不同水培植物對室內(nèi)甲醛污染吸收能力的研究

王麗萍，王 俊，王冬梅，祝遵凌，王軼虹

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2.南京林業(yè)大學(xué) a.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心；b.藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.江蘇省水利遙感工程研究中心，江蘇 南京 210017）

甲醛是原生質(zhì)毒物，其毒性涉及多器官、多系統(tǒng)，包括嗅覺異常、呼吸系統(tǒng)刺激、皮膚過敏、肺功能、肝功能及免疫功能異常、中樞神經(jīng)系統(tǒng)受影響，嚴(yán)重時可損傷細胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)甚至致癌[1]。在我國，從室內(nèi)環(huán)境到公共地點甚至交通工具基本都存在室內(nèi)甲醛污染現(xiàn)象[2]，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，新裝修室內(nèi)空間甲醛超標(biāo)率占比極大。甲醛已經(jīng)成為室內(nèi)空氣污染危害人體健康的頭號殺手，解決室內(nèi)甲醛污染問題是凈化室內(nèi)空氣研究的重要課題。當(dāng)前甲醛主要治理措施：一是利用自然條件控制，如開窗通風(fēng)等；二是利用技術(shù)條件控制，如物理吸附技術(shù)、化學(xué)中和技術(shù)、光催化氧化技術(shù)、微生物技術(shù)等[3]。

19世紀(jì)80年代，Wolverton 首次發(fā)現(xiàn)植物能夠吸收凈化測試艙內(nèi)的可揮發(fā)性有機物[4]，國內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)植物能夠通過莖葉吸收[5]、體內(nèi)代謝與轉(zhuǎn)化[6-10]、根際葉際微生物降解作用[11]等方式達到動態(tài)持續(xù)、綠色環(huán)保降低污染物[12-13]的目的。其中水培植物指利用現(xiàn)代物理、生物技術(shù)，改變陸生植物根系組織結(jié)構(gòu)、生理性狀，使其可長期適應(yīng)水生環(huán)境，不需要天然土壤，利用含有植物生長發(fā)育所必需元素的營養(yǎng)液栽培的植物類型。目前關(guān)于植物吸收凈化甲醛方面的研究大多選擇土培植物作為研究對象，有關(guān)水培栽培方式下植物對甲醛吸收能力的研究鮮有涉及。但是，水培植物養(yǎng)護管理簡單，美觀清潔無污染，能夠適應(yīng)都市人便捷迅速的居家生活，是未來室內(nèi)植物栽培技術(shù)發(fā)展的趨勢和方向。另外，相關(guān)研究表明水培栽培介質(zhì)能夠顯著增強植物清除揮發(fā)性有機污染氣體的能力[14]。因此，本研究以居室綠化常見的15 種水培植物為材料，通過熏氣室甲醛熏蒸的方法，比較不同水培植物對甲醛吸收的差異，篩選出甲醛吸收能力強的水培植物類型，為選擇水培植物凈化室內(nèi)甲醛提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

圖1 15 種水培植物Fig.1 Fifteen hydroponic plants

表1 15 種水培植物基本信息Table 1 Basic information of fifteen hydroponic plants

試驗材料為15 種常見的2年生靜態(tài)水培觀賞植物（圖1），植物類型、科屬、株高、冠幅等基本信息見表1，選購于黃山市徽州區(qū)花之韻花卉科技有限公司，培養(yǎng)地點、培養(yǎng)時間、培養(yǎng)方式等條件均一致，試驗前在南京林業(yè)大學(xué)園林實驗中心溫室內(nèi)，營養(yǎng)液水培條件下進行一個月的適應(yīng)性培養(yǎng)。

1.2 試驗裝置

本試驗采用自主研制的一種定時調(diào)控和記錄甲醛質(zhì)量濃度的熏氣試驗裝置（圖2a），其結(jié)構(gòu)包括甲醛發(fā)生器、質(zhì)量流量計、電磁閥、微電腦定時開關(guān)系統(tǒng)、空氣采集器、干燥管、氣體混合器、分流室、熏氣室、甲醛傳感器、電腦終端。其中，甲醛發(fā)生器如圖2b 所示。甲醛發(fā)生器通過人工加熱水浴保溫層營造恒定溫度水浴的方式控制甲醛溶液的溫度，從而持續(xù)獲得恒定濃度的甲醛。生成的甲醛氣體通過質(zhì)量流量計按照設(shè)定的比例與純凈干燥的空氣在氣體混合器中進行混合稀釋，繼而進入分流室流向各熏氣室，熏氣室內(nèi)設(shè)有甲醛傳感器（NGP5-HCHO），甲醛傳感器透過熏氣室與電腦終端連接。微電腦定時開關(guān)系統(tǒng)通過信號傳輸控制電磁閥的開關(guān)，定時向熏氣室輸送氣體。熏氣室內(nèi)甲醛傳感器通過特殊接口與電腦終端連接，進行甲醛質(zhì)量濃度實時監(jiān)測。

圖2 自動熏氣試驗裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Self-developed fumigation apparatus

1.3 試驗設(shè)計

試驗前，植物材料在南京林業(yè)大學(xué)園林實驗中心實驗室內(nèi)蒸餾水水培條件下進行為期一周的適應(yīng)性培養(yǎng)。試驗于2016年10月在南京林業(yè)大學(xué)園林實驗中心實驗室內(nèi)進行，實驗室條件為溫度20±2 ℃，濕度（80±5）%，室內(nèi)光照強度2.47～6.08 mmol·m-2s-1。實驗組將15 種植物每種選擇3 株生長狀況一致、良好的置于熏氣室內(nèi)，并用聚四氟乙烯薄膜包裹植物定植籃與水培器皿，防止水培液大量吸收甲醛，影響試驗測定結(jié)果。預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，超過10 h 后，熏氣室內(nèi)壁由于植物蒸騰作用與呼吸作用出現(xiàn)大量水蒸氣，而甲醛易溶于水，為避免影響實驗測定結(jié)果，故設(shè)計每天熏蒸時間為10 h。上午8:00 打開電磁閥，自動向熏氣室內(nèi)輸送質(zhì)量濃度分別為10、50、100 mg·m-3的甲醛氣體，下午14:00 通過各熏氣室內(nèi)的3 處傳感器測定最終甲醛質(zhì)量濃度，取其平均值，進行3次平行實驗。實驗結(jié)束后，將試驗植物全部轉(zhuǎn)移至南京林業(yè)大學(xué)園林實驗中心溫室內(nèi)，相同環(huán)境條件：溫度20±2 ℃，濕度（80±5）%，自然光照，更換清水為水培液下統(tǒng)一修復(fù)培養(yǎng)，30 d 后統(tǒng)計受害植物的修復(fù)成活率。

1.4 指標(biāo)的測定

式中：A為甲醛吸收率（%）；c0為熏氣室內(nèi)初始甲醛質(zhì)量濃度值（mg·m-3）；cn為n小時熏氣室內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度值（mg·m-3）

式中：Au為單位葉面積甲醛吸收率（mg·h-1m-2）；v為熏氣室體積（m3）；n為甲醛質(zhì)量濃度值為0 mg·m-3時的時間或10（h）；S為水培植物葉面積（m2）。采用LI-3000C 型葉面積儀，結(jié)合紙稱重法測定試驗水培植物的葉面積，由于15種水培植物莖稈面積占莖葉總面積比例小，而且測定不易，故以葉面積近似等于莖葉總面積進行研究。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0 軟件進行方差分析與相關(guān)性分析，用Excel 2016 程序統(tǒng)計數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)圖表。

2 結(jié)果與分析

不同甲醛質(zhì)量濃度下15 種水培植物對甲醛的吸收能力見圖3，植物甲醛吸收率基本表現(xiàn)為隨著甲醛質(zhì)量濃度的升高而降低，植物單位葉面積甲醛吸收率表現(xiàn)則反之。

從理論角度出發(fā)，植物甲醛吸收率隨著甲醛質(zhì)量濃度的升高而降低，考慮到葉面積大小對甲醛吸收率的影響，不排除出現(xiàn)某些植物甲醛吸收率隨著甲醛質(zhì)量濃度的升高而升高的情況，如狼尾蕨Davallia bullata、‘綠精靈’合果芋Syngonium podophyllum‘Pixie’、‘霓 虹’合果芋Syngonium podophyllum‘Neon’均出現(xiàn)100 mg·m-3甲醛污染下甲醛吸收率顯著高于50 mg·m-3甲醛污染下的特例。由于甲醛吸收率與植物葉面積息息相關(guān)，進一步進行不同質(zhì)量濃度甲醛污染下15 種植物甲醛吸收率與植物葉面積的偏相關(guān)性分析（表2）。在控制變量甲醛質(zhì)量濃度與植物類型的條件下，葉面積與甲醛吸收率呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；在控制變量植物類型條件下，白鶴芋Spathiphyllum floribundum和吊竹梅Tradescantia zebrina的葉面積與甲醛吸收率呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)分別達0.753、0.771。在控制變量甲醛質(zhì)量濃度下，不同質(zhì)量濃度甲醛污染下，葉面積與甲醛吸收率均呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)分別達0.299、0.691、0.518。統(tǒng)計葉面積大小，進行不同質(zhì)量濃度甲醛污染對植物甲醛吸收率影響的協(xié)方差分析，發(fā)現(xiàn)不同甲醛質(zhì)量濃度及不同植物之間甲醛吸收率差異顯著（P＜0.05），植物甲醛吸收率與甲醛質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)。在10 mg·m-3甲醛污染下，植物甲醛吸收率均值為93.64%；在50 mg·m-3甲醛污染下，植物甲醛吸收率均值為65.59%，降幅為29.96%；在100 mg·m-3甲醛污染下，植物甲醛吸收率均值為62.05%，降幅僅為5.40%。進一步通過植物種類和甲醛質(zhì)量濃度主效應(yīng)對甲醛吸收率影響的多重比較（表3），綜合分析不同質(zhì)量濃度下15 種水培植物的甲醛吸收率，大小依次為：白鶴芋、鵝掌柴Schefflera octophylla＞ 鳥巢蕨Neottopteris nidus＞波士頓蕨Nephrolepis exaltata‘Bostoniensis’、綠蘿Epipremnum aureum＞ 金邊吊蘭Chlorophytum comosumf.variegata＞吊竹梅、‘綠精靈’合果芋、馬拉巴栗Pachira macrocarpa＞尖尾芋Alocasia cucullata＞‘霓虹’合果芋＞狼尾蕨＞花葉絡(luò)石Trachelospermum jasminoides‘Flame’、富貴竹Dracaena sanderiana＞豆瓣綠Peperomia tetraphylla。

圖3 15 種水培植物對甲醛的吸收能力Fig.3 Absorptive capacity to formaldehyde of fifteen hydroponic plants

表2 15 種水培植物甲醛吸收率與葉面積的偏相關(guān)性分析?Table 2 Analysis of partial correlation between formaldehyde absorptive capacity and leaf area of fifteen hydroponic plants

續(xù)表2Continuation of table 2

根據(jù)植物種類和甲醛質(zhì)量濃度主效應(yīng)對單位葉面積甲醛吸收率影響的多重比較結(jié)果 （表3），綜合分析不同甲醛質(zhì)量濃度下15 種水培植物單位葉面積甲醛吸收率大小依次是：狼尾蕨＞花葉絡(luò)石＞尖尾芋、‘綠精靈’合果芋＞鳥巢蕨、金邊吊蘭、波士頓蕨、豆瓣綠、馬拉巴栗＞富貴竹、‘霓虹’合果芋、吊竹梅、綠蘿、鵝掌柴＞白鶴芋。不同甲醛質(zhì)量濃度間的單位葉面積甲醛吸收率均差異極顯著（P＜0.01），植物單位葉面積甲醛吸收率與甲醛質(zhì)量濃度呈正相關(guān)。在10 mg·m-3甲醛污染下，植物葉面積甲醛吸收率均值為0.585 mg·h-1m-2；50 mg·m-3甲醛污染下，植物葉面積甲醛吸收率 均 值 為1.756 mg·h-1m-2，增幅為200.17%；100 mg·m-3甲醛污染下，植物葉面積甲醛吸收率均值為2.937 mg·h-1m-2，增幅為67.26%。

表3 植物種類和甲醛質(zhì)量濃度主效應(yīng)對甲醛吸收能力影 響的多重比較?Table 3 Comparison of main effects on formaldehyde absorptive capacity between plant species and formaldehyde concentration

3 結(jié)論與討論

植物凈化室內(nèi)甲醛安全、持續(xù)、無污染，而水培植物又因其特殊栽培方式實現(xiàn)了根、莖、葉、花的全方位觀賞，受到廣大人群的關(guān)注和青睞。目前，國內(nèi)外有關(guān)觀賞植物凈化室內(nèi)空氣的研究多集中在土培植物對有害氣體的凈化能力、凈化機理機制[15-16]等方面并已取得重大成果，卻罕有水培植物凈化有毒氣體效果方面的研究。植物水培的栽培方式較于土培的栽培方式，將失去根系—土壤微生物系統(tǒng)對有害氣體的凈化貢獻部分[17-18]，因此水培植物莖葉吸收成為影響水培植物有害氣體凈化效果的重要因素。本實驗對中國華東地區(qū)常見的、應(yīng)用范圍廣泛的15 種不同類型水培植物莖葉的甲醛吸收能力進行研究和分析發(fā)現(xiàn)，15 種水培植物均可通過莖葉吸收甲醛，但是吸收能力存在較大差異。

3.1 植物類型與甲醛吸收能力之間的關(guān)系

不同植物吸收甲醛能力差別很大，但不管是根據(jù)甲醛吸收率還是單位葉面積甲醛吸收率，植物分類、莖的形態(tài)并不能夠在一定程度上影響植物對甲醛的吸收能力。在不同植物類型中均有整體甲醛吸收率大的植物，依次是白鶴芋（草本種子植物）、鵝掌柴（木本種子植物）、鳥巢蕨（蕨類植物），也有局部單位葉面積甲醛吸收率大的植物，依次是狼尾蕨（蕨類植物）、花葉絡(luò)石（木本種子植物）、尖尾芋（草本種子植物）、‘綠精靈’合果芋（草本種子植物），因此水培植物甲醛吸收能力與植物分類、莖的形態(tài)并無顯著關(guān)聯(lián)。但是，劉延賓等[19]對不同葉片類型土培植物吸收甲醛能力的研究表明，甲醛吸收與植物的葉片類型存在一定程度的相關(guān)性，天南星科草質(zhì)葉片、吊蘭類、軟革質(zhì)葉片類植物甲醛吸收能力較強，硬革質(zhì)葉片類植物甲醛吸收能力較弱。本研究中天南星科草質(zhì)葉片、軟革質(zhì)葉片及吊蘭類植物如白鶴芋、綠蘿、金邊吊蘭、‘綠精靈’合果芋、‘霓虹’合果芋、尖尾芋甲醛吸收率較大，而硬革質(zhì)葉片類植物豆瓣綠甲醛吸收率小，在水培植物層面證實了劉延賓的結(jié)論。另外，前人研究發(fā)現(xiàn)相同實驗條件下，在鳥巢蕨、腎蕨、鐵線蕨3 種土培植物中，鳥巢蕨甲醛吸收率最大[20]，本次研究實驗條件下，在鳥巢蕨、波士頓蕨、狼尾蕨3 種水培植物中，鳥巢蕨甲醛吸收率也最大，說明鳥巢蕨是甲醛吸收能力強的蕨類植物。

3.2 植物甲醛吸收能力與甲醛質(zhì)量濃度之間的關(guān)系

植物甲醛吸收率在不同甲醛質(zhì)量濃度之間差異極顯著，與甲醛質(zhì)量濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)；植物單位葉面積甲醛吸收率在不同甲醛質(zhì)量濃度之間差異顯著，與甲醛質(zhì)量濃度呈極顯著正相關(guān)。50 mg·m-3甲醛污染相較10 mg·m-3甲醛污染，植物甲醛吸收率降幅為29.96%，植物單位葉面積甲醛吸收率增幅為200.17%；100 mg/m3甲醛污染相較50 mg·m-3甲醛污染，植物甲醛吸收率降幅僅為5.40%，植物單位葉面積甲醛吸收率增幅為67.26%。說明50 mg·m-3甲醛污染或已接近植物甲醛吸收飽和濃度，隨著甲醛質(zhì)量濃度的升高，植物單位葉面積甲醛吸收率增幅降低。此研究結(jié)果與曹受金等人[21]的研究結(jié)論一致，即隨著甲醛質(zhì)量濃度的升高，植物單位葉面積吸收的甲醛量增加，而甲醛吸收率卻隨之下降。

3.3 植物甲醛吸收能力分析方法研究

本研究發(fā)現(xiàn)在植物單位葉面積甲醛吸收率較高的尖尾芋、狼尾蕨、花葉絡(luò)石3 種植物中，狼尾蕨、花葉絡(luò)石甲醛吸收率低；而在甲醛吸收率較高的白鶴芋、鳥巢蕨、鵝掌柴、波士頓蕨、金邊吊蘭、綠蘿、‘綠精靈’合果芋、吊竹梅8 種植物中，白鶴芋、鳥巢蕨、鵝掌柴、綠蘿、吊竹梅單位葉面積甲醛吸收率低，表明生物體量大的植物其高甲醛吸收率與大葉面積或存在較大關(guān)聯(lián)，而生物體量小的植物類型在高濃度甲醛污染下單位葉面積甲醛吸收率高或與其自身葉面積局限有關(guān)。大部分國內(nèi)學(xué)者[22-24]都采用植物單位葉面積甲醛吸收率作為評判植物甲醛吸收能力的方法，此研究方法考慮了葉面積大小對植物甲醛吸收能力的重要影響，具有一定的科學(xué)性，但沒有考慮不同植物本身存在葉面積大小不同的客觀事實，生物體量大的植物類型雖單位葉面積甲醛吸收率低，但整體甲醛吸收率高，同等凈化效果卻需要更多的生物體量小而單位葉面積甲醛吸收率高的植物類型才能達成，勢必造成資源浪費，成本高昂。而且，根據(jù)不同濃度甲醛污染下15 種植物甲醛吸收率與植物葉面積的偏相關(guān)性分析，結(jié)果顯示，在控制變量植物類型下，只有白鶴芋和吊竹梅葉面積與甲醛吸收率呈顯著正相關(guān)，說明白鶴芋、吊竹梅的高甲醛吸收率與其自身葉面積較大程度相關(guān)，而其他13 種植物在葉面積與甲醛吸收率之間并不存在顯著相關(guān)性。并且在控制甲醛質(zhì)量濃度下，隨著甲醛質(zhì)量濃度的升高，植物甲醛吸收率與葉面積偏相關(guān)系數(shù)先升高后降低，說明中低甲醛質(zhì)量濃度污染下，植物自身葉面積的大小對甲醛吸收率存在重要影響，而當(dāng)甲醛質(zhì)量濃度達到植物承受臨界值，葉面積大小不再成為甲醛吸收率的主要影響因素。因此，在評價植物甲醛吸收能力時，當(dāng)綜合甲醛吸收率與單位葉面積甲醛吸收率共同分析，二者均較高則最為理想。考慮到居室內(nèi)甲醛污染范圍一般為1～5 mg·m-3，污染程度低，從吸收效果角度考慮建議選擇甲醛吸收率高、葉面積大的水培植物類型，如白鶴芋、鵝掌柴、綠蘿、吊竹梅，不僅能夠節(jié)約成本，還可以增加房間綠量，發(fā)揮植物的降溫、增濕等其他生態(tài)功能，起到更好的裝飾效果，或者選擇兩個指標(biāo)均較高的水培植物類型的鳥巢蕨、金邊吊蘭、波士頓蕨、‘綠精靈’合果芋等。其中土培綠蘿[17,21,23,25]、吊蘭類[17,19,25]、鵝掌柴[26-27]、合果芋類[17,28]也是專家學(xué)者普遍認(rèn)同的甲醛吸收能力強的植物類型。

因此，綜合甲醛吸收率與單位葉面積甲醛吸收率評價水培植物甲醛吸收能力更為科學(xué)客觀，在居室環(huán)境等相對低濃度甲醛污染室內(nèi)環(huán)境中建議選擇甲醛吸收率高、葉面積大的水培植物類型如白鶴芋、鵝掌柴、綠蘿、吊竹梅，或者選擇綜合指標(biāo)均較高的水培植物類型如鳥巢蕨、金邊吊蘭、波士頓蕨、‘綠精靈’合果芋等。研究有利于進一步理論聯(lián)系實際，開拓植物應(yīng)用的新領(lǐng)域，揭示植物應(yīng)用領(lǐng)域廣闊的發(fā)展空間與前景。由于本研究采用材料為水培植物，與土培植物作為試驗材料相較，熏氣室內(nèi)更容易產(chǎn)生水汽，因此存在甲醛熏氣時間短的局限。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過在熏氣室內(nèi)安裝風(fēng)扇的方式促進氣體流動，加快水汽蒸 發(fā)[29-30]，延長熏氣時間。試驗條件下，對植物水培液與空氣進行了隔離，而現(xiàn)實環(huán)境中，植物水培液直接與空氣接觸，空氣中的甲醛易溶于水，植物葉片吸收空氣中甲醛的同時，水中溶解的甲醛也被植物根系吸收繼而進入植物內(nèi)部，所以延長熏氣時間判斷不同水培植物莖葉對空氣中甲醛的吸收能力大小以及研究不同植物根系對溶解水中甲醛的吸收能力大小是進一步的研究方向。