基于隨機(jī)森林算法的上海城市森林氧吧功能評(píng)估

韓玉潔

HAN Yujie

（上海市林業(yè)總站，上海 200072；國(guó)家林業(yè)和草原局上海城市森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，上海 200240）

( Shanghai Forest Station, Shanghai, China, 200072; Shanghai Urban Forest Ecosystem Research Station, State Administration of Forest and Grassland, Shanghai, China, 200240 )

充分識(shí)別、科學(xué)評(píng)價(jià)城市森林氧吧資源，是發(fā)揮城市森林保健功效的前提，也是城市森林管理中亟待解決的問題。以上海城市公園中9個(gè)植物群落的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為建模數(shù)據(jù)集，建立群落內(nèi)空氣負(fù)離子與氣象條件、林分因子等指標(biāo)的隨機(jī)森林模型；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)2019年2月至2020年1月上海城市森林生態(tài)國(guó)家站和上海市氣候中心的長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、上海市森林資源年度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估上海市105處典型森林資源的負(fù)離子濃度，數(shù)據(jù)涵蓋上海全域內(nèi)公園綠地、生態(tài)片林、現(xiàn)有及擬開放休閑林地、現(xiàn)有及規(guī)劃中的郊野公園，提出城市森林空氣負(fù)（氧）離子評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明：105個(gè)城市森林群落中，全年空氣負(fù)離子等級(jí)以Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)為主，Ⅳ級(jí)次之，Ⅰ級(jí)較少；負(fù)離子濃度主要呈現(xiàn)夏秋高、冬春低的季節(jié)變化規(guī)律；上海城市森林氧吧功能呈現(xiàn)空間分布不均的特征，應(yīng)在人口密度高的中心城區(qū)打造更多的森林氧吧以滿足居民的康養(yǎng)需求。結(jié)果可為上海市合理利用森林氧吧資源打造居民休閑游憩空間提供科學(xué)依據(jù)。

城市森林；空氣負(fù)離子；森林氧吧；隨機(jī)森林算法；等級(jí)；上海

現(xiàn)代工業(yè)文明給人類帶來了豐富的物質(zhì)產(chǎn)品，改善了人類的生活條件，但也導(dǎo)致了環(huán)境的污染與惡化，危害到人類的健康與生存。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是人類療愈身心的康養(yǎng)勝地。英國(guó)林業(yè)研究院的報(bào)告[1]稱，保守估算，林中步行每年可以為國(guó)家衛(wèi)生服務(wù)體系節(jié)省出1.85億英鎊的心理障礙支出。近年來，森林氧吧的功能越來越為人們所重視，已成為一種重要的旅游資源，其提供的負(fù)氧離子濃度水平及對(duì)大氣污染物的凈化作用已成為森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[2]。2013年國(guó)家林業(yè)局發(fā)布了《推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃綱要（2013 - 2020）》，空氣負(fù)離子含量被列為生態(tài)文明建設(shè)的重要指標(biāo)之一，在醫(yī)學(xué)健康、環(huán)境衛(wèi)生、生態(tài)旅游等方面功能顯著。2015年中國(guó)首批“中國(guó)森林氧吧”名單發(fā)布[3]，主要以空氣負(fù)離子濃度、空氣顆粒物含量、空氣細(xì)菌含量等森林健康因子進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)[4]。森林氧吧能夠產(chǎn)生空氣負(fù)離子，釋放氧氣和植物精氣，改善林內(nèi)小氣候，凈化水質(zhì)，減少噪聲等，使得森林具備優(yōu)越的生態(tài)環(huán)境，對(duì)人們起到緩解壓力、提高機(jī)體免疫力、預(yù)防疾病和康復(fù)病體等作用[5]。

目前，對(duì)森林氧吧的研究主要集中在對(duì)城市環(huán)境中負(fù)氧離子濃度觀測(cè)[6-7]和時(shí)空變化規(guī)律[8]、天然林環(huán)境中空氣負(fù)離子的測(cè)定和分布規(guī)律[9-12]、不同植物群落或林分類型的負(fù)離子效應(yīng)評(píng)價(jià)[13-15]及其影響因素研究[16-23]等方面。城市森林可通過植物的生理作用釋放負(fù)離子到大氣環(huán)境中，是城市環(huán)境中空氣負(fù)離子濃度較高的區(qū)域[24]，對(duì)居民身心健康起到重要作用。如何充分挖掘城市森林氧吧資源并發(fā)揮其保健功效，是城市森林管理中亟待解決的問題。隨機(jī)森林（Random Forest，RF）算法由Leo Breiman和Cutler Adele 在2001年開發(fā)[25]，是一種通過構(gòu)建多棵決策樹形成森林的分類和回歸算法，能夠克服協(xié)變量之間復(fù)雜的交互關(guān)系，具有預(yù)測(cè)精度高、穩(wěn)健性強(qiáng)、不易過度擬合等優(yōu)點(diǎn)，在空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)[26]、物種分布預(yù)測(cè)[27]、林分蓄積生長(zhǎng)量預(yù)測(cè)[28]等預(yù)測(cè)性的生態(tài)模擬研究中有很好的應(yīng)用，為挖掘具有大量相互作用的復(fù)雜生態(tài)數(shù)據(jù)提供了有效的科學(xué)方法。

文章以上海中山公園中9個(gè)植物群落的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為建模數(shù)據(jù)集，建立群落內(nèi)空氣負(fù)離子與氣象條件、林分因子等指標(biāo)的RF模型；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)上海城市森林生態(tài)國(guó)家站和上海市氣候中心的長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、上海市森林資源年度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估上海市105處典型森林資源的負(fù)離子濃度，進(jìn)行城市森林氧吧分級(jí)，繪制森林氧吧分布圖，為上海市合理利用森林氧吧資源，打造居民休閑游憩空間提供科學(xué)依據(jù)，為其他城市森林管理提供有益借鑒。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

上海市地處東經(jīng)120°51′至122°12′，北緯30°40′至31°53′，北界長(zhǎng)江，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江兩省。上海屬于中亞熱帶向北亞熱帶過渡區(qū)域，為北亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，四季分明，日照充足，雨量充沛。冬季受西伯利亞冷高壓控制，盛行西北風(fēng)，寒冷干燥；夏季在西太平洋副熱帶高壓控制下，多東南風(fēng)，暖熱濕潤(rùn)；春秋是季風(fēng)的轉(zhuǎn)變期，多低溫陰雨天氣。

1.1 上海城市森林生態(tài)國(guó)家站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)上海城市森林生態(tài)國(guó)家站三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（分別位于長(zhǎng)寧區(qū)中山公園、浦東新區(qū)金海濕地公園、崇明區(qū)種種生態(tài)片林）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，每30 s記錄一次數(shù)據(jù)，包括負(fù)（氧）離子、PM2.5、PM10、CO、SO2、NO2、NOx、O3、溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量、總輻射、有效輻射、紫外輻射共17個(gè)指標(biāo)。研究采用2019年2月至2020年1月的定位觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 上海市氣候中心監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

上海市氣候中心提供兩組數(shù)據(jù)：（1）其布設(shè)的7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（分別位于崇明區(qū)東灘、寶山區(qū)顧村公園、奉賢區(qū)海灣森林公園、松江區(qū)佘山、嘉定區(qū)宏泰園、閔行區(qū)僑嘉葡萄園、青浦區(qū)尋夢(mèng)園）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括負(fù)（氧）離子、氣溫、相對(duì)濕度等指標(biāo)；（2）上海市各區(qū)的24節(jié)氣日當(dāng)天的氣象數(shù)據(jù)，包括降水、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、總?cè)照諘r(shí)數(shù)等指標(biāo)，每10 s記錄一次數(shù)據(jù)。為保證時(shí)間的一致性，采用的也是2019年2月到2020年1月的數(shù)據(jù)。

1.3 中山公園植物群落實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

中山公園位于上海市中心城區(qū)，園內(nèi)植物茂盛，種類豐富，群落多樣。研究按照隨機(jī)分布原則，在園內(nèi)設(shè)置了9個(gè)典型植物群落樣地，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2017年4月到2018年3月。采用自主研發(fā)的便攜式小型工作站，固定至距下墊面約1.5 m高度的平穩(wěn)地面，搭載移動(dòng)式負(fù)離子濃度監(jiān)測(cè)儀，檢測(cè)范圍為0～30 000 N/cm3。每個(gè)月的上半月（1 - 15日）和下半月（16 - 30日）各進(jìn)行一次野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，每30 s記錄一次數(shù)據(jù)。每次觀測(cè)時(shí)，每個(gè)樣地連續(xù)觀測(cè)3天共計(jì)72 h，并以上海城市森林生態(tài)國(guó)家站中山公園觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行校對(duì)。每次實(shí)驗(yàn)前將儀器進(jìn)行調(diào)零接地校準(zhǔn)，每3 h進(jìn)行一次設(shè)備檢查及數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以保證設(shè)備的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表1 中山公園植物群落樣地信息Tab.1 Information of sample points in Zhongshan Park

1.4 上海市典型森林資源樣地?cái)?shù)據(jù)

基于上海市2019年度森林資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果，根據(jù)全市公園綠地、生態(tài)片林、現(xiàn)有及擬開放休閑林地、現(xiàn)有及規(guī)劃中的郊野公園名錄，考慮到不同類型等級(jí)的公園、林帶、生態(tài)片林、開放林地等，以及林地群落結(jié)構(gòu)、郁閉度、面積等生態(tài)因子，篩選出105處典型的、居民可達(dá)性高的、四季景觀較好且面積較大的森林資源樣地。提取出105處森林資源樣地的信息，包括地名、位置（所處的區(qū)、鎮(zhèn)、村）、植被類型、群落結(jié)構(gòu)、樹種結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)樹種（組）、平均胸徑、平均樹高、郁閉度、密度等。根據(jù)105處森林資源樣地所處區(qū)域，分別將24節(jié)氣當(dāng)天的平均降水、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)與各樣地相匹配，作為各樣地負(fù)離子濃度預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

2 研究方法

2.1 RF預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

2.1.1 模型數(shù)據(jù)選擇

根據(jù)數(shù)據(jù)匹配原則，RF建模訓(xùn)練數(shù)據(jù)集從上海城市森林生態(tài)國(guó)家站中山公園觀測(cè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)集中提取負(fù)離子濃度、溫度、濕度、降水、風(fēng)速等指標(biāo)，同時(shí)在數(shù)據(jù)集中引入郁閉度因子。按照《空氣負(fù)（氧）離子濃度觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（LY/T 2586-2016）[29]，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值（負(fù)值、明顯偏大值）剔除，考慮到模型預(yù)測(cè)的實(shí)際意義，將原始數(shù)據(jù)中負(fù)離子濃度超過3 000的數(shù)據(jù)條進(jìn)行刪除。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的離散性，降低連續(xù)性數(shù)據(jù)對(duì)模型的控制力度較強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)，將所得到的數(shù)據(jù)從中隨機(jī)提取一半，作為最終的建模數(shù)據(jù)集。

2.1.2 模型構(gòu)建

利用R語言的randomForest包來實(shí)現(xiàn)RF回歸模型。參數(shù)選擇上，通過繪制誤差與tree關(guān)系圖，選擇RF參數(shù)ntree=400；使用枚舉法，根據(jù)擬合優(yōu)度選擇RF參數(shù)mtry=4。

將溫度（X1）、濕度（X2）、降水（X3）、風(fēng)速（X4）、郁閉度（X5）5個(gè)因子作為模型的自變量，以負(fù)離子濃度（Y）為因變量，建立公式（1）。

取建模數(shù)據(jù)集的80%作為模型訓(xùn)練集，剩余20%作為預(yù)測(cè)集，以評(píng)估模型準(zhǔn)確度。最終構(gòu)建的RF回歸模型的擬合度為0.4783；再對(duì)預(yù)測(cè)集進(jìn)行精度校驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)負(fù)離子濃度預(yù)測(cè)誤差率在[-0.2，0.2]內(nèi)的占60%以上，模型準(zhǔn)確率較好。利用此模型，輸入105處森林資源對(duì)應(yīng)因子數(shù)據(jù)集，得到各樣地四季的負(fù)離子濃度預(yù)測(cè)值（Cp）。本研究中四季的劃分：3 - 5月為春季。6 - 8月為夏季，9 - 11月為秋季，12 - 2月為冬季。

2.2 模型預(yù)測(cè)結(jié)果修正

由于在RF模型中，并未充分考量林地類型對(duì)負(fù)離子濃度的影響，因此需進(jìn)行修正。修正包括兩部分：林地類型結(jié)構(gòu)修正、林分密度修正。

2.2.1 林地類型修正

105處森林資源樣地按林地類型可分成4類：闊葉純林、闊葉混交林、針葉純林、針闊混交林。因而分別以中山公園監(jiān)測(cè)樣地A代表闊葉純林、樣地F代表闊葉混交林、樣地H代表針葉純林、樣地D代表針闊混交林。分季節(jié)計(jì)算森林負(fù)離子濃度基準(zhǔn)值，即每一季節(jié)4個(gè)樣地的負(fù)離子濃度的平均值（C1）；計(jì)算每一季節(jié)各類型林地樣地負(fù)離子濃度的平均值（C1x），并定義補(bǔ)償系數(shù)（K1x），公式（2）。

2.2.2 林分密度修正

105處森林資源樣地按林分密度可分成三個(gè)等級(jí)：≥1 000株/hm2、500～1 000株/hm2以及≤500株/hm2。分季節(jié)計(jì)算中山公園監(jiān)測(cè)樣地（除空白對(duì)照樣地）的負(fù)離子濃度平均值（C2）；計(jì)算每一季節(jié)不同林分密度等級(jí)樣地的負(fù)離子濃度平均值及總均值（C2x），定義補(bǔ)償系數(shù)（K2x），公式（3）。

2.2.3 綜合修正

將林地類型及林分密度補(bǔ)償系數(shù)對(duì)應(yīng)至105處森林資源樣地，相加即得各位點(diǎn)綜合修正系數(shù)（K）。在RF模型預(yù)測(cè)濃度值（Cp）上，得最終負(fù)離子濃度預(yù)測(cè)值Ca，公式（4）。

3 結(jié)果與分析

3.1 上海城市森林空氣負(fù)離子濃度等級(jí)劃分

根據(jù)上海城市森林生態(tài)國(guó)家站的負(fù)離子濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，中山公園的正常區(qū)間值為150～800個(gè)/cm3，偶爾出現(xiàn)100～3 500個(gè)/cm3；浦東金海濕地公園的正常區(qū)間值為350～1 200個(gè)/cm3，偶爾出現(xiàn)200～2 100個(gè)/cm3；崇明種種生態(tài)片林的正常區(qū)間值為600～1 800個(gè)/ cm3，偶爾出現(xiàn)200～3 000個(gè)/ cm3。根據(jù)RF模型對(duì)上海105處森林資源樣地的預(yù)測(cè)結(jié)果，負(fù)離子濃度在150～2 050個(gè)/cm3之間?；凇犊諝庳?fù)（氧）離子濃度觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（LY/T 2586-2016）和《空氣負(fù)（氧）離子濃度等級(jí)》（QX/T 380-2017）[30]的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將上海中山公園9個(gè)典型植物群落實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、上海城市森林生態(tài)國(guó)家站3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)和上海市氣候中心7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)離子數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，將上海城市森林空氣負(fù)（氧）離子分為5個(gè)等級(jí)（表2）。

表2 上海城市森林空氣負(fù)（氧）離子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Shanghai urban forest air negative (oxygen) ion rating standard

3.2 上海城市森林空氣負(fù)離子濃度的季節(jié)變化

根據(jù)RF模型對(duì)上海105處典型森林資源樣地的預(yù)測(cè)結(jié)果，森林空氣負(fù)離子等級(jí)以Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)為主，Ⅳ級(jí)次之，Ⅰ級(jí)較少。從105個(gè)樣地森林空氣負(fù)離子濃度來看，春季達(dá)到Ⅰ級(jí)的有5個(gè)，占比4.8%；達(dá)到Ⅱ級(jí)的有56個(gè)，占比53.3%；達(dá)到Ⅲ級(jí)的有31個(gè)，占比29.5%；達(dá)到Ⅳ級(jí)的有13個(gè)，占比12.4%；沒有Ⅴ級(jí)。夏季達(dá)到Ⅰ級(jí)的僅2個(gè)，占比1.9%；達(dá)到Ⅱ級(jí)的有44個(gè)，占比41.9%；達(dá)到Ⅲ級(jí)的有34個(gè)，占比32.4%；達(dá)到Ⅳ級(jí)的有19個(gè)，占比18.1%；Ⅴ級(jí)為6個(gè)，占比5.7%。秋季達(dá)到Ⅰ級(jí)的僅3個(gè)，占比2.9%；達(dá)到Ⅱ級(jí)的有35個(gè)，占比33.3%；達(dá)到Ⅲ級(jí)的有36個(gè)，占比34.3%；達(dá)到Ⅳ級(jí)的有17個(gè)，占比16.2%；Ⅴ級(jí)為14個(gè)，占比13.3%。冬季達(dá)到Ⅰ級(jí)的僅15個(gè)，占比14.3%；達(dá)到Ⅱ級(jí)的有37個(gè)，占比35.2%；達(dá)到Ⅲ級(jí)的有44個(gè)，占比41.9%；達(dá)到Ⅳ級(jí)的有8個(gè)，占比7.6%；Ⅴ級(jí)為1個(gè)，占比0.9%（圖1）。不同季節(jié)，森林空氣負(fù)離子變化較大，且呈現(xiàn)夏秋高、冬春低的季節(jié)變化規(guī)律。

圖1 105處典型森林資源樣地空氣負(fù)離子濃度的季節(jié)變化Fig.1 Seasonalvariation of air negative ions in 105 typical forest resource plots

3.3 上海城市森林空氣負(fù)離子濃度的空間差異

根據(jù)RF模型春夏秋冬4個(gè)季節(jié)的預(yù)測(cè)結(jié)果（圖2），森林空氣負(fù)離子等級(jí)為Ⅰ級(jí)的森林資源樣地，在崇明區(qū)和閔行區(qū)出現(xiàn)的頻率較高，其次為浦東新區(qū)，其余依次為金山區(qū)、松江區(qū)、嘉定區(qū)和青浦區(qū)。Ⅱ級(jí)樣地出現(xiàn)的頻率排序?yàn)椋褐行某菂^(qū)＞崇明區(qū)＞浦東新區(qū)、青浦區(qū)＞松江區(qū)＞嘉定區(qū)＞奉賢區(qū)＞金山區(qū)＞寶山區(qū)＞閔行區(qū)。Ⅲ級(jí)樣地出現(xiàn)的頻率排序?yàn)椋褐行某菂^(qū)＞崇明區(qū)＞浦東新區(qū)、青浦區(qū)＞松江區(qū)＞嘉定區(qū)＞奉賢區(qū)＞金山區(qū)＞寶山區(qū)＞閔行區(qū)。Ⅳ級(jí)樣地出現(xiàn)的頻率排序?yàn)椋褐行某菂^(qū)＞青浦區(qū)＞浦東新區(qū)、松江區(qū)、金山區(qū)＞崇明區(qū)、閔行區(qū)＞奉賢區(qū)＞寶山區(qū)＞嘉定區(qū)。由此可見，中心城區(qū)雖然很難達(dá)到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但是達(dá)到Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的樣地較多，且15處樣地的空氣負(fù)離子等級(jí)都達(dá)到了Ⅳ級(jí)以上，對(duì)于城市居民日常的休閑健身很重要。

圖2 105處典型森林資源空氣負(fù)離子空間分布格局Fig.2 Spatial distribution pattern of air negative ions in 105 typical forest resource plots

3.4 上海城市森林氧吧資源空間分布特征

根據(jù)上海城市森林空氣負(fù)（氧）離子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)105處典型森林資源的RF模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分，按照春夏秋冬四季繪制上海市森林氧吧地圖（圖3）。從森林氧吧空間分布來看，達(dá)到Ⅳ級(jí)以上的森林氧吧資源有100處，其中浦東新區(qū)數(shù)量最多（18處），其余依次為中心城區(qū)（15處）、青浦區(qū)（13處）、松江區(qū)（11處）、崇明區(qū)（9處）、金山區(qū)（9處）、奉賢區(qū)（8處）、嘉定區(qū)（7處）、寶山區(qū)（6處），閔行區(qū)最少（4處）。從各區(qū)的人口數(shù)量來看，僅從現(xiàn)有的公園綠地、生態(tài)片林、開放休閑林地、郊野公園角度打造森林氧吧，還不足以滿足居民的需求，需要根據(jù)各區(qū)的人口密度和森林氧吧分布情況，充分利用現(xiàn)有的森林資源適當(dāng)加以開發(fā)，尤其是閔行區(qū)和中心城區(qū)需要打造更多的森林氧吧以滿足居民的康養(yǎng)需求。

圖3 上海市四季森林氧吧分布圖Fig.3 Map of four seasons forest oxygen bar in Shanghai

3.5 不同森林群落空氣負(fù)離子濃度季節(jié)變化

將105處森林資源樣地歸類為10種森林群落類型，根據(jù)RF模型預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：春季，各森林群落類型的負(fù)離子濃度在620～970個(gè)/cm3之間，濃度較高的為常綠落葉針闊混交林、常綠闊葉混交林、常綠落葉闊葉混交林，較低的為常綠針葉林，表現(xiàn)為混交林>純林；夏季，各森林群落類型的負(fù)離子濃度在430～940個(gè)/cm3之間，濃度較高的為常綠落葉闊葉混交林、常綠闊葉混交林、落葉闊葉混交林，較低的林分為常綠針葉林、常綠落葉針闊混交林，表現(xiàn)為以闊葉樹種為主的混交林大于帶有針葉樹種的林分；秋季，各森林群落類型的負(fù)離子濃度在420～1 090個(gè)/cm3之間，濃度較高的為常綠針葉林、常綠落葉針葉混交林、落葉針葉林，較低的為落葉闊葉林、常綠闊葉林和常綠落葉針闊混交林，負(fù)離子濃度在各森林群落之間的差異較為明顯，表現(xiàn)為以針葉樹種為主的森林群落類型優(yōu)勢(shì)明顯，尤其是常綠針葉林負(fù)離子濃度最高；冬季，各森林群落類型的負(fù)離子濃度在520～1050個(gè)/cm3之間，濃度較高的森林群落類型為落葉闊葉混交林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林，較低的為常綠落葉針葉混交林、落葉針闊混交林和常綠落葉針闊混交林，表現(xiàn)為帶有闊葉成分的林分大于帶有針葉成分的林分（圖4）。影響森林群落空氣負(fù)離子濃度變化的因子較為復(fù)雜，與溫度、濕度、優(yōu)勢(shì)樹種組結(jié)構(gòu)、郁閉度、林齡、生長(zhǎng)勢(shì)、空間結(jié)構(gòu)、景觀格局都有一定的關(guān)系。

圖4 不同森林群落空氣負(fù)離子濃度季節(jié)變化Fig.4 Seasonal Variation of air negative ions in different forest communities

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

與自然森林生態(tài)系統(tǒng)相比，受空氣污染、人口密度等因素影響，城市森林生態(tài)系統(tǒng)的空氣負(fù)離子含量相對(duì)較低，當(dāng)空氣污染嚴(yán)重時(shí)，空氣負(fù)離子會(huì)很快與灰塵、煙霧結(jié)合沉降[31-32]；在人口比較密集的區(qū)域，空氣負(fù)離子的壽命也很短，僅存活幾秒鐘[33]。對(duì)上海城市森林生態(tài)國(guó)家站中山公園觀測(cè)點(diǎn)的空氣負(fù)離子與9種氣象因子及6種大氣污染物的相關(guān)性分析、多元線性回歸分析表明，空氣負(fù)離子對(duì)濕度最敏感，其次是輻射和溫度，最后是PM2.5[34]。本文以上海中山公園中9個(gè)植物群落的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為建模數(shù)據(jù)集，建立群落內(nèi)空氣負(fù)離子與氣象條件、林分因子等指標(biāo)的RF模型；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)上海城市森林生態(tài)國(guó)家站和上海市氣候中心的長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、上海市森林資源年度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估了涵蓋了上海全域內(nèi)公園綠地、生態(tài)片林、現(xiàn)有及擬開放休閑林地、現(xiàn)有及規(guī)劃中的郊野公園的105處典型森林資源的負(fù)離子濃度，并提出了城市森林空氣負(fù)（氧）離子等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級(jí)≥1 200個(gè)/ cm3，800個(gè)/cm3≤Ⅱ級(jí)＜1 200個(gè)/cm3，500個(gè)/cm3≤Ⅲ級(jí)＜800個(gè)/cm3，300個(gè)/cm3≤Ⅳ級(jí)＜500個(gè)/cm3，Ⅴ級(jí)＜300個(gè)/cm3。研究結(jié)果表明：105個(gè)城市森林群落中，全年空氣負(fù)離子等級(jí)以Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)為主，Ⅳ級(jí)次之，Ⅰ級(jí)較少；負(fù)離子濃度主要呈現(xiàn)夏秋高、冬春低的季節(jié)變化規(guī)律；上海城市森林氧吧呈現(xiàn)空間分布不均的特征，浦東新區(qū)數(shù)量最多，其余依次為中心城區(qū)＞青浦區(qū)＞松江區(qū)＞崇明區(qū)＞金山區(qū)＞奉賢區(qū)＞嘉定區(qū)＞寶山區(qū)，閔行區(qū)最少；從森林群落類型來看，春季負(fù)離子濃度表現(xiàn)為混交林>純林，夏季負(fù)離子濃度表現(xiàn)為以闊葉樹種為主的混交林大于帶有針葉樹種的林分，秋季負(fù)離子濃度表現(xiàn)為常綠針葉林負(fù)離子濃度最高，冬季負(fù)離子濃度表現(xiàn)為帶有闊葉成分的林分大于帶有針葉成分的林分。

4.2 建議

上海地處長(zhǎng)三角都市圈的中心地區(qū)，是中國(guó)大陸地區(qū)城市化水平最高（89.3%）和人口密度最大（3 923人/km2）的超大城市，居民游憩空間缺乏，對(duì)城市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求強(qiáng)烈，森林氧吧的服務(wù)壓力也相應(yīng)較大，建議：（1）中心城區(qū)是高度城市化的特殊生態(tài)系統(tǒng)，人口密度也最高（23 092人/km2），公園綠地作為唯一有綠色生命的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅是居民休閑游憩和運(yùn)動(dòng)健身的重要場(chǎng)所，還可以結(jié)合森林氧吧的營(yíng)造來為公眾健康做好服務(wù)，可通過現(xiàn)有公園綠地的升級(jí)改造使其達(dá)到城市森林氧吧的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地滿足居民的森林康養(yǎng)需求。（2）不同森林群落類型在不同季節(jié)的空氣負(fù)離子濃度差異較大，上海市正在推進(jìn)開放休閑林地建設(shè)，可以結(jié)合林相改造，通過森林群落結(jié)構(gòu)調(diào)整和林分郁閉度調(diào)控等措施，提升森林環(huán)境中的負(fù)離子濃度，更好地發(fā)揮其森林氧吧功能。（3）全市森林氧吧資源空間分布不均，可以綜合考慮各行政區(qū)域人口密度、森林資源現(xiàn)狀與居民出游便利程度等因素，因地制宜，均衡布局，提升各區(qū)森林氧吧的服務(wù)能力，為保障公眾健康助力。

注：文中圖表均由作者繪制。