植物学报 ›› 2017, Vol. 52 ›› Issue (6): 744-755.DOI: 10.11983/CBB16242
吴仁烨1,2, 孙缘芬1, 郑金贵1,2,*(), 邓传远3, 叶大鹏4, 王晴水1
收稿日期:
2016-12-06
接受日期:
2017-05-04
出版日期:
2017-11-01
发布日期:
2018-02-22
通讯作者:
郑金贵
基金资助:
Wu Renye1,2, Sun Yuanfen1, Zheng Jingui1,2,*(), Deng Chuanyuan3, Ye Dapeng4, Wang Qingshui1
Received:
2016-12-06
Accepted:
2017-05-04
Online:
2017-11-01
Published:
2018-02-22
Contact:
Zheng Jingui
摘要: 植物在自然状态下释放负离子的能力很弱, 施加脉冲电场可激发其释放能力。在密闭的玻璃箱中, 研究紫背竹芋(Stromanthe sanguinea)、绒叶肖竹芋(Calathea zebrina)和朱顶红(Hippeastrum rutilum)在常态、脉冲电场和光照刺激下释放负离子的浓度, 并观察叶片气孔特征, 结果表明: (1) 不同参数脉冲电场对植物释放负离子的能力影响不同, 每种植物均具有高效释放负离子的最佳脉冲电场, 紫背竹芋为A3B3C3 (A3, U=1.5×104 V; B3, T=1.5 s; C3, τ =65 ms); 绒叶肖竹芋为A3B4C1 (A3, U=1.5×104 V; B4, T=2.0 s; C1, τ =5 ms); 朱顶红为A4B4C1 (A4, U=2.0×104 V; B4, T=2.0 s; C1, τ =5 ms)。(2) 植物体上所储存的电压越大, 其释放负离子的能力越强。(3) 脉冲电场作用时, 植物释放负离子的能力与光照度呈正相关; 无电场刺激时两者差异不显著(P>0.05)。(4) 植物释放负离子的能力与叶片气孔特征关系密切, 脉冲电场作用下叶片气孔的开合度和气孔密度越大, 其释放能力越强。
吴仁烨, 孙缘芬, 郑金贵, 邓传远, 叶大鹏, 王晴水. 脉冲电场作用对植物释放负离子与气孔特征的关系. 植物学报, 2017, 52(6): 744-755.
Wu Renye, Sun Yuanfen, Zheng Jingui, Deng Chuanyuan, Ye Dapeng, Wang Qingshui. Relationship Between Negative Air Ion Generation by Plants and Stomatal Characteristics Under Stimulation of Pulsed Electrical Field. Chinese Bulletin of Botany, 2017, 52(6): 744-755.
Code | Plants | Age (mon- th) | Plant height× Grown bread- th (cm) |
---|---|---|---|
P1 | Syngonium podophyllum | 14 | 20×20 |
P2 | Lilium brownii var. viridulum | 13 | 70×20 |
P3 | Agave sisalana | 24 | 45×30 |
P4 | Stromanthe sanguinea | 12 | 30×30 |
P5 | Cordyline fruticosa | 14 | 60×50 |
P6 | Calathea zebrina | 12 | 40×45 |
P7 | Hippeastrum rutilum | 13 | 60×40 |
P8 | Neottopteris antiqua | 14 | 40×40 |
P9 | Saxifraga stolonifera | 12 | 30×30 |
P10 | Fatsia japonica | 12 | 50×40 |
表1 供试植物名录
Table 1 Tested plants species
Code | Plants | Age (mon- th) | Plant height× Grown bread- th (cm) |
---|---|---|---|
P1 | Syngonium podophyllum | 14 | 20×20 |
P2 | Lilium brownii var. viridulum | 13 | 70×20 |
P3 | Agave sisalana | 24 | 45×30 |
P4 | Stromanthe sanguinea | 12 | 30×30 |
P5 | Cordyline fruticosa | 14 | 60×50 |
P6 | Calathea zebrina | 12 | 40×45 |
P7 | Hippeastrum rutilum | 13 | 60×40 |
P8 | Neottopteris antiqua | 14 | 40×40 |
P9 | Saxifraga stolonifera | 12 | 30×30 |
P10 | Fatsia japonica | 12 | 50×40 |
图1 密闭玻璃室内测量植物释放负离子浓度示意图a: 高压脉冲刺激仪; b: 脉冲探针; c: 空气离子测量仪; d: 电脑; e: 密闭玻璃室; f: 植物; g: 可调式绝缘平台
Figure 1 Schematic of detecting negative air ions concentration by plant in a sealed chambera: High-voltage pulsed generator; b: Pulse probe; c: Air ions detector; d: Computer; e: Glass chamber; f: Plant; g: Adjustable insulation platform
Level | Factors | ||
---|---|---|---|
A (103 V) | B (s) | C (ms) | |
1 | 8 | 0.5 | 5 |
2 | 10 | 1.0 | 35 |
3 | 15 | 1.5 | 65 |
4 | 20 | 2.0 | 90 |
表2 正交实验设计表
Table 2 Factors and levels for orthogonal test
Level | Factors | ||
---|---|---|---|
A (103 V) | B (s) | C (ms) | |
1 | 8 | 0.5 | 5 |
2 | 10 | 1.0 | 35 |
3 | 15 | 1.5 | 65 |
4 | 20 | 2.0 | 90 |
图2 自然状态下植物24小时释放负离子浓度的变化趋势CK: 空白对照; P0: 盆土; P1-P10同表1。
Figure 2 The changes in negative air ions concentration over 24 h for plant varieties under normal conditionCK: P0 soil without plant; P0: Soil; P1-P10 see Table 1.
Code | 24 h mini- mum | 24 h maxi- mum | 24 h mean | Daytime mean | Nighttime mean | Max/ Min | (Day mean-night mean)/ Night mean | Day mean/Night mean |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CK | 29 | 38 | 32 k | 34 | 31 | 1.31 | 0.10 | 1.1 |
P0 | 30 | 36 | 33 j | 34 | 32 | 1.2 | 0.06 | 1.06 |
P1 | 36 | 56 | 46 i | 48 | 44 | 1.56 | 0.09 | 1.09 |
P2 | 48 | 94 | 63 d | 68 | 57 | 1.96 | 0.19 | 1.19 |
P3 | 35 | 81 | 58 f | 63 | 53 | 2.31 | 0.19 | 1.19 |
P4 | 64 | 91 | 76 b | 79 | 74 | 1.42 | 0.07 | 1.07 |
P5 | 48 | 71 | 57 g | 58 | 57 | 1.48 | 0.02 | 1.02 |
P6 | 71 | 90 | 81 a | 80 | 83 | 1.27 | -0.04 | 0.96 |
P7 | 56 | 90 | 75 c | 76 | 74 | 1.61 | 0.03 | 1.03 |
P8 | 39 | 82 | 57 g | 64 | 51 | 2.1 | 0.25 | 1.25 |
P9 | 44 | 80 | 62 e | 58 | 66 | 1.82 | -0.12 | 0.88 |
P10 | 40 | 58 | 48 h | 48 | 47 | 1.45 | 0.02 | 1.02 |
表3 自然状态下植物24小时释放负离子浓度的分析(ion·cm-3)
Table 3 Analysis of negative air ions concentration generated by plants among 24 h in natural conditions (ion·cm-3)
Code | 24 h mini- mum | 24 h maxi- mum | 24 h mean | Daytime mean | Nighttime mean | Max/ Min | (Day mean-night mean)/ Night mean | Day mean/Night mean |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CK | 29 | 38 | 32 k | 34 | 31 | 1.31 | 0.10 | 1.1 |
P0 | 30 | 36 | 33 j | 34 | 32 | 1.2 | 0.06 | 1.06 |
P1 | 36 | 56 | 46 i | 48 | 44 | 1.56 | 0.09 | 1.09 |
P2 | 48 | 94 | 63 d | 68 | 57 | 1.96 | 0.19 | 1.19 |
P3 | 35 | 81 | 58 f | 63 | 53 | 2.31 | 0.19 | 1.19 |
P4 | 64 | 91 | 76 b | 79 | 74 | 1.42 | 0.07 | 1.07 |
P5 | 48 | 71 | 57 g | 58 | 57 | 1.48 | 0.02 | 1.02 |
P6 | 71 | 90 | 81 a | 80 | 83 | 1.27 | -0.04 | 0.96 |
P7 | 56 | 90 | 75 c | 76 | 74 | 1.61 | 0.03 | 1.03 |
P8 | 39 | 82 | 57 g | 64 | 51 | 2.1 | 0.25 | 1.25 |
P9 | 44 | 80 | 62 e | 58 | 66 | 1.82 | -0.12 | 0.88 |
P10 | 40 | 58 | 48 h | 48 | 47 | 1.45 | 0.02 | 1.02 |
Treatment | Factors | Average of negative air ions concentration (ion·cm-3) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A | B | C | P0 | P4 | P6 | P7 | ||
A1B1C1 | 8 | 0.5 | 5 | 36±3 a | 452644±21866 n | 91±6 a | 8605±983 f | |
A1B2C3 | 8 | 1.0 | 65 | 38±2 a | 471667±21881 n | 92±8 a | 9581±948 f | |
A1B3C4 | 8 | 1.5 | 90 | 39±2 a | 535311±25007 l | 94±5 a | 8559±874 f | |
A1B4C2 | 8 | 2.0 | 35 | 44±2 a | 494667±27146 m | 98±8 a | 8832±543 f | |
A2B1C4 | 10 | 0.5 | 90 | 39±2 a | 795822±53569 k | 95±9 a | 20200±1478 f | |
A2B2C2 | 10 | 1.0 | 35 | 38±2 a | 822267±54244 j | 88±8 a | 22473±1381 f | |
A2B3C1 | 10 | 1.5 | 5 | 37±3 a | 813022±50909 jk | 85±7 a | 23236±2467 f | |
A2B4C3 | 10 | 2.0 | 65 | 41±3 a | 872734±55664 i | 91±4 a | 21801±1643 f | |
A3B1C2 | 15 | 0.5 | 35 | 105±2 a | 1564444±119680 d | 226±20 a | 181311±20261 e | |
A3B2C4 | 15 | 1.0 | 90 | 107±2 a | 1628244±191548 c | 250±40 a | 218444±33270 c | |
A3B3C3 | 15 | 1.5 | 65 | 109±3 a | 1730800±195344 a | 233±16 a | 191867±32167 de | |
A3B4C1 | 15 | 2.0 | 5 | 107±2 a | 1670933±187634 b | 262±28 a | 208067±34590 cd | |
A4B1C3 | 20 | 0.5 | 65 | 130±2 a | 1186667±103135 f | 170±39 a | 301933±30237 b | |
A4B2C1 | 20 | 1.0 | 5 | 129±5 a | 1264000±117184 e | 179±18 a | 330356±30322 a | |
A4B3C2 | 20 | 1.5 | 35 | 134±3 a | 1136800±83461 g | 215±33 a | 322644±29865 ab | |
A4B4C4 | 20 | 2.0 | 90 | 140±4 a | 1038133±83109 h | 164±51 a | 318156±36925 ab |
表4 不同参数的脉冲电场刺激下植物释放负离子浓度的分析(平均值±标准差)
Table 4 Analysis of negative air ions concentration generated by plants upon different combinational parameters of pulsed electrical stimulation (means±SD)
Treatment | Factors | Average of negative air ions concentration (ion·cm-3) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
A | B | C | P0 | P4 | P6 | P7 | ||
A1B1C1 | 8 | 0.5 | 5 | 36±3 a | 452644±21866 n | 91±6 a | 8605±983 f | |
A1B2C3 | 8 | 1.0 | 65 | 38±2 a | 471667±21881 n | 92±8 a | 9581±948 f | |
A1B3C4 | 8 | 1.5 | 90 | 39±2 a | 535311±25007 l | 94±5 a | 8559±874 f | |
A1B4C2 | 8 | 2.0 | 35 | 44±2 a | 494667±27146 m | 98±8 a | 8832±543 f | |
A2B1C4 | 10 | 0.5 | 90 | 39±2 a | 795822±53569 k | 95±9 a | 20200±1478 f | |
A2B2C2 | 10 | 1.0 | 35 | 38±2 a | 822267±54244 j | 88±8 a | 22473±1381 f | |
A2B3C1 | 10 | 1.5 | 5 | 37±3 a | 813022±50909 jk | 85±7 a | 23236±2467 f | |
A2B4C3 | 10 | 2.0 | 65 | 41±3 a | 872734±55664 i | 91±4 a | 21801±1643 f | |
A3B1C2 | 15 | 0.5 | 35 | 105±2 a | 1564444±119680 d | 226±20 a | 181311±20261 e | |
A3B2C4 | 15 | 1.0 | 90 | 107±2 a | 1628244±191548 c | 250±40 a | 218444±33270 c | |
A3B3C3 | 15 | 1.5 | 65 | 109±3 a | 1730800±195344 a | 233±16 a | 191867±32167 de | |
A3B4C1 | 15 | 2.0 | 5 | 107±2 a | 1670933±187634 b | 262±28 a | 208067±34590 cd | |
A4B1C3 | 20 | 0.5 | 65 | 130±2 a | 1186667±103135 f | 170±39 a | 301933±30237 b | |
A4B2C1 | 20 | 1.0 | 5 | 129±5 a | 1264000±117184 e | 179±18 a | 330356±30322 a | |
A4B3C2 | 20 | 1.5 | 35 | 134±3 a | 1136800±83461 g | 215±33 a | 322644±29865 ab | |
A4B4C4 | 20 | 2.0 | 90 | 140±4 a | 1038133±83109 h | 164±51 a | 318156±36925 ab |
Treatment | Calathea insignis | Calathea zebrina | Hippeastrum rutilum | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Voltage (103 V) | NAIC (ion·cm-3) | Voltage (103 V) | NAIC (ion·cm-3) | Voltage (103 V) | NAIC (ion·cm-3) | |||
CK | 5.13±0.33 a | 1757467±218808 a | 5.50±0.14 a | 260±33 a | 4.32±0.11 a | 362000±35957 a | ||
A | 1.78±0.10 b | 2119±88 b | 1.44±0.26 b | 152±11 a | 0.91±0.06 b | 706±29 b | ||
B | 0.51±0.03 c | 89±6 b | 0.66±0.04 c | 85±6 a | 0.50±0.06 c | 77±5 b |
表5 植物体电压与释放负离子浓度的关系(平均值±标准差)
Table 5 Analysis between voltage of plants and negative air ions concentration (means±SD)
Treatment | Calathea insignis | Calathea zebrina | Hippeastrum rutilum | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Voltage (103 V) | NAIC (ion·cm-3) | Voltage (103 V) | NAIC (ion·cm-3) | Voltage (103 V) | NAIC (ion·cm-3) | |||
CK | 5.13±0.33 a | 1757467±218808 a | 5.50±0.14 a | 260±33 a | 4.32±0.11 a | 362000±35957 a | ||
A | 1.78±0.10 b | 2119±88 b | 1.44±0.26 b | 152±11 a | 0.91±0.06 b | 706±29 b | ||
B | 0.51±0.03 c | 89±6 b | 0.66±0.04 c | 85±6 a | 0.50±0.06 c | 77±5 b |
Light intensity (lx) | Negative air ions concentration (ion·cm-3) | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Soil | Calathea insignis | Calathea zebrina | Hippeastrum rutilum | ||||||||
CK | S | CK | S | CK | S | CK | S | ||||
0 | 35±2 c | 127±3 a | 53±2 e | 824400±88904 e | 76±2 e | 156±16 a | 66±2 e | 202067±24109 c | |||
500 | 36±2 c | 136±2 a | 69±3 d | 1726200±186594 d | 80±4 d | 275±28 a | 69±3 d | 298289±36482 b | |||
1500 | 37±3 bc | 138±2 a | 79±2 c | 1769911±191872 c | 83±3 c | 284±28 a | 77±2 c | 308156±36967 b | |||
3000 | 37±3 bc | 135±2 a | 81±3 c | 1831378±198645 b | 80±3 d | 297±30 a | 79±5 c | 328644±39232 a | |||
6000 | 43±2 a | 140±2 a | 90±3 b | 1813622±197187 b | 106±3 b | 296±30 a | 93±3 b | 328200±38992 a | |||
12000 | 39±3 b | 139±3 a | 138±4 a | 1895200±205601 a | 128±3 a | 310±31 a | 134±3 a | 308156±36967 b |
表6 脉冲电场作用对植物不同光照度下释放负离子浓度的分析(平均值±标准差)
Table 6 The negative air ion concentration of plants under pulsed electrical field stimulation in different light intensity (means± SD)
Light intensity (lx) | Negative air ions concentration (ion·cm-3) | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Soil | Calathea insignis | Calathea zebrina | Hippeastrum rutilum | ||||||||
CK | S | CK | S | CK | S | CK | S | ||||
0 | 35±2 c | 127±3 a | 53±2 e | 824400±88904 e | 76±2 e | 156±16 a | 66±2 e | 202067±24109 c | |||
500 | 36±2 c | 136±2 a | 69±3 d | 1726200±186594 d | 80±4 d | 275±28 a | 69±3 d | 298289±36482 b | |||
1500 | 37±3 bc | 138±2 a | 79±2 c | 1769911±191872 c | 83±3 c | 284±28 a | 77±2 c | 308156±36967 b | |||
3000 | 37±3 bc | 135±2 a | 81±3 c | 1831378±198645 b | 80±3 d | 297±30 a | 79±5 c | 328644±39232 a | |||
6000 | 43±2 a | 140±2 a | 90±3 b | 1813622±197187 b | 106±3 b | 296±30 a | 93±3 b | 328200±38992 a | |||
12000 | 39±3 b | 139±3 a | 138±4 a | 1895200±205601 a | 128±3 a | 310±31 a | 134±3 a | 308156±36967 b |
图3 最佳脉冲电场作用下3种植物叶表皮气孔形态特征的显微观察(40倍物镜下3种植物的气孔特征)(A), (B) 紫背竹芋在常态和施加脉冲电场刺激下的气孔特征; (C), (D) 绒叶肖竹芋在常态和施加脉冲电场刺激下的气孔特征; (E), (F) 朱顶红在常态和施加脉冲电场刺激下的气孔特征。Bars=50 μm
Figure 3 The stomatal shape feature of three plant species under the stimulation of high voltage pulsed electrical field with optimal combinational parameters (The shape feature of three plant species were observed under 40× objectives)(A), (B) The stomatal feature of Stromanthe sanguinea under normal and electrostimulation conditions, separately; (C), (D) The stomatal feature of Calathea zebrina under normal and electrostimulation conditions, separately; (E), (F) The stomatal feature of Hippeastrum rutilum under normal and electrostimulation conditions, separately. Bars=50 μm
Plants | Treat- ment | Length (μm) | Width (μm) | Length/ width | Perimeter | Area (μm2) | Stomatal density (·mm-2) | Negative air ions concentration (ion·cm-3) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
P4 | CK | 9.7±2.47 b | 1.58±0.49 b | 6.84±3.26 a | 21.2±4.92 b | 11.98±4.64 b | 250.88±31.25 a | 80±2 b |
S | 16.09±2.81a | 2.64±0.84 ab | 6.89±3.11 a | 35.19±5.52 a | 33.01±11.27 a | 223.16±45.6 b | 1740800±195562 a | |
P6 | CK | 12.79±2.96 b | 1.38±0.4 b | 9.93±3.42 a | 27.16±6 b | 14±5.47 b | 84.28±21.45 a | 83±3 a |
S | 19.87±2.84 a | 4.27±1 a | 4.94±1.49 b | 44.62±5.85 a | 66.77±18.54 a | 87.48±19.28 a | 284±29 a | |
P7 | CK | 28.07±4.77 b | 3.84±0.41 a | 7.38±1.43 ab | 60.52±9.58 b | 84.77±17.88 b | 51.14±4.66 a | 72±2 b |
S | 33.75±2.6 a | 3.45±0.78 a | 10.46±3.62 a | 71.43±5.56 a | 91.93±23.81 a | 54.22±4.06 a | 338156±36967 a |
表7 最佳参数脉冲电场刺激下植物气孔数量特征和释放负离子的浓度(平均值±标准差)
Table 7 The negative air ions concentration and stomata quantitative feature of plants under high voltage pulsed electrical field stimulation (means±SD)
Plants | Treat- ment | Length (μm) | Width (μm) | Length/ width | Perimeter | Area (μm2) | Stomatal density (·mm-2) | Negative air ions concentration (ion·cm-3) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
P4 | CK | 9.7±2.47 b | 1.58±0.49 b | 6.84±3.26 a | 21.2±4.92 b | 11.98±4.64 b | 250.88±31.25 a | 80±2 b |
S | 16.09±2.81a | 2.64±0.84 ab | 6.89±3.11 a | 35.19±5.52 a | 33.01±11.27 a | 223.16±45.6 b | 1740800±195562 a | |
P6 | CK | 12.79±2.96 b | 1.38±0.4 b | 9.93±3.42 a | 27.16±6 b | 14±5.47 b | 84.28±21.45 a | 83±3 a |
S | 19.87±2.84 a | 4.27±1 a | 4.94±1.49 b | 44.62±5.85 a | 66.77±18.54 a | 87.48±19.28 a | 284±29 a | |
P7 | CK | 28.07±4.77 b | 3.84±0.41 a | 7.38±1.43 ab | 60.52±9.58 b | 84.77±17.88 b | 51.14±4.66 a | 72±2 b |
S | 33.75±2.6 a | 3.45±0.78 a | 10.46±3.62 a | 71.43±5.56 a | 91.93±23.81 a | 54.22±4.06 a | 338156±36967 a |
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