廣東省云勇森林公園6種林分保健功能差異比較

趙 慶，錢萬惠，唐洪輝，楊 清，嚴(yán) 俊

（廣東省林業(yè)科學(xué)研究院 廣東省森林培育與保護(hù)利用重點實驗室，廣東 廣州510520）

森林保健是指依托城市森林生態(tài)系統(tǒng)，開展調(diào)節(jié)人類生理和心理狀況的健康活動［1］。眾多研究已經(jīng)表明，森林環(huán)境對部分生理和心理疾病有著良好的療效［2－3］。不同森林在滯塵、釋放負(fù)氧離子和揮發(fā)植物精氣等功能上存在差異，因此，分析評價不同森林保健功能水平，既是保健森林建設(shè)的核心，也是基于保健功能的森林結(jié)構(gòu)調(diào)整和功能提升的前提條件。以往關(guān)于森林保健的研究多重點圍繞森林保健的概念、特征進(jìn)行探討［4-5］，研究案例多選擇單一指標(biāo)來評價森林的保健功能水平［6-11］。這些研究雖對森林保健功能評價、機制分析以及變化規(guī)律作了深入研究，但該類方法未能從多個維度，即對多種林分類型、多個保健因子以及多個時間段進(jìn)行綜合評價，這恰是開展森林保健建設(shè)中篩選森林保健樹種、優(yōu)化森林結(jié)構(gòu)所急需的。本研究以廣東省佛山市云勇森林公園為例，利用體感舒適度等級、空氣離子、空氣顆粒物質(zhì)量濃度和植物精氣相對含量等4個指標(biāo)構(gòu)建森林保健功能評價方法，分析森林保健功能在不同時間段的差異，為珠三角國家森林城市群建設(shè)篩選森林保健樹種、優(yōu)化森林的保健功能提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

云勇森林公園位于廣東省佛山市高明區(qū)（22°45′21″～22°46′43″N， 112°37′46″～112°39′34″E）， 總面積為2 007.8 hm2，是全國首批17家 “中國森林體驗基地”之一。該區(qū)南亞熱帶季風(fēng)氣候明顯，雨熱同季，干濕分明，日照偏少，年均氣溫為22.6℃，年均降水量為1 800 mm。該區(qū)地勢屬丘陵地帶，溝谷幽深，溪澗眾多，地形復(fù)雜多變，土壤中大部分為花崗巖風(fēng)化的赤紅壤，有機質(zhì)含量較豐富。區(qū)內(nèi)植被種類多，以鄉(xiāng)土闊葉樹種為主，主要包括濕地松Pinus elliottii，木荷Schima superba，樟樹Cinnamomum camphora， 灰木蓮Magnolia blumei， 尾葉桉Eucalyptus urophylla， 杉木Cunninghamia lanceolata， 陰香Cinnamomum burmannii，黧蒴錐Castanopsis fissa等。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

選擇云勇森林公園陰香林、灰木蓮林、濕地松林、黧蒴錐林、尾葉桉林和闊葉混交林這6種在珠三角城市近郊森林景觀建設(shè)中常用的林分類型作為研究樣本。每種林分設(shè)置1個樣地，共計6個樣地。具體如下：①陰香林。面積為1.5 hm2，喬木層95%以上為陰香，林內(nèi)伴有少量的木荷、火力楠Michelia macclurei，郁閉度為0.9。②灰木蓮林。面積為1.7 hm2，喬木層95%以上為灰木蓮，林內(nèi)伴有少量的杉木Cunninghamia lanceolata，火力楠，郁閉度為0.9。③濕地松林。面積為2.0 hm2，喬木層100%為濕地松，郁閉度為0.8。④黧蒴錐林。面積為1.8 hm2，喬木層95%以上為黧蒴錐，林內(nèi)伴有少量的木荷，郁閉度為0.9。⑤尾葉桉林。面積為1.9 hm2，喬木層100%為尾葉桉，郁閉度為0.7。⑥闊葉混交林。面積為1.9 hm2，喬木層主要為細(xì)葉榕Ficus microcarpa，米老排Mytilaria laosensis，大葉紫薇Lagerstroemia speciosa，火焰木Spathodea campanulata，鳳凰木Delonix regia等，郁閉度為0.9。

2.2 取樣方法

選擇在2017年5月上旬進(jìn)行野外數(shù)據(jù)測定。本研究旨在分析不同林分的保健功能，因此，將取樣時間確定在人群活動密集的時段，即10：00－16：00。采樣時間段的天氣狀況相似，都為多云天氣。試驗期間氣溫為 23.9～29.7 ℃，空氣濕度為 71.0%～96.7%， 風(fēng)力＜1 級。 在試驗日的 10：00，12：00， 14：00，15：00，16：00分別對6種林分進(jìn)行小氣象數(shù)據(jù)、空氣離子、空氣顆粒物等3種指標(biāo)采樣，對所選林分所在山地的上中下坡位各選取3個采樣點，間距≥100 m，采樣高度為距離地面1.5 m處 （風(fēng)速采樣高度為2.0 m）。植物精氣的測定采用動態(tài)頂空采集法，將儀器懸掛在林內(nèi)1.5 m處，連續(xù)對林內(nèi)空氣采樣6 h。

2.3 指標(biāo)計算方法

2.3.1 體感舒適度等級 以氣溫、相對濕度和風(fēng)速等3種氣象數(shù)據(jù)綜合評價體感舒適度［12］，氣象數(shù)據(jù)的測定使用小型氣象站 Kestrel 4500。S=0.6×|T－24|+0.07×|HR－70|+0.5×|V－2|。 其中：S為綜合舒適度指數(shù)，T為氣溫（℃），HR為相對濕度（%），V為2 m高處風(fēng)速（m·s－1）。體感舒適程度等級劃分：S≤4.55為“很舒適”（very comfortable）， 4.55＜S≤6.95 為 “舒適”（comfortable）， 6.95＜S≤9.00 為 “不舒適”（uncomfortable），S＞9.00 為 “極不舒適”（very uncomfortable）。

2.3.2 空氣離子評價指數(shù) 采用KEC-900+空氣離子測試器監(jiān)測，針對同一采樣點的東南西北4個方向進(jìn)行測量，待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后每個方向取5個具代表性的波峰值，求得算術(shù)平均值，并用森林空氣離子評價指數(shù)公式評價森林空氣離子等級［13］。P=n－/（n－+n+），IFC=（n－/1 000）×P。 其中：IFC為森林空氣離子評價指數(shù)；P為空氣負(fù)離子系數(shù)；n+為正離子質(zhì)量濃度；n－為負(fù)離子質(zhì)量濃度。森林空氣離子評價指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級（IFC≥2.4），Ⅱ級（1.4≤IFC＜2.4），Ⅲ級（0.9≤IFC＜1.4），Ⅳ級（0.5≤IFC＜0.9）， Ⅴ級（0.16≤IFC＜0.5），Ⅵ級（IFC＜0.16）。當(dāng)森林空氣離子等級為Ⅵ級時，表明空氣已受到一定程度的污染，對健康不利；當(dāng)森林空氣離子等級為Ⅴ級時，表明此時的空氣對人體既無多大危害，亦無多大益處，屬于允許質(zhì)量濃度范圍；當(dāng)森林空氣離子等級為Ⅳ級及以上時，空氣對人體健康是有益的，屬于保健質(zhì)量濃度范圍。

2.3.3 環(huán)境空氣顆粒物 指標(biāo)根據(jù)GB3095－2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對空氣顆粒物一級質(zhì)量濃度限值的規(guī)定以及HJ/T194－2005《環(huán)境空氣質(zhì)量手工監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》對間斷采樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選取了3種空氣顆粒物指標(biāo)：細(xì)顆粒物（PM2.5），可吸入顆粒物（PM10），總懸浮顆粒物（TSP），進(jìn)行間斷采樣測定。空氣顆粒物指標(biāo)采用美國Met One Instruments-Aerocet 531進(jìn)行檢測。該儀器為粒子計數(shù)和重量檢測二合一儀器。選擇重量模式測試森林中PM2.5，PM10，TSP質(zhì)量濃度，每次采樣3次重復(fù)取平均值，重復(fù)間的間距≥5 m。

2.3.4 植物精氣指標(biāo) 選用中國科學(xué)院華南植物園提供的有機揮發(fā)物吸附裝置，林內(nèi)空氣經(jīng)過取樣器，取樣器每分鐘通過的空氣體積一致，有機揮發(fā)物將吸附在玻璃管吸附層，采樣完畢后，將吸附管妥善密封保存并及時用氣象質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）分析，對照標(biāo)準(zhǔn)譜庫，兼顧保留時間并參考已有的文獻(xiàn)資料進(jìn)行篩選及確認(rèn)，結(jié)合峰面積歸一化法計算不同林分中各類植物精氣的相對含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 體感舒適度分析

根據(jù)體感舒適度評價差異特征可知（圖1）：陰香林的綜合舒適指數(shù)為1.64～2.67，體感舒適等級均為“很舒適”；灰木蓮林的綜合舒適指數(shù)為1.25～3.12，體感舒適等級均為 “很舒適”；濕地松林的綜合舒適指數(shù)為3.71～4.73，10：00時的體感舒適等級處于 “舒適”，其余4個時間點的體感舒適等級均為 “很舒適”；黧蒴錐林的綜合舒適指數(shù)為3.47～4.30，體感舒適等級均為 “很舒適”；尾葉桉林的綜合舒適指數(shù)為2.92～4.66，16：00時的體感舒適等級為 “舒適”，其余4個時間點的體感舒適等級均為 “很舒適”；闊葉混交林的綜合舒適指數(shù)為3.38～5.07，15：00時的體感舒適等級處于 “舒適”，其余4個時間點的體感舒適等級均為 “很舒適”。6種林分的體感舒適度等級總體上均處在 “舒適”及以上水平。隨著時間推移，陰香林、灰木蓮林、尾葉桉林以及黧蒴錐林的綜合舒適指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢，而濕地松林和闊葉混交林的綜合舒適指數(shù)呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的趨勢。

3.2 森林空氣離子評價指數(shù)分析

根據(jù)空氣離子指數(shù)差異特征可知（圖2），陰香林的空氣離子評價指數(shù)IFC為0.63～1.26，10：00時的IFC等級為Ⅲ級，其余4個時間點的IFC等級均為Ⅳ級；灰木蓮林的IFC為0.16～0.95，12：00時的IFC等級為Ⅴ級，15：00時的IFC等級為Ⅲ級，其余3個時間點的IFC等級均為Ⅳ級；濕地松林的IFC為0.96～1.27，IFC等級均為Ⅲ級；黧蒴錐林的IFC為0.68～0.99，14：00時的IFC等級為Ⅲ級，其余4個時間點的IFC等級均為Ⅳ級；尾葉桉林的IFC為0.49～0.76，16：00時的IFC等級為Ⅴ級，其余4個時間點的IFC等級均為Ⅳ級；闊葉混交林的IFC為 0.40～1.49，14：00時的IFC等級為Ⅴ級，10：00和 15：00時的IFC等級為Ⅱ級， 而 12：00和16：00時的IFC等級為Ⅳ級。6種林分的空氣離子指數(shù)等級總體上處在Ⅲ級和Ⅳ級水平，具有一定的保健作用。陰香林、闊葉混交林的IFC峰值出現(xiàn)在10：00和15：00，尾葉桉林、黧蒴錐林、灰木蓮林以及濕地松林的IFC峰值出現(xiàn)在 14：00－15：00。

圖1 體感舒適度評價Figure 1 Evaluation of human comfort index

圖2 空氣離子指數(shù)評價Figure 2 Evaluation of air ion index

3.3 空氣顆粒物質(zhì)量濃度指標(biāo)分析

由圖 3 可知： 陰香林的 PM2.5質(zhì)量濃度為 10.25～17.75 μg·m－3， PM10質(zhì)量濃度為 27.15～48.40 μg·m－3，TSP質(zhì)量濃度為32.45～82.35 μg·m－3，均在一級質(zhì)量濃度限值范圍內(nèi)；灰木蓮林的 PM2.5質(zhì)量濃度為11.75～14.60 μg·m－3， PM10質(zhì)量濃度為 31.45～43.00 μg·m－3， TSP 質(zhì)量濃度為 37.25～62.45 μg·m－3， 均在一級質(zhì)量濃度限值范圍內(nèi)；濕地松林的PM2.5質(zhì)量濃度為 20.10～56.45 μg·m－3，PM10質(zhì)量濃度為49.40～103.40 μg·m－3， TSP 質(zhì)量濃度為 57.20～112.10 μg·m－3， PM2.5在 15：00 和 16：00 超出一級質(zhì)量濃度限值范圍，PM10除了10：00外均超出一級質(zhì)量濃度限值范圍；黧蒴錐林的PM2.5質(zhì)量濃度為21.50～43.05 μg·m－3，PM10質(zhì)量濃度為 47.55～76.45 μg·m－3， TSP 質(zhì)量濃度為 52.20～85.00 μg·m－3， PM2.5在 15：00 和 16：00 超出一級質(zhì)量濃度限值范圍，PM10除了10：00外均超出一級質(zhì)量濃度限值范圍；尾葉桉林的PM2.5質(zhì)量濃度為 18.80～34.15 μg·m－3，PM10質(zhì)量濃度為 53.85～75.35 μg·m－3，TSP 質(zhì)量濃度為 66.25～83.40 μg·m－3， PM10超出一級質(zhì)量濃度限值范圍；闊葉混交林的PM2.5質(zhì)量濃度為18.10～29.75 μg·m－3，PM10質(zhì)量濃度為51.90～71.15 μg·m－3， TSP 質(zhì)量濃度為 59.45～78.60 μg·m－3， PM10超出一級質(zhì)量濃度限值范圍。 6 種林分的PM2.5和TSP總體上處在一級質(zhì)量濃度限值范圍內(nèi)，濕地松林、黧蒴錐林、尾葉桉林和闊葉混交林的PM10均超過了一級質(zhì)量濃度限值。隨著時間推移，陰香林、灰木蓮林、尾葉桉林以及闊葉混交林的空氣顆粒物質(zhì)量濃度變化較為平穩(wěn)，而濕地松林和黧蒴錐林的空氣顆粒物質(zhì)量濃度呈逐漸上升的趨勢。

3.4 植物精氣GC-MS分析

通過分離鑒定林分內(nèi)部的空氣，6種林分的植物揮發(fā)物樣品中共檢測植物精氣類物質(zhì)11種（表1）。6種林分所釋放植物精氣相對含量均較低，其中陰香林釋放5種（相對含量為8.15%），主要為醛類物質(zhì)（6.74%）；灰木蓮釋放3種（3.01%），主要為醛類物質(zhì)（2.03%）；濕地松釋放4種（3.92%），主要為醛類（3.64%）物質(zhì)；尾葉桉釋放3種（2.91%），主要為醛類物質(zhì)（2.14%）；黧蒴錐釋放4種物質(zhì)（7.99%），主要為醇類物質(zhì)（7.45%）；闊葉林釋放3種（1.91%），主要為醛類物質(zhì)（1.25%）。

3.5 森林保健功能綜合分析

圖3 空氣顆粒物評價Figure 3 Evaluation of atmospheric particulate matter

表1 植物精氣相對含量Table 1 Relative content of phytoncide

將每個時間點同時滿足人體舒適度達(dá)到 “很舒適”、空氣負(fù)離子指數(shù)達(dá)到Ⅳ級以上、PM2.5在一級質(zhì)量濃度限制范圍內(nèi)這3個條件的林分初步篩選為具有一定保健功能的林分。結(jié)果表明：5個不同時間點，保健功能表現(xiàn)較好的林分各有不同（表2），具體表現(xiàn)為10：00時，陰香林、灰木蓮林、尾葉桉林、黧蒴錐林和闊葉混交林的保健功能表現(xiàn)較好；12：00時，陰香林、濕地松林、尾葉桉林、黧蒴錐林和闊葉混交林的保健功能表現(xiàn)較好；14：00時，陰香林、灰木蓮林、濕地松林、尾葉桉林和黧蒴錐林的保健功能表現(xiàn)較好；15：00時，陰香林、灰木蓮林和黧蒴錐林的保健功能表現(xiàn)較好；16：00時，陰香林、灰木蓮林和闊葉混交林的保健功能表現(xiàn)較好。其中，陰香林5個時間點的保健功能均表現(xiàn)良好，灰木蓮林和黧蒴錐林有4個時間點的保健功能表現(xiàn)良好，尾葉桉林和闊葉混交林有3個時間點的保健功能表現(xiàn)良好，濕地松林僅有2個時間點的保健功能表現(xiàn)良好。因此，通過體感舒適度等級、空氣負(fù)離子指數(shù)、PM2.5質(zhì)量濃度和植物精氣相對含量等4個指標(biāo)進(jìn)行評判，發(fā)現(xiàn)陰香林和黧蒴錐林的綜合保健功能在6種林分中表現(xiàn)最為突出。

4 討論

森林保健功能的發(fā)揮是一個復(fù)雜多因子綜合作用的過程，加上各種研究采用的采樣和分析方法不同，研究結(jié)果存在一定的差異。晏海等［14］用THOM提出的不舒適指數(shù)（DI）對8個植物群落的體感舒適度進(jìn)行評價，綜合舒適指數(shù)均呈先上升后下降的趨勢，并表現(xiàn)為差異不顯著。這與本研究所得出的不同樹種林分體感舒適度較為復(fù)雜的結(jié)果并不一致。2個研究同樣包含了針葉樹種和闊葉樹種，但本研究所選用指標(biāo)為陸鼎煌等［12］建立的綜合舒適度指標(biāo)，除了溫度、濕度這2個影響人體舒適程度的因子外，還包含了風(fēng)速的因子，能夠較真實地反映人的體感。因此，2個研究結(jié)果的差異可能是選擇了不同指標(biāo)引起的。

空氣離子指數(shù)的研究表明：6種林分的空氣離子指數(shù)出現(xiàn)的峰值時間不同，不同林分的空氣離子指數(shù)具有一定差異，這與周斌等［15］的研究結(jié)果一致。但本次試驗尚未開展不同林分的不同密度、樹高和胸徑以及森林郁閉度等因子對空氣離子指數(shù)的影響研究，因此本試驗只能說明樣地所在林分的空氣離子指數(shù)差異。

濕地松林和黧蒴錐林的空氣顆粒物指標(biāo)變化趨勢與其他4種林分類型不同，這與傅偉聰?shù)龋?1］、吳志萍等［16］研究結(jié)果不一致。本研究在試驗過程中發(fā)現(xiàn)濕地松林和黧蒴錐林的林內(nèi)相對濕度較高，其中濕地松林在5個時間點的相對濕度為89.0%～96.7%，平均相對濕度為93.1%，黧蒴錐林在5個時間點的相對濕度為85.6%～95.7%，平均相對濕度為89.8%。這與李燦等［17］的研究結(jié)果相吻合。相對濕度增加導(dǎo)致空氣顆粒物吸濕變大，且可以促進(jìn)直徑≤1.0 μm細(xì)顆粒物聚成較大顆粒物，導(dǎo)致顆粒物粒徑分布向大的方向偏移。這表明濕地松林和黧蒴錐林空氣顆粒物指標(biāo)與其他4種森林類型的趨勢不同可能是林內(nèi)相對濕度差異較大造成的。

6種林分的植物揮發(fā)物樣品中共檢測出11種植物精氣成分，每種林分植物精氣總相對含量均小于10%，其中陰香林的相對含量最高為8.15%，闊葉混交林的相對含量最低為1.91%，濕地松林為針葉樹林，其植物精氣相對含量僅為陰香林的二分之一，這與馬楠［18］、鄧小勇［19］研究結(jié)果差異較大，這可能與植物精氣的收集方法有關(guān)。謝小洋等［18］和馬楠［19］對植物精氣的收集是采用活體植物動態(tài)頂空套袋法，而鄧小勇［20］則選用固相微萃取收集法，這2種方法直接完整地收集植物體內(nèi)或者釋放出的揮發(fā)性有機物，但均借助一定的外力，無法模擬自然狀態(tài)下植物體內(nèi)有機物揮發(fā)并被人體所吸收的過程。本研究所測定的是模擬植物自然狀態(tài)下釋放到林分空氣中的植物精氣，對于森林保健功能的研究具有更好的直接指導(dǎo)意義。

表2 不同林分保健功能綜合評價Table 2 Comprehensive evaluation of forest health

5 結(jié)論

研究表明，林分內(nèi)的相對濕度對體感舒適度和空氣顆粒物濃度均有影響。相對濕度增長至70%時，最有利于人體獲得最佳的體感舒適度；隨著相對濕度進(jìn)一步增長，綜合舒適指數(shù)將逐步升高，從而將會降低體感舒適度等級，但此時直徑≤1.0 μm細(xì)顆粒物逐漸聚成直徑＞2.5 μm的較大顆粒物，致使PM2.5質(zhì)量濃度下降。因此，發(fā)揮森林保健功能需充分關(guān)注林分內(nèi)相對濕度的最優(yōu)閾值。

通過對不同林分保健功能的綜合分析來看，建群樹種以及監(jiān)測時間的不同，導(dǎo)致森林所表現(xiàn)的保健功能具有一定差異。云勇森林公園內(nèi)，10：00-14：00分別有5種林分的保健功能表現(xiàn)良好，建議游客在此時間段選擇在保健功能較強的林分內(nèi)開展游憩活動。

從植物精氣的相對含量來看，通過模擬植物自然狀態(tài)下釋放到林分空氣中的植物精氣相對含量是較低的，因此，還需進(jìn)一步研究有利于植物精氣積累的森林小環(huán)境營建與林分結(jié)構(gòu)配置。

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