崔虎亮,李仲昊,曹如姬
(太原理工大學(xué) 建筑學(xué)院,山西 太原 030024)
森林康養(yǎng)是以促進(jìn)大眾健康、預(yù)防疾病為目的,充分發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)的康體保健功能,開展有利于人們調(diào)節(jié)身體機(jī)能、促進(jìn)身心健康的活動(dòng),最早興起于國外,近年來國內(nèi)引起廣泛重視[1-2]??諝庳?fù)離子(negative air ions,NAI)具有殺菌、降塵、提高免疫力等功能[3-4],是森林環(huán)境空氣質(zhì)量和生態(tài)健康性能的重要指標(biāo),因而也是評(píng)價(jià)森林康養(yǎng)效果的重要依據(jù)。
森林植被類型對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響比較顯著,Wang等[5]對(duì)黑龍江五大連池不同景觀類型進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)森林類型NAI濃度最高,達(dá)到2 871 ions/cm3,而空地類型最低,僅為843 ions/cm3;馬榮等[6]發(fā)現(xiàn)林分類型、海拔梯度和季節(jié)變化會(huì)改變森林溫濕度條件,進(jìn)而影響NAI濃度水平;而李少寧等[7]認(rèn)為不同季節(jié)條件下,NAI濃度與氣象因素相關(guān)關(guān)系并不一致,其中典型天氣下溫度和降雨量的影響較大,而太陽輻射在冬季和霧霾天對(duì)NAI也有一定的影響。當(dāng)然,森林康養(yǎng)還包括植物芬多精、空氣含氧量、人體舒適度等多種指標(biāo),對(duì)森林康養(yǎng)基地的評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)從這幾方面綜合考慮。如朱舒欣等[8]對(duì)廣州石門國家森林公園不同林分的綜合保健功能進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)常綠闊葉林保健功能最佳,其次為毛竹(Phyllostachysedulis)林。而潘洋劉等[9]對(duì)森林康養(yǎng)基地建設(shè)適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià),利用層次分析法構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包含30項(xiàng)具體指標(biāo);再如晏琪等[10]通過因子分析法構(gòu)建森林康養(yǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,包含3個(gè)一級(jí)指標(biāo)、6個(gè)二級(jí)指標(biāo)和22個(gè)三級(jí)指標(biāo)。由此可見,森林康養(yǎng)依托森林資源提供的生態(tài)功能,實(shí)現(xiàn)康體保健的綜合效果。
山西省于2018年提出“康養(yǎng)山西、夏養(yǎng)山西”的戰(zhàn)略發(fā)展措施,立足山西省獨(dú)特的資源條件,如何有效發(fā)掘森林資源、人文資源、地理區(qū)位等優(yōu)勢,是拓寬山西森林康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)[11-12]。太岳山國家森林公園位于山西省腹地,森林覆蓋率位居全省第一,也是沁河的發(fā)源地,目前擁有1個(gè)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、1個(gè)國家級(jí)濕地公園、8個(gè)林場等13個(gè)基地單位可發(fā)展森林康養(yǎng)旅游,其市場潛力巨大,但有關(guān)該地區(qū)森林康養(yǎng)生態(tài)效益的研究鮮有報(bào)道。因此,本研究在該地區(qū)選取亞高山草甸(花坡村)、沁河濕地(王家灣村)、低山森林林區(qū)(黑峪村)、低山草甸(五龍川村)等不同類型的森林康養(yǎng)村落作為研究對(duì)象,比較分析不同類型的村落NAI濃度分布差異,并揭示NAI分布特征與氣象因素的關(guān)系,為沁源太岳山地區(qū)森林康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)為深入研究NAI濃度影響機(jī)制以及森林康養(yǎng)產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展提供理論參考。
沁源太岳山地區(qū)位于山西省中南部(111°58′30″~112°32′30″E、36°20′20″~37°00′42″N),屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年均溫8.6 ℃,年均相對(duì)濕度65%,年均降水量656.7 mm,無霜期90~150 d,年均日照時(shí)數(shù)2 519 h。本研究在太岳山地區(qū)選取花坡村(亞高山草甸類型)、王家灣村(沁河濕地森林類型)、黑峪村(低山森林類型)和五龍川村(低山草甸類型)4個(gè)森林康養(yǎng)村落為研究對(duì)象,并在沁源縣城設(shè)定對(duì)照點(diǎn),樣點(diǎn)空間分布如圖1所示。
在每個(gè)村落的村口開闊地和村外林地設(shè)定采樣點(diǎn)。其中,花坡村口廣場(H1)(36°49′16″N、112°4′50″E,海拔1 983 m),花坡景區(qū)亞高山草甸(H2)(36°49′40″N、112°4′60″E,海拔2 057 m),植被類型為高山草甸;王家灣村口廣場(W1)(36°44′15″N、112°5′46″E,海拔1 695 m),王家灣林下(W2)(36°44′14″N、36°44′14″E,海拔1 698 m),植被類型為油松(Pinustabuliformis)+遼東櫟(Quercusliaotungensis);黑峪村口廣場(Y1)(36°38′39″N、112°4′7″E,海拔1 681 m),黑峪村落葉松林緣帶(Y2)(36°38′22″N、112°4′27″E,海拔1 714 m),植被類型為落葉松(Larixgmelinii);五龍川村褐馬雞廣場(L1)(36°37′25″N、112°5′15″E,海拔1 579 m),五龍川村低山草甸(L2)(36°37′27″N、112°5′5″E,海拔1 605 m),植被類型為低山草甸;沁源縣城選取2個(gè)對(duì)照點(diǎn),其中沁河河岸(C1)(36°30′5″N、112°20′42″E,海拔980 m),日晷廣場綠地(C2)(36°29′59″N、112°20′35″E,海拔996 m),植被類型為國槐(Sophorajaponica)+圓柏(Sabinachinensis)混交林綠地。
在2021年7月,選擇晴朗無風(fēng)的天氣,利用便攜式空氣負(fù)離子儀(ONETEST-502-XP-A,深圳,中國)測定不同樣點(diǎn)NAI濃度,測量范圍0~1.2×107ions/cm3,從7:00—18:00每隔10 min測量1次,將每小時(shí)的測定數(shù)據(jù)取均值作為該時(shí)段的NAI值,儀器架測高度距地面約1.5 m;同步測量空氣溫度(T)、相對(duì)濕度(W)、PM2.5和PM10等氣象參數(shù),其中溫度測量范圍-60~65℃,濕度測量范圍0~100%,同樣從7:00—18:00每隔10 min測量1次,將每小時(shí)的測定數(shù)據(jù)取均值。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的分析如Pearson相關(guān)分析、多元線性回歸分析利用R(x64 4.1.0)語言進(jìn)行。
2.1.1 空氣負(fù)離子(NAI)的分布特征
NAI濃度在不同類型的森林康養(yǎng)村落之間的分布差異比較大(圖2)。王家灣村(W1和W2)的NAI濃度最高,其油松+遼東櫟混交林下樣點(diǎn)(W2)濃度值區(qū)間為250.0~1 262 ions/cm3,均值達(dá)到829.1 ions/cm3;其次是黒峪村,其落葉松林緣帶樣點(diǎn)(Y2)NAI濃度區(qū)間為189~1 100 ions/cm3,均值為601.3 ions/cm3;再次是五龍川村,其中褐馬雞廣場樣點(diǎn)(L1)NAI濃度區(qū)間為300~865.4 ions/cm3,均值446.2 ions/cm3,低山草甸樣點(diǎn)(L2)NAI濃度區(qū)間為210~799 ions/cm3,均值490.2 ions/cm3。沁源縣城的對(duì)照樣點(diǎn)(C1和 C2)最低,其中日晷廣場綠地樣點(diǎn)(C2)NAI濃度值區(qū)間181.5~570.2 ions/cm3,均值為438.6 ions/cm3。本研究中,王家灣村位于沁河源頭,采樣點(diǎn)位于山泉附近,這可能是提升NAI濃度的原因之一,但是,在縣城沁河河岸(C1)設(shè)定的采樣點(diǎn)NAI濃度并不明顯,NAI濃度值區(qū)間為307.8~664.6 ions/cm3,均值422.6 ions/cm3,僅略高于日晷廣場綠地??梢?,NAI濃度受森林植被密度、空氣相對(duì)濕度等多種因素的影響。
2.1.2 不同森林康養(yǎng)村落空氣負(fù)離子濃度的日變化
本研究監(jiān)測7:00—18:00時(shí)段的NAI濃度變化,發(fā)現(xiàn)日間變化規(guī)律有一定的差異,且不同村落的NAI變化趨勢并不一致,如圖3所示。其中,王家灣(W1和W2)和黑峪村(Y1和Y2)的NAI濃度日間變化趨勢較為相似,即早晨7:00—8:00時(shí)段內(nèi)濃度最高,然后逐漸下降,在12:00—15:00時(shí)段達(dá)到最低,但是在17:00—18:00時(shí)段又開始上升,日間變化趨勢大致呈“U”型?;ㄆ麓?H1和H2)和縣城(C1和C2)的NAI濃度峰值出現(xiàn)在10:00—11:00時(shí)段,同樣在12:00—15:00時(shí)段達(dá)到最低,但是17:00—18:00時(shí)段并未出現(xiàn)上升趨勢,日間變化趨勢總體上呈單峰型。五龍川村(L1和L2)則存在兩個(gè)峰值,分別是9:00—10:00時(shí)段和15:00—16:00時(shí)段。
2.1.3 不同森林康養(yǎng)村落氣象因素的差異
本研究同步監(jiān)測不同村落的空氣溫度(T)、相對(duì)濕度(W)、PM2.5和PM10的日變化,見表1??梢钥闯觯h城空氣溫度最高,沁河岸(C1)和日晷廣場(C2)空氣溫度均值分別達(dá)到26.74 ℃和25.4 ℃;花坡村空氣溫度略低于縣城,其中,花坡村口(H1)空氣溫度均值為25.46 ℃,花坡景區(qū)亞高山草甸(H2)空氣溫度均值為24.03 ℃;黑峪村空氣溫度最低,兩個(gè)樣點(diǎn)Y1和Y2的空氣溫度均值分別為22.97 ℃和22.34 ℃;王家灣村空氣溫度略高于黑峪村,兩個(gè)樣點(diǎn)W1和W2空氣溫度均值分別為25.21 ℃和24.5 ℃。本研究選取的不同村落雖然海拔差異在980~2 057 m之間,但空氣溫度并未隨著海拔升高而降低,相反,海拔1 681~1 714 m的黑峪村氣溫均值最低,低于海拔2 057 m的花坡村,這可能是由于黒峪村山地森林覆蓋度較高,導(dǎo)致局部氣溫相對(duì)較低,而花坡村雖然海拔高于其他村落,但本研究采樣點(diǎn)為開闊草甸,并無林蔭形成局部降溫效應(yīng),可見,太岳山地區(qū)存在顯著的小氣候差異。
相對(duì)濕度方面,黑峪村空氣相對(duì)濕度最高,樣點(diǎn)Y1和Y2相對(duì)濕度均值分別達(dá)到61.77%和83.08%,這也可能與該村落森林覆蓋度較高有關(guān);其次為王家灣村,樣點(diǎn)W1和W2相對(duì)濕度均值分別為68.14%和69.78%;五龍川村空氣相對(duì)濕度最低,樣點(diǎn)L1和L2的相對(duì)濕度均值分別為60.69%和66.92%,可能是由于該村落森林覆蓋度低于其他村落,因此蒸發(fā)量亦高于其他村落所致;同樣的,花坡村空氣相對(duì)濕度也較低,樣點(diǎn)H1和H2的相對(duì)濕度分別為61.57%和64.83%,該數(shù)值略高于縣城。
空氣顆粒物方面,沁源縣城PM2.5濃度最高,樣點(diǎn)C1和C2的PM2.5均值分別為51.31 μg/m3和52.41 μg/m3;PM2.5濃度最低的是王家灣村,樣點(diǎn)W1和W2均值分別為19.79 μg/m3和17.64 μg/m3,且測定的濃度值區(qū)間為1.6~42.5 μg/m3,表明PM2.5絕對(duì)含量較低;其他村落的PM2.5濃度同樣均低于95;不同村落PM10的濃度同樣較低(表1)。參照我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3095—2012)》規(guī)定的PM2.5<15和PM10<40的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),本研究調(diào)查的4個(gè)村落空氣質(zhì)量都達(dá)到一級(jí),可見,沁源太岳山地區(qū)總體上空氣質(zhì)量較優(yōu)。
表1 不同村落空氣溫度、相對(duì)濕度、PM2.5和PM10值
2.2.1 氣象因素與空氣負(fù)離子濃度的相關(guān)性分析
不同森林康養(yǎng)村落NAI濃度值與空氣溫度(T)、相對(duì)濕度(W)、PM2.5和PM10等氣象因素的Pearson相關(guān)分析結(jié)果如表2所示。可以看出,不同村落NAI濃度與氣象因素的相關(guān)性規(guī)律并不一致。
表2 不同村落空氣負(fù)離子濃度與氣象因子的相關(guān)性分析
沁源縣城樣點(diǎn)的溫度與NAI存在正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.66(C1)和0.42(C2),且C1樣點(diǎn)存在顯著性(P<0.05);黑峪村的溫度與NAI存在顯著的負(fù)相關(guān),其中Y1相關(guān)系數(shù)-0.78(P<0.01),Y2相關(guān)系數(shù)-0.65(P<0.05);其他村落的溫度與NAI也存在負(fù)相關(guān),但并不顯著。
PM2.5和PM10與NAI的相關(guān)性規(guī)律較為一致,即存在明顯的負(fù)相關(guān),其中縣城日晷廣場綠地樣點(diǎn)(C2)PM2.5和PM10與NAI的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了-0.88(P<0.01)和-0.86(P<0.01);花坡村口樣點(diǎn)H1的PM2.5與NAI的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.90(P<0.01),PM10與NAI的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到-0.73(P<0.05),樣點(diǎn)H2的PM2.5和PM10同樣與NAI濃度存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05);黑峪村樣點(diǎn)Y1和Y2的PM2.5與NAI濃度相關(guān)系數(shù)分別為-0.81和-0.79,且均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。因此,當(dāng)PM2.5和PM10含量較高時(shí),NAI濃度會(huì)下降。
2.2.2 空氣負(fù)離子濃度影響因素的多元線性回歸分析
以NAI濃度為因變量,其他氣象因素為自變量進(jìn)行多元線性回歸,結(jié)果如表3所示。本研究建立的回歸方程中,R2值大于0.7 且達(dá)到顯著性水平(P<0.05)的僅有5個(gè)樣點(diǎn),表明本研究不同樣點(diǎn)NAI濃度與各個(gè)氣象因素的相互影響規(guī)律并不一致??h城兩個(gè)樣點(diǎn)C1和C2的回歸方程準(zhǔn)確性較高,R2值分別為0.846和0.954,且均達(dá)到顯著性差異水平(P<0.05),但是,C1回歸結(jié)果中,NAI濃度的主要影響因素是空氣溫度,回歸系數(shù)達(dá)到24.69,而C2的主要影響因素是PM2.5,回歸系數(shù)達(dá)到-22.26;王家灣兩個(gè)樣點(diǎn)W1和W2的NAI濃度主要受到溫度和濕度影響,其中,W1和W2的溫度的回歸系數(shù)分別為44.33和29.43,W1和W2的濕度回歸系數(shù)分別達(dá)到22.93和24.94;花坡村的回歸結(jié)果與之類似,即空氣溫度和相對(duì)濕度是主要影響因素。但是,五龍川村的回歸結(jié)果存在差異,其中褐馬雞廣場樣點(diǎn)(L1)的主要影響因素是空氣溫度和相對(duì)濕度,回歸系數(shù)分別為-25.10和-9.40,兩者均與空氣負(fù)離子濃度存在負(fù)向關(guān)系,而低山草甸樣點(diǎn)(L2)的主要影響因素是相對(duì)濕度和PM10,回歸系數(shù)分別為9.51和-7.18。
(1)空氣負(fù)離子濃度的主要影響因素 研究表明,空氣負(fù)離子濃度受綠地空間類型影響較為顯著。Yan等[13]認(rèn)為天然林空氣負(fù)離子濃度普遍高于人工林,城市綠地和農(nóng)田空氣負(fù)離子濃度相對(duì)較低;朱春陽等[14]發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子濃度與植物群落生物特征如平均樹高、冠層高度等因素呈顯著的正相關(guān);馬榮等[6]揭示常綠闊葉林和落葉闊葉林秋季空氣負(fù)離子濃度較高,且不同林分秋季空氣負(fù)離子濃度日間變化呈現(xiàn)單峰型;王薇等[15]認(rèn)為豐富的植物層次結(jié)構(gòu)有利于提高微環(huán)境的空氣質(zhì)量;劉雙芳等[16]同樣發(fā)現(xiàn),油松+桃葉衛(wèi)矛(Euonymusbungeanus)+玉簪(Hostaplantaginea)的喬灌草植物群落的空氣負(fù)離子濃度顯著高于稠李(Padusavium)+萱草(Hemerocallisfulva)的喬木地被植物群落;王一荃等[17]發(fā)現(xiàn)熱帶山地雨林原始林>次生林>雞毛松(Podocarpusimbricatus)人工林>加勒比松(Pinuscaribaea)人工林>空闊地。
本研究選取的4種森林康養(yǎng)村落基本能夠代表太岳山地區(qū)不同的森林康養(yǎng)類型。王家灣村屬于濕地森林類型,且采樣點(diǎn)附近有山泉流過,NAI濃度明顯高于其他村落,黑峪村屬于低山森林類型,NAI濃度次之。而花坡村、五龍川村等并無森林或濕地分布,因而空氣負(fù)離子濃度相對(duì)較低。本研究在縣城沁河河岸設(shè)定采樣點(diǎn),該樣點(diǎn)屬于開闊水體空間,NAI濃度亦無明顯增加。這一結(jié)論與Wang等[5]的研究結(jié)論較為相似,即NAI濃度分布大致為森林空間>水體空間>開闊空間。
(2)空氣負(fù)離子濃度與氣象因素的關(guān)系 空氣負(fù)離子濃度是森林康養(yǎng)效果評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[18],其與氣象因素的關(guān)系受到廣泛關(guān)注。Yan等[13]認(rèn)為城市綠地植被區(qū)域空氣負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,Luo等[19]針對(duì)上海森林公園進(jìn)行研究,認(rèn)為影響NAI濃度的主要是空氣濕度、空氣溫度和PM2.5等3個(gè)因素;Li等[20]測定福建武夷山森林公園NAI濃度,發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)的NAI濃度均與空氣相對(duì)濕度存在一定的相關(guān)關(guān)系;Miao等[21]針對(duì)上海中山公園的研究卻發(fā)現(xiàn),城市綠地NAI濃度主要受到空氣濕度、太陽輻射和空氣溫度的影響??梢?,空氣濕度對(duì)NAI濃度的影響較為明顯。
但是,也有研究者提出了不同的看法。如Wang等[5]認(rèn)為森林內(nèi)部空氣含氧量、PM10對(duì)NAI濃度的影響較大,而森林林緣帶空氣濕度對(duì)NAI濃度的影響最大;王薇等[15]認(rèn)為住宅區(qū)晴天無塵時(shí)NAI濃度明顯增大,室外綠地NAI濃度與溫度呈正相關(guān),與空氣濕度相關(guān)關(guān)系不明確;胡夢(mèng)玲等[22]發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)與NAI濃度的相關(guān)關(guān)系不一致,且不同天氣條件下NAI濃度變化較為顯著;余海等[23]發(fā)現(xiàn)空氣濕度最低值是影響NAI濃度的最大間接因素,NAI濃度隨時(shí)間表現(xiàn)為“單峰型”或“雙峰型”,隨海拔表現(xiàn)為“單峰型”,且受海拔和時(shí)間的共同影響[24]。
本研究中,王家灣(W1和W2)和黑峪村(Y1和Y2)的NAI濃度日間變化趨勢大致呈“U”型?;ㄆ麓?H1和H2)和縣城(C1和C2)的NAI濃度日間變化趨勢總體上呈單峰型。五龍川村(L1和L2)則存在兩個(gè)峰值。本研究發(fā)現(xiàn)在人員活動(dòng)密集區(qū)域設(shè)定的采樣點(diǎn),如縣城廣場(C1)、花坡村口(H1)、王家灣村口(W1)、黑峪村口(Y1)和五龍川褐馬雞廣場(L1),因周邊來往人員、車輛的干擾,不利于空氣負(fù)離子的形成。從監(jiān)測結(jié)果來看,溫度對(duì)NAI濃度的正相關(guān)關(guān)系較為明確,這與王薇等[15]提出的晴天無塵時(shí)NAI濃度明顯增大的結(jié)論相似。而空氣相對(duì)濕度影響較大的兩個(gè)樣點(diǎn),王家灣油松-遼東櫟林下(W2)和五龍川村低山草甸(L2)的空氣相對(duì)濕度對(duì)NAI的正向影響較大,是主要影響因素。多元線性回歸分析表明,PM2.5和PM10與NAI濃度存在負(fù)相關(guān),即較高的PM2.5和PM10不利于NAI的形成。
(1)不同森林康養(yǎng)村落的空氣負(fù)離子濃度存在顯著差異,濕地森林類型的空氣負(fù)離子濃度普遍高于其他類型的森林康養(yǎng)村落。其中,王家灣村油松-遼東櫟混交林下樣點(diǎn)(W2)空氣負(fù)離子濃度值最高,其次是黑峪村落葉松林緣帶樣點(diǎn)(Y2),再次是五龍川村低山草甸樣點(diǎn)(L2),沁源縣城的對(duì)照樣點(diǎn)(C1和 C2)NAI濃度最低。空氣負(fù)離子濃度分布特征大致為森林空間>水體空間>開闊空間。
(2)不同森林康養(yǎng)村落的空氣負(fù)離子濃度日間變化并不一致,其中王家灣和黒峪村的空氣負(fù)離子濃度日間變化趨勢大致呈“U”型,早晨7:00—8:00濃度最高,然后逐漸下降,在12:00—15:00達(dá)到最低,但是在17:00—18:00又開始上升;花坡村和縣城的NAI濃度日間變化趨勢總體上呈單峰型,峰值出現(xiàn)在10:00—11:00時(shí)段;五龍川村則存在兩個(gè)峰值,分別是9:00—10:00時(shí)段和15:00—16:00時(shí)段。因此,森林類型的村落NAI濃度早晨和傍晚較高,草甸類型的村落NAI濃度在上午10:00點(diǎn)左右較高。
(3)空氣溫度、相對(duì)濕度、空氣顆粒物等氣象因素均會(huì)影響到空氣負(fù)離子濃度。其中,空氣溫度和相對(duì)濕度是影響空氣負(fù)離子濃度的主要因素,且存在一定的正相關(guān)關(guān)系;PM2.5和PM10與空氣負(fù)離子濃度存在明顯的負(fù)相關(guān),即空氣顆粒物含量不利于空氣負(fù)離子濃度的提升。