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Relationship Between Negative Air Ion Generation by Plants and Stomatal Characteristics Under Stimulation of Pulsed Electrical Field
Wu Renye, Sun Yuanfen, Zheng Jingui, Deng Chuanyuan, Ye Dapeng, Wang Qingshui
Chinese Bulletin of Botany    2017, 52 (6): 744-755.   DOI: 10.11983/CBB16242
Abstract   (1295 HTML17 PDF(pc) (641KB)(1140)  

Under normal conditions, the capacity of plants to generate negative air ions (NAIs) is very weak. However, stimulation of a pulsed electrical field can result in substantial improvement of the ability for NAI generation. We examined NAI generation in Stromanthe sanguinea, Calathea zebrina, and Hippeastrum rutilum in glass chambers under the natural state and under pulsed electrical field and light stimulation and analyzed the shape of stomata. We found variation in NAI generation by plants due to the different combined parameters of the pulsed electrical field. Each plant has its own optimal pulsed electrical field with a combination of parameters for efficient NAI generation: S. sanguinea with A3B3C3 (A3, U=1.5×104 V; B3, T=1.5 s; C3, τ =65 ms), C. zebrina with A3B4C1 (A3, U=1.5×104 V; B4, T=2.0 s; C1,τ =5 ms) and H. rutilum with A4B4C1 (A4, U=2.0×104 V; B4, T=2.0 s; C1, τ=5 ms). With the application of a pulsed electrical field to plants, the higher the voltage, the greater the capacity for NAI generation. With enhanced light intensity, the ability to generate NAI significantly increased with application of a pulsed electrical field. Without the pulsed electrical field, despite the slightly increased NAI concentration with increasing light intensity, NAI concentration did not differ (P>0.05). Finally, NAI generation was closely related to the characteristics of leaf stomata. Furthermore, a greater degree of stomatal opening and stomatal density was associated with stronger capacity to generate NAI.


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
Table 3 Analysis of negative air ions concentration generated by plants among 24 h in natural conditions (ion·cm-3)
Extracts from the Article
由图2可知, 自然状态下10种植物在全天各时段释放负离子浓度的均值都很低。空白对照(CK)和盆土(P0)的负离子浓度在全天各时段的变化较为平稳。其中,空白对照全天的负离子浓度最小值为29 ion·cm-3, 最大值为38 ion·cm-3。从全天释放负离子浓度的最大值来看, 百合在14:00释放的负离子浓度值最大, 为94 ion·cm-3, 是空白对照负离子浓度最大值的2.5倍; 剑麻在23:00释放能力最小, 为35 ion·cm-3。以全天释放负离子浓度的均值分析, 绒叶肖竹芋释放负离子的浓度均值最大, 为81 ion·cm-3; 紫背竹芋位居第2, 数值为76 ion·cm-3; 朱顶红为75 ion·cm-3, 位列第3; 合果芋最小, 为46 ion·cm-3。尽管10种植物释放负离子浓度的均值间存在显著差异(P<0.5), 但各植物释放负离子浓度值的绝对差异非常小。从白天均值和夜间均值的分析结果可以看出, 除绒叶肖竹芋和虎耳草外, 其余植物释放负离子的浓度均值白天时段(7:00AM- 7:00PM)均高于夜间时段(7:00PM-7:00AM)(表3), 其中以大鳞巢蕨最为明显, 相对增幅为25%。
表3
不同强度的脉冲电场对盆土释放负离子的作用很小(36-140 ion·cm-3), 处理间均无显著差异(表4)。紫背竹芋在不同强度脉冲电场作用下, 释放负离子的能力存在差异, 浓度均值为452 644-1 730 800 ion·cm-3 (表4)。A3B3C3处理下的负离子浓度均值最高, 是常态下释放能力(未刺激)的22 773.7倍。负离子浓度最低的处理为A1B1C1, 浓度均值为452 644 ion·cm-3, 是其常态下释放能力的5 955.8倍。方差分析表明, 紫背竹芋高效释放负离子的最优处理为A3B3C3。在该强度脉冲电场作用下, 其释放负离子能力的倍增效应最为显著。
绒叶肖竹芋释放负离子的浓度均值为85-262 ion·cm-3 (表4), 以A3B4C1处理下负离子的释放能力最强, 是其常态下释放能力的3.2倍。而以A2B3C1作用下的释放能力最弱, 仅为85 ion·cm-3, 与自然状态下的释放能力(81 ion·cm-3)相近。尽管各处理绒叶肖竹芋释放负离子的能力不同, 但各处理间均无显著差异。方差分析表明, 仅脉冲电压对其释放负离子的能力存在显著影响(P<0.05)。验证性实验表明, A3B4C1为绒叶肖竹芋高效释放负离子最佳脉冲电场的组合参数。
与脉冲电场作用对植物释放负离子的影响相似, 光照在一定程度上也可提高植物释放负离子的能力, 光照度是影响植物群落释放负离子能力的主要因素之一(刘新等, 2011)。Wang和Li (2009)对芦荟等植物进行光照刺激, 发现芦荟对光照的响应最敏感, 随着光照度的增加, 其释放负离子的浓度均值显著升高。本研究中的3种植物在不施加脉冲电场刺激时对光照响应不太敏感, 随着光照度的增强其释放负离子的浓度均值均呈上升趋势, 但绝对增幅很小, 原因在于不同植物在自然状态下释放负离子的浓度存在差异, 且对光照的反应也不同。当施加最佳脉冲电场时, 3种植物在不同光照度下释放负离子的能力均出现激增效应, 原因可能是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而产生负离子。另外, 本研究还发现, 3种植物在最佳脉冲电场作用下, 光照度为3 000和6 000 lx时释放的负离子浓度无 显著差异(P>0.05); 而当光照度小于3 000 lx或大于 6 000 lx时, 释放的负离子浓度均值均差异显著(P< 0.05)。我们认为这两个强度的光照所提供给植物体的“能量”可能位于同一级别, 与3 000 lx的光照度相比, 6 000 lx的光照度还未能激活植物体更高一阶的负离子释放能力。
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