3种仙人掌科植物负离子释放量与释放通道的相关性研究

张万超　郑俊鸣　丁旭玲　彭东辉　吴仁烨　邓传远　郑金贵

摘 要 在室内密闭玻璃箱内测定了3种仙人掌科（Cactaceae）植物，即银冠（Cotyledon orbiculata var. oblonga）、玉翁（Mammillaria hahniana）和金晃（Notocactus leninghausii），在高压脉冲电刺激下不同剪刺阶段负离子释放浓度、刺数量和气孔数量特征，光镜观察了不同剪刺阶段气孔的形态特征，探讨了高压脉冲电场刺激下仙人掌科植物负离子释放量与释放通道的相关性。结果表明：在高压脉冲电刺激下，银冠负离子浓度随气孔长度的增大而升高（p<0.01），玉翁负离子浓度随其刺数量的减少而降低（p<0.01），随气孔长度的增大而升高（p<0.01），金晃负离子浓度随其刺数量的减少而降低（p<0.01），随气孔宽长比的增大而升高（p<0.01）。从结果推断，在高压脉冲电刺激下，仙人掌科植物释放负离子的过程受其生理活动的影响；仙人掌科植物的刺尖和气孔都是其释放空气负离子的通道，当植物生理活动强度大到改变了其气孔数量特征参数时，气孔就可能成为主要的释放通道。

关键词 高压脉冲电刺激；仙人掌科植物；刺数量；气孔；负离子

中图分类号 S326 文献标识码 A

Abstract The negative air ions released by Cotyledon orbiculata var. oblonga， Mammillaria hahniana and Notocactus leninghausii， the number of spine and the quantitative characteristics of stomata were determined by removing spines stepwisely upon pulsed electric field stimulation in the fabricated organic glass enclosure， the morphological characteristics of stomata was also observed with light microscope， then the correlation between the negative air ions released by 3 species cactaceae and the releasing passage upon the high voltage pulsed electrical field stimulation was studied. The results showed that the NAI density released by C. orbiculata var. oblonga would increase with the increase of stomata length（p<0.01）， the NAI density released by M. hahniana would decrease with the decrease of the number of spines（p<0.01）and increase with the increase of stomata length（p<0.01）， the NAI density released by N. leninghausii would decrease with the decrease of the number of spines（p<0.01）and increase with the increase of the ratio of width to length of stomata（p<0.01）. To conclude， the process of releasing NAI was associated with the physical activity of Cactaceae upon pulsed electricfield stimulation； The spines and pores were both the passage affecting the release of NAI released by Cactaceae. When the physical activity intensity was high enough to change the stomata quantitative feature of Cactaceae， the pores may become the major release channel.

Key words Pulsed electricfield stimulation； Cactaceae； The number of spines； Stomata； Negative air ion

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.07.010

空气负离子（negative air ion，NAI）是自由电子与空气中的O2或H2O等大分子结合形成的负氧离子[1]，根据研究，空气负离子不仅能结合空气中的可吸入颗粒物等净化空气，还具有杀菌的作用，更重要的是环境中适宜浓度的负氧离子有保健作用[2-7]，所以空气负氧离子一度被称为“空气维生素”，而且长期被作为城市绿地空气质量的重要指标之一[2，8-12]。目前自然界空气负离子的一个重要来源是森林，森林植物众多，植物生理活动如光合作用等可以通过叶片释放出负离子[13]，而空气质量较为恶劣且人活动时间较长的室内环境目前应用较多的是利用物理原理制成的负氧离子发生器，但其可能会产生臭氧等对人体有害的副产物，所以研究在室内既能产生负氧离子又具有观赏价值的植物源负离子发生器就显得十分必要，目前已有植物源负离子发生器的发明专利[14]，关于植物源负离子发生器的基础研究主要集中在常态下高效释放负离子植物的筛选，研究结果表明，植物在自然状态下释放负离子的能力有限，其引起的生态效应也极为有限[15-20]。自俄罗斯学者Tikhonov等[2，21]首次发现高压脉冲电刺激下植物能高效释放负离子后，国内外研究者的类似研究进一步表明许多植物在高压脉冲电刺激下释放负离子具有明显的倍增效应[17，21-23]。

仙人掌科植物具有一定的观赏价值，其防辐射能力强常被作为室内观赏植物。仙人掌科植物刺尖多，剪刺处理对常态下仙人掌科植物释放负离子的影响已有研究[18]，这些研究表明刺尖可能是仙人掌科植物释放负离子的一类重要通道。电刺激下仙人掌科植物能高效释放负离子[19]，有研究结果表明，高压脉冲电场刺激下植物释放负离子源自植物生理过程的变化而不是物理过程的变化[2]，且与气孔的关系密切[18]，叶片的尖端放电在叶片周围大气中产生低温等离子体，其中的高能电子和大气中以及叶片气孔蒸腾中发出的O2和H2O分子碰撞产生NAI。因此，气孔可能也是植物释放负离子的通道之一。本文通过在高压脉冲电刺激下观测不同剪刺阶段3种仙人掌科植物释放负离子浓度与其对应阶段的刺数量和气孔结构数量特征的关系，为仙人掌科植物在高压脉冲电刺激下释放负离子的途径提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验时间、地点及材料 选取仙人掌科植物中的银冠（Cotyledon orbiculata var. oblonga）、玉翁（Mammillaria hahniana）、金晃（Notocactus leninghausii）作为试验材料。材料均选自福州市台江区花卉市场，由于植物在高压脉冲电刺激下释放负离子能力不仅与植物种类有关系，还与植物的年龄、生长状况、形态等密切相关[2-3]，所以试验材料选择生长状况、年龄、形态等一致且无病虫害的植物。

由于光照、风、空气湿度等都会影响植物负离子的释放[24]，所以试验在2015年3月选择环境稳定的室内环境密闭玻璃箱内进行[19]。室内环境为：平均温度（20±3）℃，空气相对湿度（75±10）%，光照强度（18±3）μmol/（m2·s）。

1.1.2 主要仪器 试验中高压脉电冲刺激仪选用福建农林大学海峡两岸农业技术合作中心与福建农林大学机电学院联合研制的新一代高压脉冲电刺激仪（电压8 kV，脉冲频率1 Hz，脉冲宽度50 ms），负离子测量仪为KEC-990型大气离子测量仪，其量程为（100～1999×104）ion/cm3，所选室内环境能满足其正常工作环境要求。通过数据线可以将负离子测量仪与电脑连接实时读取数据。观测经过高压脉冲电刺激后的仙人掌科植物气孔特征时，使用Nikon Eclipse80i型光学显微镜拍照。显微镜与电脑连接通过软件NIS-Elements直接读取图片并测量气孔数量特征。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验共3种植物，每种（变种）植物按照本文1.1.1的要求选择45株盆栽植株，每5株为1个试验组，每种（变种）植物共9个试验组，按不同剪刺要求处理后分别放入5个0.8 m×0.8 m×0.8 m的密闭玻璃箱内，并在高压脉冲电刺激下进行释放负离子浓度的测定，测定后的试验组植物立即按要求进行组织块切割固定，再进行气孔形态和数量特征的观测。

剪刺处理时，每种（变种）植物设9个剪刺梯度（表2～4）。试验前统计每种植物1株的所有刺和小窠数量，求每个小窠的刺数量均值，在剪刺过程中，每株植物小窠总数除以8，所得数值即为剪刺处理相邻梯度间的小窠数量差值，由于每株植物的小窠数量和小窠中刺数量足够大，所以由小窠数量计算的每阶段刺数量是合理可行的，剪刺时从所测仙人掌科植物的一测从上向下剪，直到剪完所测阶段的所有刺。

为了避免室内环境中微弱的空气流动等对试验结果的干扰，试验将待测仙人掌科植物放置在0.8 m×0.8 m×0.8 m的密闭玻璃箱内，负离子测定仪和高压脉冲电刺激仪放置在玻璃箱外进行高压脉冲电刺激和负离子的测定[19]。刺激时，通过连接线与高压脉冲电刺激仪相连的探针均离植物根系相同距离，玻璃箱一侧留有104 mm长的正方形小口，只让数据线出入，最后用透明胶带或玻璃胶封住玻璃箱四周使其成为密闭空间。

试验设置的每一剪刺阶段数据读取时间为40 min，每1 s读取一个数据，共读取2 400个数据，取其平均值作为每株植物的释放负离子浓度，每个阶段试验组5株植物的负离子浓度均值作为每一种植物该剪刺阶段的负离子浓度。

观测仙人掌科植物气孔时，用手术刀切取高压脉冲电场刺激下负离子测定完毕的每株仙人掌科植物带表皮绿色组织2块，大小为8 mm2左右，立即放入FAA固定液中固定24 h以上。参考谷丽佳等[25]的方法撕取表皮制成临时装片观察拍照。在测定仙人掌科植物不同剪刺阶段的气孔数量特征时，6个数量特征中，气孔长度、气孔宽度、气孔面积、气孔周长测定200个左右的数值取其平均值，气孔宽长比按对应的长度和宽度进行计算后再求200个左右数值的均值，气孔密度取50个视野取其平均值。

1.2.2 统计分析 通过SPSS分析软件对仙人掌科植物每个剪刺阶段的负离子浓度与其对应的刺数量、气孔数量特征进行逐步回归分析，并对其不同剪刺阶段的负离子浓度和气孔数量特征分别进行LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 高压脉冲电刺激下3种仙人掌科植物不同剪刺阶段气孔形态的显微观察

不同剪刺阶段高压脉冲电刺激下，银冠茎表皮显微观察显示每一阶段电刺激下其气孔大部分是张开的（图1-A～F），放大倍数为400倍时，光学显微镜可以清楚地观察到凸透镜型或椭圆形的气孔（图1-B、D、F）。不同剪刺阶段高压脉冲电刺激下，玉翁和金晃茎表皮显微观察结果显示每一阶段电刺激下玉翁和金晃部分气孔是关闭的（图1-G～J、M～N），部分气孔则张开（图1-K～L、O）。当放大倍数为400倍时，光学显微镜可观察到关闭的气孔成具浓重阴影的缝隙状，而张开的气孔呈比银冠更小的凸透镜型。对3种仙人掌科植物间气孔数量特征均值的多重比较表明，6个气孔数量特征中仅气孔周长银冠与金晃间差异不显著（p>0.05），详见表1。

2.2 高压脉冲电刺激下银冠负离子释放量与其释放通道的相关性

2.2.1 高压脉冲电刺激下银冠负离子释放量、刺的数量和气孔特征的关系 不同剪刺阶段高压脉冲电刺激下，银冠负离子释放浓度、刺数量和6个气孔数量特征的均值见表2，由表2可知，银冠在高压脉冲电刺激下，不同剪刺阶段负离子浓度均值不同，且根据不同剪刺阶段负离子浓度的多重比较可知36对比较中除了剪刺阶段的6对差异不显著（p>0.05）外其余阶段负离子浓度均差异显著（表2），并且每一阶段银冠负离子浓度均值总体上会随着刺数量的减少而变小，其中负离子浓度均值最大值在剪刺第1阶段，均值为166.06×105 ion/cm3，负离子浓度均值最小值出现在第8阶段，其均值为0.53×105 ion/cm3。根据对高压脉冲电刺激下银冠气孔6个数量特征9个阶段间的多重比较结果可知，每一个气孔数量特征均存在变化不显著的阶段对（p>0.05），其中36对银冠气孔密度阶段中有10对差异不显著。

以银冠各阶段空气负离子浓度为因变量，刺数量和气孔数量特征为自变量进行逐步回归分析，结果显示，银冠的不同剪刺阶段空气负离子浓度与其刺数量和气孔数量特征的回归方程为：Y=36.545X1-338.024（其中X1为气孔长度，R2=0.705，P=0.005<0.01），即银冠在高压脉冲电刺激下负离子浓度随气孔长度的增大而升高达到极显著水平。

2.2.2 高压脉冲电刺激下玉翁负离子释放量、刺的数量和气孔特征的关系 不同剪刺阶段高压脉冲电刺激下，玉翁负离子释放浓度、刺数量和6个气孔数量特征的均值见表3，从表3可以看出，玉翁在高压脉冲电刺激下，不同剪刺阶段负离子释放浓度均值不同，其中根据不同剪刺阶段负离子浓度的多重比较可知，仅3对剪刺阶段间玉翁释放负离子浓度差异不显著（p>0.05），且负离子浓度均值最大值出现在剪刺的第1阶段为104.15×105 ion/cm3，最小值为0.63×105 ion/cm3，出现在完全去刺阶段。气孔各数量特征均值在不同剪刺阶段的多重比较结果可以看出，均存在差异不显著的阶段对，其中玉翁气孔密度各阶段的多重比较中，有10对气孔密度阶段差异不显著（p>0.05），详见表3。

通过对玉翁不同剪刺阶段空气负离子浓度、刺数量和气孔数量特征进行逐步回归分析，结果表明：玉翁的不同剪刺阶段空气负离子浓度与其刺数量和气孔数量特征的回归方程为：Y=0.005X1+6.111X2-117.539（其中X1为刺数量，X2为气孔长度，R2=0.853，P=0.003<0.01）。即玉翁在高压脉冲电刺激下负离子浓度随其刺数量的减少而降低，随气孔长度的增大而升高达到极显著水平。

2.2.3 高压脉冲电刺激下金晃负离子释放量、刺的数量和气孔特征的关系 不同剪刺阶段高压脉冲电刺激下，金晃负离子释放浓度、刺数量和6个气孔数量特征的均值见表4，从表4可知，金晃在高压脉冲电刺激下，不同剪刺阶段负离子释放浓度不同，且通过不同剪刺阶段金晃负离子释放浓度间的多重比较可知仅2对剪刺阶段间负离子浓度差异不显著（p>0.05），其中负离子浓度均值最大值出现在剪刺的第1阶段为22.73×105 ion/cm3，最小值为1.07×105 ion/cm3，出现在完全去刺阶段。气孔各数量特征均值在不同剪刺阶段的多重比较结果可以看出，金晃气孔各数量特征在不同剪刺阶段间均存在差异不显著的阶段对，其中金晃气孔密度各阶段的多重比较中，有11对气孔密度阶段间差异不显著（p>0.05），详见表4。

通过对金晃不同剪刺阶段电刺激下空气负离子浓度、刺数量和气孔数量特征进行逐步回归分析，结果表明：金晃在电刺激下不同剪刺阶段空气负离子浓度与其刺数量和气孔数量特征的回归方程为：Y=0.006X1+85.143X2-17.702（其中X1为刺数量，X2为宽长比，R2=0.871，P=0.002<0.01）。即金晃在高压脉冲电刺激下负离子浓度随其刺数量的减少而降低，随气孔宽长比的增大而升高达到极显著水平。

3 讨论与结论

3.1 高压脉冲电场刺激下，植物高效释放负离子与植物生理过程相关

植物具有产生负离子，向空气释放出负离子的能力，但常态下单株植物释放负离子的能力很弱，引起的生态效应极为有限[15-20]。俄罗斯学者Tikhonov等[2]、杨运经[21]首次发现高压脉冲电刺激下植物能高效释放负离子后，国内外研究者的类似研究进一步表明许多植物在高压脉冲电刺激下释放负离子具明显的倍增效应[17，21-23]。关于这一过程的机理研究[2]提出的假说认为，植物释放负离子的能力主要取决于其生理过程而不是其物理形态，本研究倾向于支持这一假说。研究植物为CAM植物，CAM植物白天气孔是关闭的，而本研究试验时间为白天，在高压脉冲电场刺激下，无论哪个剪刺阶段，银冠大部分气孔是张开的，而玉翁和金晃部分气孔也是张开的，气孔数量特征也表明各种植物在剪刺各个阶段，气孔张开程度大部分有差异（表2），统计分析表明，不同剪刺阶段，高压脉冲电场刺激下，3种植物负离子释放量与气孔数量特征呈线性相关达显著水平。气孔是植物蒸腾作用水分进出的通道，也是植物光合作用产生氧气和吸入CO2的通道，气孔张开和闭合程度与植物的生理活动密切相关，推测可能是高压脉冲电场刺激对植物生理活动有较大的影响。关于脉冲电刺激对植物生长的影响[26-28]和细胞生理的影响[29-34]已经有不少研究。本研究气孔的张开表明植物生理活动受到影响，而负离子浓度与气孔数量特征具有相关性进一步表明负离子释放可能取决于植物生理活动的变动，但高压脉冲电场刺激下，3种植物负离子释放浓度与具体的气孔数量特征的显著相关性并不一致（银冠和玉翁负离子释放浓度与气孔长度显著相关，而金晃与气孔宽长比显著相关），因此，负离子释放与具体哪项植物生理活动（如光合作用或呼吸作用，亦或光合作用及呼吸作用的某个具体阶段），亦或植物生理活动的综合影响还需进一步研究，综合负离子释放浓度、气孔数量特征和具体植物生理活动参数进一步研究可能能揭示高压脉冲电场刺激下，植物高效释放负离子的生物学机理。

3.2 高压脉冲电场刺激下，植物高效释放负离子与释放通道的相关性

植物代谢活动产生的电子和离子可能在环境电场的作用下，通过叶片的气孔蒸腾发射出来，或者由于电荷在叶片上的集聚分布，通过尖端放电，产生负离子，因此，叶尖和气孔是植物产生负离子向空气释放的通道[18，35]。仙人掌科植物叶特化为刺尖，是一类刺尖丰富的植物，常态下，金琥（Echinocactus grusonii）、银手指（Mammillaria gracilis var. fragilis）和艳珠球（Mammillaria spinosissima‘Pico）等仙人掌科植物随着刺数量的减少，负离子产生浓度逐渐降低，负离子释放量与刺有显著相关性[18]。这些研究初步证明了常态下刺尖可能承担负离子释放的主要通道，而气孔可能不是负离子释放的主要通道。本研究中，玉翁和金晃在高压脉冲电刺激下负离子浓度随其刺数量的减少而降低，进一步表明仙人掌科植物的刺尖具有负离子释放通道的功能，同时，玉翁在高压脉冲电刺激下负离子浓度随气孔长度的增大而升高达到极显著水平，金晃在高压脉冲电刺激下负离子浓度随气孔宽长比的增大而升高达到极显著水平，本研究这些结果表明，与常态下植物负离子产生的释放通道主要为刺尖，气孔不是主要通道（CAM植物白天气孔关闭）相比，高压脉冲电场刺激下，植物的生理过程不仅会产生改变（如玉翁和金晃部分气孔展开），相应地，气孔成为负离子释放的主要通道（如玉翁和金晃负离子释放浓度与气孔数量特征具显著相关性）。本文中的另一种研究植物银冠在高压脉冲电场刺激下，负离子释放浓度仅与气孔长度具有显著相关性，而与刺数量的相关性没有达到显著水平表明，高压脉冲电场刺激植物，可能使植物生理活动足够剧烈（与玉翁和金晃相比，银冠气孔大部分张开，且银冠部分气孔数量特征如气孔宽度和宽长比等明显更大），气孔显著张开，成为主要的负离子释放通道，而不是刺尖。俄罗斯学者Tikhonov等[2]的试验表明，高压脉冲刺激下，刺不丰富的植物如芦荟比刺丰富的仙人掌科植物释放负离子浓度高，因此，他们认为几何参数可能不是电刺激下决定植物释放负离子能力的主要因素。综合本试验结果，我们认为，刺和气孔都为植物释放负离子的通道，但究竟哪一类通道起主要作用取决于植物的生理活动强度，当植物生理活动强度改变了气孔数量特征参数达到足够大时，气孔可能是负离子的主要释放通道。

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