楊 暢,王月容,湯志穎,王 茜,段敏杰,漆良華,*

1 國際竹藤中心 國家林業(yè)和草原局/北京市共建竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室, 北京 100102 2 北京市園林綠化科學(xué)研究院,園林綠地生態(tài)功能評價與調(diào)控技術(shù)北京市重點實驗室, 北京 100102

隨著城市化的快速發(fā)展及人們追求更優(yōu)的生活環(huán)境和品質(zhì),生態(tài)保健意識不斷增強[1]。風(fēng)景游憩林具有游玩和休憩的自然條件及人工基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施,作為城市森林的一種重要類型,不僅在改善和維持生態(tài)環(huán)境方面具有重要作用[2—4],在調(diào)節(jié)氣候[5—6]、豐富視覺環(huán)境[7]、促進居民體力與腦力恢復(fù)[8]、維持身心健康[9]和獲得愉悅感受[10]等生態(tài)保健方面也具有獨特優(yōu)勢。生態(tài)保健效應(yīng)是基于植物景觀的生態(tài)、美學(xué)、社會、生產(chǎn)等 4 大功能,對人體身心健康所產(chǎn)生的各類直接有益功效,通常以空氣負(fù)離子濃度、人體舒適度、減菌率、降噪率、PM2.5消減率等環(huán)境效應(yīng)指標(biāo)進行表征[11—13]。

Wang等[14]研究了五大連池風(fēng)景區(qū)空氣負(fù)離子的變化規(guī)律,指出空氣負(fù)離子日變化呈“U” 型分布且與環(huán)境因子的相關(guān)性與季節(jié)有關(guān)。陳波等[15]研究了北京植物園紅松(Pinuskoraiensis)林不同天氣條件下的PM2.5濃度,認(rèn)為在不同天氣條件下其均有強大的凈化空氣能力。王琴等[16]研究了武漢市15種常見喬木滯塵能力,并結(jié)合葉表微形態(tài)分析滯塵機理,認(rèn)為葉表面粗糙度、蠟質(zhì)含量和溝槽寬度等是影響植物滯塵的重要因素。美國學(xué)者首次用模型分析了圣路易斯地區(qū)城市森林對大氣中主要污染物的凈化作用,指出綠地減少PM10效果最顯著[17]。Streiling等[18]研究了城市公園胡楊(Populuseuphratica)在改善氣候方面的能力,指出植物對改善熱環(huán)境和空氣質(zhì)量組分有積極作用。Bowler等[19]通過植樹、創(chuàng)建公園和綠色屋頂,研究了綠地的降溫效應(yīng),指出綠地周圍平均可降低氣溫1℃。Arghavani等[20]研究了夏季地表植被、屋頂植物、地表植被+屋頂植物對人體舒適度的影響,指出綠地通過白天降溫、夜間升溫提高舒適度。張艷麗等[21]研究了成都市植物廊道的8種綠化植物降溫增濕以及固碳釋氧的生態(tài)保健效應(yīng),指出夏季單位面積植物固碳釋氧和降溫增濕能力最強。Stanhope 等[22]研究了城市公園綠地生態(tài)保健效應(yīng)對身體機能的影響,指出優(yōu)質(zhì)的綠地空間可以減輕疼痛。

國內(nèi)外有關(guān)生態(tài)保健的研究多集中于對綠地的整體效應(yīng),且主要針對一種或兩種保健因子,或以某一個季節(jié)為時間段,而對群落結(jié)構(gòu)差異、動態(tài)變化、影響因素及多種保健因子綜合效應(yīng)等研究報道鮮見。因此,論文以北京西山國家森林公園風(fēng)景游憩林為研究對象,通過野外監(jiān)測和室內(nèi)分析相結(jié)合等方法,探討了喬-灌-草、喬-草和灌-草等9種不同群落結(jié)構(gòu)下的生態(tài)保健效應(yīng),研究了空氣負(fù)離子濃度、PM2.5濃度及消減率、噪音消減率、減菌率及人體舒適度的動態(tài)變化,分析了溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境因子對生態(tài)保健效應(yīng)的影響,運用綜合指數(shù)法對生態(tài)保健效應(yīng)進行定量評價,旨在探索城市風(fēng)景游憩林適宜的群落結(jié)構(gòu),為其建設(shè)與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西山國家森林公園位于北京市西郊,公園植被是距城區(qū)最近的風(fēng)景游憩林(39°58′18.17″N, 116°11′51.20″E),總面積59.7 km2,平均坡度15°—35°,土壤主要為砂質(zhì)土,腐殖質(zhì)和團粒結(jié)構(gòu)較欠缺, pH值為5.5—7.5。研究區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明；夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,年降水量600 mm左右；年平均氣溫10—13℃；植被覆蓋率高達98.5%,林分起源上以人工林為主,生長狀況良好,植被類型主要為闊葉林和針葉林,主要樹種有油松(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、黃櫨(Cotinuscoggygria)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與群落調(diào)查

于2019年在對北京西山國家森林公園踏查的基礎(chǔ)上,選擇立地條件相似,植物群落發(fā)育較為完善的風(fēng)景游憩林,設(shè)置喬-灌-草(A)、喬-草(B)、灌-草(C),3種群落結(jié)構(gòu)類型的樣地,樣地面積為 20 m×20 m,每種群落類型設(shè)置3個重復(fù)(A1、A2、A3；B1、B2、B3；C1、C2、C3)。 在每個樣地內(nèi)設(shè)置5 m×5 m的灌木樣方和1 m×1 m的草本樣方。在樣地內(nèi)進行每木檢尺和群落特征調(diào)查,喬木層調(diào)查樹種組成和胸徑、樹高、冠幅、郁閉度,灌木層調(diào)查物種組成、株高、地徑、蓋度,草本層調(diào)查物種組成、高度和蓋度。在春季(3—5月)、夏季(6—8 月)、秋季(9—11 月)、冬季(12 月、次年1—2 月)開展生態(tài)保健因子監(jiān)測。研究區(qū)位置與樣地基本情況詳見圖1與表1所示。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 The location of study area

2.2 生態(tài)保健指標(biāo)監(jiān)測與評價

采用DLY- 5G空氣負(fù)離子測定儀測定空氣負(fù)離子濃度,儀器位置距離地面1.5 m,每個季節(jié)選擇3天晴好天氣(風(fēng)速<2 m/s),觀測時間為8：00—18：00,每間隔2 h觀測1次,讀取3次取其均值作為空氣負(fù)離子濃度測定值。

PM2.5的測定采用Dustmate手持空氣顆粒物監(jiān)測儀,儀器的位置距離地面1.5 m,每個季節(jié)選擇3天晴好天氣(風(fēng)速<2 m/s),在8：00—18：00,每間隔2 h觀測一次,重復(fù)測定3次為1組,取其均值作為PM2.5濃度測定值。PM2.5消減率計算公式為：

(1)

式中,P為消減率,Cs代表無植被覆蓋點的PM2.5濃度,Cm是實測樣地的PM2.5濃度。

減噪效應(yīng)主要以夏季為主,采用NL- 52噪音測定儀測定噪音,固定聲源80—90 dB,距聲源0 m、5 m、10 m、15 m、20 m同時測定噪音值,每間隔2 min記錄一組數(shù)據(jù),重復(fù)3次取均值。噪音的消減率計算公式如下：

(2)

式中,N代表實測樣地的消減率,L0代表樣地噪音源的噪音值,Lm為與噪音源距離m的噪音值,分別為 5、10、15、20 m 。ΔL為距離為m時噪音的自然衰減量。

表1 樣本基本信息

減菌效應(yīng)主要以夏季為主,將盛有牛肉膏瓊脂培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿置于樣地中心水平支架上,打開接種空氣5 min后,蓋上培養(yǎng)皿封口帶回實驗室,倒置于30℃ 恒溫培養(yǎng)箱中,培養(yǎng)48 h測定細(xì)菌數(shù)量,每個樣地放置3個培養(yǎng)皿。減菌率的計算公式如下：

(3)

式中,P為減菌率,Es為對照的細(xì)菌數(shù),Ec為樣地中的細(xì)菌數(shù)。

采用Kestrel- 4500袖珍式氣候測量儀,每個季節(jié)選擇三天天氣較晴好(風(fēng)速<2 m/s),在 8：00—18：00,每間隔2 h測定1次樣地中心的溫度、濕度、風(fēng)速,重復(fù)3次取均值,計算人體舒適度。人體舒適度計算公式(公式4)、等級(表2)如下：

Si=0.6(|Ti-24|)+0.07(|RHi-70|)+0.5(|Vi-2|)

(4)

式中,Si為人體舒適度,Ti為氣溫(℃),RHi為相對濕度(%),Vi為風(fēng)速(m/s)。

表2 舒適度等級

2.3 生態(tài)保健效應(yīng)評價

選擇植物生長最旺盛的夏季測定的空氣負(fù)離子濃度、PM2.5消減率、噪音消減率、減菌率、人體舒適度5個指標(biāo),開展不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林的生態(tài)保健效應(yīng)評價?？諝庳?fù)離子濃度、PM2.5消減率、減菌率、噪音消減率等為正效應(yīng)指標(biāo),采用公式(5)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理；人體舒適度為負(fù)效應(yīng)指標(biāo),則采用公式(6)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用公式(7)和(8) 按同類相乘,異類相加的綜合指數(shù)法計算生態(tài)保健效應(yīng)單項指數(shù)和綜合指數(shù)[23]。

X′ij=(Xij-minXij)/(maxXij-minXij)

(5)

X′ij=(maxXij-Xij)/(maxXij-minXij)

(6)

式中,X為各指標(biāo)原始值；X′為標(biāo)準(zhǔn)化后的值；i為第i個監(jiān)測指標(biāo)i= 1,2,…,n；j為不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林,j=1,2,…,m。

(7)

式中,Yij為單項指數(shù),Mij取各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。

(8)

式中,I為綜合指數(shù),Yij為第i個監(jiān)測指標(biāo),第j個樣地的單項指數(shù),i= 1,2,…,n；j=1,2,…,m。

2.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理,利用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和鄧肯(DunCan)檢驗法,對北京西山國家森林公園不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林的空氣負(fù)離子濃度、PM2.5消減率、噪音消減率、減菌率、人體舒適度進行方差分析與多重比較,利用聚類分析,對不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林生態(tài)保健效應(yīng)進行分類,運用Python 3.8.8作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣負(fù)離子濃度動態(tài)變化

圖2 空氣負(fù)離子濃度日變化Fig.2 Diurnal variation of air anion concentration A1：喬-灌-草結(jié)構(gòu)第一個樣地 The first sample plot of arbor-shrub-grass structure；A2：喬-灌-草結(jié)構(gòu)第二個樣地 The second sample plot of arbor-shrub-grass structure；A3：喬-灌-草結(jié)構(gòu)第三個樣地 The third sample plot of arbor-shrub-grass structure； B1：喬-草結(jié)構(gòu)第一個樣地 The first sample plot of arbor-grass structure；B2：喬-草結(jié)構(gòu)第二個樣地 The second sample plot of arbor-grass structure；B3：喬-草結(jié)構(gòu)第三個樣地 The third sample plot of arbor-grass structure；C1：灌-草結(jié)構(gòu)第一個樣地 The first sample plot of shrub-grass structure；C2：灌-草結(jié)構(gòu)第二個樣地 The second sample plot of shrub-grass structure；C3：灌-草結(jié)構(gòu)第三個樣地 The third sample plot of shrub-grass structure

北京西山國家森林公園春、夏、秋、冬四個季節(jié)不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林的空氣負(fù)離子濃度日變化范圍分別為296.67—770.00 個/cm3、555.33—1030.00 個/cm3、683.33—1090.00 個/cm3和263.33—760.00 個/cm3(圖2),均值分別為(492.94±68.44) 個/cm3、 (809.40±61.01) 個/cm3、(819.98±49.80) 個/cm3和(534.01±7.46) 個/cm3,變異系數(shù)分別為0.139、0.075、0.031和0.145。秋季空氣負(fù)離子濃度最高,且變異最小。春季空氣負(fù)離子日變化表現(xiàn)為“單峰”曲線,在8：00最低,14：00最高,麥李+荊條-狗尾草+鬼針草+牽牛+藜+小蓬草的灌草結(jié)構(gòu)(C3)空氣負(fù)離子濃度最高,為770.00 個/cm3。夏季綠地空氣負(fù)離子濃度在14：00以后變化較大,出現(xiàn)了驟降和急升的現(xiàn)象。秋季和冬季空氣負(fù)離子濃度均呈現(xiàn)先增加后減小的“單峰”曲線,秋季最高值出現(xiàn)在14：00的喬-草結(jié)構(gòu)。冬季空氣負(fù)離子濃度較低,最高值出現(xiàn)于14：00。

空氣負(fù)離子濃度隨季節(jié)變化明顯(表3),秋季最高(846.41±46.76) 個/cm3,冬季最低(529.74±88.28) 個/cm3。喬-灌-草結(jié)構(gòu)的油松+刺槐-荊條+胡枝子-狗尾草+馬唐+牽牛+鬼針草(A1)年均最高,為(755.62±110.11) 個/cm3,灌-草結(jié)構(gòu)中榆葉梅+沙地柏+金銀忍冬+棣棠-虎尾草+狗尾草+旋覆花+刺兒菜(C1)最低,為(637.53±121.90) 個/cm3,整體表現(xiàn)為喬-灌-草>喬-草>灌-草。多重比較結(jié)果表明,不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林春季空氣負(fù)離子濃度變化幅度較小,差異不顯著；夏季、秋季和冬季差異顯著(P<0.05),喬-灌-草和喬-草結(jié)構(gòu)空氣負(fù)離子濃度效應(yīng)具有明顯優(yōu)勢。

表3 空氣負(fù)離子濃度季節(jié)變化

3.2 PM2.5濃度動態(tài)變化及消減率

不同季節(jié)PM2.5濃度日變化有明顯的差異(圖3),春夏秋冬日變化范圍分別為8.07—18.53 μg/m3、6.83—30.43 μg/m3、24.32—43.59 μg/m3和38.07—63.04 μg/m3,均值分別為(13.26±0.23) μg/m3、 (14.66±0.39) μg/m3、(33.32±0.88) μg/m3和(49.82±0.53) μg/m3,變異系數(shù)分別為0.017、0.027、0.026和0.011。春季喬-灌-草結(jié)構(gòu)PM2.5濃度最低,整體趨勢呈 “雙谷”型,谷值分別在10：00和14：00,且14：00最低(8.07 μg/m3), 18：00達最高(18.53 μg/m3)。夏季從8：00開始PM2.5濃度持續(xù)降低,到14：00達到最低(16.03 μg/m3)后緩慢上升。秋季PM2.5濃度從8：00開始上升,18：00達到一天中的最高值(43.59 μg/m3)。冬季PM2.5濃度整體最高,在8：00為一天中的最高值,后持續(xù)下降至16：00時達到最低值。

圖3 PM2.5濃度日變化Fig.3 Diurnal variation of PM2.5 concentration

PM2.5濃度四個季節(jié)表現(xiàn)為夏季<秋季<春季<冬季(表4)。濃度最低群落結(jié)構(gòu)分別為灌-草結(jié)構(gòu)(C1)和 喬-灌-草結(jié)構(gòu)(A1),年均值分別為(33.07±9.10) μg/m3、(33.09±9.83) μg/m3,灌-草結(jié)構(gòu)(C3)PM2.5濃度最高,年均值為(34.00±10.48) μg/m3。多重比較結(jié)果表明,不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林PM2.5濃度在夏季、秋季和冬季達顯著性差異(P<0.05)。

表4 PM2.5濃度季節(jié)變化

PM2.5的消減效應(yīng)隨季節(jié)變化較大(表5),春季、夏季和秋季有顯著性差異(P<0.05)。春季PM2.5消減作用表現(xiàn)為喬-草>喬-灌-草>灌-草,以A1最優(yōu),達到了9.04%。夏季表現(xiàn)為灌-草>喬-灌-草>喬-草,以C3和A1消減作用較高,消減率分別為12.72% 和10.95%,喬-草結(jié)構(gòu)的側(cè)柏+欒樹-芍藥+牛筋草+狗尾草+知風(fēng)草(B3)消減效應(yīng)最弱，為4.49%。秋季PM2.5的消減作用以喬-灌-草最優(yōu),達到了9.63%。冬季PM2.5由于濃度較高,不同群落的風(fēng)景游憩林也表現(xiàn)出了一定的消減作用,最高為7.56%,最低為4.37%。

3.3 噪音消減率和減菌率

不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林的噪音在自然衰減和植物消減作用下,噪音值產(chǎn)生不同變化(圖4)。距音源5 m、 10 m、15 m、20 m實測噪音最低值分別為68.87 dB、60.73 dB、58.03 dB、54.60 dB。距噪音源5 m消減效應(yīng)最好的為喬-草結(jié)構(gòu)的B3和灌-草結(jié)構(gòu)的麥李+荊條-狗尾草+鬼針草+牽牛+藜+小蓬草(C3),消減率分別為4.42% 和3.93%。距噪音源10 m時消減效應(yīng)最好的為喬-灌-草結(jié)構(gòu)A1,喬-草結(jié)構(gòu)B3,灌-草結(jié)構(gòu)C3。距噪音源15 m時喬-灌-草結(jié)構(gòu) A1和喬-草結(jié)構(gòu)B3消減率最高,分別為10.36%、12.93%。距噪音源20 m時消減效應(yīng)以喬-草結(jié)構(gòu)的B3最好。

表5 PM2.5消減率季節(jié)變化

圖4 噪音消減率與衰減量Fig.4 Noise reduction rate and noise attenuation

不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林減菌率表現(xiàn)為喬-灌-草>喬-草>灌-草(圖5),減菌率均值分別為(36.39±5.94)%、(28.26±6.20)%、(18.67±7.22)%。減菌效應(yīng)以A1最優(yōu),其次為B3,減菌率分別為44.60%、 38.56%。減菌效果最弱的為灌-草結(jié)構(gòu)紫薇-虎尾草+狗尾草+牛筋草+馬唐+苦苣菜(C2),減菌率為(11.65±1.81)%,上下限較為接近,都處于游憩林中減菌率的最小值,A1減菌率分別為B3和C2的1.16、3.83倍。減菌效果最不穩(wěn)定的為灌-草結(jié)構(gòu)麥李+荊條-狗尾草+鬼針草+牽牛+藜+小蓬草(C3),減菌率為(28.60±14.22)%,上下限距離最遠(yuǎn),且中位數(shù)基本與下限持平,減菌效果最為穩(wěn)定的是灌-草結(jié)構(gòu)榆葉梅+沙地柏+金銀忍冬+棣棠-虎尾草+狗尾草+旋覆花+刺兒菜(C1),減菌率為15.76±1.02%,其上限下限和中位數(shù)最為接近。

圖5 減菌率Fig.5 Bacteria reduction rate

3.4 人體舒適度動態(tài)變化

春、夏、秋、冬不同季節(jié)人體舒適度指數(shù)日變化范圍分別為3.54—7.39、2.80—9.63、5.37—9.26和11.31—18.07(圖6),均值分別為4.90±0.18、6.74±0.23、6.84±0.08和14.29±0.27,變異系數(shù)分別為0.037、0.034、0.012和0.019。春季人體舒適度日變化趨勢成“√”型,在“舒適”等級以上達到了46.7%,且集中于12：00—16：00。夏季舒適度指數(shù)呈現(xiàn)單“峰”曲線,從8：00開始逐漸上升,峰值出現(xiàn)在14：00,此時舒適度指數(shù)為9.10—10.22,體感為“極不舒適”等級。秋季舒適度指數(shù)呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢,在12：00—16：00舒適度指數(shù)較低,最低值為5.84,體感為“較舒適”等級。冬季舒適度指數(shù)在8：00最高(18.07),在12：00—14：00時達到最低(10.14),達“極不舒適”等級。

圖6 舒適度指數(shù)日變化Fig.6 Daily variation of comfort index

人體舒適度不同季節(jié)有明顯的差異(圖7),舒適度指數(shù)春季最優(yōu)(4.92±0.18),其次是秋季(7.48±0.08)和夏季(7.98±0.25),冬季因寒冷干燥最高(15.44±0.18)表現(xiàn)出“極不舒適”。就群落結(jié)構(gòu)而言,人體舒適度以C1最優(yōu)的,最差為B1,年均舒適度指數(shù)分別為8.83±4.02、9.06±3.92。在春季,不同群落結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著差異,以C1最優(yōu),舒適度指數(shù)為4.64±0.92。夏季喬-灌-草結(jié)構(gòu)和喬-草結(jié)構(gòu)最為舒適,灌-草結(jié)構(gòu)最差。秋季總體上比夏季舒適,以灌-草結(jié)構(gòu)最優(yōu)(7.32±0.61)。冬季不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林人體舒適度指數(shù)差異不大。

圖7 舒適度指數(shù)季節(jié)變化Fig.7 Seasonal variation of comfort index

3.5 生態(tài)保健效應(yīng)影響因子與綜合評價

生態(tài)保健效應(yīng)與環(huán)境因子相關(guān)性分析結(jié)果表明(圖8),PM2.5濃度和溫度呈負(fù)相關(guān),與濕度和風(fēng)速呈正相關(guān)；細(xì)菌數(shù)量與溫度、濕度、風(fēng)速均呈正相關(guān),在一定程度上溫度、濕度、風(fēng)速均有利于細(xì)菌的生長繁殖；噪音與溫度、風(fēng)速呈正相關(guān),而與濕度呈負(fù)相關(guān)；空氣負(fù)離子濃度與溫度呈正相關(guān),與濕度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。

在各保健因子之間,PM2.5濃度與細(xì)菌數(shù)量和噪音量呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.452、0.432,與空氣負(fù)離子濃度呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為 -0.627；噪音則與細(xì)菌數(shù)量呈正相關(guān)且達顯著水平(P<0.05),相關(guān)系數(shù)為0.654；空氣負(fù)離子濃度與PM2.5濃度和菌落數(shù)呈負(fù)相關(guān)且達顯著水平(P<0.05)相關(guān)系數(shù)分別為-0.627、-0.716,與噪音呈負(fù)相關(guān)且達極顯著水平(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.817。

圖8 生態(tài)保健效應(yīng)與環(huán)境因子的相關(guān)性Fig.8 Correlation between ecological health effect and environmental factors

不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林生態(tài)保健效應(yīng)綜合指數(shù)變化范圍為1.6565—9.1387(圖9)。喬-灌-草和喬-草結(jié)構(gòu)的生態(tài)保健效應(yīng)高于灌-草結(jié)構(gòu),分別是灌-草結(jié)構(gòu)的2.06和1.63倍,可見喬木層在發(fā)揮風(fēng)景游憩林生態(tài)保健效應(yīng)方面具有重要作用,這可能與其繁茂的林冠、復(fù)雜的枝葉結(jié)構(gòu)有關(guān)。生態(tài)保健綜合指數(shù)的聚類分析結(jié)果表明,9種群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林可聚為4類,第一類為B1、C2、C3、A2、B2,第二類A3、B3,第三類C1和第四類A1。 其中喬-灌-草結(jié)構(gòu)A1具有較好的增加空氣負(fù)離子濃度、減菌、提高人體舒適度等生態(tài)保健效應(yīng),其綜合保健指數(shù)最高；其次為喬-草結(jié)構(gòu)B3、喬-灌-草結(jié)構(gòu)A3,綜合指數(shù)分別為6.3398 、6.2093；最弱的為灌-草C1。

圖9 風(fēng)景游憩林生態(tài)保健效應(yīng)及聚類分析Fig.9 Comprehensive health function effects and cluster analysis of scenic and recreational forests

4 討論

4.1 空氣負(fù)離子濃度變化

植物光合作用和葉片尖端放電產(chǎn)生空氣負(fù)離子[24]。北京西山國家森林公園不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林空氣負(fù)離子濃度表現(xiàn)出夏秋高、春季次之,冬季弱的變化規(guī)律,這與邵海榮等[25]對北京市常見植物空氣負(fù)離子濃度變化特征研究結(jié)果一致,而與余海等[26]對側(cè)柏(Platycladusorientalis)林在春季和秋季可產(chǎn)生較多空氣負(fù)離子的研究結(jié)果不同,這可能是純林與混交林林分類型的差異導(dǎo)致。北京西山國家森林公園風(fēng)景游憩林空氣負(fù)離子濃度以喬-灌-草群落結(jié)構(gòu)最高,與北戴河森林環(huán)境[27]中空氣負(fù)離子分布特征研究結(jié)果一致,這可能與復(fù)層植物群落可以釋放更多的空氣負(fù)離子有關(guān)。夏季空氣負(fù)離子濃度最高值出現(xiàn)在12：00—16：00,最低值出現(xiàn)在8：00,這與合肥市居住區(qū)[28]空氣負(fù)離子濃度變化一致,與熱帶森林[29]空氣負(fù)離子濃度的變化不完全相同,可見空氣負(fù)離子濃度受溫度、濕度等氣候因素影響較大。有關(guān)空氣負(fù)離子濃度與環(huán)境因子關(guān)系的研究尚沒有一致結(jié)論,吳作明等[30]認(rèn)為空氣負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān),與濕度呈正相關(guān),王一荃等[29]認(rèn)為其與濕度呈正相關(guān), Smirnov等[31]認(rèn)為與風(fēng)速呈正相關(guān),本研究則認(rèn)為溫度與空氣負(fù)離子相關(guān)關(guān)系不明顯,與濕度和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。喬-灌-草結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生更多的空氣負(fù)離子[32],而本研究中喬-草結(jié)構(gòu)B1空氣負(fù)離子濃度也較高,可能是因為B1林分郁閉度和草本層蓋度均大,且油松呈針狀等曲率半徑較小,具有良好的“尖端放電”功能,在植物生長初期有利于產(chǎn)生更多空氣負(fù)離子。

4.2 PM2.5濃度及消減率變化

PM2.5濃度在早上和晚上較高,這與Begum等[33]對英國顆粒物濃度變化研究結(jié)果相似。環(huán)境因子對PM2.5濃度及消減率有較大影響[34],西山國家森林公園不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游林PM2.5濃度與溫度呈負(fù)相關(guān),與濕度和風(fēng)速呈正相關(guān),這與哈爾濱[35]植物群落對大氣細(xì)顆粒物濃度消減作用的研究結(jié)果一致,與布里斯班[36]顆粒物的動態(tài)變化不完全相同,濕度增加顆粒物的重量增加,使之不斷下降,近地面濃度升高,在陳波等[15]的研究中還指出降雨有助于消減 PM2.5。顧康康等[37]對城市道路綠地植物PM2.5消減作用的研究發(fā)現(xiàn),喬-灌-草結(jié)構(gòu)消減作用最優(yōu),這與本研究結(jié)果一致,群落結(jié)構(gòu)、植物種類是影響PM2.5消減率的重要因子。Hwang等[38]和陳波等[39]的研究表明針葉植物對PM2.5的消減能力遠(yuǎn)高于闊葉樹,這也驗證了北京西山國家森林公園喬木層以油松為主群落結(jié)構(gòu)對PM2.5有較強的消減作用,而王琴等[16]對武漢的植物滯塵能力的研究中,葉表面粗糙、蠟質(zhì)含量高和溝槽寬度深等植物葉片具有最佳滯塵能力,這可能與地域氣候差異有關(guān),發(fā)揮良好的滯塵保健效應(yīng)需要因地制宜選擇合適的植物。

4.3 降噪與減菌效應(yīng)變化

林帶的減噪效應(yīng)與寬度、植物配置、組成和郁閉度有關(guān),樹木通過吸收和散射,使噪音在林內(nèi)傳播時間延長,減弱聲波通過林帶時的能量,從而達到降噪的效果[40]。距離對噪音的消減效應(yīng)差異顯著,噪聲消減率隨距離增加而增加,這與Fang等[41]對林帶降噪效果的研究結(jié)果相同。西山國家森林公園喬-灌-草結(jié)構(gòu)降噪效果最優(yōu),這與Maleki等[42]對德黑蘭森林公園不同類型林分降噪效果研究結(jié)果相似,灌木因其茂密的枝葉散射作用而能發(fā)揮較好的降噪效應(yīng),足夠高的樹木對噪音的擴散和吸收能力更優(yōu),因此將喬木和灌木搭配種植,形成喬-灌結(jié)構(gòu),提升游憩林降噪效應(yīng)。植物通過分泌萜類、有機酸等物質(zhì)從而抑制細(xì)菌生長[43]?？諝庵械奈⑸锎蠖鄟碜缘孛?灌-草群落結(jié)構(gòu)微生物擴散的范圍小,對細(xì)菌的消減作用較弱,本研究減菌效果較好為喬-灌-草結(jié)構(gòu)和喬-草結(jié)構(gòu),一方面復(fù)層結(jié)構(gòu)的風(fēng)景游憩林減菌效果要高于單層結(jié)構(gòu)[44],另外還可能與喬木層側(cè)柏釋放的可揮發(fā)性物質(zhì)能夠有效地抑制細(xì)菌活性、降低細(xì)菌濃度有關(guān)[45]。產(chǎn)生較多空氣負(fù)離子的植物群落對細(xì)菌的抑制作用也較強,本研究表明細(xì)菌數(shù)量與空氣負(fù)離子濃度呈負(fù)相關(guān)。光照、溫度、濕度和風(fēng)速的綜合狀態(tài)能降低細(xì)菌的數(shù)量,且會隨不同季節(jié)和地區(qū)改變[46]。C3減菌效應(yīng)變動最大可能是因為其位置靠近道路,人為干擾較大,生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定,在今后進行風(fēng)景游憩林建設(shè)時可設(shè)緩沖區(qū),以保證植物群落發(fā)揮最佳生態(tài)保健效應(yīng)。

4.4 人體舒適度變化

人體舒適度主要與風(fēng)景游憩林溫度、濕度、風(fēng)速有關(guān),與林外相比,林內(nèi)風(fēng)速較低,由于光照不足等溫度較低,植物呼吸作用而濕度較高[47]。北京市夏季高溫多雨,而西山國家森林公園風(fēng)景游憩林夏季也較舒適,原因可能是森林公園遠(yuǎn)離城區(qū)且植被豐富,林分郁閉度大,形成一個特殊的小氣候。不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林人體舒適度指數(shù)沒有顯著的差異,可能是因為西山國家森林公園面積大,地表覆蓋率高,改善了整體的舒適度,其中最佳的為喬-灌-草結(jié)構(gòu),可能是有良好的復(fù)層結(jié)構(gòu),并且喬木層樹種刺槐具有降溫、增濕和降低風(fēng)速的顯著效果[48]。王慶等[49]的研究認(rèn)為影響綠地人體舒適度的主要原因為植物群落結(jié)構(gòu)、喬木平均冠幅、綠量、灌木圍合度、灌木高度以及綠化率,要提升城市人體舒適度,需要綜合考慮。

喬-灌-草群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林的生態(tài)保健效應(yīng)最好,這與紫竹院公園綠地[50]以及北小河公園綠地[51]生態(tài)保健效應(yīng)研究結(jié)果一致。這主要與該類型具有完整的群落的結(jié)構(gòu),有降溫、增濕、降低風(fēng)速、滯塵、減菌的刺槐、油松、側(cè)柏等優(yōu)良樹種有關(guān)。北京風(fēng)景游憩林的建設(shè),在群落結(jié)構(gòu)上以擁有良好復(fù)層結(jié)構(gòu)的喬-灌-草群落結(jié)構(gòu)為主,在樹種選擇上優(yōu)先考慮具有生態(tài)保健效應(yīng)的鄉(xiāng)土樹種,適度設(shè)置林帶的寬度以提升降噪效果。最佳游憩時間建議為春季10：00—14：00,夏季8：00—10：00,秋季12：00—16：00,冬季14：00—16：00。

5 結(jié)論

通過對北京西山國家森林公園9種不同群落結(jié)構(gòu)風(fēng)景游憩林生態(tài)保健效應(yīng)研究,發(fā)現(xiàn)不同群落結(jié)構(gòu)保健效應(yīng)差別較大,對單個生態(tài)保健指標(biāo)的表征各有優(yōu)勢,四個季節(jié)生態(tài)保健效應(yīng)的日變化趨勢也不盡相同,與環(huán)境因子呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性。不同植物在生態(tài)保健效應(yīng)方面也表現(xiàn)出各自優(yōu)勢,如油松有良好的釋放空氣負(fù)離子的能力,側(cè)柏減菌效應(yīng)較優(yōu),刺槐降溫增濕效果顯著。研究得出的生態(tài)保健綜合效應(yīng)排序為：喬-灌-草>喬-草>灌-草,較優(yōu)景觀配置模式分別對應(yīng)的是： 喬-灌-草結(jié)構(gòu)A1(油松+刺槐-荊條+胡枝子-狗尾草+馬唐+牽牛+鬼針草),喬-草結(jié)構(gòu)B2(側(cè)柏-芍藥+牡丹+刺兒菜+牛筋草+狗尾草),灌-草結(jié)構(gòu)C2(紫薇-虎尾草+狗尾草+牛筋草+馬唐+苦苣菜),今后在風(fēng)景游憩林建設(shè)中可供參考應(yīng)用。未來的研究應(yīng)考慮心理保健效應(yīng),及其與生理的耦合效應(yīng)和影響機制。