周 斌，余樹全，張 超，伊力塔

（浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 臨安 311300）

空氣負(fù)離子具有殺菌、降塵、清潔空氣等作用，被譽(yù)為 “空氣維生素”，已被部分城市作為評(píng)價(jià)環(huán)境空氣清潔程度的重要指標(biāo)[1-3]。城市綠地能夠產(chǎn)生大量空氣負(fù)離子，其原因在于綠地具有降溫增濕的作用，并且可以通過(guò)光合作用釋放氧氣，而氧氣分子和水分子正是形成空氣負(fù)離子的主要成分。目前，關(guān)于空氣負(fù)離子效應(yīng)的研究對(duì)象多集中于風(fēng)景區(qū)、公園、校園和城區(qū)等環(huán)境，研究?jī)?nèi)容也以特定區(qū)域或群落類型的空氣負(fù)離子濃度變化特征為主[4-5]，而對(duì)不同樹種林分內(nèi)的負(fù)離子效應(yīng)研究較少，為數(shù)不多的研究成果也因當(dāng)時(shí)人力物力的限制，在試驗(yàn)方案制訂方面存有問(wèn)題，難以揭示不同樹種間的負(fù)離子效應(yīng)差異。吳際友等[6]在2000年7月中旬連續(xù)3 d于湖南南岳樹木園對(duì)8種園林樹種林分內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)和排序，但其觀測(cè)時(shí)間僅為每天的8:30，由于大量實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明不同林分內(nèi)空氣負(fù)離子濃度的日變化曲線不盡相同，因此，單一時(shí)刻的觀測(cè)結(jié)論不足以推斷林分的整體特征。邵海榮等[5]自1999年至2002年多次在不同季節(jié)對(duì)北京市北部和西北部山區(qū)的林場(chǎng)和自然保護(hù)區(qū)的12種林分的空氣負(fù)離子濃度水平進(jìn)行測(cè)定，因未在文中說(shuō)明具體的監(jiān)測(cè)時(shí)間，所以我們無(wú)法判斷該實(shí)驗(yàn)是否同樣存在觀測(cè)時(shí)間的偏頗問(wèn)題，但是相關(guān)研究已初步明確空氣負(fù)離子濃度與局部環(huán)境溫度及空氣污染狀況呈負(fù)相關(guān)，與空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)[7-8]，而該實(shí)驗(yàn)中的樣地在地理空間分布上跨度較大，外部環(huán)境的差異極易影響到觀測(cè)數(shù)據(jù)的可比性。因此，選擇環(huán)境條件一致，唯一差異是樹種林分差異的局地區(qū)域，是揭示不同樹種林分空氣負(fù)離子效應(yīng)差異的關(guān)鍵。為此，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并于2009年夏季選擇嘉興市新塍鎮(zhèn)苗圃基地的13個(gè)不同林分進(jìn)行空氣負(fù)離子濃度日變化的觀測(cè)（該樣地周圍環(huán)境條件完全相同，唯一差異是樹種林分不同，而且各林分面積大小基本相同），旨在揭示不同城鎮(zhèn)造林綠化樹種林分空氣負(fù)離子效應(yīng)差異。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地概況

浙江省嘉興市地處長(zhǎng)江三角洲南翼的杭嘉湖平原， 位于 30°19′39″～ 31°01′57″N， 120°17′27″～ 121°15′54″E，全市森林覆蓋率為15.9%。嘉興市新塍鎮(zhèn)屬太湖流域，河網(wǎng)密布；該區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，雨水豐沛，年均氣溫為15.5℃，年降水量為1167.5mm，年日照時(shí)數(shù)達(dá)2007 h，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)；全鎮(zhèn)地勢(shì)平坦，平原面積占88.1%，水域面積占11.9%，平均海拔高度為3.7 m。

嘉興市新塍鎮(zhèn)苗圃基地占地面積約2.5 hm2，地勢(shì)開(kāi)闊平整，形狀為長(zhǎng)方形。沿縱軸方向1條5 m寬的水泥路將苗圃均分，13種林分沿路規(guī)則排布兩側(cè)，面積為1600～2500 m2，形狀為長(zhǎng)方形。同一林分內(nèi)樹種規(guī)格相同，株行距相同。林分長(zhǎng)勢(shì)良好，無(wú)病蟲害，除2塊為喬灌混交林外 （帶狀間隔栽植），其他均是喬木或灌木純林，各樹種林分所處的大氣、土壤等環(huán)境條件完全一致。林分特征見(jiàn)表1。

1.2 觀測(cè)內(nèi)容與方法

空氣負(fù)離子的觀測(cè)選擇在各種林分的中心位置，距地面1.5 m高，分別測(cè)定東南西北4個(gè)方向，各個(gè)方向讀取10個(gè)穩(wěn)定值，取平均值作為該林分的負(fù)離子觀測(cè)值進(jìn)行分析。于2009年7-8月，每月各選擇晴朗無(wú)風(fēng)的3 d對(duì)13種林分以及1塊對(duì)照空地（水泥地面）進(jìn)行觀測(cè)，從早上6:00至下午18:00，隔2 h測(cè)定1次，同時(shí)記錄溫濕度、紫外線強(qiáng)度和可吸入顆粒物（PM10）濃度。

1.3 觀測(cè)儀器

負(fù)離子濃度監(jiān)測(cè)使用ITC-201A型智能便攜式空氣離子測(cè)試儀。該儀器的離子濃度測(cè)量范圍為10.00～1.99×106個(gè)·cm-3，測(cè)定離子濃度誤差≤±10%，離子遷移率誤差≤±10%；采用臺(tái)灣產(chǎn)TES-1362型數(shù)字式溫濕度測(cè)量?jī)x測(cè)定氣溫和相對(duì)濕度，氣溫測(cè)量范圍為-20～+85℃，測(cè)量精度±0.1℃，相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0～100%，測(cè)量精度±0.1%；采用Apogee紫外線輻射計(jì)測(cè)定紫外線強(qiáng)度，該儀器的測(cè)量范圍為 0 ～ 400μmol·m-2·s-1（全光照的紫外強(qiáng)度為 170μmol·m-2·s-1）， 測(cè)量精度為 ± 10%；采用 LD-3C 型激光粉塵儀測(cè)定粉塵含量，測(cè)定范圍為0.01～100.00 mg·m-3和0.001～10.000 mg·m-3，測(cè)量精度±10%。

表1 林分特征Table1 Characteristics of 13 plant communities

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析比較13種林分及對(duì)照空地的日均空氣負(fù)離子濃度差異。將13種林分按結(jié)構(gòu)差異分為單層喬木林、單層灌木林、喬灌結(jié)合復(fù)層混交林3種類型，以空地為對(duì)照比較其林分內(nèi)部空氣負(fù)離子濃度的日變化特征。將空氣負(fù)離子濃度和氣溫、相對(duì)濕度、紫外線強(qiáng)度及粉塵含量進(jìn)行平均值處理，以日變化時(shí)間為周期單位，進(jìn)行空氣負(fù)離子濃度和環(huán)境因子的相關(guān)性分析。將空氣負(fù)離子濃度與林分的平均胸徑、樹高、郁閉度和密度等結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行相關(guān)性分析。

在數(shù)據(jù)分析前，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性與齊性檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理分析利用SPSS 15.0軟件進(jìn)行，使用Origin 8.0軟件完成相關(guān)圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種林分對(duì)夏季日均空氣負(fù)離子濃度的影響

方差分析表明：除無(wú)患子Sapindus munorossi和黃山欒樹Koelreuteria paniculata外，其他樹種林分的空氣負(fù)離子濃度均顯著高于空地（圖1），13種林分與空地的負(fù)離子濃度平均差異為193個(gè)·m-3。將各林分空氣負(fù)離子濃度與空地的平均差值以ΔC表示，其中ΔC高于300個(gè)·m-3的林分只有L11，占總數(shù)的7.7%；ΔC值在100～200個(gè)·m-3的林分有5個(gè)，占總數(shù)的38.5%，分別是L2，L3，L5，L9，L13；ΔC值在200～300個(gè)·m-3的林分有5個(gè)，分別是L4，L6，L7，L8和L12。

櫻花Ceranus serrulata-小葉黃楊Buxus sinica var.parvifolia混交林日均空氣負(fù)離子濃度明顯高于其他林分，達(dá)822個(gè)·m-3，紅楓Acer palmatum ‘Atropurpureu’純林和白玉蘭Magnolia denudata-小葉黃楊混交林次之，分別為743個(gè)·m-3和731個(gè)·m-3，其共同特征表現(xiàn)為林冠層位置較低，距地面1.5 m高度處葉面積較大，林分密度較高。無(wú)患子和黃山欒樹純林內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度較低，分別為532個(gè)·m-3和533個(gè)·m-3，與杜英Elaeucarpus decipiens，深山含笑Michelia maudiae以及楓香Liquidambar formosana純林等空氣負(fù)離子濃度較高的林分比較，這2種林分沒(méi)有表現(xiàn)出相對(duì)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征。綜合來(lái)看，經(jīng)最小顯著差數(shù)法（LSD）多重比較分析，13種林分中8種林分內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度差異并不顯著，占總數(shù)的61.5%，其濃度水平集中分布在650～750個(gè)·m-3。由此可以推斷，多數(shù)樹種林分內(nèi)空氣負(fù)離子濃度差異并不大，空氣負(fù)離子效應(yīng)較強(qiáng)或較弱的樹種林分只占少數(shù)，櫻花+小葉黃楊混交林應(yīng)作為重點(diǎn)觀察對(duì)象，在持續(xù)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣。

圖1 不同樹種林分空氣負(fù)離子濃度的顯著性差異Figure1 Notability difference of aero-anion concentrations in different tree species

2.2 不同林分結(jié)構(gòu)夏季空氣負(fù)離子濃度日變化

將13種林分按林分結(jié)構(gòu)差異，分為單層喬木林、單層灌木林以及喬灌復(fù)層混交林3種類型，比較其空氣負(fù)離子濃度日變化（6:00-18:00）特征（圖2）。經(jīng)方差分析，不同結(jié)構(gòu)林分的空氣負(fù)離子濃度差異明顯，具體表現(xiàn)為喬灌復(fù)層混交林（751個(gè)·m-3）＞單層灌木林 （700 個(gè)·m-3）＞單層喬木林（622 個(gè)·m-3）＞空地（472 個(gè)·m-3）。

不同結(jié)構(gòu)林分日變化趨勢(shì)較為一致，在10:00左右空氣負(fù)離子濃度達(dá)到峰值后逐漸下降，在16:00-18:00又有一個(gè)明顯的上升趨勢(shì)。原因在于早晨植物光合作用較弱，隨著太陽(yáng)輻射不斷增強(qiáng)，植物光合作用逐漸加強(qiáng)，因而產(chǎn)生大量空氣負(fù)離子，至9:00-10:00達(dá)到峰值。中午前后，由于太陽(yáng)輻射達(dá)到最強(qiáng)，植物光合作用也出現(xiàn) “午休”現(xiàn)象，再加上夏季溫度偏高，空氣相對(duì)濕度較低，在12:00-16:00空氣負(fù)離子濃度基本上呈逐漸降低趨勢(shì)。相關(guān)研究認(rèn)為14:00過(guò)后，隨著太陽(yáng)輻射的減弱，植物光合作用逐漸加強(qiáng)，空氣相對(duì)濕度也逐漸變大，至16:00左右空氣負(fù)離子濃度會(huì)達(dá)到第2個(gè)峰值[9]。然而，本研究中的空氣負(fù)離子濃度并沒(méi)有在16:00左右出現(xiàn)第2個(gè)峰值，而是在18:00達(dá)到一個(gè)峰值，筆者認(rèn)為：這與夏季日照時(shí)間較長(zhǎng)，16:00時(shí)空氣相對(duì)濕度仍然較低有關(guān)。

圖2 空氣負(fù)離子晝間變化Figure2 Diurnal change of aero-anion concentrations

2.3 空氣負(fù)離子濃度與環(huán)境因子的關(guān)系

將空氣負(fù)離子濃度和氣溫、相對(duì)濕度、紫外線強(qiáng)度和可吸入顆粒物進(jìn)行平均值處理，以日變化時(shí)間為周期單位，進(jìn)行空氣負(fù)離子濃度和環(huán)境因子的相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示：①空氣負(fù)離子濃度與空氣相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。根據(jù)大地測(cè)量學(xué)和地理物理學(xué)國(guó)際聯(lián)盟大氣聯(lián)合委員會(huì)的理論，空氣負(fù)離子的主要存在形式是 O2-（H2O）n，OH-（H2O）n和 CO-4（H2O）2， 由此可以推測(cè)， 相對(duì)濕度對(duì)空氣負(fù)離子濃度影響較大[10]。本研究對(duì)空氣負(fù)離子與空氣相對(duì)濕度的分析結(jié)果支持了這一結(jié)論。②空氣負(fù)離子濃度與氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），這與氣溫升高導(dǎo)致空氣相對(duì)濕度的降低有關(guān)。③與以往研究結(jié)論[4]不同的是本研究中空氣負(fù)離子濃度并沒(méi)有與空氣中的粉塵含量呈顯著負(fù)相關(guān)，其原因是本實(shí)驗(yàn)所選擇的苗圃基地環(huán)境條件較好，人為活動(dòng)干擾少，空氣中的可吸入顆粒物（PM10）含量較低且變化不大所致，這也從側(cè)面反映出本實(shí)驗(yàn)樣地選擇的合理性。④空氣負(fù)離子濃度與紫外線輻射強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

2.4 空氣負(fù)離子濃度與林分因子的關(guān)系

2.4.1 空氣負(fù)離子濃度與林分結(jié)構(gòu)特征相關(guān)性分析 將空氣負(fù)離子濃度與林分平均胸徑、樹高、郁閉度和密度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示：①空氣負(fù)離子濃度與林分的密度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。密度較大的林分，降溫保濕效果較好，單位面積內(nèi)生物量較大、葉面積指數(shù)較高，從而有利于空氣負(fù)離子的產(chǎn)生，這一點(diǎn)與秦俊等[11]的結(jié)論基本一致。②空氣負(fù)離子濃度與樹高和胸徑呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平。空氣中的負(fù)離子一直處于動(dòng)態(tài)平衡中，其壽命很短，只有幾十秒至數(shù)分鐘，不易在環(huán)境中積累[12]。據(jù)研究證明空氣負(fù)離子在環(huán)境中的衰減距離為20 cm[13]，而植物葉片在光合作用過(guò)程中的光電效應(yīng)及其所釋放的氧氣又是產(chǎn)生空氣負(fù)離子的主要途徑之一。因此，我們推測(cè)高大喬木在林冠處產(chǎn)生的大量空氣負(fù)離子不易逾越數(shù)米距離擴(kuò)散至地面，從而導(dǎo)致了1.5 m處觀測(cè)位置較低的濃度水平。③空氣負(fù)離子濃度與林分郁閉度無(wú)相關(guān)性。由于本研究各林分郁閉度差異不大，以致空氣負(fù)離子濃度與林分郁閉度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的相關(guān)性不明顯。

2.4.2 不同樹種林分空氣負(fù)離子濃度與林分密度的協(xié)方差分析 本研究通過(guò)對(duì)空氣負(fù)離子濃度與林分結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)性分析，得出 “空氣負(fù)離子濃度與林分密度呈顯著正相關(guān)”的結(jié)論，然而本文的研究重點(diǎn)在于探索不同樹種林分內(nèi)空氣負(fù)離子濃度的差異情況，觀測(cè)的時(shí)候就必須要求各林分的密度盡量一致。這在實(shí)際研究中是難以控制的。因此，我們采用協(xié)方差分析法，將林分密度因素作為協(xié)變量，消除其對(duì)空氣負(fù)離子濃度的線性影響后，比較不同樹種林分內(nèi)空氣負(fù)離子濃度的差異。使用聚類分析將13種林分的夏季日均空氣負(fù)離子濃度值按高、中、低分成3個(gè)組，最小顯著差數(shù)法（LSD）多重分析顯示3組林分間空氣負(fù)離子濃度差異顯著?？諝庳?fù)離子高濃度組包括櫻花+小葉黃楊混交林、紅楓純林和白玉蘭-小葉黃楊混交林等3種林分；中濃度組包括杜英，四照花Dendrobenthamia japonica var.chinensis，廣玉蘭Magnolia grandiflora，樂(lè)昌含笑Michelia chapensis，深山含笑，桂花Osmanthus fragrans和楓香等7種純林；低濃度組包括樟樹Cinnamomum camphora，無(wú)患子和黃山欒樹等3種純林。以空氣負(fù)離子濃度為自變量，林分密度為協(xié)變量，對(duì)3組林分進(jìn)行協(xié)方差分析，結(jié)果如表4所示：密度因素對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響沒(méi)有達(dá)到顯著水平（P=0.859），結(jié)合表3結(jié)論可知，就本研究而言，林分密度對(duì)空氣負(fù)離子濃度水平具有一定的積極影響，但就程度而言，尚不能起到?jīng)Q定性作用。對(duì)3組林分的空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行密度因素修正之后進(jìn)行最小顯著差數(shù)法（LSD）多重比較，如表5所示，其空氣負(fù)離子濃度差異依然顯著。

表2 負(fù)離子與環(huán)境因子相關(guān)分析矩陣Table2 Correlativity of aero-anion concentrations with other environmental factors

表3 負(fù)離子與林分特征結(jié)構(gòu)相關(guān)分析矩陣Table3 Correlativity of aero-anion concentrations with characteristic of plant communities

表4 樹種與密度的協(xié)方差分析Table4 Covariance of tree species and density

表5 3組林分空氣負(fù)離子濃度LSD多重比較Table5 LSD multiple comparisons of aero-anion concentration in different tree species

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)櫻花+小葉黃楊混交林具有較高的空氣負(fù)離子濃度，為822個(gè)·m-3，黃山欒樹純林與無(wú)患子純林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度較低，分別為532個(gè)·m-3和533個(gè)·m-3。多數(shù)樹種林分內(nèi)空氣負(fù)離子濃度差異并不大，空氣負(fù)離子效應(yīng)較強(qiáng)或較弱的樹種林分只占少數(shù)，櫻花-小葉黃楊混交林應(yīng)作為重點(diǎn)觀察對(duì)象，在持續(xù)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣。不同結(jié)構(gòu)林分的空氣負(fù)離子濃度差異明顯，具體表現(xiàn)為喬灌混交林（751 個(gè)·m-3）＞灌木林（700 個(gè)·m-3）＞喬木林（622 個(gè)·m-3）＞空地（472 個(gè)·m-3）。 其日變化趨勢(shì)較為一致，表現(xiàn)為上午10:00左右出現(xiàn)一個(gè)峰值，下午16:00-18:00有一個(gè)上升趨勢(shì)。喬灌混交林是產(chǎn)生高空氣負(fù)離子濃度的林分類型，能夠最大限度地發(fā)揮生態(tài)效益，有利于提高人居環(huán)境質(zhì)量[14]。

林分密度對(duì)空氣負(fù)離子濃度水平具有一定的積極影響，但就程度而言，尚不能起到?jīng)Q定性作用?？諝庳?fù)離子濃度與相對(duì)濕度顯著正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)，這一點(diǎn)學(xué)界已有一定共識(shí)。本次研究發(fā)現(xiàn)，空氣負(fù)離子濃度與紫外線輻射強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)，這與石彥君等[9]的研究不一致，紫外線輻射能夠促進(jìn)植物的光電效應(yīng)，增加空氣中負(fù)離子的含量，但是其強(qiáng)度會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，光照強(qiáng)度的增大又會(huì)導(dǎo)致空氣相對(duì)濕度的下降，從而降低空氣負(fù)離子濃度。本研究?jī)H對(duì)紫外線輻射強(qiáng)度與空氣負(fù)離子濃度的關(guān)系做了初步探索，相關(guān)結(jié)論應(yīng)在持續(xù)觀測(cè)的基礎(chǔ)上加以完善。

因條件所限，我們并未在同一林分的林冠層位置與樹干層位置分別進(jìn)行空氣負(fù)離子濃度的監(jiān)測(cè)，而是統(tǒng)一定位在林內(nèi)1.5 m高度處（該位置較適于人們獲得空氣負(fù)離子的醫(yī)療效果）。研究發(fā)現(xiàn)：林冠層位置較低，距地面1.5 m高度處葉面積較大，密度較高的樹種林分，其空氣負(fù)離子濃度也較高。由于目前森林植被空氣負(fù)離子效應(yīng)的形成機(jī)制并無(wú)明確的量化結(jié)論，因此，林冠層結(jié)構(gòu)對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響作用，還要在今后的研究工作中進(jìn)一步論證。

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