基于保健因子和动物旷场试验的毛竹林生态保健功能研究

王 茜，王 成，董建文

城市森林保健功能是森林生态系统服务功能的重要组成部分，主要指城市森林为维持居民健康所提供的各种服务。这些服务不单纯指常见的固碳释氧、涵养水源、防风固沙等森林生态系统功能，也包括城市森林在降温增湿、缓解城市热岛效应、降低污染净化空气、释放对人体健康有益挥发物等方面产生的综合效应［1-2］。欧美等发达国家对城市森林保健功能的相关研究已经取得丰富的成果，如德国、美国、日本等发达国家于20世纪70年代就对森林保健功能进行了深入研究，并从医学角度探索森林对人体所具有的治疗、康复、保健和疗养功能，把森林对人体的保健功能称作“森林医学”［3-4］，因此保健型园林的营建涉及到园林、医学、心理学、行为学、生态学等多学科的交叉［5］。我国对此研究起步较晚，目前主要是单因子保健功能研究［6-7］，而综合空气温湿度、风速、光照强度、空气颗粒物浓度、植物释放有机挥发物等其他保健因子，并与医学相结合的跨学科研究还不多见。

毛竹(Phyllostachys pubescens)是中国南方主要的森林资源，具有巨大的生态价值，在调节气候、涵养水源、防风固沙、保持生物多样性等方面发挥着重要的作用［8］。目前对于毛竹的研究主要集中在光合特性、固碳释氧、降温增湿、林内挥发物种类、空气颗粒物浓度变化规律等单项保健因子的研究［9］，而对其林内一年四季生态保健功能的综合研究较少。为此，笔者以毛竹林为研究对象，分析其年四季生态保健因子的变化规律，并通过旷场试验综合评价森林保健因子对动物行为学的影响，为毛竹保健型园林的营建，以及引导公众在其内适时适地进行各项健身活动提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

福州旗山森林公园位于闽侯南屿境内(119°6'28'E，26°4'08'N)，面积 3 587 hm2，无霜期达 326 d，年均温度16～20℃，年均日照数1 700～1 980 h，年降水量900～2 100 mm，年相对湿度约77%，海拔500～900 m。研究样地选在位于旗山森林公园海拔720 m高处的毛竹纯林，竹高9～15 m，胸径11～25 cm，郁闭度0.96。地被覆盖以山杜鹃(Rhododendron sp.)、杜茎山(Maesa japonica)等为主，植物群落调查方法参照《植物群落清查的主要内容、方法和技术规范》［10］，在毛竹林内设置6个重复，每个重复相隔5 m，呈“品”字形排列。林内样地及其植物种类概况见表1。

1.2 指标测定及评价方法

2014年4月－2015年4月于春季、夏季、秋季、冬季4个季节分别选择晴朗无风的天气10 d，每天7:00至次日5:00每隔2 h对毛竹林内的空气温湿度、风速、光照、颗粒物浓度等环境因子进行同步观测，每个时刻每个监测点重复观测3次，同一时刻的环境因子取3次观测的平均值，毛竹林内各环境因子的季节变化取10 d观测的平均值。具体的采集仪器和评价方法如下:

表1 林内样地概况Table 1 Situations of sample plots

1.2.1 人体舒适度指数 人体舒适度指标涉及空气温度、湿度和风速3个气象指标，测试仪器采用美国产的NK5920便携式气象测定仪(Kestrel 3500 pocket weather meter):温度测定范围为－30～60℃，分辨率为0.1℃;相对湿度测定范围为0～100%，分辨率为 0.1%RH;风速测定范围为 0.40～40 m·s－1，分辨率为0.1 m·s－1。每个监测点待仪器显示的数值稳定后连续读取3组数据。人体舒适度指数的计算方法参照陆鼎煌［11］提出的综合舒适度指数公式:

式中，S为综合舒适度指数;T为气温(℃);RH为相对湿度(%);V为风速(m·s－1)。将舒适度等级划分为5个等级，舒适度指数越小，人体感觉舒适程度越高，反之越低。

1.2.2 空气颗粒物 用英国生产的 Dustmate粉尘监测仪测定人体平均呼吸高度1.2～1.5 m处空气TSP(d≤100 μm，总悬浮颗粒物)、PM10(d≤10 μm，可吸入颗粒物)、PM2.5(d≤2.5 μm，可入肺颗粒物)和 PM1.0 浓度(d≤1.0 μm，可吸入细颗粒物)。每次采样时间为2 min，各监测点每个时间段连续读取3组数值，取平均值。

1.2.3 林内挥发物的采集与分析 毛竹林内四季挥发物的采集选择晴朗无风的天气，分别于2014年4月20－21日(春季)、6月15－16日(夏季)、9月3－4日(秋季)、12月 11－12日(冬季)，从早 7:00－次日5:00每隔2 h采集1次。通过开放式气体采集法，采用QC-1型大气采样仪对竹林中挥发性有机化合物进行采样，挥发物的分析鉴定采用ATD-GC/MS(自动热脱附-气相色谱/质谱联用)来完成。挥发物的质谱数据，采用计算机内的NIST2008标准质谱数据库检索和质谱数据手册对照，综合保留时间信息确定组分，并将总离子流色谱图中的各峰面积进行归一化法计算，得到挥发物中各成分的相对含量。具体计算公式如下:

各挥发物成分的相对含量(%)=该物质峰面积/植物总挥发物峰面积之和 (2)1.2.4 小白鼠旷场试验(OFT) 在监测森林环境指标的基础上通过动物旷场试验，探究其在毛竹林内生活一段时间后自发行为、探索行为和焦虑状况等生理指标变化规律。按照小白鼠的生活习性和生理特点选择2014年9月13－22日晴朗无风的天气10 d，9:00－15:00分别在实验室(对照组)和竹林中心(处理组)选择庇荫处悬挂10只小白鼠(雌雄分开)。悬挂期间(9:00－15:00)不饮水、不进食，15:00之后将2组小白鼠取回实验分析室，放入旷场箱中观察自发行为，每批动物观察5 min，每天记录每只笼子内小白鼠的粪便粒数［12］。所需试验材料如下:

1)试验动物:由福州吴氏试验动物中心提供的昆明种小白鼠，5周龄，体质量在18～22 g，雌雄各半，共20只。在实验室饲养1周，每5只同性别的小白鼠饲养在30 cm×18 cm×16 cm的规格笼具中，期间供应充足的水和饲料;

2)室内外模拟箱:为了预防老鼠粪便洒落，将规格为28 cm×15 cm×17 cm的捕鼠笼进行改造，在底部加木板固定，顶部两端用细铁丝连接，便于鼠笼在林中和室内悬挂;

3)动物自发行为测试系统:旷场试验分析采用由摄像机、计算机、图像采集分析软件3部分组成的Super-Maze动物行为视频分析系统［12］。可同时追踪8只小白鼠的自发活动情况，并记录小白鼠活动录像及轨迹图。本试验将自发活动箱底分为十六宫格，其中6、7、10、11为中央格区域，其他为周边区域(图1)。

图1 十六宫格示意Fig.1 Schematic of the sixteen grids

1.2.5 数据统计分析 舒适度指数变化规律、颗粒物浓度变化规律以及主要挥发物成分的统计应用Microsoft Excel 2010进行图表制作，小白鼠自发行为影响分析采用 SPSS 21.0、Origin 9.0 和 Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行有效性检查、统计分析和图表制作，并应用one way ANOVA单因素方差对组间差异进行比较。

2 结果与分析

2.1 人体舒适度指数的四季变化

从图2看出，4个季节光照强度的日变化均呈倒“V”形，且日均值大小顺序为夏季＞春季＞秋季＞冬季，夏季日均值分别比春、秋、冬季高25%、31%和43%。四季光照强度的峰值均出现在13:00左右，低谷值出现在早晚，且冬季与春季、夏季在9:00－15:00时间段差异显著(P＜0.05);四季风速的日变化没有明显规律，但春、秋季节的日均值高于冬、夏季日均值，且白天高于夜晚，在7:00、15:00，夏季与其他3个季节差异显著(P＜0.05);四季空气温度的日变化相对平稳，全天所有时刻气温值均是夏季＞春季＞秋季＞冬季，冬季全天各个时刻均与夏季、春季差异显著(P＜0.05)，夏季日均值分别比春、秋、冬季高28%、35%和47%;四季相对湿度日变化与光照强度相反呈“V”形，高峰值出现在早晚，低谷值出现在11:00－13:00，夏季相对湿度的日均值最高，秋季次之，冬季最低，冬季与夏季、秋季在11:00－19:00时间段差异显著(P＜0.05)。

图2 毛竹林内四季小气候变化规律Fig.2 The small climate variation patterns of P.pubescens forest in four seasons

表2 毛竹林内四季人体气候舒适度等级评价Table 2 The evaluation of human climate comfort level in four seasons of P.pubescens forest

从表2四季人体舒适度等级评价来看:春季属于“很舒适”、“舒适”和“不舒适”等级的时间段分别占 33.3%、16.7%和50%，其中 11:00－17:00 时间段属于“很舒适”等级;夏季全天各个时段均属于“很舒适”等级，适合游客在竹林里休息、游憩;秋季属于“舒适”等级的时间段占8.4%，属于“不舒适”和“极不舒适”的时间段分别占 58.3%和33.3%;冬季属于“舒适”等级的时间段占8.4%，属于“不舒适”和“极不舒适”的时间段分别占41.6%和50%，因为冬季全天大部分时间气温较低、风速较大，人体感觉不舒适，不适合在此休息和游憩。

2.2 空气颗粒物浓度四季变化

4个季节空气颗粒物浓度的日变化均呈“W”状，其中 TSP、PM10、PM2.5 颗粒物日均浓度大小为冬季＞秋季＞夏季＞春季，PM1.0日均浓度大小为冬季＞夏季＞秋季＞春季(图3)。大粒径颗粒物TSP和PM10的浓度冬季分别比春、夏、秋季高53%、32%、18%和 66%、38%、21%;小粒径颗粒物PM2.5和PM1.0的浓度冬季分别比春、夏、秋季高82%、66%、47%和88%、58%、67%。从四季4种颗粒物浓度的日变化规律可以得出，冬季全天大部分时刻(除了TSP浓度 21:00－23:00冬季＜秋季以外)颗粒物浓度均大于其他3个季节，且TSP浓度的日均值冬季极显著＞春季(P＜0.01)，PM10浓度的日均值冬、秋季极显著＞春季(P＜0.01)，而 PM2.5 和 PM1.0 浓度日均值冬季显著高于夏、秋季节(P＜0.05)，且极显著高于春季(P＜0.01)。从空气颗粒物污染程度评价来看:春季 TSP、PM2.5 浓度和夏、秋季 PM2.5 浓度日均值属于“清洁”等级;夏、秋、冬季的TSP和PM10浓度以及冬季的PM2.5浓度的日均值均属于“中等”等级。

图3 4种粒径空气颗粒物浓度的四季节变化Fig.3 The variations of four kinds of air particulate mattes in four seasons

2.3 不同季节林内挥发物(VOCs)的主要成分

毛竹林内挥发物的主要成分共37种，包括烷烃、烯烃、醇、醛、酯、酮、呋喃、芳香烃等物质(表3)。春季挥发物种类最多为22种，夏季次之为20种，秋季19种，冬季最少为17种。从相对含量来看，以烷烃、烯烃、醇类物质为主，总含量达74.31%，且春、夏季主要挥发物的相对含量显著高于秋、冬季(P＜0.05)，其中对人体健康有益的挥发物如月桂烯、长叶烯烃、B-蒎烯、石竹烯等［13-14］，春、夏季含量较高分别为46.71%和52.74%。可见毛竹林内空气中有益挥发物种类和含量都比较丰富，尤其是春、夏季释放的有益挥发物对于游客缓解疲劳、身心健康、强身健体起到积极的促进作用。

2.4 毛竹林环境对小白鼠自发行为的影响

依据小白鼠本身的生理特点、生活习性，将前5 d视为其探索阶段，后5 d为适应阶段。从反映其精神状态的运动总路程来看:经竹林环境处理的小白鼠(以下简称处理组)运动总路程＞对照组，10 d试验中，第2、3、4天处理组与对照组差异极显著(P＜0.01)，第 5、9、10 天处理组与对照组差异显著(P＜0.05)，说明经竹林“沐浴”后的小白鼠兴奋性增强，运动量明显增加，精神状态得到了很好的改善。从反映其认知能力的中央格运动路程、中央格运动时间、进入次数来看:10 d试验中均是处理组＞对照组，且大部分时间两者差异显著，说明小白鼠经过竹林处理后探索、认知能力明显增强［15-16］。

表3 毛竹林四季主要挥发物的化学成分Table 3 The major chemical components of volatiles in four seasons of P.pubescens forest

2种环境条件下生活的小白鼠在旷场试验箱中的运动状态直观表示见图5。典型轨迹图中，小白鼠被放入旷场箱中的起始位置用蓝点代表，在旷场箱中运动的终止位置用红点代表。10 d典型轨迹图的选取代表2种试验条件下的平均水平。总体来看，在毛竹林中悬挂处理组比较活跃，尤其在探索阶段运动轨迹比空白对照组要复杂得多，在十六宫格中的分布较平均，不仅仅集中在周边区域。经过毛竹林处理的小白鼠在中央格区域涉足的频率较高，总路程相对较大，这与前述的结论一致，表明小白鼠经过毛竹林内环境处理后的运动量以及精神状态明显优于对照组［15］。

3 结论与讨论

图4 2种试验条件下小鼠自发行为指标的变化Fig.4 Spontaneous behavior indicators of rats under two kinds of test conditions

图5 小白鼠在2种试验条件下的典型轨迹Fig.5 A typical trajectory of rats in the two experiment conditions

从舒适度等级评价来看，毛竹林内春、夏季属于“舒适”或“很舒适”的时间段长于秋、冬季。这主要是由于春、夏季竹林枝叶生长旺盛，叶面积指数较大，竹林庞大的林冠层在地面与大气之间不仅形成了绿色的调温器，而且增加了林内相对湿度，有效降低了林内风速，形成了独特的森林小气候［17］。这与邵永昌［18］等、赵仲辉［19］等的研究结果一致。反之，秋、冬季由于林冠层枝叶全部干枯或脱落，缺少枝叶的遮挡，林内空气对流和散热加速，导致气温较低、风速较大、相对湿度较小，全天大部分时间(尤其是早晚)人体感觉“不舒适”或“极不舒适”。陈亚锋［20］对毛竹林一年四季小气候变化的研究也证明了上述结论。

TSP、PM10、PM2.5颗粒物日均浓度大小为冬季＞秋季＞夏季＞春季，PM1.0日均浓度大小为冬季＞夏季＞秋季＞春季。冬、秋季一方面由于植物干枯、生理活性弱，吸附和降低颗粒物能力较差，另一方面冬季附近居民采暖，燃烧木材、煤球等燃料，使得空气污染更加严重，此外，冬季逆温层最厚，强度最大，出现频率最高，持续时间最长，促使污染物难以扩散［21］。与上述情况相反，夏、春季林内枝叶茂盛，叶面积较大，叶片的气孔、绒毛、沟槽等微型结构对细颗粒物有较强的吸附作用［22］，此外，夏、春季雨水增多，降雨对空气颗粒物有冲刷和稀释作用。但是对于PM1.0浓度的削减率，夏季低于秋、春季的主要原因可能是福州夏季气温较高，光化学反应生成的二次气溶胶速度随之加快，而二次气溶胶对可入肺颗粒物(PM1.0)浓度的增加起到积极的促进作用［23］，吕铃钥［24］等的研究结果也证明了这一点。

毛竹林内一年四季主要挥发物的种类和相对含量均是夏季＞春季＞秋季＞冬季，主要原因是植物生长和酶活性的季节差异。李娟［25］等、来雨晴［26］的研究结果也证明了这一点。造成这种季节差异的主要原因是:春季植物开始萌芽、复苏，新陈代谢活动加强，光合、呼吸作用旺盛，合成的次生物质较多［27］，采集气体中总挥发物相对含量为 64.49%;到了夏季是毛竹枝繁叶茂的时期，光合作用增强，酶活性增强，生成和释放的挥发物最多，相对含量达到峰值为69.16%;进入秋季毛竹开始转入衰弱期，植物生理活性弱，释放的挥发物种类和含量都明显下降，相对含量仅为25.4%;到了冬季毛竹枝叶干枯、脱落，几乎进入休眠阶段，生理活性极其缓慢，产生和释放的植物挥发物种类更少［28］，相对含量也最少仅为 17.31%。

生态保健功能最终目的是服务于人，本研究借用动物模拟试验从动物的行为学和心理学角度入手，分析了保健型园林环境对动物健康的影响。结果显示:与对照组相比小鼠的运动量明显增加、精神状态得到很好的改善、认知能力增强等。引起小白鼠一系列行为指标变化的原因主要是毛竹林释放大量的有益挥发物，例如萜烯类和醇类化合物使小鼠的精神状态得到了放松［29］，这与王艳英［30］等的试验结果一致;其次是毛竹林有降温、增湿作用，反映到小白鼠的行为学上即紧张感降低、情绪稳定，食欲大增，这与孙启祥［31］等对杉木的研究和高岩［32］对油松、白皮松的研究结果一致，即植物的有益挥发物能降低人体的心率、血压，使人体处于放松状态，情绪松弛、紧张缓解，对某些疾病的预防和治疗有积极的促进作用。通过对香樟林、白皮松林和侧柏林等植物群落释放的BVOCs对小白鼠进行OFT试验，结果同样证明月桂烯、D-柠檬烯等萜烯类和醇类化合物等林内有益挥发物有助于提高小白鼠心理运动的稳定性，对大脑思维活动产生积极影响，提高了小白鼠的探索能力［30，33-34］。