香溪洞公园主要林分生长季负氧离子及PM2.5浓度日变化特征研究

赵宝鑫，荣 海

(1.安康市林业技术推广中心；2.陕西化龙山国家级自然保护区管理局，陕西 安康 725000)

进入21世纪以来，伴随着现代人生活节奏加快、生态危机、城市病等的不断出现，由此引发的各种身心疾病正在危机城市居民的健康。而空气是人类生存的第一要素，其质量与人类健康息息相关。近些年，越来越多的人们开始回归自然，并且意愿愈发强烈，亲近森林逐渐成为现代城市人群舒缓心境、释放压力的一种新的趋势。森林作为陆地生态系统的主体，在维持碳氧平衡、改善人居环境、调节气候、健康保健等方面发挥着积极作用，其生态服务功能十分突出[1]。森林中负氧离子被誉为“空气维生素”，对人的生命活动及身心健康有着重要影响，而且能够吸附、沉降空气污染物和悬浮颗粒[2,3]。目前在我国许多城市都开展了空气质量的监测和研究工作，而对不同林分类型的负氧离子和PM2.5日变化规律的同步研究并不多见。安康市林业资源丰富，为“国家森林城市”，空气环境质量常年位于陕西省前列。本文以安康市休闲游憩地—香溪洞公园为研究区域，探索不同林分类型的负氧离子和PM2.5浓度日变化特征及其与气象因子的相关性，以期客观评价区域空气环境状况，为市民开展森林体验和游憩提供科学参考依据。

1 研究区域基本情况

香溪洞公园位于安康市城区南部山区，距城区3 km，属于低山丘陵区，地形较为复杂，海拔300～500 m，地势南高北低，东高西低，脊、峰平缓，切割深度一般在100～500 m之间，坡度东南向多在25°以下，西北向坡度较陡多在40°以下，并沿河谷延伸到中山之间，土壤为黄褐土多崖性土和薄层土。区域内植被茂密、生态环境良好，分布有大面积人工林和天然次生林，林种丰富多样，共有植物67科143属198种，鹅掌楸(Liriodendronchinense)、樟树(Cinnamomumcamphora)、棕榈(Travchycarpusfortunei)、合欢树(Albiziajulibrissin)、喜树(Camptothecaacuminata)、毛竹(Phyllostachysheterocycla(Carr.)Mitfordcv.Pubescens)、榆树(Uluspumila)、樟树、红皮桦、柳杉(Cryptomeriafortunei)、青檀(Pteroceltistatarinowii)、枫树(Acerpalmatum)、桂花(Osmanthusfragrans)均有分布，主要树种以栎类和马尾松(Pinusmassoniana)为主，覆盖率90%以上。

2 研究方法

2.1 监测点布设

在林分类型调查基础上，确定栎类阔叶林、马尾松针叶林、栎类马尾松针阔混交林、毛竹林为香溪洞公园代表性林分，在各林分类型中选择1个代表性林地(样地)，在每个样地内部设置1个监测点，同时调查观测点的地理坐标、树种组成、林分郁闭度等(表1)。

表1 香溪洞公园林分监测点基本情况

2.2 试验方法

2017 年7—8月选择晴朗无风的天气观测；8:00—18:00每隔2 h监测1次，在同一位置的东西南北4 个方向、距地面50 cm处测定负氧离子浓度和PM2.5浓度，每次监测时长负氧离子为5 min，PM2.5为1 min，重复5次，同时检测记录空气温度、相对湿度；监测设备为CW-HAT200 手持式 PM2.5 速测仪和KEC900+手持式负氧离子测定仪。

2.3 数据处理

数据为算术平均数，利用Microsoft Excel 软件和SPSS 19.0软件进行数据整理和分析。

3 结果与分析

3.1 不同林分负氧离子浓度和PM2.5日均值差异性比较

从图1可看出，香溪洞公园4种林分负氧离子浓度值范围为2 281 ～2 613个·cm-3，由高到低为针阔混交林>阔叶林>竹林>针叶林，其中阔叶林与针阔混交林之间差异不显著(p>0.05),二者分别与针叶林和竹林差异显著(p<0.05)，4种林分负氧离子浓度均超世界卫生组织规定清新空气的标准(1 000～1 500个·cm-3)。4种主要林分PM2.5浓度为7.9 ～24.3 μg·m-3，由低到高依次是阔叶林<针阔混交林<竹林<针叶林，针叶林与其他三种林分差异显著(p<0.05)，4种林分PM2.5浓度均低于国家一级日均值标准(35 μg·m-3)；从负氧离子浓度和PM2.5浓度指标来看，香溪洞公园4种主要林分空气质量优良，其中阔叶林和针阔混交林质量最好，其次为竹林，针叶林空气质量相对最差，可能与林分树种组成及其叶面积指数等因素有关。

图1 不同林分负氧离子和PM2.5浓度日均值差异比较

3.2 不同林分PM2.5浓度日变化特征

从图2可看出，针叶林白天各时段PM2.5浓度值均高于20 μg·m-3，其他三种林分各时段浓度均低于15 μg·m-3，白天中的所有时段针叶林都高于其他3种林分；4种林分日变化浓度峰值基本出现在中午时段，最低值多集中在上午，原因可能是中午时分气温升高加速了空气中物质的化学反应，导致PM2.5浓度偏高，上午气温低，空气中物质化学反应缓慢，同时，植物通过荫蔽和蒸腾作用可以一定程度增加细颗粒物的重量和黏性[4]，加速其沉降；而针阔混交林由于郁闭度较大，其内部PM2.5变化较其他林分相对滞后，浓度最低值出现延迟现象。此外，相关研究证明[5]，竹林对PM2.5的吸附性较差，因此PM2.5浓度变化不明显。

图2 不同林分PM2.5浓度日变化规律

3.3 不同林分负氧离子浓度日变化特征

图3显示，四类林分白天空气负氧离子浓度整体均呈现“早晚高，中午低”的变化趋势。不同林分峰值出现时间不尽一致，针阔混交林和竹林在8:00，针叶林和阔叶林在18:00左右。这可能与林分郁闭度有关，针阔混交林和竹林郁闭度大，有利于生成和积累形成高浓度的负氧离子[6-7]，而针叶林和阔叶林相对稀疏，多来源于下午时段的林内负氧离子积累。此外，调查发现公园内桂花园林分郁闭度达到0.9，其林内负氧离子日均浓度值超过3 000个·cm-3以上，其峰值也同样出现在早晨8:00前后。

图3 不同林分负氧离子日变化曲线

3.4 负氧离子、PM2.5与温湿度相关性分析

由表2可知，空气负氧离子、PM2.5、温度、湿度均存在不同程度的相关关系。其中，PM2.5与温度呈显著正相关；而负氧离子与温度呈显著负相关，与相对湿度呈显著正相关,可见水体景观有利于营造良好的负氧离子环境[8]。此外，负氧离子和PM2.5也表现出显著的负相关关系，这与多数研究结果一致[9-16]。

表2 负氧离子、PM2.5与温湿度相关系数

注：“*”表示在 0.05 水平上显著相关;“**”表示在 0.01 水平上显著相关。

4 结论与讨论

通过对四种林分负氧离子和PM2.5日均值浓度研究发现，四种林分负氧离子日均值浓度均超过2 000个·cm-3，达到了国家Ⅰ级标准[17]，浓度由高到低依次为针阔混交林(2 613个·cm-3)>阔叶林(2 581个·cm-3)>竹林(2 431个·cm-3)>针叶林(2 281个·cm-3)，PM2.5日均值浓度均低于国家一级日均值标准(35 μg·m-3)，由低到高依次为阔叶林(7.9 μg·m-3)<针阔混交林(8.8 μg·m-3)<竹林(9.0 μg·m-3)<针叶林(24.3 μg·m-3)。这与邓成等[18]研究结论中的林分次序一致。由此可见，林分群落结构和林种相对复杂的针阔混交林更有利于负氧离子的生成，在改善空气环境质量方面效果更好。而夏季阔叶林对细颗粒物的吸附要好于针叶林，这与邵海荣[19]等研究北京地区3 年的空气负离子浓度时空变化的实测资料结果相一致，说明阔叶林的单位叶面积更大，对空气颗粒物的吸附更有效。因此，在今后的植树造林及城市绿地建设中，要充分考虑不同林分和树种组成在改善空气质量方面的差异性，根据不同区域因地制宜、适地适树，在车流量、粉尘量大的区域要注重常绿阔叶林的栽植，充分发挥其良好的滞尘效果；在森林康养和游憩地中要适当增加乔木种植密度，丰富树种组成，提高针阔混交林比例，改善区域内空气环境舒适度，提升城市森林的生态环境质量。

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