郭緒兵，蔡章林，邱治軍，陳志紅，周光益

1.廣東南雄小流坑—青嶂山省級自然保護區(qū)，廣東南雄 512421；

2.中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東廣州510520

空氣負離子(Negative Air Ion，NAI)，又稱負氧離子，是由空氣中負氧離子與若干個水分子結(jié)合形成的原子團?？諝庳撾x子不僅具有殺菌、降塵和清潔空氣等作用，而且具有保健功效，有助于提高人體免疫力，促進人體身心健康發(fā)展，被譽為“空氣中的維生素”[1，2]?？諝庵械呢撗蹼x子數(shù)量和分布已經(jīng)成為評價空氣潔凈度與生態(tài)環(huán)境的重要指標之一。

自然保護地是人們戶外旅游休閑重要的去處之一。探明自然保護地空氣負離子的時空分布特征對于評價該保護區(qū)空氣質(zhì)量和促進森林旅游發(fā)展都具有十分重要的理論價值和現(xiàn)實意義。目前，不少學(xué)者通過監(jiān)測空氣溫度、濕度、降水等氣象因子研究影響空氣負離子的環(huán)境因素，但尚未得到一致結(jié)論，仍然存在不少爭議[3，4]。且大多數(shù)研究采用定點監(jiān)測的方法，只分析比較森林公園或自然保護區(qū)內(nèi)部的空氣負離子水平[5-8]，在森林—鄉(xiāng)鎮(zhèn)—城市梯度不同土地利用類型的空氣負離子的時空分異特征對比上缺乏深入的監(jiān)測研究。該文選取南雄市不同土地利用類型為研究對象，在小流坑—青嶂山自然保護區(qū)不同林分、保護區(qū)外城鄉(xiāng)不同位置設(shè)置對比監(jiān)測點，探究不同地點空氣負離子時空變化特征，揭示森林植被對空氣負離子的調(diào)控作用，旨在為森林規(guī)劃、旅游資源開發(fā)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

小流坑—青嶂山保護區(qū)位于廣東省北部南雄市，重點保護亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)及珍稀動植物資源，由小流坑（位于帽子峰森林公園內(nèi)，面積873.8hm2）和青嶂山（面積7000.2hm2）兩部分組成。保護區(qū)總面積達7874hm2，森林覆蓋率89.1%。帽子峰森林公園位于南雄市西北部，距離南雄市42km，地處南嶺山脈與大庾嶺交界處，森林覆蓋率94.8%。青嶂山位于南雄市東南部，距離南雄市13km，是南雄市南面最高的山，也是保護區(qū)核心區(qū)所在地。

研究區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，具有四季分明、冬短夏長、秋季過渡快的特點。冬季盛行東北季風(fēng)，夏季盛行西南和東南風(fēng)。年均氣溫19.6℃；極端最低氣溫-6.2℃，極端最高氣溫39.5℃。年均太陽輻射111.7kcal·m-2，≥10℃的有效積溫7177.9℃，降雨量1551.1mm，蒸發(fā)量1678.7mm[9]。該地區(qū)森林為20 世紀80 年代采伐后恢復(fù)的天然次生林，喬木樹種主要有木荷(Schima superba)、米錐(Castanopsis chinensis)、小紅栲 (Castanoposis Carlesii)、青岡(Cyclobalanopsis glauca)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)等。林下灌木主要有楊桐 (Adinandra millettii(Hook.et Arn.)Benth.et Hook.f.ex Hance)、赤楠(Syzygium buxifoliumBook.et Arn)、杜莖山 (Maesa japonica(Thunb.)Moritzi.ex Zoll)、鼠刺(Itea chinensisHook.et Arn)等。草本植物主要有頂芽狗脊(Woodwardia unigemmata(Makino)Nakai)、芒萁(Dicranopteris dichotoma(Thunb.)Bernh)、玉葉金花(Mussaenda pubescensAit.f)等。

1.2 研究方法

根據(jù)不同林分類型和人為活動密集程度，在保護區(qū)內(nèi)外設(shè)置7 個監(jiān)測點（表1）。前4 個土地利用類型為森林，人為干擾較少；雄州鎮(zhèn)和帽子峰鎮(zhèn)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域，居民點與農(nóng)業(yè)用地交錯分布；汽車站為人車流量較大的城區(qū)核心區(qū)域。該研究采用移動監(jiān)測的方法，設(shè)置2 條監(jiān)測路線，南線為南雄汽車站—雄州鎮(zhèn)—青嶂山針葉林—青嶂山闊葉林，北線為南雄汽車站—帽子峰鎮(zhèn)—帽子峰針葉林—帽子峰闊葉林。每天監(jiān)測1 條路線，在各監(jiān)測點來回監(jiān)測，各點監(jiān)測主要時間分布在7:00～19:00 之間。

表1 空氣負離子監(jiān)測點基本情況Tab.1 Basic Information of Nai Monitoring Sites

該研究觀測時間為2019 年1 月至12 月。每個月選擇天氣情況較好的2d～4d 天進行監(jiān)測。其中2月份數(shù)據(jù)未采集，4 月份青嶂山闊葉林因天氣條件不佳無法采集數(shù)據(jù)。檢測儀器采用空氣負離子檢測儀，型號為COM 3200 PRO II。測量前先用三角架固定空氣負離子檢測儀，三角架高1.2m，用外置的鋰電池(12V 100AH)供電。每天第1 次測量前先開機預(yù)熱20min 后再進行正式測量。測量前先將儀器調(diào)節(jié)水平，然后分別測定東、南、西、北4 個方向的空氣負離子濃度，取其平均值作為該次的測量值。每次監(jiān)測時間為30min 左右。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 完成數(shù)據(jù)處理，運用SPSS 25 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣負離子濃度總體特征

將2019 年全年監(jiān)測結(jié)果求平均值，得到不同監(jiān)測地點空氣負離子平均濃度（表2）。7 個地點的空氣負離子濃度從高到低依次排序為：青嶂山針葉林＞帽子峰闊葉林＞青嶂山闊葉林＞帽子峰針葉林＞帽子峰鎮(zhèn)＞雄州鎮(zhèn)＞汽車站。濃度最高的青嶂山針葉林與濃度最低的汽車站之間相差928 ion·cm-3，前者是后者的3.17 倍。自然保護區(qū)內(nèi)空氣負離子最高，4 個監(jiān)測點的全年平均值為1194 ion·cm-3，是帽子峰鎮(zhèn)和雄州鎮(zhèn)2 個監(jiān)測點平均值的1.5 倍，是城區(qū)汽車站平均值的2.8 倍。由于數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，故采用非參數(shù)檢驗中的Kruskal-Wallis 單因素ANOVA（K 樣本）對不同地點的空氣負離子濃度差異進行分析[10]。Kruskal-Wallis 檢驗結(jié)果表明，帽子峰闊葉林與帽子峰針葉林、青嶂山闊葉林和青嶂山針葉林之間不存在顯著差異，帽子峰針葉林和帽子峰鎮(zhèn)之間也不存在顯著差異，但汽車站和雄州鎮(zhèn)及其他所有地點均存在顯著差異。森林各監(jiān)測點的空氣負離子濃度顯著高于雄州鎮(zhèn)和汽車站等人為活動密集區(qū)域（P＜0.05）。

表2 2019 年不同地點平均空氣負離子濃度Tab.2 Averaged Nai Concentration at Different Study Sites in 2019

2.2 空氣負離子濃度月動態(tài)變化

將保護區(qū)內(nèi)7 個監(jiān)測點1 月～12 月的空氣負離子濃度按月統(tǒng)計，得到空氣負離子月變化(圖1)。不同監(jiān)測點空氣負離子濃度變化趨勢存在不同的模式，負離子濃度的最低值與最高值出現(xiàn)時間也不完全相同。帽子峰闊葉林、帽子峰針葉林、青嶂山針葉林和帽子峰鎮(zhèn)的空氣負離子濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，為單峰曲線，在夏季（7 月份和8 月份）達到最高值，在冬季（1 月份和12 月份）達到最低值。其中帽子峰闊葉林空氣負離子濃度月變化幅度最大。雖然青嶂山闊葉林的峰值出現(xiàn)在秋季（10 月份），但是，春秋兩季空氣負離子濃度和夏季基本一致，冬季仍然是處于最低值。雄州鎮(zhèn)和汽車站的空氣負離子濃度全年變化不大，維持在一個較低的水平。

圖1 不同監(jiān)測點空氣負離子濃度月變化Fig.1 Monthly Variations of Nai Concentration at the Seven Sites

2.3 空氣負離子濃度日動態(tài)變化

選取空氣負離子濃度較高的夏季（6 月、7 月和8 月），將一天當中的監(jiān)測時間分為4 個時段，分別為上午（7:00～11:00）、中午（11:01～14:00）、下午（14:01～17:00）和傍晚（17:01～19:00），統(tǒng)計空氣負離子濃度日變化(圖2)。帽子峰闊葉林、帽子峰針葉林和雄州鎮(zhèn)空氣負離子濃度日變化趨勢相同，從大到小排序為：傍晚＞上午＞下午＞中午?？傮w而言，上午和傍晚屬于空氣負離子濃度較高水平的時間段，中午一般為最低。汽車站全天變化不大，主要受到人流量和車流量的影響，保持在一個穩(wěn)定的低水平。

圖2 不同監(jiān)測點空氣負離子濃度日變化Fig.2 Daily Variations of Nai Concentration at the Seven Sites

3 結(jié)論與討論

該研究通過南雄自然保護區(qū)—城鄉(xiāng)梯度不同土地利用類型空氣負離子1a 的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，自然保護區(qū)的空氣負離子資源豐富，顯著高于城鎮(zhèn)和汽車站等人流密集區(qū)域。此外，保護區(qū)空氣負離子濃度存在明顯的季節(jié)變化和日變化規(guī)律，而且森林質(zhì)量越好，這種變化的規(guī)律越明顯，說明森林對空氣負離子具有明顯的調(diào)控作用。因此，自然保護區(qū)建設(shè)有利于森林質(zhì)量的提升和空氣環(huán)境的改善，為發(fā)展森林康養(yǎng)旅游奠定了良好的生態(tài)環(huán)境條件。

3.1 森林對空氣負離子的調(diào)節(jié)

森林植被的枝葉尖端放電效應(yīng)以及光合作用形成的光電效應(yīng)會導(dǎo)致大氣分子電解，從而產(chǎn)生大量空氣負離子[11，12]。大氣中的負氧離子壽命從幾秒到幾分鐘不等，每一時刻都有大量的正、負離子產(chǎn)生和消失，其濃度處于動態(tài)平衡之中[13]。植被的有無以及景觀群落的復(fù)雜性是影響空氣負離子濃度的關(guān)鍵因素[14]。該研究發(fā)現(xiàn)，帽子峰闊葉林、帽子峰針葉林、青嶂山闊葉林和青嶂山針葉林等森林環(huán)境的空氣負離子濃度顯著高于雄州鎮(zhèn)和汽車站等人為活動密集的區(qū)域。人為活動程度中等的帽子峰鎮(zhèn)，其空氣負離子濃度高于人為活動程度少的雄州鎮(zhèn)，得益于前者周圍大量森林植被的存在。與農(nóng)田、裸地或其他土壤類型相比較，森林土壤的熱容量較大，有較好的通氣性和較高的滲透性，因而以氧離子或負氧離子為主的空氣負離子在森林植物根系和森林土壤微生物利用氧時被釋放并交換到空氣中也比較多[7]。大量森林植被能夠吸收空氣中的污染物，從而起到凈化空氣的作用。雄州鎮(zhèn)周圍的農(nóng)田作物相比較于帽子峰鎮(zhèn)周圍的杉木和毛竹等植被，產(chǎn)生的空氣負離子較少，而且無法有效降低鄉(xiāng)村公路所帶來的汽車尾氣和地面揚塵等污染。此外，有研究報道負氧離子濃度與人流量、車流量均呈負相關(guān)[15]。汽車站作為小流坑-青嶂山自然保護區(qū)的交通樞紐，車輛往來密集，人為活動干擾程度最劇烈，空氣負離子濃度也屬于最低水平。陳雷等[16]在廣州綠地植物群落的研究也發(fā)現(xiàn)，位于交通主干道綠島的喬灌群落和缺乏綠色植被的火車站廣場的空氣負離子濃度顯著低于公園的綠地群落。邵海榮等[17]在北京地區(qū)的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)空氣負離子濃度從市中心向郊區(qū)逐漸增大，人為活動密集和汽車尾氣等干擾強烈的城市區(qū)域空氣負離子水平偏低。

此外，對于不同植被類型的空氣負離子濃度差異，一直處于爭議之中[18，19]。該研究發(fā)現(xiàn)，兩種不同林分4 個監(jiān)測地點的空氣負離子濃度呈現(xiàn)出不同的差異（表2）。在帽子峰，闊葉林的空氣負離子濃度大于針葉林；而在青嶂山則出現(xiàn)了相反的結(jié)果，即針葉林的空氣負離子濃度大于闊葉林。對于前者，一般認為是闊葉林的空氣相對濕度高所致；對于后者，則是因為針葉具有“尖端放電”的功能，進而使空氣發(fā)生電離，能夠提高空氣中的負離子水平[15，20]。造成此種結(jié)果的原因可能有植被的因素（如植被密度、葉片形態(tài)和葉面積指數(shù)等），也可能受其他環(huán)境因素的影響(如風(fēng)速、空氣濕度、濕度等)。若要深入揭示具體因素所起的作用，需要將來開展針對性的室內(nèi)控制實驗來探究植被和環(huán)境因子對空氣負離子的影響機制[20]。

3.2 空氣負離子隨時間的變化

以往的研究表明，空氣負離子存在明顯的季節(jié)變化和日變化規(guī)律[13，21]。森林環(huán)境的空氣負離子濃度的變化通常與植物的生長周期和氣象因子，如溫度和濕度等相關(guān)[22，23]。夏季大氣中的空氣負離子濃度最高，其次為春秋兩季，最低為冬季。7 月份和8月份帽子峰闊葉林，帽子峰針葉林，青嶂山針葉林和帽子峰鎮(zhèn)的空氣負離子濃度達到峰值，因為此時正處于盛夏，大氣中水分和熱量等條件充足，植被生長最旺盛，為空氣負離子的生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。冬季大氣溫度開始下降，植被的生理活動減弱，負離子產(chǎn)出不足，導(dǎo)致整體濃度下降。韓靜波等[25]的研究表明，空氣顆粒物與負離子濃度呈負相關(guān)。雄州鎮(zhèn)和汽車站可能是由于常年人為活動和汽車揚塵導(dǎo)致空氣中顆粒污染物過多，并與負離子相結(jié)合形成沉降進而長期維持在一個較低的水平，因而沒有表現(xiàn)出明顯的月變化規(guī)律。

中午是一天當中濃度較低的時段，因為正午時分溫度很高，蒸騰作用強烈，植物光合作用速率下降導(dǎo)致空氣負離子濃度減少。此外，空氣負離子的日變化規(guī)律可能是與植物光合作用存在“午休”現(xiàn)象有關(guān)。這與彭琳玉等[26]在九連山國家森林公園的研究結(jié)果基本一致，即空氣負離子早晚濃度明顯高于中午。不過，青嶂山針葉林和帽子峰鎮(zhèn)表現(xiàn)為下午空氣負離子濃度顯著高于白天的其他時段。石彥軍等[24]則發(fā)現(xiàn)空氣負離子濃度存在兩個峰值，分別出現(xiàn)在上午9:00 和下午16:00 前后。因此，空氣負離子的野外監(jiān)測很容易受到環(huán)境條件的干擾，尤其是不同天氣條件下，空氣負離子濃度會表現(xiàn)出不一樣的模式。