环境气象因素对植物释放负离子能力的影响

吴仁烨，郑金贵，杨志坚

(福建省特种作物育种与利用工程技术研究中心 350002 )

空气负离子的生物学效应和生态效应已被广泛认知，其对人体健康具有积极的促进作用，若空气中缺少负离子可使人体功能出现紊乱，而呼吸富含负离子的空气能提高人体舒适度[1-4]。因此，负离子常被誉为空气中的“维生素”和“生长素”[5]。世界卫生组织规定清新空气的标准是空气中的负离子浓度为1000～1500 ion/cm3，其浓度已成为衡量空气质量的重要指标[6-7]。不同生态环境中的负离子浓度差异较大，一般居室内的负离子浓度为300～500 ion/cm3，而室外环境，尤其是草地、林地、公园景区的负离子浓度可达3000 ion/cm3以上[8- 9]，主要原因：一方面绿色植物光合作用释放出的氧气，其比氮气更易捕获电子，而产生空气负离子；另一方面主要是植物的光电效应，显著提高了空气中的负离子浓度[10]。

单株植物在自然状态下释放负离子的能力很弱，最大浓度均值不超过500 ion/cm3[9， 11]，无法达到世界卫生组织所规定的标准，也无法满足人体健康的需求。为了提高室内环境的负离子浓度，许多学者利用光照[12]、脉冲电场[7， 13-14]等技术对植物进行刺激，发现植物释放负离子的能力显著提升，其中以脉冲电场刺激技术对植物提高释放能力最为高效。该技术现阶段已被用来提高室内环境的负离子浓度，以达到净化室内空气，促进人体健康的目的[8]。

研究发现，在某些环境中脉冲电场作用下植物释放负离子浓度存在不稳定的现象，有时负离子浓度均值接近自然状态下的水平。为了探究植物释放负离子能力与环境因素间的关系，本研究以空气相对湿度、温度和光照等环境因素为研究要素，研究不同环境要素与植物释放负离子浓度的作用关系，以期研制出能在室内高效稳定释放负离子的机器，改善室内的空气质量。

1 材料与方法

1.1 材料

供试植物为金边龙舌兰、莲花竹和文竹共3种植物(表1)，以栽培盆土(无植物，P0)为试验对照组。

表1 供试植物

供试植物均选购于福建省漳州市百花村花卉交易市场，每种植物选取外形、长势一致的植株各3株，设置3个重复，种植在塑料花盆(外口径23 cm、高19 cm、底径15 cm)中，采取统一管理和养护的方法。

1.2 试验仪器

采用福建农林大学研制的电脉冲激发仪对植物根际土壤施加脉冲电场刺激。负离子浓度测量采用DLY-4G-232型大气离子测量仪进行监测，测量精度为1 ion/cm3，通过RS-232接口与计算机连接存取数据。

1.3 试验方法

试验在规格为300 cm×200 cm×250 cm的玻璃温室中进行。分别设置20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%共8个湿度梯度和5℃、10℃、15℃、20℃、25℃和30℃共6个温度梯度。温度和湿度采用台湾衡欣AZ77535温湿度检测仪进行测量，湿度测量范围0～99%，精度0.1%。温度的测量范围-10℃～60℃，精度0.1℃。在Hipoint 740FHC 光照培养箱中，研究植物在不同光照强度下释放负离子的能力，光照强度的测量和校准采用Hipoint HR-350光谱分析仪，设置0 Lx、500 Lx、1500 Lx、3000 Lx、6000 Lx和12 000 Lx共6个光照强度水平。

以不施加脉冲电场刺激作为对照组(CK)；另一组为刺激组，对每个供试植物施加脉冲电压15 kV、脉冲频率1 Hz、脉冲宽度35 ms的脉冲电场刺激。每个处理3次重复。采用文献[15]的方法对植物施加脉冲电场刺激，测量常态和施加脉冲电场作用时植物释放的负离子浓度。

2 结果与分析

2.1 植物释放负离子浓度与相对湿度的关系

对金边龙舌兰等3种植物在不同湿度条件下释放负离子的浓度进行分析，常态下和脉冲电场刺激下的结果如图1、2所示。随着空气相对湿度的增加，常态和脉冲电场刺激状态下植物释放负离子的浓度均表现出上升的趋势。在自然状态下，植物盆土(P0)和3种供试植物释放负离子的浓度很小，不超过200 ion/cm3(图1)，随着湿度的增加其浓度均呈升高趋势，但处理间没有显著差异(P>0.05)。在施加脉冲电场刺激下，除植物盆土外，3种植物释放负离子的浓度均值随湿度的增加显著升高(P<0.05)。在空气相对湿度为20%～30%时，对植物施加脉冲电场刺激，3种植物释放负离子的浓度均很低，接近自然状态下的释放水平，差异不显著(P>0.05)。以金边龙舌兰为例，施加脉冲电场刺激的处理，空气相对湿度为20%时，其释放负离子的浓度均值为242 ion/cm3；当相对湿度为90%时，释放负离子的浓度可达340 000 ion/cm3。

图1 不同相对湿度条件下植物在自然状态时释放负离子浓度

图2 不同相对湿度条件下植物在脉冲电场刺激时释放负离子浓度

2.2 植物释放负离子浓度与温度的关系

对金边龙舌兰等3种植物在不同温度条件下释放负离子的浓度进行分析，自然状态下和脉冲电场刺激下的结果如图3、4所示。自然状态下，不同温度对3种植物释放负离子的能力均无显著影响(P>0.05)，金边龙舌兰在20.0 ℃时释放的负离子浓度值最大，为170 ion/cm3(图3)。脉冲电场作用时，除植物盆土(P0)处理间没有显著差异(P>0.05)外，3种植物释放负离子的能力与自然状态下相比均显著提升(P<0.05)。当温度高于15.0℃时，各植物释放负离子能力的变幅很小；温度低于15.0℃时，植物释放负离子能力显著降低(P<0.05)。以金边龙舌兰为例，在脉冲电场作用下，温度为5.0℃时，其释放负离子的浓度为2730 ion/cm3；当温度升至15.0℃时，其浓度可达260 000 ion/cm3(图4)。莲花竹和文竹在脉冲电场刺激状态下具有相同的趋势。

图3 不同温度条件下植物在自然状态时释放负离子浓度

图4 不同温度条件下植物在脉冲电场刺激时释放负离子浓度

图5 不同光照强度下植物在自然状态时释放负离子浓度

2.3 植物释放负离子与光照强度的关系

对金边龙舌兰等3种植物在不同光照强度下释放负离子的浓度进行分析，自然状态下和脉冲电场刺激下的结果如图5、6所示。自然状态下，3种植物随着光照强度的增强，释放负离子的能力呈增加的趋势，但差异均不显著(P>0.05)。其中，以金边龙舌兰在12 000 Lx光照下的释放能力最强，负离子浓度均值为229 ion/cm3(图5)。在施加脉冲电场作用时，除植物盆土(P0)外，3种植物释放负离子的能力均有显著提高(P<0.05)，不同强度光照下植物释放负离子的能力均存在显著性差异(P<0.05)。光照强度从3000 Lx增强至6000 Lx时，植物释放负离子的能力变幅很小，3种植物释放负离子的浓度均无显著性差异(P>0.05)。随着光照强度的增强，3种植物释放负离子浓度均有不同程度的增加，其中以金边龙舌兰的增幅最大，在12 000 Lx光照强度下释放负离子的浓度为342 000 ion/cm3，是黑暗状态下的1.3倍(图6)。

图6 不同光照强度下植物在脉冲电场刺激时释放负离子浓度

3 结论与讨论

自然状态下，单株植物释放负离子的能力很弱[9，11，16-17]，鉴于负离子的生物学效应，许多学者致力于提高单株植物释放负离子的能力，利用脉冲电场[7，13]、光照[12]等方法对植物进行刺激，使单株植物释放负离子的能力大幅提高。对此Tikhonov 等[18-19]认为主要取决于植物生理过程。植物释放负离子是一个复杂的过程，与环境因素紧密相关，光照、温度和湿度等各种气象因子均间接影响释放负离子的能力[10， 20-22]。本研究结果表明，在脉冲电场作用下，随着空气相对湿度的增加，植物释放负离子的能力呈显著升高趋势。当空气相对湿度为20%左右时，3种植物释放负离子的浓度均值均接近自然状态下的水平。可以看出，空气负离子与水分相依存，因此空气湿度对负离子浓度的影响具有决定性的作用[10]。

本研究对不同温度环境下植物释放负离子的研究结果与已有的研究结果[10， 22]相反。原因可能在于以往在探究温度的影响时，其变化直接引起湿度的变化，即气温升高，相对湿度降低，从而导致空气负离子浓度降低，而本文在改变温度因子的同时，空气相对湿度仍保持一定范围。本研究在自然状态下，植物释放负离子的浓度几乎不受温度的影响。而施加脉冲电场刺激时，随着温度的增加，3种植物释放负离子的浓度呈升高的趋势，但是当温度超过15.0℃时，植物释放负离子的能力在处理间的变幅很小，差异不显著。原因可能是由于温度太低，降低了植物新陈代谢的速率，植物体电子传递链的速率降低，从而导致释放负离子的能力降低。

随着光照强度的增强，植物释放负离子的能力也逐渐提高，这结论与Wang 等[12]在自然状态下的试验结果相似。可能是由于光照激发了植物叶片表层的光电效应，使大量自由离子从植物体逃逸出而产生负离子。同时本研究还发现，3种植物在光照强度为3000 Lx和6000 Lx时释放负离子的浓度不存在显著差异(P>0.05)，由此认为3000 Lx和6000 Lx光照强度所提供给植物体的“能量”位于同一级别，6000 Lx的光照强度还未能激活植物体更高一阶的释放能力。

本文以空气相对湿度、温度和光照强度共3个环境气象因素为研究对象，对植物在不同的环境因素下释放负离子的浓度进行研究，初步分析了植物释放负离子与环境各气象要素间的相互作用。结果表明，在3个环境因素中以空气相对湿度的影响最为显著，光照的影响位居第2，温度的影响相对较小。当然，影响植物释放负离子的因素除了环境因素外，植物本身的特性也是一个重要的影响因素。除此之外，脉冲电场的作用至关重要，其如何与环境要素相互作用影响植物体的电子传递，及如何通过影响植物叶片气孔开合度来提高释放负离子的能力将是今后研究的重点。

[1]GRIFFIN J E， KORNBLUEH I H.Ionization of the air.(A review)[J].Internatl Jour Biometeorogy, 1962，6(1)：29-32.

[2]KONDRASHOVA M N，GRIGORENKO E V，TIKHONOV A N， et al.The primary physico-chemical mechanism for the beneficial biological/medical effects of negative air ions[J].Ieee Transactions on Plasma Science, 2000，28(1)：230-237.

[3]KOSENKO E A，KAMINSKY Y G，STAVROVSKAYA I G，et al.The stimulatory effect of negative air ions and hydrogen peroxide on the activity of superoxide dismutase[J].Febs Letters, 1997，410(2-3)：309-312.

[4]KRUEGER A P，REED E J.Biological impact of small air ions[J].Science，1976，193(4259)：1209-1213.

[5]李安伯.空气离子生物学效应研究的进展[J].西安交通大学学报：医学版，1983，4(1)：103-108.

[6]李安伯.空气离子实验与临床研究新进展[J].中华理疗杂志，2001，24(2)：118-121.

[7]吴仁烨，邓传远，杨志坚，等.脉冲电场作用对植物释放负离子的影响[J].应用生态学报，2015，26(2)：419-424.

[8]吴仁烨，邓传远，辛桂亮，等.植物释放负离子对室内空气质量影响分析[J].安徽农业科学，2014，42(27)：9491-9494.

[9]吴仁烨，邓传远，王彬，等.具备释放负离子功能室内植物的种质资源研究[J].中国农学通报，2011，27(8)：91-97.

[10]石彦军，余树全，郑庆林.6种植物群落夏季空气负离子动态及其与气象因子的关系[J].浙江林学院学报，2010，27(2)：185-189.

[11]吴仁烨，黄德冰，郭梨锦，等.具备释放负离子功能室内植物的种质资源研究Ⅱ.常态下室内植物负离子的释放[J].亚热带农业研究，2011，7(1)：1-6.

[12]WANG J， LI S.Changes in negative air ions concentration under different light intensities and development of a model to relate light intensity to directional change[J].Journal of Environmental Management，2009，90(8)：2746-2754.

[13]张万超，舒志君，郑金贵，等.高压脉冲电刺激下龙舌兰释放负离子的研究[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2015，32(10)：1-5，11.

[14]吴仁烨，郑金贵，程祖锌，等.水稻植株释放负离子研究[J].福建农林大学学报：自然科学版，2014， 43(5)：512-517.

[15]吴仁烨，郑金贵，翁海勇，等.脉冲电场刺激对植物释放负离子的影响及其机理[J].生态学杂志，2017，36(5)：1224-1233.

[16]吴仁烨，邓传远，王彬，等.具备释放负离子功能室内植物的种质资源研究[J].中国农学通报，2011，27(8)：91-97.

[17]丁旭玲，张万超，黄龙飞，等.常态下仙人掌科植物负离子释放量与其刺尖数量的相关性研究[J].安徽农业大学学报，2015，42(2)：263-267.

[18]TIKHONOV V P，TSVETKOV V D，LITVINOVA E G，et al.Generation of negative air ions by plants upon pulsed electrical stimulation applied to soil[J].Russian Journal of Plant Physiology, 2004， 51(3)：414-419.

[19]TIKHONOV V P，TSVETKOV V D，LITVINOVA E G，et al.Generation of negative air ions by wheat seedlings in a high voltage electrization of soil[J].Biofizika，2002，47(1)：130-134.

[20]穆丹，梁英辉.佳木斯绿地空气负离子浓度及其与气象因子的关系[J].应用生态学报，2009，20(8)：2038-2041.

[21]段炳奇.空气离子及其与气象因子的相关研究[D].上海：上海师范大学，2007.

[22]韦朝领，王敬涛，蒋跃林，等.合肥市不同生态功能区空气负离子浓度分布特征及其与气象因子的关系[J].应用生态学报，2006，17(11)：2158-2162.