不同水培植物对室内甲醛污染吸收能力的研究

王丽萍，王 俊，王冬梅，祝遵凌，王轶虹

（1.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2.南京林业大学 a.南方现代林业协同创新中心；b.艺术设计学院，江苏 南京 210037；3.江苏省水利遥感工程研究中心，江苏 南京 210017）

甲醛是原生质毒物，其毒性涉及多器官、多系统，包括嗅觉异常、呼吸系统刺激、皮肤过敏、肺功能、肝功能及免疫功能异常、中枢神经系统受影响，严重时可损伤细胞内的遗传物质甚至致癌[1]。在我国，从室内环境到公共地点甚至交通工具基本都存在室内甲醛污染现象[2]，统计数据显示，新装修室内空间甲醛超标率占比极大。甲醛已经成为室内空气污染危害人体健康的头号杀手，解决室内甲醛污染问题是净化室内空气研究的重要课题。当前甲醛主要治理措施：一是利用自然条件控制，如开窗通风等；二是利用技术条件控制，如物理吸附技术、化学中和技术、光催化氧化技术、微生物技术等[3]。

19世纪80年代，Wolverton 首次发现植物能够吸收净化测试舱内的可挥发性有机物[4]，国内外相关研究发现植物能够通过茎叶吸收[5]、体内代谢与转化[6-10]、根际叶际微生物降解作用[11]等方式达到动态持续、绿色环保降低污染物[12-13]的目的。其中水培植物指利用现代物理、生物技术，改变陆生植物根系组织结构、生理性状，使其可长期适应水生环境，不需要天然土壤，利用含有植物生长发育所必需元素的营养液栽培的植物类型。目前关于植物吸收净化甲醛方面的研究大多选择土培植物作为研究对象，有关水培栽培方式下植物对甲醛吸收能力的研究鲜有涉及。但是，水培植物养护管理简单，美观清洁无污染，能够适应都市人便捷迅速的居家生活，是未来室内植物栽培技术发展的趋势和方向。另外，相关研究表明水培栽培介质能够显著增强植物清除挥发性有机污染气体的能力[14]。因此，本研究以居室绿化常见的15 种水培植物为材料，通过熏气室甲醛熏蒸的方法，比较不同水培植物对甲醛吸收的差异，筛选出甲醛吸收能力强的水培植物类型，为选择水培植物净化室内甲醛提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

图1 15 种水培植物Fig.1 Fifteen hydroponic plants

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

试验材料为15 种常见的2年生静态水培观赏植物（图1），植物类型、科属、株高、冠幅等基本信息见表1，选购于黄山市徽州区花之韵花卉科技有限公司，培养地点、培养时间、培养方式等条件均一致，试验前在南京林业大学园林实验中心温室内，营养液水培条件下进行一个月的适应性培养。

1.2 试验装置

本试验采用自主研制的一种定时调控和记录甲醛质量浓度的熏气试验装置（图2a），其结构包括甲醛发生器、质量流量计、电磁阀、微电脑定时开关系统、空气采集器、干燥管、气体混合器、分流室、熏气室、甲醛传感器、电脑终端。其中，甲醛发生器如图2b 所示。甲醛发生器通过人工加热水浴保温层营造恒定温度水浴的方式控制甲醛溶液的温度，从而持续获得恒定浓度的甲醛。生成的甲醛气体通过质量流量计按照设定的比例与纯净干燥的空气在气体混合器中进行混合稀释，继而进入分流室流向各熏气室，熏气室内设有甲醛传感器（NGP5-HCHO），甲醛传感器透过熏气室与电脑终端连接。微电脑定时开关系统通过信号传输控制电磁阀的开关，定时向熏气室输送气体。熏气室内甲醛传感器通过特殊接口与电脑终端连接，进行甲醛质量浓度实时监测。

图2 自动熏气试验装置结构Fig.2 Self-developed fumigation apparatus

1.3 试验设计

试验前，植物材料在南京林业大学园林实验中心实验室内蒸馏水水培条件下进行为期一周的适应性培养。试验于2016年10月在南京林业大学园林实验中心实验室内进行，实验室条件为温度20±2 ℃，湿度（80±5）%，室内光照强度2.47～6.08 mmol·m-2s-1。实验组将15 种植物每种选择3 株生长状况一致、良好的置于熏气室内，并用聚四氟乙烯薄膜包裹植物定植篮与水培器皿，防止水培液大量吸收甲醛，影响试验测定结果。预实验发现，超过10 h 后，熏气室内壁由于植物蒸腾作用与呼吸作用出现大量水蒸气，而甲醛易溶于水，为避免影响实验测定结果，故设计每天熏蒸时间为10 h。上午8:00 打开电磁阀，自动向熏气室内输送质量浓度分别为10、50、100 mg·m-3的甲醛气体，下午14:00 通过各熏气室内的3 处传感器测定最终甲醛质量浓度，取其平均值，进行3次平行实验。实验结束后，将试验植物全部转移至南京林业大学园林实验中心温室内，相同环境条件：温度20±2 ℃，湿度（80±5）%，自然光照，更换清水为水培液下统一修复培养，30 d 后统计受害植物的修复成活率。

1.4 指标的测定

式中：A为甲醛吸收率（%）；c0为熏气室内初始甲醛质量浓度值（mg·m-3）；cn为n小时熏气室内甲醛质量浓度值（mg·m-3）

式中：Au为单位叶面积甲醛吸收率（mg·h-1m-2）；v为熏气室体积（m3）；n为甲醛质量浓度值为0 mg·m-3时的时间或10（h）；S为水培植物叶面积（m2）。采用LI-3000C 型叶面积仪，结合纸称重法测定试验水培植物的叶面积，由于15种水培植物茎秆面积占茎叶总面积比例小，而且测定不易，故以叶面积近似等于茎叶总面积进行研究。

1.5 数据处理

利用SPSS 19.0 软件进行方差分析与相关性分析，用Excel 2016 程序统计数据并绘制相应图表。

2 结果与分析

不同甲醛质量浓度下15 种水培植物对甲醛的吸收能力见图3，植物甲醛吸收率基本表现为随着甲醛质量浓度的升高而降低，植物单位叶面积甲醛吸收率表现则反之。

从理论角度出发，植物甲醛吸收率随着甲醛质量浓度的升高而降低，考虑到叶面积大小对甲醛吸收率的影响，不排除出现某些植物甲醛吸收率随着甲醛质量浓度的升高而升高的情况，如狼尾蕨Davallia bullata、‘绿精灵’合果芋Syngonium podophyllum‘Pixie’、‘霓 虹’合果芋Syngonium podophyllum‘Neon’均出现100 mg·m-3甲醛污染下甲醛吸收率显著高于50 mg·m-3甲醛污染下的特例。由于甲醛吸收率与植物叶面积息息相关，进一步进行不同质量浓度甲醛污染下15 种植物甲醛吸收率与植物叶面积的偏相关性分析（表2）。在控制变量甲醛质量浓度与植物类型的条件下，叶面积与甲醛吸收率呈极显著正相关（P＜0.01）；在控制变量植物类型条件下，白鹤芋Spathiphyllum floribundum和吊竹梅Tradescantia zebrina的叶面积与甲醛吸收率呈显著正相关（P＜0.05），相关系数分别达0.753、0.771。在控制变量甲醛质量浓度下，不同质量浓度甲醛污染下，叶面积与甲醛吸收率均呈显著正相关（P＜0.05），相关系数分别达0.299、0.691、0.518。统计叶面积大小，进行不同质量浓度甲醛污染对植物甲醛吸收率影响的协方差分析，发现不同甲醛质量浓度及不同植物之间甲醛吸收率差异显著（P＜0.05），植物甲醛吸收率与甲醛质量浓度呈负相关。在10 mg·m-3甲醛污染下，植物甲醛吸收率均值为93.64%；在50 mg·m-3甲醛污染下，植物甲醛吸收率均值为65.59%，降幅为29.96%；在100 mg·m-3甲醛污染下，植物甲醛吸收率均值为62.05%，降幅仅为5.40%。进一步通过植物种类和甲醛质量浓度主效应对甲醛吸收率影响的多重比较（表3），综合分析不同质量浓度下15 种水培植物的甲醛吸收率，大小依次为：白鹤芋、鹅掌柴Schefflera octophylla＞ 鸟巢蕨Neottopteris nidus＞波士顿蕨Nephrolepis exaltata‘Bostoniensis’、绿萝Epipremnum aureum＞ 金边吊兰Chlorophytum comosumf.variegata＞吊竹梅、‘绿精灵’合果芋、马拉巴栗Pachira macrocarpa＞尖尾芋Alocasia cucullata＞‘霓虹’合果芋＞狼尾蕨＞花叶络石Trachelospermum jasminoides‘Flame’、富贵竹Dracaena sanderiana＞豆瓣绿Peperomia tetraphylla。

图3 15 种水培植物对甲醛的吸收能力Fig.3 Absorptive capacity to formaldehyde of fifteen hydroponic plants

表2 15 种水培植物甲醛吸收率与叶面积的偏相关性分析†Table 2 Analysis of partial correlation between formaldehyde absorptive capacity and leaf area of fifteen hydroponic plants

续表2Continuation of table 2

根据植物种类和甲醛质量浓度主效应对单位叶面积甲醛吸收率影响的多重比较结果 （表3），综合分析不同甲醛质量浓度下15 种水培植物单位叶面积甲醛吸收率大小依次是：狼尾蕨＞花叶络石＞尖尾芋、‘绿精灵’合果芋＞鸟巢蕨、金边吊兰、波士顿蕨、豆瓣绿、马拉巴栗＞富贵竹、‘霓虹’合果芋、吊竹梅、绿萝、鹅掌柴＞白鹤芋。不同甲醛质量浓度间的单位叶面积甲醛吸收率均差异极显著（P＜0.01），植物单位叶面积甲醛吸收率与甲醛质量浓度呈正相关。在10 mg·m-3甲醛污染下，植物叶面积甲醛吸收率均值为0.585 mg·h-1m-2；50 mg·m-3甲醛污染下，植物叶面积甲醛吸收率 均 值 为1.756 mg·h-1m-2，增幅为200.17%；100 mg·m-3甲醛污染下，植物叶面积甲醛吸收率均值为2.937 mg·h-1m-2，增幅为67.26%。

表3 植物种类和甲醛质量浓度主效应对甲醛吸收能力影 响的多重比较†Table 3 Comparison of main effects on formaldehyde absorptive capacity between plant species and formaldehyde concentration

3 结论与讨论

植物净化室内甲醛安全、持续、无污染，而水培植物又因其特殊栽培方式实现了根、茎、叶、花的全方位观赏，受到广大人群的关注和青睐。目前，国内外有关观赏植物净化室内空气的研究多集中在土培植物对有害气体的净化能力、净化机理机制[15-16]等方面并已取得重大成果，却罕有水培植物净化有毒气体效果方面的研究。植物水培的栽培方式较于土培的栽培方式，将失去根系—土壤微生物系统对有害气体的净化贡献部分[17-18]，因此水培植物茎叶吸收成为影响水培植物有害气体净化效果的重要因素。本实验对中国华东地区常见的、应用范围广泛的15 种不同类型水培植物茎叶的甲醛吸收能力进行研究和分析发现，15 种水培植物均可通过茎叶吸收甲醛，但是吸收能力存在较大差异。

3.1 植物类型与甲醛吸收能力之间的关系

不同植物吸收甲醛能力差别很大，但不管是根据甲醛吸收率还是单位叶面积甲醛吸收率，植物分类、茎的形态并不能够在一定程度上影响植物对甲醛的吸收能力。在不同植物类型中均有整体甲醛吸收率大的植物，依次是白鹤芋（草本种子植物）、鹅掌柴（木本种子植物）、鸟巢蕨（蕨类植物），也有局部单位叶面积甲醛吸收率大的植物，依次是狼尾蕨（蕨类植物）、花叶络石（木本种子植物）、尖尾芋（草本种子植物）、‘绿精灵’合果芋（草本种子植物），因此水培植物甲醛吸收能力与植物分类、茎的形态并无显著关联。但是，刘延宾等[19]对不同叶片类型土培植物吸收甲醛能力的研究表明，甲醛吸收与植物的叶片类型存在一定程度的相关性，天南星科草质叶片、吊兰类、软革质叶片类植物甲醛吸收能力较强，硬革质叶片类植物甲醛吸收能力较弱。本研究中天南星科草质叶片、软革质叶片及吊兰类植物如白鹤芋、绿萝、金边吊兰、‘绿精灵’合果芋、‘霓虹’合果芋、尖尾芋甲醛吸收率较大，而硬革质叶片类植物豆瓣绿甲醛吸收率小，在水培植物层面证实了刘延宾的结论。另外，前人研究发现相同实验条件下，在鸟巢蕨、肾蕨、铁线蕨3 种土培植物中，鸟巢蕨甲醛吸收率最大[20]，本次研究实验条件下，在鸟巢蕨、波士顿蕨、狼尾蕨3 种水培植物中，鸟巢蕨甲醛吸收率也最大，说明鸟巢蕨是甲醛吸收能力强的蕨类植物。

3.2 植物甲醛吸收能力与甲醛质量浓度之间的关系

植物甲醛吸收率在不同甲醛质量浓度之间差异极显著，与甲醛质量浓度呈极显著负相关；植物单位叶面积甲醛吸收率在不同甲醛质量浓度之间差异显著，与甲醛质量浓度呈极显著正相关。50 mg·m-3甲醛污染相较10 mg·m-3甲醛污染，植物甲醛吸收率降幅为29.96%，植物单位叶面积甲醛吸收率增幅为200.17%；100 mg/m3甲醛污染相较50 mg·m-3甲醛污染，植物甲醛吸收率降幅仅为5.40%，植物单位叶面积甲醛吸收率增幅为67.26%。说明50 mg·m-3甲醛污染或已接近植物甲醛吸收饱和浓度，随着甲醛质量浓度的升高，植物单位叶面积甲醛吸收率增幅降低。此研究结果与曹受金等人[21]的研究结论一致，即随着甲醛质量浓度的升高，植物单位叶面积吸收的甲醛量增加，而甲醛吸收率却随之下降。

3.3 植物甲醛吸收能力分析方法研究

本研究发现在植物单位叶面积甲醛吸收率较高的尖尾芋、狼尾蕨、花叶络石3 种植物中，狼尾蕨、花叶络石甲醛吸收率低；而在甲醛吸收率较高的白鹤芋、鸟巢蕨、鹅掌柴、波士顿蕨、金边吊兰、绿萝、‘绿精灵’合果芋、吊竹梅8 种植物中，白鹤芋、鸟巢蕨、鹅掌柴、绿萝、吊竹梅单位叶面积甲醛吸收率低，表明生物体量大的植物其高甲醛吸收率与大叶面积或存在较大关联，而生物体量小的植物类型在高浓度甲醛污染下单位叶面积甲醛吸收率高或与其自身叶面积局限有关。大部分国内学者[22-24]都采用植物单位叶面积甲醛吸收率作为评判植物甲醛吸收能力的方法，此研究方法考虑了叶面积大小对植物甲醛吸收能力的重要影响，具有一定的科学性，但没有考虑不同植物本身存在叶面积大小不同的客观事实，生物体量大的植物类型虽单位叶面积甲醛吸收率低，但整体甲醛吸收率高，同等净化效果却需要更多的生物体量小而单位叶面积甲醛吸收率高的植物类型才能达成，势必造成资源浪费，成本高昂。而且，根据不同浓度甲醛污染下15 种植物甲醛吸收率与植物叶面积的偏相关性分析，结果显示，在控制变量植物类型下，只有白鹤芋和吊竹梅叶面积与甲醛吸收率呈显著正相关，说明白鹤芋、吊竹梅的高甲醛吸收率与其自身叶面积较大程度相关，而其他13 种植物在叶面积与甲醛吸收率之间并不存在显著相关性。并且在控制甲醛质量浓度下，随着甲醛质量浓度的升高，植物甲醛吸收率与叶面积偏相关系数先升高后降低，说明中低甲醛质量浓度污染下，植物自身叶面积的大小对甲醛吸收率存在重要影响，而当甲醛质量浓度达到植物承受临界值，叶面积大小不再成为甲醛吸收率的主要影响因素。因此，在评价植物甲醛吸收能力时，当综合甲醛吸收率与单位叶面积甲醛吸收率共同分析，二者均较高则最为理想。考虑到居室内甲醛污染范围一般为1～5 mg·m-3，污染程度低，从吸收效果角度考虑建议选择甲醛吸收率高、叶面积大的水培植物类型，如白鹤芋、鹅掌柴、绿萝、吊竹梅，不仅能够节约成本，还可以增加房间绿量，发挥植物的降温、增湿等其他生态功能，起到更好的装饰效果，或者选择两个指标均较高的水培植物类型的鸟巢蕨、金边吊兰、波士顿蕨、‘绿精灵’合果芋等。其中土培绿萝[17,21,23,25]、吊兰类[17,19,25]、鹅掌柴[26-27]、合果芋类[17,28]也是专家学者普遍认同的甲醛吸收能力强的植物类型。

因此，综合甲醛吸收率与单位叶面积甲醛吸收率评价水培植物甲醛吸收能力更为科学客观，在居室环境等相对低浓度甲醛污染室内环境中建议选择甲醛吸收率高、叶面积大的水培植物类型如白鹤芋、鹅掌柴、绿萝、吊竹梅，或者选择综合指标均较高的水培植物类型如鸟巢蕨、金边吊兰、波士顿蕨、‘绿精灵’合果芋等。研究有利于进一步理论联系实际，开拓植物应用的新领域，揭示植物应用领域广阔的发展空间与前景。由于本研究采用材料为水培植物，与土培植物作为试验材料相较，熏气室内更容易产生水汽，因此存在甲醛熏气时间短的局限。国内外相关学者通过在熏气室内安装风扇的方式促进气体流动，加快水汽蒸 发[29-30]，延长熏气时间。试验条件下，对植物水培液与空气进行了隔离，而现实环境中，植物水培液直接与空气接触，空气中的甲醛易溶于水，植物叶片吸收空气中甲醛的同时，水中溶解的甲醛也被植物根系吸收继而进入植物内部，所以延长熏气时间判断不同水培植物茎叶对空气中甲醛的吸收能力大小以及研究不同植物根系对溶解水中甲醛的吸收能力大小是进一步的研究方向。