云勇森林公园典型林分保健功能季节变化趋势研究

赵 庆，钱万惠，唐洪辉，杨 清

（广东省林业科学研究院 广东省森林培育与保护利用重点实验室，广东 广州 510520）

城市森林保健功能是森林生态系统服务功能的一个重要组成部分，它可通过影响一定区域范围内的物理和生物环境，调节人体的身心健康[1-2]。大量研究发现，当人长时间处在森林的大环境中，自身部分生理和心理疾病有向好的趋势[3-4]。然而，森林的保健功能在不同气候下是不同的，导致不同季节同一林分的保健功能上存在差异[5]。因此，在多个维度时间条件下，开展林分保健功能水平研究，有利于明晰气候、环境因素对森林保健功能的影响，摸清不同林分保健功能的季节变化规律，为城市居民提供一个更为优质的森林环境。以往的学者已对森林保健的概念、功能方面开展了深入的分析，并通过单一功能的评价来反映森林的保健功能差异[6-11]，如树木的挥发性成分、PM2.5浓度或空气负离子分布等。上述研究虽为森林保健功能评价、机理分析以及变化规律提供了有价值的探索，但仅仅从单一保健功能进行研究，不符合森林保健是多种功能综合的结果这一事实，即不同林分类型、多个保健因子、多个时间段以及不同季节均会影响森林保健功能，这恰是研究影响森林保健功能发挥内在机理的基础。本研究在前期对云勇森林公园研究的基础上，通过分析不同时间维度下森林保健功能差异，进一步探究森林保健功能的变化规律，为构建森林保健综合评价方法提供新的思路。

1 研究区概况

云勇森林公园位于广东省佛山市云勇生态林养护中心内，总面积为2 007.8 hm2，森林覆盖率达95.7%，是广东省第一家“中国森林体验基地”。研究区为典型的南亚热带季风气候，地形复杂多变，相对高差在50～100 m 之间，最高峰鸡龙山的海拔为418.7 m，土壤中大多为赤红壤，有机质含量高。研究区内主要树种包括木荷Schima superba，阴香Cinnamomum burmannii，黧蒴锥Cɑstɑnopsis fissɑ，樟树Cinnamomum camphora，灰木莲Magnolia blumei，尾叶桉Eucalyptus urophylla，湿地松Pinus elliottii，杉木Cunninghamia lanceolata等。

2 研究方法

2.1 样地设置

本研究选取了云勇森林公园6 种典型林分作为研究样本，包括：阴香、灰木莲、湿地松、黧蒴锥、桉树、阔叶混交林。6 个样地面积均为1.5～2.0 hm2，郁闭度为0.7～0.9，其中阔叶混交林的乔木层主要为细叶榕Ficus microcarpa、米老排Mytilaria laosensis、大叶紫薇Lagerstroemia speciosa、火焰木Spathodea campanulata、凤凰木Delonix regia等，其他林分均为纯林，其乔木层95%以上均为建群树种。

2.2 取样时间和方法

本研究旨在分析不同季节下6 种林分保健功能的变化趋势，因此，结合珠三角地区气候的实际情况，试验根据不同气温梯度分为3 个时期：第1 次，2016年12月中旬，试验期气温14.7～22.6 ℃；第2 次，2017年5月上旬，试验期气温23.9～29.7 ℃；第3 次，2017年9月下旬，试验期气温29.4～35.2 ℃。取样的具体时间和方法参照前期研究[12]。

2.3 指标选取和计算

本研究选取体感舒适度等级，空气离子指数，环境空气颗粒物和植物精气等4 个指标，通过方差分析，评价6 种林分的保健功能差异。其中体感舒适度等级指标计算方法参考陆鼎煌等[13]建立的体感舒适度模型，气象数据采用小型气象站Kestrel 4500 监测；空气离子指数评价参考石强等人建立的空气离子系数模型[14]，空气离子数据采用KEC-900+空气离子测试器监测；环境空气颗粒物和植物精气的评价参考赵庆等人的计算方法[12]，空气颗粒物指标采用美国Met One Instruments-Aerocet 531 监测。

3 结果与分析

3.1 体感舒适度分析

根据体感舒适度评价差异特征可知（图1）：（1）阴香林3 次测试的综合舒适指数分别为3.68～4.83，1.64～2.67，4.29～6.76，通过方差分析可得出体感舒适度表现出极显著差异（P＜0.001），第2 次（2017年5月）的体感舒适度最优，第3 次（2017年9月）的体感舒适度最差；（2）灰木莲林3 次测试的综合舒适指数分别为3.89～5.29，1.25～3.12，4.66～6.61，通过方差分析可得出体感舒适度表现出极显著差异（P＜0.001），第2 次（2017年5月）的体感舒适度最优，第3 次（2017年9月）的体感舒适度最差；（3）湿地松林3 次测试的综合舒适指数分别为4.04～4.98，3.71～4.73，4.21～9.11，通过方差分析可得出体感舒适度表现出显著差异（P＜0.01），第2 次（2017年5月）的体感舒适度最优，第3 次（2017年9月）的体感舒适度最差；（4）黧蒴锥林3 次次测试的综合舒适指数分别为4.17～5.54，3.62～4.30，4.20～6.96，通过方差分析可得出体感舒适度表现出显著差异（P＜0.01），第2 次（2017年5月）的体感舒适度最优，第3 次（2017年9月）的体感舒适度最差；（5）桉树林3 次测试的综合舒适指数分别为3.03～4.99，2.92～4.66，4.47～8.91，通过方差分析可得出体感舒适度表现出有统计学差异（P＜0.05），第2 次（2017年5月）的体感舒适度最优，第3 次（2017年9月）的体感舒适度最差；（6）阔叶林3 次测试的综合舒适指数分别为4.67～6.21，3.38～5.07，4.48～6.57，通过方差分析可得出体感舒适度表现出有统计学差异（P＜0.05），第1 次（2016年12月）的体感舒适度最优，第3 次（2017年9月）的体感舒适度最差。

图1 体感舒适度评价Fig.1 Evaluation of human comfort index

6 种林分的体感舒适度等级总体上处在“舒适”及以上水平，除了湿地松林第3 次测试的15:00 和16:00，以及桉树林第3 次测试的12:00 和15:00，其体感舒适度处于“不舒适”。除阔叶林之外的其它5 种林分，第2 次（2017年5月）测试的体感舒适度均为最优。

3.2 森林空气离子评价指数分析

根据空气离子指数差异特征可知（图2）：（1）阴香林3 次测试的空气离子评价指数分别为0.04～0.23，0.53～1.26，0.05～0.53，通过方差分析可得出空气离子评价指数表现出显著差异（P＜0.01），第2 次（2017年5月）测试的IFC均值为0.71，森林空气具备一定的保健功能，各时段的IFC等级均为Ⅳ级或以上；（2）灰木莲林3 次测试的空气离子评价指数分别为0.10～0.35，0.16～0.95，0.11～0.77，通过方差分析可得出空气离子评价指数表现有统计学差异（P＜0.05），第2 次（2017年5月）测试的IFC均值为0.64，第3 次（2017年9月）测试的IFC均值为0.52，森林空气具备一定的保健功能；（3）湿地松林3 次测试的空气离子评价指数分别为0.06～0.22，0.96～1.27，0.23～0.83，通过方差分析可得出空气离子评价指数表现出极显著差异（P＜0.001），第2次（2017年5月）测试的IFC均值为1.12，森林空气具备一定的保健功能，各时段的IFC等级均为Ⅲ级或以上；（4）黧蒴锥林3 次测试的空气离子评价指数分别为0.06～0.12，0.68～0.99，0.35～1.04，通过方差分析可得出空气离子评价指数表现出极显著差异（P＜0.001），第2 次（2017年5月）测试的IFC均值为0.79，森林空气具备一定的保健功能，各时段的IFC等级均为Ⅳ级或以上；（5）桉树林3 次测试的空气离子评价指数分别为0.07～0.14，0.49～0.76，0.52～1.48，通过方差分析可得出空气离子评价指数表现出显著差异（P＜0.01），第2 次（2017年5月）测试的IFC均值为0.60，第3 次（2017年9月）测试的IFC均值为0.94，森林空气具备一定的保健功能；（6）阔叶混交林3 次测试的空气离子评价指数分别为0.10～0.18，0.40～1.49，0.35～0.52，通过方差分析可得出空气离子评价指数表现出显著差异（P＜0.01），第2 次（2017年5月）测试的IFC均值为0.93，森林空气具备一定的保健功能。

图2 空气离子指数评价Fig.2 Evaluation of air ion index

6种林分的空气离子指数等级在不同的测试季节呈现出明显的规律。其中第2 次（2017年5月）测试的均值达到Ⅳ级及以上，具有一定的保健作用。除桉树林之外的其它5种林分，第2次（2017年5月）测试的空气离子指数等级均为最优。同时，第2 次（2017年5月）和第3 次（2017年9月）时的不同时段空气负离子指数等级出现较大的波动。

3.3 空气颗粒物质量浓度指标分析

根据空气颗粒物PM2.5差异特征可知（图3）：（1）阴香林3 次测试的PM2.5质量浓度分别为11.80～16.05 μg·m-3，10.25～17.75 μg·m-3，6.50～7.70 μg·m-3，通过方差分析可得出PM2.5质量浓度表现出极显著差异（P＜0.001），第3 次（2017年9月）测试的PM2.5质量浓度均值为6.76 μg·m-3，空气质量极显著优于第1 次测试和第2 次测试结果；（2）灰木莲林3 次测试的PM2.5质量浓度分别为10.55～15.2 μg·m-3，11.75～14.60 μg·m-3，5.95～6.95 μg·m-3，通过方差分析可得出PM2.5质量浓度表现出极显著差异（P＜0.001），第3 次（2017年9月）测试的PM2.5质量浓度均值为6.42 μg·m-3，空气质量极显著优于第1 次测试和第2 次测试结果；（3）湿地松林3 次测试的PM2.5质量浓度分别为2.85～3.40 μg·m-3，20.1～56.45 μg·m-3，3.30～5.75 μg·m-3，通过方差分析可得出第1 次（2016年12月）测试和第3 次（2017年9月）测试的PM2.5质量浓度具有统计学差异（P＜0.05），第1 次（2016年12月）测试的空气质量优于第3 次测试结果，第2 次（2017年5月）测试在14:00～15:00 之间，其PM2.5质量浓度开始超过一级质量浓度限值；（4）黧蒴锥林3 次测试的PM2.5质量浓度分别为9.20～11.45 μg·m-3，20.85～43.05 μg·m-3，2.00～2.40 μg·m-3，通过方差分析可得出第1 次（2016年12月）测试和第3次（2017年9月）测试的PM2.5质量浓度具有统计学差异（P＜0.001），第3 次（2017年9月）测试的空气质量优于第1 次（2016年12月）测试结果，第2 次（2017年5月）测试在14:00～15:00之间，其PM2.5质量浓度开始超过一级质量浓度限值；（5）桉树林3 次测试的PM2.5质量浓度分别为3.2～3.85 μg·m-3，18.80～34.15 μg·m-3，3.40～7.40 μg·m-3，通过方差分析可得出第1 次（2016年12月）测试和第3 次（2017年5月）测试结果不存在统计学差异，但其空气质量极显著优于第2 次（2017年9月）测试结果（P＜0.001）；（6）阔叶混交林3 次测试的PM2.5质量浓度分别为8.05～12.1 μg·m-3，12.1～29.75 μg·m-3，1.95～2.35 μg·m-3，通过方差分析可得出PM2.5质量浓度表现出极显著差异（P＜0.001），第3 次（2017年9月）测试的PM2.5质量浓度均值为2.17 μg·m-3，空气质量极显著优于第1 次测试和第2 次测试结果。

6 种林分的PM2.5质量浓度总体上处在一级质量浓度限值范围内，除了湿地松林和桉树林在14:00 时间段后出现了超过了一级质量浓度限值的情况。同时，不同林分的空气质量呈现出不同趋势，阴香林、灰木莲林、黧蒴锥林和阔叶混交林在第3次（2017年9月）测试时的空气质量表现为最优，而湿地松林和桉树林则在第1 次（2016年12月）测试时的空气质量表现为最优。

3.4 植物精气GC-MS 分析

通过分离鉴定第1 次测试（2016年12月）的林分内部空气，从6 种林分的挥发物样品中检测植物精气类物质共有7 种，种类和相对含量如表1所示。6 种林分所释放植物精气相对含量均较低，其中阴香林和灰木莲未检测出有植物精气类物质；湿地松释放2 种（0.58%），主要为萜烯类物质（0.41%）；桉树释放3 种（0.23%），主要为醛类物质（0.23%）；黧蒴锥释放4 种物质（2.55%），主要为醛类物质（2.02%）；阔叶林释放3 种（4.90%），主要为醛类物质（3.16%）。

通过分离鉴定第2 次测试（2017年5月）林分内部的空气，从6 种林分的挥发物样品中检测植物精气类物质共有11 种，种类和相对含量如表2所示。6 种林分所释放植物精气相对含量均较低，其中阴香林释放5 种（8.15%），主要为醛类物质（6.74%）；灰木莲释放3 种（3.01%），主要为醛类物质（2.03%）；湿地松释放4 种（3.92%），主要为醛类（3.64%）物质；桉树释放3 种（2.91%），主要为醛类物质（2.14%）；黧蒴锥释放4 种物质（7.99%），主要为醇类物质（7.45%）；阔叶林释放3 种（1.91%），主要为醛类物质（1.25%）。

图3 空气颗粒物评价Fig.3 Evaluation ofatmosphericparticulate matter

表1 植物精气相对含量（第一次）Table 1 Relative content of phytoncide (The first test)

通过分离鉴定第3 次测试（2017年9月）林分内部的空气，从6 种林分的挥发物样品中检测植物精气类物质共有7 种，种类和相对含量如表3所示。6 种林分所释放植物精气相对含量均较低，其中阴香林释放2 种(2.57%)，主要为醛类物质(2.35%)；灰木莲释放2 种(2.06%)，均为为萜烯类物质(2.06%)；湿地松释放4 种(9.44%)，主要为萜烯类物质(7.95%)；桉树释放2 种(6.68%)，均为萜烯类物质；黧蒴锥释放3 种物质(4.47%)，均为萜烯类物质；阔叶林释放2 种(5.87%)，均为萜烯类物质。

表2 植物精气相对含量（第二次）Table 2 Relative content of phytoncide (The second test)

对6 种林分在不同季节下释放植物精气情况进行对比可知（图4）：除了湿地松林和桉树林之外，3 次测试中6 种林分空气植物精气相对总含量均在10%以下；通过方差分析可得出3 次测试的林分内植物精气相对含量存在显著差异（P＜0.05）；第2 次和第3 次测试的植物精气相对含量显著高于第1 次测试，表明第2 次（2017年5月）和第3 次（2017年9月）测试的6 种林分植物精气整体含量高于第1 次测试（2016年12月）。

表3 植物精气相对含量（第三次）Table 3 Relative content of phytoncide (The third test)

3.5 森林保健功能综合分析

在云勇森林公园内，针对人体舒适度、空气负离子指数和PM2.5质量浓度这3 项指标，首先将每个时间点下舒适度等级在“舒适”及以上、空气负离子指数在Ⅳ级以上、PM2.5在一级质量浓度限值内的林分初步作为具有一定综合保健功能的林分。研究结果表明：不同时间维度下，林分的综合保健功能表现出一定差异（表4），具体表现为：第1 次测试（2016年12月）时，6 种林分的5 个时间段均未表现出较好的综合保健功能，其原因主要是6 种林分的5 个时间段其空气负离子指数均为Ⅴ，不具备保健功能；第2 次测试（2017年5月）时，阴香林5 个时间段均表现出较好的保健功能，灰木莲林、桉树林和阔叶混交林分别有4 个时间段表现出较好的保健功能，湿地松林和黧蒴锥林分别有3 个时间段表现出较好的保健功能；第3 次测试（2017年9月）时，黧蒴锥林4 个时间段表现出较好的保健功能，灰木莲林和桉树林3 个时间段表现出较好的保健功能，阴香林、湿地松林和阔叶林仅有1 个时间段表现出较好的保健功能。

表4 不同林分保健功能综合评价†Table 4 Comprehensive evaluation of forest health

根据以上3 个指标的评价结果表明：第1 次测试（2016年12月）6 种林分均不具备保健功能；除了黧蒴锥林之外，其他5 种林分在第2 次测试时（2017年5月）的保健功能均优于第3 次测试。

结合GC-MS 结果进一步分析：第2 次测试（2017年5月）阴香林（8.15%）和灰木莲林（3.01%）的植物精气含量高于第3 次测试（2017年9月）时阴香林（2.57%）和灰木莲林（2.06%）的植物精气含量，因此，可以判定第2 次测试（2017年5月）时阴香林和灰木莲林的保健功能优于第3 次测试（2017年9月）。

4 讨 论

森林保健功能是林分多种保健因子综合作用的结果，不同的时间、季节、温度、湿度等多方面的因素制约森林保健功能的发挥。不同试验选用的研究对象和分析方法不同，其结果也会存在一定的差异。

晏海等[15]通过不舒适指数(DI)对树种群落的体感舒适度进行评价，其结果为在试验样地中所有树种群落的舒适度均呈现先上升后下降的趋势，并不存在显著差异。然而，该结论具有一定的局限性，它没有考虑林分体感舒适度受季节变化的影响，因此，与本研究所得出了不同季节同一林分的体感舒适度具有显著差异这一结论有所不同。

本研究得出不同季节下林分空气负离子呈现出一定规律性变化的结论，这与肖红燕等[16]的研究结果一致。然而，本研究第2 次（2017年5月）测试空气负离子指数均值达到Ⅳ级及以上，具有一定的保健作用，而第1 次（2016年12月）测试的均值均为Ⅴ级，不具备保健功能，第3 次（2017年9月）测试的均值为第1 次和第2 次测试之间，从总体上整体林分的空气负离子指数从5月开始呈现下降的趋势，这与肖红燕等的研究结果有一定的差异：9月空气质量最优、12月空气质量最差，5月适中。这可能是研究地点的气候不同造成的，湖南省森林植物园所处的中亚热带与佛山市云勇森林公园所处的南亚热带，其气候条件有所差异，特别是两地同一时间不同湿度对空气负离子产生的影响，导致林分的空气离子指数出现的峰值季节不同。

本研究进一步证实了林内相对湿度对空气颗粒物的影响[12]。湿地松林和桉树林的空气颗粒物指标季向变化不同于其他4 种林分，这与吴志萍[17]、傅伟聪等[11]研究结果存在差异。但根据李灿等人的研究[18]：“相对湿度加大导致颗粒物粒径分布向大的方向偏移，即相对湿度增加可以导致空气颗粒物吸湿变大且可以促进直径≤1 μm 的细颗粒物聚成较大颗粒物”，因此，在一定范围内，针对同一林分内部，其相对湿度与PM2.5浓度变化具有一定关联。然而，这种关联在不同林分中表现不同，如第1 次测试时黧蒴锥林和湿地松林平均相对湿度分别为60.22%和57.24%，其PM2.5平均浓度分别为3.17 μg·m-3和10.17 μg·m-3，而第2 次测试时黧蒴锥林和湿地松林平均相对湿度分别为93.12%和89.76%，其PM2.5平均浓度分别为35.88 μg·m-3和29.91 μg·m-3，第3 次测试时黧蒴锥林和湿地松林平均相对湿度分别为63.68%和68.44%，其PM2.5平均浓度分别为6.33 μg·m-3和2.2 μg·m-3。从以上结果可以得出PM2.5浓度与相对湿度存在一定正关联，但由于不同树种PM2.5浓度与相对湿度关联系数存在差异，导致不同树种PM2.5浓度出现了不同的变化趋势。

植物精气含量方面，第2 次和第3 次测试的植物精气相对含量显著高于第1 次测试。第1 次测试的时间为2016年12月，平均气温18.4 ℃，均低于第2 次测试（27.0 ℃）和第3 次测试（31.6 ℃），这很可能是因为气温的升高，合成植物精气的相关生物酶活性提高，挥发量增大，这与徐洁华等[19]的研究结果一致:即气温是影响植物精气挥发的一个重要作用因子。同时，研究发现：3 次测试林分释放的物质有较大差异，第1 次和第2 次释放的醛类物质较多，第3 次释放的萜烯类物质较多，这同样印证了徐洁华等[20]的观点，不同温度条件下林分挥发的植物精气成分组成不尽相同。

5 结 论

研究表明，同一林分不同季节的体感舒适度具有显著差异。体感舒适度是气温、相对湿度和风速3 个因子加权的结果。根据公式分析，气温（0.6）和风速（0.5）这2 个因子的权重远远高于相对湿度（0.07）。尽管第1 次测试和第3 次测试的相对湿度更接近70%的最佳相对湿度[12]，第2次测试的气温和风速条件更优，最终导致第2 次测试的体感舒适度最优。因此，森林保健功能的发挥与林分内气温和风速条件联系更为紧密。

不同林分内PM2.5含量受季节变化影响程度存在一定差异。阴香林和灰木莲林的PM2.5受季节变化较小，而其他4 种林分在不同的季节中PM2.5出现了较大的波动，这表明阴香林和灰木莲林对PM2.5的滞尘效果较为稳定，外界因素影响较小。

植物精气的挥发量和成分组成与气温有一定的关联。3 次测试林分释放的物质有较大差异，第1 次和第2 次测试释放的醛类物质较多，而第3 次测试释放的萜烯类物质较多，这是由于不同季节气温存在差异造成的。因此，还需进一步研究不同林分植物精气挥发阈值，以利于更好发挥森林的保健功能。

林分保健功能的发挥受到季节变化影响，建群树种以及监测季节的不同，森林所表现的保健功能具有一定差异。云勇森林公园内，5月份阴香林和灰木莲林的综合保健功能最优，因此，建议可在每年的5月份在以阴香和灰木莲为建群种的林分内开展以森林保健为主题的游憩活动。

综上所述，不同林分间4 个保健功能指标存在优势上的差异，可进一步研究由不同林分进行结构布局和组合优化，最终构建由多树种组合、功能互补的保健森林。