貴州省不同區(qū)域森林負離子分布規(guī)律及影響因素研究

趙文君 劉永濤 崔迎春 吳 鵬 候貽菊 丁訪軍*

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005；2.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

空氣負氧離子是大氣中帶負電荷的氣體分子或離子團的總稱，空氣分子在高壓或強射線的作用下被電離所產(chǎn)生自由電子大部分被氧氣所獲得[1]?？諝庳撾x子具有殺菌、除塵除味、清潔空氣、提高免疫力、調(diào)節(jié)機能平衡及治療疾病的功能，而被譽為“空氣維生素和生長素”[2-3]，空氣負離子已成為衡量一個地區(qū)空氣清潔度的重要指標(biāo)，也是反映城市林區(qū)空氣質(zhì)量及康養(yǎng)效應(yīng)的重要指標(biāo)，對人體心理和生理機能具有重要的促進作用[4-5]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，森林是產(chǎn)生空氣負離子的重要場所之一[6]，開展城市森林、不同區(qū)域森林的空氣負離子分布規(guī)律及相關(guān)影響因子的研究越來愈多。有不少研究關(guān)注森林的空氣負離子濃度日、季節(jié)、年際變化特征[7-10]，同時也有研究空氣負離子濃度與森林類型、森林結(jié)構(gòu)、植物配置等的相關(guān)關(guān)系[11-14]，除此之外，空氣負離子濃度與氣象因素密切相關(guān)，涉及的因子有溫度、濕度、風(fēng)速、降雨、輻射等因子，這些研究均揭示了空氣負離子濃度在氣溫、空氣濕度等氣象因素在一定的測值范圍內(nèi)的數(shù)量關(guān)系特征[15-16]。貴州省是林業(yè)大省，全省森林覆蓋率已達60%，對全省不同區(qū)域森林各項生態(tài)服務(wù)功能包括空氣負離子的研究還較缺乏，本研究旨在揭示貴州省不同區(qū)域森林空氣負離子濃度分布規(guī)律及與影響因子的關(guān)系特征，為空氣負離子監(jiān)測和康養(yǎng)事業(yè)發(fā)展提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地選擇貴陽市東南郊貴州省林業(yè)科學(xué)研究院實驗林場、習(xí)水國家自然保護區(qū)、茂蘭國家自然保護區(qū)做不同區(qū)域空氣負離子濃度分布規(guī)律對比研究。

貴州省林業(yè)科學(xué)研究院實驗林場距市區(qū)8 公里，地理位置位于106°44′E，26°29′N，屬亞熱帶氣候，年平均氣溫15.2 ℃，極端最高氣溫35.4 ℃，極端最低氣溫-7.8 ℃，年降雨量1198.9 mm，年平均風(fēng)速2.2 m/s，年平均相對濕度77 %，全年日照時數(shù)1412.6 h，無降霜期278 d。試驗選擇在馬尾松人工成熟林內(nèi)進行，其優(yōu)勢樹種為馬尾松(Pinus Massoniana)，間伐后林窗下有少量的光皮樺(Betulaluminifera)、鹽膚木(Rhuschinensis)等生長，林內(nèi)灌木主要有油茶(Camelliaoleifera)、拔葜(Smilaxchina)、薄葉鼠李(Rhamnusleptophylla)、白櫟(Quercusfabri)等，其林分密度975 株/hm2，平均樹高14 m，平均胸徑17.8 cm，郁閉度0.6。

貴州習(xí)水國家級自然保護區(qū)位于貴州省北隅，地處習(xí)水縣西北部，地理坐標(biāo)為105°50′～106°29′E，28°07′～28°34′N。區(qū)內(nèi)年平均氣溫14.7 ℃，降水量900～1300 mm，≥10 ℃的年積溫3462.9～5888.3 ℃，森林覆蓋率89.6%。主要森林類型有銀木荷林、青岡櫟林、大頭茶林、福建柏林、絲栗栲林、貴州山柳林、紅翅槭林等。觀測點設(shè)在習(xí)水國家級自然保護區(qū)內(nèi)，森林類型為闊葉林。

茂蘭國家級自然保護區(qū)107°52.2′～108°5.7′E，25°9.3′～25°20.8′N，觀測點在貴州喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站。該區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫15.3 ℃，≥10 ℃積溫4598.6 ℃；年平均降雨量1752.5 mm，集中分布于4～10月；年平均相對濕度83.0%；無霜期315 d；全年日照時數(shù)1272.8 h，日照百分率29.0%；太陽年輻射總量為63289.80 kW/m2，海拔在430.0～1078.6 m間。優(yōu)勢樹種主要有云貴鵝耳櫪(Carpinuspubescens)、圓果化香(Platycaryalongipes)、樸樹(Celtistetrandra)、黃連木(Pistaciachinensis)等落葉樹種，天鵝槭(Acerwangchii)、青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)、細葉青岡(Cyclobalanopsisgracilis)、腺葉山礬(Symplocosadenopus)等常綠樹種，亞優(yōu)勢種主要有宜昌潤楠(Machilusichangensis)、裂果衛(wèi)矛(EuonymsdielsianusLoes)等?？諝庳撾x子各觀測點相對位置分布見圖1。

1.2 研究方法

1.2.1空氣負離子濃度測定

采用在線式大氣離子測報系統(tǒng)FLZ8，全天連續(xù)測量空氣負離子含量、氣溫和空氣相對濕度。該儀器工作溫度為-10～50 ℃，檢測范圍為±0.1～1.999 × 105個/cm3，風(fēng)速< 15 km/hr，測量單位為個/cm3，分解能力為10 個(0.01×103個)，離子濃度誤差及遷移率≤±25%，氣溫測量精度1.0 ℃，相對濕度測量精度5%。

1.2.2大氣氣象因子、PM2.5測定

在林內(nèi)修建觀測房(4m2)，PM2.5測定采用大氣監(jiān)測系統(tǒng)(Metone BAM-1020，美國，Metone公司)空器采樣傳感器，自動氣象站(HOBO，美國)安裝于觀測房頂平臺。觀測房內(nèi)安裝PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)主機及空調(diào)。空氣PM2.5質(zhì)量濃度指標(biāo)每1小時采集一次監(jiān)測數(shù)據(jù)。氣象因子主要包括：氣溫(Ta)、相對濕度(RH)、風(fēng)速(WS)、降雨量(P)、太陽輻射(R)等，每10 min采集一次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)在Excel2007、origin9上處理及作圖，spss16.0進行相關(guān)性分析、方差分析等數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 三個區(qū)域觀測點氣象條件

所選3個空氣負離子濃度定位觀測點均處于相同氣候帶，但受緯度、海拔、地形差異的影響，3個觀測點的小氣候仍會表現(xiàn)出一定的差異。圖2分別是荔波、貴陽和習(xí)水3個定位觀測點的氣溫、濕度、降水和風(fēng)速比較。觀測期內(nèi)，荔波、貴陽和習(xí)水觀測點的平均氣溫分別為19.99，15.21和13.62℃；空氣相對濕度分別為86.48%、87.16%和89.93%；年降水量分別為1202.40 mm、636.60 mm和879.53 mm; 平均風(fēng)速分別為0.47 m/s、0.02 m/s和0.04 m/s。荔波保護區(qū)觀測點氣溫相對最高，降水量較大，空氣濕度相對最低，風(fēng)速最高；貴陽觀測點的降水量較小，空氣濕度和氣溫居中，風(fēng)速最低；習(xí)水自然保護區(qū)觀測點氣溫相對最低，空氣濕度最大，降雨量和風(fēng)速適中。

圖2 荔波、貴陽、習(xí)水定位觀測點氣象條件(氣溫、濕度、風(fēng)速、降水量)比較

2.2 空氣負離子濃度典型月日變化特征

比較貴陽環(huán)城林帶、荔波喀斯特森林、習(xí)水國家級自然保護區(qū)森林3個觀測點在連續(xù)2年觀測期內(nèi)(2018/09/01—2020/09/31)典型月(1月、5月、8月和11月)空氣負離子濃度日平均值的變化過程(圖3-5)。同步觀測結(jié)果表明：荔波典型月空氣負離子濃度日平均值的變化大多數(shù)呈現(xiàn)為午夜至清晨高，中午降低，傍晚后逐漸上升，呈扁“U”型。但在5月份變化規(guī)律不一致，為中午時間最高，午夜清晨和傍晚則較低。

圖3 荔波典型月空氣負離子濃度日變化圖

貴陽典型月空氣負離子濃度日平均值的變化8月份呈現(xiàn)明顯的起伏變化午夜至清晨高，中午降低，傍晚后逐漸上升的趨勢，1月、5月、11月則變化平緩，起伏不大。貴陽，1月空氣負氧離子濃度清晨7：00最高，峰值1038個/cm3，17：00最低為815個/cm3。5月空氣負氧離子濃度午夜4：00最高，峰值1383個/cm3，17：00最低為953個/cm3。8月空氣負氧離子濃度清晨6：00最高，峰值2899個/cm3，13：00最低為1092個/cm3。11月空氣負氧離子濃度清晨5：00最高，峰值1058個/cm3，然后開始下降，至16：00最低為823個/cm3。然后又開始上升，午夜0：00到達2112個/cm3。

圖4 貴陽典型月空氣負離子濃度日變化圖

習(xí)水典型月空氣負離子濃度日平均值的變化幅度不同，總體為午間最高，午夜清晨和傍晚較低。8月為單峰型，7：00～13：00處于高峰，5月和11月在10：00達到較高值，持續(xù)到14：00左右，1月變化整體較平緩。

圖5 習(xí)水典型月空氣負離子濃度日變化圖

2.3 不同區(qū)域負氧離子濃度對比及季節(jié)變化特征

觀測期內(nèi)不同區(qū)域觀測點空氣負離子濃度平均值大小依次為：荔波(2640 ±421 個/cm3)>貴陽(1229±614 個/cm3)>習(xí)水(1077 ±338 個/cm3)。不同區(qū)域觀測點空氣負離子濃度月變化見圖6。荔波空氣負離子濃度月變化1月份較高為3053個/cm3，隨后降低，3月份為2142個/cm3，然后波動上升至8月份達到最高值為3180個/cm3。空氣負離子濃度依次為：8月>1月>12月>6月>11月>7月10月>2月>9月>4月>5月>3月。8月森林空氣負離子濃度達3月的1.5倍。貴陽和習(xí)水空氣負離子濃度變化較相似，從1月份開始逐漸升高，貴陽在9月份達到最高值為1787個/cm3，習(xí)水7月份達到最高值為1502個/cm3，然后下降，10月份達到低值分別為845個/cm3,1124個/cm3。而后又有小幅度升高。

圖6 不同區(qū)域空氣負離子月變化特征

年內(nèi)森林空氣負離子濃度表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異，各觀測點林內(nèi)空氣負離子濃度的季節(jié)變化荔波表現(xiàn)夏季>冬季>春季>秋季，貴陽表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季，習(xí)水表現(xiàn)為夏季>秋季>春季>冬季。三個地方的結(jié)果不甚相同。

觀測期內(nèi)荔波、貴陽及習(xí)水各觀測點的空氣負離子濃度均表現(xiàn)第1觀測年(2018/09/01-2019/08/31)較第2觀測(2019/09/01-2020/08/31)呈升高的趨勢，荔波空氣負離子濃度為最高分別為2588.2、2907.0個/cm3，遠遠高于貴陽空氣負離子濃度895.5,1339.0個/cm3和習(xí)水空氣負離子濃度922.8、1228.6個/cm3。

圖7 空氣負離子年度變化特征

2.4 空氣負離子濃度與環(huán)境因子的關(guān)系

選取貴陽、習(xí)水為例，日尺度下在觀測期內(nèi)取空氣負離子平均值，得到負離子濃度與溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速、降雨和PM2.5動態(tài)變化圖8-圖9，并對負離子濃度與氣溫、空氣相對濕度、風(fēng)速、降雨和PM2.5等環(huán)境因子的相關(guān)性分析(表1)。結(jié)果表明，在貴陽和習(xí)水兩區(qū)域空氣負離子濃度與溫度、降雨均呈極顯著正相關(guān)，與PM2.5均呈極顯著負相關(guān)。而空氣負離子濃度與濕度的相關(guān)性在兩地區(qū)表現(xiàn)不同。空氣負離子濃度與風(fēng)速均不相關(guān)。

表1 空氣負離子濃度與溫度和濕度相關(guān)關(guān)系

圖8 貴陽空氣負離子與溫度、濕度、降雨、風(fēng)速及PM2.5的變化

圖9 習(xí)水空氣負離子與溫度、濕度、降雨、風(fēng)速及PM2.5的變化

3 結(jié)論與討論

不同區(qū)域森林空氣負離子濃度存在差異，荔波(2640 ±421 個/cm3)空氣負離子濃度明顯高于貴陽(1229±614 個/cm3)和習(xí)水(1077 ±338 個/cm3)。這可能與荔波自然保護區(qū)物種資源豐富植物多樣性較高有關(guān)。植被類型不同空氣負離子濃度也不同，鄭文俊等[17]在桂林森林公園研究結(jié)果表明，不同植被類型空氣負離子濃度水平表現(xiàn)為闊葉林>針葉林>針闊混交林>灌叢≥草坪。另外，林分郁閉度、林分垂直結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力等因子對空氣負離子含量有直接和間接的影響[18]。

空氣負離子濃度日變化波峰和波谷交替出現(xiàn)，出現(xiàn)時間大致有兩種情況：一是呈“U”型，最大值出現(xiàn)在午夜和清晨早期，最小濃度出現(xiàn)在中午。二是呈單峰型，最大值出現(xiàn)在午間，傍晚較低。本研究中荔波和貴陽屬于前者，李少寧等[19]天津典型綠化樹種、鄭文俊[17]桂林森林公園、金琪等[20]的研究有同樣的結(jié)論。習(xí)水屬于后者，單晟燁[21]漠河針葉林、湯秋嫄[22]北極村樟子松和落葉松是同樣的結(jié)論。前人研究表明空氣負離子濃度與總輻射量平均值的晝變化一致性高、兩者間呈極顯著的二次回歸關(guān)系，且總輻射量在310～530 W·m-2間的空氣負離子濃度較高[6]。

不同區(qū)域森林空氣負離子濃度月變化總體呈現(xiàn)先增后減的趨勢，達到峰值的月份各有不同，呈現(xiàn)出季節(jié)變化規(guī)律和年際差異。季節(jié)變化會影響空氣負離子濃度，各觀測點均表現(xiàn)出夏季明顯高于其他季節(jié),這與多數(shù)地區(qū)研究結(jié)果一致。夏季空氣溫度以及降水量的不斷增加，植物光合作用不斷增強，而植物在光合作用過程中會發(fā)生水解產(chǎn)生電子和氧氣，并通過氣孔釋放出去，而氧氣與電子結(jié)合能生成負氧離子，從而使林內(nèi)產(chǎn)生的空氣負離子量也隨之增加[23]。夏季空氣濕度較大，水滴對大氣可吸入灰塵等懸浮顆粒具有良好的清洗作用，從而能減少空氣中凝結(jié)核的數(shù)量，結(jié)果使空氣中負離子的消亡速率小于其生成速率[24]。也與林分的生長狀況有關(guān)，夏季林分處于生長期，林木生理活性較強，有利于負離子的產(chǎn)生。

大氣負氧離子濃度變化受環(huán)境因子、天氣現(xiàn)象等因素綜合影響?？諝庳撾x子濃度與溫濕度的相關(guān)關(guān)系的分析結(jié)果與單晟燁[21]、吳際友等[25]的研究結(jié)果相同，與馮鵬飛[26]、卓凌[7]、金琪[20]等研究結(jié)果相反，可見與氣象要素之間的相關(guān)性較為復(fù)雜，空氣負離子濃度與空氣濕度呈正相關(guān)，認為高空氣濕度有利于空氣的電離作用，故空氣濕度愈大,空氣負離子濃度愈高[15]；也有不少研究結(jié)果報道，空氣負離子濃度與空氣濕度呈負相關(guān)關(guān)系，認為空氣高濕度時的小離子濃度減小致空氣負離子濃度降低，高空氣濕度時大氣宇宙形成放射線電離作用減小也導(dǎo)致空氣負離子減小[1]。但降雨雷電天氣利于空氣負離子增加，金琪等[20]研究表明湖北降水時段內(nèi)各站負氧離子濃度均有明顯增大，隨著降水結(jié)束，負氧離子濃度迅速降低，這可能與空氣中的水滴半徑較大，負氧離子易附著在其表面發(fā)生沉降有關(guān)?？諝庳撾x子與PM2.5顆粒物呈負相關(guān)，空氣負離子攜帶的多余負電荷能與帶有正電荷的 PM2.5等顆粒相結(jié)合而沉降，即若空氣中含有較多空氣負離子會使 PM2.5顆粒量下降[13]，負離子有凈化空氣的作用[27]。

可見，不同時間、不同環(huán)境、不同地點空氣負離子與環(huán)境因子的關(guān)系不盡相同，不僅與氣象條件、海拔等地形條件有關(guān)，還與森林類型、林分密度、郁閉度和樹高等植被結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，同時還受空氣污染顆粒物含量有關(guān)[28]。今后對空氣負離子的研究，應(yīng)基于負氧離子形成的機理，同時對負氧離子長時間的監(jiān)測，深入開展大氣負氧離子濃度不同時間、空間尺度特征及與各項影響因素的研究，以合理有效的評價及開發(fā)負氧離子資源，為康養(yǎng)事業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。