全 文 ：第 20卷第 2期
2009年 6 月
中 国 计 量 学 院 学 报
Journal of China Univer sity o f Metro lo gy
Vol.20 No.2
Jun.2009
　　【文章编号】　1004-1540(2009)02-0139-05
【收稿日期】　2009-02-17
【作者简介】　方利民(1983 ),男 ,浙江建德人 ,硕士研究生.主要研究方向为信号处理新方法等.
受污染金光菊的植物电信号研究
方利民 ,林　敏 ,柴金朝
(中国计量学院 计量测试工程学院 ,浙江 杭州 310018)
【摘　要】　选取敏感植物金光菊(R udbeck ia hirta L.)作为研究对象 , 首先采集其在正常生长情况下和二氧
化硫污染情况下的电波信号;然后运用时域 、频域等方法对电波信号进行分析 , 比较正常和受污染植物的电位
信号.通过分析植物在受污染条件下电信号的特征电位 ,确定污染及不同污染程度与其特征电位的关系 ,为植
物监测环境奠定了一定的理论基础.结果表明 , 利用植物电波信号监测环境以及根据反馈的信息来改善环境
和植物生长状况是可行的.
【关键词】　植物电波信号;特征电位;金光菊;环境污染;植物监测
【中图分类号】　TB99　　　　　【文献标识码】　A
Research on electrical signals in contaminated Rudbeckia hirta L.
FANG Li-min , LIN Min , CAI Jin-chao
(C ol lege of M et rology and Measurem ent Engineering , Chin a Jiliang University , Hangzhou 310018 , C hina)
Abstract:The relationship be tw een the elect rical signals in plants and the stimulations o f the environment has
been found by many botanists in their resea rche s on the plant phy sio lo gical signal since the existence o f
e lectrical signals in the plant has been pro ved.The plant of Rudbeckia hirta L.was cho sen as the research
object in our wo rk.Firstly , the w eak electric signals o f the plant in the na tur al state and those polluted by SO 2
were bo th de te rmined.Then the signals w ere analyzed in time domain and fr equency domain to do the
compa risons of electric signals in the normal plants and signals in the plants contaminated.Finally , the
char acte ristic potential o f the plants contamina ted we re analyzed to determine the effect of the po llution in
diffe rent deg rees on it , w hich laid a theo retical foundation fo r monito ring the environment w ith plants.The
results show the feasibility of monito ring the environment with plant electric signals and using the feedback
informa tion to improve the environment and the gr ow th sta te o f plants.
Key words:plant elect rical signal;characteristic po tential;Rudbeckia hirta L.;environment pollution;
monito ring sy stem
　　随着人类活动对全球环境的影响 ,植物和人
类的生存受到严重破坏 ,许多植物对环境 ,尤其是
对大气 、水体和土壤环境的变化非常敏感 ,如何利
用植物自身这一优点对环境变化进行监测成为日
前研究的热点和前沿之一[ 1 , 2] .
植物电波信号是植物信号系统中较为重要的
一种物理信号[ 3] ,它在外界刺激———细胞偶联中
起到重要的作用[ 4] ,与多种生理活动和外界环境
因子密切相关[ 5] ,反映植物所处环境的变化[ 6-8] .
自发现植物电波信号以来 ,许多科学研究者对植
物电波信号进行了大量的研究[ 9-18] ,但在植物电
波信号与外界环境之间联系的研究尚处于探索阶
段.本研究选取金光菊为材料 ,用接触式测量法采
集污染前后的植物电波信号 ,并进行分析 ,以探索
植物电波信号与外界环境污染的关系.
1　材料和方法
1.1　测试仪器及材料
所用仪器为成都泰盟科技有限公司设计制造
的生物机能实验系统(BL -420E +型)[ 10] ;铜网
屏蔽箱(60 cm×60 cm ×60 cm)、屏蔽室(170 cm
×150 cm×180 cm);铂金属电极(出于极化电位
和噪声等因素考虑 ,电极尖端直径控制在 0.1 ～
0.2 mm ,长度为 15 mm);计算机.
选取一种长势良好的盆栽草本菊科植物金光
菊 ,原产北美 ,耐寒性强 ,又耐干旱 ,属多年生宿根
草本花卉;选取的金光菊平均株高约为 20 cm .用
于制造人工污染的硫磺若干.
1.2　实验与信号采集
先取正常生长的金光菊和生物机能实验系统
实验箱一同放入屏蔽箱 ,把盆栽金光菊置于实验
箱上方 ,中间用厚纸板隔开.确保生物机能实验
箱 、计算机 、屏蔽室 、屏蔽箱均接地良好.
采集时 ,正负电极相距 1 cm 插入叶片(靠近叶
柄部位),负电极靠近叶尖 ,深度约为 2 mm ,参考电
极接地 ,各个铂电极通过引导电极接入生物机能实
验箱 ,如图1.然后打开生物机能试验系统的软件 ,设
置相关参数 ,实时记录植物内的电波信号.为消除电
极刺入植物的影响 ,需等待约一小时后 ,使之趋于稳
定后再开始采集并记录电波信号(或在分析处理信
号过程中舍去前 1 h的数据).另设置一通道引导的
电极悬空作为噪声测试通道以便确定植物电信号.
以 24 h为一个周期采集植物的电波信号.为
探索植物受污染物刺激后的反应 ,进行人工污染
的实验.使植物处于含有二氧化硫的空气中 2 ～
10 min不等(一般地时间的长短决定受污染程度
的大小).经污染植物依然放入屏蔽箱内进行污染
后的植物电信号的采集.
图 1　植物信号采集硬件系统示意图
Figure 1　Diag ram of hardwa re system fo r plant signal
acquisition
2　结果与分析
选取 2株金光菊样品在相同条件下培养 1周
后进行实验 ,将其分为两组:对其中一组(组 1)进
行人工污染 3 min(属轻度污染),另一组(组 2)污
染 8 min(属重度污染),分别采集各自的正常条
件和受污染条件下的电波信号 ,进行多次实验以
得到可靠结果.污染程度轻重的比较主要看污染
1 d后植株的状况 ,组 1 基本和正常无异 ,而组 2
叶片有变黄甚至有些叶片发生枯萎现象.
2.1　污染对比分析
测试时间为 2008年 8月 15日 20时到 8月
16日 20时间 ,其间室温在 31 ～ 35 ℃间波动 ,相
对湿度在 60%～ 80%之间.经多次试验后 ,生物
机能实验系统增益设置为 200 倍 ,时间常数为
5 s ,滤波设置为 30 Hz ,连续测试 24 h.图 2为悬
空电极所测得的噪声波形.可见 ,经生物机能实验
系统和屏蔽处理后 ,外界噪声变化较小.
图 2　噪声波形
Figure 2　The w avefo rm of noise
组 2植物样品的信号波形如图 3 、4(截取时
间 60 s).图 3为晚上时间段内(无光照条件 ,环境
影响小)测得的正常(B)和受污染(A)植株电信
号.图 4为白天(有光照条件)测得的正常(B)和
受污染(A)植株电信号.在污染前期(图 3),受污
染植株反映较为强烈 ,电信号波动剧烈.而对于正
常植株 ,其波形较为平坦 ,其中也夹杂着小幅度的
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波动 ,这些类似动作电波的小幅波动可认为是植
物体正常生理反映.在污染后期(图 4),受污染植
株的信号波形趋于平坦 ,正常植株的电波信号反
而开始较大幅度的波动(图 4B).对比信号的幅值
大小 ,受污染植株的电信号达 400 μV 以上的变
化量 ,而正常植株的电信号幅值基本保持不变.
正常植物受环境影响较大 ,在有光照条件下显
得非常活跃 ,这一生理现象在其电信号中得到充分
反映.在植物受到的污染较为严重时 ,环境的变化
已不再是影响其电信号的主要因素 ,其生理机能受
到严重的破坏 ,电信号呈现出很强的无规则性和幅
值的跳变.等到污染后期 ,由于严重受创 ,其对环境
变化已无力做出反应 ,电信号呈现出平稳性.
2.2　受污染植物的特征电位
目前公认的植物电信号特征电位有四种类
型[ 9] :动作电波 ,由非伤害性刺激使之产生“针峰
突起”状的电波;变异电波 ,由伤害性刺激产生的
“崎岖高原”状的电波;复合电波 ,由动作电波和变
异电波结合而成;震荡电波 ,类似于正弦波.植株在
受污染情况下 ,其电信号中会出现各式不同的特征
电位 ,根据其波形特征可对具体电位加以识别 ,
图5为受污染时植物电信号中出现的特征电位.
可见 ,在受污染条件下 ,植物电信号会呈现出
一系列不同的特征电位 ,包括动作电位(图 5A),持
续的电波振荡(图5B)和周期性的变异电位(图5C)
等.动作电位反映的是植物内在生理特征 ,变异电
位则与污染有关 ,当受污染过重则动作电波消失而
出现急剧的电波振荡和连续的周期性变异电波.本
研究中植株受污染刺激后由稳定的电波信号激发
出跃变的动作电波 ,之后进入另一稳态 ,即持续的
电波振荡.电波的振荡每次持续 4 ～ 6 min ,大约每
隔50 min会出现一次;在振荡电波之后会出现周
期性的变异电位 ,且随着时间的推移 ,这些电位的
强度会逐渐减弱 ,直到污染后期电信号中不再呈现
明显的特征电位.需要指出的是 ,动作电位不同于
振荡电波和变异电位 ,它在正常植株中也有出现 ,
所不同的是其幅值远远小于受污染植株的电位.
下面从连续测试 24 h 的植物电波中取连续
8 h的数据进行统计分析 ,绘制各时段峰峰值的曲
线图如图 6.
从图 6曲线的幅值大小来看 ,污染后峰峰值
各相应时间均比污染前高 ,污染后幅值大幅度地
增大.组 1 样品为轻度污染 ,组 2 样品为重度污
染 ,从污染后的曲线幅值大小分布可看出.从图中
曲线的走向看 ,组 2 样品污染后的电波信号走势
与正常生长时差异较大 ,而组 1样品的曲线走向
类似.可知 ,在植物受到污染时 ,其电信号会反映
出幅值和能量的增大 ,且污染程度的不同对信号总
体能量的分布产生不同影响.重度污染会引起电波
能量的分布与正常时大不相同 ,轻度污染虽然引起
幅值和能量的增大 ,但分布的规律基本不变.
从功率谱分布的角度来分析 ,选取各样品第一次
出现典型的含动作电位成分较多的特征波形为分析
对象 ,截取波形的时间长度为5 min ,比较各电波信号的
功率谱密度曲线.表1是功率谱分布的主要频率范围.
141第 2期 方利民 ,等:受污染金光菊的植物电信号研究
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表 1　植物污染前后各样品功率谱分布情况
Table 1 　Compa rison of pow er spectrum distribution o f
plant sample s before and after pollution
组 1样品 组 2样品
污染前 0～ 0.5 H z 0～ 0.2 Hz
污染后 0～ 1 H z 0～ 0.5 Hz
由表 1列出的污染前后的各样品功率谱分布
情况可知:金光菊在没有任何刺激下的原始电波
信号是一种低频微弱随机信号 ,功率谱主要分布
在 0 ～ 0.5 Hz.受污染后功率谱分布范围变宽 ,频
率成分增加 ,与前所述的电波信号中呈现出无规
则电波振荡现象及变异电位 、复合电位的出现一
致.
3　讨　论
本文选取敏感植物金光菊作为研究对象 ,分
析其在正常生长情况下和二氧化硫污染情况下的
电波信号 ,通过特征电位解决环境污染与植物电
信号之间的关系.经研究得到以下几个结论:
1)正常植物受环境影响较大 ,如在有光照条
件下显得非常活跃 ,这一生理现象在其电信号中
得到充分反映.在植物受到的污染较为严重时 ,环
境的变化已不再是影响其电信号的主要因素 ,其
生理机能受到严重的破坏 ,电信号呈现出很强的
无规则性和幅值的跳变.在严重污染的后期 ,电信
号会呈现出平稳性.
2)在植物受到污染时 ,电信号中会出现各式
不同的特征电位 ,如动作电位 、变异电位 、复合电
位和振荡电位等.
3)受污染情况下 ,电信号会反映出幅值和能
量的增大 ,且污染程度的不同对信号总体能量的
分布产生不同影响 ,重度污染引起的电波能量分
布与正常时大不相同 ,轻度污染虽然引起幅值和
能量的增大 ,但分布规律基本不变.
4)受污染后功率谱分布范围变宽 ,频率成分
增加.
结果表明 ,利用植物电波信号监测环境以及
根据反馈的信息来改善环境和植物生长状况是可
行的.进一步解析特征电波信号 ,构建环境污染与
植物电信号之间的关系 ,从而建立基于植物电信
号的环境污染监测系统是我们后面要做的工作.
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