOC月平均含
量在 11.92—28.59 g·kg–1 之间, 年平均含量为(19.64±
4.3) g·kg–1, 混合污泥土的 TOC 年平均含量是本地自
然土的 1.83 倍。另外, 自然土的平均 TOC 含量随时
间呈线性增长明显, L30: y = 1.234x + 12.18(R² =
0.722); L25: y = 1.144x + 12.13(R2 = 0.583); L20, y =
1.341x + 9.915(R² = 0.731)。而混合污泥土的平均 TOC
含量随时间波动, 线性差, 但表现出非线性(多项式)
关系, 相关系数为: M30(R² = 0.655); M25(R2 = 0.739);
M20(R² = 0.777)。自然土的 TOC 含量随时间的线性
关系和 TC 接近, 原因也相当; 混合污泥土的 TOC
与时间的相关关系(非线性)较TC更好, 相关系数R²
在 0.7 左右。但不同的是, 污泥土中春夏季时 TOC
含量有一定的下降, 与 TC 规律相反, 最可能的原因
是这一时期微生物活动和植物的生长利用了混合污
泥土中的 TOC 同时产生了不少的无机碳; 秋冬季
TOC 与 TC 变化接近, 缓慢增加。
在此一年的试验中, 自然土中 TC 与 TOC 的含量
随时间呈一定的线性关系, 混合污泥土中 TC 与 TOC
呈非线性关系波动增加。土壤 TOC 含量与植物、基质
种类, 气候环境条件, 微生物及人为活动等有关[6−7]。
土壤TOC含量是一个动态变化而复杂的过程, 而本次
试验仅得到了植物从幼苗生长开始的一年时间基质
的TC与TOC变化规律, 由于植物在一个快速生长阶
段, 其对基质的 TC 和 TOC 含量影响较大, 因此, 还
需要长时间的更加深入地研究绿色屋顶基质的碳变化
规律。
国内学者研究发现: 中国黄土高原地区黄土的
TOC平均含量为6.89 g·kg–1 [13]; 农耕土为14.85 g·kg–1,
草地土 18.89 g·kg–1, 林地土 20.35 g·kg–1 [14]; 火山灰
土 69.3 g·kg–1, 始成土 67.3 g·kg–1 [15]。国外学者发现:
欧洲国家中土壤 TOC 含量分布为斯洛文尼亚最低
13 g·kg–1, 爱尔兰高达 133 g·kg–1; 塞尔维亚、丹麦、
保加利亚、波兰等国家在 20 g·kg–1左右[16]。土壤TOC
不仅受温度, 有机配合物影响, 还和成土过程, 植
被类型, 海拔高度有关[17]。很明显, 绿色屋顶两种基
质的 TOC 含量比起火山灰土和始成土还是略低, 但

图 6 不同厚度的两种基质 TOC 含量 (a. 本地自然土; b. 混合污泥土)
Fig. 6 TOC contents of local-natural soil (a) and mixed-sewage-sludge soil; (b) in three different depths
3 期 黎小廷, 等. 基于市政污泥的拓展型绿色屋顶基质的固碳潜力研究 565
仍处于比较高的水平。
3.5 绿色屋顶基质 TC 与 TOC 的关系
绿色屋顶两种基质三个不同厚度的年平均TC与
TOC 含量关系如图 7(图中相同小写字母表示差异不
显著, P>0.05; 不同小写字母表示差异显著, P<0.05)。
混合污泥土的三个厚度中的 TC 和 TOC 年平均含量
都比自然土高, 并且差异显著(P<0.05, n=12), 而且
两种基质 TOC 所占 TC 的比例都相当高, 在 80%左
右。另外, 在同一种基质中, 不同基质厚度下的 TC 和
TOC 平均含量各自十分接近, 差异性不显著(P>0.05,
n=12), 说明基质的 TC 与 TOC 含量与基质层厚度关
系不大, 只与基质自身性质有关。
3.6 绿色屋顶基质的固碳能力
污泥有着丰富的营养成分, 经处理过的污泥用

图 7 三个厚度下混合污泥土与本地自然土年平均 TC 与
TOC 含量 (图中相同小写字母表示差异不显著, P>0.05; 不
同小写字母表示差异显著, P<0.05)
Fig. 7 Annual average TC and TOC contents of MSSS and
LNS in three substrate depths. The same lowercase express
no significant difference (P>0.05); different lowercase express
the significant difference (P<0.05)
于绿化能增加基质养分, 大大促进植物的生长。高
定[18]发现污泥堆肥后, 草坪基质的理化性质得到改
善, 养分增加, 草坪草的叶绿素含量和生物量显著
增加, 没有明显的盐分和重金属累积现象; 王硕[19]
得到堆肥后的污泥的病原体大量减少, 重金属形态
改变, 用于城市园林绿地的环境效益与经济效益并
存。唐鸣放[20]发现污泥经改性粉煤灰钝化处理后作为
基质, 能明显提高佛甲草叶绿素含量, 并且其提出了
利用污泥等作为屋顶轻型基质来发展屋顶绿化将成
为今后的趋势。现今, 绿色屋顶越来越受到人们的关
注, 经处理过的污泥用作绿色屋顶基质已成为学者
们的研究热点。国外学者研究发现: 污泥与粘土混合
的绿色屋顶基质的理化性质(有机质含量、pH、松散
密度、颗粒密度、保水能力、空隙率、重金属等), 符
合绿色屋顶规划要求[21]; 几种绿色屋顶基质中, 经灼
烧后的污泥对楼板的减热效应最好, 同时进行适当
的浇灌, 减热效应达 91.6%[22]。国内学者对污泥在绿
色屋顶的应用甚少, 由于污泥用于绿色屋顶基质得
到了广泛的认可, 本试验选择污泥与自然土的混合
基质对比本地自然土, 研究其固碳能力有重要意义。
基质的固碳能力是基质对有机碳的封存能力,
本研究中测定了试验前后基质的有机碳含量, 计算
得到两种基质不同厚度下的固碳能力(见图 8)。基质
TOC的含量变化决定了基质固碳量的多少, 显然(图
8a), 自然土中厚度越大固碳量越多; 混合污泥土三
个厚度中固碳量却与自然土的规律相反, 一方面是
因为混合污泥土本身 TOC 含量较高, 成分复杂; 另
一方面是因为植物的生长情况对基质的 TOC 含量
影响较大。图 8b 中是两种基质的平均碳密度和一年


图 8 基质的固碳量 (a. 不同基质厚度的两种基质固碳情况分布; b. 两种基质平均固碳情况), (图中相同小写字母表示差异不
显著, P>0.05; 不同小写字母表示差异显著, P<0.05)
Fig. 8 Substrate organic carbon (SOC) sequestration. a. SOC sequestration of LNS and MSSS in three substrate depths; b.
mean SOC sequestration of LNS and MSSS. The same lowercase express no significant difference (P>0.05); different lowercase
express the significant difference (P<0.05)
566 生 态 科 学 33 卷
的固碳量 (图中相同小写字母表示差异不显著 ,
P>0.05; 不同小写字母表示差异显著, P<0.05): 混合
污泥土自身 TOC 含量较高致使其平均碳密度高于
本地自然土, 两者差异性显著(P<0.05, n=3), 而两者
的固碳量却相近; 这是因为基质在实验过程中平均
TOC 的增长量相当, 与基质自身性质密切相关, 今
后将进一步深入的研究。
国内外学者对自然土的固碳能力研究甚多: 森
林土壤(土层厚度 1 m)平均碳密度为 18.9 kg·m–2, 草地
与农田分别为 11.6 kg·m–2和 9.5 kg·m–2 [12,23], Kenneth
R[24]发现美国农耕地土壤(75 cm)在耕种与免耕情况
下固碳量分别为5.21和5.14 kg·m–2; Farage[25]对比尼
日利亚与阿根廷热带旱地土壤 (厚度不详)碳密度分
别为 0.98 kg·m–2 和 5.2 kg·m–2; 而日本温带落叶性森
林基质[21](135 cm)中的碳密度高达 33.36 kg·m–2。本次
试验绿色屋顶基质(平均25 cm厚)碳密度分别为: 污
泥土 13.15 kg·m–2; 自然土 8.58 kg·m–2, 处于中等水
平; 且不同基质类型的碳密度差异较大, 基质厚度
对碳密度也有较大的影响。
经过一年的试验, 绿色屋顶两种基质的固碳量
分别为混合污泥土 3.81 kg·m–2; 自然土 3.89 kg·m–2,
而国内外研究得到: 固碳能力最强的湿地生态系统基
质的年平均固碳量为4.2 kg·m–2[27], 而美国农耕地的年
平均固碳量为 116 g·m–2, 甚至有些地区出现负增长情
况[24], 我国耕地土壤的年平均固碳量只有 38 g·m–2[12]。
明显两种基质应用于绿色屋顶中固碳能力较强, 也
说明混合污泥土作为绿色屋顶的基质具有较大的潜
力, 这对绿色屋顶的推广与提高固体废弃物资源化
利用有十分积极的作用。
3.7 绿色屋顶基质对植物的影响
基质是植物生长的基础, 基质的种类与厚度能
影响植物的生长[5−6,14]。本次试验对比研究了绿色屋
顶中植物(麦冬 Ligustrum vicaryi、肾蕨 Nephrolepis
auriculata、金叶女贞 Liriope spicata)在三个不同厚
度的两种基质中的生长情况, 植物生物量分布情况
如表 3。肾蕨的生长与基质种类和厚度有关; 麦冬与
金叶女贞在三个厚度的相同基质中的生物量相差不
大, 但在混合污泥土中的生物量都要比在自然土中
的生物量大, 说明本次试验的基质层厚度对该两种
植物的生长影响不大, 而基质本身的有机碳与养分
含量才是影响植物生长的关键。结果表明植物在本
地自然土和混合污泥土中生长都较好, 尤其在混合
污泥土中更为茂盛。污泥投加于自然土中增加了基
质的含水量与养分含量, 大大地促进了植物的生长,
因此, 混合污泥土可认为是一种优良的种植基质。
3.8 基于混合污泥土的绿色屋顶基质固碳估算
成都市有38平方公里的屋顶面积, 其中完全绿化
的屋顶面积仅占 1.9%, 局部绿化的屋顶面积占 8.8%,
剩下 89.3%的屋顶面积(34 km2)根本没有绿化[28]。本
文对绿色屋顶基质固碳量估算作如下假设: (1) 将本
次研究中的混合污泥土用于绿色屋顶基质进行推广
应用; (2) 成都市剩余的 34 km2的屋顶面积有 50%进
行绿化; (3) 推广应用的基质层平均厚度为 25 cm。计
算结果为: 成都绿色屋顶基质每年将新增加固碳
6.48×107 kg, 相当于每年减少 CO2排放量 2.38×108 kg;
同时, 还可以资源利用市政污泥 2.125×106 m3 (2.231×
106 t), 这表明混合污泥土作为绿色屋顶基质的环境效
应十分巨大, 并将对成都固体废弃物资源化利用和成
都“世界现代园田城市”建设起到十分积极的作用。
4 结论
在应用于绿色屋顶的两种基质中, 混合污泥土
TC 与 TOC 含量随土层深度的增加降低规律不明显,
而自然土比较明显。混合污泥土的 TC 和 TOC 含量
比自然土高, 两者的 TOC 所占 TC 的比例均在 80%
左右。这两种基质的 TOC 含量处于世界的中等水平,
两者的固碳能力表现为混合污泥土的平均碳密度
(13.15 kg·m–2)高于本地自然土(8.58 kg·m–2); 一年

表 3 不同基质与厚度下植物生物量分布 (g)
Tab. 3 Plants biomass distribution in different green roof substrates and depths (g)
本地自然土 混合污泥土
植物
L30 L25 L20 M30 M25 M20
麦冬 15.7 18.3 21.7 38.6 36.2 41.0
肾蕨 72.7 54.5 36.3 34.2 35.6 32.8
金叶女贞 214.3 221.4 231.5 329.9 341.9 316.1
3 期 黎小廷, 等. 基于市政污泥的拓展型绿色屋顶基质的固碳潜力研究 567
试验本地自然土的固碳量(3.89 kg·m–2)与混合污泥
土(3.81 kg·m–2)十分接近, 两者的固碳能力都处于较
高的水平。植物移栽经一个月后, 在本地自然土和
混合污泥土中生长都较好, 尤其在后者中更为茂
盛。污泥投加于自然土中增加了基质的含水量与养
分含量, 大大地促进的植物的生长, 因此, 污泥土
可认为是一种优良的种植基质。
若选择混合污泥土作为绿色屋顶基质进行推广
应用, 将成都市 38 平方公里屋顶面积中没有屋顶绿
化的 34 平方公里进行 50%的绿化, 成都绿色屋顶基
质每年将固碳 6.48×107 kg, 相当于每年减少 CO2排
放量 2.38×108 kg; 同时, 还可以资源利用市政污泥
2.125×106 m3 (2.231×106 t), 这能充分体现混合污泥
土作为绿色屋顶基质的环境效应, 并且将对成都固
体废弃物资源化利用起十分积极的作用。
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