關(guān)于土壤pH值對活立木電勢能影響的研究

陳崇新 陳芃 孫宇哲 王鵬 孫堃琦

摘 要：已有研究證明活立木的樹干與其周圍的土壤之間存在持續(xù)的電勢差和電流，這種電勢差和電流可用于森林供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但生物電的作用機(jī)制一直存在爭議。為了進(jìn)一步研究提供更全面的數(shù)據(jù)，并分析在樹干與其周圍的環(huán)境參數(shù)的生物電之間的關(guān)系，我們進(jìn)行了實驗并已經(jīng)取得進(jìn)展。我們的實驗通過測量選定的活立木木質(zhì)部的pH值，以及對環(huán)境的參數(shù)的輸出功率進(jìn)行測定，例如空氣溫度、空氣的相對濕度、土壤溫度、土壤濕度和土壤pH值。我們得出的結(jié)果支持了木質(zhì)部相對與土壤pH值有明顯的生物電的假設(shè)。此外，我們發(fā)現(xiàn)空氣的相對濕度，土壤溫度和電極材料都對活立木的生物電有影響。

關(guān)鍵詞：生物電 活立木 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 木質(zhì)部 土壤pH值

中圖分類號：O613.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0009-03

近幾年研究顯示，一棵樹與它周圍土壤之間有持續(xù)的電勢差和電流，但其生物電的作用機(jī)制一直存在爭議[1]。活立木生物電勢能的應(yīng)用，對于在森林中向低功率器件供電[2]，尤其是在解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無法為其提供持續(xù)電源方面具有很大的潛力。因此，我們有很大必要探索活立木生物電勢能的特點及其產(chǎn)生機(jī)制。目前，科學(xué)家們已經(jīng)提出了許多假設(shè)和實驗方案[3-5]，因為生物電已在樹上的不同部分被檢測到[6]。

活立木生物電勢能的輸出功率大小可由一些顯著的物理參數(shù)來反映，例如電壓和電流。為了找到在樹木與其周圍的環(huán)境參數(shù)的生物電的更全面的關(guān)系，實驗在不同的區(qū)域和在自然環(huán)境中進(jìn)行。在實驗中，將會對所選擇的樹木木質(zhì)部的pH值，以及對環(huán)境的參數(shù)的輸出功率進(jìn)行測定，包含環(huán)境參數(shù)空氣溫度，空氣相對濕度，土壤溫度，土壤濕度和土壤pH值。

1 研究方法

1.1 實驗地區(qū)和樹種

我們選擇了四個城市的四個實驗區(qū)，其中銀川、大興安嶺、柳州和北京具有不同種類的土壤和氣候。實驗被分成兩個子實驗，分別命名為E1和E2。E1是在夏季的銀川，大興安嶺和柳州，歷時10d。銀川市是中國西部，有堿性土壤和氣候干燥的夏季。杭州位于中國的東部，夏季是中性土壤濕潤氣候。柳州是中國的南部，有酸性土壤，夏天有非常潮濕的氣候。子實驗在設(shè)在上述三個區(qū)域是為了獲得在不同的生長條件下進(jìn)行研究的全面數(shù)據(jù)。E2是在北京的夏天，歷時20d。北京是中國的東北部，有弱堿性的土壤和高溫多雨的夏天。在每個實驗區(qū)，我們隨機(jī)選擇了幾棵健康的樹木作為代表。

1.2 電源

在每個選定的樹的不同高度（50cm，100cm，130cm）的木質(zhì)部插入三鐵電極（直徑5mm），另一個電極植入相鄰的土壤（15cm的地底下），用固定長度的電線連接到電極。一個負(fù)載電阻連接成樹中的電極，并通過導(dǎo)線連接接地電極形成電路。負(fù)載電阻的電壓和電流同時通過同一萬用表（福祿克17B，福祿克，美國）進(jìn)行測定。電源是每次測量后計算出來的。

在E1中，在土壤中用電極來代替萬用表的接地端，其直接連接到土壤中的相應(yīng)深度的負(fù)端子，該終端是銅做的。在E2中，使用相同的鐵電極。其目的是為了觀察電極材料與試驗的影響。

1.3 木質(zhì)部的pH

木質(zhì)部樣品從每個選擇的樹收集并儲存在塑料袋中數(shù)天。木質(zhì)部測定pH根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T6043-1999。

2 結(jié)果與分析

2.1 電源分布

在E1得到35組數(shù)據(jù)，并在E2得到1026組數(shù)據(jù)。

圖1顯示的是在E1和E2中得到的功率值的分布。X軸是緊密間隔的功率范圍。Y軸是功率在每個范圍中的頻率。在圖A中，銀川、杭州、柳州，獲得夏季35組數(shù)據(jù)。在圖B中，測定初冬北京1026組數(shù)據(jù)，在高峰期從0nW到200nW范圍下跌。

很明顯，在E1的功率值均高于E2，這表明活立木生物電的大小可能受電極所在土壤條件的變化影響較大。為了排除季節(jié)性影響的可能性，在E2中做了排除實驗。得出的結(jié)果是季節(jié)變化可能是另一個影響因素，但在我們的實驗中沒有顯著的體現(xiàn)。

2.2 不同的高度

根據(jù)文獻(xiàn)，我們了解到木質(zhì)部和土壤之間生物電壓差不會改變[3]。然而，在我們的實驗中功率受電極高度的影響較大，但暫時沒有發(fā)現(xiàn)它們之間確切的關(guān)系。

在我們的實驗中每棵樹選定三種高度（50cm，100cm，和130cm），相同的電極分別插入不同高度的木質(zhì)部。三個功率值是在不同的高度得到。通過滾差比對數(shù)據(jù)，最終得出的結(jié)論是在大多數(shù)情況下，在130cm的高度處的電勢差較大。

2.3 環(huán)境參數(shù)

我們發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)部的pH值幾乎不會變化，而那些土壤pH值的變化與實驗區(qū)電勢差的變化相對應(yīng)。雖然木質(zhì)部pH值在各實驗區(qū)有波動，平均值均約為6（圖2）。土壤pH值曲線（菱形）表明，銀川、杭州、柳州測量土壤樣品分別為堿性，近似中性和酸性。但木質(zhì)部pH值的平均值曲線（正方形）在所有的實驗區(qū)均約為6。相同的值已經(jīng)在克里斯托弗的盆栽垂葉榕樹的木質(zhì)部實驗中獲得過[1]。生物電強(qiáng)度與木質(zhì)部和土壤之間的pH差值之間的確切關(guān)系已被觀察到。在我們的實驗中，假設(shè)木質(zhì)部pH值的是一致的，類似的假說是：生物電強(qiáng)度和土壤pH值之間具有顯著關(guān)系。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)部測得的功率和周圍的土壤（表1）的pH值之間有相關(guān)性。此外，空氣的相對濕度和土壤溫度對功率具有顯著影響，不過相關(guān)系數(shù)均較小。符號**表示相關(guān)性在0.01的顯著水平（2尾）。符號*表示相關(guān)性在0.05顯著水平（2尾）。

表2顯示出了功率基于土壤pH，土壤溫度和空氣相對濕度的結(jié)果的回歸分析。因變量是動力，自變量是土壤pH值，土壤溫度和空氣相對濕度。線性回歸的方程為：

P是功率，Sp是土壤pH值，St是土壤溫度，Arh是空氣相對濕度，R2為0.861

3 結(jié)語

國內(nèi)外的科學(xué)家們早已開始對活立木與土壤之間的電勢差進(jìn)行測定，并用來分析樹木的生物電機(jī)理。在我們的實驗中，我們對每棵活立木在負(fù)載電阻上的電壓和電路中的電流同時進(jìn)行測量。在相關(guān)的生物電所有分析中使用功率參數(shù)，但是功率的測量需要一個閉路，這就產(chǎn)生了功耗。為了減少在電線上的損耗以便測出更加精確的電流，我們選用12kΩ負(fù)載電阻。

我們已經(jīng)明確的發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)部和土壤之間的電壓會隨pH差值而改變，緊隨Nernst方程[1]之間的明確關(guān)系。在我們的實驗中我們發(fā)現(xiàn)了木質(zhì)部pH值的一致值。因此，在我們的分析中木質(zhì)部和土壤的pH值差異近似的被土壤pH值所取代。結(jié)果表明，木質(zhì)部測得的功率值與土壤pH值之間的關(guān)系與Christopher J. Love、張曙光和Andreas Mershin[1]的假說具有顯著相關(guān)性。此外，在我們的實驗中可以看出土壤溫度和空氣相對濕度也與功率大小有關(guān)系。功率和土壤溫度之間的正相關(guān)表明土壤溫度上升會導(dǎo)致功率增加。適宜的溫度可以促進(jìn)土壤和土壤中的電極之間的電荷交換。功率和空氣的相對濕度之間的負(fù)相關(guān)，可能是由于空氣中的水分會抑制電荷的輸送。在我們的實驗中同樣發(fā)現(xiàn)電源和電極高度之間沒有明顯的相關(guān)性。但在高度130cm處顯示出更大的穩(wěn)定性。在這一點上我們還需做更詳細(xì)的實驗才能找到能獲得更多電能的最佳位置。

參考文獻(xiàn)

[1] Christopher J.Love，Shuguang Zhang， Andreas Mershin. Source of sustained voltage difference between the xylem of a potted Ficus benjamina tree and its soil[J].PLoS ONE，2008，3（8）：e2963.

[2] Carlton Himes，Eric Carlson， Ryan J. Ricchiuti，et al.Using plants for directly powering nanoelectronic circuits[J]. Nanotechnology Perceptions，2010（6）：29-40.

[3] Dominique Gibert，Jean-Louis Le Mouel， Luc Lambs，et al.Sap Flow and Daily Electrical Potential Variations in a Tree Trunk[J].Plant Science，2006（171）：572-584.

[4] AH DeBoer，V Volkov.Logistics of water and salt transport through the plant： structure and functioning of the xylem[J]. Plant Cell and Environment， 2003（26）：87-101.

[5] Silke Lautner， Thorsten Erhard Edgar Grams， Rainer Matyssek，et al. Characteristics of electrical signals in poplar and responses in pHotosynthesis[J]. Plant pHysiology，2005（138）：2200-2209.

[6] O Ksenzhek，S Petrova，M Kolodya zhny. Electrical Properties of Plant Tissues： Resistance of a Maize Leaf[J].Bulgarian Journal of Plant pHysiology，2004（30）：61-67.