周 斌，余樹全，張 超，伊力塔

（浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300）

空氣負離子具有殺菌、降塵、清潔空氣等作用，被譽為 “空氣維生素”，已被部分城市作為評價環(huán)境空氣清潔程度的重要指標[1-3]。城市綠地能夠產(chǎn)生大量空氣負離子，其原因在于綠地具有降溫增濕的作用，并且可以通過光合作用釋放氧氣，而氧氣分子和水分子正是形成空氣負離子的主要成分。目前，關(guān)于空氣負離子效應(yīng)的研究對象多集中于風(fēng)景區(qū)、公園、校園和城區(qū)等環(huán)境，研究內(nèi)容也以特定區(qū)域或群落類型的空氣負離子濃度變化特征為主[4-5]，而對不同樹種林分內(nèi)的負離子效應(yīng)研究較少，為數(shù)不多的研究成果也因當時人力物力的限制，在試驗方案制訂方面存有問題，難以揭示不同樹種間的負離子效應(yīng)差異。吳際友等[6]在2000年7月中旬連續(xù)3 d于湖南南岳樹木園對8種園林樹種林分內(nèi)的空氣負離子濃度水平進行監(jiān)測和排序，但其觀測時間僅為每天的8:30，由于大量實驗已經(jīng)證明不同林分內(nèi)空氣負離子濃度的日變化曲線不盡相同，因此，單一時刻的觀測結(jié)論不足以推斷林分的整體特征。邵海榮等[5]自1999年至2002年多次在不同季節(jié)對北京市北部和西北部山區(qū)的林場和自然保護區(qū)的12種林分的空氣負離子濃度水平進行測定，因未在文中說明具體的監(jiān)測時間，所以我們無法判斷該實驗是否同樣存在觀測時間的偏頗問題，但是相關(guān)研究已初步明確空氣負離子濃度與局部環(huán)境溫度及空氣污染狀況呈負相關(guān)，與空氣相對濕度呈正相關(guān)[7-8]，而該實驗中的樣地在地理空間分布上跨度較大，外部環(huán)境的差異極易影響到觀測數(shù)據(jù)的可比性。因此，選擇環(huán)境條件一致，唯一差異是樹種林分差異的局地區(qū)域，是揭示不同樹種林分空氣負離子效應(yīng)差異的關(guān)鍵。為此，筆者對實驗方案進行了改進設(shè)計，并于2009年夏季選擇嘉興市新塍鎮(zhèn)苗圃基地的13個不同林分進行空氣負離子濃度日變化的觀測（該樣地周圍環(huán)境條件完全相同，唯一差異是樹種林分不同，而且各林分面積大小基本相同），旨在揭示不同城鎮(zhèn)造林綠化樹種林分空氣負離子效應(yīng)差異。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地概況

浙江省嘉興市地處長江三角洲南翼的杭嘉湖平原， 位于 30°19′39″～ 31°01′57″N， 120°17′27″～ 121°15′54″E，全市森林覆蓋率為15.9%。嘉興市新塍鎮(zhèn)屬太湖流域，河網(wǎng)密布；該區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，雨水豐沛，年均氣溫為15.5℃，年降水量為1167.5mm，年日照時數(shù)達2007 h，主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)；全鎮(zhèn)地勢平坦，平原面積占88.1%，水域面積占11.9%，平均海拔高度為3.7 m。

嘉興市新塍鎮(zhèn)苗圃基地占地面積約2.5 hm2，地勢開闊平整，形狀為長方形。沿縱軸方向1條5 m寬的水泥路將苗圃均分，13種林分沿路規(guī)則排布兩側(cè)，面積為1600～2500 m2，形狀為長方形。同一林分內(nèi)樹種規(guī)格相同，株行距相同。林分長勢良好，無病蟲害，除2塊為喬灌混交林外 （帶狀間隔栽植），其他均是喬木或灌木純林，各樹種林分所處的大氣、土壤等環(huán)境條件完全一致。林分特征見表1。

1.2 觀測內(nèi)容與方法

空氣負離子的觀測選擇在各種林分的中心位置，距地面1.5 m高，分別測定東南西北4個方向，各個方向讀取10個穩(wěn)定值，取平均值作為該林分的負離子觀測值進行分析。于2009年7-8月，每月各選擇晴朗無風(fēng)的3 d對13種林分以及1塊對照空地（水泥地面）進行觀測，從早上6:00至下午18:00，隔2 h測定1次，同時記錄溫濕度、紫外線強度和可吸入顆粒物（PM10）濃度。

1.3 觀測儀器

負離子濃度監(jiān)測使用ITC-201A型智能便攜式空氣離子測試儀。該儀器的離子濃度測量范圍為10.00～1.99×106個·cm-3，測定離子濃度誤差≤±10%，離子遷移率誤差≤±10%；采用臺灣產(chǎn)TES-1362型數(shù)字式溫濕度測量儀測定氣溫和相對濕度，氣溫測量范圍為-20～+85℃，測量精度±0.1℃，相對濕度測量范圍為0～100%，測量精度±0.1%；采用Apogee紫外線輻射計測定紫外線強度，該儀器的測量范圍為 0 ～ 400μmol·m-2·s-1（全光照的紫外強度為 170μmol·m-2·s-1）， 測量精度為 ± 10%；采用 LD-3C 型激光粉塵儀測定粉塵含量，測定范圍為0.01～100.00 mg·m-3和0.001～10.000 mg·m-3，測量精度±10%。

表1 林分特征Table1 Characteristics of 13 plant communities

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析比較13種林分及對照空地的日均空氣負離子濃度差異。將13種林分按結(jié)構(gòu)差異分為單層喬木林、單層灌木林、喬灌結(jié)合復(fù)層混交林3種類型，以空地為對照比較其林分內(nèi)部空氣負離子濃度的日變化特征。將空氣負離子濃度和氣溫、相對濕度、紫外線強度及粉塵含量進行平均值處理，以日變化時間為周期單位，進行空氣負離子濃度和環(huán)境因子的相關(guān)性分析。將空氣負離子濃度與林分的平均胸徑、樹高、郁閉度和密度等結(jié)構(gòu)特征進行相關(guān)性分析。

在數(shù)據(jù)分析前，對所有數(shù)據(jù)進行正態(tài)性與齊性檢驗。數(shù)據(jù)處理分析利用SPSS 15.0軟件進行，使用Origin 8.0軟件完成相關(guān)圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種林分對夏季日均空氣負離子濃度的影響

方差分析表明：除無患子Sapindus munorossi和黃山欒樹Koelreuteria paniculata外，其他樹種林分的空氣負離子濃度均顯著高于空地（圖1），13種林分與空地的負離子濃度平均差異為193個·m-3。將各林分空氣負離子濃度與空地的平均差值以ΔC表示，其中ΔC高于300個·m-3的林分只有L11，占總數(shù)的7.7%；ΔC值在100～200個·m-3的林分有5個，占總數(shù)的38.5%，分別是L2，L3，L5，L9，L13；ΔC值在200～300個·m-3的林分有5個，分別是L4，L6，L7，L8和L12。

櫻花Ceranus serrulata-小葉黃楊Buxus sinica var.parvifolia混交林日均空氣負離子濃度明顯高于其他林分，達822個·m-3，紅楓Acer palmatum ‘Atropurpureu’純林和白玉蘭Magnolia denudata-小葉黃楊混交林次之，分別為743個·m-3和731個·m-3，其共同特征表現(xiàn)為林冠層位置較低，距地面1.5 m高度處葉面積較大，林分密度較高。無患子和黃山欒樹純林內(nèi)的空氣負離子濃度較低，分別為532個·m-3和533個·m-3，與杜英Elaeucarpus decipiens，深山含笑Michelia maudiae以及楓香Liquidambar formosana純林等空氣負離子濃度較高的林分比較，這2種林分沒有表現(xiàn)出相對獨特的結(jié)構(gòu)特征。綜合來看，經(jīng)最小顯著差數(shù)法（LSD）多重比較分析，13種林分中8種林分內(nèi)的空氣負離子濃度差異并不顯著，占總數(shù)的61.5%，其濃度水平集中分布在650～750個·m-3。由此可以推斷，多數(shù)樹種林分內(nèi)空氣負離子濃度差異并不大，空氣負離子效應(yīng)較強或較弱的樹種林分只占少數(shù)，櫻花+小葉黃楊混交林應(yīng)作為重點觀察對象，在持續(xù)監(jiān)測驗證的基礎(chǔ)上進行推廣。

圖1 不同樹種林分空氣負離子濃度的顯著性差異Figure1 Notability difference of aero-anion concentrations in different tree species

2.2 不同林分結(jié)構(gòu)夏季空氣負離子濃度日變化

將13種林分按林分結(jié)構(gòu)差異，分為單層喬木林、單層灌木林以及喬灌復(fù)層混交林3種類型，比較其空氣負離子濃度日變化（6:00-18:00）特征（圖2）。經(jīng)方差分析，不同結(jié)構(gòu)林分的空氣負離子濃度差異明顯，具體表現(xiàn)為喬灌復(fù)層混交林（751個·m-3）＞單層灌木林 （700 個·m-3）＞單層喬木林（622 個·m-3）＞空地（472 個·m-3）。

不同結(jié)構(gòu)林分日變化趨勢較為一致，在10:00左右空氣負離子濃度達到峰值后逐漸下降，在16:00-18:00又有一個明顯的上升趨勢。原因在于早晨植物光合作用較弱，隨著太陽輻射不斷增強，植物光合作用逐漸加強，因而產(chǎn)生大量空氣負離子，至9:00-10:00達到峰值。中午前后，由于太陽輻射達到最強，植物光合作用也出現(xiàn) “午休”現(xiàn)象，再加上夏季溫度偏高，空氣相對濕度較低，在12:00-16:00空氣負離子濃度基本上呈逐漸降低趨勢。相關(guān)研究認為14:00過后，隨著太陽輻射的減弱，植物光合作用逐漸加強，空氣相對濕度也逐漸變大，至16:00左右空氣負離子濃度會達到第2個峰值[9]。然而，本研究中的空氣負離子濃度并沒有在16:00左右出現(xiàn)第2個峰值，而是在18:00達到一個峰值，筆者認為：這與夏季日照時間較長，16:00時空氣相對濕度仍然較低有關(guān)。

圖2 空氣負離子晝間變化Figure2 Diurnal change of aero-anion concentrations

2.3 空氣負離子濃度與環(huán)境因子的關(guān)系

將空氣負離子濃度和氣溫、相對濕度、紫外線強度和可吸入顆粒物進行平均值處理，以日變化時間為周期單位，進行空氣負離子濃度和環(huán)境因子的相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示：①空氣負離子濃度與空氣相對濕度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。根據(jù)大地測量學(xué)和地理物理學(xué)國際聯(lián)盟大氣聯(lián)合委員會的理論，空氣負離子的主要存在形式是 O2-（H2O）n，OH-（H2O）n和 CO-4（H2O）2， 由此可以推測， 相對濕度對空氣負離子濃度影響較大[10]。本研究對空氣負離子與空氣相對濕度的分析結(jié)果支持了這一結(jié)論。②空氣負離子濃度與氣溫呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），這與氣溫升高導(dǎo)致空氣相對濕度的降低有關(guān)。③與以往研究結(jié)論[4]不同的是本研究中空氣負離子濃度并沒有與空氣中的粉塵含量呈顯著負相關(guān)，其原因是本實驗所選擇的苗圃基地環(huán)境條件較好，人為活動干擾少，空氣中的可吸入顆粒物（PM10）含量較低且變化不大所致，這也從側(cè)面反映出本實驗樣地選擇的合理性。④空氣負離子濃度與紫外線輻射強度呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）。

2.4 空氣負離子濃度與林分因子的關(guān)系

2.4.1 空氣負離子濃度與林分結(jié)構(gòu)特征相關(guān)性分析 將空氣負離子濃度與林分平均胸徑、樹高、郁閉度和密度進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示：①空氣負離子濃度與林分的密度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。密度較大的林分，降溫保濕效果較好，單位面積內(nèi)生物量較大、葉面積指數(shù)較高，從而有利于空氣負離子的產(chǎn)生，這一點與秦俊等[11]的結(jié)論基本一致。②空氣負離子濃度與樹高和胸徑呈負相關(guān)，但未達統(tǒng)計學(xué)顯著水平。空氣中的負離子一直處于動態(tài)平衡中，其壽命很短，只有幾十秒至數(shù)分鐘，不易在環(huán)境中積累[12]。據(jù)研究證明空氣負離子在環(huán)境中的衰減距離為20 cm[13]，而植物葉片在光合作用過程中的光電效應(yīng)及其所釋放的氧氣又是產(chǎn)生空氣負離子的主要途徑之一。因此，我們推測高大喬木在林冠處產(chǎn)生的大量空氣負離子不易逾越數(shù)米距離擴散至地面，從而導(dǎo)致了1.5 m處觀測位置較低的濃度水平。③空氣負離子濃度與林分郁閉度無相關(guān)性。由于本研究各林分郁閉度差異不大，以致空氣負離子濃度與林分郁閉度在統(tǒng)計學(xué)上的相關(guān)性不明顯。

2.4.2 不同樹種林分空氣負離子濃度與林分密度的協(xié)方差分析 本研究通過對空氣負離子濃度與林分結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)性分析，得出 “空氣負離子濃度與林分密度呈顯著正相關(guān)”的結(jié)論，然而本文的研究重點在于探索不同樹種林分內(nèi)空氣負離子濃度的差異情況，觀測的時候就必須要求各林分的密度盡量一致。這在實際研究中是難以控制的。因此，我們采用協(xié)方差分析法，將林分密度因素作為協(xié)變量，消除其對空氣負離子濃度的線性影響后，比較不同樹種林分內(nèi)空氣負離子濃度的差異。使用聚類分析將13種林分的夏季日均空氣負離子濃度值按高、中、低分成3個組，最小顯著差數(shù)法（LSD）多重分析顯示3組林分間空氣負離子濃度差異顯著?？諝庳撾x子高濃度組包括櫻花+小葉黃楊混交林、紅楓純林和白玉蘭-小葉黃楊混交林等3種林分；中濃度組包括杜英，四照花Dendrobenthamia japonica var.chinensis，廣玉蘭Magnolia grandiflora，樂昌含笑Michelia chapensis，深山含笑，桂花Osmanthus fragrans和楓香等7種純林；低濃度組包括樟樹Cinnamomum camphora，無患子和黃山欒樹等3種純林。以空氣負離子濃度為自變量，林分密度為協(xié)變量，對3組林分進行協(xié)方差分析，結(jié)果如表4所示：密度因素對空氣負離子濃度的影響沒有達到顯著水平（P=0.859），結(jié)合表3結(jié)論可知，就本研究而言，林分密度對空氣負離子濃度水平具有一定的積極影響，但就程度而言，尚不能起到?jīng)Q定性作用。對3組林分的空氣負離子濃度進行密度因素修正之后進行最小顯著差數(shù)法（LSD）多重比較，如表5所示，其空氣負離子濃度差異依然顯著。

表2 負離子與環(huán)境因子相關(guān)分析矩陣Table2 Correlativity of aero-anion concentrations with other environmental factors

表3 負離子與林分特征結(jié)構(gòu)相關(guān)分析矩陣Table3 Correlativity of aero-anion concentrations with characteristic of plant communities

表4 樹種與密度的協(xié)方差分析Table4 Covariance of tree species and density

表5 3組林分空氣負離子濃度LSD多重比較Table5 LSD multiple comparisons of aero-anion concentration in different tree species

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)櫻花+小葉黃楊混交林具有較高的空氣負離子濃度，為822個·m-3，黃山欒樹純林與無患子純林內(nèi)空氣負離子濃度較低，分別為532個·m-3和533個·m-3。多數(shù)樹種林分內(nèi)空氣負離子濃度差異并不大，空氣負離子效應(yīng)較強或較弱的樹種林分只占少數(shù)，櫻花-小葉黃楊混交林應(yīng)作為重點觀察對象，在持續(xù)監(jiān)測驗證的基礎(chǔ)上進行推廣。不同結(jié)構(gòu)林分的空氣負離子濃度差異明顯，具體表現(xiàn)為喬灌混交林（751 個·m-3）＞灌木林（700 個·m-3）＞喬木林（622 個·m-3）＞空地（472 個·m-3）。 其日變化趨勢較為一致，表現(xiàn)為上午10:00左右出現(xiàn)一個峰值，下午16:00-18:00有一個上升趨勢。喬灌混交林是產(chǎn)生高空氣負離子濃度的林分類型，能夠最大限度地發(fā)揮生態(tài)效益，有利于提高人居環(huán)境質(zhì)量[14]。

林分密度對空氣負離子濃度水平具有一定的積極影響，但就程度而言，尚不能起到?jīng)Q定性作用?？諝庳撾x子濃度與相對濕度顯著正相關(guān)，與氣溫呈負相關(guān)，這一點學(xué)界已有一定共識。本次研究發(fā)現(xiàn)，空氣負離子濃度與紫外線輻射強度呈顯著負相關(guān)，這與石彥君等[9]的研究不一致，紫外線輻射能夠促進植物的光電效應(yīng)，增加空氣中負離子的含量，但是其強度會隨著光照強度的增大而增大，光照強度的增大又會導(dǎo)致空氣相對濕度的下降，從而降低空氣負離子濃度。本研究僅對紫外線輻射強度與空氣負離子濃度的關(guān)系做了初步探索，相關(guān)結(jié)論應(yīng)在持續(xù)觀測的基礎(chǔ)上加以完善。

因條件所限，我們并未在同一林分的林冠層位置與樹干層位置分別進行空氣負離子濃度的監(jiān)測，而是統(tǒng)一定位在林內(nèi)1.5 m高度處（該位置較適于人們獲得空氣負離子的醫(yī)療效果）。研究發(fā)現(xiàn)：林冠層位置較低，距地面1.5 m高度處葉面積較大，密度較高的樹種林分，其空氣負離子濃度也較高。由于目前森林植被空氣負離子效應(yīng)的形成機制并無明確的量化結(jié)論，因此，林冠層結(jié)構(gòu)對空氣負離子濃度的影響作用，還要在今后的研究工作中進一步論證。

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