黄河三角洲刺槐人工林内空气负离子的变化特征*

李永涛，王霞，魏海霞，周健，李宗泰，刘德玺

(1.山东省林业科学研究院,山东 济南 250014；2.山东黄河三角洲森林生态系统定位研究站,山东 东营 257000)

空气负离子(negative air ion，简称NAI)又称负氧离子，是带负电荷的气体分子和轻离子团的总称[1]。自Elster和Geital证实空气负离子存在以来，其产生的功能、效用也被愈来愈多的人所关注，NAI浓度也逐渐被作为衡量空气质量好坏的一个重要指标，且对于空气质量的改善意义重大。目前，空气负离子的相关理论和技术已被广泛用于多个领域，其中，国外有关空气负离子的研究多集中于生物学效应[2]、临床医学应用[3-4]等方面，而国内关于空气负离子的研究主要集中在不同植被类型森林与绿地空气负离子的时空变化特征[5]、浓度变化规律[6-7]、影响因素[8-9]以及评价、分级标准[10-11]等方面，而对森林内空气负离子动态变化研究还缺少时间尺度上连续完整的研究。

黄河三角洲作为中国新生陆地生态系统，起初生态环境极为脆弱，抗干扰能力差，土壤盐渍化严重，且分布有大片未利用的盐碱化土地。为改善当地生态环境，该地区于20世纪80年代开始大规模造林。截至目前，区内刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)林保存面积达5 000hm2左右，是我国现存面积最大的刺槐人工林[12]，且以刺槐为代表的人工林对于改善气候、涵养水源和保持水土都发挥了重要作用[13]。而近几年，随着生态环境污染和人们保健意识的增强，该区域已成为人们休闲旅游、野外露营的重要区域，所以研究该区刺槐人工林空气负离子的浓度水平及变化规律显得十分重要。以30年生人工刺槐纯林和混交林为研究对象，分4个季度连续测定了不同模式下人工林的空气负离子浓度，对比分析了不同配置模式对空气负离子浓度的影响，以期为该区域林分结构调整、森林旅游资源开发以及生态系统服务功能评估提供理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于山东省东营市河口区孤岛镇万亩刺槐林内，地理坐标为37°55′-38°16′N，118°31′-120°18′E，该区海拔为2.1m，地势平坦，属暖温带大陆性季风气候，全年平均气温12.8℃，无霜期206d，≥10℃以上的积温4 150℃。年太阳辐射总量5 189J/m2，年日照时间为2 764h，年降水量562mm，其中约65%的降水集中于夏季，年蒸发量为1 962mm，是降水量的3.5倍。该区植物资源丰富，植被类型以天然盐生、湿生的禾本科(Gramineae)植物白茅(Imperatacylindrica)、芦苇(Phragmitescommunis)为主，人工林主要树种为刺槐、白蜡(FraxinusvelutinaTorr.)、榆树(Ulmuspumila)、臭椿(Ailanthusaltissima)，区内森林覆盖率达到50%以上。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择

选取具有代表性的4个人工林作为观测对象，其中刺槐纯林1个，混交林3个，分别为刺槐+白蜡、刺槐+榆树、刺槐+臭椿(表1)。该人工林于1985年春季采用一年生苗营造，株行距4m×3m，各林分林龄和立地条件相同。在4个人工林地中各设置20m×20m的样地，各观测样地之间的NAI监测工作同步进行。

1.2.2 观测时间与方法

2015年3月至翌年2月，为了减少干扰，选择天气晴朗，大气状态相对稳定的天气进行观测，测量时间为800-1800，逐时、定点测定各监测点距地面1.5m处的空气正负离子浓度，林内空气温度、湿度、风速同步测定，每季度(春，3-5月；夏，6-8月；秋，9-11月；冬，12月至翌年2月)测定3d。

空气负离子测定采用日本KEC-900空气离子测试仪测定，每个观测点待仪器稳定以后按东、南、西、北4个方向读数，每个方向读取3次，取其均值；林内1.5m左右空气温湿度、风速等气象因子采用便携式HOBO自动气象站测定。

1.2.3 空气负离子的评价

空气质量的评级标准，主要采用目前国际上通用的安倍空气离子评价指数法[14]。空气质量评价指数CI的计算公式为[14]：q=n+/n-,CI=(n-/1 000)(1/q)。式中，CI为安倍空气离子评价指数；q为单极系数；n+、n-为空气正、负离子浓度(ions/cm3)；1 000为满足人体生物学效应最低需求的空气负离子浓度(ions/cm3)。按照安倍空气离子评价指数可把空气质量分为5个等级，其评价标准见表2。

1.3 数据分析

用Excel 2010进行数据处理和作图，用SPSS 17.0进行数据统计分析。采用单因素方差分析和最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异，显著性水平设定为α=0.05。

表1 林分特征

注：刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)、白蜡(FraxinusvelutinaTorr.)、榆树(Ulmuspumila)、臭椿(Ailanthusaltissima)。

表2 空气清洁度与空气质量评价指数(CI)

2 结果与分析

2.1 林内空气负离子浓度的季节变化

由观测结果(图1)可知，刺槐不同混交模式的人工林空气负离子浓度年变化介于351-920个/cm3之间，各模式的人工林NAI浓度季节变化规律基本一致。刺槐纯林内空气负离子浓度受季节影响较大，季节之间的差异显著(P<0.05)，呈现出夏、秋2季高于冬、春2季，且夏季最高，而冬季最低，即夏季(852个/cm3)>秋季(732个/cm3)>春季(584个/cm3)>冬季(402个/cm3)。季节差异最大的是刺槐+臭椿混交林，为484个/cm3；最小的是刺槐纯林，为421个/cm3。而且，3种刺槐混交林四季空气负离子浓度均高于刺槐纯林，总体来看，刺槐+白蜡混交林四季均最高，刺槐+榆树混交林次之。

2.2 林内空气负离子浓度的日变化

图1 不同配置模式下林内空气负离子浓度的季节变化

注：不同小写字母表示同种模式不同季节间的差异显著。 R为刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)纯林，RF为刺槐+白蜡(FraxinusvelutinaTorr.)混交林，RU为刺槐+榆树(Ulmuspumila)混交林，RA为刺槐+臭椿(Ailanthusaltissima)混交林。

Fig.1 Seasonal variation of air negative ion concentration in different plantation modes

图2 不同模式人工林四季空气负离子浓度

2.3 林内空气离子评议系数

林内空气离子评议系数(CI)日变化趋势见图3-表3。各模式下CI值的日变化与空气负离子浓度日变化规律基本一致，呈高-低-高的变化趋势。清晨800左右随着光照的增强，CI值开始逐渐升高，1000-1100开始出现第一个高峰，中午经过光合“午休”现象后，1600左右出现第二个高峰，此后随着光照减弱，植物的光合作用逐渐降低，使CI值逐渐降低。四季平均空气离子评议系数依次为：夏季(1.04)>秋季(0.92)>春季(0.70)>冬季(0.64)。在空气质量等级划分上，夏季最高，达到A级最清洁标准；秋、春2季虽均达到B级，但春季处于B、C级的边缘；冬季标准最低，仅为C级中等清洁标准。

2.4 影响林内空气负离子浓度的关键因子分析

将空气负离子浓度与林分郁闭度，平均胸径、树高、枝下高进行相关性分析，结果发现，空气负离子浓度与郁闭度呈极显著正相关(R=0.998**)，与胸径呈显著相关(R=0.976*)；而与树高(R=-0.846)、枝下高(R=-0.467)无显著相关性。

通过对林内不同季度(春，3-5月；夏，6-8月；秋，9-11月；冬，12月至翌年2月)气象因子进行同步观测发现，不同季度林内各气象因子日变化幅度较大，但变化趋势趋于一致。其中空气湿度与风速日变化均呈现高-低-高的U字形，空气温度则相反，呈低-高-低的倒U字形。对空气负离子与林内气象因子进行相关性分析，空气负离子浓度与林内空气温度呈显著正相关(R=0.954*)，而与林内湿度(R=0.874)和林内风速(R=-0.890)无显著相关性。

图3 不同模式人工林四季空气负离子浓度和空气离子评议系数

代码8009001000110012001300ARF054±011075±018102±011086±024082±017081±020RU056±013079±009092±027068±017071±022058±007RA047±008064±011093±013062±013048±011054±010R041±006065±007072±022049±009051±014052±014BRF082±017094±021139±029118±031105±029098±009RU080±020107±018128±033103±024088±015080±021RA079±007104±024107±028083±018086±023091±023R081±014096±023112±031084±019079±011076±017CRF084±022093±011122±034101±033097±028087±011RU074±018106±030114±027101±017086±009086±020RA078±023084±014108±035099±026092±018077±008R087±013091±017111±031092±031081±011075±014DRF038±004048±010053±020092±018087±031075±017RU034±010041±007051±017083±009081±009067±013RA027±007039±011056±014068±012067±013054±008R028±005044±009059±016071±014062±017060±010

代码14001500160017001800ARF068±018093±030107±024072±017083±017RU063±014075±022096±021064±009067±011RA067±015083±018092±015062±011069±009R056±014071±023074±019052±010054±011BRF115±021134±041157±043114±027123±028RU097±023120±031145±031112±019116±024RA104±027123±015122±054103±038101±029R071±011096±026125±021101±021094±017CRF090±016109±023138±030092±017102±032RU080±027094±019123±024074±013093±021RA062±025081±014109±007068±014095±017R069±007073±021115±017071±011103±022DRF072±018086±018098±026069±017072±029RU074±021075±023085±018062±009061±014RA063±007073±016081±019060±012064±007R058±011067±027085±022062±015068±018

3 结论与讨论

不同的季节条件下空气负离子浓度和空气质量出现差异，通常表现为夏季最高，冬季最低的总趋势[15]，本研究中，空气负离子浓度年变化介于351-920个/cm3之间，季节变化会显著影响空气负离子浓度，空气负离子浓度夏秋高于冬春，且夏季最高，冬季最低，这与前人的研究结果一致[16-17]。这可能与夏季太阳辐射量高及空气湿度大、植物生长茂盛、光合作用强等因素有关；而冬季NAI浓度较小可能主要由于该季节空悬浮颗粒物增多、大气污染相对严重，同时研究区为落叶阔叶林区，林木处于休眠状态，光合作用微弱。空气离子评价系数CI的计算结果也表明，夏季(1.04)达到A级最清洁标准；秋、春2季(0.92、0.70)达到B级清洁标准；而冬季(0.64)标准最低，仅为C级中等清洁标准。空气负离子的日变化在一天中会出现波峰、波谷相互交替的现象，但出现时间存在一定的差异[18]。赵雄伟等[19]对北戴河联峰山公园刺槐林地内空气负离子的研究结果得出波峰出现在上午700-1100、下午1600-1700，波谷出现在中午1100-1300；本研究中得出，四季日变化在1000-1100和1600左右出现2个峰值，1200-1400出现1个谷值，研究区域的不同可能是结论不同的一个重要原因[20]。

空气负离子作为空气清新程度的指南针，其浓度受人为和环境影响较大，同一区域不同优势种类型人工林空气负离子浓度均存在明显差异，优势种应用和配置带来的林分结构变化与大区域气象条件共同作用引起的林下小环境因子的变化都在一定程度上影响空气负离子的变化[21]，因而可将影响林分空气负离子浓度的因子区分为林分因子(树高、冠幅、胸径等)和环境因子(温度、相对湿度、风速等)。本研究中，空气负离子浓度与郁闭度、胸径均呈显著正相关。说明胸径、冠幅较大的林分，单位面积内生物量较大、叶面积指数较高，从而有利于空气负离子的产生，这与周斌等人的研究结果一致[22]。空气负离子浓度受森林环境因子的影响较为复杂，其相关性很难得出统一定论。本研究得出，空气负离子浓度与林内空气温度呈显著正相关，与林内风速无显著相关性，这与周海博等[23]、王薇等[24]的研究结果一致。林内温湿度对空气负离子浓度有较大影响已得到广泛共识，但究竟是何种关系，还需长期进一步地跟踪监测，使测定结果更加客观。

本研究对黄河三角洲4种不同模式人工林空气负离子水平进行研究，结果表明，混交林模式空气负离子浓度明显优于刺槐纯林，且不同混交模式下空气负离子浓度存在一定差距，4种混交模式中以刺槐+白蜡混交模式最好。目前，黄河三角洲部分人工刺槐林已出现退化、死亡现象，因此，今后该地区在退化刺槐人工林更新改造调整时宜优先考虑刺槐+白蜡混交模式。森林空气负离子方面的研究目前越来越多，但由于测试仪器、研究方法和评价标准的不统一，研究结果也不尽相同。为发挥森林生态功能，应建立完善的环境监测制度，为森林生态功能效益估算提供依据。

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