X計畫─屋頂植物園

自然就是美---組合屋的植物散熱法 科別：國中組生物科 作者姓名：林致成、陳俊嘉、陳奕如、呂佳儒、 指導老師：蔡明致老師、賴金星老師(台中市立居仁國中) 獎項：臺中市第41屆中小學科學展覽國中組生物科「第三名」。 壹、研究動機 一場驚心動魄的921大地震後，許多學校、建築物倒塌，家園殘破不堪，只能暫用組合屋；然而不久最大的問題產生了：組合屋吸熱快，散熱慢，住在裡面的人有如在烤箱中，苦不堪言。於是，我們想到老師在生物課中提到：植物的蒸散作用，可調節溫度。所以我們想利用植物的蒸散作用，來解決組合屋悶熱的問題，而且兼有美化綠化的效果。 貳、研究目的 (一)找出發芽率、生長速率、蒸散作用及散熱作用都是最好的常見植物。 (二)找出在鐵皮屋頂上，何種組合的降溫效能最好？ 參、研究器材 (一)植物種子(C4型植物為主：玉米、茼蒿、白莧菜、小白菜、空心菜)，(C3型植物：稻米、咸豐草、綠豆)。 (二)燒杯、培養皿、棉花、冰箱、寶特瓶、麻布袋、溫度計、三樑天平、培養土、尺、顯微鏡、顯微照相機、樹脂、載玻片、蓋玻片、數位溫度計、鐵皮屋、液體肥料、報紙。 肆、研究方法 一、測試植物的發芽率： (一)棉花的發芽率：上先將上述各種種子100顆泡水，第二天看是否發芽？發芽的放培養皿的棉花上，繼續培養，每天記錄發芽數目。若沒發芽，表示需經過濕冷步驟，放冰箱，等發芽再移植到培養皿的棉花上，繼續培養，每天記錄發芽數目。 (二)改良植物在布袋上的發芽率： ㄅ、重覆上述步驟，但種子改種在布袋表面，每天記錄發芽數目。 ㄆ、重覆上述步驟，但種子改種在布袋裡面，每天記錄發芽數目。 ㄇ、重覆上述步驟，但種子改種在布袋表面並覆蓋濕報紙，每天記錄發芽數目。 二、測試植物的生長率： (一)先將上述各種種子已發芽的20顆移植到培養土，每天測量其平均生長高度並記錄。 (二)改良植物在布袋上的生長率： ㄅ、先將上述各種種子已發芽的20顆移植到布袋表面，每天測量其平均生長高度並記錄。 ㄆ、先將上述各種種子已發芽的20顆移植到布袋裡面，每天測量其平均生長高度並記錄。 ㄇ、將上述各種種子已發芽的20顆移植到布袋表面並添加液肥，每天測量其平均生長高度並記錄。 三、測試植物的氣孔數： 取上述各種植物的葉子，以刀片刮除葉肉後，將下表皮平鋪在玻片上，滴加亞甲藍液後，在顯微鏡下照相，並數其氣孔數量。 四、藤性與直立性植物的葉片密度比較：摘取1平方公尺農地中，絲瓜、南瓜、稻米、玉米的葉片，以烘乾法估計葉片總面積。 五、測試植物的蒸散作用速率： 利用減重法測植物的蒸散作用→先將上述各種植物澆好水稱重，再用塑膠袋包住下面，只露出植物的莖葉→每3小時記錄其重量→和最初重量的差→再取一片葉子量其面積，再烤乾稱其重→即可知算出單位面積減輕的重量→據此可算出何者蒸散作用較強。 六、比較各種裝置的降溫效果： (一)種植植物布袋的降溫效果：在鐵皮屋頂上舖設種植各種植物的布袋，每小時測量一次氣溫、鐵皮屋頂舖設布袋及不舖設布袋的鐵皮屋頂溫度。 (二)遮陽墊、濕布袋、植物的降溫比較：在鐵皮屋頂上舖設遮陽墊、濕布袋及種植各種植物的布袋，每小時測量一次氣溫、鐵皮屋頂舖設各種裝置的鐵皮屋頂溫度。 (三)比較灑水的降溫效果：將前述裝置持續噴霧洒水(水流量平均每分鐘5.6公升)，比較灑水對各項裝置降溫效果的影響。 七、各種變因價格比較：查詢各項裝置及種子的價格，比較使用不同的降溫組合所需的成本。 伍、研究成果 一、測試植物的發芽率： 甲、在布袋表面的發芽率： 乙、布袋裏面發芽率 丙、測試覆蓋對發芽率的影響： 丁、不同因素對生長率的影響： 二、測試植物的生長率(種在培養土)： 三、改良植物在布袋上的生長速率： ㄅ、在布袋表面的生長速率： ㄆ、麻布袋裏面生長率： ㄇ、在布袋表面添加液的生長速率： 四、測試植物的氣孔數： 五、藤性與直立性植物的葉片密度比較： 六、. 測試植物的蒸散作用速率： 甲、重量差 乙、蒸散作用 七、比較各種裝置的降溫效果： 甲、種植植物布袋的降溫效果： 乙、遮陽墊、濕布袋及植物的降溫效果： 丙、單純灑水的降溫效果： 八、各種變因價格比較：(以一麻布袋面積52*86 cm2為準) 陸、討論 Kortschak(1965)於夏威夷甘蔗試驗場，以蔗葉為材料進行光合作用CO2固定產物的追蹤試驗，結果發現產物並非三碳化合物的PGA，而是四碳化合物，後來Hatch和Slack(1966)也證實其路徑為C4雙梭酸(C4-dicarboxylic acid pathway)。後人紀念其貢獻改稱為Hatch-Slack Pathway。此種C4植物葉部構造除葉肉細胞外，其維管束周圍有放射狀排列的束鞘細胞(bundle-sheath cells)，排列成花環狀(Kranz型)，又細胞中含有多數特殊的葉率體，這都是C3植物所沒有的。而C4植物的生長速率在文獻及本實驗中都是最快。 C4植物在光合作用時，會把CO2固定成一種有四個碳原子的化合物，所以稱為C4植物，此種植物的特色是在它葉子的維管束周圍有一圈特別的細胞(bundle-sheath cells)這種細胞能幫助植株體內CO2濃度提高，如此植物就不用一直敞開氣孔大門，水分的蒸散就可減少，因此C4植物可生活在較乾旱的環境中；C4植物尚能減少光呼吸對能源的浪費，CO2濃度愈高愈能降低光呼吸。所以，C4型植物比較適合種植在乾旱的屋頂上。在本實驗亦得到證實！ 種子的發芽：因考慮在組合屋屋頂上種植植物，不適合用土壤，所以改用麻布袋。先在麻布袋表面上播種，結果常尚未發芽就被鳥吃或被風吹走，故改種在布袋內，結果發芽率反而好，唯一的缺點是雙子葉植物的葉子較大常無法鑽出布袋。所以，以布袋為介質時，種植單子葉植物比較理想。 植物的生長率：因考慮沒有土壤是否會影響其生長？故做了種在土壤、布袋表面、布袋裡面的比較，確實種在土壤較好。於是在布袋表面施加液肥後，已有改善，相差較少，在實驗中所用的植物中玉米及稻米生長率較好，綠豆、空心菜次之。 植物的幾種生理作用：蒸散作用、光合作用、呼吸作用……等都與氣孔有密切關係，至於氣孔的觀察，常用的方法有(1)直接撕表皮(2)印模法(3)化學藥品處理法，而我們發現用載玻片輕刮掉葉肉，剩下表皮，此方法任何種植物均適用，且效果良好。氣孔的分布：(一)若以雙子葉、單子葉來分，則雙子葉不規則分布，且一般下表皮氣孔數多於上表皮。單子葉均分布很規則整齊，且禾本科葉向上伸直幾近垂直，下表皮氣孔數等於上表皮(如所附照片 )(二)若以濕生(Hydrophyte)、乾生(Xerophyte)來分則濕生氣孔大例如稻米，乾生氣孔小例如玉米。 禾本科植物常於缺水時捲起葉片，使蒸散作用大為減少。此實驗中發現：稻米的氣孔雖然是最多，但其蒸散作用卻不強。這是令人非常意外的地方！ 不用藤性植物而用直立性植物是因(1)單位面積葉片密度直立性植物＞藤性植物(2)直立性植物可以如動物汗毛豎立般隔絕日光，達到降低溫度的目的。此實驗中單子葉植物，葉子較密集，降溫效果＞雙子葉。故最後選擇稻米及玉米來和非植物性因素比較降溫效果。 實驗結果顯示植物確實比麻布袋、遮陽板有效多了且較經濟美觀，洒水雖可降低2~3℃但若必須連續洒水4~5小時來降溫，在缺水的夏天或是災區是不可行的。 柒、結論 1.要利用植物的蒸散作用來為組合屋降溫，需注意下列五點： 甲、以麻布袋為培養介質時，吸水性及保水性較佳，且比較不易受風害或種子遭鳥類攝食的影響。 乙、要以麻布袋為培養介質，最好在袋內播種禾本科植物為主，因為何本科植物比較能鑽出麻布袋，存活度較高。 丙、萌芽時種子一定要保持陰濕的環境，發芽率比較能提昇，也有利打破種子的休眠。 丁、以麻布袋培養植物時，一定要添加綜合肥料，以免因缺乏土壤提供的礦物質而造成營養不良的各種缺乏症。 戊、在屋頂栽種植物，水分散失極快，尤其有陽光時一定要定時定量的補充水分，以免植物乾死，並且可以節省水資源。 2.稻子的氣孔大又多，但是蒸散作用卻不強，到底是什麼因素造成的？值得深入探討！唯，限於時間不夠，只好留待下次繼續努力。 3.綜觀各項實驗結果，如下列圖表所示，顯示稻米及玉米是組合屋降溫最適用的植物，其次是綠豆，但是綠豆莖太柔軟，直立性差，也不耐風吹，東倒西歪非常難看。再其次是小白菜、空心菜及白莧菜，它們在夏季有極高的光合作用，沒有高溫障礙且吸肥性強，可當作清淨性作用使用，缺點是種子發芽後，無法鑽出麻布袋。至於咸豐草本以為是雜草，又不用本錢，應是最理想的，事實證明並非如此，其發芽及生長均不理想，長相也較雜亂不美觀。最後茼蒿的發芽及生長要在弱光情況下，所以，在夏季不適用。 捌、參考資料 國中生物課本上冊、民89、國立編譯館。 普通植物學、民74、李揚漢編譯、台灣商務印書館發行。 植物生理學實驗、民74、王月雲、陳是瑩、童武夫等編著、藝軒圖書出版社。 霧峰總所農工系、民85、不同設施栽培對葉菜類之影響 台大種子實驗室http://seed.agron.ntu.edu.tw 宜蘭地區夏季葉菜類設施栽培http://www.tpg.gov.tw/hdais/publish/nsl/mag596.htm