采用新型两步法在生物接收性混凝土上快速培育苔藓：光照、水分和物种选择的影响

本刊推荐：针对生物接收性混凝土上苔藓自然定殖缓慢且室内培育后户外移植存活率低的问题，研究人员开展了一项关于快速建立持久苔藓层方法的研究。研究提出一种新型两步法（室内快速建立+户外硬化移植），确定了最佳室内光照（70 μmol m?2 s?1）和水分（前6周每日浇水，后逐步减少至每4天一次以诱导干旱硬化）条件，并发现苔藓物种（如T. muralis户外适应性最佳）及朝向（北向优于南向）对户外存活有显著影响。该研究为构建低维护成本的垂直绿化系统提供了可行策略。

　　

在现代城市中，绿地空间日益稀缺，垂直绿化结构（Vertical Green Structures, VGS）成为引入 greenery 的有效途径。这些结构，包括直接或间接的绿色立面以及活墙系统（Living Wall Systems, LWS），能够缓解热应激、噪音和空气污染、雨水径流等问题，并降低建筑能耗。然而，传统的垂直绿化结构建设和维护成本高昂，且往往需要灌溉系统，限制了其广泛应用。有没有一种更低成本、更接近自然且维护需求更低的替代方案呢？答案是肯定的，那就是利用生物接收性材料（bioreceptive materials），让植物（如苔藓）直接生长在建筑材料表面。

生物接收性混凝土就是这样一种材料，它本身具有支持生物在其表面生长的特性。使用它无需额外的技术结构，可以降低建设成本。特别是当使用苔藓这类隐花植物（cryptogams）时，由于其变水习性（poikilohydric nature），它们能够耐受水分流失和长期干旱，从而免除了灌溉需求。苔藓已被证实具有隔热、隔音和空气过滤等益处。过去十年间，多种生物接收性水泥基材料配方被成功开发，在室内最佳条件下接种苔藓后能显示出中度至显著的生物生长。但挑战在于，将这些样本移至户外后，存活率往往很低，这很可能是因为缺乏环境硬化（environmental hardening）过程。另一方面，完全依赖生物接收性材料的自然定殖（natural colonisation）又是一个极其缓慢的过程，通常需要数年时间才能形成苔藓覆盖。因此，当前研究领域的一个空白就是开发一种能够快速在生物接收性混凝土表面形成密集苔藓层，并保证其长期户外存活的方法。

为了解决这一难题，荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）的 M. Veeger、M. Ottelé 和 H.M. Jonkers 在《Ecological Engineering》上发表了一项研究，提出并验证了一种新颖的两步法。该方法旨在快速在生物接收性混凝土上建立苔藓层，并确保其长期的持久性和存活率。

为了回答如何快速建立并维持苔藓层的问题，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们制备了特定配方的生物接收性混凝土样本。其次，他们从野生环境中收集了常见的混凝土相容苔藓物种，并进行清洗、消毒和粉碎处理，用于样本接种。核心部分是室内可控环境培养，研究团队使用了定制的光照培养箱，能够精确控制光照强度（使用全光谱LED灯，设置如70或130 μmol m^?2 s^?1 PAR等不同水平）、浇水频率（如每日、每周3天或混合模式）以及尝试进行光硬化（light hardening）处理。户外移植实验则设置了不同朝向（北向和南向）的测试架，并在移植初期使用遮光布（light-blocking cloth）进行光适应。最后，他们对苔藓的生长效果进行了量化评估，包括使用图像分析软件计算绿色覆盖度（Green coverage）、使用游标卡尺测量苔藓层厚度（Layer thickness），以及使用脉冲调制式荧光仪（Pulsed Amplitude Fluorometer, PAM）测量叶绿素荧光参数Fv/Fm，以评估苔藓的光合系统II（PSII）健康状况（光合效率）。

研究结果通过精心设计的实验得以揭示。

3.1. 室内生长实验结果

研究人员首先在严格控制的环境下测试了不同浇水频率、光照强度以及是否进行光硬化对两种苔藓混合物（顶蒴藓类，acrocarp 和 侧蒴藓类，pleurocarp）生长的影响。结果表明，水分和光照对苔藓的层厚度和绿色覆盖度均有显著影响。总体上，更频繁的浇水和较低的光照强度（70 μmol m^?2 s^?1 PAR）有利于苔藓生长。特别是一种混合浇水 regime（Regime 10）表现最佳：即前6周每日浇水，后6周逐渐减少浇水频率至每4天一次，以诱导干旱硬化（drought hardening），同时光照强度保持在70 μmol m^?2 s^?1 PAR且不进行光硬化。该 regime 下，顶蒴藓类平均覆盖度为15.1%，层厚度为11.2 mm；侧蒴藓类平均覆盖度为51.7%，层厚度为15.5 mm。研究还发现，在室内生长阶段引入光硬化（逐步增加光照强度）会对苔藓生长产生负面影响，尤其是与干旱硬化同时进行时。因此，最佳策略是在室内进行干旱硬化，而将光硬化过程留到户外移植后通过遮荫处理来实现。

3.2. 户外孵化实验结果

在确定了最佳室内生长 regime（即上述 Regime 10）后，研究人员将其应用于多种单一苔藓物种及其混合物，在室内培育12周后，将样本移植到户外（分别面向北方和南方），并覆盖50%透光率的遮光布进行3个月的光适应。经过总计15个月的户外孵化后，评估苔藓的存活情况。结果显示，所有苔藓物种在从室内转移到户外后都遭受了一定程度的生物量损失。光合效率（Fv/Fm）测量表明，尽管南向样本（中位数0.62）的值略低于北向样本（中位数0.71），但所有存活苔藓的Fv/Fm值均在自然苔藓群落的典型范围内，表明其光合系统健康状况尚可。然而，绿色覆盖度和层厚度的损失主要归因于苔藓与混凝土表面附着力不足，而非苔藓本身死亡。不同物种表现差异显著：

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  Tortula muralis是表现最可靠的物种，在南北朝向均保持了相对较好的覆盖度（平均28.8%），但其室内生长速度较慢。
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  Ptychostomum capillare和 Brachythecium rutabulum在室内生长迅速，层厚度较大，但户外附着力差，尤其在朝南表面，覆盖度损失严重。
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  侧蒴藓类物种（如 B. rutabulum, Rhynchostegium confertum）总体上在南向表面上表现出更强的生长抑制。
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  使用多物种混合物在某些情况下比单一物种表现更好，例如在层厚度方面有所改善，表明物种间可能存在互补作用，但在恶劣环境下也可能出现竞争。

4. 讨论

讨论部分深入分析了水分和光照在苔藓生长和硬化中的作用。即使对于耐旱物种，在室内生长阶段提供充足水分和较低光照也是最大化生长的关键。混合浇水 regime 成功地在不显著影响生长的前提下诱导了干旱耐受性。同时进行干旱和光硬化被证明是有害的，支持了将光硬化阶段移至户外的策略。苔藓户外附着力差的问题被归因于在水分充足的室内条件下，苔藓优先发展地上部分（shoot development）而非用于附着的假根（rhizoids）。假根发育受植物激素生长素（auxin）调控，而干旱条件可能刺激生长素产生。因此，解决方案可能包括施用外源生长素、使用可生物降解的粘合剂（tackifiers）或进一步优化多物种混合物组合，以改善表面附着。

5. 结论

本研究成功开发并验证了一种用于在生物接收性混凝土上快速建立苔藓层的新型两步法。核心结论包括：

1. 1.
   室内生长阶段，采用70 μmol m^?2 s^?1 PAR的光照强度以及由每日浇水逐步过渡到每4天浇水一次的混合浇水 regime，可在诱导干旱硬化的同时，实现对顶蒴藓类和侧蒴藓类苔藓的良好生长效果。
2. 2.
   室内生长阶段应避免进行光硬化，此过程应在户外移植初期通过使用遮光布（如50%透光率）覆盖一段时间（如3个月）来实现。
3. 3.
   苔藓物种选择至关重要。Tortula muralis 户外适应性最强，南北朝向均能保持较好覆盖，但生长缓慢；Ptychostomum capillare 和 Brachythecium rutabulum 生长快但户外附着力差，尤其在南向表面。
4. 4.
   提高户外存活率的关键挑战在于改善苔?层与混凝土表面的附着力，未来研究可探索使用外源激素、粘合剂或优化物种混合物等策略。

这项研究是朝着识别影响建筑环境中生物接收性混凝土上苔藓生长和存活因素迈出的重要第一步。所提出的方法为开发低维护、低成本且生态效益显著的基于苔藓的垂直绿化解决方案提供了切实可行的技术路径，对促进可持续城市发展具有重要意义。