黑龙江森林植物园药用植物生态效益评价

王 巍

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

药用植物是园林植物应用类别中的特殊类型，通常兼具生态、观赏及改善环境质量提高人居健康的功效。本研究以黑龙江省森林植物药用植物园为研究样地，对城市绿地中药用植物群中的二氧化碳浓度、群落负氧离子、群落菌落指标进行测定，对绿地药用植物群落的生态效益进行定量研究。以期进一步了解药用植物生态效益尺度，旨在为药用植物在城市绿地中的应用提供依据。

1 试验设计与方法

1.1 样地选择

2021年6月下旬在黑龙江省森林植物药用园绿地开展试验，从边界往中心随机选择样地，每个样地的尺度设定为10 m×10 m，共8个样本对药用植物园进行群落调查。选取森林植物园4种典型植物群落进行生态效益因子的观测（表1），分别为落叶松林群落、白桦林群落、丁香群落、草地群落。每个样地内随机设置3个样地，共12个样点。为降低天气变化的影响与干扰，测定时间天气均选为晴朗、无风或微风天气状态，对各样地进行原位测定。

表1 药用植物群落类型分析

1.2 采集与分析方法

1.2.1 CO2浓度测定

CO2测定采用非色散红外（NDIR）气体分析仪（LI-840A CO2/H2O，美国）。观测时间为2021年6月19日至10月27日8:00～18:00，气体收集装置放置在离地1.5 m的位置，每隔2 h进行一次数据采集，记录仪器稳定后3 min内的全部数据，数据间隔时间为10s。在整个观测期，选择与第1次测时类似的天气状况（主要考虑日照与风速）进行，在同一月份内连续或间隔重复观测2次，每月进行3次测定。通过对判定采集气体浓度与采样时间相关系数（R2>0.95）值来确定数据的有效性[1]。

1.2.2 负氧离子浓度测定

采用空气正负离子浓度测定仪(DLY SG,美国)测定负氧离子浓度。按照仪器操作规程，仪器需处于距地面约120 cm的水平面，待仪器读数稳定后,读取3个峰值数据,由于负氧离子具有不稳定性，在测量过程中需要同步测定记录样点4个方向的数据，观测时间通常为8:00～18:00,每隔2 h观测记录1次[44]。

1.2.3 微生物测定

采用固体撞击式多功能空气微生物检测仪（JWL-II B型,中国）采集真菌与细菌。仪器使用需要放置在距地面1.5 m的高度进行采样收集,每隔2 h取样3次。仪器操作需要按照规程进行空气流量矫正,流速控制按仪器要求设置。真菌细菌取样分别采用沙氏培养基和牛肉膏蛋白胨培养基，菌类培养过程执行相关实验规程，培养48 h后利用显微镜观测，通过空气微生物浓度公式进行计算[2]：

式中，E(CPU·m-3)单位体积内空气细菌量含量；N(CPU)培养皿中菌落平均个数；A表示单位时间空气流速(L·min)；T表示采样时间(min)

1.3 数据处理

利用SPSS22及Excel2021，对所采集的二氧化碳、负氧离子、数据予以分析处理。各数据组间配对比较、差异判断采用T检验完（LSD），显著性水平取默认值0.05。

2 生态效益分析

2.1 公园CO2效益研究

2.1.1 CO2浓度日变化特征

图1反映的是药用植物园不同类型药用植物群落6～10月CO2浓度日变化。4类药用植物群落CO2浓度日变化呈现波动趋势；上午8:00，以乔木为主的药用植物群落CO2浓度低，地被类药用植物群落CO2浓度相对较高；傍晚18:00时CO2浓度变化趋势与上午8:00时的情况相反，即以乔木为主的药用群落CO2浓度最高，其他较低；上午8:00～12:00,4个类型群落CO2浓度呈线性下降的变化趋势，12:00到达波度波谷后随时间推移逐渐上升，在18:00时浓度到达第二波峰，上午8时落叶松药用群落CO2浓度最高，其余药用植物群落CO2均低于8:00时观测结果。对不同类型CO2日变化幅度分析发现，结构复杂的群落浓度变化显著，反之浓度变化幅度较小。其中，落叶松群落CO2浓度在4 h内从361.32 μmol/mol降至315.71 μmol/mol，是所有类型群落中下降幅度最大的。该群落12:00～4:00，CO2浓度变化速率维持在9.78 μmol/mol·h，随后浓度增幅快速提升，18:00到达峰值386.13 μmol/mol，4 h内CO2平均变化速率为24.93 μmol/mol·h。皂荚、暴马丁香、八宝景天群落样地CO2浓度日变化趋势类似，浓度值变化幅度小，仅在0.5～1.3μmol/mol范围内。不同群落之间间CO2浓度日变化呈现暴马丁香、八宝景天次之，皂荚群落最低。

图1 药用植物园不同群落类型CO2浓度的日变化

2.1.2 CO2浓度季节变化特征

落叶松群落CO2浓度呈现秋季>春季>夏季的季节性二变化趋势（图2a）。其平均浓度值(343.91±21.76)μmol/mol，变化幅度介于(313.89±34.18)～(379.91±50.03)μmol/mol。从春季开始，落叶松群落CO2浓度缓慢下降，最低点出现在7月中旬，浓度值为(313.97±9.01)μmol/mol，随后逐渐上升，在10月末达到(428.69±41.87)μmol/mol的峰值。落叶松群落CO2浓度呈现出随季节先降低后升高的季节分布格局。

落叶松群落春夏秋三季平均CO2浓度分别为(339.98±24.11)、(326.01±25.66)、(422.03±16.98)μmol/mol，表现为春夏季浓度总体低于秋季，夏季CO2浓度最低，秋季群落中CO2浓度是夏季的1.27倍（P<0.05）。

皂荚群落CO2浓度变化曲线呈现不规律的季节性波动（图2b），秋季>春季>夏季的季节变化动态，CO2季节平均浓度为（350.06±29.91）μmol/mol；进一步分析发现，春夏秋三季CO2浓度变化趋势存在异同，春夏季浓度变化趋势相似，浓度变化的幅度小，春夏之间呈现平稳下降的动态，7月末到达波谷，最小浓度值为（349.02±16.99）μmol/mol，随后波动上升，最大浓度峰值出现在10月（404.91±8.01)μmol/mol。春夏秋三季CO2平均浓度依次为（3534.11±37.79）、（329.88±19.61）、（364.91±34.07）μmol/mol，夏季平均浓度较秋季下降7.72%（P<0.05）。

图2 不同群落CO2浓度季节变化曲线

暴马丁香群落春夏秋三季CO2浓度变化曲线（图2c）呈现秋季>春季>夏季的季节动态格局。春秋浓度的峰值接近，夏季浓度最低，但其季节内总体变化幅度不大，维持在40μmol/mol区间，春季与秋季CO2浓度为（360.17±24.93）、（376.92±15.05）μmol/mol，是夏季的1.13倍。

八宝景天群落季节CO2浓度曲线（图2d）呈现波动上升的季节动态。三季CO2浓度平均值分别是（359.73±22.39）μmol/mol。春季浓度最高为（380.00±21.18）μmol/mol，秋季次之（378.36±20.63）μmol/mol，夏季最低，较春季下降了15%（P<0.05）为（321.93±24.87）μmol/mol。

2.1.3 不同群落CO2季节性浓度与影响因子

暴马丁香群落与八宝景天群落CO2浓度日变化与地表温度、空气温度呈极显著负相关（P<0.01），其他2个类型与4个因子的相关性不显著（表2）。

表2 不同群落CO2浓度（日变化、季节变化）与温湿压的相关性

地表温度、空气温度、大气压强对落叶松、皂荚、暴马丁香三个群落CO2浓度季节变化具有显著影响，其中温度与浓度呈现极显著负相关（P<0.01），大气压强则为极显著正相关（P<0.01）。空气湿地对4个类型群落CO2浓度季节性变化均无显著相关影响。

2.1.4 同城区域CO2浓度与药用植物比较

图3反映的是药物园内5、7、9月CO2平均浓度与市区CO2均值的对比。药用园三个时间段的观测结果分别为369.16、375.77、392.92μmol/mol，显著低于市区对照观测点数值（399.27μmol/mol）。

图3 药用植物园5，7，9月CO2平均浓度与市区对照

经方差检验，三个观测月CO2平均浓度差异显著（表3），表明药用植物对降低CO2浓度，改善生态效益有明显的作用。

表3 药用植物园与市区空气中CO2浓度方差分析

2.2 公园负氧离子效益研究

2.2.1 公园绿地负氧离子标准

参照空气负离子计算方法与现行的空气质量评定标准，对药用植物园不同植物群落负氧离子进行观测评定。计算公式如下：

式中，n为正负离子浓度；q为负离子系数；CI为安评价指数。我国学者钟林生、石强分别提出空气质量评价系数和森林空气离子评价指数[3-5]（FCI）。

表4 空气清洁度评价标准

2.2.2 公园绿地负氧离子分析

由表5可知，落叶松群落样地负氧离子浓度最大，皂荚次之，暴马丁香最低。负氧离子高的群落样地，空气清洁等级均达优质。进一步对样地的郁闭度、空气温度、相对湿度进行相关性分析（表6）发现，负氧离子浓度与郁闭度及相对湿度有较强的联系，呈现显著或极显著相关性（P<0.05），与空气温度无显著相关性。群落的结构与负氧离子呈极显著正相关（P<0.01），以乔灌草为主体的落叶松群落、皂荚群落负氧离子个数到达2650、2630个，空气质量达到优（表7）。

表5 不同样地环境因子与负氧离子浓度

表6 负氧离子浓度与环境因子的相关关系

表7 群落结构与空气负氧离子浓度

2.3 公园绿地空气微生物效益研究

空气中微生物数量能反映出植物群落生态效益的强弱，还能进一步反映出群落空间空气的洁净度、卫生健康。空气中常见的微生物主要包括细菌和真菌，因此通过测定药用植物园不同群落环境中的微生物含量，对评估药用植物群落生态效益也具有非常重要的意义。通过观测可以有效评估植物类型或群落对空气质量的影响，本次研究采用的评价标准及方法参见谢淑敏和余叔文的研究成果及相关标准规范（表8、表9）。

表8 空气微生物评价标准103 CFU/m3

表9 空气微生物环境质量分级标准[81]CFU/m3

综上已有的评价指标及标准，同时结合世界卫生组织关于安全环境细菌含量的规定，提出了绿地游憩适宜性空气质量评价标准（表10）。

表10 绿地空气微生物含量游憩适宜性评价标准

2.3.1 真菌与细菌的日变化

药用植物园真菌浓度日变化呈现明显的波动变化特征（图4）。真菌浓度从上午08:00开始逐渐降低，于14点左右达到最低值，然后随时间推移浓度逐渐升高。观测点真菌日平均浓度为177.05CPU/m3。

图4 药用植物园空气真菌平均浓度

药用植物园空气细菌日平均浓度的变化呈现明显的单峰曲线形态（图5）。与对比样点比较，两者的平均浓度分别为95.8 CPU/m3和105.9CPU/m3，差值为10.1 CPU/m3。

图5 药用植物园绿地样点生长季空气细菌浓度

2.3.2 真菌与细菌的季节变化特征

药用植物园不同群落真菌浓度的变化有显著季节特征（表11）。春夏秋皂荚群落真菌浓度最低（33CPU/m3），春季最高的是暴马丁香群落（82CPU/m3），夏秋季最高的是落叶松群落（367、209 CPU/m3），进一步分析发现，真菌浓度与季节变化不存在显著相关关系（表12）。

表11 不同季节药用植物园空气真菌浓度CPU/m3

表12 不同季节药用植物园空气真菌浓度显著性分析

由表13可知，春季各群落空气中细菌浓度都是处于观测季中的最低水平，其中，皂荚群落为4个群落中最低的，其细菌平均浓度值为105CPU/m3，春夏秋细菌浓度最低的群落分别是皂荚、落叶松，但细菌浓度的变化与季节无显著差异（p>0.05）。

表13 药用植物园空气细菌浓度季节变化CPU/m3

将观测结果与空气质量标准对比换算得出四种群落空气内真菌、细菌浓度都对应到达安全级别，对改善空气质量具有较好的作用（表14）。

表14 不同季节药用植物园空气细菌浓度显著性分析

3 结论

药用植物园4种群落CO2浓度的日变化、季节动态分布具有时空差异，夏季各群落浓度最低，秋季通常最高；群落结构多样丰富的CO2浓度通常比简单结构的群落明显降低。影响植物群落CO2浓度的主要因子为温度，与相对湿度的相关性不显著。药用植物园平均浓度低于市区观测点，具有较好的降低空气健CO2浓度的生态效益。影响负氧离子的因子为郁闭度。药用植物园空气中真菌、细菌的浓度也具有一定的时空动态变化特征，经过测定换算，药用植物群落具有很好的改善空气质量的作用，有益于植物群落发挥更好的生态效益。