陳崇新 陳芃 孫宇哲 王鵬 孫堃琦

摘 要：已有研究證明活立木的樹干與其周圍的土壤之間存在持續(xù)的電勢差和電流，這種電勢差和電流可用于森林供電的無線傳感器網絡，具有廣闊的應用前景。但生物電的作用機制一直存在爭議。為了進一步研究提供更全面的數據，并分析在樹干與其周圍的環(huán)境參數的生物電之間的關系，我們進行了實驗并已經取得進展。我們的實驗通過測量選定的活立木木質部的pH值，以及對環(huán)境的參數的輸出功率進行測定，例如空氣溫度、空氣的相對濕度、土壤溫度、土壤濕度和土壤pH值。我們得出的結果支持了木質部相對與土壤pH值有明顯的生物電的假設。此外，我們發(fā)現空氣的相對濕度，土壤溫度和電極材料都對活立木的生物電有影響。

關鍵詞：生物電 活立木 無線傳感器網絡 木質部 土壤pH值

中圖分類號：O613.72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（c）-0009-03

近幾年研究顯示，一棵樹與它周圍土壤之間有持續(xù)的電勢差和電流，但其生物電的作用機制一直存在爭議[1]?；盍⒛旧镫妱菽艿膽?，對于在森林中向低功率器件供電[2]，尤其是在解決無線傳感器網絡中的無法為其提供持續(xù)電源方面具有很大的潛力。因此，我們有很大必要探索活立木生物電勢能的特點及其產生機制。目前，科學家們已經提出了許多假設和實驗方案[3-5]，因為生物電已在樹上的不同部分被檢測到[6]。

活立木生物電勢能的輸出功率大小可由一些顯著的物理參數來反映，例如電壓和電流。為了找到在樹木與其周圍的環(huán)境參數的生物電的更全面的關系，實驗在不同的區(qū)域和在自然環(huán)境中進行。在實驗中，將會對所選擇的樹木木質部的pH值，以及對環(huán)境的參數的輸出功率進行測定，包含環(huán)境參數空氣溫度，空氣相對濕度，土壤溫度，土壤濕度和土壤pH值。

1 研究方法

1.1 實驗地區(qū)和樹種

我們選擇了四個城市的四個實驗區(qū)，其中銀川、大興安嶺、柳州和北京具有不同種類的土壤和氣候。實驗被分成兩個子實驗，分別命名為E1和E2。E1是在夏季的銀川，大興安嶺和柳州，歷時10d。銀川市是中國西部，有堿性土壤和氣候干燥的夏季。杭州位于中國的東部，夏季是中性土壤濕潤氣候。柳州是中國的南部，有酸性土壤，夏天有非常潮濕的氣候。子實驗在設在上述三個區(qū)域是為了獲得在不同的生長條件下進行研究的全面數據。E2是在北京的夏天，歷時20d。北京是中國的東北部，有弱堿性的土壤和高溫多雨的夏天。在每個實驗區(qū)，我們隨機選擇了幾棵健康的樹木作為代表。

1.2 電源

在每個選定的樹的不同高度（50cm，100cm，130cm）的木質部插入三鐵電極（直徑5mm），另一個電極植入相鄰的土壤（15cm的地底下），用固定長度的電線連接到電極。一個負載電阻連接成樹中的電極，并通過導線連接接地電極形成電路。負載電阻的電壓和電流同時通過同一萬用表（福祿克17B，福祿克，美國）進行測定。電源是每次測量后計算出來的。

在E1中，在土壤中用電極來代替萬用表的接地端，其直接連接到土壤中的相應深度的負端子，該終端是銅做的。在E2中，使用相同的鐵電極。其目的是為了觀察電極材料與試驗的影響。

1.3 木質部的pH

木質部樣品從每個選擇的樹收集并儲存在塑料袋中數天。木質部測定pH根據標準GB/T6043-1999。

2 結果與分析

2.1 電源分布

在E1得到35組數據，并在E2得到1026組數據。

圖1顯示的是在E1和E2中得到的功率值的分布。X軸是緊密間隔的功率范圍。Y軸是功率在每個范圍中的頻率。在圖A中，銀川、杭州、柳州，獲得夏季35組數據。在圖B中，測定初冬北京1026組數據，在高峰期從0nW到200nW范圍下跌。

很明顯，在E1的功率值均高于E2，這表明活立木生物電的大小可能受電極所在土壤條件的變化影響較大。為了排除季節(jié)性影響的可能性，在E2中做了排除實驗。得出的結果是季節(jié)變化可能是另一個影響因素，但在我們的實驗中沒有顯著的體現。

2.2 不同的高度

根據文獻，我們了解到木質部和土壤之間生物電壓差不會改變[3]。然而，在我們的實驗中功率受電極高度的影響較大，但暫時沒有發(fā)現它們之間確切的關系。

在我們的實驗中每棵樹選定三種高度（50cm，100cm，和130cm），相同的電極分別插入不同高度的木質部。三個功率值是在不同的高度得到。通過滾差比對數據，最終得出的結論是在大多數情況下，在130cm的高度處的電勢差較大。

2.3 環(huán)境參數

我們發(fā)現，木質部的pH值幾乎不會變化，而那些土壤pH值的變化與實驗區(qū)電勢差的變化相對應。雖然木質部pH值在各實驗區(qū)有波動，平均值均約為6（圖2）。土壤pH值曲線（菱形）表明，銀川、杭州、柳州測量土壤樣品分別為堿性，近似中性和酸性。但木質部pH值的平均值曲線（正方形）在所有的實驗區(qū)均約為6。相同的值已經在克里斯托弗的盆栽垂葉榕樹的木質部實驗中獲得過[1]。生物電強度與木質部和土壤之間的pH差值之間的確切關系已被觀察到。在我們的實驗中，假設木質部pH值的是一致的，類似的假說是：生物電強度和土壤pH值之間具有顯著關系。

通過觀察發(fā)現，木質部測得的功率和周圍的土壤（表1）的pH值之間有相關性。此外，空氣的相對濕度和土壤溫度對功率具有顯著影響，不過相關系數均較小。符號**表示相關性在0.01的顯著水平（2尾）。符號*表示相關性在0.05顯著水平（2尾）。

表2顯示出了功率基于土壤pH，土壤溫度和空氣相對濕度的結果的回歸分析。因變量是動力，自變量是土壤pH值，土壤溫度和空氣相對濕度。線性回歸的方程為：

P是功率，Sp是土壤pH值，St是土壤溫度，Arh是空氣相對濕度，R2為0.861

3 結語

國內外的科學家們早已開始對活立木與土壤之間的電勢差進行測定，并用來分析樹木的生物電機理。在我們的實驗中，我們對每棵活立木在負載電阻上的電壓和電路中的電流同時進行測量。在相關的生物電所有分析中使用功率參數，但是功率的測量需要一個閉路，這就產生了功耗。為了減少在電線上的損耗以便測出更加精確的電流，我們選用12kΩ負載電阻。

我們已經明確的發(fā)現，木質部和土壤之間的電壓會隨pH差值而改變，緊隨Nernst方程[1]之間的明確關系。在我們的實驗中我們發(fā)現了木質部pH值的一致值。因此，在我們的分析中木質部和土壤的pH值差異近似的被土壤pH值所取代。結果表明，木質部測得的功率值與土壤pH值之間的關系與Christopher J. Love、張曙光和Andreas Mershin[1]的假說具有顯著相關性。此外，在我們的實驗中可以看出土壤溫度和空氣相對濕度也與功率大小有關系。功率和土壤溫度之間的正相關表明土壤溫度上升會導致功率增加。適宜的溫度可以促進土壤和土壤中的電極之間的電荷交換。功率和空氣的相對濕度之間的負相關，可能是由于空氣中的水分會抑制電荷的輸送。在我們的實驗中同樣發(fā)現電源和電極高度之間沒有明顯的相關性。但在高度130cm處顯示出更大的穩(wěn)定性。在這一點上我們還需做更詳細的實驗才能找到能獲得更多電能的最佳位置。

參考文獻

[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.