室內(nèi)滴灌條件下苔蘚植物生長(zhǎng)規(guī)律研究與應(yīng)用

曹林濤　蔡永龍

摘要：通過試驗(yàn)研究了室內(nèi)滴灌條件下苔蘚植物的生長(zhǎng)規(guī)律及室內(nèi)除塵應(yīng)用的可行性。以襯底基材、襯底傾斜角度、滴灌速率、補(bǔ)水間隔以及用水量等作為影響因素，研究了各因素在室內(nèi)滴灌條件下對(duì)苔蘚生長(zhǎng)的影響;通過粉塵吸附試驗(yàn)，驗(yàn)證了苔蘚植物的室內(nèi)吸塵效率及室內(nèi)除塵應(yīng)用的可行性，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種基于苔蘚培植的粉塵吸附裝置。結(jié)果表明，平放的襯底基材，尤其是木板最有利于苔蘚植物生長(zhǎng);供水速度宜適度，潤(rùn)濕苔蘚植物為佳;補(bǔ)水間隔越小對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)越有利，最佳補(bǔ)水間隔為2 d;當(dāng)供水速率為0.9 mL/min，苔蘚植物單位面積需水量應(yīng)在2.0 L/（cm2·d）左右;濕潤(rùn)苔蘚具有吸塵效果。

關(guān)鍵詞：苔蘚植物;滴灌;生長(zhǎng)規(guī)律;吸塵;室內(nèi)綠化

中圖分類號(hào)：Q949.35? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）15-0080-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.018? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on the growth rhythm of bryophytes and its application

under indoor drip irrigation condition

CAO Lin-tao1，CAI Yong-long1，2

（1.School of Engineering and Architecture，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang 441053，Hubei，China;

2.School of Civil Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian 710055，China）

Abstract： The experiment was conducted to study the growth rhythm and the application feasibility in dust absorption of bryophytes under indoor drip irrigation condition. Substrates， substrate tilt angle， drip speed and replenishment interval as factors on the growth of moss plants were studied under indoor drip irrigation condition. The indoor dust suction and the application feasibility in dust absorption of bryophytes were verified through experiments of dust adsorption， and a dust adsorption device was designed based on moss cultivation. The results showed that the flat substrate， especially the plank， was most conducive to the growth of bryophytes. When the speed of water supply was moderate， the wet bryophytes grew well. When the replenishment intervals was smaller， the effect on the growth of moss plant were more favorable， and the optimal replenishment intervals was two days. Under the water supply rate of V=0.9 mL/min， water content of bryophytes unit area should be approximately 2.0 L/（cm2·d）. It was confirmed that the wet bryophytes had better dust absorption effect.

Key words： bryophytes; drip irrigation; growth rhythm; dust absorption; indoor greening

伴隨城市化快速推進(jìn)，汽車交通、土木工程建設(shè)等導(dǎo)致的城市空氣污染對(duì)居民身體健康與生活質(zhì)量構(gòu)成越來越大的威脅。國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施情況考核辦法（試行）》，規(guī)定將各地區(qū)PM2.5或PM10年均濃度下降比例作為考核指標(biāo)，并針對(duì)工業(yè)廢氣制定了國(guó)家或地方相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把控和監(jiān)測(cè)。

苔蘚植物具有綠色喜水持水特性[1-3]，研究表明苔蘚可以吸收空氣中的有毒重金屬微粒[4-7]，已被成功地用作重金屬大氣沉積的生物標(biāo)志，并在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面得以廣泛應(yīng)用[8-11]。苔蘚植物只有假根，主要從空氣中獲得營(yíng)養(yǎng)，緩慢的生長(zhǎng)速率有助于在更長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)積累污染物。國(guó)外相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)苔蘚植物具有吸收和消化煙霧中微小顆粒（PM2.5）的功能，并對(duì)微量元素具有吸附持留作用[12，13];杜慶明等[14]通過苔袋試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)苔蘚可吸附并持留大量的顆粒物及其他污染物，具有良好的降塵效果及空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能。鑒于苔蘚特有的生態(tài)功能，苔蘚植物的室內(nèi)綠化也成為一個(gè)新興的應(yīng)用領(lǐng)域，劉沨等[15]、周濤平[16]通過調(diào)查及種植試驗(yàn)分析了苔蘚在室內(nèi)綠化的應(yīng)用情況與形式;劉艷等[17]指出相對(duì)濕度與林冠郁閉度是影響苔蘚植物的主要環(huán)境因子，可據(jù)此在室內(nèi)構(gòu)造苔生環(huán)境。為此，本文通過室內(nèi)滴灌試驗(yàn)研究多個(gè)因素對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)的影響規(guī)律，同時(shí)設(shè)計(jì)了吸附試驗(yàn)進(jìn)行苔蘚植物的室內(nèi)除塵效果研究，進(jìn)而提供苔蘚在室內(nèi)的培植技術(shù)參數(shù)，并設(shè)計(jì)基于苔蘚培植的粉塵吸附裝置，為苔蘚植物在室內(nèi)綠化以及除灰降塵等方面的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，有利于室內(nèi)空氣的凈化及居室環(huán)境的改善。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)材料

為探究室內(nèi)滴灌條件下苔蘚植物的生長(zhǎng)規(guī)律，將襯底基材、襯底傾斜角度、滴灌速率、補(bǔ)水間隔以及用水量作為參考變量，研究其對(duì)苔蘚生長(zhǎng)的影響。襯底基材的選取考慮質(zhì)地與粗糙度兩方面的差異，要求輪廓規(guī)整，具備相對(duì)平整的上下表面;其中質(zhì)地對(duì)比材料包括木板、磚塊、石塊[18]等，粗糙度對(duì)比材料包括灰砂磚、石塊以及瓷磚。苔蘚植物取自隆中山體陰暗潮濕的混凝土溝渠，另外準(zhǔn)備細(xì)線、醫(yī)用滴管、塑料瓶及掛鉤等輔助設(shè)施，以自來水作為苔蘚植物的生長(zhǎng)用水。粉塵吸附試驗(yàn)取隆中山體干土作為粉塵模擬原始材料，利用電風(fēng)扇、硬紙板、篩子、木凳等工具創(chuàng)造粉塵模擬環(huán)境，最后借助膠頭滴管、燒杯、鋁盒、烘箱以及分析天平等進(jìn)行粉塵吸附結(jié)果的評(píng)測(cè)。

1.2? 樣品處理

將取自混凝土溝渠的新鮮苔蘚用清水洗滌多次，清除其上粘附的雜質(zhì)，并將清洗干凈的苔蘚植物分成大小相等的若干份;在襯底基材上表面標(biāo)出面積相等、形狀相同的苔蘚鋪放區(qū)域，進(jìn)而將各份處理好的苔蘚植物均勻平鋪于襯底基材上相應(yīng)區(qū)域，特殊條件下利用準(zhǔn)備好的細(xì)線將苔蘚植物系在襯底基材上予以固定。用木錘對(duì)取自隆中山體的干土進(jìn)行反復(fù)捶打制出細(xì)灰，除去草根、石子等雜質(zhì)，并用0.25 mm土篩篩出備用。

1.3? 試驗(yàn)方法

1.3.1? 室內(nèi)滴灌條件下苔蘚生長(zhǎng)試驗(yàn)? 滴灌可以節(jié)約水分[19]，而苔蘚植物又具有喜水特性以及較好的持水性和耐旱性[3]，因此以滴灌形式為室內(nèi)苔蘚植物的培植進(jìn)行持續(xù)供水是一種與苔蘚生長(zhǎng)習(xí)性相適應(yīng)的最佳選擇，故設(shè)計(jì)室內(nèi)滴灌試驗(yàn)進(jìn)行苔蘚植物生長(zhǎng)規(guī)律研究，為苔蘚在室內(nèi)的培植提供技術(shù)參數(shù)，相關(guān)研究擬考慮以下影響因素：襯底基材、襯底傾斜角度、補(bǔ)水間隔、滴灌速率、單位面積用水量。將塑料瓶去底，呈漏斗狀倒立并懸掛于墻壁上用于儲(chǔ)水;將輸液管上端插入塑料瓶蓋，下端垂放于襯底基材上苔蘚植物中部，在塑料瓶?jī)?nèi)注滿自來水進(jìn)行滴灌，通過開關(guān)調(diào)節(jié)滴灌速率并保持速率穩(wěn)定在0.9 mL/min，根據(jù)用水情況定期向塑料瓶?jī)?nèi)補(bǔ)水，從而構(gòu)造室內(nèi)一定濕度[20]的苔蘚生長(zhǎng)環(huán)境。定義存活面積占整體面積的比例為存活率，不定期觀測(cè)苔蘚植物的存活率分析各參數(shù)對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)的影響規(guī)律。存活率計(jì)算公式如下：

？濁i=■×100%? ? （1）

式中，St為苔蘚樣本總面積，Sli為樣本第i次觀測(cè)時(shí)存活苔蘚面積，？濁i為樣本第i次觀測(cè)時(shí)苔蘚的存活率。

1.3.2? 苔蘚植物的粉塵吸附試驗(yàn)? 國(guó)內(nèi)外諸多研究表明濕潤(rùn)苔蘚對(duì)粉塵具有較好的吸附效果，本研究設(shè)計(jì)模擬室內(nèi)環(huán)境的粉塵吸附試驗(yàn)對(duì)苔蘚植物的吸附作用予以論證并進(jìn)行室內(nèi)除塵效果評(píng)價(jià)，擬為苔蘚植物在室內(nèi)除塵應(yīng)用的可行性提供理論依據(jù)。用硬紙板將木凳圍成一個(gè)小的封閉空間（42 cm×22 cm×32 cm），在其中一個(gè)側(cè)面上留出16個(gè)直徑約2 cm且均勻排布的進(jìn)灰孔，另3個(gè)側(cè)面分別留2個(gè)2 cm左右的通風(fēng)孔，模擬室內(nèi)空間;將帶有苔蘚的木板置于木凳底部，其中苔蘚面積S=25 cm×25 cm=625 cm2，采用塑料瓶與滴管對(duì)苔蘚進(jìn)行滴灌，為苔蘚生長(zhǎng)提供必要的水分;進(jìn)而將電風(fēng)扇置于進(jìn)灰孔正前方50 cm左右，并在一定范圍內(nèi)來回?cái)[動(dòng)，取適量土灰于 0.25 mm土篩中，于進(jìn)灰孔前均勻篩下，以增加封閉空間內(nèi)空氣灰塵含量，每隔2 d加灰一次，營(yíng)造粉塵模擬環(huán)境。15 d后將苔蘚取出洗滌多遍，去除雜質(zhì)后得到含土灰的溶液，并將溶液存于燒杯中靜置待土灰沉淀，進(jìn)而用膠頭滴管取出上部清水進(jìn)行灰液濃縮，反復(fù)多次后將經(jīng)濃縮的灰液置于鋁盒中用烘箱烘干，最后用分析天平稱出苔蘚所吸附灰塵的質(zhì)量。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 室內(nèi)滴灌條件下苔蘚植物生長(zhǎng)規(guī)律

2.1.1? 襯底基材對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)的影響? 除空氣與水分外，苔蘚可從襯底基材中獲取一定的生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)[21]，因此本研究亦將襯底基材設(shè)為變量，考慮不同材質(zhì)的影響，分別以灰砂磚、巖石、瓷磚、木板為襯底基材進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過持續(xù)21 d的觀察記錄，并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同襯底基材對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)的影響情況如圖1所示。根據(jù)圖1可以得出，不同襯底基材上苔蘚植物生長(zhǎng)情況各不相同，其中灰砂磚對(duì)苔蘚植物的生長(zhǎng)最為不利，而木板對(duì)苔蘚植物的生長(zhǎng)最為友好，瓷磚、巖石上苔蘚生長(zhǎng)情況比木板略差，但相對(duì)灰砂磚較好。

灰砂磚作為襯底基材的苔蘚存活情況最差，可能存在兩方面主要原因：一方面，由于灰砂磚的透水性較大，當(dāng)?shù)喂嘈室恢聲r(shí)，水分滲透流失嚴(yán)重，難以確保苔蘚植物用水需求;另一方面，因灰砂磚偏堿性，對(duì)偏酸性的苔蘚植物生長(zhǎng)不利。木板能夠吸水，且保水性非常好，能夠?yàn)樘μ\植物長(zhǎng)期提供潮濕的生長(zhǎng)環(huán)境，加之粗糙的表面不僅能夠防止表面徑流，同時(shí)有利于苔蘚附著生長(zhǎng)，因此相較于其他襯底基材而言，木板對(duì)苔蘚植物的生長(zhǎng)最為有利。巖石滲透性差，同時(shí)表面有微小坡度，滴灌下來的水分只能沿坡面流失，導(dǎo)致水分在苔蘚植物中留存時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，因此巖石作為襯底基材時(shí)苔蘚生長(zhǎng)情況較灰砂磚好，但其持水、保水性差，對(duì)于苔蘚的友好度不如木板。瓷磚表面平整，且為不透水基材，當(dāng)平放時(shí)水分流失相對(duì)較慢，因而平放條件下，瓷磚作為襯底基材時(shí)苔蘚的生長(zhǎng)情況比巖石要好，但木板因粗糙的表面可進(jìn)一步減緩水分流失且保水性好，故木板更有利于苔蘚生長(zhǎng)。

2.1.2? 滴灌速率對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)的影響? 以木板為襯底基材進(jìn)行苔蘚植物覆蓋下的滴灌試驗(yàn)，除考慮2個(gè)極端條件（無水與完全浸沒）外，還考慮4組滴灌速度，分別是0.50、1.00、1.50、2.25 mL/min（苔蘚表面已經(jīng)濕潤(rùn)， 但苔蘚整體未飽和）。不同試驗(yàn)條件下的苔蘚植物生長(zhǎng)狀況見圖2。根據(jù)圖2可以得出，滴灌速率為0時(shí)苔蘚植物基本全部枯死，全部浸入水中的苔蘚植物基本全部發(fā)黑腐爛。出現(xiàn)這種情況是由于當(dāng)無水滴灌時(shí)，苔蘚植物得不到生長(zhǎng)所必須的水分，長(zhǎng)期缺水而枯死，而當(dāng)苔蘚植物全部浸沒于水中時(shí)，由于缺氧的影響，造成苔蘚植物發(fā)黑腐爛而死。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，供水速率越快，苔蘚植物的存活率越高，原因可能是在苔蘚未飽水條件下，增加的滴灌效率使得水分趨近濕潤(rùn)條件。

2.1.3? 用水量對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)的影響? 以木板為襯底基材（面積S=1.74 cm2），考慮4種覆蓋面積，包括1/4 S、1/2 S、3/4 S以及全覆蓋，保持滴灌速率一致為V=0.9 mL/min，隔2 d加水一次，供水量Q= 1.5 L。則單位面積供水量分別為a1=5.0 L/cm2，a2=2.3 L/cm2，a3=1.5 L/cm2，a4=1.2 L/cm2。不同苔蘚植物覆蓋面積下的生長(zhǎng)情況見圖3。根據(jù)圖3可以得出，苔蘚植物覆蓋面積越大對(duì)水分的需求也越大。試驗(yàn)中1/4 S與1/2 S苔蘚植物覆蓋面積長(zhǎng)勢(shì)良好，補(bǔ)水間隔時(shí)間為2 d，計(jì)算得出單位面積用水量在1.25～2.50 L/（cm2·d），即2.0 L/（cm2·d）左右。

2.1.4? 襯底傾斜角度對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)的影響? 為探究襯底傾斜角度對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)的影響，在缺水條件下以瓷磚襯底基材上的苔蘚植物為觀測(cè)對(duì)象，采用5個(gè)傾斜角度（包括0°、30°、45°、60°、90°）進(jìn)行滴灌觀測(cè);保持速率一致為V=0.9 mL/min，隔2 d加一次水，加水量均為Q=1.5 L。圖4給出了不同傾斜角度上苔蘚植物的生長(zhǎng)情況。由圖4可以得出，不同傾角的苔蘚植物生長(zhǎng)情況不同，且苔蘚植物存活率隨傾角的增大而減小，這是由于瓷磚襯底的透水性與保水性差，隨著坡面傾斜角度增大，在重力作用下水分流失得更快。

2.1.5? 補(bǔ)水間隔對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)的影響? 以瓷磚為襯底基材設(shè)4組不同補(bǔ)水間隔的對(duì)比試驗(yàn)：補(bǔ)水間隔為1、2、3、4 d;保持4組滴灌速率一致均為V=0.9 mL/min，每次加水量均為Q=1.5 L，不同補(bǔ)水間隔下苔蘚植物的生長(zhǎng)情況見圖5。根據(jù)圖5可以得出，不同補(bǔ)水間隔下的苔蘚植物生長(zhǎng)情況存在差異，補(bǔ)水間隔為4 d的苔蘚植物枯死最多，補(bǔ)水間隔為1 d或2 d的枯死較少。由于存在水分蒸發(fā)與飽和后的溢流，補(bǔ)水間隔越長(zhǎng)對(duì)苔蘚植物的生長(zhǎng)越不利。補(bǔ)水間隔為1 d或2 d時(shí)，苔蘚生長(zhǎng)情況差別不大，由于苔蘚植物自身吸收儲(chǔ)備的有一定水分，只要在失水之前及時(shí)補(bǔ)水即可滿足返綠需要。

2.2? 苔蘚植物粉塵吸附試驗(yàn)結(jié)果

為論證苔蘚植物的吸附作用并進(jìn)行室內(nèi)除塵效果評(píng)價(jià)，通過人為增加空氣灰塵濃度進(jìn)行了粉塵吸附試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1結(jié)果表明，平均每份苔蘚（S=625 cm2）吸塵約1.235 g，與弗拉姆教授的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的苔蘚吸附尾氣煙霧實(shí)驗(yàn)[7]結(jié)論基本吻合，不同組別存在差異主要來源于進(jìn)灰數(shù)量的差別。濕潤(rùn)苔蘚吸收的灰塵包含兩部分，一部分為苔蘚自身吸收灰塵，一部分為灰塵自由下落觸及并黏附在苔蘚上。最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明苔蘚吸附灰塵是有效的，可用于居室內(nèi)的除塵。定義粉塵吸附率為苔蘚所吸附灰塵質(zhì)量與苔蘚面積的比值，其計(jì)算公式如下：

？酌i=■×100%? ? ?（2）

式中，S為吸附試驗(yàn)苔蘚樣本面積，m2為鋁盒與灰塵總質(zhì)量，m1為鋁盒質(zhì)量，？酌i為苔蘚的粉塵吸附率。

通過吸附試驗(yàn)論證了苔蘚植物用于室內(nèi)除塵的可行性，并結(jié)合室內(nèi)滴灌條件下的生長(zhǎng)規(guī)律研究給出的苔蘚培植相關(guān)技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)了基于苔蘚培植的一種粉塵吸附裝置[22]，利用濕潤(rùn)苔蘚吸塵以減少粉塵的傳播并吸收空氣中所含的微量重金屬元素，在居室綠化的同時(shí)進(jìn)行空氣凈化，同時(shí)可調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度，對(duì)于改善居室環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

3? 小結(jié)

試驗(yàn)結(jié)果表明，在水分不充足的情況下，透水性差且保水性好的材料更宜作為苔蘚植物生長(zhǎng)的襯底基材，以木板為優(yōu)，灰砂磚為最差;同時(shí)水平放置襯底基材比傾斜放置更宜保住苔蘚植物的水分。

補(bǔ)水間隔越小對(duì)苔蘚植物生長(zhǎng)越有利，當(dāng)?shù)喂嗨俾蕿?.9 mL/min，供水量為1.5 L時(shí)，間隔2 d進(jìn)行滴灌補(bǔ)水是合適的;無水或完全浸泡均不利于苔蘚植物生長(zhǎng)。

在水分不充足條件下，襯底水平放置時(shí)，苔蘚植物的供水速率宜適度，濕潤(rùn)苔蘚即可。在水分不充足條件下，襯底水平放置的條件下，苔蘚植物面積不宜過大，當(dāng)供水速率為0.9 mL/min，苔蘚植物單位面積需水量應(yīng)大致在2.0 L/（cm2·d）左右。

室內(nèi)粉塵吸附試驗(yàn)表明，濕潤(rùn)苔蘚能夠吸附空氣中的灰塵以凈化空氣，可有效改善居室環(huán)境質(zhì)量。

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