立体绿化塑形基质材料综述
_周青
伴随着中国城市化进程的加速，人与自然环境的关系日趋紧张，城市化带来的高收入与绿色环境稀缺之间的错配，给城市的立体绿化技术发展带来了经济的驱动力。立体绿化充分利用墙体，屋顶等散落空间配置绿色植物，从而起到改善城市生态美化城市景观，蓄存降水，吸收粉尘，缓解热岛效应，降低太阳辐射等作用。
基质具有支撑、保水、透气、保肥几个基本功能，因此立体绿化基质的选择尤为重要。立体绿化基质是由单一或两种以上不同种类的有机物和无机物按一定比例混配组成，具有轻质、通透与保蓄性能好的特性，可以用来代替自然土壤进行立体绿化种植的固型物质。塑形基质是指根据土壤机理与植物生长需求，选取必要的有机物料、天然矿物质等材料有机合成的，亲水透气，气相、液相、固相比合理，适合植物、微生物生长繁育且浇水无物质流出，可工业化生产和任意塑形的多孔人工土壤 。
目前市场上比较流行的立体绿化基质材料分为两大类：一类是不含有机物的，如岩棉基质和酚醛树脂类基质（花泥），根据行业标准 T/CABEE 005-2020《立体绿化栽培基质通用技术标准》 这些基质由于不含有机质不能定义为塑形基质材料；另一类是含有机物的基质，如脲醛树脂类基质（美植砖），聚酯纤维类基质（垒土），聚氨酯类基质（保浮科乐，水弹土，黑绵土），这些基质材料基本符合立本绿化基质材料中对塑形基质的要求。
酚醛树脂型（花泥）
花泥是由美国人 Smithers Oasis 于 1954 年发明，至今已有 60 年制造历史。人们将鲜花插入充分吸水的花泥中，可延长鲜花的寿命，增强插花或花篮的美化及欣赏效果，有利于长途运输的鲜花保鲜（图 1）哔咔PICACG漫画。
图 1 花泥应用场景
花泥主要是由酚醛泡沫制成，1907 年美国化学家巴克兰（Baekeland）提出关于酚醛树脂加压，加热固化的专利实现了酚醛树脂的实用化。花泥所用化合物主要是苯酚和甲醛形成甲阶酚醛树脂，然后添加固化剂、发泡剂、表面活性剂等通过发泡得到花泥。
花泥具有细密多孔的海绵状泡沫体，吸水性、保水性高，但是由于酚醛树脂的泡沫要求开孔，本身材料的脆性大，所以花泥不能够添加其它有机营养物质，因此很难作为一种营养基质来使用，更多的是做为鲜切花保水的载体。
目前很多企业生产的花泥泡沫游离酚和游离甲醛含量高，在质量上花泥泡沫硬度较大、酥脆、掉渣、无弹性、容重大约 20~40 kg/m 3 ，总孔隙度在 90% 以上，通气孔隙度 5%。因为本身没有养分，结构过于脆弱，酚醛树脂型基质的在立体绿化工程中应用并不多见。
岩棉
岩棉基质一般是由 60% 辉绿岩（或玄武岩）、20% 焦碳、20% 石灰石，加上少量炼铁后的矿渣经高温熔融、成形，最后经压缩、固化成特定密度后再裁剪而成。在这个过程中，加入了具有表面亲水作用的黏结剂，酚醛树脂是其中的重要成分，因此也有甲醛（图 2）。
图 2 岩棉基质
农用岩棉容重较小，一般在 60~80 kg/m 3 ，其 总 孔 隙 度 达 到 90% 以 上， 通 气 孔 隙 度 达到 28%， 具 有 良 好 的 透 气 性 和 保 水 性。 经 过1600℃的高温提炼，无菌、无污染，具有吸水和保水性强、无毒无菌、物理特性稳定、质量轻、易搬运等优点。岩棉化学性质是稳定的惰性，不会与营养液发生反应，因此可以快速调整根系环境，给植株根系创造最佳生长环境 ，但同时岩棉本身没有任何有机质，其缓冲性非常弱，造成系统的容错率低，更适合高精度控制的植物工厂生产。
岩棉基质不能自行分解，而岩棉在国内目前还没有有效的回收体系，废弃的岩棉在自然环境中不断受到侵蚀，其表面会容易形成游离硅烷醇（NFS），意大利都灵大学 Francesco Turci 和比利 时 鲁 汶 大 学（UCLouvain）Dominique Lison教授课题组对导致矽肺病的原因进行了多年探索后，发现二氧化硅颗粒表面近乎游离的硅烷醇（Nearly Free Silanols，NFS）是矽肺病的致病元凶，因此，在农业发达国家岩棉的回收利用具有严格要求。目前岩棉在立体绿化工程中主要代替毛毡做为绿化保水材料。
脲醛树脂型
脲醛树脂型塑形基质以美植砖为代表，是近来用于立体绿化的一种基质材料，一般为板块状态，也可留有圆形凹槽，便于苗木移植，使用上便于排布施工（图 3）。基质干燥状态下弯曲力学强度达到 450 kPa，强度高，在水分浸泡后性能下降到 136 kPa。容重在 380 kg/m 3 ，总孔隙度在 60%，通气孔隙率 3% 左右，吸水率可达 160%。
图 3 美植砖
美植砖是在适当温度压力条件下采用压制工艺成型，以农林业废弃物和脲醛树脂为主要成分。脲醛树脂（UF）是尿素与甲醛在催化剂（碱性或酸性催化剂）作用下缩聚成初期脲醛树脂，然后再在固化剂或助剂作用下形成不溶、不熔的固态材料，它在人造板的制造中大量使用，但是由于大量采用脲醛胶，产品的甲醛含量非常高，不适用于密闭环境，固化后胶层老化 ( 水解，热解 )释放的甲醛也是造成甲醛污染的重要来源 。
相关改进的制造方法中采用的是植物大豆胶代替了脲醛胶，这样可以降低甲醛的释放，这在板材工业中已经有实现，但是在塑形基质市场上没有见到相关产品。
另外，美植砖中大量农业废弃物秸秆没有经过充分腐熟处理，在潮湿环境下非常容易产生霉烂变质，这点在室内应用会有影响。目前脲醛树脂类的美植砖由于价格低，施工方便，在护坡、屋顶绿化有大量应用，但是，由于醛含量高，易霉变，一般不用在室内和人密集区。
聚酯纤维型
聚酯纤维型塑形基质材料是采用热塑性聚酯（PET）纤维与有机和无机质材料混合，通过熔融热合而成固体基质材料，类似于美植砖，代表性产品为垒土，也是热压成型的工艺，由于避免使用脲醛胶，垒土的甲醛含量非常低（图 4）。然而在另一方面，由于脲醛胶的渗透力比熔融的PET 树脂更强，因此，美植砖强度更好，垒土非常容易掉落渣土，在水浸泡后垒土的弯曲力学强度由 193 kPa 下降到 78 kPa，大尺寸垒土基质在水浸泡后强度难以承受自重而容易断裂。聚酯纤维型和脲醛树脂型塑形基质都属于压制型基质材料，它们在一次施工之后就难以再次移动。垒土容重在 300 kg/m 3 ，总孔隙度在 76%，通气孔隙率 7% 左右，吸水率可达 230%。
图 4 聚酯纤维型塑形基质
垒土加工需要加热压制，对能源的需要较高，而且由于压制工艺，质品结构相对简单，不能得到相对复杂的制品。垒土的热压加工属于物理变化，它所使用的热塑性材料来源可以是聚酯，聚酰胺、聚丙烯，聚乙烯、乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物等热塑性聚合物材料，而有机质植物纤维可来源于植物秸杆、米糠、锯木粉、干枯的水草、苔藓、藻类等。聚酯纤维型塑形基质材料目前大量应用在护坡、屋顶，甚至可以用于室内绿化 , 是非常流行的一种立体绿化基质材料，强度虽然低于美植砖，但工程应用还是比较方便，甲醛含量非常低，而且后期的养护方便，植物成活率高。
聚氨酯型
这类塑形基质最初是在上世纪拜耳发明聚氨酯材料之后就有国外公司进行园艺种植的尝试， 本 文 最 早 追 溯 到 1959 年 DOW 化 学 的 相关 专 利，1974 年 Bayer 就 有 利 用 聚 氨 酯 开孔 泡 沫 材 料 进 行 种 植 的 技 术， 之 后 GRAVIMECHANICS 公司开始生产出聚氨酯与有机基质混合的塑形材料； 甚至近年来 Huntsman 公司研究发现聚氨酯塑型材料可以用作水稻植株的植物生长基质，由此显著减少甲烷气体的排放（减少温室气体排放） ，国内北京艾方德科技公司甚至开发出可被黄粉虫食用的聚氨酯塑形基质，这将有利于未来太空环境中的应用。哔咔PICACG漫画
目前国内流行的有保浮科乐，水弹土，黑绵土等产品（图 5）。聚氨酯塑形基质主要成份为聚氨酯，有机无机原料，其中有机质原料来源原则上可以是任何农业废弃物，与美植砖，垒土一样属于含有机质的基质材料。一般容重在200~300 kg/m 3 ，总孔隙度达到 90% 以上，通气孔隙度在 23%，吸水率大于 400%，
图 5 聚氨酯塑形基质
聚氨酯塑型基质加工是在常温下可以进行，加工过程利用反应产生的 CO 2 来发泡，同时固化成型，混合物在模具内固化前可自由流动，而后由于 CO 2 在模具内的释放而自增压，不需要额外的加工压力和热能，是较为节省能源的一种加工方式，同时也可以做到任意塑型。从能源利用消耗的角度来说，更加环保。
聚氨酯塑形基质由于分子链结构中的亲水链段在水分作用之下会产生溶胀效应，从而很巧妙地解决了传统土壤存在的保水与透气之间的矛盾：亲水链段起到保水作用，同时，溶胀效应会使基质材料在吸水时所有气孔打开，保证了基质的透气性；失水过程气孔会收缩关闭，减少水分挥发，这种类似呼吸的方式，是一种材料的智能化响应，具有非常独特的优势，这是其它任何一种基质材料所不具备的性能。但是，这也会不可避免地产生失水收缩的问题，这在植物正常生长的水分条件下不会存在收缩现象，只有在极端失水的情况下发生。形变的发生也为我们提供了一种判断植物缺水的方法。如图 6 所示，聚氨酯基质材料在吸水前后的孔隙变化，其中吸水之后孔隙变的更大更深，表示气孔的打开。
图 6 水弹土吸水前后的三维显微图
聚氨酯塑型基质是目前发展最快的一类立体绿化基质材料，由于质量轻，保水性好，透气率高，而且更加干净，可塑性高，能够自由裁剪。目前在国外应用于垂直绿化、屋顶绿化，还可以应用于育苗，创意园艺制品等方面。
以上几种基质材料在水饱和的情况下在力学性能上存在一定的差异，一般来说含有机物的基质材料水饱和情况下力学性能下降比较多，而花泥和岩棉相对力学性能下降比较少（图 7）。
图 7 基质材料含水情况下力学性能下降程度
另外，对于垂直绿化尤其是室内应用方面材料的甲醛含量需要特别关注，几种材料通过定量浸泡在水中 24 h，经过化学衍生之后采用液相色谱检测水中的甲醛含量得到以下结果：
图 8 基质材料甲醛含量
从图 8 可知，由于美植砖采用的是脲醛树脂，因此，其中的甲醛含量远比其它几种材料要高，达到 200 μg/g 以上，而岩棉与花泥都是含有酚醛树脂材料，其甲醛含量也在十几个 μg/g；只有聚氨酯塑形土和聚酯纤维塑形土的甲醛含量小于 5 μg/g。由此来看，绿化场景在室内和人口密集地都要注意尽量选用低甲醛含量的基质，对于蔬菜种植类基质材料的选用，更要注意安全性。
材料科学快速发展的今天，各种各样的种植基质材料应运而生，它们在不同程度上解决了传统土壤的散、易流失、保水差、易板结等问题，同时它们各自也存在不同的缺陷，如成本高，有害物质析出，能耗高等问题有待于进一步解决。然而随着材料科技的发展，立体种植必将充分利用新技术，为多彩的城市生活增添绿色的一笔。
