李永濤，王霞，魏海霞，周健，李宗泰，劉德璽

(1.山東省林業(yè)科學研究院,山東 濟南 250014；2.山東黃河三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,山東 東營 257000)

空氣負離子(negative air ion，簡稱NAI)又稱負氧離子，是帶負電荷的氣體分子和輕離子團的總稱[1]。自Elster和Geital證實空氣負離子存在以來，其產生的功能、效用也被愈來愈多的人所關注，NAI濃度也逐漸被作為衡量空氣質量好壞的一個重要指標，且對于空氣質量的改善意義重大。目前，空氣負離子的相關理論和技術已被廣泛用于多個領域，其中，國外有關空氣負離子的研究多集中于生物學效應[2]、臨床醫(yī)學應用[3-4]等方面，而國內關于空氣負離子的研究主要集中在不同植被類型森林與綠地空氣負離子的時空變化特征[5]、濃度變化規(guī)律[6-7]、影響因素[8-9]以及評價、分級標準[10-11]等方面，而對森林內空氣負離子動態(tài)變化研究還缺少時間尺度上連續(xù)完整的研究。

黃河三角洲作為中國新生陸地生態(tài)系統(tǒng)，起初生態(tài)環(huán)境極為脆弱，抗干擾能力差，土壤鹽漬化嚴重，且分布有大片未利用的鹽堿化土地。為改善當地生態(tài)環(huán)境，該地區(qū)于20世紀80年代開始大規(guī)模造林。截至目前，區(qū)內刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)林保存面積達5 000hm2左右，是我國現(xiàn)存面積最大的刺槐人工林[12]，且以刺槐為代表的人工林對于改善氣候、涵養(yǎng)水源和保持水土都發(fā)揮了重要作用[13]。而近幾年，隨著生態(tài)環(huán)境污染和人們保健意識的增強，該區(qū)域已成為人們休閑旅游、野外露營的重要區(qū)域，所以研究該區(qū)刺槐人工林空氣負離子的濃度水平及變化規(guī)律顯得十分重要。以30年生人工刺槐純林和混交林為研究對象，分4個季度連續(xù)測定了不同模式下人工林的空氣負離子濃度，對比分析了不同配置模式對空氣負離子濃度的影響，以期為該區(qū)域林分結構調整、森林旅游資源開發(fā)以及生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估提供理論依據。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于山東省東營市河口區(qū)孤島鎮(zhèn)萬畝刺槐林內，地理坐標為37°55′-38°16′N，118°31′-120°18′E，該區(qū)海拔為2.1m，地勢平坦，屬暖溫帶大陸性季風氣候，全年平均氣溫12.8℃，無霜期206d，≥10℃以上的積溫4 150℃。年太陽輻射總量5 189J/m2，年日照時間為2 764h，年降水量562mm，其中約65%的降水集中于夏季，年蒸發(fā)量為1 962mm，是降水量的3.5倍。該區(qū)植物資源豐富，植被類型以天然鹽生、濕生的禾本科(Gramineae)植物白茅(Imperatacylindrica)、蘆葦(Phragmitescommunis)為主，人工林主要樹種為刺槐、白蠟(FraxinusvelutinaTorr.)、榆樹(Ulmuspumila)、臭椿(Ailanthusaltissima)，區(qū)內森林覆蓋率達到50%以上。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇

選取具有代表性的4個人工林作為觀測對象，其中刺槐純林1個，混交林3個，分別為刺槐+白蠟、刺槐+榆樹、刺槐+臭椿(表1)。該人工林于1985年春季采用一年生苗營造，株行距4m×3m，各林分林齡和立地條件相同。在4個人工林地中各設置20m×20m的樣地，各觀測樣地之間的NAI監(jiān)測工作同步進行。

1.2.2 觀測時間與方法

2015年3月至翌年2月，為了減少干擾，選擇天氣晴朗，大氣狀態(tài)相對穩(wěn)定的天氣進行觀測，測量時間為800-1800，逐時、定點測定各監(jiān)測點距地面1.5m處的空氣正負離子濃度，林內空氣溫度、濕度、風速同步測定，每季度(春，3-5月；夏，6-8月；秋，9-11月；冬，12月至翌年2月)測定3d。

空氣負離子測定采用日本KEC-900空氣離子測試儀測定，每個觀測點待儀器穩(wěn)定以后按東、南、西、北4個方向讀數，每個方向讀取3次，取其均值；林內1.5m左右空氣溫濕度、風速等氣象因子采用便攜式HOBO自動氣象站測定。

1.2.3 空氣負離子的評價

空氣質量的評級標準，主要采用目前國際上通用的安倍空氣離子評價指數法[14]?？諝赓|量評價指數CI的計算公式為[14]：q=n+/n-,CI=(n-/1 000)(1/q)。式中，CI為安倍空氣離子評價指數；q為單極系數；n+、n-為空氣正、負離子濃度(ions/cm3)；1 000為滿足人體生物學效應最低需求的空氣負離子濃度(ions/cm3)。按照安倍空氣離子評價指數可把空氣質量分為5個等級，其評價標準見表2。

1.3 數據分析

用Excel 2010進行數據處理和作圖，用SPSS 17.0進行數據統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析和最小顯著差異法(LSD)比較不同數據組間的差異，顯著性水平設定為α=0.05。

表1 林分特征

注：刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)、白蠟(FraxinusvelutinaTorr.)、榆樹(Ulmuspumila)、臭椿(Ailanthusaltissima)。

表2 空氣清潔度與空氣質量評價指數(CI)

2 結果與分析

2.1 林內空氣負離子濃度的季節(jié)變化

由觀測結果(圖1)可知，刺槐不同混交模式的人工林空氣負離子濃度年變化介于351-920個/cm3之間，各模式的人工林NAI濃度季節(jié)變化規(guī)律基本一致。刺槐純林內空氣負離子濃度受季節(jié)影響較大，季節(jié)之間的差異顯著(P<0.05)，呈現(xiàn)出夏、秋2季高于冬、春2季，且夏季最高，而冬季最低，即夏季(852個/cm3)>秋季(732個/cm3)>春季(584個/cm3)>冬季(402個/cm3)。季節(jié)差異最大的是刺槐+臭椿混交林，為484個/cm3；最小的是刺槐純林，為421個/cm3。而且，3種刺槐混交林四季空氣負離子濃度均高于刺槐純林，總體來看，刺槐+白蠟混交林四季均最高，刺槐+榆樹混交林次之。

2.2 林內空氣負離子濃度的日變化

圖1 不同配置模式下林內空氣負離子濃度的季節(jié)變化

注：不同小寫字母表示同種模式不同季節(jié)間的差異顯著。 R為刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)純林，RF為刺槐+白蠟(FraxinusvelutinaTorr.)混交林，RU為刺槐+榆樹(Ulmuspumila)混交林，RA為刺槐+臭椿(Ailanthusaltissima)混交林。

Fig.1 Seasonal variation of air negative ion concentration in different plantation modes

圖2 不同模式人工林四季空氣負離子濃度

2.3 林內空氣離子評議系數

林內空氣離子評議系數(CI)日變化趨勢見圖3-表3。各模式下CI值的日變化與空氣負離子濃度日變化規(guī)律基本一致，呈高-低-高的變化趨勢。清晨800左右隨著光照的增強，CI值開始逐漸升高，1000-1100開始出現(xiàn)第一個高峰，中午經過光合“午休”現(xiàn)象后，1600左右出現(xiàn)第二個高峰，此后隨著光照減弱，植物的光合作用逐漸降低，使CI值逐漸降低。四季平均空氣離子評議系數依次為：夏季(1.04)>秋季(0.92)>春季(0.70)>冬季(0.64)。在空氣質量等級劃分上，夏季最高，達到A級最清潔標準；秋、春2季雖均達到B級，但春季處于B、C級的邊緣；冬季標準最低，僅為C級中等清潔標準。

2.4 影響林內空氣負離子濃度的關鍵因子分析

將空氣負離子濃度與林分郁閉度，平均胸徑、樹高、枝下高進行相關性分析，結果發(fā)現(xiàn)，空氣負離子濃度與郁閉度呈極顯著正相關(R=0.998**)，與胸徑呈顯著相關(R=0.976*)；而與樹高(R=-0.846)、枝下高(R=-0.467)無顯著相關性。

通過對林內不同季度(春，3-5月；夏，6-8月；秋，9-11月；冬，12月至翌年2月)氣象因子進行同步觀測發(fā)現(xiàn)，不同季度林內各氣象因子日變化幅度較大，但變化趨勢趨于一致。其中空氣濕度與風速日變化均呈現(xiàn)高-低-高的U字形，空氣溫度則相反，呈低-高-低的倒U字形。對空氣負離子與林內氣象因子進行相關性分析，空氣負離子濃度與林內空氣溫度呈顯著正相關(R=0.954*)，而與林內濕度(R=0.874)和林內風速(R=-0.890)無顯著相關性。

圖3 不同模式人工林四季空氣負離子濃度和空氣離子評議系數

代碼8009001000110012001300ARF054±011075±018102±011086±024082±017081±020RU056±013079±009092±027068±017071±022058±007RA047±008064±011093±013062±013048±011054±010R041±006065±007072±022049±009051±014052±014BRF082±017094±021139±029118±031105±029098±009RU080±020107±018128±033103±024088±015080±021RA079±007104±024107±028083±018086±023091±023R081±014096±023112±031084±019079±011076±017CRF084±022093±011122±034101±033097±028087±011RU074±018106±030114±027101±017086±009086±020RA078±023084±014108±035099±026092±018077±008R087±013091±017111±031092±031081±011075±014DRF038±004048±010053±020092±018087±031075±017RU034±010041±007051±017083±009081±009067±013RA027±007039±011056±014068±012067±013054±008R028±005044±009059±016071±014062±017060±010

代碼14001500160017001800ARF068±018093±030107±024072±017083±017RU063±014075±022096±021064±009067±011RA067±015083±018092±015062±011069±009R056±014071±023074±019052±010054±011BRF115±021134±041157±043114±027123±028RU097±023120±031145±031112±019116±024RA104±027123±015122±054103±038101±029R071±011096±026125±021101±021094±017CRF090±016109±023138±030092±017102±032RU080±027094±019123±024074±013093±021RA062±025081±014109±007068±014095±017R069±007073±021115±017071±011103±022DRF072±018086±018098±026069±017072±029RU074±021075±023085±018062±009061±014RA063±007073±016081±019060±012064±007R058±011067±027085±022062±015068±018

3 結論與討論

不同的季節(jié)條件下空氣負離子濃度和空氣質量出現(xiàn)差異，通常表現(xiàn)為夏季最高，冬季最低的總趨勢[15]，本研究中，空氣負離子濃度年變化介于351-920個/cm3之間，季節(jié)變化會顯著影響空氣負離子濃度，空氣負離子濃度夏秋高于冬春，且夏季最高，冬季最低，這與前人的研究結果一致[16-17]。這可能與夏季太陽輻射量高及空氣濕度大、植物生長茂盛、光合作用強等因素有關；而冬季NAI濃度較小可能主要由于該季節(jié)空懸浮顆粒物增多、大氣污染相對嚴重，同時研究區(qū)為落葉闊葉林區(qū)，林木處于休眠狀態(tài)，光合作用微弱。空氣離子評價系數CI的計算結果也表明，夏季(1.04)達到A級最清潔標準；秋、春2季(0.92、0.70)達到B級清潔標準；而冬季(0.64)標準最低，僅為C級中等清潔標準?？諝庳撾x子的日變化在一天中會出現(xiàn)波峰、波谷相互交替的現(xiàn)象，但出現(xiàn)時間存在一定的差異[18]。趙雄偉等[19]對北戴河聯(lián)峰山公園刺槐林地內空氣負離子的研究結果得出波峰出現(xiàn)在上午700-1100、下午1600-1700，波谷出現(xiàn)在中午1100-1300；本研究中得出，四季日變化在1000-1100和1600左右出現(xiàn)2個峰值，1200-1400出現(xiàn)1個谷值，研究區(qū)域的不同可能是結論不同的一個重要原因[20]。

空氣負離子作為空氣清新程度的指南針，其濃度受人為和環(huán)境影響較大，同一區(qū)域不同優(yōu)勢種類型人工林空氣負離子濃度均存在明顯差異，優(yōu)勢種應用和配置帶來的林分結構變化與大區(qū)域氣象條件共同作用引起的林下小環(huán)境因子的變化都在一定程度上影響空氣負離子的變化[21]，因而可將影響林分空氣負離子濃度的因子區(qū)分為林分因子(樹高、冠幅、胸徑等)和環(huán)境因子(溫度、相對濕度、風速等)。本研究中，空氣負離子濃度與郁閉度、胸徑均呈顯著正相關。說明胸徑、冠幅較大的林分，單位面積內生物量較大、葉面積指數較高，從而有利于空氣負離子的產生，這與周斌等人的研究結果一致[22]。空氣負離子濃度受森林環(huán)境因子的影響較為復雜，其相關性很難得出統(tǒng)一定論。本研究得出，空氣負離子濃度與林內空氣溫度呈顯著正相關，與林內風速無顯著相關性，這與周海博等[23]、王薇等[24]的研究結果一致。林內溫濕度對空氣負離子濃度有較大影響已得到廣泛共識，但究竟是何種關系，還需長期進一步地跟蹤監(jiān)測，使測定結果更加客觀。

本研究對黃河三角洲4種不同模式人工林空氣負離子水平進行研究，結果表明，混交林模式空氣負離子濃度明顯優(yōu)于刺槐純林，且不同混交模式下空氣負離子濃度存在一定差距，4種混交模式中以刺槐+白蠟混交模式最好。目前，黃河三角洲部分人工刺槐林已出現(xiàn)退化、死亡現(xiàn)象，因此，今后該地區(qū)在退化刺槐人工林更新改造調整時宜優(yōu)先考慮刺槐+白蠟混交模式。森林空氣負離子方面的研究目前越來越多，但由于測試儀器、研究方法和評價標準的不統(tǒng)一，研究結果也不盡相同。為發(fā)揮森林生態(tài)功能，應建立完善的環(huán)境監(jiān)測制度，為森林生態(tài)功能效益估算提供依據。

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