城郊马尾松林负离子分布规律及影响因素研究

赵文君 刘永涛 崔迎春 侯贻菊 吴 鹏 刘延惠 丁访军*

(1.贵州省林业科学研究院 贵阳 550005；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 贵阳 550081)

负氧离子是反映城市森林功能进而评价城市空气质量的基本参数之一，是森林重要的生态服务产品之一。空气负氧离子除具有除尘、抑菌、除菌、除臭作用外，现代医学还发现，当空气负离子达到一定浓度时，能调节人体生理机能、促进新陈代谢、缓解疲劳、改善睡眠[1]，另外充满负氧离子的森林空气对气管炎、冠心病、脑血管疾病、神经衰弱等20多种疾病有一定的疗效[2]。随着城市进程的加剧和人们休闲保健意识的增强，开展负氧离子研究对城市环境建设和居民生活生态环境改善有重要科学意义。

空气负离子与植物群落种类、结构、树种类型及配置等有关。吴际友[3]等人认为疏林内空气负离子浓度大于密林，针叶林大于阔叶林。周德平[4]等对闾山森林公园不同植被空气负离子浓度进行了测定，得知其大小顺序为阔叶林>混交林>针叶林>草地>山石。一般结构复杂的群落比结构简单的群落的负离子浓度含量高，即复层配置结构(乔)>简单配置结构(乔灌、乔草、灌草)>单一配置结构[5]。同时空气负离子具有时间特征，在不同时刻、不同季节，由于地面接受太阳辐射能量不同，导致负离子浓度随时间变化[6～7]。空气中负离子浓度分布很不均匀，影响因素复杂，是气象条件、地理位置、纬度高度、植物、水体、大气颗粒物、土壤等多种因素综合影响的结果，特定情况下可能与某种或某几种影响因素的相关关系表现出一定规律性[8]。综上，森林空气负离子分布状况及影响已成为众学者关注的热点。

贵阳是我国首个国家森林城市，是一座“山中有城，城中有山，绿带环绕，森林围城，城在林中，林在城中”的具有高原特色的现代化都市，但其城市森林包括提供空气负离子在内的各种生态系统服务功能还未得到有效关注。本研究以贵阳市城郊马尾松林为研究对象，分析其空气负离子浓度的时间变化规律及其与温度、湿度等因素的相关性，以期为今后城市森林空气负离子的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地处贵阳市东南郊贵州省林业科学研究院实验林场，距市区8 公里，地理位置位于E 106°44′，N 26°29′，属亚热带气候，年平均气温15.2 ℃，极端最高气温35.4 ℃，极端最低气温-7.8 ℃，年降雨量1198.9 mm，年平均风速2.2 m/s，年平均相对湿度77 %，全年日照时数1412.6 小时，无降霜期278 天。

试验选择在贵阳市城郊马尾松人工成熟林内进行，其优势树种为马尾松(Pinus Massoniana)，间伐后林窗下有少量的光皮桦(Betulaluminifera)、盐肤木(Rhuschinensis)等生长，林内灌木主要有油茶(Camelliaoleifera)、拔葜(Smilaxchina)、薄叶鼠李(Rhamnusleptophylla)、白栎(Quercusfabri)等，其林分密度975 株/hm2，平均树高14 m，平均胸径17.8 cm，郁闭度0.6。

1.2 研究方法

采用在线式大气离子测报系统FLZ8，全天连续测量空气负离子含量、气温和空气相对湿度。该仪器工作温度为-10～50 ℃，检测范围为±0.1～1.999 × 105个/cm3，风速< 15 km/h，测量单位为个/cm3，分解能力为10 个( 0.01×103个) ，离子浓度误差及迁移率≤±25%，气温测量精度1.0 ℃， 相对湿度测量精度5%。

1.3 数据处理

采用spss16.0进行数据统计分析，Excel2007进行作图。

2 结果与分析

2.1 空气负离子浓度日变化特征

观测期内空气负离子浓度日均值为(983±315)个/cm3，其波动范围在453～2710个/cm3之间，日均浓度最低值出现在秋季(11月5日)，最高值出现在夏季(6月23日)。

不同季节选取典型晴天数据平均值分析负离子浓度日变化(图1)。一天中空气负离子浓度均为夜间大于日间，0∶00～8∶00春季为上升趋势，夏秋冬季为下降趋势，总体空气负离子浓度较高；8∶00～18∶00变化为V型曲线，在10∶00～12∶00出现谷值；18∶00～23∶00多为上升趋势，空气负离子浓度也较高，多在23:00达到峰值。

2.2 不同典型天气下空气负离子浓度变化特征

将观测期内负离子浓度监测数据按天气(晴天、阴天、雨天)进行分类，其日平均浓度表现为雨天(1064个/cm3)>晴天(987 个/cm3)>阴天(839 个/cm3)。图2为2017年9月典型天气(雨、晴、阴)条件下马尾松林空气负离子日变化进程。不同天气条件下负离子浓度变化趋势基本相同，呈两端高中间低的趋势，雨天负离子浓度最高，夜间2∶00和17∶00出现峰值，分别为2075、1333个/cm3，中午12∶00时处于最低值705个/cm3，23∶00降到低值700个/cm3；晴天夜间2:00和23:00分别达到峰值1098、1352个/cm3，下午14:00降到谷值609个/cm3，晴天负离子浓度比阴天略高；阴天负离子浓度最低，夜间2∶00出现小高峰945个/cm3，7∶00达到峰值1021个/cm3，下午13:00降到谷值443个/cm3。方差分析表明，不同天气条件下负离子浓度雨天与阴天差异极显著(P<0.01)，与晴天差异显著(P<0.05)。

图2 不同天气条件下空气负离子浓度日变化

2.3 空气负离子浓度季节及年度变化特征

马尾松林负离子浓度表现出年内变化和季节差异(图)。在1～3月，空气负离子浓度处于低水平，2 月(753 个/cm3) 降至低谷，4月(993 个/cm3)和 5月(959 个/cm3)处于上升阶段，6～7 月份的空气负离子浓度达到一年的高峰(1241个/cm3、1332个/cm3)，8～11月保持在(937～995)个/cm3较高水平上，到12月(839 个/cm3)空气负离子浓度下降。各季空气负离子浓度依次表现为：夏季(1174 个/cm3)>秋季(965 个/cm3)>春季(941 个/cm3)>冬季(824 个/cm3)，季节间夏季分别与春、秋、冬季差异显著(P<0.01)。2017～2018年度，空气负离子浓度分别为974、1073个/cm3，呈现升高趋势。

图3 马尾松林空气负离子月变化特征

2.4 空气负离子浓度与环境因子的关系

在观测期内按季节选择典型晴天数据取平均值，得到负离子浓度与温度、空气相对湿度动态变化图1。并对马尾松林负离子浓度与气温、空气相对湿度等环境因子的相关性分析(表1)。结果表明，马尾松林不同季节负离子浓度与气温呈显著(春季)和极显著(夏、秋、冬季)正相关，与湿度呈显著(春季)和极显著(夏、秋、冬季)负相关。

表1 空气负离子浓度与温度和湿度相关关系

注：＊P<0.05，＊＊P<0.01

3 结论与讨论

贵阳城郊马尾松林空气负离子浓度总体水平为453～2710个/cm3，均值为(983±315)个/cm3。根据负离子浓度分级评价标准[9]，400～1000个/cm3属于公园级，健康度良好，能增强人体免疫力、抗菌力。

该值接近于北极村樟子松和落叶松林[10]，但低于赤水市[9]，也低于鹅凰嶂自然保护区[11]和车八岭自然保护区[12]，这一差异一方面与观测点周围是否有流动水体有关，另一方面与植被状况、人为活动、当地气候等有关。植被覆盖率和物种丰富度高，人为扰动小的原始森林要高于近郊森林。

不同季节空气负离子浓度日变化趋势大致相同，均呈现两头高中间低的V型变化，峰值出现在22：00～次日0：00，谷值出现在10：00～11：00，与邵海荣研究结论一致[13]，一天中空气负离子浓度的最大值出现在夜间后期和晨间早期，最小浓度出现在午前，有时在黄昏出现第 2 次低值。吴楚材等对南方有代表性的游憩区空气负离子研究发现，负离子浓度在一天中有2个峰值，1个是7∶00～9∶ 00，1个是22∶00～24∶00，另外19∶00～21∶00 也较高[14]。也有研究空气负离子峰值、谷值出现时间存在差异的，赵雄伟等[15]对北戴河联峰山公园刺槐林地内空气负离子水平进行观测后发现，7∶00～11∶00 和 16:00～17∶00 出现峰值，11:00～13∶00 以及凌晨 23:00～1∶00 出现谷值。

不同天气条件下空气负离子浓度存在差异，雨天显著高于晴天和阴天。可能是因为雨天空气湿度大，空气中尘埃少，空气清洁度高，负离子水平与外界空气的负离子交换量、因颗粒物吸附而沉降的负离子量[16～17]有关。空气湿度较大，水滴对大气可吸入灰尘等悬浮颗粒具有良好的清洗作用，从而能减少空气中凝结核的数量，结果使空气中负离子的消亡速率小于其生成速率[18]。曾曙才等[19]的研究则相反，晴天的空气负离子水平显著高于阴天和雨天，认为晴天丰富的紫外线和强烈的光合作用都有助于空气负离子的产生。

空气负离子浓度年内变化呈较平缓的单峰曲线，7月最高，2月最低。随着空气温度以及降水量的不断增加，植物光合作用不断增强，而植物在光合作用过程中会发生水解产生电子和氧气，并通过气孔释放出去，而氧气与电子结合能生成负氧离子，从而使林内产生的空气负离子量也随之增加[20]。空气负离子浓度季节差异与很多研究一致[21]，均表明，夏季空气负离子浓度最高，秋季大于春季，冬季最低，这与植物生长状况、空气污染程度等有关。夏季林分处于生长期，林木生理活性较强，有利于负离子的产生，而春季林分处于生长初期，秋季处于生长末期，林木生理活性较低，不易于产生较多的负离子[22]，冬季光合作用较弱，处于一种休眠状态，负离子最低。

空气负离子浓度与温度呈负相关，和湿度呈正相关。这与[23～24]研究结论一致，研究表明水分子裂解是负离子产生主要途径之一，在空气中负氧离子主要以O-2(H2O)n形式相对稳定存在，湿度增大时，空气中的水分子增多，O-2结合水分子的机会就增大，负氧离子浓度也随之增大。所以，水体附近尤其是瀑布和流动的水体附近负离子浓度绝对值较大[24]。当温度升高时，太阳辐射比较强烈，空气中的污染物在强烈紫外线的照射下会发生一系列光学反应，从而加剧污染，污染物在扩散的过程中又吸附了大量的空气负离子，因而在温度较高的中午空气负离子浓度显著降低[23]。而叶彩华等[10，25]的研究与本研究结论相反，可能是因为研究选取的样地有关，林地中植物的呼吸作用较弱、林地之间的温度变化小。由此可知当温度升高时，植物光合作用加强从而增加负离子的产生；当夜晚或多云、阴天和降雨天气时，空气湿度升高，虽然会对悬浮颗粒物、正离子等有一定吸附作用，但同样会在相当程度上阻碍植物光合作用，由此产生空气负离子随湿度呈负相关的结论[10]。不同的研究结果，可能与地区、植被、小气候等多种因素有关。

空气负氧离子浓度因研究方法、监测手段的差异性及影响因素的多样性和复杂性，不仅受森林类型[26]、林分密度、郁闭度[27～28]、还受气象条件[29]、海拔[30]等地形因子影响，同时还与人类活动等相关，空气负氧离子浓度预测是一个极为复杂的问题，因此要掌握空气负离子的时空分布，今后需从植被特征、环境条件、空气污染等全方面开展监测。