全 文 ：收稿日期:2013 － 10 － 22 修回日期:2013 － 12 － 22
基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2012J05045)．
作者简介:邓传远(1971 －) ，男，副教授，硕士生导师，博士．研究方向:功能性植物、园林植物分类与系统演化． Email:417570601@ qq． com．
通讯作者郑金贵(1949 －) ，男，教授，博士生导师．研究方向:功能性植物、作物品质遗传育种与生物技术． Email:forlotus@ 163． com．
脉冲电场刺激对部分仙人掌科
植物释放负离子的影响
邓传远1，郑金贵2，王艳英3，吴仁烨2，黄巧玲1
( 1．福建农林大学艺术园林学院，福建 福州 350002; 2．福建农林大学作物科学学院，
福建 福州 350002; 3．北京清大绿源科技有限公司，北京 100084)
摘要:采用 DLY-4G-232 型空气离子测量仪，在 800 mm ×800 mm ×800 mm密闭的玻璃箱中对盆栽的 8 种仙人掌科植物在
常态下和固定电压的脉冲电场刺激下释放的负离子浓度进行测定，并应用正交试验探讨最佳的脉冲电场组合．结果表明:
(1)仙人掌科植物在常态下可以释放负离子，但其释放负离子的能力有限，8 种植株中释放负离子浓度最高的为金手指，为
320 ion·cm －3，最小的为英丸，为 104 ion·cm －3;(2)8 kV高压脉冲电场的刺激可以高效提高植物释放负离子的能力，其倍
增效益显著，8 种植物中提高率最大的为英丸，较对照组提高 74839．2%;(3)每种植物都有一个高效释放负离子的最优脉
冲电场组合．
关键词:脉冲电场刺激;仙人掌科植物;负离子
中图分类号:S682．33 文献标识码:A 文章编号:1671-5470(2014)06-0622-06
The effect of pulsed electric field on the negative air ions concentration released
by some species and varieties of cactaceous plants
DENG Chuan-yuan1，ZHENG Jin-gui2，WANG Yan-ying3，WU Ｒen-ye2，HUANG Qiao-ling1
(1． College of Art and Landscape Architecture，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;
2． College of Crop Science，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China;
3． Beijing Tsing Da Green Technology Co．，Ltd．，Beijing 100084，China)
Abstract:The concentration of negative air ions generated by some species and varieties of cactaceous plants in sealed glass cham-
ber with the dimensions 800 mm ×800 mm ×800 mm under natural and pulsed electric stimulation conditions was detected by DLY-
4G-232 air ion detector． And the optimal combination of pulsed electric field for each plants was analyzed by the orthogonal experi-
ment． The results showed that: (1)Cactaceous plants can generate negative air ions under natural conditions，but the ability was
very limited，the average negative air ions concentration released by Mammillaria elongata var． intertexta was 320 ion·cm －3，
which was the highest levels，the lowest was Echinomastus intertextus，the average negative air ions concentration was 104 ion·
cm －3 ．(2)The plants imposed by certain pulsed electric feild can efficiently improve the ability to release negative air ions，and the
multiplication effect was remarkable，the increase rate of Echinomastus intertextus under pulsed electric field was 74839．2% comp-
ered to the average negative air ions concentration under natural condition．(3)Each plant had a optimal pulsed electric combination
to release negative ions efficiently by the orthogonal experiment．
Key words:pulsed electric field;cactaceous plants;negative air ion
空气负离子是空气中所有带负电的离子团或离子的总称，是空气重要的组成部分［1］．空气中 O2 的含
量约为 20%，CO2 为 0．03%，因 O2 更具亲电性，因此，空气负离子以负氧离子居多，其被誉为“空气维生素
和生长素”，已成为评价旅游环境空气清洁程度的重要指标［2］．空气负离子不仅能净化空气，还可以治疗
疾病［3］．医学研究表明，当空气负离子浓度达到 700 ion·cm －3以上时，对人体具有保健作用;当达到 10000
ion·cm －3以上时，对疾病具有治疗效果［4］．目前，日益恶化的城市环境已经威胁到人类的健康，现代人正
进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期［5］．据统计，大部分人群 80% － 90%的时间工作生活在室
内，尤其在冬季由于户外活动减少，室内活动时间将更长［6］．因此，改善室内环境迫在眉睫．
福建农林大学学报(自然科学版) 第 43 卷 第 6 期
Journal of Fujian Agriculture and Forestry University (Natural Science Edition) 2014 年 11 月
植物在自然状态下可通过光合作用释放负离子，但其释放负离子的浓度远不能满足人体需求． Tik-
honov et al［7］研究表明，对盆栽植物的根际土壤施加高压脉冲电场可以很大程度地提高植物释放负离子的
能力，植物释放负离子是一种生理变化而非简单的物理变化，且释放负离子的能力随植物生长时间的增加
而减弱，并与环境的温度、湿度、光照等有关． 因此，本试验在前人对负离子研究的基础上，利用在室外景
观、温室景观、居室小型造景都有广阔应用价值的仙人掌科植物，研究其在高压脉冲电场的刺激下释放负
离子的能力，促使植物高效持久地释放负离子，从而为开发高效率、低能耗、绿色环保的“植物源负离子发
生器”提供参考，以改善室内空气质量，为人类提供健康的生活环境具有重要的现实意义．
1 材料与方法
1．1 材料
1．1．1 植物材料 供试 8 种仙人掌科植物均购自福建漳州市东南花都花卉交易中心，选取的植物尽量保
持生长年限一致，株型相似，以消除其他不确定因素的影响． 8 种仙人掌科植物分别为复隆般若(Astrophy-
tum ornatum‘Hukuriyu’)、英丸(Echinomastus intertextus)、红山吹(Echinopsis silvestrii var． lutea)、绯花玉
(Gymnocalycium baldianum)、天赐玉(Gymnocalycium pflanzii)、金手指(Mammillaria elongata var． intertex-
ta)、金冠缀化(Ntocactus graessneri)、黄金钮(Aporocactus flagelliformis)．
1．1．2 DLY-4G-232 型空气离子测量仪 DLY-4G-232 型空气离子测量仪(图 1)由漳州市东南电子技术研
究所研制．应用 DLY-3G空气离子测量仪数据采集软件 1．51 版，通过 ＲS-232 接口连接计算机，每次记录
一个数据的时间可根据试验需求设置，并且可不限时间地记录数据并自动生成图标和 TXT 文本．该仪器
目前在我国是从事空气离子研究及测定的主要使用仪器之一．
1．1．3 高压脉冲刺激仪 高压脉冲刺激仪为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
机电工程学院研制的新型植物负离子激发装置(图 2)．该仪器的输出参数为:脉冲电压 U为 8 － 20 KV，脉
冲频率 f为 0．5 － 2 Hz，脉冲宽度 t为 0 － 100 ms．具体参数可自行调节设定，并可远距离遥控，调节范围广，
具有良好的实用性，满足试验要求．吴仁烨［8］在功能型植物高效释放负离子的研究中使用过该仪器．
图 1 DLY-4G-232 型空气离子测量仪
Fig． 1 DLY-4G-232 air ion detector
图 2 高压脉冲刺激仪
Fig． 2 High-voltage pulses generator
a．密闭玻璃箱;b．离子测量口;c．盆栽植物．
图 3 在密闭玻璃箱中测量植物释放负离子浓度的示意图
Fig． 3 Schematic drawing of the system for detecting generation of
negative air ions by plants upon electrical stimulation
in airtight glass chamber
1．2 试验空间的设定
为了排除外界环境对负离子浓度测定的影响，
本试验中负离子浓度的测定是在一个由有机玻璃
制成的规格为 800 mm × 800 mm × 800 mm 的玻璃
箱中进行的，玻璃厚度 4 mm(图 3)．在箱体的一个
侧面截取一个 104 mm × 104 mm 的正方形小口，该
方形小口与空气离子测量仪的进风口大小相吻合，
将负离子测定仪的进风口对准该正方形小口，打开
仪器即可测量．
1．3 试验设计
本试验在 3 种条件下测定负离子浓度，均在规
格为 800 mm ×800 mm ×800 mm的玻璃箱中进行．试验过程中植物的位置保持不变，试验条件分别为常态
下无脉冲电场刺激、固定脉冲电场(电压、频率、宽度固定)刺激、正交脉冲电场(电压、频率、宽度均变化)
·326·第 6 期 邓传远等:脉冲电场刺激对部分仙人掌科植物释放负离子的影响
刺激．选取生理状况相近的 3 株植物作为试验组，并依据不同条件设置对照组，玻璃箱编号分别为 1、2、3、
4，均放置在室内同一环境条件下同时进行测量．测量仪通过数据线连接电脑，仪器每秒读取一个数据，选
择读数的时间为 10 min，结束后重新调零继续测量 10 min，每个处理重复 3 次，共读取 5400 个有效数据．
1．3．1 常态下 8 种仙人掌科植物释放负离子浓度的测量 试验在常态下进行，选取生理状况相近的同种
3 株植物为试验组，空玻璃箱为对照组．
a．密闭玻璃箱;b．探针孔;c．探针;d．盆栽植物;e．离子测量孔．
图 4 密闭玻璃箱中植物在高压脉冲电场刺激下测量其
释放负离子浓度的示意图
Fig． 4 Schematic drawing of the system for detecting generation
of negative air ions by plants upon electrical stimulation
in airtight glass chamber
表 1 正交设计的因素及其水平
Table 1 The factors and their levels of the orghogonal design
水平
脉冲电压 /kV
(A)
脉冲频率 /Hz
(B)
脉冲宽度 /ms
(C)
1 8 1．0 50
2 12 1．5 80
3 16 2．0 100
1．3．2 8 kV高压脉冲电场刺激下 8 种仙人掌科植
物释放负离子浓度的测量 试验在常态试验的基础
上，在玻璃箱的另一个侧面(正对着上一个口)钻一
个小孔，孔径大小与高压脉冲刺激仪的探针直径相
同，将探针从小孔插入玻璃箱中(图 4)．将探针插入
盆栽植物根际土壤中，探头靠近植物的根部，要保证
每次插入土壤时探头与植物中心点的距离相同，并
且深度一致．设定脉冲电压为 8 kV，脉冲宽度为 50
ms，脉冲频率为 1． 0 Hz． 试验选取生理状况相近的
同种 2 株植物为试验组，无植物的土壤为对照组．
1．3．3 不同脉冲电场刺激下 5 种仙人掌科植物释
放负离子浓度的测量 在 8 kV 高压脉冲电场的刺
激下，8 种仙人掌科植物中有 5 种植物释放的负离
子浓度较高，选取这 5 种植物为研究对象进行正交
试验．通过改变脉冲电场的电压、频率、宽度 3 个因
素，测量 5 种植物释放的负离子浓度，以得到释放的
负离子浓度达最大值的最优脉冲电场组合． 正交设
计如表 1 所示．每株植物每个因素每个水平进行 3 次重复，取平均值．
1．4 数据分析
应用 Excel 2007 软件对负离子浓度和各因子数量特征值进行处理;应用 SPSS 17．0 软件对数据进行方
差分析．
2 结果与分析
2．1 常态下 8 种仙人掌科植物释放的负离子浓度
由表 2 可知，8 种仙人掌科植物中，试验组的英丸、复隆般若、黄金钮、金手指、天赐玉 5 种植物释放的
负离子浓度大于对照组;英丸、复隆般若、黄金钮、金手指 4 种植物释放的负离子浓度比对照组提高 20%
以上;而绯花玉、红山吹、金冠缀化 3 种植物释放的负离子浓度小于对照组，较对照组相对提高 － 3．6% ～
－4．6% ．可见，释放的负离子浓度较对照组提高较大的植物为英丸，相对提高 153．7%;较对照组提高较小
的植物为天赐玉，相对提高 14．9% ．
表 2 8 种仙人掌科植物 30 min释放的负离子浓度
Table 2 Comparison and analysis of 30 minutes of generation of the negative ions of 8 different species
植物
负离子浓度 /(ion·cm －3)
最大值 最小值
试验组
平均值
对照组
平均值
试验组较对照组相对提
高的值 /(ion·cm －3)
试验组较对照组相对
提高的百分率 /%
英丸 119 53 104 41 63 153．7
绯花玉 141 84 122 128 － 6 － 4．6
红山吹 211 142 172 179 － 7 － 3．9
复隆般若 213 119 163 90 73 81．1
黄金钮 436 146 318 157 161 102．5
金冠缀化 186 104 134 139 － 5 － 3．6
金手指 417 277 320 174 146 83．9
天赐玉 162 127 146 127 19 14．9
·426· 福建农林大学学报(自然科学版) 第 43 卷
表 3 试验组与对照组成对样本的相关性检验1)
Table 3 Correlation test of paried-sample
N 相关系数 P
8 0．714 0．047
1)P ＜ 0．05 表示差异显著．
采用 SPSS 17．0 软件对试验组 8 种植物释放的负
离子浓度与对照组进行配对 T检验，结果如表 3 所示．
表 3 显示，试验组释放的负离子浓度与对照组的
相关系数为 0．714，相伴概率 P 为 0． 047，小于显著水
平．试验组释放的负离子浓度与对照组配对 T检验的 t
为 2．849，df为 7，相对应的 P为 0．025，小于显著性水平，即两者存在显著差异(表 4)．可见，有植物的空间
的负离子浓度明显高于无植物的空间，且植物在自然状态下释放的负离子浓度与空气中本身的负离子浓
度呈显著相关．
表 4 试验组与对照组配对 T检验1)
Table 4 Ｒesults of t-test
成对差分
均值 标准差
均值的
标准误
差分的 95%
下限
置信区
间上限
t df P(双侧)
63．125 62．672 22．158 10．729 115．521 2．849 7 0．025
1)P ＜ 0．05 表示差异显著．
2．2 8 kV高压脉冲电场刺激对 8 种仙人掌科植物释放负离子的影响
2．2．1 误差消除方法 8 kV高压脉冲电场刺激 8 种仙人掌科植物时，与探针直接接触的为土壤，这种情
况下高压脉冲电场很可能使土壤释放大量的负离子而影响试验结果，为此，笔者做了外界因素干扰的排除
试验．在测量条件相同的情况下，将对照设为不含植物的土壤，该土壤可使供试植物正常生长，在 8 kV 高
压脉冲电场的刺激下测量其释放的负离子浓度． 结果显示，土壤电击后释放的负离子浓度为 2755 ion·
cm －3，而无电击的对照释放的负离子浓度为 129 ion·cm －3，电击土壤较无电击提高 21 倍．可见，电击土壤
确实会对植物释放的负离子浓度产生影响，因此有必要将电击不含植物的盆土作为对照．
2．2．2 8 kV高压脉冲电场刺激下 8 种仙人掌科植物释放负离子的浓度 表 5 显示，在 8 kV 高压脉冲电
场的刺激下，8 种仙人掌科植物释放的负离子浓度较对照组均有提高，较常态下也显著提高． 8 种植物中有
6 种植物在高压脉冲电场的刺激下释放的负离子浓度达到 10 万以上，较对照组提高 4920． 6% －
74839．2% ．高压脉冲电场刺激下释放的负离子浓度最大的为天赐玉，为 682256 ion·cm －3，是对照组的
218 倍，较常态提高 4672 倍;其次是英丸，负离子浓度为 668458 ion·cm －3，是对照组的 749 倍，较常态提
高 6427 倍;较对照组提高较少的是复隆般若，负离子浓度为 33566 ion·cm －3，较对照组只提高 19 倍，较
常态提高 205 倍．
表 5 8 kV高压脉冲电场刺激下 8 种仙人掌科植物释放的负离子浓度
Table 5 The released negative ions by cactus plants under 8 kV pulse electrical file stimulation
植物
试验组负离子浓度 /(ion·cm －3)
Ⅰ Ⅱ Ⅲ 平均值 ±标准差
对照组负离子浓
度 /(ion·cm －3)
试验组较对照
组提高 /%
绯花玉 227639 237937 204231 223269 + 17272 4447 4920．6
复隆般若 36256 31768 32674 33566 + 2373 1643 1942．9
红山吹 342517 300912 315671 319700 + 21093 5894 5324．1
黄金钮 354672 321008 312172 329284 + 22426 2808 11626．6
金冠缀化 65724 68990 75226 69980 + 4827 2042 3327．0
金手指 206643 176780 187210 190211 + 15156 1196 15803．9
天赐玉 665743 697602 683423 682256 + 15961 3122 21753．1
英丸 629076 670023 706275 668458 + 38623 892 74839．2
2．3 不同脉冲电场组合刺激下 5 种仙人掌科植物释放的负离子浓度
2．3．1 黄金钮的正交试验结果 按表 1 的正交试验参数对黄金钮的根际土壤进行脉冲电场刺激，其释放
的负离子浓度如表 6 所示．
表 6显示，在脉冲电场组合 A2B3C3 的刺激下，黄金钮释放的负离子浓度达到最大，即脉冲电压为 12 kV，
脉冲频率为 2 Hz，脉冲宽度为 100 ms，但是不是最优的电场组合还需对其进行方差分析，结果如表 7所示．
·526·第 6 期 邓传远等:脉冲电场刺激对部分仙人掌科植物释放负离子的影响
表 6 不同脉冲电场组合刺激下黄金钮释放的负离子浓度1)
Table 6 Negative air ions concentrations generated by Aporocactus flagelliformis under different pulsed electric field
处理号
脉冲电压
kV
脉冲频率
Hz
脉冲宽度
ms
负离子浓度
ion·cm －3
A1B1C1 8 1．0 50 559251
A1B2C2 8 1．5 80 474609
A1B3C3 8 2．0 100 468919
A2B1C2 12 1．0 80 1420150
A2B2C3 12 1．5 100 1097587
A2B3C1 12 2．0 50 538020
A3B1C3 16 1．0 100 2812512
A3B2C1 16 1．5 50 1515308
A3B3C2 16 2．0 80 1398097
T1 903170000 336110000 251240000
T2 1836510000 285240000 1138750000
T3 2830000 1442630000 2631790000
X1 301056667 112036667 83746667
X2 612170000 95080000 37958333
X3 943333 480876667 877263333
1)Ti 表示同一因素试验水平指标之和，Xi 表示各因素同一水平试验指标的平均数．
表 7 不同脉冲电场组合刺激下黄金钮释放负离子浓度的方差分析1)
Table 7 Variance analysis of negative air ions level generated by Aporocactus flagelliformis under different intensities of pulsed electrical stimulation
来源 SS Df MS F P
A 3．042E12 2 1．521E12 30．678 0．032
B 1．008E12 2 5．038E11 10．162 0．090
C 5．292E11 2 2．646E11 5．337 0．158
误差 9．915E10 2 4．958E10
1)P ＜ 0．05 表示与对照的差异显著．
表 8 不同脉冲电压刺激下黄金钮释放负离子浓度的
单因素统计量
Table 8 Single factor statistical scale of negative air ions level
generated by Aporocactus flagelliformis under different
intensities of pulsed electrical stimulation
A 均数 标准误
1 500926．333 128550．994
2 1018585．667 128550．994
3 1908639．000 128550．994
表 9 不同脉冲电压刺激下黄金钮释放负离子
浓度的配对比较
Table 9 Pairwise comparisons of negative air ions level generated
by Aporocactus flagelliformis under different intensities
of pulsed electrical stimulation
(I)A (J)A 均值差值(I － J) 标准误 P
1 2 － 226759．00 181798．559 0．339
3 － 588813．00 181798．559 0．084
2 1 226759．00 181798．559 0．339
3 － 362054．00 181798．559 0．185
3 1 588813．00 181798．559 0．084
2 362054．00 181798．559 0．185
表 7 显示，脉冲电压对黄金钮释放的负离子浓
度有显著影响，脉冲频率和脉冲宽度则没有影响，因
此可以选择均数最大的水平 A2B3C3 ．对 A因素进行
多重比较分析，结果如表 8 所示．
从表 8 可知，A3 的均数最大，为 1908639． 000．
由表 9 可知，A3 与 A1、A2 间的差异不显著．因此，脉
冲电场组合 A2B3C3 是最优的，可使黄金钮释放最
大量的负离子．
2．3．2 复隆般若、天赐玉、金冠缀化、英丸的正交试
验结果 对复隆般若、天赐玉、金冠缀化、英丸 4 种
植物进行上述正交试验的结果显示，脉冲电压、脉冲
频率、脉冲宽度这 3 个因素对它们的影响均不显著．
复隆般若的最优脉冲电场组合为 A2B1C3，天赐玉的
最优组合为 A2B1C1，金冠缀化的最优组合为
A3B1C3，英丸的最优组合为 A2B1C2 ．
3 结论与讨论
3．1 常态下植物释放负离子的能力有待提高
本试验结果表明:8 种仙人掌科植物在常态下释放的负离子浓度大于对照组(无植物的空间)的有 5
种，占总量的 62．5%;释放的负离子浓度提高较大的植物为英丸，较对照组相对提高 153．7% ．配对 T检验
结果显示，有植物的空间的负离子浓度比无植物的空间有显著的增加．在自然状态下，植物释放的负离子
·626· 福建农林大学学报(自然科学版) 第 43 卷
浓度是非常有限的，释放量最大的金手指仅为 320 ion·cm －3 ．由于负离子存在的时间较短，且受其他方面
的影响较大，空气中的负离子浓度很难达到有益于人体健康的 1000 ion·cm －3［9］，因此，植物在自然状态
下释放如此少量的负离子对净化室内空气的能力是有限的．由此可见，要使植物能够高效释放负离子，在
短时间内达到净化空气的目的，有待于研发更有效的方法．
3．2 高压脉冲电场刺激可以提高植物释放负离子的能力
Tikhonov et al［7］研究表明，盆栽植物的根际土壤在高压脉冲电场的刺激下，仙人球、青锁龙、芦荟和吊
兰等植物产生负离子的能力有不同程度的提高，芦荟可提高成千上万倍．本试验结果表明，在 8 kV高压脉
冲电场的刺激下，8 种仙人掌科植物释放的负离子浓度均显著提高，较对照组的提高率都在 1000%以上，
其中，提高率最大的植物为英丸，较对照组提高 74839．2% ．此结果与 Tikhonov et al［7］和杨运经等［10］的研
究结果一致．不同植物在相同的脉冲电压刺激下释放负离子的提高率有显著性差异．李印颖［11］研究表明，
不同植物在相同电压的脉冲电场刺激下，它们的应激反应不同导致释放的负离子浓度有很大的差别．本试
验结果可为进一步研究脉冲电场刺激下不同植物释放负离子能力的差异提供科学依据．
3．3 每种植物都有一个高效释放负离子的最优脉冲电场组合
本试验结果表明，改变脉冲电场的电压、频率、宽度会使一些仙人掌科植物释放的负离子浓度发生明
显变化，脉冲电场不同，植物释放的负离子浓度也不同．但不是每种植物释放的负离子浓度都会随着脉冲
电压的增大而增多，每种植物都有其最佳的脉冲电压，电压超过最佳值后植物释放的负离子浓度不会增加
反而会减少;同样，脉冲频率和脉冲宽度也有最佳值． 本试验中，大多数仙人掌科植物在脉冲电场组合
AB1C3 的刺激下，即脉冲频率为 1 Hz、脉冲宽度为 100 ms时，产生最强的负离子浓度倍增效应，释放出最
高的负离子浓度． 1 Hz的脉冲频率(即 B1 水平)为脉冲频率因素的最低水平，100 ms的脉冲宽度(即 C3 水
平)为脉冲宽度因素的最高水平，即脉冲电压在一定的水平下，脉冲频率越小，脉冲宽度越宽，更有利于负
离子的产生．从物理电学角度可解释为:施加于植物的脉冲电压提高了，其通过植物的电子流量会增加;脉冲
频率越小，脉冲宽度越宽等于作用在植物的脉冲电压时间延长，进而促使植物尖端释放更多负离子流［12］．
对于脉冲电场刺激下植物释放负离子的影响因素以及脉冲电场变化下植物释放负离子浓度的变化规
律仍需进行系统的研究．脉冲电场刺激下植物释放负离子的能力除受脉冲电场各参数的影响外，还可能与外
界环境，如光照、温度、湿度以及土壤的构成和微量元素有一定的关系，这些都需要进行进一步的系统研究．
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( 责任编辑: 施晓棠)
·726·第 6 期 邓传远等:脉冲电场刺激对部分仙人掌科植物释放负离子的影响