張萬超, 鄭金貴, 黃龍飛, 時順鋒, 吳仁燁, 鄧傳遠

(1.福建農林大學園林學院；2.福建農林大學農產品品質研究所，福州 350002)

?

常態(tài)下仙人掌科植物負離子釋放量的比較及其與刺數(shù)量的關系

張萬超1, 鄭金貴2, 黃龍飛1, 時順鋒1, 吳仁燁2, 鄧傳遠1

(1.福建農林大學園林學院；2.福建農林大學農產品品質研究所，福州 350002)

在常態(tài)下的密閉玻璃箱(800 mm×800 mm×800 mm)內測定和比較了32種(含種下分類單位及品種)仙人掌科植物產生的負離子濃度，并通過去刺試驗研究了2種仙人掌科植物刺的數(shù)量與負離子產生濃度的關系.結果表明：大部分植物在自然狀態(tài)下能產生負離子，產生負離子濃度低，且不同種類產生負離子濃度有差異.研究植物負離子產生濃度受空氣中負離子濃度值影響，且金琥(Echinocactusgrusonii)和銀手指(Mammillariagracilisvar.fragilis)負離子產生濃度與刺的數(shù)量呈顯著正相關.

負離子; 仙人掌科植物; 常態(tài)

空氣負離子(negative air ion，簡稱NAI )被譽為“空氣維生素”，對人體一些疾病有輔助治療作用，還能降塵殺菌、清除有害氣體[1-3].由于植物具有向大氣釋放負離子的能力[4,5]，因此，關于植物源負離子的研究不斷開展，特別是近年來室內污染加劇，治理室內空氣污染，解決“病態(tài)建筑物綜合癥”，已成為社會發(fā)展迫切需要解決的問題，有鑒于此，作為室內美化和裝飾用的盆栽植物負離子釋放能力及生態(tài)效益研究受到重視.研究表明，單株盆栽植物負離子產生濃度不高，生態(tài)效益有限，且不同種類(品種)釋放負離子能力差異大[6,7]；自然狀態(tài)下植物釋放負離子與植物的形態(tài)特征(如葉片的尖端放電)有關[8]，也與植物的生理活動(如光合作用等)有關[6,8]，且受多種環(huán)境因子的影響[9-12].

仙人掌科(Cactaceae)植物種質資源豐富，由于抗輻射能力較強廣泛用作室內裝飾，同時其營養(yǎng)器官變態(tài)為刺，是尖端豐富的植物[13].關于仙人掌科不同種或品種在自然狀態(tài)下產生負離子濃度的能力已有報道[8]，但這些報道僅局限于初步的測量，外界環(huán)境因子對實驗結果的影響考慮不足，涉及到仙人掌科植物形態(tài)豐富的刺是否有利于尖端放電提高負離子產生濃度的研究很少，僅艷珠球(Mammillariaspinosissima‘Pico’)有報道[14]，已有研究也常把仙人掌科植物與其他不同科植物產生負離子濃度的差異進行比較[8]，對親緣關系近的同科屬仙人掌類植物的比較研究較少，本研究以仙人掌科32種(含種下分類單位及品種)植物為研究對象，檢測在自然狀態(tài)下產生負離子的差異，并對2種仙人掌科植物刺數(shù)量與負離子釋放量的關系進行研究，以期為具生態(tài)效應的室內美化植物的選擇提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 仙人掌科植物負離子釋放能力研究試材 仙人掌科32種(含種下分類單位及品種)植物(表1)購于福建漳州花農苗圃.研究表明，植物負離子釋放量與植株形態(tài)、年齡和生理狀態(tài)有關[4,5].因此，試驗材料選自試驗人員指導花農控制水肥及農藥噴施培育的3年生植物，盡量消除同種株間的形態(tài)和生理差異.

表1 32種仙人掌科植物自然狀態(tài)下密閉空間中產生負離子濃度及顯著性檢驗

1)相對提高指試驗組濃度均值相對于空白對照濃度均值提高的百分比.均值一列數(shù)據(jù)中小寫字母不相同表示多重比較結果差異顯著(P<0.05)，大寫字母不相同的表示多重比較結果差異極顯著(P<0.01).

1.1.2 仙人掌科植物小窠和刺數(shù)量與負離子釋放量關系研究試材 仙人掌科植物常具棱、角、瘤突，小窠(areoles)螺旋狀散生，或沿棱、角或瘤突著生，且常有腋芽或短枝變態(tài)形成的刺從小窠發(fā)出，因此具有較好的曲率半徑，具尖端放電效應，可能是負離子來源之一[15,16].選擇同科具有硬刺的金琥(Echinocactusgrusonii)和具有軟刺的銀手指(Mammillariagracilisvar.fragilis)進行去刺處理，用于研究仙人掌科植物小窠和刺數(shù)量與負離子釋放量的關系.

1.2 試驗時間、地點及環(huán)境條件

研究表明，植物負離子釋放量與光照等外界氣候因子有關[4,5].鑒于此，試驗選擇2011年9月中旬至2011年10月底的晴朗、干爽、無風的天氣在室內環(huán)境中進行.室內平均溫度24±3 ℃，相對濕度75±10%，光照強度1500±200 lx.

由于植物負離子釋放隨著光照強度的不同而波動[5]，因此，每種植物負離子的測定和除刺處理植物負離子的測定統(tǒng)一在每天的7:30到18:30完成，以此段時間的平均值作為不同種植物負離子的釋放量.

1.3 方法

1.3.1 主要儀器與試驗裝置設計 試驗選擇DLY-4G-232型大氣離子測量儀，其測量范圍為1-1.999×109ion·cm-3,通過數(shù)據(jù)線可連接計算機讀取數(shù)據(jù).為了排除外界環(huán)境對負離子測定的影響(風及其引起濕度、溫度的變化)，本試驗中植物負離子釋放濃度的測定是在由厚度4 mm的有機玻璃制成800 mm×800 mm×800 mm規(guī)格、具較好保溫、保濕性能，無可覺察的空氣流動的玻璃箱內進行的.在箱體一個側面截取104 mm×104 mm的正方形小口，使該方形小口與空氣離子測量儀的測量進風口大小相吻合，未測量時用玻璃擋板封閉窗口.

1.3.2 仙人掌科植物的負離子釋放 由于盆栽植物和土壤都具有釋放負離子的能力[4]，因此實驗設置3個重復，共3株，以放置玻璃室且拔除植物的盆土為對照，于室內同一環(huán)境條件下，同時測量每種植物實驗組和對照組的釋放負離子濃度.

選擇儀器讀數(shù)的時間為45 min，每30 s讀取一個數(shù)據(jù)；結束后重新調零，并把玻璃箱內植物原位置旋轉90°，繼續(xù)測量45 min，每株植物的每個側面重復測3次，以減少誤差，共讀取1080個有效數(shù)據(jù).取平均值作為該株植物釋放的負離子濃度，取3株植物的負離子數(shù)據(jù)的平均值作為該種植物釋放的負離子濃度.

1.3.3 仙人掌科植物小窠和刺數(shù)量與負離子釋放量的關系 統(tǒng)計小窠數(shù)，將總小窠數(shù)除以7，得到的整數(shù)即每次約剪去刺的小窠數(shù)(共去刺7次)；用剪刀從頂端向下一圈一圈剪去小窠中的刺，統(tǒng)計每次剪去的刺數(shù).因此，每個研究對象共有8個處理，即不做剪除處理具完整刺的金琥和銀手指，分6次依次剪去金琥、銀手指1/7小窠中刺的處理，及剪光刺的金琥、銀手指.

每種植物每種處理3個重復，于3個玻璃室中放置于室內同一環(huán)境條件下測定.

1.4 統(tǒng)計分析

應用SPSS統(tǒng)計分析軟件對負離子濃度進行方差分析、LSD多重比較、線性回歸分析等統(tǒng)計分析.

2 結果與分析

2.1 仙人掌科植物負離子含量分析

測定的32種仙人掌科植物中有26種實驗組負離子濃度均值大于對照組(表1).其中負離子濃度均值最高的黃金鈕為324 ion·cm-3，較對照組提高了106.37%，其次為金琥，其負離子濃度均值為242 ion·cm-3，較對照組提高了114.16%.

6種研究植物負離子濃度均值低于空白對照組.其中，星星丸均值為30 ion·cm-3，較對照組下降了53.81%，下降的幅度最大，其次是大將軍，下降了19.27%.

對實驗組與對照組負離子濃度進行配對t檢驗，分析兩者間的差異，結果表明，實驗組與對照組負離子濃度均值相關系數(shù)為0.867，t值為4.482，相對應的顯著性P值為0，相伴概率P值為0，兩者P值均小于極顯著水平.由此可見實驗組負離子濃度極顯著大于空白對照組負離子濃度，且植物在自然狀態(tài)下釋放負離子濃度與空氣中本身的負離子濃度之間有極顯著的相關性.

由不同植物與重復試驗的雙因素方差分析可知常態(tài)下植物種類對仙人掌科植物產生負離子濃度存在極顯著影響(P<0.01)，重復試驗處理對研究植物產生負離子濃度影響不顯著(P>0.05)，但常態(tài)下不同植物和重復試驗兩因素對植物產生負離子存在極顯著交互影響(P<0.01)，也可能是由于影響研究植物產生負離子的因素中植物種類起主導作用.LSD多重比較分析表明，496對不同植物組合常態(tài)下負離子產生濃度差異性比較中，有13對組合無顯著差異(P>0.05)，即13對植物組合常態(tài)下密閉玻璃箱內產生負離子濃度沒有顯著性差異(P>0.05)，分別是大將軍與黃菠蘿 (P>0.05)、大將軍與黃毛掌(P>0.05)、黃菠蘿與黃毛掌(P>0.05)、黃菠蘿與天賜玉 (P>0.05)、黃毛掌與天賜玉(P>0.05)、天賜玉與金錢豹(P>0.05)、幸福柱與五刺玉錦 (P>0.05)、幸福柱與紅山吹(P>0.05)、五刺玉錦與紅山吹(P>0.05)、白球與金冠(P>0.05)、天王錦與蟹爪蘭(P>0.05)、英丸與英冠玉錦(P>0.05)、英冠玉錦與金手指 (P>0.05)；有3對組合具顯著差異(0.01

2.2 小窠和刺數(shù)量與負離子釋放量的關系

選擇常態(tài)下密閉玻璃箱內負離子產生濃度較高的2種植物為試驗材料，即金琥和銀手指，通過去葉刺處理(詳見1.4.2)研究刺叢、葉尖數(shù)量與負離子產生濃度的關系(表2、表3).

表2 金琥、銀手指逐步去刺處理各階段刺和小窠數(shù)量1)

1)表格中小窠數(shù)量和刺數(shù)量的均值和標準差是根據(jù)試驗中3個重復處理的3株植物統(tǒng)計而來.

表3 除刺各階段金琥、銀手指的負離子濃度

對金琥和銀手指分別進行雙因素方差分析，以探究剪刺處理和重復試驗對研究植物釋放負離子的影響.結果表明：常態(tài)下重復處理對金琥產生負離子不存在顯著影響(P>0.05)，但剪刺處理對金琥產生負離子存在極顯著影響(P<0.01)，重復和剪刺處理對金琥產生負離子有極顯著交互影響(P<0.01)，這可能是由于剪刺處理的影響起主導作用的結果.基于雙因素方差分析的結果，對金琥的各剪刺處理進行LSD多重比較分析，結果表明，28對剪刺處理組合具極顯著性差異(P<0.01).銀手指的雙因素方差分析表明，常態(tài)下重復處理對銀手指產生負離子不存在顯著影響(P>0.05)，但剪刺處理對銀手指產生負離子存在極顯著影響(P<0.01)，重復和剪刺處理對銀手指產生負離子有極顯著交互影響(P<0.01)，這也可能是剪刺處理對銀手指釋放負離子的影響起主導作用.根據(jù)雙因素方差分析的結果，對銀手指的各剪刺處理進行LSD多重比較分析.結果表明，28對剪刺處理組合中僅第2次與第3次處理差異不顯著(P>0.05)，第7次與第8次剪刺處理差異不顯著(P>0.05)，其余各對處理均具極顯著性差異(P<0.01).對金琥和銀手指分別進行多元回歸分析.結果表明：隨著小窠和刺數(shù)量的減少，常態(tài)下密閉玻璃箱內2種植物負離子產生濃度逐漸降低，金琥負離子產生濃度與小窠和刺數(shù)量建立的全回歸方程模型為：Y=51.687+0.291X1+0.034X2(其中，Y為負離子濃度，X1為小窠數(shù)量，X2為刺數(shù)量，R=0.879，P<0.01)，銀手指負離子產生濃度與小窠和刺數(shù)量建立的全回歸方程模型為：Y=31.492+0.020X1+0.009X2(其中，Y為負離子濃度，X1為小窠數(shù)量，X2為刺數(shù)量，R=0.943，P<0.01).

3 討論與結論

測定的32種仙人掌科植物中，實驗組負離子濃度極顯著大于空白對照組負離子濃度，說明仙人掌科植物具有向空氣中釋放負離子的能力，這與前人的研究結果較為一致.根據(jù)相關研究可知，空氣中負離子大于1000 ion·cm-3時才具有保健功能[17]，研究植物產生負離子濃度最高的黃金鈕僅為324 ion·cm-3，相對于人體健康水平的最佳值，此值嚴重偏低.因此，在正常情況下，單株植物釋放負離子的能力很弱，其引起的生態(tài)效應極為有限.

對實驗組與對照組負離子濃度進行配對t檢驗，相關系數(shù)為0.867，相伴概率P值為0.000，小于極顯著水平.說明仙人掌科植物釋放負離子的能力與空氣中負離子含量的背景值有關，可能是由于在自然條件下，空氣負離子的成分也是植物所處環(huán)境微氣候的重要組成，植物能吸收空氣負離子促使植物光習性變化，進而引起光合作用等生理活動發(fā)生變化[18].同時，自然條件下，植物也能產生負離子[4,5]，這種交互影響可能是仙人掌科6種植物實驗組負離子濃度相對提高百分比為負值的原因之一.

測定的32種植物中，通過方差分析可知常態(tài)下不同研究植物產生負離子濃度存在極顯著差異(P<0.01)，且基于雙因素方差分析的結果，植物種類對研究植物產生負離子起主導作用，LSD多重比較分析表明：496對不同植物組合常態(tài)下負離子產生濃度差異性比較中，僅11對植物組合常態(tài)下密閉玻璃箱內產生負離子濃度差異不顯著(P>0.05)，其余485對植物組合常態(tài)下密閉玻璃箱內產生負離子濃度具顯著差異(P<0.05)或極顯著差異(P<0.01).統(tǒng)計分析結果傾向支持研究的仙人掌科植物在自然狀態(tài)下釋放負離子的能力存在差異，但由于空氣中負離子含量背景值的交互影響，消除空氣中負離子含量的背景值進行測定可能更能說明問題.

通過逐步去刺處理實驗，本研究表明隨著小窠和刺數(shù)量的減少，常態(tài)下密閉玻璃箱內金琥和銀手指負離子產生濃度逐漸降低，負離子釋放量與刺呈顯著正相關.有鑒于此，本研究認為，仙人掌科等具刺的植物常態(tài)下釋放負離子可能的主要機理是：刺的尖端放電在葉片周圍大氣中產生低溫等離子體，其中的高能電子和大氣中以及葉片氣孔蒸騰中發(fā)出的O2和H2O分子碰撞產生NAI.雖然許多研究結果表明葉形態(tài)結構的幾何參數(shù)可能不是決定植物釋放負離子能力的主要因素[4,5,15,16].但由本研究結果可知，不同仙人掌科植物釋放負離子的能力不僅與植物光合作用、呼吸作用和蒸騰作用等有關系，刺作為尖端放電產生低溫等離子體的部位和等離子體的釋放通道，也與負離子的產生有較大關系.

本研究通過測定仙人掌科植物在常態(tài)下密閉環(huán)境中釋放負離子的濃度，篩選出高效釋放負離子仙人掌科植物，為今后進一步發(fā)掘室內植物釋放負離子的潛力研究奠定基礎.但綜合最新進展，仙人掌科植物釋放負離子的研究可以從以下方面進一步展開：(1)本研究應用的部分試驗植物其常態(tài)下負離子釋放量已有報道，與前人的研究比較，負離子產生濃度的數(shù)值有一定的差異，同種(或同品種)植物負離子產生濃度的差異，可能是不同實驗條件下(如測定時間或外界氣候因子不同)進行測定造成的，即受外界環(huán)境因素影響，仙人掌科植物負離子產生受外界因素影響，也受內因影響(種類不同等)，還受刺的數(shù)量多少制約，因此，仙人掌科植物負離子產生機制值得進一步研究.(2)有研究表明植物釋放負離子與是植物光合作用的光反應階段有關，但光照強度與植物釋放負離子的關系有待進一步研究.(3)植物釋放負離子的研究是為了更好地創(chuàng)造良好的室內環(huán)境，已有研究表明，高壓脈沖電場能高效促進仙人掌科植物釋放負離子，且常態(tài)下產生負離子濃度高的植物高壓脈沖電場刺激負離子濃度的倍增效應更大，但是室內植物釋放負離子的最佳生態(tài)效應研究以及植物源負離子發(fā)生器在室內的應用研究有待挖掘.

[1] KRUEGER A P, REED E J. Biological impact of small air ions[J]. Science, 1976,193(4259):1209-1213.

[2] KRUEGER A P. The biological effects of air ions[J]. International Journal of Biometeorology, 1985,29(3):205-206.

[3] NOYCE J O, HUGHES J F. Bactericidal effects of negative and positive ions generated in nitrogen on starved Pseudomonas veronii.JournalofElectrostatics, 2003,57(1):49-58.

[4]TIKHONOVVP,TSVETKOVVD,LITVINOVAEG,etal.Generationofnegativeairionsbyplantsuponpulsedelectricalstimulationappliedtosoil[J].RussianJournalofPlantPhysiology, 2004,51(3):414-419.

[5]WANGJ,LISH.Changesinnegativeairionsconcentrationunderdifferentlightintensitiesanddevelopmentofamodeltorelatelightintensitytodirectionalchange[J].JournalofEnvironmentalManagement, 2009,90(8):2746-2754.

[6] 鄧傳遠.常態(tài)下仙人掌科植物釋放負離子的研究[C]//孟兆禎,陳曉麗.中國風景園林學會2013年論文集(下冊),北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013:909-911.

[7] 吳仁燁,鄭金貴,程祖鋅,等.水稻植株釋放負離子研究[J].福建農林大學學報:自然科學版,2014,43(5):512-517.

[8] 吳仁燁,鄧傳遠,楊志堅,等.脈沖電場作用對植物釋放負離子的影響[J].應用生態(tài)學報,2015,26(2):419-424.

[9] 辛桂亮,孟偉,夏青,等.影響沿階草釋放負離子的3種因素分析[J].黑龍江八一農墾大學學報,2014,26(2):1-7.

[10] 李繼育,蘇印泉,李印穎,等.高壓刺激對幾種盆栽植物產生空氣負離子的影響[J].西北林學院學報,2008,23(4):38-41.

[11] 吳仁燁,鄧傳遠,王彬,等.具備釋放負離子功能室內植物的種質資源研究[J].中國農學通報,2011,27(8):91-97.

[12] 吳仁燁,黃德冰,郭梨錦,等.具備釋放負離子功能室內植物的種質資源研究Ⅱ.常態(tài)下室內植物負離子的釋放[J].亞熱帶農業(yè)研究,2011,7(1):1-6.

[13] 田國行,趙天榜.仙人掌科植物資源與利用[M].北京:科學出版社,2011.

[14] 丁旭玲,張萬超,黃龍飛,等.常態(tài)下仙人掌科植物負離子釋放量與其刺尖數(shù)量的相關性研究[J].安徽農業(yè)大學學報,2015,42(2):263-267.

[15] 楊運經,習崗,張社奇.脈沖電場介導的植物空氣負離子發(fā)射的倍增效應及其意義[J].大學物理,2009,28(12):39-42.

[16] 楊運經,習崗,劉鍇,等.應用負高壓脈沖技術提高植物空氣凈化能力的探討[J].高電壓技術,2011,37(1):190-196.

[17] 邵海榮,賀慶棠.森林與空氣負離子[J].世界林業(yè)研究,2000,13(5):19-23.

[18]JOVANICBR,JOVANICSB.Theeffectofhighconcentrationofnegativeionsintheaironthechlorophyllcontentinplantleaves[J].WaterAirandSoilPollution, 2001,129(1):259-265.

(責任編輯:吳顯達)

Comparison of negetive air ions levels produced by Cactaceous in natural state and quantitative relations between NAI and thorns

ZHANG Wan-chao1, ZHENG Jin-gui2, HUANG Long-fei1, SHI Shun-feng1, WU Ren-ye2, DENG Chuan-yuan1

(1.College of Landscape Architecture, Fujian Agriculture and Forestry University; 2.Agricultural Product Quality Institute, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

NAI levels produced by 32 Cactaceous species (including the taxa below species level and cultivated varieties) in the fabricated organic glass enclosure (800 mm×800 mm×800 mm) under normal state were determined and compared, and the relationship between the NAI levels produced byEchinocactusgrusoniiandMammillariagracilisvar.fragilisand the number of thorns was investigated by removing the thorns stepwisely. In this work most of the plant species examined were able to generate NAI and NAI levels produced by those species were low and varied considerably among species. The NAI levels produced by the tested species were correlated with NAI levels of background in the air. There was significant positive correlation between the NAI levels produced byEchinocactusgrusoniiandMammillariagracilisvar.fragilisand the number of thorns.

negative air ions; cactaceous plants; normal state

2014-07-26

2014-12-29

國家科技支撐計劃資助項目(2013BAD01B05);福建省自然科學基金資助項目(2012J05045).

張萬超(1989-),男,碩士研究生.研究方向：園林植物應用與園林生態(tài).Email:898088654@qq.com.通訊作者鄧傳遠(1971-),男,碩士生導師,副教授.研究方向：園林植物功能與應用.Email:417570601@qq.com.

S 326

A

1671-5470(2015)04-0402-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2015.04.012