趙振，魏思桐，馬方園，黃幸然，易志剛

(福建農(nóng)林大學(xué) a.資源與環(huán)境學(xué)院,b.土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點實驗室，福州 350002)

0 引言

甲醛作為一種常見的室內(nèi)揮發(fā)性有機污染物，在室內(nèi)環(huán)境中被廣泛檢測到，已成為引起“不良建筑綜合征”的主要原因之一[1]。低濃度甲醛會導(dǎo)致人體眼部、呼吸部和肺部等受到損害，高濃度甲醛則會損傷細胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，甚至致畸、致癌[2]。中國作為世界上最大的甲醛生產(chǎn)國和消費國，室內(nèi)甲醛衛(wèi)生質(zhì)量標準為0.1 mg·m-3，甲醛污染在中國室內(nèi)環(huán)境中普遍存在[3]，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[4]。研究表明，從2007年到2014年，中國室內(nèi)甲醛超標率基本超過50%，甚至?xí)_到100%[5]。目前，室內(nèi)空氣中去除甲醛的方法有自然通風(fēng)法、物理吸附法、光催化氧化、生物過濾法和負離子技術(shù)等，但這些技術(shù)通常具有費用高、能耗大、易產(chǎn)生二次污染和其他有毒物質(zhì)等缺點[6]。植物凈化技術(shù)不僅能美化環(huán)境和減少空氣污染，還可以顯著提高人們在居住或工作場合的舒適度、生產(chǎn)力和精神功能，被廣泛使用。

美國航天局的Wolverton博士最先開展植物對揮發(fā)性有機物吸收的研究，列出了50種常見的可以凈化室內(nèi)空氣的觀賞植物[7]。安雪等[8]對16種常見室內(nèi)觀賞植物進行甲醛熏氣處理，發(fā)現(xiàn)瑞典常春藤(Lsodonamethystoides)凈化甲醛能力最強，而百合(Dracaenareflex)和口紅花(Aeschynanthusradicans)去除能力較弱；這是由于常春藤葉表面比較粗糙、凹凸不平，增加了植物對甲醛吸收和吸附。Kim等[9]研究5類86種植物的甲醛去除率，發(fā)現(xiàn)蕨類植物對甲醛的去除率最高，其次是草本植物；木本植物、草本植物和韓國本土植物相似，甲醛去除率較差。植物間差異可能與葉片氣孔特征、蠟層和毛發(fā)生長等葉片參數(shù)有關(guān)[10]。

光作為重要的環(huán)境因子，光照的改變將直接影響植物生長發(fā)育和結(jié)構(gòu)特征[11]，且室外光照強度顯著高于室內(nèi)，因此光照的改變勢必影響植物生長發(fā)育，進而影響植物吸收甲醛。Xu等[12]研究吊蘭(Epipremnumcomosum)、蘆薈(Aloevera)和綠蘿(Epipremnumaureum)對甲醛的去除效果，光照強度增加顯著地提高蘆薈和吊蘭的甲醛去除能力，而對綠蘿的甲醛去除促進不顯著，這說明不同植物吸收甲醛對光照的響應(yīng)是不同的。Aydogan等[13]對英國常春藤(Hederahelix)、菊花(Chrysanthemummorifolium)、花葉萬年青(Dieffenbachiapicta)和綠蘿進行研究，卻發(fā)現(xiàn)4種植物在黑暗條件下對甲醛吸收比在光照條件下更快。甲醛濃度也會影響植物對甲醛的去除效果，賀輝等[14]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)甲醛濃度改變時，植物對甲醛的吸收效率順序會發(fā)生變化。

目前，主要集中于單一光照對植物甲醛凈化能力影響的研究，關(guān)于光照變化下植物對甲醛凈化能力的研究較少。因此，本研究立足于當(dāng)前對室內(nèi)甲醛污染凈化的實際需求，選取國內(nèi)居室常用的觀賞植物為研究對象，進行玻璃箱密閉甲醛熏蒸實驗，比較不同植物類型吸收甲醛的差異，篩選出吸收甲醛能力強的4種植物，進一步探索植物在不同光照強度和甲醛初始濃度下對甲醛的凈化效果，結(jié)果可為日常室內(nèi)綠化選擇以及室內(nèi)甲醛的防治工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取9種常見的2年齡室內(nèi)觀賞植物綠蘿(E.aureum)、吊蘭(E.comosum)、白鶴芋(Spathiphyllumkochii)、花葉萬年青(D.picta)、也門鐵(Draceanaarborea)、麒麟尾(Epipremnumpinniatum)、發(fā)財樹(Pachiramacrocarpa)、富貴竹(Dracaenasanderiana)、變?nèi)~木(Codiaeumvariegatum)為研究對象，植物選購于福州市建新花卉市場。每種植物的規(guī)格、外形、長勢大致相同，買回后養(yǎng)護2～3周，開始進行實驗。

1.2 試驗裝置

試驗裝置參照 Wolverton博士的封閉艙[7]并作了改進(圖1)。具體如下：玻璃箱(85 cm×65 cm×70 cm)頂部可以自由打開，用海綿膠帶密封，箱內(nèi)安裝兩個小風(fēng)扇，用于加速甲醛液體揮發(fā)并起到混勻氣體的作用；箱體側(cè)面有兩個直徑為1 cm的小孔，經(jīng)硅膠管連接MS-500+甲醛測量儀(深圳逸云天公司)的進氣管與出氣管；箱底部放置培養(yǎng)皿用于甲醛液體揮發(fā)；玻璃箱內(nèi)部配有MC501溫濕度計(東莞競合公司)用于監(jiān)測箱內(nèi)溫濕度變化。

1.3 試驗設(shè)計

首先進行植物篩選試驗：選取9種長勢良好且基本一致的觀賞植物，在甲醛濃度(4.276±0.035 mg·m-3)和光合有效輻射(Photosynthetically active radiation，PAR)為50 μmol·m-2·s-1下，探索不同植物對甲醛的凈化能力。進一步選取凈化甲醛能力較強的4種植物進行光強和初始甲醛濃度變化試驗：(1)4個光照梯度(PAR分別為0、50、100、200 μmol·m-2·s-1)，甲醛濃度控制在4.614±0.203 mg·m-3；(2)兩個甲醛初始濃度(4.53±0.13、1.60±0.10 mg·m-3)，PAR控制為50 μmol·m-2·s-1。其中，光強通過Wen-1LED燈(山東貴翔科技)來控制，使用MQ-500光量子記錄儀(美國Apogee公司)測量PAR；初始甲醛濃度通過控制培養(yǎng)皿中甲醛溶液的體積來控制。

利用靜式玻璃箱密閉熏氣法檢測植物對甲醛的吸收作用。具體如下：試驗前，將玻璃箱進行徹底的清洗、通風(fēng)干燥。用蒸餾水清洗葉片防止莖葉表面微生物對甲醛的吸收；包裹植物盆和土壤部分，避免植物根部和土壤對甲醛的吸收。試驗開始時，用微量進樣針吸取一定體積的甲醛溶液，打入培養(yǎng)皿中，并迅速將供試植物放入玻璃箱中，密閉玻璃箱，打開風(fēng)扇，使甲醛溶液短時間內(nèi)充分揮發(fā)。1 h后，用便攜式甲醛測量儀測量玻璃箱中甲醛濃度，此后每隔2 h測量玻璃箱中的甲醛濃度，13 h或甲醛濃度低于儀器最低檢測限(0.001 mg·m-3)，試驗結(jié)束。同時記錄玻璃箱中溫濕度變化。所有試驗包括空白對照組和實驗組。在試驗之前，先進行空白對照試驗，即玻璃箱中不放入植物，其試驗數(shù)據(jù)作為玻璃箱內(nèi)甲醛氣體的初始濃度。實驗組放入植物打入甲醛溶液，試驗過程與空白對照試驗相同，并進行3個平行實驗。試驗結(jié)束后，采用LI-3000C型葉面積儀(美國CID公司)測量供試植物的葉面積。

1.4 數(shù)據(jù)分析

(1)

式(1)中：Au為甲醛凈化速率(ng·cm-2·h-1)；c0為玻璃箱內(nèi)甲醛初始濃度(mg·m-3)；cn為n小時玻璃箱內(nèi)甲醛濃度(mg·m-3)；V為玻璃箱體積(m3)；n為玻璃箱甲醛濃度達到0.1 mg·m-3左右時的時間(h)；S為植物葉面積(cm2)。

蒸騰速率采用稱重法測定[15]，植物甲醛熏蒸后，采集生長良好且位置大致相同的3片葉子，稱取室溫風(fēng)干處理10 min前后的葉片重量，用葉片重量差除以葉面積來表示蒸騰速率。

差異顯著性用 SPSS 18.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)、Duncan多重檢驗法檢驗和獨立樣本t檢驗，顯著性水平為P<0.05，使用Origin 2018繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物對甲醛凈化的影響

空白試驗中，甲醛溶液在玻璃箱3 h后才完全揮發(fā)，隨后甲醛濃度緩慢下降，這可能是因為甲醛自身的降解和玻璃箱及其箱內(nèi)裝置的少量吸附作用。各實驗組前幾個小時甲醛濃度下降幅度較大，隨著玻璃箱甲醛濃度降低，甲醛濃度變化曲線下降趨于平緩。與空白組比較發(fā)現(xiàn)，密封13 h后實驗組玻璃箱內(nèi)甲醛濃度明顯下降，但不同植物對甲醛去除效果不同。也門鐵、變?nèi)~木、白鶴芋和花葉萬年青去除效果較好(圖2a)，在13 h后甲醛濃度均低于儀器檢測限，發(fā)財樹的甲醛去除效果最差(1.021 mg·m-3)，其次是吊蘭(0.420 mg·m-3)。

由圖2(b)知，變?nèi)~木(90.84 ng·cm-2·h-1)、白鶴芋(84.81 ng·cm-2·h-1)和花葉萬年青(80.96 ng·cm-2·h-1)甲醛凈化速率顯著高于其他6種植物；發(fā)財樹(23.44 ng·cm-2·h-1)和綠蘿(32.47 ng·cm-2·h-1)的甲醛凈化速率最低。麒麟尾、吊蘭、也門鐵和富貴竹甲醛凈化速率無顯著差異，但都顯著高于發(fā)財樹和綠蘿。

9種植物中去除甲醛能力最強是變?nèi)~木，但試驗過程中發(fā)現(xiàn)變?nèi)~木經(jīng)過13 h甲醛熏蒸后，葉緣以及葉尖變色發(fā)黃，部分葉片整體變焦、萎蔫，甚至出現(xiàn)褐斑，這說明變?nèi)~木抗甲醛脅迫能力很差。此外，吊蘭和也門鐵甲醛凈化速率無顯著差異，但吊蘭經(jīng)過13 h甲醛熏蒸后，甲醛濃度為0.42 mg·m-3(圖2)，遠高于中國室內(nèi)甲醛標準限值，也門鐵甲醛濃度低于0.1 mg·m-3。故選擇白鶴芋、花葉萬年青、麒麟尾和也門鐵4種植物，用于后續(xù)試驗。

2.2 光照強度對植物凈化甲醛的影響

不同光照條件下，4種觀賞植物去除甲醛的效果不同(圖3)。黑暗條件下，4種植物甲醛去除效果最差，13 h時甲醛濃度均高于中國室內(nèi)甲醛標準限制。PAR增加，白鶴芋甲醛濃度變化不明顯；而花葉萬年青、也門鐵和麒麟甲醛濃度顯著下降，甲醛濃度達到儀器檢測限的時間開始減少；當(dāng)PAR達到200 μmol·m-2·s-1，白鶴芋和也門鐵甲醛濃度較100 μmol·m-2·s-1無明顯變化。此外，也門鐵甲醛濃度較另外3種植物下降迅速，在短時間內(nèi)達到很好的去除效果。

圖3 不同光照強度下玻璃箱中甲醛濃度隨時間的變化Figure 3 Changes of formaldehyde concentration in glass box with time under different light intensity

植物甲醛凈化速率與植物種類和光照強度有關(guān)(圖4)。4種植物甲醛凈化速率在黑暗條件下最差，其中白掌≈麒麟尾(49 ng·cm-2·h-1)>花葉萬年青(39.13 ng·cm-2·h-1)>也門鐵(31.57 ng·cm-2·h-1)。隨著PAR增加，4種植物甲醛凈化速率增加。當(dāng)PAR為200 μmol·m-2·s-1，白鶴芋甲醛凈化速率最大，高達139.42 ng·cm-2·h-1?；ㄈ~萬年青和麒麟尾甲醛凈化速率較100 μmol·m-2·s-1時增加不顯著，也門鐵甲醛凈化速率開始下降。整體而言，白鶴芋甲醛凈化速率最高，也門鐵最低。

由圖5可知，白鶴芋蒸騰速率遠大于另外3種植物，且白鶴芋、也門鐵和花葉萬年青甲醛凈化速率與蒸騰速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

圖5 4種植物甲醛凈化速率與其蒸騰速率的關(guān)系Figure 5 Relationship between plant formaldehyde purification rate and transpiration rate

2.3 甲醛初始濃度對植物凈化甲醛的影響

甲醛初始濃度變化會改變4種植物甲醛凈化速率(圖6)。供試植物在高甲醛濃度(4.53 mg·m-3)熏蒸下，甲醛凈化速率為：白鶴芋(88.72 ng·cm-2·h-1)>花葉萬年青(80.11 ng·cm-2·h-1)>麒麟尾(67.95 ng·cm-2·h-1)>(50.58 ng·cm-2·h-1)。低甲醛濃度(1.60 ng·cm-2·h-1)熏蒸下，麒麟尾(81.37 ng·cm-2·h-1)甲醛凈化速率最大，且顯著高于白鶴芋和也門鐵。與低甲醛濃度相比，高甲醛濃度熏蒸下，白鶴芋和花葉萬年青甲醛凈化速率有不同程度的增加，而也門鐵和麒麟尾甲醛凈化速率出現(xiàn)下降。

注：大寫字母表示同種植物不同光強間差異顯著；小寫字母表示同一光強不同植物間差異顯著(P<0.05)。圖 4 不同光照強度下4種植物甲醛凈化速率Figure 4 Formaldehyde purification rate of four plants under different light intensity

3 討論

影響植物去除甲醛的因素較多，其中植物種類影響最甚。本試驗中，9種供試植物都具有去除甲醛的功能，但不同植物凈化甲醛的效果不同(圖2)。這與植物形態(tài)結(jié)構(gòu)如表面粗糙程度[7]、氣孔數(shù)量、葉片蠟質(zhì)層含量和成分[16]等有關(guān)。本研究中，變?nèi)~木、白鶴芋和花葉萬年青甲醛凈化能力較好，可能與植物體內(nèi)乙醇脫氫酶和甲醛脫氫酶活性有關(guān)，因為這兩種酶對植物凈化甲醛能力有著重要作用[17]。王麗萍等[18]研究也發(fā)現(xiàn)白鶴芋甲醛吸收率高，并建議選擇白鶴芋來凈化居室環(huán)境。本研究還發(fā)現(xiàn)發(fā)財樹和吊蘭吸收甲醛的能力較差(圖2)，這與馮艷瓊等[19]實驗結(jié)果不一致，可能是盆栽基質(zhì)和土壤微生物會去除部分空氣中甲醛。此外，雖然綠蘿甲醛的吸收率高，但單位葉面積甲醛凈化能力較低(圖2)。這可能是由于其葉面積大，氣孔數(shù)量多，能夠與甲醛充分接觸，被植物吸收得更快。另外，甲醛濃度隨著時間的增加減少得越慢，可能是由于植物在不同甲醛濃度脅迫下，植物采用不同的代謝機制；也可能是因為植物吸收甲醛具有飽和性。Su和Liang[20]研究表明，空氣中甲醛濃度較低時，植物體內(nèi)吸收的甲醛更容易釋放到空氣中。

注：F1、F2表示甲醛初始濃度分別為1.60、4.53 mg·m-3。不同大寫字母表示同一初始濃度不同植物間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同種植物在不同處理下差異性顯著(P<0.05)。圖 6 甲醛初始濃度對植物甲醛凈化速率的影響Figure 6 Effects of initial concentration of formaldehyde on the purification rate of plant

光照是植物生長不可或缺的因素，植物在不同光照條件下生長發(fā)育及生理狀況是不同的，進而影響植物光合作用和呼吸作用等代謝活動[21]。甲醛經(jīng)過葉片氣孔和蠟質(zhì)層進入植物體內(nèi)，通過自身代謝活動將甲醛降解、轉(zhuǎn)化或作為碳源同化[22]，從而達到凈化空氣的目的。本試驗中，甲醛會發(fā)生光解，但光照強度對甲醛分解影響較小，且計算植物甲醛凈化速率扣除了甲醛光解的影響。黑暗條件下，4種植物都具有去除甲醛的能力(圖3)，而氣孔在黑暗條件下無法打開，所以甲醛可能是通過葉片蠟質(zhì)層進入植物體內(nèi)被分解或者被植物表皮吸附。當(dāng)光照強度增加，植物凈化甲醛速率增加(圖4)，這與Xu等[12]的研究結(jié)果一致。因為光照強度提高，植物光合作用增強，氣孔打開，蒸騰速率增加，甲醛更容易進入植物體內(nèi)。當(dāng)PAR達到200 μmol·m-2·s-1，花葉萬年青和麒麟尾甲醛凈化速率增加不顯著，其中也門鐵顯著下降(圖4)。這可能由于這4種植物都是耐陰性植物，光照強度太強不利于耐陰性植物生長[23]，影響植物生長發(fā)育和一些體內(nèi)代謝活動，進而影響植物甲醛的凈化能力。圖5中部分植物甲醛凈化速率與蒸騰速率顯著正相關(guān)(P<0.01)。實驗結(jié)果表明，也門鐵蒸騰速率在200 μmol·m-2·s-1時，同樣開始下降。

甲醛濃度對植物去除甲醛的影響是不確定的。令狐昱尉等[24]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)甲醛濃度在0.977～3.652 mg·m-3范圍間，同種植物單位葉面積吸收率隨著甲醛濃度的增加而增大。本研究結(jié)果中，白鶴芋和花葉萬年青甲醛凈化速率隨著甲醛濃度的增加而增大，這與王麗萍等[18]報道一致，而也門鐵和麒麟尾的甲醛凈化速率出現(xiàn)下降的趨勢(圖6)，這可能與植物本身的特性有關(guān)，也可能是過高的甲醛濃度破壞植物體內(nèi)部分組織和器官，進而影響植物對甲醛的凈化功能；且甲醛濃度較低時，植物體內(nèi)吸收的甲醛也可能會釋放到空氣中[20]。觀賞植物對甲醛凈化能力與植物葉面積存在關(guān)聯(lián)。本研究發(fā)現(xiàn)，吊蘭和麒麟尾等植物甲醛去除效率雖然不高，但是甲醛凈化速率較大(圖2)，這與植物自身葉面積較小有關(guān)。采用單位葉面積甲醛凈化速率來衡量植物去除甲醛的能力具有一定的科學(xué)性，它可以準確定量地比較植物凈化甲醛的能力，但不同植物自身葉面積大小是不同的，葉面積小的植物單位葉面積凈化速率高，但整株去除效率低，實際應(yīng)用缺乏現(xiàn)實意義。因此，在評價植物甲醛凈化能力時，應(yīng)綜合分析甲醛去除效果與單位葉面積甲醛凈化速率，二者均較高則最為理想。此外，植物雖可以去除室內(nèi)甲醛，但植物本身凈化甲醛能力有限。Sirima等[25]做了數(shù)據(jù)模擬，發(fā)現(xiàn)要將一間150 m2的辦公室甲醛濃度從1 mg·m-3降低到0.5 mg·m-3，需要1 100多株植物，這與現(xiàn)實是不符的；但是作者假設(shè)空間是封閉的，沒有考慮到室內(nèi)其他裝飾品等會吸收部分甲醛，以及植物土壤基質(zhì)和微生物等有凈化作用。因此，植物凈化甲醛的試驗還亟待更深入的研究。

4 結(jié)論

1)不同植物凈化甲醛的能力不同。變?nèi)~木、白鶴芋和花葉萬年青甲醛凈化速率較高，發(fā)財樹、綠蘿和吊蘭甲醛凈化速率較低。

2)光照強度變化影響植物的甲醛凈化速率。在低光照強度條件下，植物凈化甲醛能力隨光合有效輻射增加而顯著增加，這與植物蒸騰速率有關(guān)。而高光照強度條件下，部分室內(nèi)綠植甲醛凈化速率不增加甚至下降。

3)室內(nèi)甲醛濃度影響植物的甲醛凈化速率。與低甲醛初始濃度比較，高甲醛初始濃度條件下，白鶴芋和花葉萬年青的甲醛凈化速率增加，而也門鐵和麒麟尾的甲醛凈化速率下降。

4)在選擇室內(nèi)觀賞植物去除室內(nèi)甲醛時，應(yīng)綜合考慮植物甲醛的吸收量、植物的葉面積和室內(nèi)環(huán)境條件，以提高植物對室內(nèi)空氣的凈化效果。