关于土壤pH值对活立木电势能影响的研究

陈崇新 陈芃 孙宇哲 王鹏 孙堃琦

摘 要：已有研究证明活立木的树干与其周围的土壤之间存在持续的电势差和电流，这种电势差和电流可用于森林供电的无线传感器网络，具有广阔的应用前景。但生物电的作用机制一直存在争议。为了进一步研究提供更全面的数据，并分析在树干与其周围的环境参数的生物电之间的关系，我们进行了实验并已经取得进展。我们的实验通过测量选定的活立木木质部的pH值，以及对环境的参数的输出功率进行测定，例如空气温度、空气的相对湿度、土壤温度、土壤湿度和土壤pH值。我们得出的结果支持了木质部相对与土壤pH值有明显的生物电的假设。此外，我们发现空气的相对湿度，土壤温度和电极材料都对活立木的生物电有影响。

关键词：生物电 活立木 无线传感器网络 木质部 土壤pH值

中图分类号：O613.72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（c）-0009-03

近几年研究显示，一棵树与它周围土壤之间有持续的电势差和电流，但其生物电的作用机制一直存在争议[1]。活立木生物电势能的应用，对于在森林中向低功率器件供电[2]，尤其是在解决无线传感器网络中的无法为其提供持续电源方面具有很大的潜力。因此，我们有很大必要探索活立木生物电势能的特点及其产生机制。目前，科学家们已经提出了许多假设和实验方案[3-5]，因为生物电已在树上的不同部分被检测到[6]。

活立木生物电势能的输出功率大小可由一些显著的物理参数来反映，例如电压和电流。为了找到在树木与其周围的环境参数的生物电的更全面的关系，实验在不同的区域和在自然环境中进行。在实验中，将会对所选择的树木木质部的pH值，以及对环境的参数的输出功率进行测定，包含环境参数空气温度，空气相对湿度，土壤温度，土壤湿度和土壤pH值。

1 研究方法

1.1 实验地区和树种

我们选择了四个城市的四个实验区，其中银川、大兴安岭、柳州和北京具有不同种类的土壤和气候。实验被分成两个子实验，分别命名为E1和E2。E1是在夏季的银川，大兴安岭和柳州，历时10d。银川市是中国西部，有碱性土壤和气候干燥的夏季。杭州位于中国的东部，夏季是中性土壤湿润气候。柳州是中国的南部，有酸性土壤，夏天有非常潮湿的气候。子实验在设在上述三个区域是为了获得在不同的生长条件下进行研究的全面数据。E2是在北京的夏天，历时20d。北京是中国的东北部，有弱碱性的土壤和高温多雨的夏天。在每个实验区，我们随机选择了几棵健康的树木作为代表。

1.2 电源

在每个选定的树的不同高度（50cm，100cm，130cm）的木质部插入三铁电极（直径5mm），另一个电极植入相邻的土壤（15cm的地底下），用固定长度的电线连接到电极。一个负载电阻连接成树中的电极，并通过导线连接接地电极形成电路。负载电阻的电压和电流同时通过同一万用表（福禄克17B，福禄克，美国）进行测定。电源是每次测量后计算出来的。

在E1中，在土壤中用电极来代替万用表的接地端，其直接连接到土壤中的相应深度的负端子，该终端是铜做的。在E2中，使用相同的铁电极。其目的是为了观察电极材料与试验的影响。

1.3 木质部的pH

木质部样品从每个选择的树收集并储存在塑料袋中数天。木质部测定pH根据标准GB/T6043-1999。

2 结果与分析

2.1 电源分布

在E1得到35组数据，并在E2得到1026组数据。

图1显示的是在E1和E2中得到的功率值的分布。X轴是紧密间隔的功率范围。Y轴是功率在每个范围中的频率。在图A中，银川、杭州、柳州，获得夏季35组数据。在图B中，测定初冬北京1026组数据，在高峰期从0nW到200nW范围下跌。

很明显，在E1的功率值均高于E2，这表明活立木生物电的大小可能受电极所在土壤条件的变化影响较大。为了排除季节性影响的可能性，在E2中做了排除实验。得出的结果是季节变化可能是另一个影响因素，但在我们的实验中没有显著的体现。

2.2 不同的高度

根據文献，我们了解到木质部和土壤之间生物电压差不会改变[3]。然而，在我们的实验中功率受电极高度的影响较大，但暂时没有发现它们之间确切的关系。

在我们的实验中每棵树选定三种高度（50cm，100cm，和130cm），相同的电极分别插入不同高度的木质部。三个功率值是在不同的高度得到。通过滚差比对数据，最终得出的结论是在大多数情况下，在130cm的高度处的电势差较大。

2.3 环境参数

我们发现，木质部的pH值几乎不会变化，而那些土壤pH值的变化与实验区电势差的变化相对应。虽然木质部pH值在各实验区有波动，平均值均约为6（图2）。土壤pH值曲线（菱形）表明，银川、杭州、柳州测量土壤样品分别为碱性，近似中性和酸性。但木质部pH值的平均值曲线（正方形）在所有的实验区均约为6。相同的值已经在克里斯托弗的盆栽垂叶榕树的木质部实验中获得过[1]。生物电强度与木质部和土壤之间的pH差值之间的确切关系已被观察到。在我们的实验中，假设木质部pH值的是一致的，类似的假说是：生物电强度和土壤pH值之间具有显著关系。

通过观察发现，木质部测得的功率和周围的土壤（表1）的pH值之间有相关性。此外，空气的相对湿度和土壤温度对功率具有显著影响，不过相关系数均较小。符号**表示相关性在0.01的显著水平（2尾）。符号*表示相关性在0.05显著水平（2尾）。

表2显示出了功率基于土壤pH，土壤温度和空气相对湿度的结果的回归分析。因变量是动力，自变量是土壤pH值，土壤温度和空气相对湿度。线性回归的方程为：

P是功率，Sp是土壤pH值，St是土壤温度，Arh是空气相对湿度，R2为0.861

3 結语

国内外的科学家们早已开始对活立木与土壤之间的电势差进行测定，并用来分析树木的生物电机理。在我们的实验中，我们对每棵活立木在负载电阻上的电压和电路中的电流同时进行测量。在相关的生物电所有分析中使用功率参数，但是功率的测量需要一个闭路，这就产生了功耗。为了减少在电线上的损耗以便测出更加精确的电流，我们选用12kΩ负载电阻。

我们已经明确的发现，木质部和土壤之间的电压会随pH差值而改变，紧随Nernst方程[1]之间的明确关系。在我们的实验中我们发现了木质部pH值的一致值。因此，在我们的分析中木质部和土壤的pH值差异近似的被土壤pH值所取代。结果表明，木质部测得的功率值与土壤pH值之间的关系与Christopher J. Love、张曙光和Andreas Mershin[1]的假说具有显著相关性。此外，在我们的实验中可以看出土壤温度和空气相对湿度也与功率大小有关系。功率和土壤温度之间的正相关表明土壤温度上升会导致功率增加。适宜的温度可以促进土壤和土壤中的电极之间的电荷交换。功率和空气的相对湿度之间的负相关，可能是由于空气中的水分会抑制电荷的输送。在我们的实验中同样发现电源和电极高度之间没有明显的相关性。但在高度130cm处显示出更大的稳定性。在这一点上我们还需做更详细的实验才能找到能获得更多电能的最佳位置。

参考文献

[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.