吳亦菲 安 靜 佘松林 陸世偉 王 慧 張運飛 汪羽紅

(貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院 貴陽 550000)

隨著中國城市化進程的快速發(fā)展，民眾開始關注和追求生活環(huán)境質量。城市人群對于親近自然、釋放壓力、康健養(yǎng)生的需求也變得越來越迫切[1]。森林公園是具有一定規(guī)模和質量的森林風景資源和環(huán)境條件，可以開展森林旅游，并按法定程序申報批準的森林地域[2]。相較受污染的城市大氣環(huán)境，森林公園內植被覆蓋率高，物種豐富，氣候溫和，空氣負離子含量高，不僅具有空氣清新的舒適環(huán)境、四季變幻的優(yōu)美風景，還有康養(yǎng)保健作用[3]，成為人們遠離城市喧囂，擁抱大自然的首選地之一[4-5]。隨著人們保健意識的增強，森林保健資源及其功能問題受到關注并成為研究熱點。空氣負離子(NAI)具有提高免疫力、調節(jié)機能平衡的功效，被譽為“空氣維生素”或“生長素”[6]。NAI作為森林保健資源中的一項重要指標，對不同森林類型的空氣質量評估有重要意義。研究表明，森林能產生大量的NAI，一般為室內和城市平均含量的160倍[7]。其產生途徑主要有太陽紫外線輻射、雷電、水剪切力(Lenard效應)、植物葉尖端放電和光合作用等[8-9]。目前，涉及NAI的森林康養(yǎng)項目已在中國興起，NAI濃度已成為考量森林康養(yǎng)基地評定的重要因素[9]，也成為國內外學者研究的熱點?，F(xiàn)有研究主要側重森林公園內不同林分類型的NAI濃度時空變化[10-12]、影響因素[13]，或運用GIS技術對森林公園的評價及規(guī)劃[14-15]等方面，但忽略了森林公園MAI濃度表達的整體性與公園規(guī)劃結合，特別是利用GIS技術針對森林公園NAI濃度時空變化特征的研究鮮見報道。基于此，以貴州省龍里縣龍架山國家森林公園為研究對象，選取園內不同區(qū)域具有代表性的土地利用模式為對象，通過定點觀測NAI濃度，分析不同觀測點NAI濃度的日變化、季節(jié)變化特征，并運用GIS的空間分析技術將數(shù)據(jù)進行可視化，獲得公園四季及日變化整體NAI濃度空間分布預測圖，以期為公園游客游覽時間和路線的選擇以及為公園的管理和規(guī)劃提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黔中龍里縣龍架山國家森林公園(東經106°53′37″～106°57′10″，北緯26°26′43″～26°29′09″)，以高原丘陵和高原山地為主，海拔高度在1 075.0～1 379.7 m，相對高差304.7 m。北亞熱帶季風濕潤氣候，多年平均氣溫為13.8 ℃。公園中部橫穿一條臥龍溪，長6.7 km，寬3.0～5.0 m，比降0.74%。園內林地總面積為1 446 hm2，森林覆蓋率為88.01%，森林植被以馬尾松人工林、天然闊葉林、雜灌叢為主，并建有面積為33 hm2的珍稀植物園。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

為了反映園區(qū)不同土地利用模式內NAI的變化特征，本研究選擇了：馬尾松林、針闊混交林、杜仲林、雜灌、動態(tài)水域(臥龍溪)、靜態(tài)水域(龍仙湖)、保護區(qū)域(珍稀植物園)、農用地(居住地和耕地)、對照點(公園入口、停車場)等9組典型觀測樣地。其中4組植被類型觀測樣地各設有4個觀測點，保護區(qū)域和農用地樣地各設置3個觀測點，對照點和地表動、靜水域各設2個觀測點，共計28個(圖1)。

圖1 研究區(qū)觀測點位置示意圖

2.2 試驗方法

NAI濃度測定采用AES-60空氣負離子檢測儀，測量各組樣點的NAI濃度，測定離子濃度精度為±10%，離子分辨率為10 ion·cm-3，其離子濃度檢測范圍為1～5 000 000 ion·cm-3，工作溫度在-50～70℃，工作相對濕度在0～99%。

監(jiān)測時間從2021年5月～2022年1月。選擇在晴朗無風或微風的天氣情況下進行觀測，連續(xù)觀測四個季度(2021年的5、8、10月和2022年的1月)，每個季度連續(xù)觀測3天。觀測時間選定在每日8∶00～18∶00，共有3臺儀器及6名實驗人員分別對28個觀測點進行同步觀測。每個觀測點每隔兩個小時測定1次，每次在半個小時之內完成，在每個觀測點的東南西北4個方向儀器調零后各測1次，每個方向各重復3次，待儀器在樣點觀測的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，實驗人員記錄數(shù)數(shù)據(jù)。測定高度距離地面1.5 m，與成人呼吸高度基本一致。

2.3 NAI濃度分級標準

參考張清杉[16]提出的空氣負離子保健濃度分級標準(表1)，對研究區(qū)內的NAI濃度進行評價。

表1 空氣負離子濃度評價標準

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

利用Microsoft Excel 2013對觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和圖表處理。利用ArcGIS 10.8進行空間插值，使用建模工具為半變異函數(shù)/協(xié)方差函數(shù)的普通克里金法[17]對觀測數(shù)據(jù)進行可視化處理，得到研究區(qū)域內的NAI濃度空間預測分布圖。

3 結果與分析

3.1 NAI濃度的季節(jié)變化和日變化特征

公園內不同樣地不同季節(jié)NAI平均濃度日變化如圖2所示，春季公園各樣地的NAI平均濃度值(單位ions·cm-3)的表現(xiàn)為：S6(1 768.90 )>S5(1 013.00)>S1(967.14)>S4(939.17)>S3(870.52)>S8(846.33)>S7(835.65)>S2(410.81)>CK(407.17)。植被和保護區(qū)樣地的日變化趨勢呈“W”字型，峰值均出現(xiàn)在8∶00、12∶00和18∶00前后，植被樣地的NAI平均濃度最高是CK的2.37倍。水域樣地的NAI濃度日變化趨勢呈“N”字型。峰值分別在10∶00～14∶00和18∶00前后，其NAI平均濃度是CK的4.34倍。

夏季公園各樣地的NAI平均濃度值(單位ions·cm-3)的表現(xiàn)為：S6(3 038.77)>S1(1 490.59)>S8(1 154.20)>S7(1 097.82)>S5(1 029.23)>S3(890.40)>S4(839.35)>S2(507.30)>CK(391.79)。針闊混交、馬尾松和杜仲林的變化趨勢呈“W”字型，峰值出現(xiàn)的時間段與春季相似。公園內NAI平均濃度最高是CK的3.80倍，且流動水域的NAI平均濃度是CK的7.76倍，遠高于植被樣地。

秋季公園各樣地的NAI平均濃度值(單位ions·cm-3)的表現(xiàn)為：S6(1 330.65)>S1(851.86)>S5(790.23)>S8(677.33)>S3(629.51)>S7(624.76)>S4(608.91)>S2(371.38)>CK(342.03)。秋季的NAI濃度變化趨勢多呈倒“U”字型，在12∶00或14∶00前后出現(xiàn)峰值；秋季農用地的NAI濃度變化趨勢與CK相反，其余季節(jié)相似，且四季的農用地NAI平均濃度普遍高于CK。

冬季公園各樣地的NAI平均濃度值(單位ions·cm-3)的表現(xiàn)為：S6(1 381.08)>S1(976.63)>S5(619.81)>S8(382.66)>S3(357.86)>S7(326.68)>S4(270.10)>S2(197.32)>CK(167.33)。多數(shù)樣地的變化趨勢相似，呈“W”字型，峰值分別出現(xiàn)在8∶00、12∶00和18∶00前后。水域樣地在16∶00到18∶00前后呈緩慢下降趨勢，流動水域的NAI平均濃度是CK的8.25倍，是植被樣地的3.70倍。

3.2 不同樣地的四季NAI濃度空間插值分析

利用克里金插值獲得NAI濃度空間分布圖(圖3)，可以看出，夏季的NAI高濃度空間分布面積最大，其次是春季和秋季，冬季的NAI低濃度分布面積最廣。比較四季NAI濃度平均值可知，不同季節(jié)間NAI濃度表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季。

圖3 四季NAI濃度空間插值分布圖

在春季，NAI高濃度區(qū)域主要分布在公園的西南部；在夏季，NAI低濃度區(qū)域主要分布在公園的東部，其余區(qū)域都屬于NAI高濃度分布區(qū)；在秋季，公園南部區(qū)域的NAI濃度相比于其他區(qū)域較高；在冬季，公園偏北部和西南部的NAI濃度相對于其他區(qū)域較高。四個季度里公園西南部的NAI濃度最高，其次是南部和北部邊緣區(qū)。

3.3 不同樣地的四季NAI保健濃度評級分析

公園的NAI保健濃度評級如圖4所示，在春季，公園西南區(qū)域的NAI保健濃度最高達Ⅱ級，其他區(qū)域僅達Ⅳ級，保健作用不明顯；在夏季，公園中心及東部區(qū)域的NAI保健濃度為Ⅳ級，中心偏西部和西南部的NAI保健濃度最高達Ⅰ級，保健作用明顯。在秋冬季，公園西南部部分區(qū)域的NAI保健濃度最高達Ⅲ級，其他區(qū)域NAI保健濃度僅為Ⅳ級，不具備保健作用。

圖4 四季NAI濃度分級空間插值分布圖

4 結論與討論

不同地區(qū)的NAI濃度日變化特征有明顯不同，陶雪瑩[18]、鄔昀[19]等人得出的結論是“早晚高，中午低”，而杜萬光[20]和王立君[21]等人得出的是“早、中、晚”三峰型特征，本研究結果與后者研究結果相似，公園NAI濃度日變化趨勢呈“W”型，三個峰值普遍分布在8∶00～10∶00、12∶00～14∶00和18∶00前后，其原因可能與NAI的產生途徑太陽紫外線的輻射和植物的光合作用有關。有研究表明，在太陽輻射和植物光合作用較弱，且空氣相對濕度較大時，在16∶00前后或延遲會出現(xiàn)一個峰值[22]。12∶00到14∶00前后，太陽輻射較強，同時植物光合作用達到極限，雙重作用下加快了NAI的產生。在夏、春季水域的日變化特征呈雙峰“N”型，峰值出現(xiàn)在12∶00～14∶00和18∶00前后，該與江立行[23]的研究結論“兩頭高，中間低”顯著不同，這可能與觀測地點的位置有關，動態(tài)水域觀測位置處于山谷，靜態(tài)水域周圍有植被環(huán)繞，導致升溫和濕度下降的速度減緩，首個峰值出現(xiàn)的時間相較于植被樣地有所延遲。

NAI濃度在不同季節(jié)變化各監(jiān)測點存在明顯差異，但整體平均表現(xiàn)為動態(tài)水域>針闊混交林>靜態(tài)水域>馬尾松林>杜仲林>保護區(qū)域>雜灌>農用地>對照點，該與季玉凱[24]、高郯[25]、吳楚材[26]等人的研究結論相似，其報道也發(fā)現(xiàn)NAI濃度在不同土地類型中存在針闊葉混交林>針葉林>闊葉林、水體>綠地、動態(tài)水>靜態(tài)水的基本規(guī)律。水體是NAI的重要來源，動態(tài)水如河流、溪澗等在流淌、跌落、沖擊的過程中，由于Lenard效應水變成霧狀分割出正負電荷，促進NAI的產生[27]。同時水霧會帶走空氣中的顆粒物，使動態(tài)水體周圍空氣更加清潔，NAI的濃度高于靜態(tài)水體和其他區(qū)域。植被類型的NAI濃度變化趨勢與馮鵬飛[28]的研究結論不同，其發(fā)現(xiàn)NAI濃度在不同植被類型中為闊葉林>針闊葉混交林>針葉林，可能與馬尾松林的郁閉度大于杜仲林有關，森林的郁閉度對NAI濃度有重要影響，郁閉度高，林內濕度大，有利于NAI的產生[9]。

公園內NAI濃度在不同季節(jié)的大小排序為：夏季>春季>秋季>冬季。這與朱淑新[29]、馮燕珠[30]等的研究一致。與一些溫帶的研究結論相比有所不同，其監(jiān)測結果表明NAI濃度季節(jié)排序為夏季>秋季>春季>冬季，可能是因為本研究區(qū)位于亞熱帶地區(qū)，氣候溫潤，春季升溫較早，植物較快進入生長過程，快速發(fā)芽生葉，光合作用增強，因此春季的NAI濃度要高于植被進入枯萎的秋冬季節(jié)。

公園的NAI濃度空間分布和保健評級結果顯示，夏季公園大部分區(qū)域的NAI保健濃度都達到了Ⅲ級以上，在靠近動態(tài)水域以及針闊混交林區(qū)域的保健濃度可以達到Ⅰ級，對身體健康有明顯的保健作用；春季公園的西南區(qū)域，NAI保健濃度最高為Ⅱ級；秋冬季節(jié)公園大面積區(qū)域的NAI保健濃度僅為Ⅳ級。公園的中、東部區(qū)域NAI保健濃度等級較低，可能是此區(qū)域有居民居住、有耕地，同時還有公路、鐵路和高鐵等交通道路穿插其中，來往的交通車輛會產生大量顆粒物，從而導致NAI濃度下降。公園東部是龍架山國家森林公園的入口，有養(yǎng)殖地、農家樂等娛樂設施位于入口附近，人流量大，NAI的活性降低，這可能是NAI保健濃度等級不高的原因。

本研究重點僅側重于探究公園不同樣地的NAI濃度的差異，未對NAI的影響因素如：溫濕度、顆粒物、風速、海拔和光照等進行觀測研究。同時，本研究中用于插值的NAI濃度觀測點分布范圍較廣，但從整體上來說，由于部分林區(qū)較茂密涉足困難的原因，布設點分布并不均勻，在進行插值計算時精度有待提高。插值的精度與觀測點數(shù)量的多少有關，朱會義[31]等人提出觀測點密度高、樣本容量大通常能夠增加插值的精度，但數(shù)目過多，會帶來計算上的麻煩，對空間插值也未必就有很大幫助。原則上要求充足的觀測點數(shù)據(jù)能夠較好地反映空間變異性與相關性，空間變異越大的地方觀測點數(shù)量應該越多。若想要獲取更高的精度，應該充分考慮不同因素對其結果產生的影響，適當提高觀測點的數(shù)量，以此獲取最優(yōu)的插值計算，需要在后續(xù)監(jiān)測工作中繼續(xù)擴展并深入研究。