不同光照条件下亚热带常见绿植对室内甲醛净化的影响

2021-07-21赵振魏思桐马方园黄幸然易志刚

亚热带资源与环境学报 2021年2期

赵振，魏思桐，马方园，黄幸然，易志刚

(福建农林大学 a.资源与环境学院,b.土壤环境健康与调控福建省重点实验室，福州 350002)

0 引言

甲醛作为一种常见的室内挥发性有机污染物，在室内环境中被广泛检测到，已成为引起“不良建筑综合征”的主要原因之一[1]。低浓度甲醛会导致人体眼部、呼吸部和肺部等受到损害，高浓度甲醛则会损伤细胞内的遗传物质，甚至致畸、致癌[2]。中国作为世界上最大的甲醛生产国和消费国，室内甲醛卫生质量标准为0.1 mg·m-3，甲醛污染在中国室内环境中普遍存在[3]，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[4]。研究表明，从2007年到2014年，中国室内甲醛超标率基本超过50%，甚至会达到100%[5]。目前，室内空气中去除甲醛的方法有自然通风法、物理吸附法、光催化氧化、生物过滤法和负离子技术等，但这些技术通常具有费用高、能耗大、易产生二次污染和其他有毒物质等缺点[6]。植物净化技术不仅能美化环境和减少空气污染，还可以显著提高人们在居住或工作场合的舒适度、生产力和精神功能，被广泛使用。

美国航天局的Wolverton博士最先开展植物对挥发性有机物吸收的研究，列出了50种常见的可以净化室内空气的观赏植物[7]。安雪等[8]对16种常见室内观赏植物进行甲醛熏气处理，发现瑞典常春藤(Lsodonamethystoides)净化甲醛能力最强，而百合(Dracaenareflex)和口红花(Aeschynanthusradicans)去除能力较弱；这是由于常春藤叶表面比较粗糙、凹凸不平，增加了植物对甲醛吸收和吸附。Kim等[9]研究5类86种植物的甲醛去除率，发现蕨类植物对甲醛的去除率最高，其次是草本植物；木本植物、草本植物和韩国本土植物相似，甲醛去除率较差。植物间差异可能与叶片气孔特征、蜡层和毛发生长等叶片参数有关[10]。

光作为重要的环境因子，光照的改变将直接影响植物生长发育和结构特征[11]，且室外光照强度显著高于室内，因此光照的改变势必影响植物生长发育，进而影响植物吸收甲醛。Xu等[12]研究吊兰(Epipremnumcomosum)、芦荟(Aloevera)和绿萝(Epipremnumaureum)对甲醛的去除效果，光照强度增加显著地提高芦荟和吊兰的甲醛去除能力，而对绿萝的甲醛去除促进不显著，这说明不同植物吸收甲醛对光照的响应是不同的。Aydogan等[13]对英国常春藤(Hederahelix)、菊花(Chrysanthemummorifolium)、花叶万年青(Dieffenbachiapicta)和绿萝进行研究，却发现4种植物在黑暗条件下对甲醛吸收比在光照条件下更快。甲醛浓度也会影响植物对甲醛的去除效果，贺辉等[14]发现，当甲醛浓度改变时，植物对甲醛的吸收效率顺序会发生变化。

目前，主要集中于单一光照对植物甲醛净化能力影响的研究，关于光照变化下植物对甲醛净化能力的研究较少。因此，本研究立足于当前对室内甲醛污染净化的实际需求，选取国内居室常用的观赏植物为研究对象，进行玻璃箱密闭甲醛熏蒸实验，比较不同植物类型吸收甲醛的差异，筛选出吸收甲醛能力强的4种植物，进一步探索植物在不同光照强度和甲醛初始浓度下对甲醛的净化效果，结果可为日常室内绿化选择以及室内甲醛的防治工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取9种常见的2年龄室内观赏植物绿萝(E.aureum)、吊兰(E.comosum)、白鹤芋(Spathiphyllumkochii)、花叶万年青(D.picta)、也门铁(Draceanaarborea)、麒麟尾(Epipremnumpinniatum)、发财树(Pachiramacrocarpa)、富贵竹(Dracaenasanderiana)、变叶木(Codiaeumvariegatum)为研究对象，植物选购于福州市建新花卉市场。每种植物的规格、外形、长势大致相同，买回后养护2～3周，开始进行实验。

1.2 试验装置

试验装置参照 Wolverton博士的封闭舱[7]并作了改进(图1)。具体如下：玻璃箱(85 cm×65 cm×70 cm)顶部可以自由打开，用海绵胶带密封，箱内安装两个小风扇，用于加速甲醛液体挥发并起到混匀气体的作用；箱体侧面有两个直径为1 cm的小孔，经硅胶管连接MS-500+甲醛测量仪(深圳逸云天公司)的进气管与出气管；箱底部放置培养皿用于甲醛液体挥发；玻璃箱内部配有MC501温湿度计(东莞竞合公司)用于监测箱内温湿度变化。

1.3 试验设计

首先进行植物筛选试验：选取9种长势良好且基本一致的观赏植物，在甲醛浓度(4.276±0.035 mg·m-3)和光合有效辐射(Photosynthetically active radiation，PAR)为50 μmol·m-2·s-1下，探索不同植物对甲醛的净化能力。进一步选取净化甲醛能力较强的4种植物进行光强和初始甲醛浓度变化试验：(1)4个光照梯度(PAR分别为0、50、100、200 μmol·m-2·s-1)，甲醛浓度控制在4.614±0.203 mg·m-3；(2)两个甲醛初始浓度(4.53±0.13、1.60±0.10 mg·m-3)，PAR控制为50 μmol·m-2·s-1。其中，光强通过Wen-1LED灯(山东贵翔科技)来控制，使用MQ-500光量子记录仪(美国Apogee公司)测量PAR；初始甲醛浓度通过控制培养皿中甲醛溶液的体积来控制。

利用静式玻璃箱密闭熏气法检测植物对甲醛的吸收作用。具体如下：试验前，将玻璃箱进行彻底的清洗、通风干燥。用蒸馏水清洗叶片防止茎叶表面微生物对甲醛的吸收；包裹植物盆和土壤部分，避免植物根部和土壤对甲醛的吸收。试验开始时，用微量进样针吸取一定体积的甲醛溶液，打入培养皿中，并迅速将供试植物放入玻璃箱中，密闭玻璃箱，打开风扇，使甲醛溶液短时间内充分挥发。1 h后，用便携式甲醛测量仪测量玻璃箱中甲醛浓度，此后每隔2 h测量玻璃箱中的甲醛浓度，13 h或甲醛浓度低于仪器最低检测限(0.001 mg·m-3)，试验结束。同时记录玻璃箱中温湿度变化。所有试验包括空白对照组和实验组。在试验之前，先进行空白对照试验，即玻璃箱中不放入植物，其试验数据作为玻璃箱内甲醛气体的初始浓度。实验组放入植物打入甲醛溶液，试验过程与空白对照试验相同，并进行3个平行实验。试验结束后，采用LI-3000C型叶面积仪(美国CID公司)测量供试植物的叶面积。

1.4 数据分析

(1)

式(1)中：Au为甲醛净化速率(ng·cm-2·h-1)；c0为玻璃箱内甲醛初始浓度(mg·m-3)；cn为n小时玻璃箱内甲醛浓度(mg·m-3)；V为玻璃箱体积(m3)；n为玻璃箱甲醛浓度达到0.1 mg·m-3左右时的时间(h)；S为植物叶面积(cm2)。

蒸腾速率采用称重法测定[15]，植物甲醛熏蒸后，采集生长良好且位置大致相同的3片叶子，称取室温风干处理10 min前后的叶片重量，用叶片重量差除以叶面积来表示蒸腾速率。

差异显著性用 SPSS 18.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)、Duncan多重检验法检验和独立样本t检验，显著性水平为P<0.05，使用Origin 2018绘制图表。

2 结果与分析

2.1 植物对甲醛净化的影响

空白试验中，甲醛溶液在玻璃箱3 h后才完全挥发，随后甲醛浓度缓慢下降，这可能是因为甲醛自身的降解和玻璃箱及其箱内装置的少量吸附作用。各实验组前几个小时甲醛浓度下降幅度较大，随着玻璃箱甲醛浓度降低，甲醛浓度变化曲线下降趋于平缓。与空白组比较发现，密封13 h后实验组玻璃箱内甲醛浓度明显下降，但不同植物对甲醛去除效果不同。也门铁、变叶木、白鹤芋和花叶万年青去除效果较好(图2a)，在13 h后甲醛浓度均低于仪器检测限，发财树的甲醛去除效果最差(1.021 mg·m-3)，其次是吊兰(0.420 mg·m-3)。

由图2(b)知，变叶木(90.84 ng·cm-2·h-1)、白鹤芋(84.81 ng·cm-2·h-1)和花叶万年青(80.96 ng·cm-2·h-1)甲醛净化速率显著高于其他6种植物；发财树(23.44 ng·cm-2·h-1)和绿萝(32.47 ng·cm-2·h-1)的甲醛净化速率最低。麒麟尾、吊兰、也门铁和富贵竹甲醛净化速率无显著差异，但都显著高于发财树和绿萝。

9种植物中去除甲醛能力最强是变叶木，但试验过程中发现变叶木经过13 h甲醛熏蒸后，叶缘以及叶尖变色发黄，部分叶片整体变焦、萎蔫，甚至出现褐斑，这说明变叶木抗甲醛胁迫能力很差。此外，吊兰和也门铁甲醛净化速率无显著差异，但吊兰经过13 h甲醛熏蒸后，甲醛浓度为0.42 mg·m-3(图2)，远高于中国室内甲醛标准限值，也门铁甲醛浓度低于0.1 mg·m-3。故选择白鹤芋、花叶万年青、麒麟尾和也门铁4种植物，用于后续试验。

2.2 光照强度对植物净化甲醛的影响

不同光照条件下，4种观赏植物去除甲醛的效果不同(图3)。黑暗条件下，4种植物甲醛去除效果最差，13 h时甲醛浓度均高于中国室内甲醛标准限制。PAR增加，白鹤芋甲醛浓度变化不明显；而花叶万年青、也门铁和麒麟甲醛浓度显著下降，甲醛浓度达到仪器检测限的时间开始减少；当PAR达到200 μmol·m-2·s-1，白鹤芋和也门铁甲醛浓度较100 μmol·m-2·s-1无明显变化。此外，也门铁甲醛浓度较另外3种植物下降迅速，在短时间内达到很好的去除效果。

图3 不同光照强度下玻璃箱中甲醛浓度随时间的变化Figure 3 Changes of formaldehyde concentration in glass box with time under different light intensity

植物甲醛净化速率与植物种类和光照强度有关(图4)。4种植物甲醛净化速率在黑暗条件下最差，其中白掌≈麒麟尾(49 ng·cm-2·h-1)>花叶万年青(39.13 ng·cm-2·h-1)>也门铁(31.57 ng·cm-2·h-1)。随着PAR增加，4种植物甲醛净化速率增加。当PAR为200 μmol·m-2·s-1，白鹤芋甲醛净化速率最大，高达139.42 ng·cm-2·h-1。花叶万年青和麒麟尾甲醛净化速率较100 μmol·m-2·s-1时增加不显著，也门铁甲醛净化速率开始下降。整体而言，白鹤芋甲醛净化速率最高，也门铁最低。

由图5可知，白鹤芋蒸腾速率远大于另外3种植物，且白鹤芋、也门铁和花叶万年青甲醛净化速率与蒸腾速率呈极显著正相关关系(P<0.01)。

图5 4种植物甲醛净化速率与其蒸腾速率的关系Figure 5 Relationship between plant formaldehyde purification rate and transpiration rate

2.3 甲醛初始浓度对植物净化甲醛的影响

甲醛初始浓度变化会改变4种植物甲醛净化速率(图6)。供试植物在高甲醛浓度(4.53 mg·m-3)熏蒸下，甲醛净化速率为：白鹤芋(88.72 ng·cm-2·h-1)>花叶万年青(80.11 ng·cm-2·h-1)>麒麟尾(67.95 ng·cm-2·h-1)>(50.58 ng·cm-2·h-1)。低甲醛浓度(1.60 ng·cm-2·h-1)熏蒸下，麒麟尾(81.37 ng·cm-2·h-1)甲醛净化速率最大，且显著高于白鹤芋和也门铁。与低甲醛浓度相比，高甲醛浓度熏蒸下，白鹤芋和花叶万年青甲醛净化速率有不同程度的增加，而也门铁和麒麟尾甲醛净化速率出现下降。

注：大写字母表示同种植物不同光强间差异显著；小写字母表示同一光强不同植物间差异显著(P<0.05)。图 4 不同光照强度下4种植物甲醛净化速率Figure 4 Formaldehyde purification rate of four plants under different light intensity

3 讨论

影响植物去除甲醛的因素较多，其中植物种类影响最甚。本试验中，9种供试植物都具有去除甲醛的功能，但不同植物净化甲醛的效果不同(图2)。这与植物形态结构如表面粗糙程度[7]、气孔数量、叶片蜡质层含量和成分[16]等有关。本研究中，变叶木、白鹤芋和花叶万年青甲醛净化能力较好，可能与植物体内乙醇脱氢酶和甲醛脱氢酶活性有关，因为这两种酶对植物净化甲醛能力有着重要作用[17]。王丽萍等[18]研究也发现白鹤芋甲醛吸收率高，并建议选择白鹤芋来净化居室环境。本研究还发现发财树和吊兰吸收甲醛的能力较差(图2)，这与冯艳琼等[19]实验结果不一致，可能是盆栽基质和土壤微生物会去除部分空气中甲醛。此外，虽然绿萝甲醛的吸收率高，但单位叶面积甲醛净化能力较低(图2)。这可能是由于其叶面积大，气孔数量多，能够与甲醛充分接触，被植物吸收得更快。另外，甲醛浓度随着时间的增加减少得越慢，可能是由于植物在不同甲醛浓度胁迫下，植物采用不同的代谢机制；也可能是因为植物吸收甲醛具有饱和性。Su和Liang[20]研究表明，空气中甲醛浓度较低时，植物体内吸收的甲醛更容易释放到空气中。

注：F1、F2表示甲醛初始浓度分别为1.60、4.53 mg·m-3。不同大写字母表示同一初始浓度不同植物间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同种植物在不同处理下差异性显著(P<0.05)。图 6 甲醛初始浓度对植物甲醛净化速率的影响Figure 6 Effects of initial concentration of formaldehyde on the purification rate of plant

光照是植物生长不可或缺的因素，植物在不同光照条件下生长发育及生理状况是不同的，进而影响植物光合作用和呼吸作用等代谢活动[21]。甲醛经过叶片气孔和蜡质层进入植物体内，通过自身代谢活动将甲醛降解、转化或作为碳源同化[22]，从而达到净化空气的目的。本试验中，甲醛会发生光解，但光照强度对甲醛分解影响较小，且计算植物甲醛净化速率扣除了甲醛光解的影响。黑暗条件下，4种植物都具有去除甲醛的能力(图3)，而气孔在黑暗条件下无法打开，所以甲醛可能是通过叶片蜡质层进入植物体内被分解或者被植物表皮吸附。当光照强度增加，植物净化甲醛速率增加(图4)，这与Xu等[12]的研究结果一致。因为光照强度提高，植物光合作用增强，气孔打开，蒸腾速率增加，甲醛更容易进入植物体内。当PAR达到200 μmol·m-2·s-1，花叶万年青和麒麟尾甲醛净化速率增加不显著，其中也门铁显著下降(图4)。这可能由于这4种植物都是耐阴性植物，光照强度太强不利于耐阴性植物生长[23]，影响植物生长发育和一些体内代谢活动，进而影响植物甲醛的净化能力。图5中部分植物甲醛净化速率与蒸腾速率显著正相关(P<0.01)。实验结果表明，也门铁蒸腾速率在200 μmol·m-2·s-1时，同样开始下降。

甲醛浓度对植物去除甲醛的影响是不确定的。令狐昱尉等[24]研究发现，当甲醛浓度在0.977～3.652 mg·m-3范围间，同种植物单位叶面积吸收率随着甲醛浓度的增加而增大。本研究结果中，白鹤芋和花叶万年青甲醛净化速率随着甲醛浓度的增加而增大，这与王丽萍等[18]报道一致，而也门铁和麒麟尾的甲醛净化速率出现下降的趋势(图6)，这可能与植物本身的特性有关，也可能是过高的甲醛浓度破坏植物体内部分组织和器官，进而影响植物对甲醛的净化功能；且甲醛浓度较低时，植物体内吸收的甲醛也可能会释放到空气中[20]。观赏植物对甲醛净化能力与植物叶面积存在关联。本研究发现，吊兰和麒麟尾等植物甲醛去除效率虽然不高，但是甲醛净化速率较大(图2)，这与植物自身叶面积较小有关。采用单位叶面积甲醛净化速率来衡量植物去除甲醛的能力具有一定的科学性，它可以准确定量地比较植物净化甲醛的能力，但不同植物自身叶面积大小是不同的，叶面积小的植物单位叶面积净化速率高，但整株去除效率低，实际应用缺乏现实意义。因此，在评价植物甲醛净化能力时，应综合分析甲醛去除效果与单位叶面积甲醛净化速率，二者均较高则最为理想。此外，植物虽可以去除室内甲醛，但植物本身净化甲醛能力有限。Sirima等[25]做了数据模拟，发现要将一间150 m2的办公室甲醛浓度从1 mg·m-3降低到0.5 mg·m-3，需要1 100多株植物，这与现实是不符的；但是作者假设空间是封闭的，没有考虑到室内其他装饰品等会吸收部分甲醛，以及植物土壤基质和微生物等有净化作用。因此，植物净化甲醛的试验还亟待更深入的研究。