建筑綠化功能材料的抗逆性研究進(jìn)展

張 玉，李 靈 （武夷學(xué)院環(huán)境與建筑工程系，福建 武夷山354300）

建筑綠化是一切脫離地氣的種植技術(shù)，包括屋頂、露臺(tái)、天臺(tái)、陽(yáng)臺(tái)、墻體、地下車(chē)庫(kù)頂部、立交橋等一切不與地面自然土壤相連接的各類(lèi)建筑物和構(gòu)筑物的三維空間綠化［1］。全球建筑能耗占到終端能耗的30%～40%，我國(guó)建筑相關(guān)能耗占全社會(huì)能耗46．7%，其中建筑的能耗約30%、建材生產(chǎn)過(guò)程中的能耗16．7%，我國(guó)已成為世界第二大能源消耗國(guó)。建筑節(jié)能成為建筑發(fā)展的必然趨勢(shì)，綠色建筑越來(lái)越受到人們的青睞。傳統(tǒng)建筑材料包括結(jié)構(gòu)材料、墻體材料和建筑功能材料等無(wú)機(jī)和有機(jī)材料，而綠色植物屬于吸熱保溫、吸聲隔聲的有生命的功能性材料，能有效地吸收溫室氣體，保持溫度和濕度，生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著［2，3］。建筑綠化能保護(hù)防水層及墻體不受氣候、紫外線及其他損害，延長(zhǎng)建筑物屋頂?shù)氖褂脡勖墙ㄖ统鞘形磥?lái)實(shí)現(xiàn)低能耗、低污染、低排放與可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。植物的生長(zhǎng)發(fā)育受到建筑立面干旱、高溫、低溫、鹽漬、重金屬、氧化等特殊逆境脅迫，研究在建筑人工生境中植物正常生長(zhǎng)且成景，實(shí)現(xiàn)其效益，是以人為本，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型社會(huì)，反映現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)和城市現(xiàn)代化的一個(gè)重要新指標(biāo)。

1 建筑綠化材料的抗逆性篩選

建筑綠化材料的篩選方法建立在園林植物抗逆性研究基礎(chǔ)上，園林植物抗逆性研究成果使建筑立面植物的篩選研究成為現(xiàn)實(shí)。建筑綠化材料的抗逆性指標(biāo)主要集中在抗旱性、抗寒性、耐熱性和耐瘠薄、抗風(fēng)、耐鹽堿、抗病蟲(chóng)害等方面研究。

1．1 建筑綠化材料的抗旱性

建筑綠化植物的抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的性狀，是從綠化植物的形態(tài)解剖構(gòu)造、水分生理形態(tài)特征及生理生化反應(yīng)到組織細(xì)胞、光合器官及原生質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等的綜合反應(yīng)。建筑綠化材料抗旱性是園林植物在建筑體表面有限土層干旱環(huán)境中生長(zhǎng)、繁殖或生存的能力，以及在干旱解除后迅速恢復(fù)的能力。建筑立面植物材料的抗旱性測(cè)定，需給待測(cè)植物材料創(chuàng)造適宜建筑立面干旱脅迫的環(huán)境，綠化材料抗旱性測(cè)定可分為田間測(cè)定法［4］、建筑表面直接測(cè)定法、盆栽法［5］和人工氣候室法［4］、生長(zhǎng)恢復(fù)法［6］等。通常對(duì)材料的處理包括土壤干旱 （根際水分脅迫）、大氣干旱和高滲透溶液3種［7］。

1．2 建筑綠化材料的耐溫度脅迫性

建筑立面植物材料的耐溫度脅迫研究方法主要有以形態(tài)學(xué)［6，8］為主的直接鑒定法和在人工模擬極端條件下測(cè)定綠化材料的抗寒耐熱性的方法。人工環(huán)境鑒定法按設(shè)計(jì)方法在田間或建筑表面對(duì)材料作不同處理，根據(jù)綠化材料的不同表現(xiàn)來(lái)鑒定抗性強(qiáng)弱。田間或建筑表面鑒定法比較直觀，適宜于建筑綠化材料適應(yīng)性初步研究。人工冷熱條件下測(cè)定園林植物抗寒耐熱性方法報(bào)道很多，主要有失活酶測(cè)定法、丙二醛 （MDA）含量法、質(zhì)壁分離法、水合茚三酮法、電導(dǎo)法、冰凍曲線法以及阻抗法等。

電導(dǎo)率與植物材料的抗旱耐冷熱脅迫相關(guān)聯(lián)。采用電導(dǎo)率測(cè)定細(xì)胞原生質(zhì)膜透性的電導(dǎo)法最初是由Dexter在1932用來(lái)鑒定植物凍害的程度，后經(jīng)1960年Willner加以改進(jìn)。張啟翔 （1985）采用電導(dǎo)法對(duì)不同低溫處理后的梅花枝條原生質(zhì)膜透性進(jìn)行了測(cè)定等，我國(guó)學(xué)者朱海根等將處理溫度與電解質(zhì)透出率之間關(guān)系采用Logistic方程Y＝K／L＋ae-bx進(jìn)行擬和，并且求拐點(diǎn)X＝Ina／b作為材料的半致死溫度，采用電導(dǎo)法結(jié)合Logistic方程測(cè)定園林植物材料的抗寒、耐熱的報(bào)導(dǎo)頗多［8，9］，陳發(fā)棣等［10］對(duì)5個(gè)露地小菊品種 （或種）的耐熱性也進(jìn)行了鑒定，殷秀杰等 （2008）［11］根據(jù)電導(dǎo)率的變化，發(fā)現(xiàn)3種三葉草隨干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞膜透性增加，表明膜系統(tǒng)受干旱的影響較大。這些研究結(jié)果表明采用膜的傷害率并用Logistic方程擬和求其拐點(diǎn)溫度LT50可以作為材料的耐低溫溫度［4，12］。2002年，董麗等［13］認(rèn)為電導(dǎo)法可以用于實(shí)踐中快速、客觀地評(píng)價(jià)和比較常綠闊葉園林植物抗凍性。

組織生長(zhǎng)恢復(fù)法是測(cè)定植物材料抗寒性可靠和準(zhǔn)確的方法，其他方法都可與此法作為對(duì)照［6，13］。生長(zhǎng)恢復(fù)法是將植物材料在不同溫度梯度處理后放在適宜的條件下 （溫室或生長(zhǎng)箱）測(cè)定其恢復(fù)生長(zhǎng)的最低或最高溫度，以確定其抗寒或耐熱性強(qiáng)弱［6］，是植物材料抗旱性測(cè)定采用的普遍測(cè)定方法［6，14，15，17］。

2 建筑綠化植物的抗逆性評(píng)價(jià)指標(biāo)

2．1 形態(tài)指標(biāo)

一般地，柵欄組織／海綿組織、根／冠比大 （屋頂綠化材料除外）、表面積／體積比小，株型緊湊、葉直立，則植物材料的抗旱性相對(duì)較強(qiáng)。葉片上表皮角質(zhì)層厚度甚至復(fù)表皮［16］、葉片厚度、葉片柵欄組織厚度與植物材料的抗旱性成正相關(guān)；具有表皮毛，可以保護(hù)植物材料避免強(qiáng)光照射，減少蒸騰，保護(hù)植物免受灼傷；從葉片的解剖結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)抗旱性較強(qiáng)的品種葉肉組織分化程度較高，具有發(fā)達(dá)的柵欄組織和維管組織，導(dǎo)管多且導(dǎo)管直徑較大。

2．2 生理指標(biāo)

光合作用中，CO2同化作用的途徑分C3、C4和景天科酸代謝 （CAM），C4途徑被認(rèn)為是對(duì)水分脅迫經(jīng)常限制光合作用有效固定CO2的一種適應(yīng)。在高溫、強(qiáng)光和干燥的條件下，C4途徑顯著優(yōu)于C3途徑。在土壤水分脅迫條件下，氣孔導(dǎo)度減小，CO2進(jìn)入葉片細(xì)胞內(nèi)的阻力增加，導(dǎo)致蒸騰速率和光合速率下降［17］。干旱、強(qiáng)光下植物光合速率的下降是由光抑制引起的［18］。近年來(lái)許多研究者對(duì)根系提水在抗旱性鑒定中的作用做了大量工作。這一研究已擴(kuò)展到喬木、灌木、牧草、水果和農(nóng)作物等20多個(gè)植物種類(lèi)［19］，涉及建筑綠化植物材料的有金雀花拳參、狗牙根、槭樹(shù)等。

2．3 生化指標(biāo)

主要有葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量、脯氨酸積累量 （Pro）、葉綠素含量、植株的脫落酸水平及超氧化物岐化酶 （SOD）、過(guò)氧化物酶 （POD）、過(guò)氧化氫酶 （CAT）活性，植物細(xì)胞膜耐受性和組織水分狀況等。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及脯氨酸積累量與植物材料抗逆性呈正相關(guān)［20-22］。滲透調(diào)節(jié)是植物材料抵御逆境的一種重要方式，不同植物種類(lèi)及同一植物種類(lèi)的不同品種之間可溶性糖、氨基酸含量及其他物質(zhì)含量存在差異［23］。滲透調(diào)節(jié)可保護(hù)光合器官和光合作用?？扇苄蕴呛透彼岱e累量在一定程度上能夠反映植物材料的滲透調(diào)節(jié)能力［24］。不同干旱脅迫條件下，植物材料葉內(nèi)可溶性糖和脯氨酸含量隨著干旱脅迫程度和干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，與植物材料受傷害程度成正相關(guān)［25-26］。脫落酸除能調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)閉外，還能促進(jìn)材料根系對(duì)水和離子的吸收。當(dāng)植物材料處于干旱、低溫、鹽堿、環(huán)境污染等不利環(huán)境下，植物材料體內(nèi)脫落酸大量增加。游離脯氨酸含量隨干旱、鹽漬等脅迫增加而增加，調(diào)節(jié)植物滲透能力，有助于細(xì)胞或組織的持水，提高植物材料的抗逆性［27-29］。水分脅迫下葉片原生質(zhì)膜受到傷害，膜半透性逐漸喪失，對(duì)細(xì)胞內(nèi)含物的透性發(fā)生變化，導(dǎo)致外滲液離子濃度增加，電導(dǎo)率增大［30-31］。透性值越大，膜受傷害程度越大，原生質(zhì)膜忍耐脫水能力越差，抗旱性就越差；相反，抗旱性就越強(qiáng)。水分脅迫下植物材料體內(nèi)的SOD活性與植物材料抗氧化能力呈正相關(guān)［32-33］，POD活性與植物材料抗旱能力呈正相關(guān)［34］，MDA含量增加與高溫逆境有關(guān)［35-40］，葉片膜磷脂的脂肪酸不飽和度及磷脂酰甘油的飽和脂肪酸水平均與材料品種抗寒性相關(guān)［41-42］。

3 植物材料抗逆性機(jī)制與建筑綠化植物的選育

3．1 植物材料抗逆性機(jī)制

分子生物學(xué)的發(fā)展使人們能夠在基因組成、表達(dá)調(diào)控及信號(hào)傳導(dǎo)等分子水平上認(rèn)識(shí)植物材料對(duì)逆境脅迫的耐 （抗）性機(jī)理，并已克隆到來(lái)自微生物等有機(jī)體的編碼生化代謝關(guān)鍵酶和逆境脅迫信號(hào)傳導(dǎo)的一些重要基因［44-45］。近年來(lái)研究植物材料抗逆機(jī)制，并利用基因工程策略增加抗逆性物質(zhì)在植物材料體內(nèi)的含量，從而獲得耐逆轉(zhuǎn)基因植物材料已取得一定進(jìn)展。植物材料干旱脅迫誘導(dǎo)基因、抗凍機(jī)制及相關(guān)基因工程、抗氧化機(jī)制及相關(guān)基因工程等抗逆作用機(jī)理研究方面取得明顯進(jìn)步，特別是轉(zhuǎn)錄因子DREB／CBF的發(fā)現(xiàn)是近年來(lái)植物材料抗逆研究方面最具突破性的進(jìn)展［46］。隨著植物材料抗逆性機(jī)制研究的深入，建筑立面植物材料選育必將取得新突破，抗逆性強(qiáng)、效益顯著的建筑綠化種植材料必將廣泛應(yīng)用。

3．2 理化誘變提高植物材料的抗逆性

物理技術(shù)主要以能量與信息的形式作用于植物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程，利用溫、電、磁、輻射、激光、超聲、微波輻射、減壓等技術(shù)，提高植物材料抗寒、抗熱、抗病及生長(zhǎng)代謝等能力，具有無(wú)污染、無(wú)殘毒、效果好、成本低的特點(diǎn)，是一種無(wú)公害處理新技術(shù)，應(yīng)用前景廣闊［47］。

3．3 建筑綠化植物材料選育新技術(shù)

基因工程是通過(guò)基因?qū)肱c重組技術(shù)，將不同生物的遺傳基因在體外進(jìn)行分離、裁剪、組合與拼接，再通過(guò)載體轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行無(wú)性繁殖、穩(wěn)定表達(dá)，從而改變受體原來(lái)的遺傳性狀，人工構(gòu)建出新的作物品種，由此產(chǎn)生了轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)與轉(zhuǎn)基因植物新品種。人工染色體技術(shù)將基因重組協(xié)調(diào)整套基因的表達(dá)，這種 “微型染色體”可以在不同植物材料中應(yīng)用，多性狀的聚合，改良植物材料性狀［48］。RNA干擾技術(shù)是通過(guò)小RNA分子來(lái)抵消病原體或害蟲(chóng)，幫助植物材料抵御病蟲(chóng)害。靶向基因置換技術(shù)精確定位新基因，簡(jiǎn)化改良植物材料的過(guò)程，改變特定基因的序列或者調(diào)控DNA代替來(lái)自于其他植物材料物種的基因。

4 小結(jié)

建筑綠化植物材料的抗逆性研究建立在園林植物抗逆性研究基礎(chǔ)上，還不具系統(tǒng)性，目前國(guó)內(nèi)外建筑立面綠化材料應(yīng)用主要集中在佛甲草、垂盆草和其他景天屬植物上，建筑綠化材料的選擇處于粗選向精選的過(guò)渡期，一些城市先后選出適于本地建筑立面的綠化植物材料名錄，對(duì)建筑立面植物材料的抗逆性深入研究剛剛開(kāi)始，抗逆性指標(biāo)主要集中在植物材料的葉片形態(tài)變化、葉綠素含量、膜相對(duì)透性、相對(duì)含水量、脯氨酸含量、丙二醛含量、超氧化物岐化酶、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、可溶性糖含量等生理指標(biāo)測(cè)定上，逆境生理、機(jī)制缺乏系統(tǒng)的理論研究［3，49-51］，基因工程及新技術(shù)還沒(méi)有廣泛應(yīng)用。

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