環境氣象因素對植物釋放負離子能力的影響

吳仁燁，鄭金貴，楊志堅

(福建省特種作物育種與利用工程技術研究中心 350002 )

空氣負離子的生物學效應和生態效應已被廣泛認知，其對人體健康具有積極的促進作用，若空氣中缺少負離子可使人體功能出現紊亂，而呼吸富含負離子的空氣能提高人體舒適度[1-4]。因此，負離子常被譽為空氣中的“維生素”和“生長素”[5]。世界衛生組織規定清新空氣的標準是空氣中的負離子濃度為1000～1500 ion/cm3，其濃度已成為衡量空氣質量的重要指標[6-7]。不同生態環境中的負離子濃度差異較大，一般居室內的負離子濃度為300～500 ion/cm3，而室外環境，尤其是草地、林地、公園景區的負離子濃度可達3000 ion/cm3以上[8- 9]，主要原因：一方面綠色植物光合作用釋放出的氧氣，其比氮氣更易捕獲電子，而產生空氣負離子；另一方面主要是植物的光電效應，顯著提高了空氣中的負離子濃度[10]。

單株植物在自然狀態下釋放負離子的能力很弱，最大濃度均值不超過500 ion/cm3[9， 11]，無法達到世界衛生組織所規定的標準，也無法滿足人體健康的需求。為了提高室內環境的負離子濃度，許多學者利用光照[12]、脈沖電場[7， 13-14]等技術對植物進行刺激，發現植物釋放負離子的能力顯著提升，其中以脈沖電場刺激技術對植物提高釋放能力最為高效。該技術現階段已被用來提高室內環境的負離子濃度，以達到凈化室內空氣，促進人體健康的目的[8]。

研究發現，在某些環境中脈沖電場作用下植物釋放負離子濃度存在不穩定的現象，有時負離子濃度均值接近自然狀態下的水平。為了探究植物釋放負離子能力與環境因素間的關系，本研究以空氣相對濕度、溫度和光照等環境因素為研究要素，研究不同環境要素與植物釋放負離子濃度的作用關系，以期研制出能在室內高效穩定釋放負離子的機器，改善室內的空氣質量。

1 材料與方法

1.1 材料

供試植物為金邊龍舌蘭、蓮花竹和文竹共3種植物(表1)，以栽培盆土(無植物，P0)為試驗對照組。

表1 供試植物

供試植物均選購于福建省漳州市百花村花卉交易市場，每種植物選取外形、長勢一致的植株各3株，設置3個重復，種植在塑料花盆(外口徑23 cm、高19 cm、底徑15 cm)中，采取統一管理和養護的方法。

1.2 試驗儀器

采用福建農林大學研制的電脈沖激發儀對植物根際土壤施加脈沖電場刺激。負離子濃度測量采用DLY-4G-232型大氣離子測量儀進行監測，測量精度為1 ion/cm3，通過RS-232接口與計算機連接存取數據。

1.3 試驗方法

試驗在規格為300 cm×200 cm×250 cm的玻璃溫室中進行。分別設置20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%共8個濕度梯度和5℃、10℃、15℃、20℃、25℃和30℃共6個溫度梯度。溫度和濕度采用臺灣衡欣AZ77535溫濕度檢測儀進行測量，濕度測量范圍0～99%，精度0.1%。溫度的測量范圍-10℃～60℃，精度0.1℃。在Hipoint 740FHC 光照培養箱中，研究植物在不同光照強度下釋放負離子的能力，光照強度的測量和校準采用Hipoint HR-350光譜分析儀，設置0 Lx、500 Lx、1500 Lx、3000 Lx、6000 Lx和12 000 Lx共6個光照強度水平。

以不施加脈沖電場刺激作為對照組(CK)；另一組為刺激組，對每個供試植物施加脈沖電壓15 kV、脈沖頻率1 Hz、脈沖寬度35 ms的脈沖電場刺激。每個處理3次重復。采用文獻[15]的方法對植物施加脈沖電場刺激，測量常態和施加脈沖電場作用時植物釋放的負離子濃度。

2 結果與分析

2.1 植物釋放負離子濃度與相對濕度的關系

對金邊龍舌蘭等3種植物在不同濕度條件下釋放負離子的濃度進行分析，常態下和脈沖電場刺激下的結果如圖1、2所示。隨著空氣相對濕度的增加，常態和脈沖電場刺激狀態下植物釋放負離子的濃度均表現出上升的趨勢。在自然狀態下，植物盆土(P0)和3種供試植物釋放負離子的濃度很小，不超過200 ion/cm3(圖1)，隨著濕度的增加其濃度均呈升高趨勢，但處理間沒有顯著差異(P>0.05)。在施加脈沖電場刺激下，除植物盆土外，3種植物釋放負離子的濃度均值隨濕度的增加顯著升高(P<0.05)。在空氣相對濕度為20%～30%時，對植物施加脈沖電場刺激，3種植物釋放負離子的濃度均很低，接近自然狀態下的釋放水平，差異不顯著(P>0.05)。以金邊龍舌蘭為例，施加脈沖電場刺激的處理，空氣相對濕度為20%時，其釋放負離子的濃度均值為242 ion/cm3；當相對濕度為90%時，釋放負離子的濃度可達340 000 ion/cm3。

圖1 不同相對濕度條件下植物在自然狀態時釋放負離子濃度

圖2 不同相對濕度條件下植物在脈沖電場刺激時釋放負離子濃度

2.2 植物釋放負離子濃度與溫度的關系

對金邊龍舌蘭等3種植物在不同溫度條件下釋放負離子的濃度進行分析，自然狀態下和脈沖電場刺激下的結果如圖3、4所示。自然狀態下，不同溫度對3種植物釋放負離子的能力均無顯著影響(P>0.05)，金邊龍舌蘭在20.0 ℃時釋放的負離子濃度值最大，為170 ion/cm3(圖3)。脈沖電場作用時，除植物盆土(P0)處理間沒有顯著差異(P>0.05)外，3種植物釋放負離子的能力與自然狀態下相比均顯著提升(P<0.05)。當溫度高于15.0℃時，各植物釋放負離子能力的變幅很小；溫度低于15.0℃時，植物釋放負離子能力顯著降低(P<0.05)。以金邊龍舌蘭為例，在脈沖電場作用下，溫度為5.0℃時，其釋放負離子的濃度為2730 ion/cm3；當溫度升至15.0℃時，其濃度可達260 000 ion/cm3(圖4)。蓮花竹和文竹在脈沖電場刺激狀態下具有相同的趨勢。

圖3 不同溫度條件下植物在自然狀態時釋放負離子濃度

圖4 不同溫度條件下植物在脈沖電場刺激時釋放負離子濃度

圖5 不同光照強度下植物在自然狀態時釋放負離子濃度

2.3 植物釋放負離子與光照強度的關系

對金邊龍舌蘭等3種植物在不同光照強度下釋放負離子的濃度進行分析，自然狀態下和脈沖電場刺激下的結果如圖5、6所示。自然狀態下，3種植物隨著光照強度的增強，釋放負離子的能力呈增加的趨勢，但差異均不顯著(P>0.05)。其中，以金邊龍舌蘭在12 000 Lx光照下的釋放能力最強，負離子濃度均值為229 ion/cm3(圖5)。在施加脈沖電場作用時，除植物盆土(P0)外，3種植物釋放負離子的能力均有顯著提高(P<0.05)，不同強度光照下植物釋放負離子的能力均存在顯著性差異(P<0.05)。光照強度從3000 Lx增強至6000 Lx時，植物釋放負離子的能力變幅很小，3種植物釋放負離子的濃度均無顯著性差異(P>0.05)。隨著光照強度的增強，3種植物釋放負離子濃度均有不同程度的增加，其中以金邊龍舌蘭的增幅最大，在12 000 Lx光照強度下釋放負離子的濃度為342 000 ion/cm3，是黑暗狀態下的1.3倍(圖6)。

圖6 不同光照強度下植物在脈沖電場刺激時釋放負離子濃度

3 結論與討論

自然狀態下，單株植物釋放負離子的能力很弱[9，11，16-17]，鑒于負離子的生物學效應，許多學者致力于提高單株植物釋放負離子的能力，利用脈沖電場[7，13]、光照[12]等方法對植物進行刺激，使單株植物釋放負離子的能力大幅提高。對此Tikhonov 等[18-19]認為主要取決于植物生理過程。植物釋放負離子是一個復雜的過程，與環境因素緊密相關，光照、溫度和濕度等各種氣象因子均間接影響釋放負離子的能力[10， 20-22]。本研究結果表明，在脈沖電場作用下，隨著空氣相對濕度的增加，植物釋放負離子的能力呈顯著升高趨勢。當空氣相對濕度為20%左右時，3種植物釋放負離子的濃度均值均接近自然狀態下的水平。可以看出，空氣負離子與水分相依存，因此空氣濕度對負離子濃度的影響具有決定性的作用[10]。

本研究對不同溫度環境下植物釋放負離子的研究結果與已有的研究結果[10， 22]相反。原因可能在于以往在探究溫度的影響時，其變化直接引起濕度的變化，即氣溫升高，相對濕度降低，從而導致空氣負離子濃度降低，而本文在改變溫度因子的同時，空氣相對濕度仍保持一定范圍。本研究在自然狀態下，植物釋放負離子的濃度幾乎不受溫度的影響。而施加脈沖電場刺激時，隨著溫度的增加，3種植物釋放負離子的濃度呈升高的趨勢，但是當溫度超過15.0℃時，植物釋放負離子的能力在處理間的變幅很小，差異不顯著。原因可能是由于溫度太低，降低了植物新陳代謝的速率，植物體電子傳遞鏈的速率降低，從而導致釋放負離子的能力降低。

隨著光照強度的增強，植物釋放負離子的能力也逐漸提高，這結論與Wang 等[12]在自然狀態下的試驗結果相似。可能是由于光照激發了植物葉片表層的光電效應，使大量自由離子從植物體逃逸出而產生負離子。同時本研究還發現，3種植物在光照強度為3000 Lx和6000 Lx時釋放負離子的濃度不存在顯著差異(P>0.05)，由此認為3000 Lx和6000 Lx光照強度所提供給植物體的“能量”位于同一級別，6000 Lx的光照強度還未能激活植物體更高一階的釋放能力。

本文以空氣相對濕度、溫度和光照強度共3個環境氣象因素為研究對象，對植物在不同的環境因素下釋放負離子的濃度進行研究，初步分析了植物釋放負離子與環境各氣象要素間的相互作用。結果表明，在3個環境因素中以空氣相對濕度的影響最為顯著，光照的影響位居第2，溫度的影響相對較小。當然，影響植物釋放負離子的因素除了環境因素外，植物本身的特性也是一個重要的影響因素。除此之外，脈沖電場的作用至關重要，其如何與環境要素相互作用影響植物體的電子傳遞，及如何通過影響植物葉片氣孔開合度來提高釋放負離子的能力將是今后研究的重點。

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