6種植物群落夏季空氣負(fù)離子動(dòng)態(tài)及其與氣象因子的關(guān)系

石彥軍，余樹全，鄭慶林

（1.浙江林學(xué)院 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江省臨安市林業(yè)局 於潛林業(yè)分站，浙江 臨安311311）

空氣負(fù)離子（aero-anion）被稱為“空氣維生素”［1］?？諝庳?fù)離子具有很強(qiáng)的殺菌、降塵、清潔空氣的作用，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用價(jià)值［2］。空氣負(fù)離子對(duì)人體健康也十分有益，許多國(guó)家已將其濃度水平列為空氣清潔程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)［3］。綠地能產(chǎn)生大量的空氣負(fù)離子，一方面綠色植物通過(guò)光合作用釋放氧氣，氧氣和水分子比氮?dú)飧杏H電性，能優(yōu)先形成空氣負(fù)離子，另一方面植物葉表面在短波紫外線的作用下，發(fā)生光電效應(yīng)，可以提高空氣負(fù)離子水平［4］。不同群落類型對(duì)空氣負(fù)離子的影響有很大的差異［2－3，5］。隨著浙江城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程也逐步加快，但是城鎮(zhèn)的生態(tài)綠地建設(shè)卻相對(duì)滯后。筆者選擇浙江省臨安市小城鎮(zhèn)周邊常見(jiàn)的6種群落，測(cè)定它們的空氣負(fù)離子濃度，以期對(duì)城鎮(zhèn)人均生態(tài)林的建設(shè)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地點(diǎn)位于浙江省臨安市浙江林學(xué)院東湖校區(qū)內(nèi)及學(xué)校周圍，環(huán)境條件比較相似。選擇浙江省典型常見(jiàn)的雷竹Phyllostchys praecox群落、杉木Cunninghamia lanceolata群落、馬尾松Pinus massoniana群落、無(wú)患子Sapindus mukorossi-廣玉蘭Magnolia grandiflora混交群落、紫薇Lagerstroemia indica群落和馬尼拉群落Zoysia matrella（草坪）作為研究對(duì)象，分別測(cè)定群落內(nèi)和群落外各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2 測(cè)定內(nèi)容與方法

用ITC-201A型空氣負(fù)離子測(cè)定儀（測(cè)定離子濃度誤差≤±10%，離子遷移率誤差≤±10%）測(cè)定負(fù)離子值。該儀器的離子濃度測(cè)量范圍為10～1.99×106個(gè)·cm－3。采用TES-1362數(shù)字式溫濕度測(cè)量?jī)x測(cè)定氣溫和相對(duì)濕度；采用SUM-5284型光量子計(jì)測(cè)定光量子通量，采用Apogee紫外線輻射計(jì)測(cè)定紫外線強(qiáng)度。

于2008年7月，選擇晴朗無(wú)風(fēng)的18日、19日、21日3 d，對(duì)空氣正、負(fù)離子濃度，氣溫，相對(duì)濕度，光量子和紫外線強(qiáng)度進(jìn)行同步測(cè)定。從7:00－19:00間隔1 h測(cè)定1組數(shù)據(jù)。

觀測(cè)時(shí)在各個(gè)群落內(nèi)選擇4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)取東南西北4個(gè)方向距離地面1.5 m處分別瞬間讀數(shù)，各個(gè)方向讀數(shù)15個(gè)，取4個(gè)方向的平均值為此觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)值，取4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均值為該群落正、負(fù)離子最后觀測(cè)值。為了定量研究群落對(duì)空氣質(zhì)量的改善作用，在各個(gè)測(cè)定群落附近選擇一塊空曠地同時(shí)測(cè)量作為對(duì)照，各個(gè)群落測(cè)定3 d，取平均值。

空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)以空氣負(fù)離子濃度為基本觀測(cè)指數(shù)，以單極系數(shù)和空氣離子評(píng)價(jià)系數(shù)作為空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)［6］。q=n+/n－，IC=n－/1 000× q。其中：q為單極系數(shù)，n+空氣正離子濃度，n－為空氣負(fù)離子濃度，IC為空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)；1 000為滿足人體生物學(xué)效應(yīng)最低需求的空氣負(fù)離子濃度。按照空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)可以將空氣質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí)：IC≥1.00，最清潔（A級(jí)）；0.70≤IC＜1.00，一般清潔（B級(jí)）； 0.50≤IC＜0.69，中等清潔（C級(jí)）； 0.30≤IC＜0.49，允許（D 級(jí)）； IC=0.29時(shí)為臨界值，E級(jí)。

表1 植物群落模式特征Table 1 Characteristic of plant communities

2 結(jié)果與分析

2.1 不同群落模式對(duì)夏季日均負(fù)離子濃度的影響

如圖1-Ⅰ和表2，除草坪外，不同群落微環(huán)境空氣中日均負(fù)離子濃度均顯著高于其相應(yīng)的空地對(duì)照，雷竹林比對(duì)照高24.5%，杉木林比對(duì)照高17.9%，馬尾松林比對(duì)照高59.3%，其中無(wú)患子-廣玉蘭混合群落比對(duì)照高29.2%，紫薇灌木林比對(duì)照高5.5%。但就空氣負(fù)離子濃度的絕對(duì)值（測(cè)量值）而言，從高到低依次為：無(wú)患子-廣玉蘭的闊葉混合群落＞雷竹林＞杉木林＞馬尾松林＞紫薇灌木林＞草坪。

對(duì)于空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)IC，絕對(duì)值變化趨勢(shì)與負(fù)離子濃度變化是基本一致的。從圖1-Ⅱ和表2可以看出，除草坪外，各個(gè)群落的日均IC顯著高于相應(yīng)的對(duì)照。這可能是由于紫外線的作用可以使植物葉片發(fā)生光電效應(yīng)［5］，增加空氣負(fù)離子的濃度，而空曠地主要以水泥、瀝青等硬質(zhì)鋪裝為主，阻隔了來(lái)自于土壤電離源且空曠地缺少綠色植物，也使得空氣負(fù)離子濃度降低，空氣清潔度也降低［7］；各個(gè)群落模式內(nèi)的日均IC標(biāo)準(zhǔn)誤差也顯著小于相應(yīng)的空地對(duì)照，這說(shuō)明植物群落內(nèi)部空氣質(zhì)量在不同時(shí)段變化幅度較空曠地要小，植物群落在一定程度上可以使空氣質(zhì)量保持相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 測(cè)定位置和群落類型的二元方差分析Table 2 Two-way ANOVA of site and communities

圖1 不同群落負(fù)離子濃度（Ⅰ）和負(fù)離子評(píng)價(jià)系數(shù)（Ⅱ）Figure 1 Aero-anion（Ⅰ）and IC（Ⅱ）in different structures of communities

2.2 不同群落模式夏季負(fù)離子濃度晝間變化

從圖2來(lái)看，空氣負(fù)離子晝間變化曲線呈雙峰狀。不同的群落模式出現(xiàn)峰值的具體時(shí)間有所不同，但總體來(lái)看分別在9:00－10:00和15:00－16:00各出現(xiàn)1個(gè)峰值。從第1個(gè)峰值出現(xiàn)早晚來(lái)看，雷竹群落、杉木群落、無(wú)患子-廣玉蘭混交群落和紫薇群落出現(xiàn)在9:00左右，馬尾松林和草坪出現(xiàn)在10:00左右。從第2個(gè)峰值出現(xiàn)早晚來(lái)看，基本上都出現(xiàn)在16:00左右。從峰值的大小來(lái)看，雷竹群落和無(wú)患子-廣玉蘭混交群落明顯高于其他群落，草坪最低。

圖2 空氣負(fù)離子晝間變化曲線Figure 2 Diurnal change of aero-anion

2.3 負(fù)離子與氣象因子相關(guān)分析

根據(jù)不同群落模式空氣負(fù)離子濃度及氣象因子觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行了空氣負(fù)離子濃度和氣象因子的相關(guān)性分析（表3）。結(jié)果表明，空氣負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），因?yàn)榭諝庳?fù)離子的主要存在形式是O2－（H2O）n，OH－（H2O）n與 CO－4（H2O）2，可以看出空氣負(fù)離子的存在依賴于水分，因此空氣相對(duì)濕度必然會(huì)對(duì)空氣負(fù)離子的濃度有很大的影響［8］。與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），這些結(jié)果與以往的研究結(jié)果一致［9］，隨著氣溫的升高，相對(duì)濕度逐漸降低，致使空氣負(fù)離子濃度降低，反之亦然。另外還發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子濃度與紫外線強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)的關(guān)系（P＜0.05）。

表3 負(fù)離子與氣象因子相關(guān)分析矩陣Table 3 Correlativity of aero-anion with other environmental factors

3 結(jié)論與討論

無(wú)患子-廣玉蘭混交群落日均負(fù)離子濃度和日均空氣質(zhì)量系數(shù)均顯著高于其他群落，雷竹群落次之。從已有的研究結(jié)果來(lái)看，有闊葉混交群落和竹子群落負(fù)離子濃度較高的報(bào)道［5，10］。由于闊葉群落葉面積指數(shù)較大，生物量較高，郁閉度較大，群落和外部的空氣交流也閉塞很多，植物通過(guò)光合作用、氣體交換等方式能夠產(chǎn)生較高濃度、較高質(zhì)量的空氣負(fù)離子［6，11］。草坪和紫薇木群落空氣負(fù)離子濃度最低，這可能是由于紫薇群落和草坪比較低矮，通透性比較好，和群落外部的空氣交流比較容易。從群落內(nèi)部和各自對(duì)照來(lái)看，植物群落內(nèi)部顯著高于外部空地對(duì)照，這更能比較客觀、定量地反映出植物群落對(duì)空氣質(zhì)量的改善作用，但是草坪內(nèi)外差別并不明顯，對(duì)照甚至略高于群落內(nèi)部，這可能是由于測(cè)點(diǎn)距地面1.5 m的距離，草坪下墊面產(chǎn)生的負(fù)離子效應(yīng)上傳高度有限的原因，也有草坪群落和外部氣流交流頻繁的原因，而且在測(cè)定中儀器的誤差、測(cè)定時(shí)間的短暫間隔以及測(cè)定過(guò)程中不可避免的風(fēng)的影響，都可能致使草坪不明顯的作用消弱甚至低于對(duì)照。

就負(fù)離子晝間變化曲線（7:00－19:00）來(lái)看，雙峰狀的曲線很好地反映了植物群落改善空氣質(zhì)量的規(guī)律。光合作用是植物生存的根本，光合作用也是植物負(fù)離子產(chǎn)生的重要源泉［11］。清晨，植物光合作用較弱，空氣負(fù)離子較少；隨著太陽(yáng)輻射的不斷增強(qiáng)，植物的光合作用也逐漸加強(qiáng)，加之紫外線對(duì)植物葉片的光電效應(yīng)［5］，空氣負(fù)離子濃度在9:00－10:00達(dá)到1個(gè)峰值；12:00左右，尤其是在14:00的時(shí)候，太陽(yáng)輻射達(dá)到最強(qiáng)，這時(shí)氣溫升高，植物光合作用也出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，再加上空氣濕度的降低，使得空氣負(fù)離子濃度降至最低；14:00過(guò)后，隨著太陽(yáng)輻射的減弱，植物光合作用逐漸加強(qiáng)，空氣相對(duì)濕度也逐漸變大，到16:00左右時(shí)空氣負(fù)離子濃度達(dá)到第2個(gè)峰值；然后太陽(yáng)輻射繼續(xù)減弱直至為0，空氣負(fù)離子濃度也繼續(xù)減弱。

空氣負(fù)離子效應(yīng)與其他氣象因子相關(guān)性的研究已有很多［9，12－13］?？諝庳?fù)離子與相對(duì)濕度顯著正相關(guān)、與氣溫呈負(fù)相關(guān)，這一點(diǎn)學(xué)界已有一定的共識(shí)［5，7-9，12-14］。在本研究中發(fā)現(xiàn)，雖然空氣負(fù)離子與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的相關(guān)性并不顯著，但是呈相反的變化趨勢(shì)，這主要還是太陽(yáng)輻射增強(qiáng)使溫度升高，進(jìn)而使相對(duì)濕度降低的原因。有關(guān)風(fēng)速對(duì)空氣負(fù)離子的影響，不同的學(xué)者有不同的研究結(jié)果。邵海榮等［14］研究結(jié)果顯示空氣負(fù)離子與風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，陳佳瀛等［15］的研究則發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子與下墊面風(fēng)速相關(guān)性不顯著，本研究選擇了晴朗無(wú)風(fēng)的夏季進(jìn)行，將風(fēng)速的影響降到了最低。另外，本研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子濃度與紫外線強(qiáng)度顯著正相關(guān)，這可能是由于紫外線可以使植物葉片表面發(fā)生光電效應(yīng)［4］，從而增加空氣負(fù)離子的濃度。

以往的試驗(yàn)研究都是多種植物群落模式只有1個(gè)空地作為對(duì)照，往往由于群落間海拔、生境的不同，導(dǎo)致樣地之間的小氣候有很大差別，因此，并不能很好地反映出不同植物群落改善空氣質(zhì)量效果的差異。本研究在每一個(gè)植物群落就近選擇空地最為對(duì)照，能更科學(xué)合理地反映出植物群落對(duì)環(huán)境的生態(tài)效應(yīng)。本研究只是對(duì)定量研究植物群落的生態(tài)效應(yīng)做了初步的探索，很多問(wèn)題還有待深入研究。本研究的不足之處是沒(méi)有引進(jìn)葉面積指數(shù)和可吸入顆粒物含量這2個(gè)和負(fù)離子效應(yīng)有重要關(guān)系的因子。

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