建筑綠化功能材料的抗逆性研究進展

張 玉，李 靈 （武夷學院環境與建筑工程系，福建 武夷山354300）

建筑綠化是一切脫離地氣的種植技術，包括屋頂、露臺、天臺、陽臺、墻體、地下車庫頂部、立交橋等一切不與地面自然土壤相連接的各類建筑物和構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%，我國建筑相關能耗占全社會能耗46．7%，其中建筑的能耗約30%、建材生產過程中的能耗16．7%，我國已成為世界第二大能源消耗國。建筑節能成為建筑發展的必然趨勢，綠色建筑越來越受到人們的青睞。傳統建筑材料包括結構材料、墻體材料和建筑功能材料等無機和有機材料，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，生態效益、經濟效益和社會效益顯著［2，3］。建筑綠化能保護防水層及墻體不受氣候、紫外線及其他損害，延長建筑物屋頂的使用壽命，是建筑和城市未來實現低能耗、低污染、低排放與可持續發展的必然選擇。植物的生長發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且成景，實現其效益，是以人為本，實現環境友好型社會，反映現代建筑設計和城市現代化的一個重要新指標。

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實。建筑綠化材料的抗逆性指標主要集中在抗旱性、抗寒性、耐熱性和耐瘠薄、抗風、耐鹽堿、抗病蟲害等方面研究。

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復雜的性狀，是從綠化植物的形態解剖構造、水分生理形態特征及生理生化反應到組織細胞、光合器官及原生質結構特點等的綜合反應。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境中生長、繁殖或生存的能力，以及在干旱解除后迅速恢復的能力。建筑立面植物材料的抗旱性測定，需給待測植物材料創造適宜建筑立面干旱脅迫的環境，綠化材料抗旱性測定可分為田間測定法［4］、建筑表面直接測定法、盆栽法［5］和人工氣候室法［4］、生長恢復法［6］等。通常對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學［6，8］為主的直接鑒定法和在人工模擬極端條件下測定綠化材料的抗寒耐熱性的方法。人工環境鑒定法按設計方法在田間或建筑表面對材料作不同處理，根據綠化材料的不同表現來鑒定抗性強弱。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性初步研究。人工冷熱條件下測定園林植物抗寒耐熱性方法報道很多，主要有失活酶測定法、丙二醛 （MDA）含量法、質壁分離法、水合茚三酮法、電導法、冰凍曲線法以及阻抗法等。

電導率與植物材料的抗旱耐冷熱脅迫相關聯。采用電導率測定細胞原生質膜透性的電導法最初是由Dexter在1932用來鑒定植物凍害的程度，后經1960年Willner加以改進。張啟翔 （1985）采用電導法對不同低溫處理后的梅花枝條原生質膜透性進行了測定等，我國學者朱海根等將處理溫度與電解質透出率之間關系采用Logistic方程Y＝K／L＋ae-bx進行擬和，并且求拐點X＝Ina／b作為材料的半致死溫度，采用電導法結合Logistic方程測定園林植物材料的抗寒、耐熱的報導頗多［8，9］，陳發棣等［10］對5個露地小菊品種 （或種）的耐熱性也進行了鑒定，殷秀杰等 （2008）［11］根據電導率的變化，發現3種三葉草隨干旱時間的延長，細胞膜透性增加，表明膜系統受干旱的影響較大。這些研究結果表明采用膜的傷害率并用Logistic方程擬和求其拐點溫度LT50可以作為材料的耐低溫溫度［4，12］。2002年，董麗等［13］認為電導法可以用于實踐中快速、客觀地評價和比較常綠闊葉園林植物抗凍性。

組織生長恢復法是測定植物材料抗寒性可靠和準確的方法，其他方法都可與此法作為對照［6，13］。生長恢復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 （溫室或生長箱）測定其恢復生長的最低或最高溫度，以確定其抗寒或耐熱性強弱［6］，是植物材料抗旱性測定采用的普遍測定方法［6，14，15，17］。

2 建筑綠化植物的抗逆性評價指標

2．1 形態指標

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較強。葉片上表皮角質層厚度甚至復表皮［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；具有表皮毛，可以保護植物材料避免強光照射，減少蒸騰，保護植物免受灼傷；從葉片的解剖結構發現抗旱性較強的品種葉肉組織分化程度較高，具有發達的柵欄組織和維管組織，導管多且導管直徑較大。

2．2 生理指標

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途徑被認為是對水分脅迫經常限制光合作用有效固定CO2的一種適應。在高溫、強光和干燥的條件下，C4途徑顯著優于C3途徑。在土壤水分脅迫條件下，氣孔導度減小，CO2進入葉片細胞內的阻力增加，導致蒸騰速率和光合速率下降［17］。干旱、強光下植物光合速率的下降是由光抑制引起的［18］。近年來許多研究者對根系提水在抗旱性鑒定中的作用做了大量工作。這一研究已擴展到喬木、灌木、牧草、水果和農作物等20多個植物種類［19］，涉及建筑綠化植物材料的有金雀花拳參、狗牙根、槭樹等。

2．3 生化指標

主要有葉片中滲透調節物質的含量、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）、過氧化物酶 （POD）、過氧化氫酶 （CAT）活性，植物細胞膜耐受性和組織水分狀況等。

滲透調節物質含量及脯氨酸積累量與植物材料抗逆性呈正相關［20-22］。滲透調節是植物材料抵御逆境的一種重要方式，不同植物種類及同一植物種類的不同品種之間可溶性糖、氨基酸含量及其他物質含量存在差異［23］。滲透調節可保護光合器官和光合作用。可溶性糖和脯氨酸積累量在一定程度上能夠反映植物材料的滲透調節能力［24］。不同干旱脅迫條件下，植物材料葉內可溶性糖和脯氨酸含量隨著干旱脅迫程度和干旱脅迫時間的延長而增加，與植物材料受傷害程度成正相關［25-26］。脫落酸除能調節氣孔開閉外，還能促進材料根系對水和離子的吸收。當植物材料處于干旱、低溫、鹽堿、環境污染等不利環境下，植物材料體內脫落酸大量增加。游離脯氨酸含量隨干旱、鹽漬等脅迫增加而增加，調節植物滲透能力，有助于細胞或組織的持水，提高植物材料的抗逆性［27-29］。水分脅迫下葉片原生質膜受到傷害，膜半透性逐漸喪失，對細胞內含物的透性發生變化，導致外滲液離子濃度增加，電導率增大［30-31］。透性值越大，膜受傷害程度越大，原生質膜忍耐脫水能力越差，抗旱性就越差；相反，抗旱性就越強。水分脅迫下植物材料體內的SOD活性與植物材料抗氧化能力呈正相關［32-33］，POD活性與植物材料抗旱能力呈正相關［34］，MDA含量增加與高溫逆境有關［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［41-42］。

3 植物材料抗逆性機制與建筑綠化植物的選育

3．1 植物材料抗逆性機制

分子生物學的發展使人們能夠在基因組成、表達調控及信號傳導等分子水平上認識植物材料對逆境脅迫的耐 （抗）性機理，并已克隆到來自微生物等有機體的編碼生化代謝關鍵酶和逆境脅迫信號傳導的一些重要基因［44-45］。近年來研究植物材料抗逆機制，并利用基因工程策略增加抗逆性物質在植物材料體內的含量，從而獲得耐逆轉基因植物材料已取得一定進展。植物材料干旱脅迫誘導基因、抗凍機制及相關基因工程、抗氧化機制及相關基因工程等抗逆作用機理研究方面取得明顯進步，特別是轉錄因子DREB／CBF的發現是近年來植物材料抗逆研究方面最具突破性的進展［46］。隨著植物材料抗逆性機制研究的深入，建筑立面植物材料選育必將取得新突破，抗逆性強、效益顯著的建筑綠化種植材料必將廣泛應用。

3．2 理化誘變提高植物材料的抗逆性

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

3．3 建筑綠化植物材料選育新技術

基因工程是通過基因導入與重組技術，將不同生物的遺傳基因在體外進行分離、裁剪、組合與拼接，再通過載體轉移到受體細胞內進行無性繁殖、穩定表達，從而改變受體原來的遺傳性狀，人工構建出新的作物品種，由此產生了轉基因育種技術與轉基因植物新品種。人工染色體技術將基因重組協調整套基因的表達，這種 “微型染色體”可以在不同植物材料中應用，多性狀的聚合，改良植物材料性狀［48］。RNA干擾技術是通過小RNA分子來抵消病原體或害蟲，幫助植物材料抵御病蟲害。靶向基因置換技術精確定位新基因，簡化改良植物材料的過程，改變特定基因的序列或者調控DNA代替來自于其他植物材料物種的基因。

4 小結

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上，還不具系統性，目前國內外建筑立面綠化材料應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，對建筑立面植物材料的抗逆性深入研究剛剛開始，抗逆性指標主要集中在植物材料的葉片形態變化、葉綠素含量、膜相對透性、相對含水量、脯氨酸含量、丙二醛含量、超氧化物岐化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、可溶性糖含量等生理指標測定上，逆境生理、機制缺乏系統的理論研究［3，49-51］，基因工程及新技術還沒有廣泛應用。

［1］約翰·西蒙茲 ．景觀設計學 ［M］．俞孔堅，王志芳，孫 鵬，譯 ．北京：中國建筑工業出版社，2000．

［2］渥爾納·皮特·庫斯特 ．德國屋頂花園綠化 ［J］．中國園林，2005，21（4）：71-75．

［3］魏 艷，趙慧恩 ．我國屋頂綠化建設的發展研究——以德國、北京為例對比分析 ［J］．林業科學，2007，43（4）：95-101．

［4］胡永紅，張啟翔，封培波 ．宿根花卉抗旱、耐熱鑒定研究 ［J］．中國園林，2004，（6）：75-77．

［5］蘆建國，武 濤，武翠紅 ．園林地被植物抗旱機理研究 ［J］．中國園林，2007，23（11）：78-82．

［6］張啟翔 ．梅花品種抗寒性的比較分析 ［J］．北京林業學院學報，1985，（2）：47-56．

［7］戴建良 ．側柏種源抗寒性測定和選擇 ［D］．北京：北京林業大學，1996．

［8］李銀心 ．地被菊耐寒、耐旱、耐陰及耐鹽堿的研究 ［D］．北京：北京林業大學，1991．

［9］Iles-J K，Agnew N H．Seasonal cold-acclimation patterns ofSedumspectabile×telephiumL．‘Autumn Joy’andSedumspectabileBoreau．‘Brillant’［J］．Hort Science，1995，30：1221-1224．

［10］陳發棣，陳素梅，房偉民，等 ．五個小菊品種 （或種）的耐熱性鑒定 ［J］．上海農業學報，2001，17（3）：80-82．

［11］殷秀杰，王明玖，石鳳翎，等 ．三種三葉草幼苗期抗旱性差異的研究 ［J］．中國草地學報，2008，30（2）：68-73．

［12］董 麗 ．北京幾種常綠闊葉樹種的耐寒性研究 ［D］．北京：北京林業大學，1997．

［13］董 麗，黃亦工，賈麥娥，等 ．北京園林主要常綠闊葉植物抗凍性及其測定方法 ［J］．北京林業大學學報，2002，24（3）：70-73．

［14］Gatschet M J，Taliaferro C M，Andenson J A，et al．Cold Acclimation and Alterations in Protein Synthesis in Bermudagrass Crowns［J］ ．Amer Soc Hort Sci，1994，119：477-480．

［15］Anderson J A，Taliaferro C M．Laboratory Freeze Tolerance of Field-Grown Forage Bermudagrass Cultivars ［J］ ．Agronomy Journal，1995，87：1017-1020．

［16］燕 玲，李 紅，劉 艷．13種錦雞兒屬植物葉的解剖生態學研究 ［J］．干旱區資源與環境，2002，16（1）：100-106．

［17］馬欽彥，藺 琛，韓海榮，等 ．山西太岳山核桃楸光合特性的研究 ［J］．北京林業大學學報，2003，25（1）：14-18．

［18］蘇培璽，嚴巧娣．C4荒漠植物梭梭和沙拐棗在不同水分條件下的光合作用特征 ［J］．生態學報，2006，26（1）：75-82．

［19］李 唯，倪 郁，胡自治，等 ．植物根系提水作用研究述評 ［J］．西北植物學報，2003，23（6）：1056-1062．

［20］王鳳蘭，黃子鋒，周厚高，等 ．矮牽牛耐熱性研究 ［J］．西南大學學報 （自然科學版），2008，30（8）：128-131．

［21］王鳳蘭，周厚高，黃子鋒，等 ．麝香百合抗熱性生理生化指標及綜合評價初探 ［J］．廣西植物，2008，28（2）：261-264．

［22］周偉偉 ．北京地區屋頂綠化地被植物的抗逆性研究 ［D］．北京：中國林業科學研究，2008．

［23］李 君，周守標，王春景，等 ．野生和栽培馬蹄金抗旱性比較及其抗旱機制初探 ［J］．植物生態學報，2007，31（3）：521-527．

［24］胡曉艷 ．馬蹄金不同生長時期抗旱性及氮磷對其抗旱生理的影響 ［D］．楊凌：西北農林科技大學，2004．

［25］劉瑞香，楊吉力，高 麗 ．中國沙棘和俄羅斯沙棘葉片在不同土壤水分條件下脯氨酸、可溶性糖及內源激素含量的變化 ［J］．水土保持學報，2005，19 （3）：148-151．

［26］張 智，夏宜平，常 樂，等．3種觀賞草在自然失水脅迫下的生理變化與耐旱性關系 ［J］．東北林業大學學報，2007，35（12）：17-20．

［27］周瑞蓮，王 剛 ．水分脅迫下豌豆保護酶活力變化及脯氨酸積累在抗旱中的作用 ［J］．草業學報，1997，6（4）：39-43．

［28］湯章城 ．逆境條件下植物脯氨酸的積累及其可能的意義 ［J］．植物生理學通訊，1984（1）：15-21．

［29］王友彤 ．昆明地區地被菊品種篩選和小報春抗旱生理初步研究 ［D］．北京：北京林業大學，2007．

［30］李吉躍 ．植物耐旱性及其機理 ［J］．北京林業大學學報，1991，13（3）：92-100．

［31］殷秀杰，王明玖，石鳳翎，等 ．三種三葉草幼苗期抗旱性差異的研究 ［J］．中國草地學報，2008，30（2）：68-73．

［32］王 娟，李德全 ．逆境條件下植物體內滲透調節物質的積累與活性氧代謝 ［J］．植物學通報，2001，18（4）：459-465．

［33］許桂芳．PEG脅迫對2種過路黃抗性生理生化指標的影響 ［J］．草業學報，2008，17（1）：66-70．

［34］孟慶輝．4種扶芳藤抗旱抗寒性研究 ［D］．呼和浩特：內蒙古農業大學，2006．

［35］曲復寧，王云山，張 敏，等 ．高溫脅迫對仙客來根系活力和葉片生化指標的影響 ［J］．華北農學報，2002，17（1）：127-131．

［36］Huang B，Liu X，Fry J D．Shoot physiological responses of two bentgrass cultivarsto high temperature and poor soil aeration ［J］．Crop Science，1998，38：1214～1219．

［37］楊 東，羅 群，曹慕嵐，等 ．溫度脅迫對菊科雜草生理指標的影響及其適應 ［J］．吉首大學學報 （自然科學版），2006，27（4）：75-79．

［38］李成瓊，宋洪元，雷建軍，等 ．甘藍耐熱性鑒定研究 ［J］．西南農業大報，1998，20（4）：198-301．

［39］劉維信，曹壽椿 ．高溫對不結球白菜細胞膜透性過氧化物酶活性等的影響 ［J］．南京農業大學學報，1992，15（3）：115-117．

［40］孫 震，董 麗，高大偉 ．四種野生地被植物抗熱性的研究 ［J］．中國園林，2007，（8）：24-27．

［41］沈 漫 ．不同抗寒性的杜鵑品種葉片磷脂和脂肪酸組成差異性比較分析 ［J］．南京林業大學學報，1997，21（2）：66-69．

［42］沈 漫 ．不同溫度條件下常春藤葉片磷脂變化的比較分析 ［J］．園藝學報，2003，30（4）：431-435．

［43］陳 哲，孔祥翔，張斐斐，等 ．植物抗逆性基因工程研究進展 ［J］．安徽農學通報，2009，15（7）：77-78，125．

［44］Huang J Genetic．Engineering of giycine betaine production toward enhancing stress tolerance in plants：metaboliclimitations ［J］．Plant Physiology，2000，122：747-756．

［45］Hibino T．Molecular cloning and functional characterixation of two kinds of betaoneal dehy-dedehy drogenase in betaine accumulating mangroveAuicenniamarina（Forsk．）［J］．Vierh Plant Mol Bio，2001，45：353-363．

［46］王少峽，王振英，彭永康．DREB轉錄因子及其在植物抗逆中的作用 ［J］．植物生理學通報，2004，40（1）：7-13．

［47］張新華，李富軍 ．幾種物理技術在提高植物抗逆性中的研究進展 ［J］．西北植物學報，2005，25（9）：1894-1899．

［48］Houben A，Dawe R K，Jiang J，et al．Engineered plant minichromosomes：A bottom-up success？［J］．The Plant Cell，2008，20：8-10．

［49］施 韜，施惠生，Wilf ried Schumacher．綠色種植屋面的研究 ［J］．浙江工業大學學報，2006，34（2）：220-223．

［50］譚天鷹 ．關于北京屋頂綠化的探討 ［J］．建筑科學，2007，23（8）：14-19．

［51］胡玉詠 ．草坪式屋頂綠化植物篩選與草坪常綠技術的研究 ［D］．上海：上海交通大學，2009．