贵州省不同区域森林负离子分布规律及影响因素研究

赵文君 刘永涛 崔迎春 吴 鹏 候贻菊 丁访军*

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

空气负氧离子是大气中带负电荷的气体分子或离子团的总称，空气分子在高压或强射线的作用下被电离所产生自由电子大部分被氧气所获得[1]。空气负离子具有杀菌、除尘除味、清洁空气、提高免疫力、调节机能平衡及治疗疾病的功能，而被誉为“空气维生素和生长素”[2-3]，空气负离子已成为衡量一个地区空气清洁度的重要指标，也是反映城市林区空气质量及康养效应的重要指标，对人体心理和生理机能具有重要的促进作用[4-5]。在陆地生态系统中，森林是产生空气负离子的重要场所之一[6]，开展城市森林、不同区域森林的空气负离子分布规律及相关影响因子的研究越来愈多。有不少研究关注森林的空气负离子浓度日、季节、年际变化特征[7-10]，同时也有研究空气负离子浓度与森林类型、森林结构、植物配置等的相关关系[11-14]，除此之外，空气负离子浓度与气象因素密切相关，涉及的因子有温度、湿度、风速、降雨、辐射等因子，这些研究均揭示了空气负离子浓度在气温、空气湿度等气象因素在一定的测值范围内的数量关系特征[15-16]。贵州省是林业大省，全省森林覆盖率已达60%，对全省不同区域森林各项生态服务功能包括空气负离子的研究还较缺乏，本研究旨在揭示贵州省不同区域森林空气负离子浓度分布规律及与影响因子的关系特征，为空气负离子监测和康养事业发展提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地选择贵阳市东南郊贵州省林业科学研究院实验林场、习水国家自然保护区、茂兰国家自然保护区做不同区域空气负离子浓度分布规律对比研究。

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106°44′E，26°29′N，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 h，无降霜期278 d。试验选择在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。

贵州习水国家级自然保护区位于贵州省北隅，地处习水县西北部，地理坐标为105°50′～106°29′E，28°07′～28°34′N。区内年平均气温14.7 ℃，降水量900～1300 mm，≥10 ℃的年积温3462.9～5888.3 ℃，森林覆盖率89.6%。主要森林类型有银木荷林、青冈栎林、大头茶林、福建柏林、丝栗栲林、贵州山柳林、红翅槭林等。观测点设在习水国家级自然保护区内，森林类型为阔叶林。

茂兰国家级自然保护区107°52.2′～108°5.7′E，25°9.3′～25°20.8′N，观测点在贵州喀斯特森林生态系统定位观测研究站。该区属中亚热带季风湿润气候，年平均气温15.3 ℃，≥10 ℃积温4598.6 ℃；年平均降雨量1752.5 mm，集中分布于4～10月；年平均相对湿度83.0%；无霜期315 d；全年日照时数1272.8 h，日照百分率29.0%；太阳年辐射总量为63289.80 kW/m2，海拔在430.0～1078.6 m间。优势树种主要有云贵鹅耳枥(Carpinuspubescens)、圆果化香(Platycaryalongipes)、朴树(Celtistetrandra)、黄连木(Pistaciachinensis)等落叶树种，天鹅槭(Acerwangchii)、青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)、细叶青冈(Cyclobalanopsisgracilis)、腺叶山矾(Symplocosadenopus)等常绿树种，亚优势种主要有宜昌润楠(Machilusichangensis)、裂果卫矛(EuonymsdielsianusLoes)等。空气负离子各观测点相对位置分布见图1。

1.2 研究方法

1.2.1空气负离子浓度测定

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/hr，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%。

1.2.2大气气象因子、PM2.5测定

在林内修建观测房(4m2)，PM2.5测定采用大气监测系统(Metone BAM-1020，美国，Metone公司)空器采样传感器，自动气象站(HOBO，美国)安装于观测房顶平台。观测房内安装PM2.5监测系统主机及空调。空气PM2.5质量浓度指标每1小时采集一次监测数据。气象因子主要包括：气温(Ta)、相对湿度(RH)、风速(WS)、降雨量(P)、太阳辐射(R)等，每10 min采集一次。

1.3 数据处理

所有数据在Excel2007、origin9上处理及作图，spss16.0进行相关性分析、方差分析等数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 三个区域观测点气象条件

所选3个空气负离子浓度定位观测点均处于相同气候带，但受纬度、海拔、地形差异的影响，3个观测点的小气候仍会表现出一定的差异。图2分别是荔波、贵阳和习水3个定位观测点的气温、湿度、降水和风速比较。观测期内，荔波、贵阳和习水观测点的平均气温分别为19.99，15.21和13.62℃；空气相对湿度分别为86.48%、87.16%和89.93%；年降水量分别为1202.40 mm、636.60 mm和879.53 mm; 平均风速分别为0.47 m/s、0.02 m/s和0.04 m/s。荔波保护区观测点气温相对最高，降水量较大，空气湿度相对最低，风速最高；贵阳观测点的降水量较小，空气湿度和气温居中，风速最低；习水自然保护区观测点气温相对最低，空气湿度最大，降雨量和风速适中。

图2 荔波、贵阳、习水定位观测点气象条件(气温、湿度、风速、降水量)比较

2.2 空气负离子浓度典型月日变化特征

比较贵阳环城林带、荔波喀斯特森林、习水国家级自然保护区森林3个观测点在连续2年观测期内(2018/09/01—2020/09/31)典型月(1月、5月、8月和11月)空气负离子浓度日平均值的变化过程(图3-5)。同步观测结果表明：荔波典型月空气负离子浓度日平均值的变化大多数呈现为午夜至清晨高，中午降低，傍晚后逐渐上升，呈扁“U”型。但在5月份变化规律不一致，为中午时间最高，午夜清晨和傍晚则较低。

图3 荔波典型月空气负离子浓度日变化图

贵阳典型月空气负离子浓度日平均值的变化8月份呈现明显的起伏变化午夜至清晨高，中午降低，傍晚后逐渐上升的趋势，1月、5月、11月则变化平缓，起伏不大。贵阳，1月空气负氧离子浓度清晨7：00最高，峰值1038个/cm3，17：00最低为815个/cm3。5月空气负氧离子浓度午夜4：00最高，峰值1383个/cm3，17：00最低为953个/cm3。8月空气负氧离子浓度清晨6：00最高，峰值2899个/cm3，13：00最低为1092个/cm3。11月空气负氧离子浓度清晨5：00最高，峰值1058个/cm3，然后开始下降，至16：00最低为823个/cm3。然后又开始上升，午夜0：00到达2112个/cm3。

图4 贵阳典型月空气负离子浓度日变化图

习水典型月空气负离子浓度日平均值的变化幅度不同，总体为午间最高，午夜清晨和傍晚较低。8月为单峰型，7：00～13：00处于高峰，5月和11月在10：00达到较高值，持续到14：00左右，1月变化整体较平缓。

图5 习水典型月空气负离子浓度日变化图

2.3 不同区域负氧离子浓度对比及季节变化特征

观测期内不同区域观测点空气负离子浓度平均值大小依次为：荔波(2640 ±421 个/cm3)>贵阳(1229±614 个/cm3)>习水(1077 ±338 个/cm3)。不同区域观测点空气负离子浓度月变化见图6。荔波空气负离子浓度月变化1月份较高为3053个/cm3，随后降低，3月份为2142个/cm3，然后波动上升至8月份达到最高值为3180个/cm3。空气负离子浓度依次为：8月>1月>12月>6月>11月>7月10月>2月>9月>4月>5月>3月。8月森林空气负离子浓度达3月的1.5倍。贵阳和习水空气负离子浓度变化较相似，从1月份开始逐渐升高，贵阳在9月份达到最高值为1787个/cm3，习水7月份达到最高值为1502个/cm3，然后下降，10月份达到低值分别为845个/cm3,1124个/cm3。而后又有小幅度升高。

图6 不同区域空气负离子月变化特征

年内森林空气负离子浓度表现出明显的季节差异，各观测点林内空气负离子浓度的季节变化荔波表现夏季>冬季>春季>秋季，贵阳表现为夏季>春季>秋季>冬季，习水表现为夏季>秋季>春季>冬季。三个地方的结果不甚相同。

观测期内荔波、贵阳及习水各观测点的空气负离子浓度均表现第1观测年(2018/09/01-2019/08/31)较第2观测(2019/09/01-2020/08/31)呈升高的趋势，荔波空气负离子浓度为最高分别为2588.2、2907.0个/cm3，远远高于贵阳空气负离子浓度895.5,1339.0个/cm3和习水空气负离子浓度922.8、1228.6个/cm3。

图7 空气负离子年度变化特征

2.4 空气负离子浓度与环境因子的关系

选取贵阳、习水为例，日尺度下在观测期内取空气负离子平均值，得到负离子浓度与温度、空气相对湿度、风速、降雨和PM2.5动态变化图8-图9，并对负离子浓度与气温、空气相对湿度、风速、降雨和PM2.5等环境因子的相关性分析(表1)。结果表明，在贵阳和习水两区域空气负离子浓度与温度、降雨均呈极显著正相关，与PM2.5均呈极显著负相关。而空气负离子浓度与湿度的相关性在两地区表现不同。空气负离子浓度与风速均不相关。

表1 空气负离子浓度与温度和湿度相关关系

图8 贵阳空气负离子与温度、湿度、降雨、风速及PM2.5的变化

图9 习水空气负离子与温度、湿度、降雨、风速及PM2.5的变化

3 结论与讨论

不同区域森林空气负离子浓度存在差异，荔波(2640 ±421 个/cm3)空气负离子浓度明显高于贵阳(1229±614 个/cm3)和习水(1077 ±338 个/cm3)。这可能与荔波自然保护区物种资源丰富植物多样性较高有关。植被类型不同空气负离子浓度也不同，郑文俊等[17]在桂林森林公园研究结果表明，不同植被类型空气负离子浓度水平表现为阔叶林>针叶林>针阔混交林>灌丛≥草坪。另外，林分郁闭度、林分垂直结构、生产力等因子对空气负离子含量有直接和间接的影响[18]。

空气负离子浓度日变化波峰和波谷交替出现，出现时间大致有两种情况：一是呈“U”型，最大值出现在午夜和清晨早期，最小浓度出现在中午。二是呈单峰型，最大值出现在午间，傍晚较低。本研究中荔波和贵阳属于前者，李少宁等[19]天津典型绿化树种、郑文俊[17]桂林森林公园、金琪等[20]的研究有同样的结论。习水属于后者，单晟烨[21]漠河针叶林、汤秋嫄[22]北极村樟子松和落叶松是同样的结论。前人研究表明空气负离子浓度与总辐射量平均值的昼变化一致性高、两者间呈极显著的二次回归关系，且总辐射量在310～530 W·m-2间的空气负离子浓度较高[6]。

不同区域森林空气负离子浓度月变化总体呈现先增后减的趋势，达到峰值的月份各有不同，呈现出季节变化规律和年际差异。季节变化会影响空气负离子浓度，各观测点均表现出夏季明显高于其他季节,这与多数地区研究结果一致。夏季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[23]。夏季空气湿度较大，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[24]。也与林分的生长状况有关，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。

大气负氧离子浓度变化受环境因子、天气现象等因素综合影响。空气负离子浓度与温湿度的相关关系的分析结果与单晟烨[21]、吴际友等[25]的研究结果相同，与冯鹏飞[26]、卓凌[7]、金琪[20]等研究结果相反，可见与气象要素之间的相关性较为复杂，空气负离子浓度与空气湿度呈正相关，认为高空气湿度有利于空气的电离作用，故空气湿度愈大,空气负离子浓度愈高[15]；也有不少研究结果报道，空气负离子浓度与空气湿度呈负相关关系，认为空气高湿度时的小离子浓度减小致空气负离子浓度降低，高空气湿度时大气宇宙形成放射线电离作用减小也导致空气负离子减小[1]。但降雨雷电天气利于空气负离子增加，金琪等[20]研究表明湖北降水时段内各站负氧离子浓度均有明显增大，随着降水结束，负氧离子浓度迅速降低，这可能与空气中的水滴半径较大，负氧离子易附着在其表面发生沉降有关。空气负离子与PM2.5颗粒物呈负相关，空气负离子携带的多余负电荷能与带有正电荷的 PM2.5等颗粒相结合而沉降，即若空气中含有较多空气负离子会使 PM2.5颗粒量下降[13]，负离子有净化空气的作用[27]。

可见，不同时间、不同环境、不同地点空气负离子与环境因子的关系不尽相同，不仅与气象条件、海拔等地形条件有关，还与森林类型、林分密度、郁闭度和树高等植被结构特征有关，同时还受空气污染颗粒物含量有关[28]。今后对空气负离子的研究，应基于负氧离子形成的机理，同时对负氧离子长时间的监测，深入开展大气负氧离子浓度不同时间、空间尺度特征及与各项影响因素的研究，以合理有效的评价及开发负氧离子资源，为康养事业的发展提供理论依据。