千島湖姥山林場不同森林群落空氣負離子濃度的比較

劉欣欣，華 超，張明如，張建國，柳 丹

(1.浙江農(nóng)林大學 林業(yè)與生物技術(shù)學院，浙江 臨安311300；2.浙江農(nóng)林大學 風景園林與建筑學院，浙江 臨安311300；3.浙江農(nóng)林大學 旅游與健康學院，浙江 臨安 311300)

空氣負離子有著 “空氣維生素和生長素”的美譽，具有殺菌、降塵、清潔空氣的功效,其濃度水平已成為評價一個地方空氣清潔程度的指標。森林以其特有的森林小氣候成為產(chǎn)生空氣負離子的良好環(huán)境，森林中空氣負離子水平較高已被許多研究所證實。作為一項重要的森林旅游資源，空氣負離子的研究受到廣泛的重視。研究森林中空氣負離子分布狀況，對合理開展森林旅游、科學利用空氣負離子旅游資源具有重要的現(xiàn)實意義[1]。目前，中國對于空氣負離子方面的研究，主要側(cè)重在人為干擾環(huán)境和自然環(huán)境中空氣負離子水平、空氣負離子資源的開發(fā)利用等[2]。近幾年，中國林業(yè)工作者開始關(guān)注森林對空氣負離子的響應(yīng)，并著手開展了這方面的研究[1-7]。針對浙西北地區(qū)，特別是千島湖國家森林公園空氣負離子的研究案例偏少，尚缺少多點區(qū)域定位研究和系統(tǒng)定量的研究。本研究通過在千島湖姥山林場進行定期監(jiān)測研究，分析不同季節(jié)浙江淳安姥山林場6種類型的森林群落空氣負離子濃度的差異及其與小氣候因子的關(guān)系，以期對該地區(qū)空氣質(zhì)量評價提供科學依據(jù)，并為其他區(qū)域森林空氣負離子濃度的長期研究提供借鑒。

1 研究地概況及研究方法

1.1 研究地概況

千島湖姥山林場位于29°32′34″N，119°04′04″E，屬于中北亞熱帶的東北部，氣候溫暖濕潤，雨水充沛，四季分明。地貌以低山丘陵為主。植被類型以天然林為主?？偯娣e為3 505.27 hm2，包括天然林2 393.82 hm2，人工林918.52 hm2，經(jīng)濟林121.39 hm2。其中天然林以馬尾松Pinus massoniana林占優(yōu)勢地位，人工林以馬尾松人工林和杉木Cunninghamia lanceolata人工林為主。森林覆蓋率為95%。

本項研究檢測設(shè)置在浙江省千島湖的姥山林場，其地帶性植被為常綠闊葉林，建群樹種為木荷Schima superba，青岡Cyclobalanopsis glauca，甜櫧Castanopsis eyrei，苦櫧 C.sclerophylla，石櫟 Lithocarpus glaber等常綠闊葉樹種，以及由馬尾松構(gòu)成的暖性針葉林[8]。

測定地段主要類型的群落為:①馬尾松構(gòu)成的暖性針葉群落；②青岡-木荷常綠闊葉森林群落；③青岡-苦櫧常綠闊葉森林群落；④苦櫧-石櫟常綠闊葉森林群落；⑤人工構(gòu)建的柏木Cupressus funebris森林群落；⑥人工構(gòu)建的楊梅Morella rubra-茶Camellia sinensis園森林群落。研究地森林群落結(jié)構(gòu)特征見表1。各群落均距離水體水平距離約80 m，垂直距離為10 m以上。

表1 森林群落特征Table 1 Characteristics of forest communities

1.2 調(diào)查研究方法

于 2010 年春季(04-15-04-16)，夏季(07-26-07-27)，秋季(09-16-09-17)和冬季(12-30-12-31)每個季節(jié)選擇有代表性的晴天，在各群落內(nèi)進行連續(xù)測定。每天從9:00－17:00進行測定，隔1 h觀測1組數(shù)據(jù)；每次在距離地面約1.5 m處同步測定6種類型森林群落內(nèi)空氣負離子濃度、可吸入顆粒物(PM10)含量以及氣溫、相對濕度、風速和光量子等小氣候因子。

空氣負離子采用ITC-201負離子儀測定，選擇4個方位，每個方位各記錄5個空氣正離子、負離子濃度的波峰值，共計20個數(shù)據(jù)的平均值為此觀測點的正、負空氣離子濃度值。

1.3 數(shù)據(jù)處理與空氣質(zhì)量評價方法

運用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 13.0進行統(tǒng)計分析，Origin 8.0作圖。

本研究采用空氣負離子濃度評價法和和空氣離子評議系數(shù)法(安培系數(shù)法)對空氣質(zhì)量進行評價[9]，其計算公式為:q＝n＋/n－。其中n＋為空氣正離子濃度；n－為空氣負離子濃度。

日本學者安培通過對城市居民生活區(qū)空氣離子的研究，建立了安培空氣離子評議系數(shù)(Ic)模型[10]: 計算公式為: Ic＝(n－/1 000)×(1/q)。其中 Ic是指空氣中接近自然界空氣離子化水平的程度，Ic值越大，空氣質(zhì)量越好。Ic指標將空氣負離子作為評價指標，同時考慮正、負離子構(gòu)成。依據(jù)安培等提出的空氣質(zhì)量評價標準，即采用空氣離子評價系數(shù)法評價空氣負離子濃度所屬等級(表2)。

表2 空氣清潔度分級評價標準Table 2 Criterion for evaluating air quality recommended

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)6種類型森林群落空氣負離子濃度日變化特征

對比分析圖1可知:千島湖姥山林場6種類型森林群落春季和冬季的空氣負離子濃度日變化過程呈“M”型，而夏季與秋季空氣負離子濃度日變化過程接近于 “L”型。

春季天然群落下層空氣負離子濃度峰值均出現(xiàn)于上午11:00左右和下午14:00－15:00，谷值出現(xiàn)于12:00，而人工群落中峰值滯后天然群落1 h，峰值出現(xiàn)于中午12:00和下午15:00－16:00，谷值出現(xiàn)于14:00；夏季6種森林群落空氣負離子濃度均在上午9:00達到最大值，此時青岡-木荷群落、青岡-苦櫧群落、苦櫧-石櫟群落、馬尾松群落和楊梅-茶園群落的空氣負離子濃度分別為10 332，10 636，10 824，8 060，8 468和9 093個°cm－3，中午空氣負離子濃度最低，下午有所回升，15:00均出現(xiàn)一較小峰值；秋季森林群落內(nèi)空氣負離子濃度峰值出現(xiàn)于10:00－11:00，下午空氣負離子濃度在較低水平波動。冬季兩峰值分別出現(xiàn)于中午12:00左右和下午16:00左右，谷值出現(xiàn)于14:00。監(jiān)測分析結(jié)果表明:千島湖姥山林場空氣負離子濃度夏季最高，秋季次之，春、冬兩季空氣負離子濃度相對較低。

2.2 6種類型森林群落空氣負離子年平均濃度的比較

基于2010年不同季節(jié)千島湖姥山林場6種類型森林群落空氣負離子濃度的測定值，取平均值近似作為6種類型森林群落空氣負離子濃度年平均推算濃度。分析表明:天然次生森林群落空氣負離子濃度高于人工森林群落，常綠闊葉森林群落內(nèi)空氣負離子濃度高于暖性針葉森林群落。據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，不同森林群落類型空氣負離子濃度年均值大小順序依次為:青岡苦櫧群落(1 924.3個°cm－3)＞青岡木荷群落(1 879.2 個°cm－3)＞苦櫧石櫟群落(1 806.2 個°cm－3)＞馬尾松群落(1 411.4 個°cm－3)＞柏木群落(1 320.2 個°cm－3)＞楊梅茶園群落(1 314.2 個°cm－3)。

本研究結(jié)果顯示:青岡、苦櫧、石櫟等構(gòu)成的常綠闊葉群落內(nèi)空氣負離子濃度高于馬尾松群落，與劉凱昌等[11]的研究結(jié)果有一定的差異，卻與邵海榮等[3]的研究結(jié)果相同。劉凱昌等研究結(jié)果表明:空氣負離子濃度大小順序為針葉林＞闊葉林＞經(jīng)濟林＞草地＞居民區(qū)；邵海榮等研究北京地區(qū)不同綠地的空氣負離子濃度，認為春季、夏季針葉林的空氣負離子濃度低于闊葉林，而在秋、冬季則高于闊葉林，因此，針葉林空氣負離子濃度的年平均值高于闊葉林。很多學者還對森林群落結(jié)構(gòu)與空氣負離子濃度的關(guān)系進行了研究[12－14]，普遍認為森林群落結(jié)構(gòu)愈復雜，空氣負離子濃度愈高。所以，多樹種構(gòu)成的復層森林群落的空氣負離子濃度高于單優(yōu)森林群落。

圖1 6種類型森林群落空氣負離子不同季節(jié)日變化特征Figure 1 Diumal variation of aero-anion in different kinds of forset communities

我們測定的馬尾松、柏木等針葉樹種構(gòu)成的森林群落樹種單一，林相單調(diào)，所以暖性針葉森林群落的空氣負離子濃度低于森林群落結(jié)構(gòu)較復雜、郁閉度較高的常綠闊葉森林群落。推測天然森林群落與人工森林群落的空氣負離子濃度差異可能在于，天然森林群落組成樹種年齡較大，喬木層的郁閉度和群落下層植被的蓋度較高，結(jié)果天然次生森林群落的空氣負離子濃度較高。上述結(jié)論是基于不同季節(jié)大量實測數(shù)據(jù)得到的平均結(jié)果，事實上空氣負離子濃度的變化還是比較復雜的，至少與森林群落的類型、郁閉度、林齡、生長勢、空間結(jié)構(gòu)等有一定的關(guān)系。

2.3 6種類型森林群落下層空氣質(zhì)量的變化特征

通過分析千島湖姥山林場6種類型的森林群落不同季節(jié)空氣離子的單極系數(shù)q和空氣質(zhì)量評價系數(shù)Ic(表3)可知:在不同的季節(jié)，單極系數(shù)q和空氣質(zhì)量評價系數(shù)具有一定的差異。所測定森林群落的單級系數(shù)一般以夏季和秋季較高，春季和冬季較低。不同季節(jié)天然群落的單級系數(shù)變化于0.77～0.93，均小于1.00；而人工群落夏季單級系數(shù)高于1.00，秋季、冬季和春季單級系數(shù)低于1.00。

表3中數(shù)據(jù)結(jié)果還顯示:不同季節(jié)空氣質(zhì)量評價系數(shù)Ic值的大小順序為夏季＞秋季＞春季＞冬季，1年中冬季空氣負離子的濃度和空氣質(zhì)量明顯下降，Ic值處于最低水平。冬季天然森林群落空氣清潔度為B級，其他季節(jié)均為A級；夏季和秋季人工森林群落空氣清潔度為A級，春季為B級，而冬季為C級。分析原因冬季植物的光合速率減弱，對空氣的凈化能力相對較低，因此，導致空氣質(zhì)量下降。而對于不同森林群落而言，天然森林群落空氣質(zhì)量明顯要高于人工森林群落。

綜合比較不同季節(jié)的單級系數(shù)和空氣質(zhì)量評價系數(shù)，表明春季、夏季和秋季天然森林群落的空氣質(zhì)量較高，其單級系數(shù)小于1.00，Ic值均在1.00以上；而人工森林群落夏季和秋季空氣質(zhì)量較高，春季和冬季的空氣清潔等級分別下降至B級和C級。

表3 千島湖姥山林場空氣質(zhì)量季節(jié)變化特征Table 3 Seasonal variations of air quality in Laoshan Forest Farm of Qiandao Lake

2.4 空氣負離子與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

將6種類型的森林群落空氣負離子濃度與小氣候因子(氣溫、相對濕度、風速和光量子密度)、可吸入顆粒物PM10濃度進行相關(guān)性分析，得出如下結(jié)論(表4):負離子濃度水平受林分因子、氣候因子的綜合作用影響，春季森林群落內(nèi)植物生長較為緩慢，空氣負離子濃度較低，相關(guān)分析揭示氣溫、相對濕度、光照強度等氣候因子影響較小，空氣負離子濃度與氣候因子未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性；夏季空氣負離子濃度明顯升高，與氣溫呈顯著負相關(guān)，與相對濕度呈顯著正相關(guān)；秋季負離子濃度與光量子密度呈顯著性正相關(guān)，氣溫和相對濕度對空氣負離子濃度的影響作用較小，相關(guān)性不顯著；冬季負離子水平偏低，負離子濃度水平與氣溫、風速和光照的相關(guān)性不顯著，但相對濕度對負離子濃度影響較大，空氣負離子濃度與相對濕度呈顯著性正相關(guān)。

表4 空氣負離子影響因素相關(guān)性分析Table 4 Correlativity of aero-anion with other environmental factors

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

關(guān)于針葉森林群落和闊葉森林群落對空氣負離子濃度的影響，目前得出的結(jié)論并不一致。邵海榮等[3]認為:針葉森林群落和闊葉森林群落改善空氣質(zhì)量的作用明顯不同，并具有一定的差異，針葉森林群落空氣負離子的年平均濃度高于闊葉森林群落，但在春季和夏季闊葉森林群落的空氣負離子濃度較針葉森林群落高，而在秋季和冬季，針葉森林群落高于闊葉森林群落。李印穎等[15]對黃土高原植被空氣負離子濃度進行研究時認為:針葉森林群落的空氣負離子濃度以及當前強度指數(shù)(ICI值)明顯高于闊葉森林群落。本研究結(jié)果表明:由青岡、苦櫧構(gòu)成的常綠闊葉森林群落內(nèi)空氣負離子濃度高于由馬尾松、柏木構(gòu)成暖性的單優(yōu)森林群落，分析原因可能是由于所測群落空間結(jié)構(gòu)不同，下墊面差異大，從而影響空氣負離子的存在時間。我們的研究結(jié)論是經(jīng)不同季節(jié)大量實測數(shù)據(jù)得到的平均結(jié)果，事實上影響空氣負離子濃度變化的情況是復雜的。

已有研究[1－3]認為:動態(tài)水如噴泉、瀑布、流動的溪流能夠?qū)諝庳撾x子產(chǎn)生很大的影響，而靜態(tài)水的影響較小。本研究中夏季空氣負離子濃度較其他季節(jié)高，其原因在于一方面夏季森林植物光合速率較高，釋放的氧氣數(shù)量較多；另一方面測定前降雨較多導致水面上升，因此，夏季空氣負離子濃度要大于其他季節(jié)。

大氣中空氣負離子與空氣正離子總是同時存在的，理論上空氣正負離子的濃度水平保持動態(tài)平衡。我們測定結(jié)果表明:空氣負離子與空氣正離子在春、夏、秋3個季節(jié)呈極顯著性正相關(guān)(表4)。此外，其他氣象因子對空氣負離子濃度水平具有重要的影響，太陽輻射為空氣中各種電離反應(yīng)提供了能量,而電離反應(yīng)是空氣中正負離子的來源，再加上國內(nèi)外的許多研究都表明植物的光合作用對空氣負離子的產(chǎn)生有直接貢獻；陣風對空氣負離子濃度的影響亦較大，陣風時的空氣負離子濃度高于靜風，但張翔[16]認為:風速、風向與空氣負離子濃度無關(guān)；林金明等[17]認為:空氣中可吸入顆粒物濃度增加時，空氣負離子容易吸附在可吸入顆粒物上，變成重離子而沉降消失；部分學者認為:空氣負離子濃度與氣溫呈負相關(guān)[12，18]，也有人認為氣溫與空氣負離子濃度呈正相關(guān)[19－20]。

由表4可知:空氣負離子濃度與環(huán)境因子的相關(guān)性因不同季節(jié)而表現(xiàn)出一定的差異。在春季和冬季，空氣負離子濃度與氣溫呈顯著正相關(guān)；而在夏季和秋季，空氣負離子濃度與氣溫呈顯著負相關(guān)。因此，可以得出結(jié)論當氣溫＜16.0℃時，空氣負離子濃度與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系；當氣溫變化于16.0～32.0℃時,空氣負離子濃度與溫度呈負相關(guān)關(guān)系；同樣地，當相對濕度＜64%，空氣負離子濃度與相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系，當相對濕度變化于60%～96%時,空氣負離子濃度與相對濕度呈正相關(guān)關(guān)系。而負離子與光量子、風速和PM10濃度等其他氣象因子則未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。關(guān)于氣象因子與空氣負離子濃度關(guān)系研究結(jié)果的差異可能是由研究地區(qū)不同所致，因此，具體的影響機制有待進一步研究。

3.2 結(jié)論

千島湖姥山林場6種類型森林群落空氣負離子濃度季節(jié)變化特征明顯，夏季空氣負離子濃度最高，秋季次之，春季和冬季較低。夏季與秋季6種類型森林群落空氣負離子濃度日變化呈現(xiàn) “L”型，春季和冬季空氣負離子濃度日變化呈現(xiàn) “M”型；而在1 d的測定時段內(nèi)，6種類型森林群落空氣負離子濃度在上午和下午的不同時間均出現(xiàn)2個峰值。

6種類型森林群落空氣負離子年平均濃度均在1 000個°cm－3以上，其中天然森林群落中空氣負離子濃度高于人工森林群落，常綠闊葉森林群落樹中空氣負離子濃度高于針葉森林群落。

千島湖姥山林場不同類型森林群落的空氣質(zhì)量表現(xiàn)出一定的時間差異，不同森林群落中單級系數(shù)一般在夏季和秋季較高，春季和冬季較低。空氣質(zhì)量評價系數(shù)Ic值夏季最高，秋季次之，冬季空氣負離子數(shù)量和空氣質(zhì)量明顯下降，Ic值最低。

天然森林群落冬季空氣清潔度為B級，春、夏、秋3個季節(jié)均為A級，人工森林群落夏季和秋季空氣清潔度為A級，春季為B級，冬季為C級。

空氣負離子濃度與氣象因子相關(guān)性因不同季節(jié)而表現(xiàn)出一定的差異，隨著季節(jié)變化，氣溫和相對濕度對于空氣負離子具有不同的影響作用。而負離子與光量子、風速和PM10濃度等其他氣象因子則未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

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