趙文君 劉永濤 崔迎春 侯貽菊 吳 鵬 劉延惠 丁訪軍*

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽(yáng) 550005；2.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 貴陽(yáng) 550081)

負(fù)氧離子是反映城市森林功能進(jìn)而評(píng)價(jià)城市空氣質(zhì)量的基本參數(shù)之一，是森林重要的生態(tài)服務(wù)產(chǎn)品之一?？諝庳?fù)氧離子除具有除塵、抑菌、除菌、除臭作用外，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣負(fù)離子達(dá)到一定濃度時(shí)，能調(diào)節(jié)人體生理機(jī)能、促進(jìn)新陳代謝、緩解疲勞、改善睡眠[1]，另外充滿負(fù)氧離子的森林空氣對(duì)氣管炎、冠心病、腦血管疾病、神經(jīng)衰弱等20多種疾病有一定的療效[2]。隨著城市進(jìn)程的加劇和人們休閑保健意識(shí)的增強(qiáng)，開展負(fù)氧離子研究對(duì)城市環(huán)境建設(shè)和居民生活生態(tài)環(huán)境改善有重要科學(xué)意義。

空氣負(fù)離子與植物群落種類、結(jié)構(gòu)、樹種類型及配置等有關(guān)。吳際友[3]等人認(rèn)為疏林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度大于密林，針葉林大于闊葉林。周德平[4]等對(duì)閭山森林公園不同植被空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行了測(cè)定，得知其大小順序?yàn)殚熑~林>混交林>針葉林>草地>山石。一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜的群落比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的群落的負(fù)離子濃度含量高，即復(fù)層配置結(jié)構(gòu)(喬)>簡(jiǎn)單配置結(jié)構(gòu)(喬灌、喬草、灌草)>單一配置結(jié)構(gòu)[5]。同時(shí)空氣負(fù)離子具有時(shí)間特征，在不同時(shí)刻、不同季節(jié)，由于地面接受太陽(yáng)輻射能量不同，導(dǎo)致負(fù)離子濃度隨時(shí)間變化[6～7]?？諝庵胸?fù)離子濃度分布很不均勻，影響因素復(fù)雜，是氣象條件、地理位置、緯度高度、植物、水體、大氣顆粒物、土壤等多種因素綜合影響的結(jié)果，特定情況下可能與某種或某幾種影響因素的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)出一定規(guī)律性[8]。綜上，森林空氣負(fù)離子分布狀況及影響已成為眾學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

貴陽(yáng)是我國(guó)首個(gè)國(guó)家森林城市，是一座“山中有城，城中有山，綠帶環(huán)繞，森林圍城，城在林中，林在城中”的具有高原特色的現(xiàn)代化都市，但其城市森林包括提供空氣負(fù)離子在內(nèi)的各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能還未得到有效關(guān)注。本研究以貴陽(yáng)市城郊馬尾松林為研究對(duì)象，分析其空氣負(fù)離子濃度的時(shí)間變化規(guī)律及其與溫度、濕度等因素的相關(guān)性，以期為今后城市森林空氣負(fù)離子的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地處貴陽(yáng)市東南郊貴州省林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，距市區(qū)8 公里，地理位置位于E 106°44′，N 26°29′，屬亞熱帶氣候，年平均氣溫15.2 ℃，極端最高氣溫35.4 ℃，極端最低氣溫-7.8 ℃，年降雨量1198.9 mm，年平均風(fēng)速2.2 m/s，年平均相對(duì)濕度77 %，全年日照時(shí)數(shù)1412.6 小時(shí)，無(wú)降霜期278 天。

試驗(yàn)選擇在貴陽(yáng)市城郊馬尾松人工成熟林內(nèi)進(jìn)行，其優(yōu)勢(shì)樹種為馬尾松(Pinus Massoniana)，間伐后林窗下有少量的光皮樺(Betulaluminifera)、鹽膚木(Rhuschinensis)等生長(zhǎng)，林內(nèi)灌木主要有油茶(Camelliaoleifera)、拔葜(Smilaxchina)、薄葉鼠李(Rhamnusleptophylla)、白櫟(Quercusfabri)等，其林分密度975 株/hm2，平均樹高14 m，平均胸徑17.8 cm，郁閉度0.6。

1.2 研究方法

采用在線式大氣離子測(cè)報(bào)系統(tǒng)FLZ8，全天連續(xù)測(cè)量空氣負(fù)離子含量、氣溫和空氣相對(duì)濕度。該儀器工作溫度為-10～50 ℃，檢測(cè)范圍為±0.1～1.999 × 105個(gè)/cm3，風(fēng)速< 15 km/h，測(cè)量單位為個(gè)/cm3，分解能力為10 個(gè)( 0.01×103個(gè)) ，離子濃度誤差及遷移率≤±25%，氣溫測(cè)量精度1.0 ℃， 相對(duì)濕度測(cè)量精度5%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用spss16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Excel2007進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣負(fù)離子濃度日變化特征

觀測(cè)期內(nèi)空氣負(fù)離子濃度日均值為(983±315)個(gè)/cm3，其波動(dòng)范圍在453～2710個(gè)/cm3之間，日均濃度最低值出現(xiàn)在秋季(11月5日)，最高值出現(xiàn)在夏季(6月23日)。

不同季節(jié)選取典型晴天數(shù)據(jù)平均值分析負(fù)離子濃度日變化(圖1)。一天中空氣負(fù)離子濃度均為夜間大于日間，0∶00～8∶00春季為上升趨勢(shì)，夏秋冬季為下降趨勢(shì)，總體空氣負(fù)離子濃度較高；8∶00～18∶00變化為V型曲線，在10∶00～12∶00出現(xiàn)谷值；18∶00～23∶00多為上升趨勢(shì)，空氣負(fù)離子濃度也較高，多在23:00達(dá)到峰值。

2.2 不同典型天氣下空氣負(fù)離子濃度變化特征

將觀測(cè)期內(nèi)負(fù)離子濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按天氣(晴天、陰天、雨天)進(jìn)行分類，其日平均濃度表現(xiàn)為雨天(1064個(gè)/cm3)>晴天(987 個(gè)/cm3)>陰天(839 個(gè)/cm3)。圖2為2017年9月典型天氣(雨、晴、陰)條件下馬尾松林空氣負(fù)離子日變化進(jìn)程。不同天氣條件下負(fù)離子濃度變化趨勢(shì)基本相同，呈兩端高中間低的趨勢(shì)，雨天負(fù)離子濃度最高，夜間2∶00和17∶00出現(xiàn)峰值，分別為2075、1333個(gè)/cm3，中午12∶00時(shí)處于最低值705個(gè)/cm3，23∶00降到低值700個(gè)/cm3；晴天夜間2:00和23:00分別達(dá)到峰值1098、1352個(gè)/cm3，下午14:00降到谷值609個(gè)/cm3，晴天負(fù)離子濃度比陰天略高；陰天負(fù)離子濃度最低，夜間2∶00出現(xiàn)小高峰945個(gè)/cm3，7∶00達(dá)到峰值1021個(gè)/cm3，下午13:00降到谷值443個(gè)/cm3。方差分析表明，不同天氣條件下負(fù)離子濃度雨天與陰天差異極顯著(P<0.01)，與晴天差異顯著(P<0.05)。

圖2 不同天氣條件下空氣負(fù)離子濃度日變化

2.3 空氣負(fù)離子濃度季節(jié)及年度變化特征

馬尾松林負(fù)離子濃度表現(xiàn)出年內(nèi)變化和季節(jié)差異(圖)。在1～3月，空氣負(fù)離子濃度處于低水平，2 月(753 個(gè)/cm3) 降至低谷，4月(993 個(gè)/cm3)和 5月(959 個(gè)/cm3)處于上升階段，6～7 月份的空氣負(fù)離子濃度達(dá)到一年的高峰(1241個(gè)/cm3、1332個(gè)/cm3)，8～11月保持在(937～995)個(gè)/cm3較高水平上，到12月(839 個(gè)/cm3)空氣負(fù)離子濃度下降。各季空氣負(fù)離子濃度依次表現(xiàn)為：夏季(1174 個(gè)/cm3)>秋季(965 個(gè)/cm3)>春季(941 個(gè)/cm3)>冬季(824 個(gè)/cm3)，季節(jié)間夏季分別與春、秋、冬季差異顯著(P<0.01)。2017～2018年度，空氣負(fù)離子濃度分別為974、1073個(gè)/cm3，呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。

圖3 馬尾松林空氣負(fù)離子月變化特征

2.4 空氣負(fù)離子濃度與環(huán)境因子的關(guān)系

在觀測(cè)期內(nèi)按季節(jié)選擇典型晴天數(shù)據(jù)取平均值，得到負(fù)離子濃度與溫度、空氣相對(duì)濕度動(dòng)態(tài)變化圖1。并對(duì)馬尾松林負(fù)離子濃度與氣溫、空氣相對(duì)濕度等環(huán)境因子的相關(guān)性分析(表1)。結(jié)果表明，馬尾松林不同季節(jié)負(fù)離子濃度與氣溫呈顯著(春季)和極顯著(夏、秋、冬季)正相關(guān)，與濕度呈顯著(春季)和極顯著(夏、秋、冬季)負(fù)相關(guān)。

表1 空氣負(fù)離子濃度與溫度和濕度相關(guān)關(guān)系

注：＊P<0.05，＊＊P<0.01

3 結(jié)論與討論

貴陽(yáng)城郊馬尾松林空氣負(fù)離子濃度總體水平為453～2710個(gè)/cm3，均值為(983±315)個(gè)/cm3。根據(jù)負(fù)離子濃度分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9]，400～1000個(gè)/cm3屬于公園級(jí)，健康度良好，能增強(qiáng)人體免疫力、抗菌力。

該值接近于北極村樟子松和落葉松林[10]，但低于赤水市[9]，也低于鵝凰嶂自然保護(hù)區(qū)[11]和車八嶺自然保護(hù)區(qū)[12]，這一差異一方面與觀測(cè)點(diǎn)周圍是否有流動(dòng)水體有關(guān)，另一方面與植被狀況、人為活動(dòng)、當(dāng)?shù)貧夂虻扔嘘P(guān)。植被覆蓋率和物種豐富度高，人為擾動(dòng)小的原始森林要高于近郊森林。

不同季節(jié)空氣負(fù)離子濃度日變化趨勢(shì)大致相同，均呈現(xiàn)兩頭高中間低的V型變化，峰值出現(xiàn)在22：00～次日0：00，谷值出現(xiàn)在10：00～11：00，與邵海榮研究結(jié)論一致[13]，一天中空氣負(fù)離子濃度的最大值出現(xiàn)在夜間后期和晨間早期，最小濃度出現(xiàn)在午前，有時(shí)在黃昏出現(xiàn)第 2 次低值。吳楚材等對(duì)南方有代表性的游憩區(qū)空氣負(fù)離子研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)離子濃度在一天中有2個(gè)峰值，1個(gè)是7∶00～9∶ 00，1個(gè)是22∶00～24∶00，另外19∶00～21∶00 也較高[14]。也有研究空氣負(fù)離子峰值、谷值出現(xiàn)時(shí)間存在差異的，趙雄偉等[15]對(duì)北戴河聯(lián)峰山公園刺槐林地內(nèi)空氣負(fù)離子水平進(jìn)行觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)，7∶00～11∶00 和 16:00～17∶00 出現(xiàn)峰值，11:00～13∶00 以及凌晨 23:00～1∶00 出現(xiàn)谷值。

不同天氣條件下空氣負(fù)離子濃度存在差異，雨天顯著高于晴天和陰天?？赡苁且?yàn)橛晏炜諝鉂穸却?，空氣中塵埃少，空氣清潔度高，負(fù)離子水平與外界空氣的負(fù)離子交換量、因顆粒物吸附而沉降的負(fù)離子量[16～17]有關(guān)?？諝鉂穸容^大，水滴對(duì)大氣可吸入灰塵等懸浮顆粒具有良好的清洗作用，從而能減少空氣中凝結(jié)核的數(shù)量，結(jié)果使空氣中負(fù)離子的消亡速率小于其生成速率[18]。曾曙才等[19]的研究則相反，晴天的空氣負(fù)離子水平顯著高于陰天和雨天，認(rèn)為晴天豐富的紫外線和強(qiáng)烈的光合作用都有助于空氣負(fù)離子的產(chǎn)生。

空氣負(fù)離子濃度年內(nèi)變化呈較平緩的單峰曲線，7月最高，2月最低。隨著空氣溫度以及降水量的不斷增加，植物光合作用不斷增強(qiáng)，而植物在光合作用過(guò)程中會(huì)發(fā)生水解產(chǎn)生電子和氧氣，并通過(guò)氣孔釋放出去，而氧氣與電子結(jié)合能生成負(fù)氧離子，從而使林內(nèi)產(chǎn)生的空氣負(fù)離子量也隨之增加[20]?？諝庳?fù)離子濃度季節(jié)差異與很多研究一致[21]，均表明，夏季空氣負(fù)離子濃度最高，秋季大于春季，冬季最低，這與植物生長(zhǎng)狀況、空氣污染程度等有關(guān)。夏季林分處于生長(zhǎng)期，林木生理活性較強(qiáng)，有利于負(fù)離子的產(chǎn)生，而春季林分處于生長(zhǎng)初期，秋季處于生長(zhǎng)末期，林木生理活性較低，不易于產(chǎn)生較多的負(fù)離子[22]，冬季光合作用較弱，處于一種休眠狀態(tài)，負(fù)離子最低。

空氣負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)，和濕度呈正相關(guān)。這與[23～24]研究結(jié)論一致，研究表明水分子裂解是負(fù)離子產(chǎn)生主要途徑之一，在空氣中負(fù)氧離子主要以O(shè)-2(H2O)n形式相對(duì)穩(wěn)定存在，濕度增大時(shí)，空氣中的水分子增多，O-2結(jié)合水分子的機(jī)會(huì)就增大，負(fù)氧離子濃度也隨之增大。所以，水體附近尤其是瀑布和流動(dòng)的水體附近負(fù)離子濃度絕對(duì)值較大[24]。當(dāng)溫度升高時(shí)，太陽(yáng)輻射比較強(qiáng)烈，空氣中的污染物在強(qiáng)烈紫外線的照射下會(huì)發(fā)生一系列光學(xué)反應(yīng)，從而加劇污染，污染物在擴(kuò)散的過(guò)程中又吸附了大量的空氣負(fù)離子，因而在溫度較高的中午空氣負(fù)離子濃度顯著降低[23]。而葉彩華等[10，25]的研究與本研究結(jié)論相反，可能是因?yàn)檠芯窟x取的樣地有關(guān)，林地中植物的呼吸作用較弱、林地之間的溫度變化小。由此可知當(dāng)溫度升高時(shí)，植物光合作用加強(qiáng)從而增加負(fù)離子的產(chǎn)生；當(dāng)夜晚或多云、陰天和降雨天氣時(shí)，空氣濕度升高，雖然會(huì)對(duì)懸浮顆粒物、正離子等有一定吸附作用，但同樣會(huì)在相當(dāng)程度上阻礙植物光合作用，由此產(chǎn)生空氣負(fù)離子隨濕度呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論[10]。不同的研究結(jié)果，可能與地區(qū)、植被、小氣候等多種因素有關(guān)。

空氣負(fù)氧離子濃度因研究方法、監(jiān)測(cè)手段的差異性及影響因素的多樣性和復(fù)雜性，不僅受森林類型[26]、林分密度、郁閉度[27～28]、還受氣象條件[29]、海拔[30]等地形因子影響，同時(shí)還與人類活動(dòng)等相關(guān)，空氣負(fù)氧離子濃度預(yù)測(cè)是一個(gè)極為復(fù)雜的問題，因此要掌握空氣負(fù)離子的時(shí)空分布，今后需從植被特征、環(huán)境條件、空氣污染等全方面開展監(jiān)測(cè)。