室内滴灌条件下苔藓植物生长规律研究与应用

曹林涛　蔡永龙

摘要：通过试验研究了室内滴灌条件下苔藓植物的生长规律及室内除尘应用的可行性。以衬底基材、衬底倾斜角度、滴灌速率、补水间隔以及用水量等作为影响因素，研究了各因素在室内滴灌条件下对苔藓生长的影响;通过粉尘吸附试验，验证了苔藓植物的室内吸尘效率及室内除尘应用的可行性，同时设计了一种基于苔藓培植的粉尘吸附装置。结果表明，平放的衬底基材，尤其是木板最有利于苔藓植物生长;供水速度宜适度，润湿苔藓植物为佳;补水间隔越小对苔藓植物生长越有利，最佳补水间隔为2 d;当供水速率为0.9 mL/min，苔藓植物单位面积需水量应在2.0 L/（cm2·d）左右;湿润苔藓具有吸尘效果。

关键词：苔藓植物;滴灌;生长规律;吸尘;室内绿化

中图分类号：Q949.35         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）15-0080-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.018           开放科学（资源服务）标识码（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

伴随城市化快速推进，汽车交通、土木工程建设等导致的城市空气污染对居民身体健康与生活质量构成越来越大的威胁。国务院办公厅印发了《大气污染防治行动计划实施情况考核办法（试行）》，规定将各地区PM2.5或PM10年均浓度下降比例作为考核指标，并针对工业废气制定了国家或地方相关的排放标准，对空气质量进行严格把控和监测。

苔藓植物具有绿色喜水持水特性[1-3]，研究表明苔藓可以吸收空气中的有毒重金属微粒[4-7]，已被成功地用作重金属大气沉积的生物标志，并在生态环境监测等方面得以广泛应用[8-11]。苔藓植物只有假根，主要从空气中获得营养，缓慢的生长速率有助于在更长的时间周期内积累污染物。国外相关研究人员发现苔藓植物具有吸收和消化烟雾中微小颗粒（PM2.5）的功能，并對微量元素具有吸附持留作用[12，13];杜庆明等[14]通过苔袋试验发现苔藓可吸附并持留大量的颗粒物及其他污染物，具有良好的降尘效果及空气质量监测功能。鉴于苔藓特有的生态功能，苔藓植物的室内绿化也成为一个新兴的应用领域，刘沨等[15]、周涛平[16]通过调查及种植试验分析了苔藓在室内绿化的应用情况与形式;刘艳等[17]指出相对湿度与林冠郁闭度是影响苔藓植物的主要环境因子，可据此在室内构造苔生环境。为此，本文通过室内滴灌试验研究多个因素对苔藓植物生长的影响规律，同时设计了吸附试验进行苔藓植物的室内除尘效果研究，进而提供苔藓在室内的培植技术参数，并设计基于苔藓培植的粉尘吸附装置，为苔藓植物在室内绿化以及除灰降尘等方面的应用提供理论基础，有利于室内空气的净化及居室环境的改善。

1  材料与方法

1.1  试验材料

为探究室内滴灌条件下苔藓植物的生长规律，将衬底基材、衬底倾斜角度、滴灌速率、补水间隔以及用水量作为参考变量，研究其对苔藓生长的影响。衬底基材的选取考虑质地与粗糙度两方面的差异，要求轮廓规整，具备相对平整的上下表面;其中质地对比材料包括木板、砖块、石块[18]等，粗糙度对比材料包括灰砂砖、石块以及瓷砖。苔藓植物取自隆中山体阴暗潮湿的混凝土沟渠，另外准备细线、医用滴管、塑料瓶及挂钩等辅助设施，以自来水作为苔藓植物的生长用水。粉尘吸附试验取隆中山体干土作为粉尘模拟原始材料，利用电风扇、硬纸板、筛子、木凳等工具创造粉尘模拟环境，最后借助胶头滴管、烧杯、铝盒、烘箱以及分析天平等进行粉尘吸附结果的评测。

1.2  样品处理

将取自混凝土沟渠的新鲜苔藓用清水洗涤多次，清除其上粘附的杂质，并将清洗干净的苔藓植物分成大小相等的若干份;在衬底基材上表面标出面积相等、形状相同的苔藓铺放区域，进而将各份处理好的苔藓植物均匀平铺于衬底基材上相应区域，特殊条件下利用准备好的细线将苔藓植物系在衬底基材上予以固定。用木锤对取自隆中山体的干土进行反复捶打制出细灰，除去草根、石子等杂质，并用0.25 mm土筛筛出备用。

1.3  试验方法

1.3.1  室内滴灌条件下苔藓生长试验  滴灌可以节约水分[19]，而苔藓植物又具有喜水特性以及较好的持水性和耐旱性[3]，因此以滴灌形式为室内苔藓植物的培植进行持续供水是一种与苔藓生长习性相适应的最佳选择，故设计室内滴灌试验进行苔藓植物生长规律研究，为苔藓在室内的培植提供技术参数，相关研究拟考虑以下影响因素：衬底基材、衬底倾斜角度、补水间隔、滴灌速率、单位面积用水量。将塑料瓶去底，呈漏斗状倒立并悬挂于墙壁上用于储水;将输液管上端插入塑料瓶盖，下端垂放于衬底基材上苔藓植物中部，在塑料瓶内注满自来水进行滴灌，通过开关调节滴灌速率并保持速率稳定在0.9 mL/min，根据用水情况定期向塑料瓶内补水，从而构造室内一定湿度[20]的苔藓生长环境。定义存活面积占整体面积的比例为存活率，不定期观测苔藓植物的存活率分析各参数对苔藓植物生长的影响规律。存活率计算公式如下：

？浊i=■×100%    （1）

式中，St为苔藓样本总面积，Sli为样本第i次观测时存活苔藓面积，？浊i为样本第i次观测时苔藓的存活率。

1.3.2  苔藓植物的粉尘吸附试验  国内外诸多研究表明湿润苔藓对粉尘具有较好的吸附效果，本研究设计模拟室内环境的粉尘吸附试验对苔藓植物的吸附作用予以论证并进行室内除尘效果评价，拟为苔藓植物在室内除尘应用的可行性提供理论依据。用硬纸板将木凳围成一个小的封闭空间（42 cm×22 cm×32 cm），在其中一个侧面上留出16个直径约2 cm且均匀排布的进灰孔，另3个侧面分别留2个2 cm左右的通风孔，模拟室内空间;将带有苔藓的木板置于木凳底部，其中苔藓面积S=25 cm×25 cm=625 cm2，采用塑料瓶与滴管对苔藓进行滴灌，为苔藓生长提供必要的水分;进而将电风扇置于进灰孔正前方50 cm左右，并在一定范围内来回摆动，取适量土灰于 0.25 mm土筛中，于进灰孔前均匀筛下，以增加封闭空间内空气灰尘含量，每隔2 d加灰一次，营造粉尘模拟环境。15 d后将苔藓取出洗涤多遍，去除杂质后得到含土灰的溶液，并将溶液存于烧杯中静置待土灰沉淀，进而用胶头滴管取出上部清水进行灰液浓缩，反复多次后将经浓缩的灰液置于铝盒中用烘箱烘干，最后用分析天平称出苔藓所吸附灰尘的质量。

2  结果与分析

2.1  室内滴灌条件下苔藓植物生长规律

2.1.1  衬底基材对苔藓植物生长的影响  除空气与水分外，苔藓可从衬底基材中获取一定的生长营养[21]，因此本研究亦将衬底基材设为变量，考虑不同材质的影响，分别以灰砂砖、岩石、瓷砖、木板为衬底基材进行对比试验，通过持续21 d的观察记录，并将所得数据进行处理，得到不同衬底基材对苔藓植物生长的影响情况如图1所示。根据图1可以得出，不同衬底基材上苔藓植物生长情况各不相同，其中灰砂砖对苔藓植物的生长最为不利，而木板对苔藓植物的生长最为友好，瓷砖、岩石上苔藓生长情况比木板略差，但相对灰砂砖较好。

灰砂砖作为衬底基材的苔藓存活情况最差，可能存在两方面主要原因：一方面，由于灰砂砖的透水性较大，当滴灌效率一致时，水分渗透流失严重，难以确保苔藓植物用水需求;另一方面，因灰砂砖偏碱性，对偏酸性的苔藓植物生长不利。木板能够吸水，且保水性非常好，能够为苔藓植物长期提供潮湿的生长环境，加之粗糙的表面不仅能够防止表面径流，同时有利于苔藓附着生长，因此相较于其他衬底基材而言，木板对苔藓植物的生长最为有利。岩石渗透性差，同时表面有微小坡度，滴灌下来的水分只能沿坡面流失，导致水分在苔藓植物中留存时间相对延长，因此岩石作为衬底基材时苔藓生长情况较灰砂砖好，但其持水、保水性差，对于苔藓的友好度不如木板。瓷砖表面平整，且为不透水基材，当平放时水分流失相对较慢，因而平放条件下，瓷砖作为衬底基材时苔藓的生长情况比岩石要好，但木板因粗糙的表面可进一步减缓水分流失且保水性好，故木板更有利于苔藓生长。

2.1.2  滴灌速率對苔藓植物生长的影响  以木板为衬底基材进行苔藓植物覆盖下的滴灌试验，除考虑2个极端条件（无水与完全浸没）外，还考虑4组滴灌速度，分别是0.50、1.00、1.50、2.25 mL/min（苔藓表面已经湿润， 但苔藓整体未饱和）。不同试验条件下的苔藓植物生长状况见图2。根据图2可以得出，滴灌速率为0时苔藓植物基本全部枯死，全部浸入水中的苔藓植物基本全部发黑腐烂。出现这种情况是由于当无水滴灌时，苔藓植物得不到生长所必须的水分，长期缺水而枯死，而当苔藓植物全部浸没于水中时，由于缺氧的影响，造成苔藓植物发黑腐烂而死。通过对比发现，供水速率越快，苔藓植物的存活率越高，原因可能是在苔藓未饱水条件下，增加的滴灌效率使得水分趋近湿润条件。

2.1.3  用水量对苔藓植物生长的影响  以木板为衬底基材（面积S=1.74 cm2），考虑4种覆盖面积，包括1/4 S、1/2 S、3/4 S以及全覆盖，保持滴灌速率一致为V=0.9 mL/min，隔2 d加水一次，供水量Q= 1.5 L。则单位面积供水量分别为a1=5.0 L/cm2，a2=2.3 L/cm2，a3=1.5 L/cm2，a4=1.2 L/cm2。不同苔藓植物覆盖面积下的生长情况见图3。根据图3可以得出，苔藓植物覆盖面积越大对水分的需求也越大。试验中1/4 S与1/2 S苔藓植物覆盖面积长势良好，补水间隔时间为2 d，计算得出单位面积用水量在1.25～2.50 L/（cm2·d），即2.0 L/（cm2·d）左右。

2.1.4  衬底倾斜角度对苔藓植物生长的影响  为探究衬底倾斜角度对苔藓植物生长的影响，在缺水条件下以瓷砖衬底基材上的苔藓植物为观测对象，采用5个倾斜角度（包括0°、30°、45°、60°、90°）进行滴灌观测;保持速率一致为V=0.9 mL/min，隔2 d加一次水，加水量均为Q=1.5 L。图4给出了不同倾斜角度上苔藓植物的生长情况。由图4可以得出，不同倾角的苔藓植物生长情况不同，且苔藓植物存活率随倾角的增大而减小，这是由于瓷砖衬底的透水性与保水性差，随着坡面倾斜角度增大，在重力作用下水分流失得更快。

2.1.5  补水间隔对苔藓植物生长的影响  以瓷砖为衬底基材设4组不同补水间隔的对比试验：补水间隔为1、2、3、4 d;保持4组滴灌速率一致均为V=0.9 mL/min，每次加水量均为Q=1.5 L，不同补水间隔下苔藓植物的生长情况见图5。根据图5可以得出，不同补水间隔下的苔藓植物生长情况存在差异，补水间隔为4 d的苔藓植物枯死最多，补水间隔为1 d或2 d的枯死较少。由于存在水分蒸发与饱和后的溢流，补水间隔越长对苔藓植物的生长越不利。补水间隔为1 d或2 d时，苔藓生长情况差别不大，由于苔藓植物自身吸收储备的有一定水分，只要在失水之前及时补水即可满足返绿需要。

2.2  苔藓植物粉尘吸附试验结果

为论证苔藓植物的吸附作用并进行室内除尘效果评价，通过人为增加空气灰尘浓度进行了粉尘吸附试验，试验结果如表1所示。表1结果表明，平均每份苔藓（S=625 cm2）吸尘约1.235 g，与弗拉姆教授的实验室进行的苔藓吸附尾气烟雾实验[7]结论基本吻合，不同组别存在差异主要来源于进灰数量的差别。湿润苔藓吸收的灰尘包含两部分，一部分为苔藓自身吸收灰尘，一部分为灰尘自由下落触及并黏附在苔藓上。最终试验数据表明苔藓吸附灰尘是有效的，可用于居室内的除尘。定义粉尘吸附率为苔藓所吸附灰尘质量与苔藓面积的比值，其计算公式如下：

？酌i=■×100%     （2）

式中，S为吸附试验苔藓样本面积，m2为铝盒与灰尘总质量，m1为铝盒质量，？酌i为苔藓的粉尘吸附率。

通过吸附试验论证了苔藓植物用于室内除尘的可行性，并结合室内滴灌条件下的生长规律研究给出的苔藓培植相关技术参数，设计了基于苔藓培植的一种粉尘吸附装置[22]，利用湿润苔藓吸尘以减少粉尘的传播并吸收空气中所含的微量重金属元素，在居室绿化的同时进行空气净化，同时可调节室内空气湿度，对于改善居室环境质量具有重要意义。

3  小结

试验结果表明，在水分不充足的情况下，透水性差且保水性好的材料更宜作为苔藓植物生长的衬底基材，以木板为优，灰砂砖为最差;同时水平放置衬底基材比倾斜放置更宜保住苔藓植物的水分。

补水间隔越小对苔藓植物生长越有利，当滴灌速率为0.9 mL/min，供水量为1.5 L时，间隔2 d进行滴灌补水是合适的;无水或完全浸泡均不利于苔藓植物生长。

在水分不充足条件下，衬底水平放置时，苔藓植物的供水速率宜适度，湿润苔藓即可。在水分不充足条件下，衬底水平放置的条件下，苔藓植物面积不宜过大，当供水速率为0.9 mL/min，苔藓植物单位面积需水量应大致在2.0 L/（cm2·d）左右。

室内粉尘吸附试验表明，湿润苔藓能够吸附空气中的灰尘以净化空气，可有效改善居室环境质量。

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