石門國家森林公園不同杉木群落類型空氣負(fù)離子濃度變化特征*

連人豪 錢銀蘭 張 華 曾維浩 莫志安 馬紅巖 李俊杰 袁富堅

（1.廣州市石門國家森林公園管理中心，廣東 廣州 5109762；2.廣州碳匯林業(yè)有限公司，廣東 廣州 510650；3.廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

環(huán)境空氣污染是全球范圍內(nèi)一個新興的環(huán)境問題[1]?？諝庳?fù)離子（Negative air ions, NAIs）是空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，對于評估空氣狀況非常重要[2]。研究表明，NAIs可以抑制病毒和細(xì)菌的生長[3]。亦有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，其不僅具有抑菌滅菌、沉降懸浮顆粒物、分解中和揮發(fā)性有害物質(zhì)的作用，同時它還具有預(yù)防和輔助治療呼吸道疾病、循環(huán)系統(tǒng)疾病和消化系統(tǒng)疾病的功能，改善呼吸系統(tǒng)絨毛的工作效率；降低血壓，增強(qiáng)心肌功能，被譽(yù)為“空氣維生素和生長素”[4-6]。NAIs的發(fā)生和維持機(jī)制的研究表明，其主要是由自然界中的電效應(yīng)產(chǎn)生，如通過植物葉尖端放電和光電效應(yīng)促進(jìn)空氣的電離子形成，將空氣中細(xì)顆粒物與正離子團(tuán)聚變?yōu)檩^大的顆粒，后在重力作用下沉降從而凈化空氣[7]。在不同情況下，NAIs會隨著地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，季節(jié)性以及晝夜交替，呈現(xiàn)出一定的每日和季節(jié)性動態(tài)變化[1]。郭云鶴等[8]研究表明，NAIs濃度通常從午夜到清晨較高，在中午逐漸降低，在晚上逐漸升高，呈“U”形分布。朱思特等[9]研究了3種不同林分結(jié)構(gòu)類型的負(fù)離子濃度的日變化趨勢，結(jié)果表明與郭云鶴等[8]的研究結(jié)果一致。李高飛等[10]研究結(jié)果表明夏季和秋季的NAIs濃度通常高于冬季和春季，不同區(qū)域的季節(jié)變化并非完全一致，這可能是由于觀測區(qū)域的位置和氣候的不同引起差異。崔會平等[11]分析了不同竹群落類型NAIs在不同季節(jié)的變化規(guī)律，其變化表現(xiàn)為冬季＞秋季＞春季＞夏季。

森林是陸地上分布最廣、最復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。與其他類型的生態(tài)環(huán)境相比，森林中的NAIs濃度約增加了一倍[12]。由于森林中NAIs濃度集中，已成為人們旅游和休閑的首選區(qū)域。但在不同樹種、群落結(jié)構(gòu)和林齡的影響下，通過改變森林中的微氣象條件，NAIs的濃度也存在顯著差異。如邵海榮等[13]研究表明在不同綠化配置模式下，NAIs濃度存在差異，呈現(xiàn)為樹木＞灌木＞草坪＞裸地。此外，森林不同的物候期亦會隨季節(jié)而變化，如在葉片形成階段NAIs濃度最高，進(jìn)而影響NAIs濃度變化。

有關(guān)氣象、氣體污染物、空氣顆粒物和植被的NAIs的時空變化規(guī)律已有許多研究，但其中大多數(shù)研究都是在相同規(guī)模環(huán)境中進(jìn)行，而針對森林公園夏冬季節(jié)的空氣負(fù)離子變化規(guī)律的相關(guān)研究較缺乏。本研究以夏冬季石門國家森林公園為研究對象，進(jìn)行空氣負(fù)離子濃度的實地調(diào)查觀測，研究了5種不同杉木林群落結(jié)構(gòu)類型中空氣負(fù)離子濃度變化情況及等級評價，通過分析數(shù)據(jù)結(jié)果，對夏冬季南方森林公園的游客游覽路線選擇提供參考，為森林游憩地景觀生態(tài)規(guī)劃設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石門國家森林公園地處廣州市從化區(qū)溫泉鎮(zhèn)，東鄰南昆山自然保護(hù)區(qū)，南靠增城大封門林場，西對溫泉鎮(zhèn)，北望廣東流溪河國家森林公園，總面積2 628 hm2。地理坐標(biāo)為北緯23°36′50″～23°39′20″，東經(jīng)113°46′16″～113°49′17″。屬南亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，主要氣候特征是溫高濕重、雨量充沛。園內(nèi)有豐富的植物資源，森林覆蓋率達(dá)96.76%，是一個集生態(tài)旅游、科普教育及旅游度假休閑為一體的綜合性國家森林公園；園內(nèi)有豐富多樣的杉木群落結(jié)構(gòu)，如純杉木林、杉木+竹林、杉木+常綠闊葉林、杉木+空曠地、杉木+水溪等類型；選取該公園具有代表性的5種杉木群落結(jié)構(gòu)類型觀測夏冬季的空氣負(fù)離子濃度變化，為規(guī)劃該公園森林康養(yǎng)景點及康養(yǎng)旅游路線提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 樣地選擇

選取石門國家森林公園中以杉木+闊葉混交林、杉木+闊葉林+竹林、杉木+竹林、杉木+水體旁、杉木+空曠地5種杉木群落結(jié)構(gòu)類型為研究樣本，在群落選擇樣地大小為20 m×20 m作為觀測范圍，分別在樣地的上坡位及下坡位進(jìn)行觀測；具體樣地類型及特點詳見表1。

表1 杉木儲備林試驗示范區(qū)概況Table 1 Survey of observation in the experimental demonstration area of Cunninghamia lanceolata reserve forest

1.3 取樣方法

該公園位于廣州市從化區(qū)，地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，每年6—8月為夏季，12—2月為冬季，在夏季的8月份及冬季1月份選擇4天進(jìn)行數(shù)據(jù)測定；采樣時天氣狀態(tài)相對穩(wěn)定、風(fēng)向、風(fēng)速變化不大，且多為晴天或多云，對5個樣點分別在8:00—9:00、9:00—10:00、10:00—11:00、13:00—14:00、14:00—15:00、15:00—16:00時 對 空 氣 負(fù)離子濃度、溫度、相對濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。因為觀測點較多，受景區(qū)的地形限制，觀測不能同步，為使各點數(shù)據(jù)具有可比性，對所得的數(shù)據(jù)取均值得到負(fù)離子濃度。

空氣負(fù)離子濃度（個·cm-3）采用日本原產(chǎn)的COM-3200 PROⅡ高精度負(fù)離子檢測儀，進(jìn)行測定，觀測高度為距離地面1.2～1.5 m處，每個觀測點開機(jī)并做歸零調(diào)整后觀察空氣負(fù)離子讀數(shù)，待負(fù)離子數(shù)值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，開始記錄數(shù)據(jù)停頓0.5～1 s的數(shù)值，同步記錄溫度及相對濕度，跳動過快的數(shù)值不用記錄，注意每個時間段觀測取30組數(shù)據(jù)；每次記錄時間持續(xù)3～5 min。

1.4 分析方法

1.4.1 負(fù)離子濃度數(shù)據(jù)處理方法 本文采取IBM SPSS Statistics 26.0軟件對負(fù)離子濃度在不同群落結(jié)構(gòu)類型之間、同一時間段不同群落結(jié)構(gòu)類型之間、同一群落類型不同季節(jié)之間的顯著性進(jìn)行分析。

1.4.2 負(fù)離子濃度等級劃分方法 世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定，每立方厘米空氣負(fù)氧離子不低于1 000～1 500個時為清新空氣，并以400個作為旅游區(qū)空氣負(fù)氧離子的臨界濃度[14]。對于負(fù)氧離子濃度等級的劃分，目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。表2為常見的負(fù)氧離子等級標(biāo)準(zhǔn)及與健康的關(guān)系表，根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)對觀測的夏冬季負(fù)離子濃度進(jìn)行劃分[15]。

表2 負(fù)氧離子等級標(biāo)準(zhǔn)及與健康的關(guān)系Table 2 The relationship between negative ions grade and human health

2 結(jié)果與分析

2.1 不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型夏季負(fù)離子日濃度變化分析

由表3得知，杉木+闊葉混交林、杉木+闊葉林+竹林、杉木+竹林、杉木+水體旁、杉木+空曠地5種不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型夏季負(fù)離子濃度日變化除杉木+空曠地類型組合呈現(xiàn)雙峰趨勢，其他杉木樣地類型呈現(xiàn)單峰趨勢；全天中空氣負(fù)離子濃度最低值除了杉木+水體旁樣地出現(xiàn)在14:00—15:00時間段，其他杉木樣地類型負(fù)離子濃度最低值均出現(xiàn)下午13:00—14:00。杉木+水體旁群落類型負(fù)離子在8:00—9:00時達(dá)到全天負(fù)離子濃度數(shù)平均值的最大值。

表3 不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型夏季各時間段負(fù)離子濃度Table 3 Concentrations of negative ions in different periods of Cunninghamia lanceolata community structure in summer

同一時間段不同群落結(jié)構(gòu)類型之間負(fù)離子濃度表現(xiàn)出一定的差異性，在8:00—9:00時間段內(nèi)，除了杉木+闊葉林+竹林與杉木+竹林群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化差異不顯著，其它各群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化均表現(xiàn)出差異顯著；在9:00—10:00及在15:00—16:00時間段內(nèi)，除了杉木+闊葉林與杉木+空曠地、杉木+闊葉林+竹林與杉木+竹林這兩個群落類型之間負(fù)離子濃度變化差異不顯著，其它各群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化均表現(xiàn)出差異顯著；在10:00—11:00時間段內(nèi)，除了杉木+闊葉混交林與杉木+闊葉林+竹林群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化差異不顯著，其它各群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化均表現(xiàn)出差異顯著；在13:00—14:00時間段內(nèi)，除了杉木+闊葉林與杉木+空曠地群落類型之間負(fù)離子濃度變化差異不顯著，其它各群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化均表現(xiàn)出差異顯著；在14:00—15:00時間段內(nèi)，各群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化均表現(xiàn)出差異顯著。

2.2 不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型冬季負(fù)離子日濃度變化分析

由表4得知，杉木+闊葉混交林、杉木+闊葉林+竹林、杉木+竹林、杉木+水體旁、杉木+空曠地5種不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型冬季負(fù)離子濃度日變化除了杉木+空曠地以外呈現(xiàn)雙峰趨勢，其他杉木群落結(jié)構(gòu)類型呈現(xiàn)單峰趨勢；5種群落類型均有一天中的最高值和最低值，濃度變化差異較大。杉木+闊葉林+竹林、杉木+竹林及杉木+空曠地最高峰出現(xiàn)在8:00—9:00時、杉木+闊葉混交林及杉木+水體旁最高峰出現(xiàn)在10:00—11:00時。

表4 不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型冬季各時間段負(fù)離子濃度Table 4 Concentrations of negative ions in different periods of Cunninghamia lanceolata community structure in winter

同一時間段不同群落結(jié)構(gòu)類型之間負(fù)離子濃度表現(xiàn)出一定的差異性，在8:00—9:00時間段內(nèi)，除了杉木+水體旁與杉木+空曠地群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化差異不顯著，其它各群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化均表現(xiàn)出差異顯著；在9:00—10:00時間段內(nèi)，除了杉木+闊葉林+竹林與杉木+竹林群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化差異不顯著，其它各群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化均表現(xiàn)出差異顯著；在10:00—11:00、13:00—14:00、14:00—15:00時間段內(nèi)，各群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化均表現(xiàn)出差異顯著；在15:00—16:00時間段內(nèi)，除了杉木+闊葉混交林與杉木+闊葉林+竹林群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化差異不顯著，其它各群落結(jié)構(gòu)之間負(fù)離子濃度變化均表現(xiàn)出差異顯著。

2.3 同種杉木群落結(jié)構(gòu)類型夏冬季節(jié)空氣負(fù)離子濃度比較分析

同種杉木群落結(jié)構(gòu)類型在夏冬季節(jié)的負(fù)離子濃度方差比較分析詳見表5，比對結(jié)果表明，在夏冬季節(jié)之間空氣負(fù)離子濃度之間杉木+竹林類型濃度差異不顯著，杉木+闊葉林+竹林差異顯著，杉木+闊葉混交林、杉木+水體旁、杉木+空曠地空氣負(fù)離子差異極顯著。此外，表5結(jié)果顯示在夏季和冬季杉木+水體旁群落結(jié)構(gòu)空氣負(fù)離子平均濃度均顯著高于其它群落結(jié)構(gòu)類型，為這5種群落類型的最高值，且夏季在杉木+水體旁的負(fù)離子濃度比冬季的高出3倍，達(dá)到6586.47個·cm-3；綜上所述，夏季比冬季更適合出行游玩并進(jìn)行一系列森林康養(yǎng)活動，靠近水體旁的杉木群落結(jié)構(gòu)空氣質(zhì)量更優(yōu)，在此地開展森林旅游活動更為舒適。

2.4 不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型夏冬季空氣負(fù)離子濃度差異性分析

由表5和表6可得出，杉木+闊葉混交林與杉木+空曠地及杉木+闊葉林+竹林與杉木+竹林、杉木+闊葉林+竹林與杉木+空曠地這3種群落結(jié)構(gòu)類型之間負(fù)離子濃度差異性不顯著，杉木+闊葉混交林與杉木+闊葉林+竹林、杉木+竹林與杉木+空曠地群落結(jié)構(gòu)類型之間在夏季的負(fù)離子濃度表現(xiàn)出顯著的差異；其它杉木群落結(jié)構(gòu)類型之間負(fù)離子濃度均表現(xiàn)出極顯著的差異；其中杉木+水體旁的負(fù)離子濃度為這5種群落結(jié)構(gòu)類型在夏季負(fù)離子濃度的最大值，其它群落類型負(fù)離子濃度大小依次為杉木+闊葉混交林＞杉木+空曠地＞杉木+闊葉林+竹林＞杉木+竹林。

表6 夏季負(fù)離子濃度差異性系數(shù)Table 6 Difference coefficient of negative ions concentration in summer

由表5及表7可得出，除了杉木+闊葉混交林與杉木+空曠地、杉木+空曠地與杉木+水體旁群落類型在冬季負(fù)離子濃度差異性不顯著以外，其它群落結(jié)構(gòu)類型之間在冬季的負(fù)離子濃度均表現(xiàn)出極顯著的差異；其中杉木+水體旁在冬季負(fù)離子濃度達(dá)到這5種群落結(jié)構(gòu)類型最大值，其它群落類型負(fù)離子濃度大小依次為杉木+空曠地＞杉木+闊葉混交林＞杉木+闊葉林+竹林＞杉木+竹林。

表5 同種杉木群落類型夏冬季節(jié)的空氣負(fù)離子濃度比較Table5 Comparison of negative ion concentration in summer and winter of the same Cunninghamia lanceolata community types

表6 石門國家森林公園不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型負(fù)氧離子濃度等級評價Table 6 Evaluation of negative ions concentration level of different fir community structure types in Shimen National Forest Park

表7 冬季負(fù)離子濃度差異性系數(shù)Table 7 Difference coefficient of negative ions concentration in winter

2.5 空氣負(fù)離子濃度等級評價

根據(jù)表6可知觀測的5種不同杉木結(jié)構(gòu)類型中負(fù)離子濃度均達(dá)到4級以上，其中杉木+空曠地及杉木+水體旁群落結(jié)構(gòu)類型負(fù)離子等級達(dá)到7級以上，對于健康極其有利，具有殺滅細(xì)菌、減少疾病傳染、自然痊愈、治療和康復(fù)功效的森林康養(yǎng)作用。

3 討論與結(jié)論

3.1 本研究得出不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型在夏季、冬季負(fù)離子濃度日變化特征表現(xiàn)為差異極顯著；差異顯著及差異不顯著，負(fù)離子濃度日變化趨勢多數(shù)呈現(xiàn)“V”或U型，從早上8點開始隨著太陽上升而緩慢上升至下午1：00點，溫度達(dá)到一天中最高值，而負(fù)離子濃度基本達(dá)到一天最低值，整體表現(xiàn)為早上和傍晚的濃度較高，中午時間段濃度較低，這與馮燕珠等[16]研究結(jié)果一致，原因是隨著太陽光照強(qiáng)度增加空氣濕氣消散，從而減少負(fù)離子的產(chǎn)生，因而負(fù)離子濃度降低。杉木+水旁負(fù)離子濃度則在早上8:00—9:00時之間達(dá)到一天中最大值，原因是杉木+水體旁類型由于水體旁群落類型林地內(nèi)的相對濕度比其它群落類型的相對濕度大，易于受到從清晨到中午隨著太陽光照的強(qiáng)度增加而水蒸氣迅速減少的影響，導(dǎo)致造成林地內(nèi)相對濕度的迅速減少；而負(fù)離子濃度與相對濕度呈正相關(guān)[17]，因此負(fù)離子濃度變化的差異比其他群落類型大。

3.2 根據(jù)夏季觀測的5種不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型負(fù)離子濃度得出石門國家森林公園夏季的負(fù)離子平均濃度為2 142.03個·cm-3，冬季負(fù)離子平均濃度為1 333.37個·cm-3，負(fù)離子濃度在季節(jié)變化中，夏季負(fù)離子濃度高于冬季，空氣質(zhì)量夏季優(yōu)于冬季，該研究與李高飛等[10]、王磊等[18]、劉欣欣等[19]的研究結(jié)果一致。原因是由于溫度對植物光合作用的影響，當(dāng)溫度較低時，光合作用隨溫度的升高而增加，從而將更多的氧氣釋放到空氣中并促進(jìn)NAIs的產(chǎn)生。當(dāng)溫度升高到一定程度，葉片氣孔關(guān)閉，光合作用降低，導(dǎo)致釋放到空氣中的氧氣減少，從而NAIs濃度降低。隨著夏季溫度升高，在光合作用下酶催化反應(yīng)的速率增加。本研究中的林分質(zhì)量和林地生產(chǎn)力較高，與釋放更多的氧氣有著緊密的聯(lián)系。

3.3 石門國家森林公園負(fù)離子濃度均值達(dá)到了1 400個·cm-3左右，達(dá)到了6級標(biāo)準(zhǔn)，對人體健康的影響是相當(dāng)有利，具有較高的森林康養(yǎng)作用；比劉端等[20]研究中所測的森林公園濃度高，但與朱舒欣等[15]研究的結(jié)果相比：負(fù)離子濃度偏低，原因可能在其研究的主要是亞熱帶常綠闊葉林中空氣負(fù)離子，在同等氣候條件下杉木林群落結(jié)構(gòu)針葉的葉片總面積比常綠闊葉林的小，光合作用比常綠闊葉林弱，釋放的氧氣較少，因此NAIs濃度偏低，還可能與氣象因子及觀測的時間不同，因此與其研究結(jié)果不完全一致。

3.4 不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型負(fù)離子濃度比較分析不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型中負(fù)離子濃度大小排序為杉木+水體旁＞杉木+空曠地＞杉木+闊葉混交林＞杉木+闊葉林+竹林＞杉木+竹林，由此得出在杉木群落組成中竹林對于負(fù)離子濃度的影響不占優(yōu)勢，這可能與竹林釋放的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)對空氣負(fù)離子的產(chǎn)生起到了一定的抑制作用有關(guān)，這一結(jié)果與呂嘉欣等[21]結(jié)果不一致；原因可能是由竹林組成的杉木群落的葉面積指數(shù)、冠層覆蓋度低于無竹林的杉木林群落，有竹林組成的杉木群落結(jié)構(gòu)天空可視度大于無竹林的杉木群落結(jié)構(gòu)，而空氣負(fù)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(fù)相關(guān)[22]。因此在有竹林的杉木林群落結(jié)構(gòu)中空氣負(fù)離子濃度比無竹林的空氣負(fù)離子濃度小。3.5 石門國家森林公園5種不同杉木群里結(jié)構(gòu)類型夏季負(fù)離子日均濃度值從高到低依次為杉木+水體旁＞杉木+闊葉混交林＞杉木+空曠地＞杉木+闊葉林+竹林＞杉木+竹林，冬季負(fù)離子子日均濃度值從高到低依次為杉木+水體旁＞杉木+空曠地＞杉木+闊葉混交林＞杉木+闊葉林+竹林＞杉木+竹林；這5種不同杉木群落結(jié)構(gòu)類型各時間段的峰值和谷值存在明顯的差異。

通過對該公園杉木群落結(jié)構(gòu)類型冬夏季負(fù)離子濃度的研究與分析，石門森林公園內(nèi)夏季及冬季日均負(fù)離子濃度均達(dá)到了6級以上，已具有殺滅細(xì)菌、減少疾病傳染、自然痊愈、治療和康復(fù)的森林康養(yǎng)功效。通過負(fù)離子濃度對比研究發(fā)現(xiàn)石門森林公園夏季比冬季更適合做森林康養(yǎng)及戶外旅游活動；游客可選擇出游時間在夏季早上8:00—10:00時之間，在靠近水體旁或是較為空曠的杉木林群落結(jié)構(gòu)中游玩，對身心健康有更大的益處；今后可以將負(fù)離子濃度作為規(guī)劃森林康養(yǎng)景點及規(guī)劃森林康養(yǎng)路線的重要指標(biāo)并為森林公園森林康養(yǎng)建設(shè)提供借鑒，使得森林發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益。