石門(mén)國(guó)家森林公園負(fù)離子濃度動(dòng)態(tài)變化及評(píng)價(jià)*

高瑤瑤 熊詠梅 潘勇軍

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程加快，嚴(yán)重影響了我國(guó)的空氣質(zhì)量。大氣污染造成人類(lèi)的精神壓力大、身體健康指數(shù)下降等嚴(yán)重后果[1～2]，能夠使人精神放松、舒適度高、空氣清新的場(chǎng)所受到更多青睞。因而森林生態(tài)旅游、森林健康療養(yǎng)、森林負(fù)離子浴等逐漸進(jìn)入人們的視野[3～4]。森林凈化大氣的生態(tài)功能主要為提供負(fù)氧離子，降低空氣中粉塵、懸浮顆粒物及氣體污染物，同時(shí)可消滅空氣中的有害細(xì)菌[4]。森林降解和凈化空氣主要通過(guò)對(duì)源頭污染物滯納、過(guò)濾、阻滯、分化，并且植物尖端效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)離子能夠吸收結(jié)合空氣污染物落入土壤中[5]。因此，空氣負(fù)氧離子是反映大氣質(zhì)量的主要指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)對(duì)空氣負(fù)離子濃度的監(jiān)測(cè)始于1980年[6～7]。李安伯等[8]認(rèn)為海邊的空氣負(fù)氧離子濃度＞森林＞礦泉性質(zhì)療養(yǎng)院。陳錫林等[9]的研究結(jié)果表明，森林負(fù)離子濃度大于城鎮(zhèn)。吳楚材等[10～11]監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，馬尾松純林中負(fù)氧離子濃度可達(dá)1200～2000個(gè)/cm3。蘇樹(shù)權(quán)[12]的研究則表明不同植物搭配結(jié)構(gòu)的負(fù)離子濃度由大到小排序?yàn)閱坦嗖莼旌狭?、喬灌混合林、單層喬木、喬草混合、灌草混合、單層灌木、單層草被。但至今?duì)華南地區(qū)城市森林公園空氣質(zhì)量研究不足，尤其是負(fù)離子的探究。因此在廣州市石門(mén)國(guó)家森林公園開(kāi)展負(fù)離子濃度時(shí)空變化規(guī)律及空氣質(zhì)量評(píng)估研究，可為城市森林公園凈化大氣機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為促進(jìn)森林生態(tài)旅游、森林浴、森林健康療養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)途徑[13～14]提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石門(mén)國(guó)家森林公園位于廣州市從化區(qū)東北部（23°36′50″N ～23°39′20″N，113°46′16″E～113°49′17″E）， 東 面 與南昆山自然保護(hù)區(qū)相連，西是從化溫泉風(fēng)景區(qū)，北與廣州陳禾洞省級(jí)自然保護(hù)區(qū)、流溪河國(guó)家森林公園相望，總面積2636 hm2，森林覆蓋率達(dá)98.9%。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，年平均降雨量約2000 mm，集中在4—9月，占全年降水的80% 以上，冬暖夏涼，具有明顯的山地氣候特征，年均氣溫為 21℃，夏季比廣州市區(qū)的溫度低6～8℃，年氣候舒適度達(dá)200天以上。森林公園土壤條件良好，溫濕疏松，隨海拔分布著山地紅壤、山地赤紅壤、山地黃壤、山地草甸土等。公園生物多樣性高，已知有維管植物1090種，蕨類(lèi)植物106種，裸子植物976 種[15]。

2 研究方法

2.1 觀測(cè)點(diǎn)選擇

通過(guò)查閱石門(mén)國(guó)家森林公園相關(guān)資料并結(jié)合實(shí)地踏查篩選后，確定5種典型生境類(lèi)型為監(jiān)測(cè)樣地，分別是花海（草本群落）、湖心島（靠近水體）、竹林、竹闊混交林、國(guó)際森林浴場(chǎng)（常綠闊葉林）。各樣地面積為20 m×20 m，且坡度較緩，適合開(kāi)展森林游憩活動(dòng)，每塊樣地采用對(duì)角線法設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，作為3個(gè)重復(fù)（表1）。

2.2 觀測(cè)方法

通過(guò)分析對(duì)比廣州市近年來(lái)的氣象資料，根據(jù)歷年來(lái)的降雨量與降雨頻率，劃分旱季和雨季作為廣州市的典型天氣，跟蹤記錄天氣預(yù)報(bào)并在監(jiān)測(cè)日記錄天氣實(shí)況，經(jīng)篩選后將天氣實(shí)況與要選擇的天氣類(lèi)型相符的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為典型天氣的代表數(shù)據(jù)。旱季和雨季的觀測(cè)時(shí)間分別為2018年11—12月和2019年6—7月，各選擇5天典型天氣，旱季選擇“連續(xù)晴天”，雨季選擇“雨后晴天”。

觀測(cè)期間，每天同步監(jiān)測(cè)5種生境空氣負(fù)氧離子。采用日本KEC-900便攜式負(fù)離子檢測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)定 范圍 10～1999000 個(gè) /cm3，共3檔可調(diào)，S檔 0～2×104個(gè) / cm3、M 檔 2×104～2×105 萬(wàn)個(gè) /cm3、L 檔2×105～199×104 個(gè) /cm3。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)取東南西北4個(gè)方向的平均值，測(cè)定時(shí)將儀器平放在高度1.3～1.5 m的三腳架上，從8:00—18:00連續(xù)監(jiān)測(cè)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每小時(shí)監(jiān)測(cè)1次，全天監(jiān)測(cè)11次，每次在整點(diǎn)前后10 min內(nèi)完成，在東西南北4個(gè)方向進(jìn)行4次重復(fù)，每次重復(fù)記錄30個(gè)數(shù)據(jù)。

表1 監(jiān)測(cè)樣地分布概況

2.3 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)空氣負(fù)離子濃度與負(fù)離子保健濃度等級(jí)[16]（表2）進(jìn)行健康保健評(píng)價(jià)。

3 分析與評(píng)價(jià)

3.1 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣負(fù)離子時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

經(jīng)監(jiān)測(cè)，石門(mén)國(guó)家森林公園康養(yǎng)基地平均負(fù)離子濃度為3667個(gè)/cm3，雨季（3930個(gè)/cm3）大于旱季（3404個(gè)/cm3），且存在差異（P＜0.05）。負(fù)離子旱雨季變化主要原因有：1）植物在茂盛期與生長(zhǎng)期光電效應(yīng)強(qiáng)烈，尖端放電以及產(chǎn)生芬多精類(lèi)物質(zhì)與促進(jìn)負(fù)離子形成有關(guān)；2）雨季（6—7月）溫度高、降雨量大，多雷電天氣，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，相互之間碰撞幾率增大，氧氣被電離的能力加強(qiáng)，負(fù)氧離子增多，負(fù)離子濃度升高；3）在旱季，森林公園內(nèi)靜風(fēng)頻率相對(duì)較高，大氣層穩(wěn)定，容易出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象，這樣有礙于污染物的擴(kuò)散，使得負(fù)離子濃度降低。

石門(mén)森林公園各監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)離子濃度較高（圖1），數(shù)據(jù)均在1000個(gè)/cm3以上。在旱季，石門(mén)國(guó)家森林公園負(fù)離子濃度排序?yàn)樯衷?chǎng)＞湖心島＞竹闊混交林＞花海＞竹林，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間存在顯著差異（P＜0.01）。其中森林浴場(chǎng)負(fù)離子濃度是竹林的4.91倍、花海的3.46倍、竹闊混交林的1.85倍、湖心島的1.71倍。在雨季，負(fù)離子濃度排序?yàn)樯衷?chǎng)＞竹闊混交林＞竹林＞湖心島＞花海，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間存在顯著差異（P＜0.01）。其中森林浴場(chǎng)負(fù)離子濃度是花海的10.90倍、湖心島的8.30倍、竹林的6.31倍、竹闊混交林的2.58倍。森林浴場(chǎng)在旱季和雨季負(fù)離子濃度均最大，尤其在雨季濃度超過(guò)10000個(gè)/cm3，主要是因?yàn)樯衷?chǎng)植被多樣性較高，喬灌草自然搭配，較少出現(xiàn)生態(tài)位空缺，植物蒸騰作用和光合作用強(qiáng)烈，森林浴場(chǎng)中氧分子較多，易于結(jié)合電子形成負(fù)離子；并且浴場(chǎng)隨山體分布存在數(shù)量較多的山澗溪流和地下河流，水分子在跌落、沖擊和噴濺時(shí)，因高速運(yùn)動(dòng)而發(fā)生斷裂，水分子被截?cái)嗪髱д姾?，周?chē)諝夥肿訋ж?fù)電荷，形成空氣負(fù)離子。花海、湖心島負(fù)離子濃度低于森林浴場(chǎng)是由于兩地游客量大，產(chǎn)生較多的較大顆粒物和CO2，負(fù)離子會(huì)對(duì)其進(jìn)行吸附并在重力作用下滯塵。此外，湖心島水面平靜，雖然負(fù)離子有所增加，但難以達(dá)到動(dòng)態(tài)水流的效果，而花海植被豐富度較低，都是一二年生草本花卉，植物光合作用與呼吸作用弱于喬灌木，且為“破碎狀”分布，不利于負(fù)離子產(chǎn)生和存活。

圖1 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣負(fù)離子分布

圖2 旱季不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣負(fù)離子日變化

表2 空氣負(fù)離子保健濃度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣負(fù)離子日變化規(guī)律

在旱季，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體上表現(xiàn)出的規(guī)律是早上負(fù)離子濃度均有增加，中午濃度下降，下午再次增加（圖2）。森林浴場(chǎng)負(fù)離子濃度日變化呈“M”型曲線，在9:00達(dá)到最大值11292個(gè)/cm3，11:00出現(xiàn)最小值為4797個(gè)/cm3，日較差為6495個(gè)/cm3；湖心島負(fù)離子濃度日變化呈“U”型曲線，在12:00出現(xiàn)最小值為1622個(gè)/cm3，最大值出現(xiàn)在17:00，為6108個(gè)/cm3，日較差為4486個(gè)/cm3；竹闊混交林負(fù)離子濃度日變化呈正弦曲線變化，最大值在16:00，為5078個(gè)/cm3，最小值在11:00，為2414個(gè)/cm3，日較差為2664個(gè)/cm3；花海負(fù)離子濃度日變化呈波動(dòng)多峰曲線，最大值在17:00，為2610個(gè)/cm3，最小值在9:00，為1057個(gè)/cm3，日較差為1553個(gè)/cm3；竹林負(fù)離子濃度日變化呈波動(dòng)增長(zhǎng)曲線，增長(zhǎng)趨勢(shì)平緩，最大值在18:00，為2560個(gè)/cm3，最小值在8:00，為481個(gè)/cm3，日較差為2079個(gè)/cm3。旱季不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間日較差排序?yàn)樯衷?chǎng)＞湖心島＞竹闊混交林＞竹林＞花海。花海的日較差最小主要是因?yàn)橹脖灰圆荼緸橹?，產(chǎn)生負(fù)離子濃度低，游客活動(dòng)頻繁降低負(fù)離子存活率。

在雨季，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間日變化規(guī)律差異較大（圖3），主要由植被種類(lèi)、植被結(jié)構(gòu)、地形、游客活動(dòng)頻率等因素導(dǎo)致。森林浴場(chǎng)負(fù)離子濃度日變化呈“U”型曲線，在9:00達(dá)到最大值24083個(gè)/cm3，12:00出現(xiàn)最小值為5245個(gè)/cm3，日較差為18838個(gè)/cm3；竹闊混交林負(fù)離子濃度日變化呈波動(dòng)增長(zhǎng)曲線，最大值在18:00，為9955個(gè)/cm3，最小值在9:00，為887個(gè)/cm3，日較差為9068個(gè)/cm3；竹林負(fù)離子濃度日變化呈“M”型曲線，8:00—9:00出現(xiàn)最小值為609個(gè)/cm3，最大值在11:00和13:00同時(shí)出現(xiàn)，均為2906個(gè)/cm3，日較差為2297個(gè)/cm3；湖心島負(fù)離子濃度日變化呈波動(dòng)下降曲線，在9:00出現(xiàn)最大值為2626個(gè)/cm3，最小值在14:00，為756個(gè)/cm3，日較差為1870個(gè)/cm3；花海負(fù)離子濃度日變化呈倒“U”型曲線，最大值在14:00，為1751個(gè)/cm3，16:00出現(xiàn)最小值為482個(gè)/cm3，日較差為1269個(gè)/cm3。雨季不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間日較差排序?yàn)樯衷?chǎng)＞竹闊混交林＞竹林＞湖心島＞花海。

表3 石門(mén)國(guó)家森林公園空氣負(fù)離子等級(jí)評(píng)價(jià)

3.3 石門(mén)國(guó)家森林公園空氣負(fù)離子保健功能評(píng)價(jià)

石門(mén)國(guó)家森林公園監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)離子保健濃度等級(jí)均不低于Ⅴ級(jí)（表3）。無(wú)論在旱季還是雨季，森林浴場(chǎng)在時(shí)段8:00—18:00的負(fù)離子等級(jí)均達(dá)到Ⅰ級(jí)，空氣清新，對(duì)健康很有利；竹闊混交林在雨季11:00—18:00負(fù)離子等級(jí)達(dá)到Ⅰ級(jí)，在旱季12:00開(kāi)始也達(dá)到Ⅰ級(jí)；湖心島在旱季達(dá)到Ⅰ級(jí)的時(shí)間段有64%，在雨季的負(fù)離子指標(biāo)相對(duì)較低；竹林達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上的雨季時(shí)間段有64%，旱季時(shí)間段有55%；花海在旱季8:00—18:00的負(fù)離子等級(jí)基本達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上，雨季達(dá)到Ⅳ級(jí)及以上的時(shí)間段占55%。

4 結(jié)果與討論

石門(mén)國(guó)家森林公園康養(yǎng)基地旱季和雨季負(fù)離子平均濃度為3667個(gè)/cm3，雨季＞旱季，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)離子濃度較高，均在1000個(gè)/cm3以上，說(shuō)明該區(qū)域負(fù)離子濃度適合康養(yǎng)保健。

旱季石門(mén)國(guó)家森林公園負(fù)離子濃度排序?yàn)樯衷?chǎng)＞湖心島＞竹闊混交林＞花海＞竹林，雨季為森林浴場(chǎng)＞竹闊混交林＞竹林＞湖心島＞花海。森林浴場(chǎng)負(fù)離子濃度遠(yuǎn)高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要是植被結(jié)構(gòu)的多樣性，石門(mén)森林公園溫度和濕度都適合大部分植物雨季和旱季生長(zhǎng)，植物與太陽(yáng)輻射發(fā)生光合作用（光化學(xué)過(guò)程），為空氣電離水分（光電效應(yīng)）產(chǎn)生負(fù)離子提供途徑。

森林浴場(chǎng)在景區(qū)正常開(kāi)放時(shí)間負(fù)離子等級(jí)均達(dá)到最高級(jí)別，空氣清新、有利健康，可以改善神經(jīng)衰弱、失眠，通暢心腦血管，降低血液粘稠度，提高人體免疫力[17]。旱季和雨季，石門(mén)國(guó)家森林公園休閑旅游路線推薦為森林浴場(chǎng)-竹闊混交林-竹林-花海-湖心島，均可達(dá)到享受負(fù)離子的目的。