基于保健因子和動(dòng)物曠場(chǎng)試驗(yàn)的毛竹林生態(tài)保健功能研究

王 茜，王 成，董建文

城市森林保健功能是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分，主要指城市森林為維持居民健康所提供的各種服務(wù)。這些服務(wù)不單純指常見的固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙等森林生態(tài)系統(tǒng)功能，也包括城市森林在降溫增濕、緩解城市熱島效應(yīng)、降低污染凈化空氣、釋放對(duì)人體健康有益揮發(fā)物等方面產(chǎn)生的綜合效應(yīng)［1-2］。歐美等發(fā)達(dá)國家對(duì)城市森林保健功能的相關(guān)研究已經(jīng)取得豐富的成果，如德國、美國、日本等發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)70年代就對(duì)森林保健功能進(jìn)行了深入研究，并從醫(yī)學(xué)角度探索森林對(duì)人體所具有的治療、康復(fù)、保健和療養(yǎng)功能，把森林對(duì)人體的保健功能稱作“森林醫(yī)學(xué)”［3-4］，因此保健型園林的營建涉及到園林、醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)、生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的交叉［5］。我國對(duì)此研究起步較晚，目前主要是單因子保健功能研究［6-7］，而綜合空氣溫濕度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度、空氣顆粒物濃度、植物釋放有機(jī)揮發(fā)物等其他保健因子，并與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的跨學(xué)科研究還不多見。

毛竹(Phyllostachys pubescens)是中國南方主要的森林資源，具有巨大的生態(tài)價(jià)值，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、保持生物多樣性等方面發(fā)揮著重要的作用［8］。目前對(duì)于毛竹的研究主要集中在光合特性、固碳釋氧、降溫增濕、林內(nèi)揮發(fā)物種類、空氣顆粒物濃度變化規(guī)律等單項(xiàng)保健因子的研究［9］，而對(duì)其林內(nèi)一年四季生態(tài)保健功能的綜合研究較少。為此，筆者以毛竹林為研究對(duì)象，分析其年四季生態(tài)保健因子的變化規(guī)律，并通過曠場(chǎng)試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)森林保健因子對(duì)動(dòng)物行為學(xué)的影響，為毛竹保健型園林的營建，以及引導(dǎo)公眾在其內(nèi)適時(shí)適地進(jìn)行各項(xiàng)健身活動(dòng)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福州旗山森林公園位于閩侯南嶼境內(nèi)(119°6'28'E，26°4'08'N)，面積 3 587 hm2，無霜期達(dá) 326 d，年均溫度16～20℃，年均日照數(shù)1 700～1 980 h，年降水量900～2 100 mm，年相對(duì)濕度約77%，海拔500～900 m。研究樣地選在位于旗山森林公園海拔720 m高處的毛竹純林，竹高9～15 m，胸徑11～25 cm，郁閉度0.96。地被覆蓋以山杜鵑(Rhododendron sp.)、杜莖山(Maesa japonica)等為主，植物群落調(diào)查方法參照《植物群落清查的主要內(nèi)容、方法和技術(shù)規(guī)范》［10］，在毛竹林內(nèi)設(shè)置6個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)相隔5 m，呈“品”字形排列。林內(nèi)樣地及其植物種類概況見表1。

1.2 指標(biāo)測(cè)定及評(píng)價(jià)方法

2014年4月－2015年4月于春季、夏季、秋季、冬季4個(gè)季節(jié)分別選擇晴朗無風(fēng)的天氣10 d，每天7:00至次日5:00每隔2 h對(duì)毛竹林內(nèi)的空氣溫濕度、風(fēng)速、光照、顆粒物濃度等環(huán)境因子進(jìn)行同步觀測(cè)，每個(gè)時(shí)刻每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)3次，同一時(shí)刻的環(huán)境因子取3次觀測(cè)的平均值，毛竹林內(nèi)各環(huán)境因子的季節(jié)變化取10 d觀測(cè)的平均值。具體的采集儀器和評(píng)價(jià)方法如下:

表1 林內(nèi)樣地概況Table 1 Situations of sample plots

1.2.1 人體舒適度指數(shù) 人體舒適度指標(biāo)涉及空氣溫度、濕度和風(fēng)速3個(gè)氣象指標(biāo)，測(cè)試儀器采用美國產(chǎn)的NK5920便攜式氣象測(cè)定儀(Kestrel 3500 pocket weather meter):溫度測(cè)定范圍為－30～60℃，分辨率為0.1℃;相對(duì)濕度測(cè)定范圍為0～100%，分辨率為 0.1%RH;風(fēng)速測(cè)定范圍為 0.40～40 m·s－1，分辨率為0.1 m·s－1。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)待儀器顯示的數(shù)值穩(wěn)定后連續(xù)讀取3組數(shù)據(jù)。人體舒適度指數(shù)的計(jì)算方法參照陸鼎煌［11］提出的綜合舒適度指數(shù)公式:

式中，S為綜合舒適度指數(shù);T為氣溫(℃);RH為相對(duì)濕度(%);V為風(fēng)速(m·s－1)。將舒適度等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)，舒適度指數(shù)越小，人體感覺舒適程度越高，反之越低。

1.2.2 空氣顆粒物 用英國生產(chǎn)的 Dustmate粉塵監(jiān)測(cè)儀測(cè)定人體平均呼吸高度1.2～1.5 m處空氣TSP(d≤100 μm，總懸浮顆粒物)、PM10(d≤10 μm，可吸入顆粒物)、PM2.5(d≤2.5 μm，可入肺顆粒物)和 PM1.0 濃度(d≤1.0 μm，可吸入細(xì)顆粒物)。每次采樣時(shí)間為2 min，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)每個(gè)時(shí)間段連續(xù)讀取3組數(shù)值，取平均值。

1.2.3 林內(nèi)揮發(fā)物的采集與分析 毛竹林內(nèi)四季揮發(fā)物的采集選擇晴朗無風(fēng)的天氣，分別于2014年4月20－21日(春季)、6月15－16日(夏季)、9月3－4日(秋季)、12月 11－12日(冬季)，從早 7:00－次日5:00每隔2 h采集1次。通過開放式氣體采集法，采用QC-1型大氣采樣儀對(duì)竹林中揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行采樣，揮發(fā)物的分析鑒定采用ATD-GC/MS(自動(dòng)熱脫附-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用)來完成。揮發(fā)物的質(zhì)譜數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)內(nèi)的NIST2008標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫檢索和質(zhì)譜數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)照，綜合保留時(shí)間信息確定組分，并將總離子流色譜圖中的各峰面積進(jìn)行歸一化法計(jì)算，得到揮發(fā)物中各成分的相對(duì)含量。具體計(jì)算公式如下:

各揮發(fā)物成分的相對(duì)含量(%)=該物質(zhì)峰面積/植物總揮發(fā)物峰面積之和 (2)1.2.4 小白鼠曠場(chǎng)試驗(yàn)(OFT) 在監(jiān)測(cè)森林環(huán)境指標(biāo)的基礎(chǔ)上通過動(dòng)物曠場(chǎng)試驗(yàn)，探究其在毛竹林內(nèi)生活一段時(shí)間后自發(fā)行為、探索行為和焦慮狀況等生理指標(biāo)變化規(guī)律。按照小白鼠的生活習(xí)性和生理特點(diǎn)選擇2014年9月13－22日晴朗無風(fēng)的天氣10 d，9:00－15:00分別在實(shí)驗(yàn)室(對(duì)照組)和竹林中心(處理組)選擇庇蔭處懸掛10只小白鼠(雌雄分開)。懸掛期間(9:00－15:00)不飲水、不進(jìn)食，15:00之后將2組小白鼠取回實(shí)驗(yàn)分析室，放入曠場(chǎng)箱中觀察自發(fā)行為，每批動(dòng)物觀察5 min，每天記錄每只籠子內(nèi)小白鼠的糞便粒數(shù)［12］。所需試驗(yàn)材料如下:

1)試驗(yàn)動(dòng)物:由福州吳氏試驗(yàn)動(dòng)物中心提供的昆明種小白鼠，5周齡，體質(zhì)量在18～22 g，雌雄各半，共20只。在實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)1周，每5只同性別的小白鼠飼養(yǎng)在30 cm×18 cm×16 cm的規(guī)格籠具中，期間供應(yīng)充足的水和飼料;

2)室內(nèi)外模擬箱:為了預(yù)防老鼠糞便灑落，將規(guī)格為28 cm×15 cm×17 cm的捕鼠籠進(jìn)行改造，在底部加木板固定，頂部兩端用細(xì)鐵絲連接，便于鼠籠在林中和室內(nèi)懸掛;

3)動(dòng)物自發(fā)行為測(cè)試系統(tǒng):曠場(chǎng)試驗(yàn)分析采用由攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、圖像采集分析軟件3部分組成的Super-Maze動(dòng)物行為視頻分析系統(tǒng)［12］?？赏瑫r(shí)追蹤8只小白鼠的自發(fā)活動(dòng)情況，并記錄小白鼠活動(dòng)錄像及軌跡圖。本試驗(yàn)將自發(fā)活動(dòng)箱底分為十六宮格，其中6、7、10、11為中央格區(qū)域，其他為周邊區(qū)域(圖1)。

圖1 十六宮格示意Fig.1 Schematic of the sixteen grids

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 舒適度指數(shù)變化規(guī)律、顆粒物濃度變化規(guī)律以及主要揮發(fā)物成分的統(tǒng)計(jì)應(yīng)用Microsoft Excel 2010進(jìn)行圖表制作，小白鼠自發(fā)行為影響分析采用 SPSS 21.0、Origin 9.0 和 Microsoft Excel 2010軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢查、統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作，并應(yīng)用one way ANOVA單因素方差對(duì)組間差異進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 人體舒適度指數(shù)的四季變化

從圖2看出，4個(gè)季節(jié)光照強(qiáng)度的日變化均呈倒“V”形，且日均值大小順序?yàn)橄募荆敬杭荆厩锛荆径荆募救站捣謩e比春、秋、冬季高25%、31%和43%。四季光照強(qiáng)度的峰值均出現(xiàn)在13:00左右，低谷值出現(xiàn)在早晚，且冬季與春季、夏季在9:00－15:00時(shí)間段差異顯著(P＜0.05);四季風(fēng)速的日變化沒有明顯規(guī)律，但春、秋季節(jié)的日均值高于冬、夏季日均值，且白天高于夜晚，在7:00、15:00，夏季與其他3個(gè)季節(jié)差異顯著(P＜0.05);四季空氣溫度的日變化相對(duì)平穩(wěn)，全天所有時(shí)刻氣溫值均是夏季＞春季＞秋季＞冬季，冬季全天各個(gè)時(shí)刻均與夏季、春季差異顯著(P＜0.05)，夏季日均值分別比春、秋、冬季高28%、35%和47%;四季相對(duì)濕度日變化與光照強(qiáng)度相反呈“V”形，高峰值出現(xiàn)在早晚，低谷值出現(xiàn)在11:00－13:00，夏季相對(duì)濕度的日均值最高，秋季次之，冬季最低，冬季與夏季、秋季在11:00－19:00時(shí)間段差異顯著(P＜0.05)。

圖2 毛竹林內(nèi)四季小氣候變化規(guī)律Fig.2 The small climate variation patterns of P.pubescens forest in four seasons

表2 毛竹林內(nèi)四季人體氣候舒適度等級(jí)評(píng)價(jià)Table 2 The evaluation of human climate comfort level in four seasons of P.pubescens forest

從表2四季人體舒適度等級(jí)評(píng)價(jià)來看:春季屬于“很舒適”、“舒適”和“不舒適”等級(jí)的時(shí)間段分別占 33.3%、16.7%和50%，其中 11:00－17:00 時(shí)間段屬于“很舒適”等級(jí);夏季全天各個(gè)時(shí)段均屬于“很舒適”等級(jí)，適合游客在竹林里休息、游憩;秋季屬于“舒適”等級(jí)的時(shí)間段占8.4%，屬于“不舒適”和“極不舒適”的時(shí)間段分別占 58.3%和33.3%;冬季屬于“舒適”等級(jí)的時(shí)間段占8.4%，屬于“不舒適”和“極不舒適”的時(shí)間段分別占41.6%和50%，因?yàn)槎救齑蟛糠謺r(shí)間氣溫較低、風(fēng)速較大，人體感覺不舒適，不適合在此休息和游憩。

2.2 空氣顆粒物濃度四季變化

4個(gè)季節(jié)空氣顆粒物濃度的日變化均呈“W”狀，其中 TSP、PM10、PM2.5 顆粒物日均濃度大小為冬季＞秋季＞夏季＞春季，PM1.0日均濃度大小為冬季＞夏季＞秋季＞春季(圖3)。大粒徑顆粒物TSP和PM10的濃度冬季分別比春、夏、秋季高53%、32%、18%和 66%、38%、21%;小粒徑顆粒物PM2.5和PM1.0的濃度冬季分別比春、夏、秋季高82%、66%、47%和88%、58%、67%。從四季4種顆粒物濃度的日變化規(guī)律可以得出，冬季全天大部分時(shí)刻(除了TSP濃度 21:00－23:00冬季＜秋季以外)顆粒物濃度均大于其他3個(gè)季節(jié)，且TSP濃度的日均值冬季極顯著＞春季(P＜0.01)，PM10濃度的日均值冬、秋季極顯著＞春季(P＜0.01)，而 PM2.5 和 PM1.0 濃度日均值冬季顯著高于夏、秋季節(jié)(P＜0.05)，且極顯著高于春季(P＜0.01)。從空氣顆粒物污染程度評(píng)價(jià)來看:春季 TSP、PM2.5 濃度和夏、秋季 PM2.5 濃度日均值屬于“清潔”等級(jí);夏、秋、冬季的TSP和PM10濃度以及冬季的PM2.5濃度的日均值均屬于“中等”等級(jí)。

圖3 4種粒徑空氣顆粒物濃度的四季節(jié)變化Fig.3 The variations of four kinds of air particulate mattes in four seasons

2.3 不同季節(jié)林內(nèi)揮發(fā)物(VOCs)的主要成分

毛竹林內(nèi)揮發(fā)物的主要成分共37種，包括烷烴、烯烴、醇、醛、酯、酮、呋喃、芳香烴等物質(zhì)(表3)。春季揮發(fā)物種類最多為22種，夏季次之為20種，秋季19種，冬季最少為17種。從相對(duì)含量來看，以烷烴、烯烴、醇類物質(zhì)為主，總含量達(dá)74.31%，且春、夏季主要揮發(fā)物的相對(duì)含量顯著高于秋、冬季(P＜0.05)，其中對(duì)人體健康有益的揮發(fā)物如月桂烯、長葉烯烴、B-蒎烯、石竹烯等［13-14］，春、夏季含量較高分別為46.71%和52.74%。可見毛竹林內(nèi)空氣中有益揮發(fā)物種類和含量都比較豐富，尤其是春、夏季釋放的有益揮發(fā)物對(duì)于游客緩解疲勞、身心健康、強(qiáng)身健體起到積極的促進(jìn)作用。

2.4 毛竹林環(huán)境對(duì)小白鼠自發(fā)行為的影響

依據(jù)小白鼠本身的生理特點(diǎn)、生活習(xí)性，將前5 d視為其探索階段，后5 d為適應(yīng)階段。從反映其精神狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)總路程來看:經(jīng)竹林環(huán)境處理的小白鼠(以下簡稱處理組)運(yùn)動(dòng)總路程＞對(duì)照組，10 d試驗(yàn)中，第2、3、4天處理組與對(duì)照組差異極顯著(P＜0.01)，第 5、9、10 天處理組與對(duì)照組差異顯著(P＜0.05)，說明經(jīng)竹林“沐浴”后的小白鼠興奮性增強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)量明顯增加，精神狀態(tài)得到了很好的改善。從反映其認(rèn)知能力的中央格運(yùn)動(dòng)路程、中央格運(yùn)動(dòng)時(shí)間、進(jìn)入次數(shù)來看:10 d試驗(yàn)中均是處理組＞對(duì)照組，且大部分時(shí)間兩者差異顯著，說明小白鼠經(jīng)過竹林處理后探索、認(rèn)知能力明顯增強(qiáng)［15-16］。

表3 毛竹林四季主要揮發(fā)物的化學(xué)成分Table 3 The major chemical components of volatiles in four seasons of P.pubescens forest

2種環(huán)境條件下生活的小白鼠在曠場(chǎng)試驗(yàn)箱中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直觀表示見圖5。典型軌跡圖中，小白鼠被放入曠場(chǎng)箱中的起始位置用藍(lán)點(diǎn)代表，在曠場(chǎng)箱中運(yùn)動(dòng)的終止位置用紅點(diǎn)代表。10 d典型軌跡圖的選取代表2種試驗(yàn)條件下的平均水平。總體來看，在毛竹林中懸掛處理組比較活躍，尤其在探索階段運(yùn)動(dòng)軌跡比空白對(duì)照組要復(fù)雜得多，在十六宮格中的分布較平均，不僅僅集中在周邊區(qū)域。經(jīng)過毛竹林處理的小白鼠在中央格區(qū)域涉足的頻率較高，總路程相對(duì)較大，這與前述的結(jié)論一致，表明小白鼠經(jīng)過毛竹林內(nèi)環(huán)境處理后的運(yùn)動(dòng)量以及精神狀態(tài)明顯優(yōu)于對(duì)照組［15］。

3 結(jié)論與討論

圖4 2種試驗(yàn)條件下小鼠自發(fā)行為指標(biāo)的變化Fig.4 Spontaneous behavior indicators of rats under two kinds of test conditions

圖5 小白鼠在2種試驗(yàn)條件下的典型軌跡Fig.5 A typical trajectory of rats in the two experiment conditions

從舒適度等級(jí)評(píng)價(jià)來看，毛竹林內(nèi)春、夏季屬于“舒適”或“很舒適”的時(shí)間段長于秋、冬季。這主要是由于春、夏季竹林枝葉生長旺盛，葉面積指數(shù)較大，竹林龐大的林冠層在地面與大氣之間不僅形成了綠色的調(diào)溫器，而且增加了林內(nèi)相對(duì)濕度，有效降低了林內(nèi)風(fēng)速，形成了獨(dú)特的森林小氣候［17］。這與邵永昌［18］等、趙仲輝［19］等的研究結(jié)果一致。反之，秋、冬季由于林冠層枝葉全部干枯或脫落，缺少枝葉的遮擋，林內(nèi)空氣對(duì)流和散熱加速，導(dǎo)致氣溫較低、風(fēng)速較大、相對(duì)濕度較小，全天大部分時(shí)間(尤其是早晚)人體感覺“不舒適”或“極不舒適”。陳亞鋒［20］對(duì)毛竹林一年四季小氣候變化的研究也證明了上述結(jié)論。

TSP、PM10、PM2.5顆粒物日均濃度大小為冬季＞秋季＞夏季＞春季，PM1.0日均濃度大小為冬季＞夏季＞秋季＞春季。冬、秋季一方面由于植物干枯、生理活性弱，吸附和降低顆粒物能力較差，另一方面冬季附近居民采暖，燃燒木材、煤球等燃料，使得空氣污染更加嚴(yán)重，此外，冬季逆溫層最厚，強(qiáng)度最大，出現(xiàn)頻率最高，持續(xù)時(shí)間最長，促使污染物難以擴(kuò)散［21］。與上述情況相反，夏、春季林內(nèi)枝葉茂盛，葉面積較大，葉片的氣孔、絨毛、溝槽等微型結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)顆粒物有較強(qiáng)的吸附作用［22］，此外，夏、春季雨水增多，降雨對(duì)空氣顆粒物有沖刷和稀釋作用。但是對(duì)于PM1.0濃度的削減率，夏季低于秋、春季的主要原因可能是福州夏季氣溫較高，光化學(xué)反應(yīng)生成的二次氣溶膠速度隨之加快，而二次氣溶膠對(duì)可入肺顆粒物(PM1.0)濃度的增加起到積極的促進(jìn)作用［23］，呂鈴鑰［24］等的研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

毛竹林內(nèi)一年四季主要揮發(fā)物的種類和相對(duì)含量均是夏季＞春季＞秋季＞冬季，主要原因是植物生長和酶活性的季節(jié)差異。李娟［25］等、來雨晴［26］的研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。造成這種季節(jié)差異的主要原因是:春季植物開始萌芽、復(fù)蘇，新陳代謝活動(dòng)加強(qiáng)，光合、呼吸作用旺盛，合成的次生物質(zhì)較多［27］，采集氣體中總揮發(fā)物相對(duì)含量為 64.49%;到了夏季是毛竹枝繁葉茂的時(shí)期，光合作用增強(qiáng)，酶活性增強(qiáng)，生成和釋放的揮發(fā)物最多，相對(duì)含量達(dá)到峰值為69.16%;進(jìn)入秋季毛竹開始轉(zhuǎn)入衰弱期，植物生理活性弱，釋放的揮發(fā)物種類和含量都明顯下降，相對(duì)含量僅為25.4%;到了冬季毛竹枝葉干枯、脫落，幾乎進(jìn)入休眠階段，生理活性極其緩慢，產(chǎn)生和釋放的植物揮發(fā)物種類更少［28］，相對(duì)含量也最少僅為 17.31%。

生態(tài)保健功能最終目的是服務(wù)于人，本研究借用動(dòng)物模擬試驗(yàn)從動(dòng)物的行為學(xué)和心理學(xué)角度入手，分析了保健型園林環(huán)境對(duì)動(dòng)物健康的影響。結(jié)果顯示:與對(duì)照組相比小鼠的運(yùn)動(dòng)量明顯增加、精神狀態(tài)得到很好的改善、認(rèn)知能力增強(qiáng)等。引起小白鼠一系列行為指標(biāo)變化的原因主要是毛竹林釋放大量的有益揮發(fā)物，例如萜烯類和醇類化合物使小鼠的精神狀態(tài)得到了放松［29］，這與王艷英［30］等的試驗(yàn)結(jié)果一致;其次是毛竹林有降溫、增濕作用，反映到小白鼠的行為學(xué)上即緊張感降低、情緒穩(wěn)定，食欲大增，這與孫啟祥［31］等對(duì)杉木的研究和高巖［32］對(duì)油松、白皮松的研究結(jié)果一致，即植物的有益揮發(fā)物能降低人體的心率、血壓，使人體處于放松狀態(tài)，情緒松弛、緊張緩解，對(duì)某些疾病的預(yù)防和治療有積極的促進(jìn)作用。通過對(duì)香樟林、白皮松林和側(cè)柏林等植物群落釋放的BVOCs對(duì)小白鼠進(jìn)行OFT試驗(yàn)，結(jié)果同樣證明月桂烯、D-檸檬烯等萜烯類和醇類化合物等林內(nèi)有益揮發(fā)物有助于提高小白鼠心理運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，對(duì)大腦思維活動(dòng)產(chǎn)生積極影響，提高了小白鼠的探索能力［30，33-34］。