重慶地區(qū)主要森林類型的空氣負(fù)離子水平及其評價1)

王軼浩 劉訪兵 周小舟 劉 茜 李 彬

(重慶市三峽庫區(qū)森林生態(tài)保護與恢復(fù)市級重點實驗室(重慶市林業(yè)科學(xué)研究院)，重慶，400036)

重慶地區(qū)主要森林類型的空氣負(fù)離子水平及其評價1)

王軼浩 劉訪兵 周小舟 劉 茜 李 彬

(重慶市三峽庫區(qū)森林生態(tài)保護與恢復(fù)市級重點實驗室(重慶市林業(yè)科學(xué)研究院)，重慶，400036)

利用便攜式空氣負(fù)離子測定儀(AIC1000)，對重慶地區(qū)6種主要森林類型的41個監(jiān)測點進行為期1 a的空氣負(fù)離子監(jiān)測和研究。結(jié)果表明：各森林類型均能顯著提高空氣負(fù)離子水平(P<0.01)，從大到小依次為針葉混交林、落葉闊葉林、常綠闊葉林、針葉純林、竹林、針闊混交林、對照(解放碑商務(wù)區(qū))；常綠闊葉林和針葉混交林在晴天時的空氣負(fù)離子水平顯著高于陰天和雨天的(P<0.01)，而落葉闊葉林卻相反；天氣陰晴對其它森林類型的空氣負(fù)離子影響則不顯著(P>0.05)。各森林類型的空氣負(fù)離子呈明顯的季節(jié)變化(P<0.01)，針闊混交林、常綠闊葉林和針葉混交林均以春季最大，落葉闊葉林則以秋季最大；除竹林和針葉混交林外，其它森林類型均以冬季最小。研究監(jiān)測點的空氣負(fù)離子水平以Ⅴ等級(400～1 000個·cm-3)為主，以四面山自然保護區(qū)的空氣質(zhì)量最好。

空氣負(fù)離子；森林類型；重慶

空氣負(fù)離子被譽為空氣維生素，具有殺菌、降塵、清潔空氣的作用[1]，對人體健康十分有利，已成為評價空氣清潔程度和質(zhì)量的重要指標(biāo)[2-3]，同時，它也是表征森林生態(tài)系統(tǒng)凈化空氣功能的主要指標(biāo)。研究森林空氣負(fù)離子的時空分布特征有助于了解森林為人類所提供的除木材、林產(chǎn)品之外的生態(tài)保健功能，能為全面評價森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能提供科學(xué)依據(jù)。因此，森林空氣負(fù)離子分布狀況及影響已成為眾學(xué)者關(guān)注的熱點[4-6]，尤其是對人們生活居住區(qū)及其所向往的一些自然保護區(qū)、森林公園等風(fēng)景名勝區(qū)的空氣負(fù)離子特征研究[7-8]；但從區(qū)域尺度系統(tǒng)研究評價森林空氣負(fù)離子水平及其分布還鮮有報道。

重慶地區(qū)位于三峽庫區(qū)腹地，是長江中上游以及三峽庫區(qū)的重要生態(tài)屏障區(qū)，目前森林覆蓋率已達到42.1%。森林生態(tài)系統(tǒng)對三峽庫區(qū)保持水土、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)等方面都發(fā)揮著重要作用，但對其在凈化空氣功能方面，目前的研究還很少，也缺乏具備足夠說服力的科學(xué)依據(jù)。這嚴(yán)重制約著人們對森林生態(tài)服務(wù)功能的認(rèn)識，難以全面、客觀評價該區(qū)域的森林生態(tài)服務(wù)功能價值。

筆者在重慶地區(qū)的森林公園、自然保護區(qū)選擇主要森林類型，共涉及35個區(qū)縣(目前重慶市含38個區(qū)縣)，進行為期1 a的空氣負(fù)離子定位監(jiān)測，以期掌握重慶地區(qū)森林空氣負(fù)離子水平的時空變化規(guī)律，從而為該區(qū)域的森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價及科普教育方面提供科技支持。

1 研究區(qū)概況

重慶市位于中國大陸西南部，東經(jīng)105°11′～110°11′、北緯28°10′～32°13′，面積8.24×104km2。地形東高西低，由南北向長江河谷逐漸降低，其北部、東部及南部分別有大巴山、武陵山、大婁山環(huán)繞；地貌以丘陵、山地為主，坡地面積較大。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，年均氣溫18 ℃左右，冬暖夏熱；日照時間1 000～1 200 h，無霜期長；常年降水量1 000～1 450 mm。土壤以紫色土、黃壤和黃棕壤為主。全市現(xiàn)有林地面積4.32×104km2，占全市國土面積的52.4%，森林面積3.47×104km2。地帶性森林植被屬亞熱帶常綠闊葉林，但現(xiàn)有森林植被以馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柏木(Cupressusfunebris)等暖性針葉林為主，占60%以上，其次是常綠闊葉林、落葉闊葉林。

2 研究方法

監(jiān)測點設(shè)置：根據(jù)重慶市第7次森林資源清查報告(2002—2007年)，重慶市主要森林類型有針葉純林、針葉混交林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、針闊混交林、竹林等6種。然后再根據(jù)其分布及面積比例，確定各森林類型的空氣負(fù)離子監(jiān)測點位置、數(shù)量。同時，選擇重慶市解放碑商業(yè)區(qū)的監(jiān)測點作為對照。此外，對于同一森林類型監(jiān)測點的布設(shè)還要綜合考慮地理位置、海拔和優(yōu)勢樹種等因素，以力求各森林類型的空氣負(fù)離子監(jiān)測具有典型代表性。在全市共布設(shè)41個監(jiān)測點，各監(jiān)測點的基本情況見表1。

數(shù)據(jù)采集：2012年，采用便攜式空氣負(fù)離子測定儀(AIC1000)對以上各森林類型的空氣負(fù)離子進行監(jiān)測。具體為每天早上8：00—9：00，在各監(jiān)測點首先記錄天氣條件(晴天、陰天和雨天)，然后在監(jiān)測點內(nèi)固定位置的1.3 m高度處，同步測定其空氣負(fù)離子水平；每隔30 s讀取1次數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)測定20次，最后取其平均值。

數(shù)據(jù)處理：采用Excel2003軟件對數(shù)據(jù)進行處理，應(yīng)用SPSS13.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和LSD檢驗法的多重均值比較分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類型對空氣負(fù)離子水平的影響

森林類型能顯著影響空氣負(fù)離子水平(F=2 764.24，P<0.01)(表2)。所有森林類型的空氣負(fù)離子水平均顯著高于對照，說明森林生態(tài)系統(tǒng)能有效提高空氣負(fù)離子水平，改善空氣質(zhì)量。其中以針葉混交林改善空氣負(fù)離子水平的作用最強，年均值達到976個·cm-3，為對照的3.33倍；落葉闊葉林次之；針闊混交林較弱，但相比對照也提高71%。竹林、針葉純林與其它森林類型、對照之間的空氣負(fù)離子水平差異顯著(P<0.01)；其它森林類型以及對照相互之間的空氣負(fù)離子差異也均顯著(P<0.01)，但竹林和針葉純林之間的空氣負(fù)離子水平無顯著差異(P>0.05)，從大到小依次為針葉混交林、落葉闊葉林、常綠闊葉林、針葉純林、竹林、針闊混交林、對照。

表1 重慶市森林空氣負(fù)離子監(jiān)測點的基本情況

由表2可知，2012年針闊混交林的空氣負(fù)離子水平為220～1 450個·cm-3，變異系數(shù)為0.28；它與竹林、針葉純林、針葉混交林、對照監(jiān)測點的空氣負(fù)離子水平的年內(nèi)變異均達到中等變異(Cv≥0.1)，而常綠闊葉林和落葉闊葉林的空氣負(fù)離子水平年內(nèi)變化分別在699～1 153個·cm-3和663～1 318個·cm-3，年內(nèi)變異較小(Cv分別為0.06和0.08)，屬弱變異性。

表2 不同森林類型空氣負(fù)離子的統(tǒng)計值、方差分析和多重比較

森林類型最大值/個·cm-3最小值/個·cm-3標(biāo)準(zhǔn)差/個·cm-3變異系數(shù)(Cv)平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤/個·cm-3F值對照489208470．16(293±2．51)F 2764．24??針闊混交林14502201420．28(501±7．67)E竹林1073228880．12(746±4．71)Da針葉純林1123618880．12(744±4．70)Da常綠闊葉林1153699550．06(901±2．95)C落葉闊葉林1318663770．08(935±4．10)B針葉混交林1268692940．10(976±5．03)A

注：同列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；** 表示極顯著(P<0.01)。

3.2 天氣條件對空氣負(fù)離子水平的影響

天氣條件對解放碑商務(wù)區(qū)(對照)以及常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉闊葉林的空氣負(fù)離子水平均有顯著影響(P<0.01)，但對針闊混交林、竹林和針葉純林的空氣負(fù)離子水平影響不明顯(P>0.05)(表3)。

表3 不同天氣條件的空氣負(fù)離子

注：表中空氣負(fù)離子水平數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”；** 表示極顯著(P<0.01)。

對于解放碑商務(wù)區(qū)、常綠闊葉林和針葉混交林，晴天的空氣負(fù)離子水平均顯著高于陰天和雨天，但對照和針葉混交林以雨天的空氣負(fù)離子水平最低，而常綠闊葉林以陰天最低，說明對于以上監(jiān)測點，晴天更有利于空氣負(fù)離子水平的改善。落葉闊葉林則相反，不同天氣條件的空氣負(fù)離子水平從大到小排序為雨天、陰天、晴天。由表3可知，同一天氣條件下，晴天的不同森林類型空氣負(fù)離子水平從大到小排序為針葉混交林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉純林、竹林、針闊混交林、對照；陰天從大到小排序為落葉闊葉林、針葉混交林、常綠闊葉林、竹林、針葉純林、針闊混交林、對照；雨天從大到小排序為落葉闊葉林、常綠闊葉林、針葉混交林、針葉純林、竹林、針闊混交林、對照。

3.3 各森林類型空氣負(fù)離子的季節(jié)變化

季節(jié)變化對各森林類型和對照的空氣負(fù)離子均有顯著影響(P<0.01)(表4)。解放碑商務(wù)區(qū)夏季的空氣負(fù)離子水平顯著高于秋季、春季和冬季(P<0.01)，分別高16.49%、17.71%和31.40%，秋季和春季的空氣負(fù)離子水平顯著高于冬季(P<0.01)，但秋季和春季之間的差異不顯著(P>0.05)。針闊混交林春季和夏季的空氣負(fù)離子水平均與秋季、冬季有顯著差異(P<0.01)，但春季和夏季之間無顯著差異(P>0.05)、秋季與冬季之間則呈顯著差異(P<0.05)。竹林秋季的空氣負(fù)離子水平均與其它季節(jié)無顯著差異，春季和夏季之間也無顯著差異，但其冬季的空氣負(fù)離子水平顯著高于春季和夏季(P<0.05)。針葉純林春季和冬季的空氣負(fù)離子水平差異不顯著，但它們與夏季、秋季相互之間的差異均達到顯著水平(P<0.01)。常綠闊葉林冬季的空氣負(fù)離子水平與春季、夏季之間的差異達到顯著水平(P<0.01)，但與秋季之間的差異不顯著；秋季則與春季達到顯著水平(P<0.05)，與夏季之間的差異不顯著(P>0.05)。落葉闊葉林不同季節(jié)相互之間的差異均顯著，從大到小排序為秋季、夏季、春季、冬季。針葉闊葉林秋季的空氣負(fù)離子水平顯著低于其它季節(jié)(P<0.01)，夏季與冬季、春季之間有顯著差異(P<0.05)，春季均顯著高于其它季節(jié)。

表4 各森林類型空氣負(fù)離子的季節(jié)變化

注：同列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；** 表示極顯著(P<0.01)。

在季節(jié)動態(tài)中，針闊混交林、常綠闊葉林和針葉混交林的空氣負(fù)離子水平均以春季最大；解放碑商務(wù)區(qū)和針葉純林則以夏季最大；落葉闊葉林以秋季最大；竹林以冬季最大。除竹林和針葉混交林外，解放碑商務(wù)區(qū)和其它森林類型的空氣負(fù)離子水平年內(nèi)最低值均出現(xiàn)在冬季，說明在冬季解放碑商務(wù)區(qū)和其它森林類型的空氣質(zhì)量均有所下降。

3.4 森林環(huán)境空氣負(fù)離子評價

石強等[8-9]利用數(shù)學(xué)模型對森林環(huán)境空氣負(fù)離子的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，將負(fù)離子水平劃分為Ⅰ(>3 000個·cm-3)、Ⅱ(2 000～3 000個·cm-3)、Ⅲ(1 500～2 000個·cm-3)、Ⅳ(1 000～1 500個·cm-3)、Ⅴ(400～1 000個·cm-3)和Ⅵ(≤400個·cm-3)6個等級，并較好地應(yīng)用到廣州流溪河國家森林公園、北京小龍門森林公園、張家界森林公園的空氣負(fù)離子等級評價中。因此，本研究采用以上標(biāo)準(zhǔn)對重慶地區(qū)主要森林公園、自然保護區(qū)的空氣負(fù)離子水平進行等級評價。

由表5可知，2012年，除解放碑商務(wù)區(qū)的空氣負(fù)離子等級屬Ⅵ級外，其它森林類型的空氣負(fù)離子平均等級均為Ⅴ級。全市各森林公園、自然保護區(qū)的空氣負(fù)離子等級分布在Ⅲ～Ⅵ級。其中，巫溪紅池壩森林公園和江津四面山自然保護區(qū)的空氣負(fù)離子水平達到Ⅲ級，但從空氣負(fù)離子等級分布情況看(表5)，四面山的空氣負(fù)離子水平更穩(wěn)定，質(zhì)量更高；彭水茂云山森林公園等11個監(jiān)測點的空氣負(fù)離子水平達到Ⅳ級，占所有監(jiān)測點的16.83%，以萬盛黑山谷的空氣負(fù)離子質(zhì)量最好；黔江仰頭山森林公園等24個監(jiān)測點的空氣負(fù)離子水平達到Ⅴ級，占58.54%；沙坪壩歌樂山森林公園等4個監(jiān)測點的空氣負(fù)離子水平為Ⅵ級，空氣質(zhì)量較差，又以解放碑商務(wù)區(qū)的空氣負(fù)離子質(zhì)量最差。

表5 重慶地區(qū)森林環(huán)境空氣負(fù)離子評價

4 結(jié)論與討論

森林生態(tài)系統(tǒng)能通過植被的光合作用、瀑布(溪流)的噴筒效應(yīng)等方式有效增加空氣負(fù)離子水平[10]，本研究結(jié)果也表明森林環(huán)境的空氣負(fù)離子水平顯著高于對照監(jiān)測點(解放碑商務(wù)區(qū))。但空氣負(fù)離子水平不僅受森林類型[5]、林分密度[6]、林齡、郁閉度、樹高、喬—灌—草比例等植被結(jié)構(gòu)特征影響[3-4]，而且還受氣象條件(氣溫、相對濕度、風(fēng)等)[1，11]以及海拔等地形條件[5，12]的影響，同時與空氣污染等人類活動也密切相關(guān)[12-13]。因為影響空氣負(fù)離子因素的多樣性和復(fù)雜性，以及研究方法的差異性和監(jiān)測條件的局限性，致使目前森林類型對空氣負(fù)離子水平的影響結(jié)果尚無定論，不過大多數(shù)研究都認(rèn)為針葉林的空氣負(fù)離子水平高于闊葉林[14-16]。

本研究結(jié)果則表明：空氣負(fù)離子水平從大到小依次為針葉混交林、落葉闊葉林、常綠闊葉林、針葉純林、竹林、針闊混交林、解放碑商務(wù)區(qū)。由于森林植被都呈現(xiàn)一定的地帶性分布，包括水平地帶性和垂直地帶性，結(jié)合表1中各森林類型監(jiān)測點的海拔，以及重慶地區(qū)森林植被的垂直分布規(guī)律，不難發(fā)現(xiàn)其森林植被隨海拔的分布與森林類型空氣負(fù)離子的大小排序有較好的吻合性，即位于高海拔的森林類型空氣負(fù)離子水平也高。曾曙才等[12]研究也表明空氣負(fù)離子水平隨海拔增加而下降，但筆者對不同海拔的同一森林類型(馬尾松林)的空氣負(fù)離子水平進行相關(guān)分析，卻發(fā)現(xiàn)海拔與空氣負(fù)離子水平相關(guān)性并不顯著(P>0.05)，這可能還與森林類型的水平分布有關(guān)。究其原因，空氣負(fù)離子水平是動態(tài)變化的，它不僅與森林類型自身產(chǎn)出的負(fù)離子數(shù)量有關(guān)，而且還與外界空氣的負(fù)離子交換量、因顆粒物吸附而沉降的負(fù)離子量[1，17]有關(guān)；處于同一水平區(qū)域的海拔越高，通常人類活動越弱，對空氣質(zhì)量的影響也越小，然而空氣污染等人類活動會對空氣負(fù)離子產(chǎn)生負(fù)作用[12-13]。本研究的森林類型又都位于人類活動比較頻繁的森林公園和自然保護區(qū)，其空氣負(fù)離子水平的顯著差異可能很大程度上還與人類活動影響有關(guān)。

天氣條件對各森林類型空氣負(fù)離子水平的影響不同。對于常綠闊葉林和針葉混交林，晴天的空氣負(fù)離子水平顯著高于陰天和雨天，這與曾曙才等[12]研究結(jié)果一致，認(rèn)為晴天豐富的紫外線和強烈的光合作用都有助于空氣負(fù)離子的產(chǎn)生。對于落葉闊葉林，雨天的空氣負(fù)離子卻顯著高于晴天，吳甫成等[13]研究結(jié)果也表明：落葉闊葉林下雨后空氣負(fù)離子增加。然而對于針闊混交林、竹林和針葉純林，天氣陰晴對空氣負(fù)離子水平的影響則不明顯。目前，對于天氣條件對森林類型影響的這種差異性尚不清楚，還有待進一步研究。

各森林類型的空氣負(fù)離子呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化。通常認(rèn)為，夏季空氣負(fù)離子水平最高、秋季和春季次之、冬季最低[17-18]。本研究中只有針葉純林的空氣負(fù)離子季節(jié)動態(tài)與此一致。針闊混交林、常綠闊葉林和針葉混交林的空氣負(fù)離子均以春季最大；落葉闊葉林則以秋季最大，這可能與森林植被的生命活動、生長節(jié)律等有關(guān)[19]。然而，影響森林空氣負(fù)離子水平的因素很多，且其機理也很復(fù)雜，目前尚不能定量化森林類型對提高空氣負(fù)離子水平的貢獻率。今后應(yīng)進一步完善森林空氣負(fù)離子的監(jiān)測方法和手段，同時，還需同步開展森林植被特征、氣象條件、地形因子、空氣污染等方面的全面監(jiān)測，以從機理上掌握空氣負(fù)離子的空間分布。

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Air Anions Content and Its Evaluation for Main Forest Types in Chongqing/Wang Yihao, Liu Fangbing, Zhou Xiaozhou, Liu Qian, Li Bin

(Chongqing Key Laboratory of Forest Ecology, Protection and Restoration in the Three Gorges Reservoir Region, Chongqing Academy of Forestry, Chongqing 400036, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-38～42

With AIC1000 portable air anions tester, the air anion concentration of six main forest types had been measured in 41 monitoring plots of Chongqing in 2012. All forest types significantly can improve air anion content (P<0.01). The order of content is mixed conifer forest>deciduous broad-leaved forest>evergreen broad-leaved forest>coniferous forest>bamboo forest>mixed conifer-broadleaved forest>CK(Jiefangbei Business District). For evergreen broad-leaved forest and mixed conifer forest, the air anions content in sunny day is higher than that in cloudy day and rain day (P<0.01), but it is in contrast for deciduous broad-leaved forest, and the weather conditions has not a significant effect on air anions content of other forest types (P>0.05). Air anions of every forest types presents an obviously seasonal variation (P<0.01). The air anions content is the most in spring for mixed conifer-broadleaved forest, evergreen broad-leaved forest and mixed conifer forest, but it is the most in autumn for deciduous broad-leaved forest. Except bamboo forest and mixed conifer forest, air anions of other forest types are the least in winter. The air anions content mainly located in the grade of V level (400-1 000 air anions/cm-3) in the monitoring spots, and the air quality of Simian Mountains Nature Reserve is the best in all monitoring spots.

Air anions; Forest type; Chongqing

王軼浩，男，1982年4月生，重慶市三峽庫區(qū)森林生態(tài)保護與恢復(fù)市級重點實驗室(重慶市林業(yè)科學(xué)研究院)，高級工程師。

2013年8月21日。

S718.5； X173

1) 重慶市基本科研業(yè)務(wù)費專項(BS1002)、林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201004039)。

責(zé)任編輯：戴芳天。