福州國家森林公園空氣負氧離子濃度變化特征與影響因素*

關昶翔 許新宇 林雙毅 董建文 闕晨曦 蘭思仁

1 福建農(nóng)林大學園林學院 福州 350002

2 福建省廈門市綠化中心 福建廈門 361000

森林公園作為森林生態(tài)旅游的主要目的地,游客在出行時除了考慮游憩需求,也同樣關注目的地的生態(tài)服務效果以及從中獲取的健康收益[1-2]。負氧離子有改善空氣質(zhì)量、促進身體保健等積極作用,被譽為“空氣維生素”,因此,負氧離子濃度的變化是影響森林游覽者獲取健康收益的重要因素,與森林生態(tài)服務效果息息相關[3]。研究顯示,當負氧離子濃度達到400個/cm3以上時,可以增強人體免疫力及抗菌力；達到5 000個/cm3以上時,可以起到殺菌和減少疾病傳播的作用[4]。負氧離子濃度作為評價森林環(huán)境質(zhì)量的重要指標,一定條件下可以反應監(jiān)測地的生態(tài)質(zhì)量[5]。

森林環(huán)境溫濕度、光輻射、風速等氣象因子與負氧離子濃度變化顯著相關[6],且不同研究區(qū)域的地理差異會導致研究結果之間的差異。研究表明,森林環(huán)境下負氧離子濃度日變化總體呈現(xiàn)早晚高中午低的“U型”規(guī)律及上午下午高午間低的雙峰型規(guī)律,季節(jié)變化呈現(xiàn)夏季濃度最高,春季和秋季次之,冬季最低[7-8]的規(guī)律。葉彩華等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)負氧離子濃度變化與濕度呈正相關關系,與溫度呈負相關關系；而馮鵬飛等[12-13]則發(fā)現(xiàn)負氧離子濃度與濕度呈負相關關系?？梢?負氧離子濃度變化與氣象要素之間的關系較為復雜,需要不同區(qū)域研究者的共同努力。目前,研究多集中于城區(qū)以及遠離城市的森林公園,對城郊森林公園關注略少,并且對負氧離子濃度監(jiān)測單位時間間隔較長,對氣象影響的關系研究較少。本文以分鐘為最小監(jiān)測單位時間,分析福州國家森林公園負氧離子濃度的變化規(guī)律,探究氣象影響因子與負氧離子濃度的關系,研究結果可為森林公園活動策劃提供更準確數(shù)據(jù)指引,為提升游憩質(zhì)量提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

福州國家森林公園位于福州北郊新店鎮(zhèn)赤橋村,距福州市區(qū)僅6 km,是福建地區(qū)重要的森林生態(tài)旅游地。園內(nèi)亞熱帶海洋性季風氣候特征明顯,年均降水量1 712 mm,年均日照時數(shù)1 630 h,年均氣溫19.9℃,7月月均氣溫31℃,為全年最高,2月月均氣溫12℃,為全年最低,全年無霜期326天,年均空氣相對濕度79%。園內(nèi)植被以人工林和天然次生林兩種類型為主并覆蓋有部分天然灌木林[14]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

于2017年12月1日至2020年2月29日(共820天)對福州國家森林公園內(nèi)的氣溫、相對濕度和負氧離子濃度進行測定,測點(119°01′08″E,29°36′50″N)位于福州國家森林公園中心的荔枝園入口處(毗鄰貫穿公園的河流),靠近森林公園主干道,周邊10 m范圍內(nèi)無建筑物。采用IM800型固定式負氧離子自動測試儀(中國東創(chuàng)旭新測控技術有限公司)測定負氧離子濃度,進氣口離地1.5 m(與成人呼吸高度一致),檢測范圍為(0～3)×106個/cm3,每日觀測時間為0∶00-24∶00,觀測間隔為1 min(遷移率為K≥0.4 cm2)。同時,測量測點的實時溫度(±0.1℃)和相對濕度(±2%)。參照中國林科院福州國家森林公園氣象監(jiān)測站每6 h監(jiān)測數(shù)據(jù)判定當日天氣狀況,明確降水雷電等天氣狀況的出現(xiàn)時間。在參考當天狀況的情況下,結合歐洲中期天氣預報中心20 km×20 km降水量監(jiān)測數(shù)據(jù)開展進一步研究。

2.2 數(shù)據(jù)分析

用R語言軟件(V3.6.0版)剔除負氧離子濃度數(shù)據(jù)的缺失和異常值,通過Excel、SPSS和R studio軟件進行以下分析:1)統(tǒng)計分析負氧離子濃度的年內(nèi)季節(jié)及日變化規(guī)律,并依照標準對負氧離子濃度進行評級；2)分析不同季節(jié)中不同天氣狀況的負氧離子濃度日變化規(guī)律；3)分析中雨及以上規(guī)模降水天氣對負氧離子濃度變化的影響；4)分析雷雨天氣對負氧離子濃度變化的影響。

3 結果與分析

3.1 負氧離子濃度和溫濕度總體變化特征

根據(jù)分析結果,福州國家森林公園年均負氧離子濃度為4 179個/cm3,年均變化幅度為346個/cm3,年均溫度20.0℃,年均相對濕度81.5%,福州國家森林公園在監(jiān)測時間范圍內(nèi)空氣清新度都在I級以上[15]。相較于福州城區(qū)監(jiān)測站的數(shù)據(jù),福州國家森林公園每單位體積內(nèi)負氧離子濃度更高,年均溫度更接近人體熱舒適的最優(yōu)溫度25℃,年均濕度更高,表明福州國家森林公園的森林小氣候環(huán)境條件優(yōu)于城市區(qū)域。

分別對研究時間范圍內(nèi)負氧離子濃度及溫濕度取日平均值進行分析,結果(圖1)表明:負氧離子濃度呈現(xiàn)夏季、冬季高,秋季次之,春季最低的變化特征；溫度呈現(xiàn)春季、夏季高,秋季、冬季低的變化特征；濕度的變化趨勢呈現(xiàn)春季和冬季高,夏季和秋季低的變化特征。

圖1 福州國家森林公園負氧離子濃度及溫濕度年變化規(guī)律

3.2 不同季節(jié)負氧離子濃度和溫濕度的日變化特征

福州國家森林公園負氧離子年平均日變化幅度為3 659～4 684個/cm3。負氧離子濃度日均變化呈現(xiàn)白天低、晚上高的單峰單谷特征,,峰值出現(xiàn)在4∶48,谷值出現(xiàn)在12∶36。同時負氧離子濃度與溫度呈現(xiàn)明顯的負相關,與濕度呈現(xiàn)明顯的正相關(圖2)。在負氧離子濃度四季平均日變化中,白天的負氧離子濃度明顯低于夜晚,夏季特征更為明顯(圖3)。

圖2 福州國家森林公園負氧離子濃度日變化

圖3 福州國家森林公園四季負氧離子濃度及溫濕度日變化

3.3 不同天氣狀況負氧離子濃度的日變化特征

通過對不同天氣狀況的負氧離子濃度平均日變化規(guī)律研究,結果(圖4)發(fā)現(xiàn),雨天、雷電、晴天和多云4種天氣的負氧離子濃度排序為雨天＞雷電＞晴天＞多云,其中雨天與雷電天氣的負氧離子濃度波動較另外2種天氣幅度更大。

圖4 全年不同天氣狀況負氧離子濃度平均日變化

如圖5所示:春季(2018年3—5月,2019年3—5月)雨天的負氧離子濃度變化明顯較高,尤其在凌晨1∶00-5∶00較為顯著；夏季(2018年6—8月,2019年6—8月)4種天氣狀況皆表現(xiàn)出單谷的變化特征,雨天峰值出現(xiàn)在凌晨3點,較其他天氣更早；秋季(2018年9—11月,2019年9—11月)晴天相較其他3種天氣在午后13∶00-14∶00時 段存在明顯的低谷；冬 季(2017年12月至2018年2月,2018年12月至2019年2月,2019年12月至2020年2月)沒有雷雨天氣,且雨天負氧離子濃度峰值出現(xiàn)在6∶00之前,與全年日變化規(guī)律相比,冬季晴天負氧離子濃度變化在13∶00多一個峰值。

圖5 四季不同天氣狀況負氧離子濃度日變化

3.4 降水量對負氧離子濃度的影響

選取研究地中雨(2018年4月14—15日,5月23—24日,6月21—22日)和大雨(2018年1月7—8日,3月19—20日,8月25—26日)天氣各3天,將降水當日0∶00至次日24∶00共48 h的降水量與負氧離子濃度進行逐小時比較,結果發(fā)現(xiàn),降水量與負氧離子濃度表現(xiàn)出顯著正相關關系(表1)?？傮w相關系數(shù)達到0.68以上。同時上述案例的時間跨度包含春夏冬三季,說明較強降水因素對負氧離子濃度的影響與季節(jié)無關。

表1 2018年3次中雨與3次大雨降水量與負氧離子濃度相關系數(shù)

3.5 雷雨天氣負氧離子濃度的日變化特征

由圖6可知,雷雨天氣與負氧離子濃度值之間存在正相關關系。在閃電活動出現(xiàn)當日及次日,福州國家森林公園的負氧離子濃度值會明顯上升,且使該區(qū)域負氧離子濃度在閃電活動之后的24 h內(nèi)保持較高水平。

圖6 雷雨天氣負氧離子濃度48 h逐小時對比

4 討論

根據(jù)2017年國家氣象行業(yè)標準規(guī)定的負氧離子濃度等級,福州國家森林公園負氧離子濃度全年均在I級以上,空氣質(zhì)量達到清新水平。但是負氧離子濃度會隨著太陽輻射及溫濕度等因素在一天之中呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律,并且會因為人為活動、研究地的氣候特征等原因存在差異。在以往對森林環(huán)境負氧離子濃度日變化的研究中,李萌萌等[16]發(fā)現(xiàn)河北太行山區(qū)負氧離子濃度日變化呈現(xiàn)早上較高、中午較低、晚上再次升高的趨勢,胡猛等[17]發(fā)現(xiàn)森林環(huán)境下負氧離子濃度變化呈現(xiàn)白天高晚上低的規(guī)律。本次福州國家森林公園負氧離子濃度變化規(guī)律與部分學者結果不同,總體呈現(xiàn)白天低晚上高的規(guī)律,這可能與研究地的特殊性有關,福州森林公園作為福建森林旅游的重要出行目的地,年接待游客超過400萬人次[14],大量游客活動使研究區(qū)域內(nèi)空氣中氣溶膠含量升高,而負氧離子具有易被氣溶膠吸附的特性,導致白天濃度較晚上低的觀測結果。

負氧離子濃度變化規(guī)律受溫濕度和氣候變化等因素影響,因此也會表現(xiàn)出季節(jié)差異。有研究顯示,森林環(huán)境下負氧離子濃度全年呈現(xiàn)夏季＞秋季＞春季＞冬季的變化規(guī)律,夏季充足的水熱條件促進了植物的代謝活動和光合作用,加上強烈的紫外線、頻繁的雷雨天氣、潔凈的空氣狀況以及高濕度環(huán)境等因素,進而對負氧離子的產(chǎn)生起到積極作用[6,18-19]。本研究發(fā)現(xiàn)冬季總體負氧離子濃度高于春秋兩季,這與冬季枯落物層的作用有關,也與福州當?shù)氐臍夂蛱卣饔嘘P。何寧等[20]發(fā)現(xiàn)在森林環(huán)境下枯落物層延緩了長波輻射熱失散,保持了熱量與水分。而研究地亞熱帶季風氣候特征明顯,冬季風力強、降水及霜凍天氣少且時有暖冬天氣,大風天氣及暖冬現(xiàn)象為福州國家森林公園帶來清潔空氣環(huán)境、局部對流和充足的光熱條件,園內(nèi)植物憑借充沛的水資源保持了在冬季依舊高效的光合作用,為高負氧離子濃度創(chuàng)造條件。

負氧離子濃度的變化也會受到天氣狀況的影響。薛愛愛等[21]研究發(fā)現(xiàn)雨天的負氧離子濃度顯著高于晴天。盧振禮等[22]研究發(fā)現(xiàn),雷雨天氣與負氧離子濃度存在顯著正相關,且降水與負氧離子濃度變化率存在正相關。譚靜等[13]發(fā)現(xiàn)負氧離子濃度與閃電、中雨及以上降水活動存在顯著相關。本研究發(fā)現(xiàn),福州國家森林公園的負氧離子濃度變化與降水量呈現(xiàn)顯著正相關,雷雨天氣與負氧離子濃度變化呈現(xiàn)顯著正相關,與薛愛愛等研究結果一致。因此,在閃電活動、中雨和大雨過后的24 h內(nèi)負氧離子濃度達到較高水平,適合進行森林旅游、康養(yǎng)等相關活動。

5 結論

在2017年12月至2020年2月,福州國家森林公園的負氧離子濃度日平均值高于國家氣象行業(yè)標準中的I級水平,即福州國家森林公園的負氧離子濃度總體水平較高,且空氣質(zhì)量總體上呈現(xiàn)清新水平。福州國家森林公園負氧離子濃度日變化特征總體呈現(xiàn)白天低、晚上高的單峰單谷特征,清晨和傍晚的負氧離子濃度大于中午和下午。福州國家森林公園負氧離子濃度變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征,夏季最高,春季最低,冬季略大于秋季。福州國家森林公園的負氧離子濃度與氣象影響因子存在相關關系,但關系較復雜。總體來說,雨天負氧離子濃度最高,雷雨天氣小于雨天,晴天次之,多云最低；中雨及以上的較強降水對負氧離子濃度變化存在顯著正相關關系；閃電活動與負氧離子濃度存在顯著的正相關關系,閃電活動后24 h的負氧離子濃度顯著提升。