香溪洞公園主要林分生長季負(fù)氧離子及PM2.5濃度日變化特征研究

趙寶鑫，榮 海

(1.安康市林業(yè)技術(shù)推廣中心；2.陜西化龍山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，陜西 安康 725000)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，伴隨著現(xiàn)代人生活節(jié)奏加快、生態(tài)危機(jī)、城市病等的不斷出現(xiàn)，由此引發(fā)的各種身心疾病正在危機(jī)城市居民的健康。而空氣是人類生存的第一要素，其質(zhì)量與人類健康息息相關(guān)。近些年，越來越多的人們開始回歸自然，并且意愿愈發(fā)強(qiáng)烈，親近森林逐漸成為現(xiàn)代城市人群舒緩心境、釋放壓力的一種新的趨勢。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在維持碳氧平衡、改善人居環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候、健康保健等方面發(fā)揮著積極作用，其生態(tài)服務(wù)功能十分突出[1]。森林中負(fù)氧離子被譽(yù)為“空氣維生素”，對人的生命活動(dòng)及身心健康有著重要影響，而且能夠吸附、沉降空氣污染物和懸浮顆粒[2,3]。目前在我國許多城市都開展了空氣質(zhì)量的監(jiān)測和研究工作，而對不同林分類型的負(fù)氧離子和PM2.5日變化規(guī)律的同步研究并不多見。安康市林業(yè)資源豐富，為“國家森林城市”，空氣環(huán)境質(zhì)量常年位于陜西省前列。本文以安康市休閑游憩地—香溪洞公園為研究區(qū)域，探索不同林分類型的負(fù)氧離子和PM2.5濃度日變化特征及其與氣象因子的相關(guān)性，以期客觀評價(jià)區(qū)域空氣環(huán)境狀況，為市民開展森林體驗(yàn)和游憩提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域基本情況

香溪洞公園位于安康市城區(qū)南部山區(qū)，距城區(qū)3 km，屬于低山丘陵區(qū)，地形較為復(fù)雜，海拔300～500 m，地勢南高北低，東高西低，脊、峰平緩，切割深度一般在100～500 m之間，坡度東南向多在25°以下，西北向坡度較陡多在40°以下，并沿河谷延伸到中山之間，土壤為黃褐土多崖性土和薄層土。區(qū)域內(nèi)植被茂密、生態(tài)環(huán)境良好，分布有大面積人工林和天然次生林，林種豐富多樣，共有植物67科143屬198種，鵝掌楸(Liriodendronchinense)、樟樹(Cinnamomumcamphora)、棕櫚(Travchycarpusfortunei)、合歡樹(Albiziajulibrissin)、喜樹(Camptothecaacuminata)、毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.)Mitfordcv.Pubescens)、榆樹(Uluspumila)、樟樹、紅皮樺、柳杉(Cryptomeriafortunei)、青檀(Pteroceltistatarinowii)、楓樹(Acerpalmatum)、桂花(Osmanthusfragrans)均有分布，主要樹種以櫟類和馬尾松(Pinusmassoniana)為主，覆蓋率90%以上。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

在林分類型調(diào)查基礎(chǔ)上，確定櫟類闊葉林、馬尾松針葉林、櫟類馬尾松針闊混交林、毛竹林為香溪洞公園代表性林分，在各林分類型中選擇1個(gè)代表性林地(樣地)，在每個(gè)樣地內(nèi)部設(shè)置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)調(diào)查觀測點(diǎn)的地理坐標(biāo)、樹種組成、林分郁閉度等(表1)。

表1 香溪洞公園林分監(jiān)測點(diǎn)基本情況

2.2 試驗(yàn)方法

2017 年7—8月選擇晴朗無風(fēng)的天氣觀測；8:00—18:00每隔2 h監(jiān)測1次，在同一位置的東西南北4 個(gè)方向、距地面50 cm處測定負(fù)氧離子濃度和PM2.5濃度，每次監(jiān)測時(shí)長負(fù)氧離子為5 min，PM2.5為1 min，重復(fù)5次，同時(shí)檢測記錄空氣溫度、相對濕度；監(jiān)測設(shè)備為CW-HAT200 手持式 PM2.5 速測儀和KEC900+手持式負(fù)氧離子測定儀。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)為算術(shù)平均數(shù)，利用Microsoft Excel 軟件和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分負(fù)氧離子濃度和PM2.5日均值差異性比較

從圖1可看出，香溪洞公園4種林分負(fù)氧離子濃度值范圍為2 281 ～2 613個(gè)·cm-3，由高到低為針闊混交林>闊葉林>竹林>針葉林，其中闊葉林與針闊混交林之間差異不顯著(p>0.05),二者分別與針葉林和竹林差異顯著(p<0.05)，4種林分負(fù)氧離子濃度均超世界衛(wèi)生組織規(guī)定清新空氣的標(biāo)準(zhǔn)(1 000～1 500個(gè)·cm-3)。4種主要林分PM2.5濃度為7.9 ～24.3 μg·m-3，由低到高依次是闊葉林<針闊混交林<竹林<針葉林，針葉林與其他三種林分差異顯著(p<0.05)，4種林分PM2.5濃度均低于國家一級日均值標(biāo)準(zhǔn)(35 μg·m-3)；從負(fù)氧離子濃度和PM2.5濃度指標(biāo)來看，香溪洞公園4種主要林分空氣質(zhì)量優(yōu)良，其中闊葉林和針闊混交林質(zhì)量最好，其次為竹林，針葉林空氣質(zhì)量相對最差，可能與林分樹種組成及其葉面積指數(shù)等因素有關(guān)。

圖1 不同林分負(fù)氧離子和PM2.5濃度日均值差異比較

3.2 不同林分PM2.5濃度日變化特征

從圖2可看出，針葉林白天各時(shí)段PM2.5濃度值均高于20 μg·m-3，其他三種林分各時(shí)段濃度均低于15 μg·m-3，白天中的所有時(shí)段針葉林都高于其他3種林分；4種林分日變化濃度峰值基本出現(xiàn)在中午時(shí)段，最低值多集中在上午，原因可能是中午時(shí)分氣溫升高加速了空氣中物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致PM2.5濃度偏高，上午氣溫低，空氣中物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)緩慢，同時(shí)，植物通過蔭蔽和蒸騰作用可以一定程度增加細(xì)顆粒物的重量和黏性[4]，加速其沉降；而針闊混交林由于郁閉度較大，其內(nèi)部PM2.5變化較其他林分相對滯后，濃度最低值出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。此外，相關(guān)研究證明[5]，竹林對PM2.5的吸附性較差，因此PM2.5濃度變化不明顯。

圖2 不同林分PM2.5濃度日變化規(guī)律

3.3 不同林分負(fù)氧離子濃度日變化特征

圖3顯示，四類林分白天空氣負(fù)氧離子濃度整體均呈現(xiàn)“早晚高，中午低”的變化趨勢。不同林分峰值出現(xiàn)時(shí)間不盡一致，針闊混交林和竹林在8:00，針葉林和闊葉林在18:00左右。這可能與林分郁閉度有關(guān)，針闊混交林和竹林郁閉度大，有利于生成和積累形成高濃度的負(fù)氧離子[6-7]，而針葉林和闊葉林相對稀疏，多來源于下午時(shí)段的林內(nèi)負(fù)氧離子積累。此外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)公園內(nèi)桂花園林分郁閉度達(dá)到0.9，其林內(nèi)負(fù)氧離子日均濃度值超過3 000個(gè)·cm-3以上，其峰值也同樣出現(xiàn)在早晨8:00前后。

圖3 不同林分負(fù)氧離子日變化曲線

3.4 負(fù)氧離子、PM2.5與溫濕度相關(guān)性分析

由表2可知，空氣負(fù)氧離子、PM2.5、溫度、濕度均存在不同程度的相關(guān)關(guān)系。其中，PM2.5與溫度呈顯著正相關(guān)；而負(fù)氧離子與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，與相對濕度呈顯著正相關(guān),可見水體景觀有利于營造良好的負(fù)氧離子環(huán)境[8]。此外，負(fù)氧離子和PM2.5也表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與多數(shù)研究結(jié)果一致[9-16]。

表2 負(fù)氧離子、PM2.5與溫濕度相關(guān)系數(shù)

注：“*”表示在 0.05 水平上顯著相關(guān);“**”表示在 0.01 水平上顯著相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

通過對四種林分負(fù)氧離子和PM2.5日均值濃度研究發(fā)現(xiàn)，四種林分負(fù)氧離子日均值濃度均超過2 000個(gè)·cm-3，達(dá)到了國家Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)[17]，濃度由高到低依次為針闊混交林(2 613個(gè)·cm-3)>闊葉林(2 581個(gè)·cm-3)>竹林(2 431個(gè)·cm-3)>針葉林(2 281個(gè)·cm-3)，PM2.5日均值濃度均低于國家一級日均值標(biāo)準(zhǔn)(35 μg·m-3)，由低到高依次為闊葉林(7.9 μg·m-3)<針闊混交林(8.8 μg·m-3)<竹林(9.0 μg·m-3)<針葉林(24.3 μg·m-3)。這與鄧成等[18]研究結(jié)論中的林分次序一致。由此可見，林分群落結(jié)構(gòu)和林種相對復(fù)雜的針闊混交林更有利于負(fù)氧離子的生成，在改善空氣環(huán)境質(zhì)量方面效果更好。而夏季闊葉林對細(xì)顆粒物的吸附要好于針葉林，這與邵海榮[19]等研究北京地區(qū)3 年的空氣負(fù)離子濃度時(shí)空變化的實(shí)測資料結(jié)果相一致，說明闊葉林的單位葉面積更大，對空氣顆粒物的吸附更有效。因此，在今后的植樹造林及城市綠地建設(shè)中，要充分考慮不同林分和樹種組成在改善空氣質(zhì)量方面的差異性，根據(jù)不同區(qū)域因地制宜、適地適樹，在車流量、粉塵量大的區(qū)域要注重常綠闊葉林的栽植，充分發(fā)揮其良好的滯塵效果；在森林康養(yǎng)和游憩地中要適當(dāng)增加喬木種植密度，豐富樹種組成，提高針闊混交林比例，改善區(qū)域內(nèi)空氣環(huán)境舒適度，提升城市森林的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

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