夏季竹類植物群落冠層結(jié)構(gòu)對空氣負離子濃度的影響

吳仁武　舒也　晏?！↑S若之　江曉薇　包志毅

摘要：隨著城鎮(zhèn)化進程加快和人口急劇增長，人類一系列的生產(chǎn)、生活更加頻繁，經(jīng)濟迅猛發(fā)展的同時加劇了人居環(huán)境空氣質(zhì)量的惡化?？諝庳撾x子（NAI）作為綜合反映空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，在改善空氣質(zhì)量方面有顯著的效果。在城市環(huán)境中，城市綠化是產(chǎn)生空氣負離子的主要載體，而綠化植物中竹類植物群落中的空氣負離子濃度相較于其他植物明顯較高。選擇杭州竹文化園中9種園林常見竹類植物群落作為研究對象，測量空氣正負離子濃度、群落冠層結(jié)構(gòu)（葉面積指數(shù)LAI、冠層覆蓋度CC、天空可視度SVF）。采用多元回歸分析定量出不同變量因子對于空氣負離子濃度及空氣質(zhì)量評價指標(biāo)變化的相對貢獻，探究三者之間的相互關(guān)系以及群落冠層結(jié)構(gòu)對于空氣負離子與空氣質(zhì)量評價指標(biāo)的影響。結(jié)果表明：夏季時竹類植物群落與對照點相比，日平均空氣負離子濃度與空氣質(zhì)量評價指標(biāo)均達到了極顯著差異。群落冠層結(jié)構(gòu)中葉面積指數(shù)和冠層蓋度越大，天空可視度越小，則群落內(nèi)的空氣負離子濃度和空氣質(zhì)量評價指標(biāo)越高。空氣負離子濃度和空氣質(zhì)量評價指標(biāo)（CI）與葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度、天空可視度的多元回歸方程分別為NAI=375.751-7.709LAI+715.668CC+298.244SVF，CI=-0.249+0.29LAI+1.386CC+0.711SVF。未來在設(shè)計竹類植物群落時，設(shè)計師可以根據(jù)多元回歸預(yù)測模型來預(yù)計群落內(nèi)的空氣負離子濃度和空氣質(zhì)量，為園林設(shè)計的生態(tài)性提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：竹類植物;空氣負離子;冠層結(jié)構(gòu);預(yù)測模型

中圖分類號： S795文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0118-08

收稿日期：2018-07-22

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：51508515）。

作者簡介：吳仁武（1987—），男，湖南臨湘人，博士研究生，工程師，主要從事植物景觀規(guī)劃設(shè)計和園林植物應(yīng)用研究。E-mail：wurenwu0034@163.com。

通信作者：包志毅，博士，教授，主要從事植物景觀規(guī)劃設(shè)計和園林植物應(yīng)用研究。E-mail：bao99928@188.com。

隨著經(jīng)濟迅猛發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程加快，人口急劇增加，人類的一系列生產(chǎn)、生活活動加劇了人居環(huán)境空氣質(zhì)量的惡化[1-2]。工業(yè)化過程中的我國，空氣污染問題正深刻影響著居民的身體健康?！?010年全球疾病負擔(dān)評估》專家組聯(lián)合主席Aaron Cohen指出，過去20年內(nèi)我國空氣污染所致的疾病負擔(dān)增加了33%，僅2010年20%的肺癌就由空氣污染造成[3]。2014年全國監(jiān)測161座城市中空氣受到污染或接近輕度污染的城市有89座，占55%以上;1年空氣質(zhì)量指數(shù)相對較低的城市有28座，占17.39%，空氣質(zhì)量優(yōu)良的城市比例甚至不到20%[4]。

空氣負離子（NAI）是大氣中帶負電荷的單個氣體分子或離子團的總稱[5]?？諝庳撾x子作為綜合反映空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，在改善空氣質(zhì)量方面有顯著的效果，被譽為“空氣維生素和生長素”[6-7]?？諝庳撾x子具有多種抗菌作用和生物學(xué)效應(yīng)，對七大系統(tǒng)的30多種疾病有抑制、緩解或輔助治療作用，在殘疾人的康復(fù)治療中也起到了重要作用[8-14]。Ni等的研究表明，空氣負離子濃度在700個/cm3以上可以滿足人體生理需求，濃度在1 000個/cm3以上時對人體健康有益，濃度在10 000個/cm3以上時可以治療某些疾病[15]。

在針對空氣負離子產(chǎn)生機制的研究中發(fā)現(xiàn)，空氣負離子主要有3種產(chǎn)生方式[16]：一是大氣受紫外線、宇宙射線、放射物質(zhì)、雷雨、風(fēng)暴、土壤和空氣放射線等因素的影響發(fā)生電離而被釋放出的電子，經(jīng)過地球吸收后再釋放出來，很快又與空氣中的中性分子結(jié)合，從而成為負離子;二是在瀑布沖擊、波浪拍打、暴雨跌落等自然過程中，水在重力作用下高速流動，水分子裂解而產(chǎn)生負離子;三是樹木的葉枝尖端放電及綠色植物光合作用形成的光電效應(yīng)，使空氣電離而產(chǎn)生的負離子[17]。而在城市環(huán)境中，空氣負離子的產(chǎn)生主要在綠地的植物或水體中，因此，對于城市綠地中的空氣負離子濃度與影響因子的研究非常重要。

Wu等的研究表明，在城市環(huán)境中，城市綠地的空氣負離子含量可達無植物區(qū)的上百倍[18-19]，有林地區(qū)空氣負離子濃度明顯高于無林地區(qū)[20]。在對影響空氣負離子濃度因素的研究中，植物群落內(nèi)的溫濕度改變會影響空氣負離子濃度的變化。然而，空氣負離子與氣象要素的關(guān)系十分復(fù)雜，研究者得出的結(jié)論也不盡相同。在森林游憩區(qū)內(nèi)，空氣負離子濃度日變化與溫度呈顯著的正相關(guān)[21];厲曙光等認(rèn)為，空氣負離子濃度與氣溫呈極顯著的負相關(guān)，與相對濕度呈顯著的正相關(guān)[22-23];還有學(xué)者認(rèn)為，空氣負離子與溫濕度的關(guān)系并不是簡單的像以往大多數(shù)研究認(rèn)為的單純正相關(guān)或負相關(guān)，而是存在非線性的曲線相關(guān)，即在自變量不同的取值范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同性質(zhì)的相關(guān)性特征[24]。在植物園內(nèi)空氣負離子濃度隨環(huán)境溫濕度指數(shù)升高而先增大后減小，當(dāng)環(huán)境溫濕度指數(shù)約為80%時，空氣負離子濃度最高[25]。而從化學(xué)反應(yīng)過程來看，水分對空氣負離子的作用最顯著[26-28]。許多研究結(jié)果表明，濕度與空氣負離子呈顯著正相關(guān)關(guān)系[29-30]，也有個別研究認(rèn)為二者為負相關(guān)[31]。另一方面，植物的冠層結(jié)構(gòu)會改變植物群落內(nèi)的溫濕度，進而對空氣負離子的濃度產(chǎn)生影響[32]。植物冠層結(jié)構(gòu)的郁閉度增加，空氣負離子含量有上升的趨勢[33-34]，當(dāng)郁閉度超過0.44時，綠地的空氣負離子效應(yīng)顯著（P<0.05），綠地的抑菌作用明顯;當(dāng)郁閉度超過0.67時，抑菌作用明顯且趨于穩(wěn)定（綠地寬度42 m）[35]。Wang等的研究發(fā)現(xiàn)，植物配置的結(jié)構(gòu)會影響空氣負離子濃度水平，依次為復(fù)層結(jié)構(gòu)（喬灌草）>簡單植被配置結(jié)構(gòu)（喬灌、喬草、灌草）>單一配置結(jié)構(gòu)（稀喬、稀灌草、草坪）>裸地[36-37]。

Tyagi等的研究已經(jīng)證明，植物中竹類植物群落中的空氣負離子濃度相較于其他植物明顯較高[38]。竹類植物目前在全世界約有70屬1 200余種，主要分布在熱帶及亞熱帶地區(qū)[39]。我國的竹類資源豐富、分布廣泛，現(xiàn)有竹類植物39屬500余種，竹林面積逾500萬hm2，占世界竹林總面積的1/4[40]。竹類植物四季常青，其稈型細長挺拔，葉青翠扶疏，形態(tài)柔美修長，竹葉聲清脆婉轉(zhuǎn)，成型快、再生性強，是非常優(yōu)秀的一類園林植物，也是構(gòu)成我國園林的重要元素，在植物景觀配置組合中的運用非常廣泛[41-42]。

目前空氣負離子的研究主要集中在溫度與濕度等氣象因素對環(huán)境內(nèi)空氣負離子濃度的影響，而植物冠層結(jié)構(gòu)對空氣負離子濃度影響的研究尚不深入。竹類植物作為重要的園林樹種，其群落空間的空氣負離子濃度及影響濃度的因素研究尤為重要?；诖?，本試驗以我國華東地區(qū)9種觀賞性強的竹類植物為對象，在夏季測量竹類植物群落內(nèi)空氣負離子濃度的日動態(tài)變化，同時測量竹類植物的葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度和天空可視度。本研究目的如下：（1）分析不同竹類植物群落內(nèi)空氣負離子的日動態(tài)變化特征;（2）得出群落的冠層結(jié)構(gòu)即葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度、天空可視因子分別與空氣負離子濃度的關(guān)系，探求引起竹類植物群落內(nèi)空氣負離子變化的主導(dǎo)因子;（3）得出上述變量因子與空氣負離子之間的多元預(yù)測回歸方程模型。研究結(jié)果可為植物景觀規(guī)劃設(shè)計在城市空氣質(zhì)量的改善上提供數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)指導(dǎo)，方便未來科學(xué)定量地計算竹類植物群落內(nèi)的空氣負離子生態(tài)效益。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江省杭州市臨安區(qū)（118°51′～119°52′E、29°56′～30°23′）位于浙江省西北部，地處中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)南緣，屬季風(fēng)型氣候，四季分明，具有春季多雨、夏季濕熱、秋季涼爽、冬季干冷的氣候特征，全年平均氣溫為16.4 ℃，全年降水量為1 628.6 mm，降水日為158 d，全年日照時數(shù)為 1 847.3 h，森林覆蓋率為76.5%。本研究在杭州竹文化園進行（其區(qū)位見圖1），總面積達70 hm2，主要種植和引種禾本科竹亞科植物，竹類植物有20屬120種（含品種）。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地與對照樣點設(shè)置

為了排除其他環(huán)境因素的干擾，樣地群落全部選擇在相互鄰近的同一區(qū)域內(nèi)，竹類植物群落均為單一竹種，同時清理枯葉等掉落物以減少由于掉落物呼吸作用對竹林整體環(huán)境溫度測定的影響，竹林地面均為土壤裸露無雜草，土壤含水量均等。為了避免周圍群落對測量結(jié)果的干擾，所選群落面積均大于900 m2，且群落各邊緣的距離均大于15 m，距水面的距離大于30 m，距道路的距離大于15 m。

同時，選擇杭州竹文化園中1片開闊無遮陰的草坪作為對照點（CK），代表無竹類植物情況下的基礎(chǔ)環(huán)境。

1.2.2 竹類植物試驗對象選擇

為了使研究結(jié)果能對風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計提供相應(yīng)的參考，因而選擇的竹類植物為華東最為常見的種類，且竹齡相近。通過實地調(diào)查，本研究選擇了9種園林常見竹類植物群落作為研究對象，其種名和基本資料見表1。

1.2.3 試驗內(nèi)容與方法

試驗選擇在晴朗、無風(fēng)（風(fēng)速≤2 m/s）的天氣測定。測定時間為2017年7月25—27日連續(xù)3 d，每天08：00—18：00，每2 h測1次。在每個群落的中心以及距離中心5 m的東、南、西、北4個方向上分別設(shè)置測定點。

測量空氣離子濃度的儀器采用DLY-5G雙顯抗潮濕空氣正負離子濃度測定儀，檢測范圍為10～1.999×109個/cm3，最高分辨率為10個/cm3，遷移率為 0.15 cm2/（V·s），取樣空氣流速為180 cm/s，響應(yīng)時間常數(shù)約為15 s，誤差離子濃度小于10%，遷移率小于10%。

試驗在距離地面1.5 m處測定正負離子濃度，在同一樣點的4個方向上分別觀測，待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后每個方向取5個具有代表性的波峰值[43]，連續(xù)測定3 d，依據(jù)下列公式取其算術(shù)平均值作為樣點最終負離子濃度：

C[TX-]=（C1+C2+Cn）/n。

式中：C[TX-]為樣點平均空氣負離子濃度，個/cm3;C1，…，Cn為空氣負離子濃度測定值，個/cm3;n為測定值數(shù)量，個（n=20）。

采用國際上常用的空氣質(zhì)量評價指數(shù)（CI），計算公式如下：

q=n+/n-;

CI=（n-/1 000）×（1/q）。

式中：CI為安培空氣質(zhì)量評價指數(shù);n+、n-分別為空氣正、負離子濃度，個/cm3;q為單極系數(shù);1 000為滿足人體生物學(xué)效應(yīng)最低需求的空氣負離子濃度，個/cm3。

空氣質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)見表2[44]。

將植物冠層分析系統(tǒng)（HemiView 2.1 SR5）置于測定樣點的中央?yún)^(qū)域，測定群落的葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度、天空可視度。對各測定點所測數(shù)據(jù)計算算術(shù)平均，得到該群落的葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度和天空可視度。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

為了對不同植物群落在不同日期和不同時刻的參數(shù)進行有效的分析和比較，對空氣負離子濃度、空氣質(zhì)量評價指數(shù)進行以下標(biāo)準(zhǔn)化處理：

空氣負離子增加度：dNi=Ni-NCK;

空氣負離子增長率：Dni=（Ni-NCK）/NCK×100%;

空氣負離子濃度日變幅：dNiv=Nimax-Nimin。

式中：NCK為對照點的空氣負離子濃度，個/cm3;Ni為群落內(nèi)的空氣負離子濃度，個/cm3;Nimax為群落內(nèi)空氣負離子濃度的最大值，個/cm3;Nimin為群落內(nèi)空氣負離子濃度的最小值，個/cm3。

空氣質(zhì)量評價指數(shù)增加度：dCi=Ci-CCK;

空氣質(zhì)量評價指數(shù)增長率：dCi=（Ci-CCK）/CCK×100%;

空氣質(zhì)量評價指數(shù)日變幅：dCiv=Cimax-Cimin。

式中：CCK為對照點的空氣質(zhì)量評價指數(shù);Ci為群落內(nèi)的空氣質(zhì)量評價指數(shù);Cimax為群落內(nèi)空氣質(zhì)量評價指數(shù)的最大值;Cimin為群落內(nèi)空氣質(zhì)量評價指數(shù)的最小值。

試驗對所得到的空氣負離子濃度、空氣質(zhì)量評價指標(biāo)、群落冠層結(jié)構(gòu)即葉面積指數(shù)（LAI）、冠層覆蓋度（CC）、天空可視度（SVF）進行定量分析。之后，對空氣負離子濃度與群落冠層結(jié)構(gòu)的3個變量進行一元回歸分析，對空氣質(zhì)量評價指標(biāo)與群落冠層結(jié)構(gòu)采用同樣的方法進行一元回歸分析，探討不同群落冠層結(jié)構(gòu)因子對空氣負離子濃度與空氣質(zhì)量評價指標(biāo)的影響程度。

在探究群落冠層結(jié)構(gòu)對于空氣負離子與空氣質(zhì)量評價指標(biāo)的影響時，由于各群落冠層結(jié)構(gòu)變量因子彼此之間的相互影響，數(shù)據(jù)分析采用了多元回歸分析，定量出不同變量因子對于空氣負離子濃度及空氣質(zhì)量評價指標(biāo)變化的相對貢獻，回歸方程式表達如下：

式中：N代表空氣負離子濃度，個/cm3;a代表常數(shù);b1、b2、b3代表不同自變量的回歸系數(shù)。

式中：C代表空氣質(zhì)量評價指標(biāo);e代表常數(shù);f1、f2、f3代表不同自變量的回歸系數(shù)。

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣負離子濃度定量分析

圖2顯示了不同竹類植物群落的空氣負離子濃度日變化特征。在觀測時間內(nèi)，9個竹類植物群落及對照點的空氣負離子濃度均隨時間呈先下降后上升的單峰型變化，在 12：00—14：00之間達到全天的空氣負離子濃度最低值。與對照點相比，各個群落的空氣負離子濃度都明顯地升高。

不同群落及對照點日平均空氣負離子濃度單因素方差分析（ANOVA）的結(jié)果（表3、圖3）顯示，植物群落與對照點的日平均空氣負離子濃度存在顯著差異（P<0.05），即說明竹類植物群落對林下環(huán)境具有明顯地增加空氣負離子的功能。與對照點相比，竹類植物群落的空氣負離子增加度為 175.8～363.1個/cm3，平均值為260.9個/cm3，空氣負離子增長率達25.2%～52.1%，且9種竹類植物的平均空氣負離子增長率達37.4%。在不同竹類植物群落之間，茶竿竹和毛竹與雷竹、金鑲玉竹、紫竹、橄欖竹、斑竹、四季竹的空氣負離子濃度差異達到了顯著水平;雷竹與四季竹達到了顯著水平。在白天觀測時間內(nèi)，9種竹類植物的日平均空氣負離子濃度排序為茶竿竹>滿山爆竹>斑竹>橄欖竹>雷竹>四季竹>毛竹>紫竹>金鑲玉竹;日空氣負離子濃度最高值排序為茶竿竹>滿山爆竹>橄欖竹>斑竹>毛竹>雷竹>紫竹>四季竹>金鑲玉竹;而日空氣負離子濃度變幅排序為茶竿竹>毛竹>橄欖竹>滿山爆竹>斑竹>雷竹>紫竹>四季竹>金鑲玉竹。

2.2 空氣質(zhì)量評價指數(shù)定量分析

圖4顯示了不同竹類植物群落的空氣質(zhì)量評價指數(shù)的日變化特征。在觀測時間內(nèi)，9個竹類植物群落及對照點的空氣質(zhì)量評價指數(shù)均隨時間呈現(xiàn)先下降后上升的單峰型變化，相繼在10：00—14：00之間達到全天的空氣質(zhì)量最低值。與對照點相比，各個群落的空氣質(zhì)量評價指數(shù)都明顯增加?？諝赓|(zhì)量評價指數(shù)的日變化與空氣負離子濃度的日變化趨勢基本吻合。

不同群落及對照點日平均空氣質(zhì)量評價指數(shù)單因素方差

分析結(jié)果（表3、表4、圖5）顯示，植物群落與對照點的日平均空氣質(zhì)量評價指數(shù)存在顯著差異（P<0.05），即說明竹類植物群落對林下環(huán)境具有顯著的改善空氣質(zhì)量的作用。與對照點相比，竹類植物群落的空氣質(zhì)量評價指數(shù)增加度為0.37～0.86，平均值為0.58，空氣質(zhì)量評價指標(biāo)增長率達78.7%～183.0%，且9種竹類植物的平均空氣質(zhì)量評價指標(biāo)增長率達123.4%。在不同竹類植物群落之間，茶竿竹和毛竹與雷竹、金鑲玉竹、紫竹、橄欖竹、斑竹、四季竹的空氣質(zhì)量指數(shù)差異達到了顯著水平;雷竹與四季竹達到了顯著水平。在白天觀測時間內(nèi)，9種竹類植物的日平均空氣質(zhì)量評價指數(shù)排序為茶竿竹>滿山爆竹>斑竹>橄欖竹>雷竹>四季 竹> 紫竹>毛竹>金鑲玉竹;日空氣質(zhì)量評價指數(shù)最高值排序為茶竿竹>滿山爆竹>斑竹>橄欖竹>雷竹>毛竹>紫竹>四季竹>金鑲玉竹;日空氣質(zhì)量評價指數(shù)變幅排序為茶竿竹>滿山爆竹>斑竹>橄欖竹>毛竹>雷 竹>紫竹>四季竹>金鑲玉竹。

2.3 微氣候因子與空氣負離子、空氣質(zhì)量評價指數(shù)之間的相關(guān)性

由表5可以看出，竹類植物群落內(nèi)的空氣負離子濃度與空氣溫度表現(xiàn)為顯著負相關(guān)關(guān)系（P<0.05），而與空氣相對濕度表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。竹類植物群落內(nèi)的空氣質(zhì)量評價指標(biāo)與空氣溫度表現(xiàn)為極顯著負相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與空氣相對濕度表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

2.4 竹類植物群落結(jié)構(gòu)特征與空氣負離子濃度、空氣質(zhì)量評價指數(shù)之間的關(guān)系

圖6、表6顯示了空氣負離子濃度、空氣質(zhì)量評價指標(biāo)分別與群落冠層結(jié)構(gòu)（LAI、CC、SVF）的線性回歸關(guān)系，其中LAI與NAI的一元回歸方程式為y=64.849x+848.80;LAI與CI的一元回歸方程式為y=0.160x+0.71，由表6可得，群落冠層結(jié)構(gòu)中的LAI與空氣負離子濃度、空氣質(zhì)量評價指標(biāo)分別呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)（P<0.05）、極顯著的正相關(guān)的關(guān)系（P<0.01），CC與空氣負離子濃度和空氣質(zhì)量評價指標(biāo)均呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），其中CC與NAI的一元回歸方程式為y=5.046x+581.56;CC與CI的一元回歸方程式為y=0.011x+0.13。從二者的一元回歸方程式可以看出：空氣負離子濃度與空氣質(zhì)量評價指標(biāo)均隨著LAI和CC的增加而顯著增加。SVF與空氣負離子濃度和空氣質(zhì)量評價指標(biāo)均呈現(xiàn)出負相關(guān)，但是并不是顯著關(guān)系，其中SVF與NAI的一元回歸方程式為y=-3.433x+1 028.80;SVF與CC的一元回歸方程式為y=-0.008x+1.14。從方程式可以看出：空氣負離子濃度與空氣質(zhì)量評價指標(biāo)隨著SVF的增加而減少。綜合LAI、CC、SVF與NAI和CI的相關(guān)性分析可以看出，CC與NAI和CI的相關(guān)性（r2分別為0.305、0.394）較LAI與NAI和CI的相關(guān)性（r2分別為0.204、0.312）及SVF與NAI和CI的相關(guān)性（r2分別為0.085、0.108）更為顯著。

經(jīng)過LAI、CC、SVF對NAI、CI的多元回歸分析（表7、表8）可以發(fā)現(xiàn)，約33.5%的空氣負離子濃度變化可以由群落冠層結(jié)構(gòu)的3個因子共同解釋。同時，CC是回歸模型中唯一顯著的變量，CC每增加10%，空氣負離子濃度將增加 71.5 ions/cm3。約有43.0%的空氣質(zhì)量評價指標(biāo)的變化可以由群落冠層結(jié)構(gòu)的3個因子共同解釋，同時，CC是此回歸模型中唯一顯著的變量，CC每增加10%，空氣質(zhì)量評價指標(biāo)將增加0.138 6。CC變量相較于LAI與SVF對NAI與CI具有更好的解釋力（P<0.05），而且由于CC的beta值大于LAI與SVF的beta值，所以CC較LAI與SVF對NAI與CI的影響更大。最后，可以得到竹類植物群落的NAI多元回歸預(yù)測方程式如下：

N=375.751+（-7.709LAI）+715.668CC+298.244SVF。

CI多元回歸預(yù)測方程式如下：

3 討論

植物群落具有明顯增加空氣負離子的效應(yīng)，這個研究結(jié)果已被不同研究者和不同地區(qū)廣泛證實[45-46]。本研究中，筆者通過對9種竹類植物的空氣負離子濃度與空氣質(zhì)量評價指標(biāo)[KG*8]的測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在白天竹類植物群落與對照組相比，其數(shù)值均高于對照組，即表明竹類植物群落具有明顯的增加空氣負離子的效應(yīng)。

植物群落中的空氣負離子濃度與群落的內(nèi)部小氣候相關(guān)，而群落的冠層結(jié)構(gòu)決定了群落內(nèi)小氣候的基礎(chǔ)。具有較高的葉面積指數(shù)和冠層覆蓋度的竹類植物林下空氣負離子濃度高于低葉面積指數(shù)和冠層覆蓋度的竹類植物群落，空氣負離子濃度與葉面積指數(shù)和冠層覆蓋度具有顯著或極顯著正相關(guān)，與天空可視度呈負相關(guān)。高葉面積指數(shù)與冠層覆蓋度帶來的較高植被覆蓋度有利于提高空氣負離子濃度。其存在的原因可能是隨著植物群落的冠層覆蓋度與葉面積指數(shù)的增加，植物群落內(nèi)的大量植物葉片可以在短波紫外線的作用下進行光電效應(yīng)，從而增加空氣負離子濃度[47]。在本試驗中發(fā)現(xiàn)，不同竹類植物群落之間的空氣負離子與空氣質(zhì)量評價指標(biāo)有差異，茶竿竹群落的空氣負離子濃度遠大于金鑲玉竹，產(chǎn)生此種差異的原因是因為不同竹類植物的冠層結(jié)構(gòu)不同，茶竿竹的冠層覆蓋度與葉面積指數(shù)遠大于金鑲玉竹，而天空可視度小于金鑲玉竹。Zhang等指出，離子的生成與電子能量和光波長短均有關(guān)聯(lián)，太陽輻射變化的時間動態(tài)與NAI的季節(jié)動態(tài)相一致[48]。潘劍彬等在北京奧林匹克森林公園內(nèi)對不同植被類型和群落結(jié)構(gòu)的空氣負離子的關(guān)系試驗中也得到了復(fù)層群落結(jié)構(gòu)空氣負離子濃度最高，而單層群落結(jié)構(gòu)最低這一結(jié)果[33]。綠地植物具有滯留或停著、附著和黏附氣溶膠的效應(yīng)，不同生活型植物的滯塵量取決于植物滯塵特征、葉面積和林木郁閉度，復(fù)層結(jié)構(gòu)的綠地滯塵效應(yīng)高于單一結(jié)構(gòu)。NAI濃度分布表現(xiàn)為喬灌草復(fù)層結(jié)構(gòu)高于單一結(jié)構(gòu)[49]。這也解釋了城市綠地中的NAI水平高于城市無覆蓋區(qū)很可能與植物蒸騰作用和滯塵效應(yīng)有關(guān)。

植物群落內(nèi)的冠層結(jié)構(gòu)會影響群落內(nèi)的溫度與相對濕度，進而對群落內(nèi)的空氣負離子濃度產(chǎn)生影響。高冠層覆蓋度和葉面積指數(shù)、低天空可視度會增加群落內(nèi)的相對濕度，降低空氣溫度。群落通過冠層結(jié)構(gòu)影響溫濕度進而改變空氣負離子濃度，這與石彥軍等對夏季植物群落的空氣負離子與其他氣象因子的相關(guān)分析中得到的空氣負離子與相對濕度呈極顯著正相關(guān)的結(jié)論[50]一致。冠層覆蓋度高的竹類植物群落的葉片形成葉幕，可以截留太陽輻射而避免太陽直射樹冠下方的區(qū)域，間接使群落空氣溫度不至于快速升高。竹類植物群落與植物光合作用同時進行的蒸騰作用可增加空氣中的水分，使冠層樹冠周圍空氣相對濕度增加，因此群落的冠層結(jié)構(gòu)能夠通過影響空氣溫度和相對濕度來間接影響空氣負離子濃度。韋朝領(lǐng)等對合肥不同生態(tài)功能區(qū)空氣負離子濃度與濕度相關(guān)性的擬合結(jié)果顯示，二者呈指數(shù)遞增關(guān)系[51]。其原因是葉片光合作用能夠產(chǎn)生氧氣，而氧氣和水分子具有較強的親和性，能夠優(yōu)先形成空氣負離子，這證明水分對NAI生成的化學(xué)過程作用非常關(guān)鍵[26]。

在1 d的空氣負離子濃度變化中，群落內(nèi)的空氣負離子濃度呈現(xiàn)先下降再上升的單峰變化曲線，這可能是由于在中午溫度升高，太陽輻射強度增加，會減弱植物的電離作用，減少空氣負離子的產(chǎn)生。正午時候的相對濕度最小，也抑制了植物產(chǎn)生空氣負離子。

竹類植物群落對空氣負離子濃度的增加相較于城市一般環(huán)境空間的空氣負離子濃度明顯[52]，與其他常見園林植物如棕櫚科植物等相比，增加周圍空氣負離子濃度的能力明顯要高[53]。本研究表明，竹類植物的冠層結(jié)構(gòu)對空氣負離子濃度的增加有顯著的作用，從而改善周圍環(huán)境空氣質(zhì)量，提高人居環(huán)境的品質(zhì)，對人的健康也起到積極的作用。由此可見，在風(fēng)景園林建設(shè)中，加強竹類植物的運用，可以營造良好的園林空氣環(huán)境，提升園林空間的生理與心理保健功能。

本研究重點探討了竹林增加空氣負離子濃度的作用及其與葉面積指數(shù)、冠層蓋度、天空可視度的相關(guān)性，并得到通過葉面積指數(shù)、冠層蓋度、天空可視度來計算竹林植物群落空氣負離子濃度和空氣質(zhì)量評價指標(biāo)的多元回歸方程。其他常用園林植物的空氣負離子濃度以及與影響空氣負離子濃度的境因子的相關(guān)性和它們在多元回歸方程中的構(gòu)建還有待進一步研究。以此為基礎(chǔ)，同時基于增加環(huán)境中空氣負離子濃度的作用，可以對植物景觀設(shè)計中植物種類選擇提供科學(xué)依據(jù)，保障城市綠地中良好的空氣質(zhì)量，使得城市綠地不僅具有美觀效果，也對人居環(huán)境的改善起到一定作用。

4 結(jié)論

在夏季，竹類植物群落與對照點相比，日平均空氣負離子濃度與空氣質(zhì)量評價指標(biāo)均達到了顯著差異。不同竹種之間竹類植物群落內(nèi)空氣負離子增加度為176～363 ions/cm3，平均值為261 ions/cm3，空氣負離子增長率達25.2%～52.1%;空氣質(zhì)量評價指數(shù)增加度為0.37～0.86，平均值為0.58，空氣質(zhì)量評價指標(biāo)增長率達78.7%～183.0%。通過對空氣負離子濃度、空氣質(zhì)量評價指標(biāo)與群落冠層特征的相關(guān)性分析，表明它們之間存在顯著的相關(guān)性。植物群落的冠層特征（葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度和天空可視度）對竹類植物群落內(nèi)的空氣負離子濃度和空氣質(zhì)量評價指標(biāo)具有重要的調(diào)節(jié)作用，群落葉面積指數(shù)和冠層蓋度越大，天空可視度越小，則群落內(nèi)的空氣負離子濃度和空氣質(zhì)量評價指標(biāo)越高?？諝庳撾x子濃度（NAI）和空氣質(zhì)量評價指標(biāo)（CI）與葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度、天空可視度的多元回歸方程分別為NAI=375.751-7.709LAI+715.668CC+298.244SVF，CI=-0.249+0.29LAI+1.386CC+0.711SVF。

在設(shè)計竹類植物群落時，設(shè)計師可以根據(jù)多元回歸預(yù)測模型來預(yù)計群落內(nèi)的空氣負離子濃度和空氣質(zhì)量，為設(shè)計的生態(tài)性提供科學(xué)依據(jù)。但是當(dāng)前的研究還未完全考慮到其他可能會影響空氣負離子濃度的因素，如太陽輻射等，在未來的研究中還可以進一步完善。

參考文獻：

[1]Akimoto H. Global air quality and pollution[J]. Science，2003，302（5651）：1716-1719.

[2]Byun D，Schere K L. Review of the governing equations，computational algorithms，and other components of the models-3 Community Multiscale Air Quality （CMAQ） modeling system[J]. Applied Mechanics Reviews，2006，59（2）：51-77.

[3]Yang G H，Wang Y，Zeng Y X，et al. Rapid health transition in China，1990—2010：findings from the Global Burden of Disease Study 2010[J]. The Lancet，2013，381（9882）：1987-2015.

[4]Wang S X，Hao J M. Air quality management in China：issues，challenges，and options[J]. Journal of Environmental Sciences，2012，24（1）：2-13.

[5]Buckalew L W，Rizzuto A P. Negative air ion effects on human performance and physiological condition[J]. Aviation Space and Environmental Medicine，1984，55（8）：731-734.

[6]Nakane H，Asami O，Yamada Y，et al. Effect of negative air ions on computer operation，anxiety and salivary chromogranin A-like immunoreactivity[J]. International Journal of Psychophysiology，2002，46（1）：85-89.

[7]Krueger A P，Reed E J. Biological impact of small air ions[J]. Science，1976，193（4259）：1209-1213.

[8]Mitchell B W，King D J. Effect of negative air ionization on airborne transmission of Newcastle disease virus[J]. Avian Diseases，1994，38（4）：725-732.

[9]Wu C C，Lee G W M，Cheng P，et al. Effect of wall surface materials on deposition of particles with the aid of negative air ions[J]. Journal of Aerosol Science，2006，37（5）：616-630.

[10]Grinshpun S A，Mainelis G，Trunov M，et al. Evaluation of ionic air purifiers for reducing aerosol exposure in confined indoor spaces[J]. Indoor Air，2005，15（4）：235-245.

[11]Daniels S L. On the ionization of air for removal of noxious effuvia[J]. IEEE Transactiona on Plasma Science，2002，30（4）：1471-1480.

[12]Lee B U，Yermakov M，Grinshpun S A. Removal of fine and ultrafine particles from indoor air environments by the unipolar ion emission[J]. Atmospheric Environment，2004，38（29）：4815-4823.

[13]Wu C C，Lee G W M. Oxidation of volatile organic compounds by negative air ions[J]. Atmospheric Environment，2004，38（37）：6287-6295.

[14]Dal Maso M，Kulmala M，Riipinen I，et al. Formation and growth of fresh atmospheric aerosols：eight years of aerosol size distribution data from SMEAR Ⅱ，Hyytil，F(xiàn)inland[J]. Boreal Environment Research，2005，10（5）：323-336.

[15]Ni J，Xu Q，Shi D R，et al. Research on relation between air anions and environment in Shanghai city[J]. Chinese Forestry Science and Technology，2004（3）：84-89.

[16]Krueger A P，Smith R F. The biological mechanisms of air ion action.Ⅰ. 5-hydroxytryptamine as the endogenous mediator of positive air ion effects on the mammalian trachea[J]. The Journal of General Physiology，1960，43（3）：533-540.

[17]Meng J J，Zhang Y. Electrical discharge of plant pointed ends：main source of air anions on ground[J]. Environmental Science & Technology，2005，28（1）：112-113.

[18]Wu C F，Lai C H，Chu H J，et al. Evaluating and mapping of spatial air ion quality patterns in a residential garden using a geostatistic method[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health，2011，8（6）：2304-2319.

[19]Ling X，Jayaratne R，Morawska L. Air ion concentrations in various urban outdoor environments[J]. Atmospheric Environment，2010，44（18）：2186-2193.

[20]Vartiainen E，Kulmala M，Ehn M，et al. Ion and particle number concentrations and size distributions along the Trans-Siberian railroad[J]. Boreal Environment Research，2007，12（3）：375-396.

[21]王繼梅，冀志江，隋同波，等. 空氣負離子與溫濕度的關(guān)系[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2004，17（2）：68-70.

[22]厲曙光，張亞鋒，李 莉，等. 噴泉對周圍空氣負離子和氣象條件的影響[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，30（3）：352-355.

[23]吳楚材，鄭群明，鐘林生. 森林游憩區(qū)空氣負離子水平的研究[J]. 林業(yè)科學(xué)，2001，37（5）：75-81.

[24]毛成忠，張 明，劉艷玉，等. 空氣負氧離子濃度與主要氣象因子擬合試驗[J]. 綠色科技，2017（19）：202-206.

[25]吳 迪，李佳珊，張冬有. 森林空氣負離子濃度與環(huán)境溫濕度指數(shù)的關(guān)系研究[J]. 森林工程，2017，33（6）：25-30.

[26]Parts T E，Luts A，Laakso L，et al. Chemical composition of waterfall-induced air ions：spectrometry vs. simulations[J]. Boreal Environment Research，2007，12（3）：409-420.

[27]Huertas M L，Marty A M，F(xiàn)ontan J，et al. Measurement of mobility and mass of atmospheric ions[J]. Journal of Aerosol Science，1971，2（2）：145-150.

[28]Skalny J D，Mikoviny T，Matejcik S，et al. An analysis of mass spectrometric study of negative ions extracted from negative corona discharge in air[J]. International Journal of Mass Spectrometry，2004，233（1/2/3）：317-324.

[29]Hoppel W A，F(xiàn)rick G. Ion-aerosol attachment coefficients and the steady-state charge distribution on aerosols in a bipolar ion environment[J]. Aerosol Science and Technology，1986，5（1）：1-21.

[30]Kolar P，F(xiàn)ilipovi[KG-*5]c[DD（-1*2][HT6]′[DD）] D. Measurements and correlations between several atmospheric parameters[J]. Facta Universitatis-series：Physics，Chemistry and Technology，2008，6（1）：99-104.

[31]邵海榮，賀慶棠，閻海平，等. 北京地區(qū)空氣負離子濃度時空變化特征的研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，27（3）：35-39.

[32]劉 新，吳林豪，張 浩，等. 城市綠地植物群落空氣負離子濃度及影響要素研究[J]. 復(fù)旦學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，50（2）：206-212.

[33]潘劍彬，董 麗，廖圣曉，等. 北京奧林匹克森林公園空氣負離子濃度及其影響因素[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，33（2）：59-64.

[34]范亞民，何 平，李建龍，等. 城市不同植被配置類型空氣負離子效應(yīng)評價[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2005，24（8）：883-886.

[35]朱春陽，紀(jì) 鵬，李樹華. 城市帶狀綠地結(jié)構(gòu)類型對空氣質(zhì)量的影響[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，37（1）：18-24.

[36]Wang H J，Qi J Z. Effect of community structure on aero-anion concentration in urban green space[C]// 2012 World Automation Congress，2012：1-5.

[37]穆 丹，梁英輝. 城市不同綠地結(jié)構(gòu)對空氣負離子水平的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（5）：988-991.

[38]Tyagi A K，Malik A. Bactericidal action of lemon grass oil vapors and negative air ions[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies，2012，13：169-177.

[39]沃爾特·李斯. 世界竹類研究進展[J]. 竹子研究匯刊，1989，8（2）：1-16.

[40]Lessard G，Chouinard A. Bamboo research in Asia：proceedings of a workshop held in Singapore[M]. Ottawa：IDRC，1980.

[41]李寶昌，張彥廣，韓炳越，等. 古典園林竹子造景的藝術(shù)手法研究[J]. 河北林果研究，2000，15（2）：161-163.

[42]張新明. 景觀竹種的觀賞特征及其在現(xiàn)代園林造景中的設(shè)計手法[J]. 世界竹藤通訊，2011，9（3）：25-28.

[43]石 強，舒惠芳，鐘林生，等. 森林游憩區(qū)空氣負離子評價研究[J]. 林業(yè)科學(xué)，2004，40（1）：36-40.

[44]Wang J，Li S H. Changes in negative air ions concentration under different light intensities and development of a model to relate light intensity to directional change[J]. Journal of Environmental Management，2009，90（8）：2746-2754.

[45]Tammet H，Hrrak U，Laakso L，et al. Factors of air ion balance in a coniferous forest according to measurements in Hyytil，F(xiàn)inland[J]. Atmospheric Chemistry & Physics，2006，6（11）：3377-3390.

[46]Krueger A P，Kotaka S，Andriese P C. Studies on the effects of gaseous ions on plant growth.Ⅰ.The influence of positive and negative air ions on the growth of Avena sativa[J]. Journal of General Physiology，1962，45：879-895.

[47]Yang Y J，Xi G，Zhang S Q. Multiplier effect of pulsed electric field-mediated plant negative air ion launched and its significance[J]. College Physics，2009，28（12）：39-42.

[48]Zhang J，Yu Z L. Experimental and simulative analysis of relationship between ultraviolet irradiations and concentration of negative air ions in small chambers[J]. Journal of Aerosol Science，2006，37（10）：1347-1355.

[49]Jovani[KG-*5]c[DD（-1*2][HT6]′[DD）] B R，Jovani[KG-*5]c[DD（-1*2][HT6]′[DD）] S B. The effect of high concentration of negative ions in the air on the chlorophyll content in plant leaves[J]. Water Air and Soil Pollution，2001，129（1/2/3/4）：259-265.

[50]石彥軍，余樹全，鄭慶林. 6種植物群落夏季空氣負離子動態(tài)及其與氣象因子的關(guān)系[J]. 浙江林學(xué)院學(xué)報，2010，27（2）：185-189.

[51]韋朝領(lǐng)，王敬濤，蔣躍林，等. 合肥市不同生態(tài)功能區(qū)空氣負離子濃度分布特征及其與氣象因子的關(guān)系[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2006，17（11）：2158-2162.

[52]Liang H，Chen X S，Yin J G，et al. The spatial-temporal pattern and influencing factors of negative air ions in urban forests，Shanghai，China[J]. Journal of Forestry Research，2014，25（4）：847-856.

[53]潘 輝，李永莉，黃石德，等. 棕櫚科植物群落空氣負離子密度影響因素[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，38（3）：69-70，81.