黑龍江森林植物園藥用植物生態(tài)效益評(píng)價(jià)

王 巍

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

藥用植物是園林植物應(yīng)用類別中的特殊類型，通常兼具生態(tài)、觀賞及改善環(huán)境質(zhì)量提高人居健康的功效。本研究以黑龍江省森林植物藥用植物園為研究樣地，對(duì)城市綠地中藥用植物群中的二氧化碳濃度、群落負(fù)氧離子、群落菌落指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，對(duì)綠地藥用植物群落的生態(tài)效益進(jìn)行定量研究。以期進(jìn)一步了解藥用植物生態(tài)效益尺度，旨在為藥用植物在城市綠地中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 樣地選擇

2021年6月下旬在黑龍江省森林植物藥用園綠地開(kāi)展試驗(yàn)，從邊界往中心隨機(jī)選擇樣地，每個(gè)樣地的尺度設(shè)定為10 m×10 m，共8個(gè)樣本對(duì)藥用植物園進(jìn)行群落調(diào)查。選取森林植物園4種典型植物群落進(jìn)行生態(tài)效益因子的觀測(cè)（表1），分別為落葉松林群落、白樺林群落、丁香群落、草地群落。每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)樣地，共12個(gè)樣點(diǎn)。為降低天氣變化的影響與干擾，測(cè)定時(shí)間天氣均選為晴朗、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣狀態(tài)，對(duì)各樣地進(jìn)行原位測(cè)定。

表1 藥用植物群落類型分析

1.2 采集與分析方法

1.2.1 CO2濃度測(cè)定

CO2測(cè)定采用非色散紅外（NDIR）氣體分析儀（LI-840A CO2/H2O，美國(guó)）。觀測(cè)時(shí)間為2021年6月19日至10月27日8:00～18:00，氣體收集裝置放置在離地1.5 m的位置，每隔2 h進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，記錄儀器穩(wěn)定后3 min內(nèi)的全部數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為10s。在整個(gè)觀測(cè)期，選擇與第1次測(cè)時(shí)類似的天氣狀況（主要考慮日照與風(fēng)速）進(jìn)行，在同一月份內(nèi)連續(xù)或間隔重復(fù)觀測(cè)2次，每月進(jìn)行3次測(cè)定。通過(guò)對(duì)判定采集氣體濃度與采樣時(shí)間相關(guān)系數(shù)（R2>0.95）值來(lái)確定數(shù)據(jù)的有效性[1]。

1.2.2 負(fù)氧離子濃度測(cè)定

采用空氣正負(fù)離子濃度測(cè)定儀(DLY SG,美國(guó))測(cè)定負(fù)氧離子濃度。按照儀器操作規(guī)程，儀器需處于距地面約120 cm的水平面，待儀器讀數(shù)穩(wěn)定后,讀取3個(gè)峰值數(shù)據(jù),由于負(fù)氧離子具有不穩(wěn)定性，在測(cè)量過(guò)程中需要同步測(cè)定記錄樣點(diǎn)4個(gè)方向的數(shù)據(jù)，觀測(cè)時(shí)間通常為8:00～18:00,每隔2 h觀測(cè)記錄1次[44]。

1.2.3 微生物測(cè)定

采用固體撞擊式多功能空氣微生物檢測(cè)儀（JWL-II B型,中國(guó)）采集真菌與細(xì)菌。儀器使用需要放置在距地面1.5 m的高度進(jìn)行采樣收集,每隔2 h取樣3次。儀器操作需要按照規(guī)程進(jìn)行空氣流量矯正,流速控制按儀器要求設(shè)置。真菌細(xì)菌取樣分別采用沙氏培養(yǎng)基和牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，菌類培養(yǎng)過(guò)程執(zhí)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)程，培養(yǎng)48 h后利用顯微鏡觀測(cè)，通過(guò)空氣微生物濃度公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

式中，E(CPU·m-3)單位體積內(nèi)空氣細(xì)菌量含量；N(CPU)培養(yǎng)皿中菌落平均個(gè)數(shù)；A表示單位時(shí)間空氣流速(L·min)；T表示采樣時(shí)間(min)

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS22及Excel2021，對(duì)所采集的二氧化碳、負(fù)氧離子、數(shù)據(jù)予以分析處理。各數(shù)據(jù)組間配對(duì)比較、差異判斷采用T檢驗(yàn)完（LSD），顯著性水平取默認(rèn)值0.05。

2 生態(tài)效益分析

2.1 公園CO2效益研究

2.1.1 CO2濃度日變化特征

圖1反映的是藥用植物園不同類型藥用植物群落6～10月CO2濃度日變化。4類藥用植物群落CO2濃度日變化呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)；上午8:00，以喬木為主的藥用植物群落CO2濃度低，地被類藥用植物群落CO2濃度相對(duì)較高；傍晚18:00時(shí)CO2濃度變化趨勢(shì)與上午8:00時(shí)的情況相反，即以喬木為主的藥用群落CO2濃度最高，其他較低；上午8:00～12:00,4個(gè)類型群落CO2濃度呈線性下降的變化趨勢(shì)，12:00到達(dá)波度波谷后隨時(shí)間推移逐漸上升，在18:00時(shí)濃度到達(dá)第二波峰，上午8時(shí)落葉松藥用群落CO2濃度最高，其余藥用植物群落CO2均低于8:00時(shí)觀測(cè)結(jié)果。對(duì)不同類型CO2日變化幅度分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的群落濃度變化顯著，反之濃度變化幅度較小。其中，落葉松群落CO2濃度在4 h內(nèi)從361.32 μmol/mol降至315.71 μmol/mol，是所有類型群落中下降幅度最大的。該群落12:00～4:00，CO2濃度變化速率維持在9.78 μmol/mol·h，隨后濃度增幅快速提升，18:00到達(dá)峰值386.13 μmol/mol，4 h內(nèi)CO2平均變化速率為24.93 μmol/mol·h。皂莢、暴馬丁香、八寶景天群落樣地CO2濃度日變化趨勢(shì)類似，濃度值變化幅度小，僅在0.5～1.3μmol/mol范圍內(nèi)。不同群落之間間CO2濃度日變化呈現(xiàn)暴馬丁香、八寶景天次之，皂莢群落最低。

圖1 藥用植物園不同群落類型CO2濃度的日變化

2.1.2 CO2濃度季節(jié)變化特征

落葉松群落CO2濃度呈現(xiàn)秋季>春季>夏季的季節(jié)性二變化趨勢(shì)（圖2a）。其平均濃度值(343.91±21.76)μmol/mol，變化幅度介于(313.89±34.18)～(379.91±50.03)μmol/mol。從春季開(kāi)始，落葉松群落CO2濃度緩慢下降，最低點(diǎn)出現(xiàn)在7月中旬，濃度值為(313.97±9.01)μmol/mol，隨后逐漸上升，在10月末達(dá)到(428.69±41.87)μmol/mol的峰值。落葉松群落CO2濃度呈現(xiàn)出隨季節(jié)先降低后升高的季節(jié)分布格局。

落葉松群落春夏秋三季平均CO2濃度分別為(339.98±24.11)、(326.01±25.66)、(422.03±16.98)μmol/mol，表現(xiàn)為春夏季濃度總體低于秋季，夏季CO2濃度最低，秋季群落中CO2濃度是夏季的1.27倍（P<0.05）。

皂莢群落CO2濃度變化曲線呈現(xiàn)不規(guī)律的季節(jié)性波動(dòng)（圖2b），秋季>春季>夏季的季節(jié)變化動(dòng)態(tài)，CO2季節(jié)平均濃度為（350.06±29.91）μmol/mol；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，春夏秋三季CO2濃度變化趨勢(shì)存在異同，春夏季濃度變化趨勢(shì)相似，濃度變化的幅度小，春夏之間呈現(xiàn)平穩(wěn)下降的動(dòng)態(tài)，7月末到達(dá)波谷，最小濃度值為（349.02±16.99）μmol/mol，隨后波動(dòng)上升，最大濃度峰值出現(xiàn)在10月（404.91±8.01)μmol/mol。春夏秋三季CO2平均濃度依次為（3534.11±37.79）、（329.88±19.61）、（364.91±34.07）μmol/mol，夏季平均濃度較秋季下降7.72%（P<0.05）。

圖2 不同群落CO2濃度季節(jié)變化曲線

暴馬丁香群落春夏秋三季CO2濃度變化曲線（圖2c）呈現(xiàn)秋季>春季>夏季的季節(jié)動(dòng)態(tài)格局。春秋濃度的峰值接近，夏季濃度最低，但其季節(jié)內(nèi)總體變化幅度不大，維持在40μmol/mol區(qū)間，春季與秋季CO2濃度為（360.17±24.93）、（376.92±15.05）μmol/mol，是夏季的1.13倍。

八寶景天群落季節(jié)CO2濃度曲線（圖2d）呈現(xiàn)波動(dòng)上升的季節(jié)動(dòng)態(tài)。三季CO2濃度平均值分別是（359.73±22.39）μmol/mol。春季濃度最高為（380.00±21.18）μmol/mol，秋季次之（378.36±20.63）μmol/mol，夏季最低，較春季下降了15%（P<0.05）為（321.93±24.87）μmol/mol。

2.1.3 不同群落CO2季節(jié)性濃度與影響因子

暴馬丁香群落與八寶景天群落CO2濃度日變化與地表溫度、空氣溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），其他2個(gè)類型與4個(gè)因子的相關(guān)性不顯著（表2）。

表2 不同群落CO2濃度（日變化、季節(jié)變化）與溫濕壓的相關(guān)性

地表溫度、空氣溫度、大氣壓強(qiáng)對(duì)落葉松、皂莢、暴馬丁香三個(gè)群落CO2濃度季節(jié)變化具有顯著影響，其中溫度與濃度呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），大氣壓強(qiáng)則為極顯著正相關(guān)（P<0.01）。空氣濕地對(duì)4個(gè)類型群落CO2濃度季節(jié)性變化均無(wú)顯著相關(guān)影響。

2.1.4 同城區(qū)域CO2濃度與藥用植物比較

圖3反映的是藥物園內(nèi)5、7、9月CO2平均濃度與市區(qū)CO2均值的對(duì)比。藥用園三個(gè)時(shí)間段的觀測(cè)結(jié)果分別為369.16、375.77、392.92μmol/mol，顯著低于市區(qū)對(duì)照觀測(cè)點(diǎn)數(shù)值（399.27μmol/mol）。

圖3 藥用植物園5，7，9月CO2平均濃度與市區(qū)對(duì)照

經(jīng)方差檢驗(yàn)，三個(gè)觀測(cè)月CO2平均濃度差異顯著（表3），表明藥用植物對(duì)降低CO2濃度，改善生態(tài)效益有明顯的作用。

表3 藥用植物園與市區(qū)空氣中CO2濃度方差分析

2.2 公園負(fù)氧離子效益研究

2.2.1 公園綠地負(fù)氧離子標(biāo)準(zhǔn)

參照空氣負(fù)離子計(jì)算方法與現(xiàn)行的空氣質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)藥用植物園不同植物群落負(fù)氧離子進(jìn)行觀測(cè)評(píng)定。計(jì)算公式如下：

式中，n為正負(fù)離子濃度；q為負(fù)離子系數(shù)；CI為安評(píng)價(jià)指數(shù)。我國(guó)學(xué)者鐘林生、石強(qiáng)分別提出空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)和森林空氣離子評(píng)價(jià)指數(shù)[3-5]（FCI）。

表4 空氣清潔度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 公園綠地負(fù)氧離子分析

由表5可知，落葉松群落樣地負(fù)氧離子濃度最大，皂莢次之，暴馬丁香最低。負(fù)氧離子高的群落樣地，空氣清潔等級(jí)均達(dá)優(yōu)質(zhì)。進(jìn)一步對(duì)樣地的郁閉度、空氣溫度、相對(duì)濕度進(jìn)行相關(guān)性分析（表6）發(fā)現(xiàn)，負(fù)氧離子濃度與郁閉度及相對(duì)濕度有較強(qiáng)的聯(lián)系，呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)性（P<0.05），與空氣溫度無(wú)顯著相關(guān)性。群落的結(jié)構(gòu)與負(fù)氧離子呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），以喬灌草為主體的落葉松群落、皂莢群落負(fù)氧離子個(gè)數(shù)到達(dá)2650、2630個(gè)，空氣質(zhì)量達(dá)到優(yōu)（表7）。

表5 不同樣地環(huán)境因子與負(fù)氧離子濃度

表6 負(fù)氧離子濃度與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系

表7 群落結(jié)構(gòu)與空氣負(fù)氧離子濃度

2.3 公園綠地空氣微生物效益研究

空氣中微生物數(shù)量能反映出植物群落生態(tài)效益的強(qiáng)弱，還能進(jìn)一步反映出群落空間空氣的潔凈度、衛(wèi)生健康?？諝庵谐Ｒ?jiàn)的微生物主要包括細(xì)菌和真菌，因此通過(guò)測(cè)定藥用植物園不同群落環(huán)境中的微生物含量，對(duì)評(píng)估藥用植物群落生態(tài)效益也具有非常重要的意義。通過(guò)觀測(cè)可以有效評(píng)估植物類型或群落對(duì)空氣質(zhì)量的影響，本次研究采用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法參見(jiàn)謝淑敏和余叔文的研究成果及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（表8、表9）。

表8 空氣微生物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)103 CFU/m3

表9 空氣微生物環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[81]CFU/m3

綜上已有的評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合世界衛(wèi)生組織關(guān)于安全環(huán)境細(xì)菌含量的規(guī)定，提出了綠地游憩適宜性空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表10）。

表10 綠地空氣微生物含量游憩適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 真菌與細(xì)菌的日變化

藥用植物園真菌濃度日變化呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)變化特征（圖4）。真菌濃度從上午08:00開(kāi)始逐漸降低，于14點(diǎn)左右達(dá)到最低值，然后隨時(shí)間推移濃度逐漸升高。觀測(cè)點(diǎn)真菌日平均濃度為177.05CPU/m3。

圖4 藥用植物園空氣真菌平均濃度

藥用植物園空氣細(xì)菌日平均濃度的變化呈現(xiàn)明顯的單峰曲線形態(tài)（圖5）。與對(duì)比樣點(diǎn)比較，兩者的平均濃度分別為95.8 CPU/m3和105.9CPU/m3，差值為10.1 CPU/m3。

圖5 藥用植物園綠地樣點(diǎn)生長(zhǎng)季空氣細(xì)菌濃度

2.3.2 真菌與細(xì)菌的季節(jié)變化特征

藥用植物園不同群落真菌濃度的變化有顯著季節(jié)特征（表11）。春夏秋皂莢群落真菌濃度最低（33CPU/m3），春季最高的是暴馬丁香群落（82CPU/m3），夏秋季最高的是落葉松群落（367、209 CPU/m3），進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，真菌濃度與季節(jié)變化不存在顯著相關(guān)關(guān)系（表12）。

表11 不同季節(jié)藥用植物園空氣真菌濃度CPU/m3

表12 不同季節(jié)藥用植物園空氣真菌濃度顯著性分析

由表13可知，春季各群落空氣中細(xì)菌濃度都是處于觀測(cè)季中的最低水平，其中，皂莢群落為4個(gè)群落中最低的，其細(xì)菌平均濃度值為105CPU/m3，春夏秋細(xì)菌濃度最低的群落分別是皂莢、落葉松，但細(xì)菌濃度的變化與季節(jié)無(wú)顯著差異（p>0.05）。

表13 藥用植物園空氣細(xì)菌濃度季節(jié)變化CPU/m3

將觀測(cè)結(jié)果與空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比換算得出四種群落空氣內(nèi)真菌、細(xì)菌濃度都對(duì)應(yīng)到達(dá)安全級(jí)別，對(duì)改善空氣質(zhì)量具有較好的作用（表14）。

表14 不同季節(jié)藥用植物園空氣細(xì)菌濃度顯著性分析

3 結(jié)論

藥用植物園4種群落CO2濃度的日變化、季節(jié)動(dòng)態(tài)分布具有時(shí)空差異，夏季各群落濃度最低，秋季通常最高；群落結(jié)構(gòu)多樣豐富的CO2濃度通常比簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的群落明顯降低。影響植物群落CO2濃度的主要因子為溫度，與相對(duì)濕度的相關(guān)性不顯著。藥用植物園平均濃度低于市區(qū)觀測(cè)點(diǎn)，具有較好的降低空氣健CO2濃度的生態(tài)效益。影響負(fù)氧離子的因子為郁閉度。藥用植物園空氣中真菌、細(xì)菌的濃度也具有一定的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，經(jīng)過(guò)測(cè)定換算，藥用植物群落具有很好的改善空氣質(zhì)量的作用，有益于植物群落發(fā)揮更好的生態(tài)效益。