脉冲电场刺激对部分仙人掌科植物释放负离子的影响

邓传远，郑金贵，王艳英，吴仁烨，黄巧玲

(1.福建农林大学艺术园林学院，福建福州350002;2.福建农林大学作物科学学院，福建福州350002;3.北京清大绿源科技有限公司，北京100084)

空气负离子是空气中所有带负电的离子团或离子的总称，是空气重要的组成部分[1].空气中O2的含量约为20%，CO2为0.03%，因O2更具亲电性，因此，空气负离子以负氧离子居多，其被誉为“空气维生素和生长素”，已成为评价旅游环境空气清洁程度的重要指标[2].空气负离子不仅能净化空气，还可以治疗疾病[3].医学研究表明，当空气负离子浓度达到700 ion·cm－3以上时，对人体具有保健作用;当达到10000 ion·cm－3以上时，对疾病具有治疗效果[4].目前，日益恶化的城市环境已经威胁到人类的健康，现代人正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期[5].据统计，大部分人群80% －90%的时间工作生活在室内，尤其在冬季由于户外活动减少，室内活动时间将更长[6].因此，改善室内环境迫在眉睫.

植物在自然状态下可通过光合作用释放负离子，但其释放负离子的浓度远不能满足人体需求.Tikhonov et al[7]研究表明，对盆栽植物的根际土壤施加高压脉冲电场可以很大程度地提高植物释放负离子的能力，植物释放负离子是一种生理变化而非简单的物理变化，且释放负离子的能力随植物生长时间的增加而减弱，并与环境的温度、湿度、光照等有关.因此，本试验在前人对负离子研究的基础上，利用在室外景观、温室景观、居室小型造景都有广阔应用价值的仙人掌科植物，研究其在高压脉冲电场的刺激下释放负离子的能力，促使植物高效持久地释放负离子，从而为开发高效率、低能耗、绿色环保的“植物源负离子发生器”提供参考，以改善室内空气质量，为人类提供健康的生活环境具有重要的现实意义.

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 植物材料 供试8种仙人掌科植物均购自福建漳州市东南花都花卉交易中心，选取的植物尽量保持生长年限一致，株型相似，以消除其他不确定因素的影响.8种仙人掌科植物分别为复隆般若(Astrophytum ornatum‘Hukuriyu’)、英丸(Echinomastus intertextus)、红山吹(Echinopsis silvestrii var.lutea)、绯花玉(Gymnocalycium baldianum)、天赐玉(Gymnocalycium pflanzii)、金手指(Mammillaria elongata var.intertexta)、金冠缀化(Ntocactus graessneri)、黄金钮(Aporocactus flagelliformis).

1.1.2 DLY-4G-232型空气离子测量仪 DLY-4G-232型空气离子测量仪(图1)由漳州市东南电子技术研究所研制.应用DLY-3G空气离子测量仪数据采集软件1.51版，通过RS-232接口连接计算机，每次记录一个数据的时间可根据试验需求设置，并且可不限时间地记录数据并自动生成图标和TXT文本.该仪器目前在我国是从事空气离子研究及测定的主要使用仪器之一.

1.1.3 高压脉冲刺激仪 高压脉冲刺激仪为福建农林大学海峡两岸农业技术合作中心与福建农林大学机电工程学院研制的新型植物负离子激发装置(图2).该仪器的输出参数为:脉冲电压U为8－20 KV，脉冲频率f为0.5－2 Hz，脉冲宽度t为0－100 ms.具体参数可自行调节设定，并可远距离遥控，调节范围广，具有良好的实用性，满足试验要求.吴仁烨[8]在功能型植物高效释放负离子的研究中使用过该仪器.

图1 DLY-4G-232型空气离子测量仪Fig.1 DLY-4G-232 air ion detector

图2 高压脉冲刺激仪Fig.2 High-voltage pulses generator

1.2 试验空间的设定

为了排除外界环境对负离子浓度测定的影响，本试验中负离子浓度的测定是在一个由有机玻璃制成的规格为800 mm×800 mm×800 mm的玻璃箱中进行的，玻璃厚度4 mm(图3).在箱体的一个侧面截取一个104 mm×104 mm的正方形小口，该方形小口与空气离子测量仪的进风口大小相吻合，将负离子测定仪的进风口对准该正方形小口，打开仪器即可测量.

图3 在密闭玻璃箱中测量植物释放负离子浓度的示意图Fig.3 Schematic drawing of the system for detecting generation of negative air ions by plants upon electrical stimulation in airtight glass chamber

1.3 试验设计

本试验在3种条件下测定负离子浓度，均在规格为800 mm×800 mm×800 mm的玻璃箱中进行.试验过程中植物的位置保持不变，试验条件分别为常态下无脉冲电场刺激、固定脉冲电场(电压、频率、宽度固定)刺激、正交脉冲电场(电压、频率、宽度均变化)刺激.选取生理状况相近的3株植物作为试验组，并依据不同条件设置对照组，玻璃箱编号分别为1、2、3、4，均放置在室内同一环境条件下同时进行测量.测量仪通过数据线连接电脑，仪器每秒读取一个数据，选择读数的时间为10 min，结束后重新调零继续测量10 min，每个处理重复3次，共读取5400个有效数据.

1.3.1 常态下8种仙人掌科植物释放负离子浓度的测量 试验在常态下进行，选取生理状况相近的同种3株植物为试验组，空玻璃箱为对照组.

1.3.2 8 kV高压脉冲电场刺激下8种仙人掌科植物释放负离子浓度的测量 试验在常态试验的基础上，在玻璃箱的另一个侧面(正对着上一个口)钻一个小孔，孔径大小与高压脉冲刺激仪的探针直径相同，将探针从小孔插入玻璃箱中(图4).将探针插入盆栽植物根际土壤中，探头靠近植物的根部，要保证每次插入土壤时探头与植物中心点的距离相同，并且深度一致.设定脉冲电压为8 kV，脉冲宽度为50 ms，脉冲频率为1.0 Hz.试验选取生理状况相近的同种2株植物为试验组，无植物的土壤为对照组.

1.3.3 不同脉冲电场刺激下5种仙人掌科植物释放负离子浓度的测量 在8 kV高压脉冲电场的刺激下，8种仙人掌科植物中有5种植物释放的负离子浓度较高，选取这5种植物为研究对象进行正交试验.通过改变脉冲电场的电压、频率、宽度3个因素，测量5种植物释放的负离子浓度，以得到释放的负离子浓度达最大值的最优脉冲电场组合.正交设计如表1所示.每株植物每个因素每个水平进行3次重复，取平均值.

1.4 数据分析

应用Excel 2007软件对负离子浓度和各因子数量特征值进行处理;应用SPSS 17.0软件对数据进行方差分析.

图4 密闭玻璃箱中植物在高压脉冲电场刺激下测量其释放负离子浓度的示意图Fig.4 Schematic drawing of the system for detecting generation of negative air ions by plants upon electrical stimulation in airtight glass chamber

表1 正交设计的因素及其水平Table 1 The factors and their levels of the orghogonal design

2 结果与分析

2.1 常态下8种仙人掌科植物释放的负离子浓度

由表2可知，8种仙人掌科植物中，试验组的英丸、复隆般若、黄金钮、金手指、天赐玉5种植物释放的负离子浓度大于对照组;英丸、复隆般若、黄金钮、金手指4种植物释放的负离子浓度比对照组提高20%以上;而绯花玉、红山吹、金冠缀化3种植物释放的负离子浓度小于对照组，较对照组相对提高－3.6% ～－4.6%.可见，释放的负离子浓度较对照组提高较大的植物为英丸，相对提高153.7%;较对照组提高较小的植物为天赐玉，相对提高14.9%.

表2 8种仙人掌科植物30 min释放的负离子浓度Table 2 Comparison and analysis of 30 minutes of generation of the negative ions of 8 different species

采用SPSS 17.0软件对试验组8种植物释放的负离子浓度与对照组进行配对T检验，结果如表3所示.

表3显示，试验组释放的负离子浓度与对照组的相关系数为0.714，相伴概率 P为0.047，小于显著水平.试验组释放的负离子浓度与对照组配对T检验的t为2.849，df为7，相对应的P为0.025，小于显著性水平，即两者存在显著差异(表4).可见，有植物的空间的负离子浓度明显高于无植物的空间，且植物在自然状态下释放的负离子浓度与空气中本身的负离子浓度呈显著相关.

表3 试验组与对照组成对样本的相关性检验1)Table 3 Correlation test of paried-sample

表4 试验组与对照组配对T检验1)Table 4 Results of t-test

2.2 8 kV高压脉冲电场刺激对8种仙人掌科植物释放负离子的影响

2.2.1 误差消除方法 8 kV高压脉冲电场刺激8种仙人掌科植物时，与探针直接接触的为土壤，这种情况下高压脉冲电场很可能使土壤释放大量的负离子而影响试验结果，为此，笔者做了外界因素干扰的排除试验.在测量条件相同的情况下，将对照设为不含植物的土壤，该土壤可使供试植物正常生长，在8 kV高压脉冲电场的刺激下测量其释放的负离子浓度.结果显示，土壤电击后释放的负离子浓度为2755 ion·cm－3，而无电击的对照释放的负离子浓度为129 ion·cm－3，电击土壤较无电击提高21倍.可见，电击土壤确实会对植物释放的负离子浓度产生影响，因此有必要将电击不含植物的盆土作为对照.

2.2.2 8 kV高压脉冲电场刺激下8种仙人掌科植物释放负离子的浓度 表5显示，在8 kV高压脉冲电场的刺激下，8种仙人掌科植物释放的负离子浓度较对照组均有提高，较常态下也显著提高.8种植物中有6种植物在高压脉冲电场的刺激下释放的负离子浓度达到10万以上，较对照组提高4920.6% －74839.2%.高压脉冲电场刺激下释放的负离子浓度最大的为天赐玉，为682256 ion·cm－3，是对照组的218倍，较常态提高4672倍;其次是英丸，负离子浓度为668458 ion·cm－3，是对照组的749倍，较常态提高6427倍;较对照组提高较少的是复隆般若，负离子浓度为33566 ion·cm－3，较对照组只提高19倍，较常态提高205倍.

表5 8 kV高压脉冲电场刺激下8种仙人掌科植物释放的负离子浓度Table 5 The released negative ions by cactus plants under 8 kV pulse electrical file stimulation

2.3 不同脉冲电场组合刺激下5种仙人掌科植物释放的负离子浓度

2.3.1 黄金钮的正交试验结果 按表1的正交试验参数对黄金钮的根际土壤进行脉冲电场刺激，其释放的负离子浓度如表6所示.

表6显示，在脉冲电场组合A2B3C3的刺激下，黄金钮释放的负离子浓度达到最大，即脉冲电压为12 kV，脉冲频率为2 Hz，脉冲宽度为100 ms，但是不是最优的电场组合还需对其进行方差分析，结果如表7所示.1)Ti表示同一因素试验水平指标之和，Xi表示各因素同一水平试验指标的平均数.

表6 不同脉冲电场组合刺激下黄金钮释放的负离子浓度1)Table 6 Negative air ions concentrations generated by Aporocactus flagelliformis under different pulsed electric field

表7 不同脉冲电场组合刺激下黄金钮释放负离子浓度的方差分析1)Table 7 Variance analysis of negative air ions level generated by Aporocactus flagelliformis under different intensities of pulsed electrical stimulation

表7显示，脉冲电压对黄金钮释放的负离子浓度有显著影响，脉冲频率和脉冲宽度则没有影响，因此可以选择均数最大的水平A2B3C3.对A因素进行多重比较分析，结果如表8所示.

从表8可知，A3的均数最大，为 1908639.000.由表9可知，A3与A1、A2间的差异不显著.因此，脉冲电场组合A2B3C3是最优的，可使黄金钮释放最大量的负离子.

2.3.2 复隆般若、天赐玉、金冠缀化、英丸的正交试验结果 对复隆般若、天赐玉、金冠缀化、英丸4种植物进行上述正交试验的结果显示，脉冲电压、脉冲频率、脉冲宽度这3个因素对它们的影响均不显著.复隆般若的最优脉冲电场组合为A2B1C3，天赐玉的最优组合为 A2B1C1，金冠缀化的最优组合为A3B1C3，英丸的最优组合为A2B1C2.

表8 不同脉冲电压刺激下黄金钮释放负离子浓度的单因素统计量Table 8 Single factor statistical scale of negative air ions level generated by Aporocactus flagelliformis under different intensities of pulsed electrical stimulation

表9 不同脉冲电压刺激下黄金钮释放负离子浓度的配对比较Table 9 Pairwise comparisons of negative air ions level generated by Aporocactus flagelliformis under different intensities of pulsed electrical stimulation

3 结论与讨论

3.1 常态下植物释放负离子的能力有待提高

本试验结果表明:8种仙人掌科植物在常态下释放的负离子浓度大于对照组(无植物的空间)的有5种，占总量的62.5%;释放的负离子浓度提高较大的植物为英丸，较对照组相对提高153.7%.配对T检验结果显示，有植物的空间的负离子浓度比无植物的空间有显著的增加.在自然状态下，植物释放的负离子浓度是非常有限的，释放量最大的金手指仅为320 ion·cm－3.由于负离子存在的时间较短，且受其他方面的影响较大，空气中的负离子浓度很难达到有益于人体健康的1000 ion·cm－3[9]，因此，植物在自然状态下释放如此少量的负离子对净化室内空气的能力是有限的.由此可见，要使植物能够高效释放负离子，在短时间内达到净化空气的目的，有待于研发更有效的方法.

3.2 高压脉冲电场刺激可以提高植物释放负离子的能力

Tikhonov et al[7]研究表明，盆栽植物的根际土壤在高压脉冲电场的刺激下，仙人球、青锁龙、芦荟和吊兰等植物产生负离子的能力有不同程度的提高，芦荟可提高成千上万倍.本试验结果表明，在8 kV高压脉冲电场的刺激下，8种仙人掌科植物释放的负离子浓度均显著提高，较对照组的提高率都在1000%以上，其中，提高率最大的植物为英丸，较对照组提高74839.2%.此结果与 Tikhonov et al[7]和杨运经等[10]的研究结果一致.不同植物在相同的脉冲电压刺激下释放负离子的提高率有显著性差异.李印颖[11]研究表明，不同植物在相同电压的脉冲电场刺激下，它们的应激反应不同导致释放的负离子浓度有很大的差别.本试验结果可为进一步研究脉冲电场刺激下不同植物释放负离子能力的差异提供科学依据.

3.3 每种植物都有一个高效释放负离子的最优脉冲电场组合

本试验结果表明，改变脉冲电场的电压、频率、宽度会使一些仙人掌科植物释放的负离子浓度发生明显变化，脉冲电场不同，植物释放的负离子浓度也不同.但不是每种植物释放的负离子浓度都会随着脉冲电压的增大而增多，每种植物都有其最佳的脉冲电压，电压超过最佳值后植物释放的负离子浓度不会增加反而会减少;同样，脉冲频率和脉冲宽度也有最佳值.本试验中，大多数仙人掌科植物在脉冲电场组合AB1C3的刺激下，即脉冲频率为1 Hz、脉冲宽度为100 ms时，产生最强的负离子浓度倍增效应，释放出最高的负离子浓度.1 Hz的脉冲频率(即B1水平)为脉冲频率因素的最低水平，100 ms的脉冲宽度(即C3水平)为脉冲宽度因素的最高水平，即脉冲电压在一定的水平下，脉冲频率越小，脉冲宽度越宽，更有利于负离子的产生.从物理电学角度可解释为:施加于植物的脉冲电压提高了，其通过植物的电子流量会增加;脉冲频率越小，脉冲宽度越宽等于作用在植物的脉冲电压时间延长，进而促使植物尖端释放更多负离子流[12].

对于脉冲电场刺激下植物释放负离子的影响因素以及脉冲电场变化下植物释放负离子浓度的变化规律仍需进行系统的研究.脉冲电场刺激下植物释放负离子的能力除受脉冲电场各参数的影响外，还可能与外界环境，如光照、温度、湿度以及土壤的构成和微量元素有一定的关系，这些都需要进行进一步的系统研究.

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