城郊馬尾松林負離子分布規律及影響因素研究

趙文君 劉永濤 崔迎春 侯貽菊 吳 鵬 劉延惠 丁訪軍*

(1.貴州省林業科學研究院 貴陽 550005；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司 貴陽 550081)

負氧離子是反映城市森林功能進而評價城市空氣質量的基本參數之一，是森林重要的生態服務產品之一?？諝庳撗蹼x子除具有除塵、抑菌、除菌、除臭作用外，現代醫學還發現，當空氣負離子達到一定濃度時，能調節人體生理機能、促進新陳代謝、緩解疲勞、改善睡眠[1]，另外充滿負氧離子的森林空氣對氣管炎、冠心病、腦血管疾病、神經衰弱等20多種疾病有一定的療效[2]。隨著城市進程的加劇和人們休閑保健意識的增強，開展負氧離子研究對城市環境建設和居民生活生態環境改善有重要科學意義。

空氣負離子與植物群落種類、結構、樹種類型及配置等有關。吳際友[3]等人認為疏林內空氣負離子濃度大于密林，針葉林大于闊葉林。周德平[4]等對閭山森林公園不同植被空氣負離子濃度進行了測定，得知其大小順序為闊葉林>混交林>針葉林>草地>山石。一般結構復雜的群落比結構簡單的群落的負離子濃度含量高，即復層配置結構(喬)>簡單配置結構(喬灌、喬草、灌草)>單一配置結構[5]。同時空氣負離子具有時間特征，在不同時刻、不同季節，由于地面接受太陽輻射能量不同，導致負離子濃度隨時間變化[6～7]?？諝庵胸撾x子濃度分布很不均勻，影響因素復雜，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果，特定情況下可能與某種或某幾種影響因素的相關關系表現出一定規律性[8]。綜上，森林空氣負離子分布狀況及影響已成為眾學者關注的熱點。

貴陽是我國首個國家森林城市，是一座“山中有城，城中有山，綠帶環繞，森林圍城，城在林中，林在城中”的具有高原特色的現代化都市，但其城市森林包括提供空氣負離子在內的各種生態系統服務功能還未得到有效關注。本研究以貴陽市城郊馬尾松林為研究對象，分析其空氣負離子濃度的時間變化規律及其與溫度、濕度等因素的相關性，以期為今后城市森林空氣負離子的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地處貴陽市東南郊貴州省林業科學研究院實驗林場，距市區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，年平均風速2.2 m/s，年平均相對濕度77 %，全年日照時數1412.6 小時，無降霜期278 天。

試驗選擇在貴陽市城郊馬尾松人工成熟林內進行，其優勢樹種為馬尾松(Pinus Massoniana)，間伐后林窗下有少量的光皮樺(Betulaluminifera)、鹽膚木(Rhuschinensis)等生長，林內灌木主要有油茶(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報系統FLZ8，全天連續測量空氣負離子含量、氣溫和空氣相對濕度。該儀器工作溫度為-10～50 ℃，檢測范圍為±0.1～1.999 × 105個/cm3，風速< 15 km/h，測量單位為個/cm3，分解能力為10 個( 0.01×103個) ，離子濃度誤差及遷移率≤±25%，氣溫測量精度1.0 ℃， 相對濕度測量精度5%。

1.3 數據處理

采用spss16.0進行數據統計分析，Excel2007進行作圖。

2 結果與分析

2.1 空氣負離子濃度日變化特征

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

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

2.2 不同典型天氣下空氣負離子濃度變化特征

將觀測期內負離子濃度監測數據按天氣(晴天、陰天、雨天)進行分類，其日平均濃度表現為雨天(1064個/cm3)>晴天(987 個/cm3)>陰天(839 個/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離子日變化進程。不同天氣條件下負離子濃度變化趨勢基本相同，呈兩端高中間低的趨勢，雨天負離子濃度最高，夜間2∶00和17∶00出現峰值，分別為2075、1333個/cm3，中午12∶00時處于最低值705個/cm3，23∶00降到低值700個/cm3；晴天夜間2:00和23:00分別達到峰值1098、1352個/cm3，下午14:00降到谷值609個/cm3，晴天負離子濃度比陰天略高；陰天負離子濃度最低，夜間2∶00出現小高峰945個/cm3，7∶00達到峰值1021個/cm3，下午13:00降到谷值443個/cm3。方差分析表明，不同天氣條件下負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離子濃度日變化

2.3 空氣負離子濃度季節及年度變化特征

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

圖3 馬尾松林空氣負離子月變化特征

2.4 空氣負離子濃度與環境因子的關系

在觀測期內按季節選擇典型晴天數據取平均值，得到負離子濃度與溫度、空氣相對濕度動態變化圖1。并對馬尾松林負離子濃度與氣溫、空氣相對濕度等環境因子的相關性分析(表1)。結果表明，馬尾松林不同季節負離子濃度與氣溫呈顯著(春季)和極顯著(夏、秋、冬季)正相關，與濕度呈顯著(春季)和極顯著(夏、秋、冬季)負相關。

表1 空氣負離子濃度與溫度和濕度相關關系

注：＊P<0.05，＊＊P<0.01

3 結論與討論

貴陽城郊馬尾松林空氣負離子濃度總體水平為453～2710個/cm3，均值為(983±315)個/cm3。根據負離子濃度分級評價標準[9]，400～1000個/cm3屬于公園級，健康度良好，能增強人體免疫力、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區[11]和車八嶺自然保護區[12]，這一差異一方面與觀測點周圍是否有流動水體有關，另一方面與植被狀況、人為活動、當地氣候等有關。植被覆蓋率和物種豐富度高，人為擾動小的原始森林要高于近郊森林。

不同季節空氣負離子濃度日變化趨勢大致相同，均呈現兩頭高中間低的V型變化，峰值出現在22：00～次日0：00，谷值出現在10：00～11：00，與邵海榮研究結論一致[13]，一天中空氣負離子濃度的最大值出現在夜間后期和晨間早期，最小濃度出現在午前，有時在黃昏出現第 2 次低值。吳楚材等對南方有代表性的游憩區空氣負離子研究發現，負離子濃度在一天中有2個峰值，1個是7∶00～9∶ 00，1個是22∶00～24∶00，另外19∶00～21∶00 也較高[14]。也有研究空氣負離子峰值、谷值出現時間存在差異的，趙雄偉等[15]對北戴河聯峰山公園刺槐林地內空氣負離子水平進行觀測后發現，7∶00～11∶00 和 16:00～17∶00 出現峰值，11:00～13∶00 以及凌晨 23:00～1∶00 出現谷值。

不同天氣條件下空氣負離子濃度存在差異，雨天顯著高于晴天和陰天?？赡苁且驗橛晏炜諝鉂穸却?，空氣中塵埃少，空氣清潔度高，負離子水平與外界空氣的負離子交換量、因顆粒物吸附而沉降的負離子量[16～17]有關?？諝鉂穸容^大，水滴對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核的數量，結果使空氣中負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，晴天的空氣負離子水平顯著高于陰天和雨天，認為晴天豐富的紫外線和強烈的光合作用都有助于空氣負離子的產生。

空氣負離子濃度年內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，而植物在光合作用過程中會發生水解產生電子和氧氣，并通過氣孔釋放出去，而氧氣與電子結合能生成負氧離子，從而使林內產生的空氣負離子量也隨之增加[20]?？諝庳撾x子濃度季節差異與很多研究一致[21]，均表明，夏季空氣負離子濃度最高，秋季大于春季，冬季最低，這與植物生長狀況、空氣污染程度等有關。夏季林分處于生長期，林木生理活性較強，有利于負離子的產生，而春季林分處于生長初期，秋季處于生長末期，林木生理活性較低，不易于產生較多的負離子[22]，冬季光合作用較弱，處于一種休眠狀態，負離子最低。

空氣負離子濃度與溫度呈負相關，和濕度呈正相關。這與[23～24]研究結論一致，研究表明水分子裂解是負離子產生主要途徑之一，在空氣中負氧離子主要以O-2(H2O)n形式相對穩定存在，濕度增大時，空氣中的水分子增多，O-2結合水分子的機會就增大，負氧離子濃度也隨之增大。所以，水體附近尤其是瀑布和流動的水體附近負離子濃度絕對值較大[24]。當溫度升高時，太陽輻射比較強烈，空氣中的污染物在強烈紫外線的照射下會發生一系列光學反應，從而加劇污染，污染物在擴散的過程中又吸附了大量的空氣負離子，因而在溫度較高的中午空氣負離子濃度顯著降低[23]。而葉彩華等[10，25]的研究與本研究結論相反，可能是因為研究選取的樣地有關，林地中植物的呼吸作用較弱、林地之間的溫度變化小。由此可知當溫度升高時，植物光合作用加強從而增加負離子的產生；當夜晚或多云、陰天和降雨天氣時，空氣濕度升高，雖然會對懸浮顆粒物、正離子等有一定吸附作用，但同樣會在相當程度上阻礙植物光合作用，由此產生空氣負離子隨濕度呈負相關的結論[10]。不同的研究結果，可能與地區、植被、小氣候等多種因素有關。

空氣負氧離子濃度因研究方法、監測手段的差異性及影響因素的多樣性和復雜性，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，同時還與人類活動等相關，空氣負氧離子濃度預測是一個極為復雜的問題，因此要掌握空氣負離子的時空分布，今后需從植被特征、環境條件、空氣污染等全方面開展監測。