東臺(tái)山國(guó)家森林公園空氣負(fù)離子濃度時(shí)空變化規(guī)律研究

文 虹， 段 翔， 彭 皎， 謝海軍， 朱永安， 鐘 行

(1.湘潭市林業(yè)科學(xué)研究所， 湖南 湘潭 411100； 2.湘潭市林業(yè)局， 湖南 湘潭 411100)

空氣負(fù)離子(NAI)是空氣中帶負(fù)電荷的氣體離子[1]。NAI的形成方式有多種，宇宙射線、紫外線、放射性物質(zhì)、雷電、海浪和瀑布的沖擊、森林植物以及森林環(huán)境因子等因素都能使空氣分子電離，進(jìn)而產(chǎn)生NAI[2-3]。NAI被譽(yù)為“空氣維生素和生長(zhǎng)素”，對(duì)人體的生理活動(dòng)有著很重要的影響，所產(chǎn)生的離子效應(yīng)有明顯的生物學(xué)效應(yīng)，可調(diào)節(jié)人體的各項(xiàng)生理指標(biāo)，有利于人體健康[4-9]。CAPAN早在1902年就肯定了NAI的生物學(xué)意義[10]。1957—1959年，Krueger[11]和Winsor[12]研究了NAI在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里的生物學(xué)效應(yīng)，結(jié)果表明，NAI有抑制、緩解輔助治療疾病的作用。不同濃度的NAI產(chǎn)生的負(fù)離子效應(yīng)不同，在1000～5000個(gè)·cm-3濃度范圍內(nèi)，能顯著提高人體的免疫能力；在5000～10000個(gè)·cm-3濃度范圍內(nèi)，能夠殺滅環(huán)境中的病菌，減少疾病傳播的可能性；當(dāng)濃度高于10000個(gè)·cm-3時(shí)，能使人體達(dá)到自然痊愈，并對(duì)精神抑郁類疾病有一定的療效[13]。近年來(lái)，NAI因已成為森林環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)重要因素而備受關(guān)注。森林自然生態(tài)環(huán)境中含有豐富的NAI，充分開(kāi)發(fā)和利用NAI資源，是貫徹習(xí)近平總書(shū)記“綠水青山就是金山銀山”理念的重要舉措，同時(shí)對(duì)促進(jìn)生態(tài)旅游發(fā)展、森林康養(yǎng)基地建設(shè)，提高人們健康水平有著重要的意義[14-15]。本研究以湘鄉(xiāng)市東臺(tái)山國(guó)家森林公園為研究對(duì)象，分析其空氣負(fù)離子濃度(NAIC)的時(shí)空變化規(guī)律，及其與溫濕度、細(xì)顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)等環(huán)境影響因子的相關(guān)性，以期為東臺(tái)山森林康養(yǎng)基地的建設(shè)提供有力的數(shù)據(jù)支撐和有益參考。

1 研究區(qū)概況

東臺(tái)山國(guó)家森林公園為湖南省首批“森林康養(yǎng)”建設(shè)試點(diǎn)示范基地，位于漣水之濱的湘鄉(xiāng)城南經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，地處112°31′00″—112°34′00″E，27°41′16″—27°43′43″N，包含獅子山、塔子山、東臺(tái)山三大景區(qū)，總面積336hm2。該區(qū)氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，平均氣溫17.3℃。該森林公園具有良好的生態(tài)環(huán)境，其森林覆蓋率達(dá)95.34%，植被類型為亞熱帶常綠闊葉林，植被豐富，主要有馬尾松(Pinusmassoniana)、檫木(Sassafrastsumu)、苦櫧(Castanopsissclerophylla)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、石櫟(Lithocarpusglaber)、棱角山礬(Symplocostetragona)等樹(shù)種。公園的地理位置優(yōu)越，交通方便，山體秀美；主要景點(diǎn)有文塔、鳳凰寺、鷹嘴崖、八角亭等景觀，其歷史悠久，環(huán)境清幽，位列湘鄉(xiāng)八景之首；山麓的東山學(xué)堂，是一代偉人毛澤東少年求學(xué)之地，是人們戶外休閑康養(yǎng)的好去處。

2 材料與方法

2.1 檢測(cè)儀器

采用AES-80型多參數(shù)負(fù)離子檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。采用電容式吸入法檢測(cè)空氣中的各種正負(fù)極性的大、中、小離子和PM2.5、PM10濃度以及溫濕度，其檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，靈敏度高。濃度檢測(cè)范圍為1×108～3×108個(gè)·cm-3，精確到1個(gè)·cm-3，無(wú)干擾環(huán)境下檢測(cè)精度為1%。

2.2 檢測(cè)方法

2019年1—12月進(jìn)行檢測(cè)。為減少干擾，每月選擇2～3d無(wú)風(fēng)晴朗天氣進(jìn)行檢測(cè)，每天8：00—18:00，每隔2h檢測(cè)1次。由于所采用的儀器有自動(dòng)檢測(cè)記錄功能，本試驗(yàn)采用自動(dòng)檢測(cè)和瞬時(shí)檢測(cè)相結(jié)合的方法。自動(dòng)檢測(cè)每次檢測(cè)的時(shí)間為30min，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)到U盤(pán)；瞬時(shí)檢測(cè)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在相互垂直的4個(gè)方向分別檢測(cè)，每個(gè)方向取5個(gè)穩(wěn)定值，然后取其均值作為分析用數(shù)據(jù)。

2.3 檢測(cè)點(diǎn)選擇

為全面分析東臺(tái)山國(guó)家森林公園NAIC的時(shí)空變化特征，根據(jù)東臺(tái)山森林公園植被、水源、功能區(qū)等分布情況，通過(guò)實(shí)地踏查，選取森林公園內(nèi)代表不同環(huán)境類型的檢測(cè)點(diǎn)5個(gè)，分別為林緣、林內(nèi)、水邊、硬化地、竹林。具體見(jiàn)表1。

表1 檢測(cè)點(diǎn)概況Tab.1 Overview of inspection points%編號(hào)名稱植被覆蓋率硬化比例主要植物種類備注S1林緣5050馬尾松位于場(chǎng)部辦公樓旁,森林公園入口,處于南向風(fēng)口位置;為馬尾松林,郁閉度≥0.5。S2林內(nèi)1000馬尾松、杜英位于林區(qū)游步道旁;為針闊混交林,郁閉度≥0.7。

續(xù)表1 檢測(cè)點(diǎn)概況Continued Tab.1 Overview of inspection points%編號(hào)名稱植被覆蓋率硬化比例主要植物種類備注S3水邊7030馬尾松、檫木春夏季有活水;為針闊混交林,郁閉度≥0.5。S4硬化地2080周邊為苦櫧、石櫟位于鳳凰寺旁,較開(kāi)闊;周邊為闊葉混交林,郁閉度≥0.2。S5竹林1000楠竹Phyllostachys edulis位于羊古工區(qū);為楠竹林,郁閉度≥0.6。

2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2012進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表制作，運(yùn)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 NAIC的時(shí)間變化規(guī)律

3.1.1 NAIC的日變化規(guī)律 選取2019年11月21日林緣檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到NAIC的日變化規(guī)律(見(jiàn)圖1)。由圖1可知：在8:00—18:00時(shí)段內(nèi)，NAIC的日變化曲線呈現(xiàn)有波峰、波谷的結(jié)構(gòu)。在18:00，NAIC達(dá)到最高值，達(dá)1734個(gè)·cm-3；在14:00，NAIC達(dá)到最低值，僅為852個(gè)·cm-3。從變化幅度上看，在8：00—10:00時(shí)段內(nèi)下降幅度最大，在14：00—16:00時(shí)段內(nèi)上升幅度最大。早晨和傍晚人流量相對(duì)中午較少，同時(shí)溫度較低、濕度較大，利于NAI的產(chǎn)生。

圖1 NAIC的日變化Fig.1 Diurnal variation of air negative ion concentration

3.1.2 NAIC的月變化規(guī)律 將5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)2019年1—12月的NAIC數(shù)據(jù)按月統(tǒng)計(jì)，取平均值，得出NAIC的月變化規(guī)律(見(jiàn)圖2)。由圖2可知：NAIC最低值出現(xiàn)在12月，僅為1025個(gè)·cm-3；最高值出現(xiàn)在 5月，達(dá)2459個(gè)·cm-3。這可能是由于12月空氣干燥，大多數(shù)植物還處于休眠狀態(tài)，而5月雨水充足，植物光合作用較強(qiáng)。從變化趨勢(shì)來(lái)看，NAIC在1—3月、6—8月時(shí)段內(nèi)呈平緩升高趨勢(shì)，10—12月呈平緩下降趨勢(shì)。這是因?yàn)檫@3個(gè)時(shí)間段的溫度、相對(duì)濕度等相對(duì)平穩(wěn)。3—5月，隨著雨季的來(lái)臨，NAIC呈急劇升高趨勢(shì)；6月雨水少，氣溫高，5—6月NAIC又呈急劇下降趨勢(shì)。由此可以得出，空氣溫度和相對(duì)濕度是NAIC的重要影響因子。

圖2 NAIC的月變化Fig.2 Monthly variation of air negative ion concentration

3.2 NAIC的空間變化規(guī)律

將5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)2019年1—12月的NAIC數(shù)據(jù)按檢測(cè)點(diǎn)分別統(tǒng)計(jì)，取平均值，得到NAIC的空間變化規(guī)律(見(jiàn)表2)。由表2可知：不同類型環(huán)境中的NAIC差異較明顯，其變化規(guī)律為：水邊>林緣>竹林>林內(nèi)>硬化地。這是因?yàn)樵谌照?、微風(fēng)及水體的蒸騰作用下，提高了水邊的NAIC；林緣位于森林公園入口，處于南向風(fēng)口位置，風(fēng)對(duì)NAI的產(chǎn)生起到了促進(jìn)作用；竹林位于羊古工區(qū)，純林環(huán)境，無(wú)外界干擾，NAI產(chǎn)生量適中；林內(nèi)為針闊混交林，但由于靠近游步道，NAIC受到一定的人為因素影響；硬化地NAI產(chǎn)生量相對(duì)較少，加上位于鳳凰寺旁，此處游客較多，車流量大，NAIC受人為因素影響也較大，因此，NAIC相對(duì)較低。

表2 不同檢測(cè)點(diǎn)的NAICTab.2 Air negative ion concentration of different inspection points(個(gè)·cm-3)檢測(cè)點(diǎn)NAIC檢測(cè)點(diǎn)NAIC水邊1 618林緣1 588林內(nèi)1 453竹林1 487硬化地1 331

3.3 NAIC與空氣溫濕度、PM2.5、PM10的相關(guān)性

3.3.1 NAIC與空氣溫濕度的相關(guān)性 選取2019年11月21日林緣檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行NAIC與溫濕度相關(guān)性分析。由圖3、圖4可知：NAIC與空氣溫度總體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著氣溫的升高而下降，隨著氣溫的下降而升高；NAIC與空氣相對(duì)濕度總體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，隨著空氣相對(duì)濕度的升高而升高，隨著空氣相對(duì)濕度的下降而下降。

圖3 NAIC與空氣溫度日變化Fig.3 Diurnal variation of air negative ion concentration and air temperature

圖4 NAIC與空氣相對(duì)濕度日變化Fig.4 Diurnal variation of air negative ion concentration and air relative humidity

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3看出：NAIC與空氣溫度呈弱度負(fù)相關(guān)，相關(guān)性不顯著，這有可能是因?yàn)楫?dāng)天空氣溫度在13.9～17.8 ℃之間，氣溫變化幅度小，導(dǎo)致NAIC與空氣溫度相關(guān)不明顯；NAIC與空氣相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)，這是由于空氣相對(duì)濕度越大，大量水分子被電解，使NAIC增加?？梢?jiàn)，在一天中，NAIC隨空氣溫度的升高而降低，隨空氣相對(duì)濕度的升高而升高。

3.3.2 NAIC與PM2.5、PM10濃度的相關(guān)性 因儀器設(shè)備、測(cè)量方式等原因，選取數(shù)據(jù)相對(duì)更為精確的1月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。由圖5、圖6可知，NAIC隨PM2.5、PM10濃度的降低而升高，與PM2.5、PM10濃度總體均呈負(fù)相關(guān)。

表3 NAIC與空氣溫濕度、PM2.5、PM10濃度的相關(guān)性Tab.3 Correlation between air negative ion concentration and air temperature and humidity,PM2.5,PM10concentration相關(guān)因子空氣溫度空氣相對(duì)濕度PM2.5濃度PM10濃度NAIC-0.1790.921**-0.361-0.414 注: 表內(nèi)為皮爾遜相關(guān)系數(shù)(Pearson);**表示因子間在0.01水平相關(guān)顯著。

圖5 NAIC與PM2.5濃度日變化Fig.5 Diurnal variation of air negative ion concentration and PM2.5concentration

圖6 NAIC與PM10濃度日變化Fig.6 Diurnal variation of air negative ion concentration and PM10concentration

進(jìn)一步相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。從表3中看出，NAIC與PM2.5、PM10濃度的相關(guān)性不顯著，均呈現(xiàn)弱度負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

(1)在一天內(nèi)，東臺(tái)山國(guó)家森林公園的空氣負(fù)離子濃度(NAIC)最高值(1734個(gè)·cm-3)出現(xiàn)在下午18：00，上午8:00的值較低(1179個(gè)·cm-3)，最低值出現(xiàn)在中午14:00(852個(gè)·cm-3)，說(shuō)明該森林公園一天內(nèi)的NAIC在清晨和傍晚時(shí)段較高，與陶雪瑩等[16]的研究結(jié)果(NAIC早晚高、中午低)一致，與郭云鶴等[17]的研究結(jié)果(NAIC峰值出現(xiàn)在中午前后)不一致。因試驗(yàn)條件限制，本研究選擇晴朗無(wú)風(fēng)天氣的8:00—18:00時(shí)段進(jìn)行檢測(cè)，未考慮陰天、雨天、夜間等因素，結(jié)論的準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步的研究來(lái)驗(yàn)證。在一年中，NAIC的最高值(2459個(gè)·cm-3)出現(xiàn)在5月，最低值(1025個(gè)·cm-3)出現(xiàn)在12月，這與陸佳等[18]的研究結(jié)果相似。5月雨水多，光合作用充足，促進(jìn)了森林環(huán)境中空氣負(fù)離子(NAI)的產(chǎn)生；12月空氣干燥，植物處于休眠期，NAI處于不活躍期。這也從側(cè)面證明了空氣溫度、相對(duì)濕度是影響NAIC變化的重要環(huán)境因素。

(2)不同類型環(huán)境中的NAIC從高到低依次為：水邊(1618個(gè)·cm-3)>林緣(1588個(gè)·cm-3)>竹林(1487個(gè)·cm-3)>林內(nèi)(1453個(gè)·cm-3)>硬化地(1331個(gè)·cm-3)。東臺(tái)山國(guó)家森林公園水邊的NAIC最高，與周文昌等[19]、肖紅燕等[20]的研究結(jié)果一致，因此，可以多在水源附近建立休閑康養(yǎng)場(chǎng)所，或者通過(guò)增設(shè)人工跌水、噴泉等方式增加NAIC。

(3)東臺(tái)山國(guó)家森林公園的NAIC變化與空氣溫度呈弱度負(fù)相關(guān)，與空氣相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)，與PM2.5、PM10濃度均呈弱度負(fù)相關(guān)。諸多研究表明，NAIC與空氣溫濕度、PM2.5、PM10濃度均存在關(guān)聯(lián)，但結(jié)論各異。顧小麗等[21]認(rèn)為，NAIC與空氣溫度呈負(fù)相關(guān)，與空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)，這與本研究的結(jié)論基本一致；潘劍彬[22]和張建國(guó)等[23]認(rèn)為，NAIC與空氣溫度呈正相關(guān)；德國(guó)學(xué)者Reiter[24]認(rèn)為，NAIC變化的重要影響因素是氣象條件，并且與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)；陸佳等[18]認(rèn)為NAIC與PM2.5濃度呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與本研究結(jié)果一致；賀江華等[25]的研究則表明，NAIC與PM2.5、PM10濃度均呈極顯著正相關(guān)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)果不一，可能主要是由于檢測(cè)方法、設(shè)備精度、檢測(cè)地的地質(zhì)環(huán)境條件等不同，加上影響因素的交叉復(fù)合作用造成的。

(4)NAIC不僅受到森林環(huán)境內(nèi)的空氣溫度、相對(duì)濕度以及PM2.5、PM10濃度的影響，還受海拔、風(fēng)速、光照強(qiáng)度、氣壓等氣象條件和地質(zhì)條件多種因素的共同作用。為使研究結(jié)果更為準(zhǔn)確，在今后的研究中，要綜合各方面的因素建立統(tǒng)一的、綜合的評(píng)價(jià)模型，以期更準(zhǔn)確地為管理者的規(guī)劃提供參考，促進(jìn)NAI資源的合理利用，充分發(fā)揮森林的生態(tài)效益。