不同森林郁闭度环境内空气负氧离子的时空变化及环境影响要素研究——以广州帽峰山为例

郑诗禹 ，张绿水，郭晓敏，黄子峻，肖以华*

1. 江西农业大学林学院，江西 南昌 330045；2. 中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520；3. 华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642

国务院《十四五规划和2035年远景目标纲要》中提出，“康养文旅”上升至国家战略，应积极促进森林康养、森林旅游、休闲为主体的新兴产业。森林生态系统在生物多样性维育、固碳释氧、净化大气环境、水源涵养、保育土壤环境、防灾减灾和休闲游憩等方面提供诸多优质的生态产品。优美森林生态环境既是森林康养的物质基础，也是满足人民日益增长的优美生态环境需要的基石。森林环境中空气负氧离子浓度大小成为评价森林环境质量重要指标之一（彭琳玉等，2020）。研究表明，森林环境中NAI有抑菌除尘、提高细胞活性，净化环境空气等作用（Jiang et al.，2020；Nadali et al.，2020；陈兵红等，2019）。浓度较高的NAI能通过调节人体内血清素含量水平，调节人体稳态。通过刺激激素分泌，提高人体代谢循环，延缓细胞衰老（Jiang et al.，2018）。森林环境中的植被通过叶片尖端放电，光合作用以及释放挥发性芳香烃来促使空气电离产生负氧离子，不同的群落结构、树种以及植物种类对环境内负氧离子浓度的影响差异显著（王薇等，2018；高瑶瑶等，2019）。而森林林分郁闭度能反应出森林环境和结构，是影响林地光照状况的决定性因素，对森林环境中植物物种多样性以及群落结构的稳定性有显著影响（欧江等，2021；孙文等，2021）。因此通过不同森林郁闭度环境内NAI浓度的研究能更好的反应出森林环境中 NAI浓度水平及变化规律。

近年来，许多研究者针对森林环境内NAI浓度水平和变化规律进行了大量研究：森林环境中NAI浓度时间上分布规律一般呈：日动态“U”型，早晚高，中午低；或双峰型曲线，上午和下午高，午间低（马芙蓉等，2019；梅中海等，2020）。季节变化方面为：夏季最高，春秋次之，冬季最低（谢勇丽等，2019；李高飞等，2019；彭春梅等，2020）；环境内 NAI浓度空间分布特征一般表现为人工环境向自然环境递增的规律，良好的森林环境内NAI浓度更是城市环境的40倍以上（黄向华等，2013；梅中海等，2020）；目前大多数研究学者对森林环境中温、湿度、光辐射、风速、风向、海拔等气象因素进行研究（尚媛媛等，2018；司宝华等，2019；戴俊等，2019），均得出气象因子与空气负氧离子密切相关的结论。但是森林环境中大气颗粒物、臭氧等污染物要素对NAI浓度的影响的研究较少，还未形成统一的影响机制，很难根据环境因素决定NAI浓度加以控制。

本文通过研究林分郁闭度及其环境内污染物要素对空气负氧离子浓度的影响，能更充分的利用森林环境内空气负氧离子，合理开发森林旅游资源，及为城市森林构建技术、森林生态旅游建设提供科学参考与理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域选择

广州帽峰山森林公园位于广州市东北部，坐落在 23°16′—23°19′N，113°22′—113°29′E，距广州市中心30 km，总面积为46.945 km2。属南亚热带季风湿润气候。帽峰山森林公园植被为人工植被和天然次生植被的混合体，部分马尾松林和杉木林已形成针阔混交林、阔叶混交林和南亚热带季风常绿阔叶林。优势树种有中华楠（Machilus chinensis）、中华椎（Castanopsis chinensis）、黧蒴（Castanopsis fissa）、木荷（Schima superba Gardn）平均胸径21.3 cm，平均树高12.8 m，平均郁闭度0.81。帽峰山年平均气温21 ℃，最冷月平均气温13.3 ℃，最热月平均气温28.4 ℃，年日照约1600 h，年大气降水约 1700 mm，多集中于 4—9月，平均相对湿度76%。在全面踏勘广州帽峰山森林公园环境条件的基础上，依据海拔相近、群落结构相似、样点均匀分布等原则，使用照片法：通过“鱼眼”镜头在特定时间，均匀的阴天拍摄林冠的全天空照片，人工筛选出符合条件的 4处森林郁闭度环境区域与 1处空白对照：CK无林地（帽峰山林外空旷地）、S1低郁闭度（帽峰山铜锣湾管理站附近）、S2中郁闭度（帽峰山林内小道）、S3高郁闭度（帽峰山休闲亭附近）、S4水体对照（帽峰山林内溪流观景）观测样点（表1）。

表1 帽峰山观测样地信息表Fig. 1 Information table of Maofeng Mountain sample plot

1.2 数据采集与处理

本研究观测时间为 2020年 1—12月，采用COM-3200PROⅡ型空气离子测量仪、DustMate-DM12048手持式空气灰尘和烟雾源监测仪器、Ozone Monitor 106-L臭氧浓度分析仪，每月观测3—5 d，每天从08:00—18:00连续观测6个时段。每次观测4个方向数值，总读数不少于15次，求出均值代表该时段数值。为确保数据的完整性和可靠性，分析时对部分异常值进行了剔除。利用Microsoft Excel 2019、SPSS Statistics 19.0、Origin 2018对各组数据进行统计筛选，正态检验、相关性分析等。

2 结果与分析

2.1 森林环境内空气负氧离子与环境因子的时间变化

2.1.1 空气负氧离子的日变化特征

森林环境内各时段NAI浓度均值日变化如（图1）所示，低郁闭度内 NAI浓度从早到晚呈上升趋势，变幅较小，08:00离子浓度最低 998 ion·cm-3，18:00达到峰值1135 ion·cm-3。中郁闭度内NAI离子浓度从08:00开始降低至10:00达到最低值1130 ion·cm-3，随后升高至中午 12:00达到最高值 1251 ion·cm-3，12:00—14:00 离子浓度保持较高水平1248 ion·cm-3，14:00后离子浓度降低。高郁闭度内NAI浓度在上午是先降低后升高，在午后14:00达到最大值1473 ion·cm-3，傍晚18:00第二峰值前会有缓慢降低。水体对照内NAI浓度日变化规律与高郁闭度环境相似，日峰值均出现在午后14:00，可能由于林冠较厚，影响了下层植被光合作用，未在正午达到饱和点，导致峰值出现时间的延后。研究结果显示在1 d中不同时段，水体对照内NAI浓度显著高于中低郁闭度环境和空旷地（P＜0.05）。表明森林环境内NAI浓度日变化规律受水汽因子影响。

图1 空气负氧离子离子浓度时间变化情况Fig. 1 Change of negative oxygen ion concentration

2.1.2 空气负氧离子的月变化特征

全年各月NAI浓度均值变化方面，各郁闭度环境内NAI逐月变化情况大致为双峰曲线，高峰区出现在5—8月和1月。低郁闭度内8月NAI平均离子浓度最高为 1359 ion·cm-3，其次是 7月 1280 ion·cm-3，9 月平均水平最低为 810 ion·cm-3；中郁闭度内 1月 NAI平均离子浓度最高为 1789 ion·cm-3，其次是 6 月 1654 ion·cm-3，10 月为全年最低值856 ion·cm-3；高郁闭度内1月NAI平均离子浓度最高为 2017 ion·cm-3，其次是 5月 2000 ion·cm-3，9 月为全年最低值 844 ion·cm-3；水体对照内1月 NAI平均质量浓度最高 2214 ion·cm-3，其次是 6 月 1991 ion·cm-3，4 月最低 903 ion·cm-3，一年之中高郁闭度环境内NAI离子浓度变幅最大，相邻两月变幅最高达188.5%，空旷地内相邻两月变幅最小仅为15%，且水体对照内最大值超空旷地最小值3倍以上，有林地环境内NAI离子浓度明显高于无林地。表明高郁闭度环境内，NAI离子浓度受多种因素影响，数值的波动较大。

2.1.3 大气颗粒物与臭氧质量浓度均值变化特征

对各郁闭度全年同步测得大气颗粒物与臭氧质量浓度数据对比分析，结果如图2所示，森林环境内大气颗粒物TSP、PM10、PM2.5质量浓度变化趋势基本一致，三者间质量浓度关系呈显著的正相关。各郁闭度内全年大气颗粒物质量浓度变化在20—159 μg·m-3，臭氧质量浓度变化在 25—71 mg·m-3。全年空旷地内大气颗粒物质量浓度在 1—2月较高，月均值在 55—159 μg·m-3间，其中 PM2.5单月最大值出现在 2月 38.47 μg·m-3，是相应最低月 7月的 9.07倍，臭氧质量浓度 1月最小 24.9 mg·m-3，其余时段浓度变化较稳定。中低郁闭度内大气颗粒物质量浓度变化在43—140 μg·m-3间，全年出现两个高值区1—2月，7—9月，TSP质量浓度单月以 8月最大为 157.4 μg·m-3，且臭氧浓度也在2月达到最大值为58.3 mg·m-3。高郁闭度与水体对照环境中，大气颗粒质量浓度全年水平相近，变化规律基本一致，全年高值区集中在12—3月，TSP的质量浓度水平在 135.2—140.3 μg·m-3间，PM2.5质量浓度水平在45.4—65.7 μg·m-3间，臭氧质量浓度在2月达到相对较高。由此得出，帽峰山森林环境内两种污染物因子时间分布特征具有相似规律，随着环境郁闭度的增大，其内颗粒物质量浓度逐级减少，高值区均集中在旱季冬月，且全年变化会出现1—2次波动。这种规律可能由于每年冬季冷月降水少，空气污染加重，广州地区偶发台风，强降雨天气等因素导致。

图2 森林环境因子质量浓度日均值变化情况Fig. 2 Change of concentration of forest environmental factors

2.2 不同季节各森林郁闭度空气负氧离子分布特征

如图3所示，帽峰山森林内NAI离子浓度水平较高，公园环境生态效应明显。森林环境内NAI离子浓度（ion·cm-3）从大到小依次为：水体对照(1482)＞高郁闭度环境 (1438)＞中郁闭度环境(1204)＞低郁闭度环境 (1056)＞空旷地（834），说明环境郁闭度越高，其内NAI浓度水平越高；各郁闭度环境内 NAI离子浓度均值变化规律季节上表现一致：有林地＞无林地，高＞中＞低郁闭度。雨季条件下，森林环境内NAI离子浓度水平显著高于林外，各点NAI离子浓度水平大于全年均值，但高郁闭度环境内会出现 NAI离子浓度降低现象；旱季条件下，水体对照内NAI离子浓度水平显著高于其他无水环境，观测值离散程度大，中低郁闭度内NAI离子浓度水平相近。林分郁闭度与环境内水汽含量是影响空气负离子浓度的主要因子。

图3 不同季节森林环境NAI离子浓度分布Fig. 3 The NAI concentration of the whole year of dry and rainy season at observation point

2.3 环境要素对空气负氧离子浓度的影响

森林环境内空气负氧离子除受温度、湿度、太阳光辐射等气象因子影响外，空气中的颗粒物与臭氧对负氧离子的影响也十分显著。研究环境中污染物要素与负氧离子浓度的关系，掌握负氧离子浓度变化规律，可为帽峰山森林旅游，健身康养，林区资源规划提供科学的指导和理论依据。

2.3.1 各郁闭度环境要素对负氧离子浓度的影响

通过上述图表分析得出林分郁闭度、气候条件以及环境内水体均与NAI离子浓度水平有关，故汇总各观测点数据分析全年空气负氧离子与大气颗粒物、臭氧的相关关系（表2）。TSP与PM10在中高郁闭度环境内与 NAI离子浓度呈极显著负相关关系（P=0.0063、P=0.0055），PM2.5在高郁闭度环境内与 NAI离子浓度呈显著负相关关系（P=0.042）。林分郁闭度越高，且其内颗粒物粒径越大，对NAI的影响越大，中低郁闭度环境内污染物要素对NAI的影响程度较小；3种颗粒物在旱、雨季内对NAI的影响程度有一定差异，雨季污染物要素对NAI影响不显著；旱季高郁闭度环境内PM10对NAI影响不显著，且季节变化对颗粒物PM2.5影响最小。环境中臭氧与NAI的研究确认有相关性，但程度和正负还无法统一。结果显示：空旷地内NAI离子浓度与臭氧质量浓度两者存在负线性回归关系；森林内NAI与臭氧质量浓度二者存在二次线性关系，但森林环境内影响因子较多，关系复杂，NAI离子浓度偏差大，回归R2偏小（R2＜0.1），回归模式精度偏低。

表2 森林环境内NAI浓度与环境要素的相关性系数Table 2 Correlation coefficient between NaI concentration and environmental factors in forest environment

2.3.2 大气颗粒物对空气负氧离子浓度的综合影响

结合图 1、2，可知 NAI与大气颗粒物质量浓度均值逐月变化规律大致相反，但部分时段出现同增同减的现象。通过PyCharm 2020软件对影响NAI浓度变化的特征值进行主成分分析，其中 TSP、PM10、PM2.53种主要大气颗粒物质量浓度间呈极显著正相关（P＜0.01），故采用加权平均法对三者进行降维，统一成为气体颗粒物PM（particulate matter），研究4种林分郁闭度内PM与NAI浓度间关系。结果如图4显示，低郁闭度环境内PM与NAI浓度相关性不明显，高郁闭度和水体对照内PM与NAI离子浓度回归方程t检验P分别为7.2×10-4、3.5×10-4。回归模式中，高郁闭度环境与水体对照内PM与NAI二者浓度影响效应反映在t检验上均达到极显著，PM 对 NAI的影响呈负效应，PM 质量浓度越高，NAI浓度越低。其中高郁闭度环境内PM与NAI浓度相关性拟合最好，R2=0.59，相对中郁闭度环境提高了0.25，与水体对照内拟合度相近。表现出环境郁闭度越大，其内气体颗粒物与NAI浓度二者联系越紧密。

图4 各郁闭内气颗粒物与空气负氧离子间关系Fig. 4 Relationship between atmospheric particles and NAI in each enclosure

3 讨论与结论

3.1 讨论

森林环境内NAI浓度时间尺度变化的研究，大部分采用便携式负离子仪，选择无风晴朗的白天，连续性多日观测，本研究中，高郁闭度与中低郁闭度环境内NAI浓度日动态变化存在明显差异，造成差异的原因可能是产生空气负离子所需的能量来源不同，无林地环境中，能量主要来源于阳光辐射，随着能量的累计，NAI浓度日变化呈缓慢线性增长（王薇等，2020）。森林环境中，NAI浓度日变化不仅受太阳光辐射的影响，还受到林木的光合周期影响，与植被生理活动密切相关，早晨植被光合作用弱，气孔导度小，外加郁闭覆盖，环境内CO2质量浓度高不易扩散，植被呼吸大于光合，NAI浓度降低，随着光照强度增大，净光合速率提高，环境中产生大量NAI，故NAI浓度上午先降低后在中午达到峰值（秦登等，2014）。高郁闭度环境内NAI浓度日峰值出现时间比中郁闭度环境内推迟 2个小时，这可能与环境内植物生物学特性、生长状态以及是否含有水体有关（马荣等，2021）。

关于月均值尺度的研究大多结果显示，全年NAI浓度水平由大到小：夏季＞秋季＞春季＞冬季，认为夏季环境气温升高，大气对流强，植物长旺盛，光合作用强，植物光合作用时叶片尖端放电，促使空气电解，NAI浓度达到最大值，冬季气温低，林木生理活性减弱，环境中污染物质量浓度较高，NAI离子浓度受影响偏低（牛海峰，2018；谢勇丽等，2019；李高飞等，2019；彭春梅等，2020）。也有部分研究报道，冬季森林环境内NAI离子浓度最大，春夏次之，秋季最低。认为冬季林内除了枯落物层的保温作用外，林冠层也起着缓和气温变化的作用，阻挡了林内长波辐射的热失散，水汽不易向外扩散，NAI离子浓度水平高（何宁等，2016）。本研究基于广州市帽峰山，地属南亚热带季风区，四季变化不明显，主要分为旱、雨两季，一年中森林环境内NAI平均离子浓度高值区主要集中在雨季6—8月，这与大部分学者研究结果一致，夏季高温高湿，NAI离子浓度增大。值得注意的是在冬季1月，中高郁闭度环境内离子浓度均出现较高水平，这可能由于2020年广州旱季月份降雨极少，气候干爽，导致林冠较厚环境产生逆温效应，林内湿度增大，负氧离子浓度升高。此差异体现出，在某种程度上森林郁闭度较大的环境能调节其自身稳态，特殊气候条件下激发了林分郁闭度对NAI的正反馈。

林分郁闭度与NAI浓度关系的研究显示，林分郁闭度与NAI浓度呈正相关（段文军，2017），或NAI浓度变异系数与郁闭度呈正相关（孙文等，2021），认为郁闭度较大的森林群落可以有效地吸收并遮挡太阳辐射，降低林内的温度，增加空气湿度，制造出更多的NAI。也有一些研究报道，NAI浓度与林分郁闭度无明显相关性（陶雪莹等，2020），认为森林环境内NAI浓度主要受其他林分因子和群落结构的影响。本研究则表现出NAI浓度在一定郁闭度范围内随着郁闭度的增加而增大，雨季条件下，当环境郁闭度超0.7后，NAI浓度会降低。其原因一方面是郁闭度增大导致下层林木被遮挡，受光面积减少，光合速率降低，另外，由于负离子除了会与环境内 OH-、O2-等离子相结合形成负氧离子团，还会与水分子发生水合作用，在高郁闭度高湿环境下，环境中水分子增加，负离子被吸附聚集，导致负氧离子浓度的降低（施光耀等，2021）。

森林环境内大气颗粒物的主要来源：风扬尘土、由风带来的海盐、植物花粉和真菌细菌；大部分研究显示，环境中大气颗粒物与NAI浓度间二者呈负相关，认为负离子能与悬浮颗粒物的电性中和产生不带电的颗粒物凝聚成团，最终沉降，浓度降低（曹建新等，2017）。本研究中，高郁闭度和水体对照环境内大气颗粒物与NAI呈极显著负相关，中低郁闭度与空旷地内二者相关性不显著。但在旱季冬月NAI、大气颗粒物和臭氧三者浓度均到达较高水平，可能由于帽峰山旱季冬月（12—3月）周围居民的暖气供应和煤炭燃烧增加，以及春节前后游客量的增大，导致中低郁闭度环境内大气颗粒物中有机物与硝酸盐质量浓度比例升高，对负离子的电中和能力减弱。另一方面由于环境中臭氧的主要来源是挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物等臭氧前体物的排放，同时还导致了环境内的臭氧质量浓度的升高，随着污染物的扩散至高郁闭度环境内，逆温层厚度较高，逆温现象严重，导致空气负离子浓度升高，最后在实际观测过程中出现同增同减的现象。

本文仅基于已有的观测资料从统计学角度对NA浓度的时空特征及其与大气环境的关系进行了分析，为森林生态建设提供一定参考。通过上述分析总结，在今后对森林环境进行评价时，不仅要结合整个森林环境内的各项指标进行全面分析，还需综合考虑周边环境条件以及天气情况。

3.2 结论

（1）帽峰山森林环境内NAI浓度日变化规律与全年变化趋势相似，均呈双峰型曲线，不同郁闭度环境内NAI浓度日、年变化峰值出现时间有差异。低郁闭度环境内NAI浓度峰值出现在一天中的傍晚和一年中的8月，中高郁闭度环境内NAI浓度峰值出现在的一天中的上午、午后和一年中的1月、6—8月。环境内污染物要素质量浓度均值高峰区出现在干燥少雨的旱季，低值区集中在高温高湿的雨季。

（2）帽峰山不同森林郁闭度等级越大，NAI浓度越高，环境污染物要素质量浓度越低，森林环境内动态水体能有效提高NAI的浓度水平。气候条件对森林环境内NAI浓度变化的影响是最根本的，高于林分郁闭度和动态水体。

（3）帽峰山中高郁闭度森林环境内NAI与大气颗粒物呈极显著负相关（P＜0.01），各郁闭度环境内NAI与臭氧相关性不明显。林分郁闭度越高，对其他污染物的吸附效果越明显，环境内NAI与大气颗粒物之间的相关性越强。

（4）影响帽峰山森林环境内空气质量主要因子为郁闭度等级、水汽条件、TSP、PM10等。一年中6—9月高郁闭度含水体的环境空气质量最好，12—3月空旷地环境内空气质量最差，所以游客最佳的游憩时间应选择雨季的雨后晴天，最佳的游憩地点选择密林区的湖体附近。