陶雪瑩，張偉寧，魯紹偉，李少寧*，趙 娜，徐曉天

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，遼寧沈陽 110866；2.河北美術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050700；3.北京市林業(yè)果樹科學(xué)研究院/北京燕山森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測研究站，北京 100093）

【研究意義】近些年來，越來越多的人們開始走進(jìn)自然，意愿十分強(qiáng)烈，親近森林已成為城市人群舒朗心境和緩解壓力的新潮流［1］。伴隨著生態(tài)旅游的勃興和人們保健意識的增強(qiáng)，森林局部小氣候所產(chǎn)生的空氣負(fù)離子（NAI）具備殺菌和醫(yī)療保健等功能被越來越多的人認(rèn)知［2?4］。NAI也被稱作負(fù)氧離子，植物通過枝葉尖端放電和光合作用形成光電效應(yīng)促使空氣電離產(chǎn)生負(fù)離子［7?8］。它已經(jīng)成為評價城市空氣質(zhì)量的一個重要指標(biāo)［9］。細(xì)顆粒物(PM2.5)是指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，是大氣復(fù)合型污染中最重要的特征污染物［10］。與負(fù)離子相比，顆粒物濃度是衡量環(huán)境質(zhì)量的一種權(quán)威且反面的指標(biāo)，特別是以PM2.5為代表的細(xì)顆粒物［11］。研究二者交互效應(yīng)對大氣環(huán)境治理和城市綠化有現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞PM2.5的組成來源［12?13］、去除途徑［14］、NAI與PM2.5質(zhì)量濃度變化規(guī)律［15］、影響因素［16］、森林NAI的時空變化特征［17?18］、小氣候因子對NAI的影響［19?22］等開展了大量研究。研究表明，森林中空氣負(fù)離子濃度（NAIC）為城市平均值的5～15倍［5］，不同的森林結(jié)構(gòu)類型對NAI的影響差異顯著［6］?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究對影響NAIC的變化因素多歸因于氣象因子［23?24］，忽略了大氣污染物濃度（尤其是可入肺顆粒物PM2.5）與NAIC的相關(guān)性；缺乏對不同類型城市森林NAI與PM2.5濃度的交互效應(yīng)研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文依托北京市林業(yè)果樹科學(xué)研究院在北京建立的城市森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，就4個不同城市森林內(nèi)NAI與PM2.5濃度的時空變化規(guī)律及二者相關(guān)性進(jìn)行分析總結(jié)，以期為今后城市森林管理和空氣質(zhì)量提升等方面提供生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)參考和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

選取北京市林業(yè)果樹科學(xué)研究院設(shè)置在北京市不同污染梯度下的4個城市森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，分別為中心城市園林區(qū)(朝陽公園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站)、近郊淺山林區(qū)(西山森林公園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站)?近郊森林濕地公園(南海子公園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站)和遠(yuǎn)郊山地林區(qū)(松山國家級自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站)。這4個監(jiān)測站基本代表了北京4種不同類型城市森林環(huán)境特點(diǎn)。

北京朝陽公園是北京市四環(huán)之內(nèi)最大且以園林綠化為主的城市公園。其中心水面面積68.2 hm2，綠地占有率87%；四周城市化程度極高，常見樹種有油松（Pinus tabuliformis）、雪松（Cedrus deodara）、白皮松（Pinus bungeana）、銀杏（Ginkgo biloba）、側(cè)柏（Platycladus orientalis）等。

北京西山國家森林公園位于北京西郊小西山，林木覆蓋率高達(dá)87%，園內(nèi)有植物共計(jì)250多種，分屬73科。主要喬木樹種包括油松、側(cè)柏、紅松（Pinus koraiensis）、銀杏等，主要的灌木有紫葉小檗（Berberis thunbergii）、砂地柏（Sabina vulgaris）等。是距北京市區(qū)最近的一座國家級森林公園。

南海子公園是北京四大郊野公園之一，園區(qū)鄉(xiāng)土植物206種，常見樹種有油松、側(cè)柏、雪松、銀杏、國槐（Sophora japonica）等，植被覆蓋率較高，且公園水面面積占總面積的五分之一，是北京市最大的森林濕地公園。

北京松山國家級自然保護(hù)區(qū)位于北京市延慶區(qū)境內(nèi)西北部，距市區(qū)90 km。森林覆蓋率高。共有植物783種及變種，占北京植物種數(shù)的76%，地帶性植被以油松、蒙古櫟（Quercus mongolica）、山楊（Populus davidiana）、核桃楸（Juglans mandshurica）為主。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

選取2016年9月1日至2017年8月31日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為避免特殊天氣條件的影響（大風(fēng)、降雨以及重度灰霾天等），選用2017年7月連續(xù)3 d晴天取其平均值分析典型日變化；按照氣候?qū)W中通用的季節(jié)劃分方式對朝陽公園進(jìn)行NAIC與PM2.5濃度的季節(jié)變化特征研究。即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。NAIC與PM2.5實(shí)時濃度值由4個城市森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站獲得。采用Excel 2010和Origin 2018對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及制圖，SPSS 17.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 NAIC與PM2.5濃度的日變化

由圖1（北京市2017年7月不同類型城市森林NAIC的日變化）可知，4個監(jiān)測站NAIC全天日變化均呈雙峰型。不同監(jiān)測站NAIC差別較大，中心城區(qū)兩個峰值分別在06：00（742.32個/cm3）和20：00（558.45個/cm3），遠(yuǎn)郊區(qū)兩個峰值分別在07：00（1011.75個/cm3）和23：00（1 084.31個/cm3），近郊濕地兩個峰值分別在05：00（982.80個/cm3）和20：00（975.03個/cm3），近郊淺山區(qū)兩個峰值分別在04：00（762.93個/cm3）和22：00（825.57個/cm3）。一天中NAIC在白天和夜間各出現(xiàn)1個峰值，白天峰值出現(xiàn)在04：00—07：00，峰值位于742.32～1 011.75個/cm3，其中NAIC最大的遠(yuǎn)郊區(qū)是NAIC最小的中心城區(qū)的1.36倍；夜晚峰值出現(xiàn)在20：00—23：00，峰值位于558.45～1 084.31個/cm3，NAIC最大的遠(yuǎn)郊區(qū)是NAIC最小的中心城區(qū)的1.94倍；且兩個峰值濃度變化趨勢均與距市中心距離成反比，由大到小依次為遠(yuǎn)郊區(qū)（1 048.03個/cm3）、近郊濕地（978.92個/cm3）、近郊淺山區(qū)（794.25個/cm3）和中心城區(qū)（650.39個/cm3），呈現(xiàn)出由郊區(qū)至市中心NAIC逐步遞減的趨勢。

圖1 不同類型城市森林空氣負(fù)離子濃度日變化Fig.1 Daily change of air negative ions concentration in different types of urban forests

圖2 不同類型城市森林PM2.5濃度日變化Fig.2 Changes in PM2.5 concentration in different types of urban forests

圖2為北京市2017年7月不同類型城市森林PM2.5濃度的日變化?？梢姴煌鞘猩諴M2.5濃度差異顯著。遠(yuǎn)郊區(qū)基本呈單峰型，峰值在15：00（64.4μg/m3）；其余3個監(jiān)測站PM2.5變化特征為雙峰型。近郊淺山區(qū)兩個峰值分別在12：00（149.8 μg/m3）和22：00（99.4 μg/m3），近郊濕地兩個峰值分別在08：00（85.4μg/m3）和23：00（71.4μg/m3），中心城區(qū)兩個峰值分別在12：00（56.0μg/m3）和23：00（44.8μg/m3）。不同城市森林PM2.5濃度均為白天大于夜晚，在每天07:00以前PM2.5濃度變化比較平穩(wěn)，而在07：00—22：00變化趨勢劇烈。

如表1，不同類型城市森林NAI與PM2.5之間均呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），這與多數(shù)研究結(jié)論一致［25?27］。PM2.5微粒自身帶正電荷，相互排斥，加上其粒徑細(xì)小，能長時間懸浮在空中［28］；而NAI則是具備多余負(fù)電荷的強(qiáng)還原離子，通過與空氣中的PM2.5結(jié)合，可以改變PM2.5微粒自身的物理屬性，使其一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閹ж?fù)電荷的電子，這樣PM2.5就會因表面所帶不同的電荷而彼此吸引粘附，發(fā)生沉降，進(jìn)而凈化空氣。

表1 4個不同類型城市森林NAI與PM2.5相關(guān)分析Tab.1 Correlation analysis of NAI and PM2.5 in four different types of urban forests

2.2 NAIC與PM2.5濃度月日均值差異性比較

圖3表示2017年7月北京市不同類型城市森林NAIC與PM2.5濃度的月日均值變化差異。其中4個監(jiān)測站NAIC由高到低依次為中心城區(qū)（（1 193.73±69.54）個/cm3）、遠(yuǎn)郊區(qū)（（1 036.17±169.86）個/cm3）、近郊濕地（（1 004.65±137.89）個/cm3）和近郊淺山區(qū)（（629.78±216.37）個/cm3），除近郊淺山區(qū)，均已達(dá)到世界衛(wèi)生組織規(guī)定清新空氣的標(biāo)準(zhǔn)（（1 000～1 500）個/cm3）。PM2.5濃度低到高依次是遠(yuǎn)郊區(qū)（（59.11±42.13）μg/m3）、近郊淺山區(qū)（（63.28±30.27）μg/m3）、中心城區(qū)（（68.63±27.62）μg/m3）和近郊濕地（（76.05±30.31）μg/m3），只有近郊濕地PM2.5濃度高于國家規(guī)定的二級日均值標(biāo)準(zhǔn)（75μg/m3）；從NAIC和PM2.5濃度指標(biāo)來看，4個不同區(qū)域中，遠(yuǎn)郊區(qū)與中心城區(qū)公園空氣質(zhì)量相對較好，近郊淺山區(qū)和近郊濕地相對較差。

圖3 不同類型城市森林空氣負(fù)離子與PM2.5濃度月日均值差異比較Fig.3 Comparison of air negative ions and PM2.5 concentration in different types of urban forests

2.3 NAIC與PM2.5濃度的季節(jié)變化特征

圖4為中心城區(qū)四季NAI與PM2.5濃度變化曲線。可見PM2.5濃度的季均濃度變化呈明顯“W”型，而NAI的季節(jié)變化基本呈“M”型，且二者在不用季節(jié)內(nèi)的小時變化均為此消彼長之勢。其中，NAIC由大到小依次為夏季（（564.87±224.26）個/cm3）、秋季（（453.88±135.73）個/cm3）、春季（（436.91±95.65）個/cm3）和冬季（（425.46±34.37）個/cm3）；而PM2.5濃度由小到大依次為夏季（（53.40±15.45）μg/m3）、春季（（90.64±13.55）μg/m3）、秋季（（91.84±14.28）μg/m3）和冬季（（123.86±84.73）μg/m3）。這與姚成勝［6］、吳楚材等［29］的研究結(jié)果相符。

圖4 中心城區(qū)四季空氣負(fù)離子與PM2.5濃度變化Fig.4 Changes of air negative ions and PM2.5 concentration in four seasons in central district

NAI在4個季節(jié)的第1個峰值出現(xiàn)在07：00—09：00，濃度在509.11～1 119.34個/cm3，最高值夏季是最低值冬季NAIC的2.20倍；第2個峰值出現(xiàn)在17：00—次日02：00，濃度在441.74～698.63個/cm3，其中夏季NAIC是冬季NAIC的1.58倍。隨著天氣轉(zhuǎn)冷，第1個峰值延后1～2 h，第2個峰值除夏季外，變化區(qū)間均在0～2 h。兩個峰值的濃度變化趨勢相同，由大到小均為夏季、秋季、春季和冬季。

PM2.5在4個季節(jié)的第1個峰值出現(xiàn)在12：00—14：00，濃度在88.39～153.12μg/m3，最高值冬季是最低值夏季的1.73倍；第2個峰值出現(xiàn)在20：00—次日01：00，濃度在55.79～273.94μg/m3，其中冬季濃度是夏季濃度的4.91倍。第1個峰值在0～2 h內(nèi)波動，濃度變化趨勢由大到小依次為冬季（153.12μg/m3）、秋季（125.43μg/m3）、春季（120.34μg/m3）和夏季（88.39μg/m3）；第2個峰值冬季較之提前2～5 h。濃度變化趨勢由大到小依次為冬季（273.94μg/m3）、春季（103.99μg/m3）、秋季（94.54μg/m3）和夏季（55.79μg/m3）。

2.4 NAIC與PM2.5濃度的季節(jié)變化相關(guān)關(guān)系

經(jīng)圖5曲線擬合可見，NAIC與PM2.5濃度呈顯著的線性關(guān)系。隨著顆粒物濃度的增高，NAIC開始逐漸降低，此消彼長。可能是由于人類活動的影響加上空氣污染而導(dǎo)致大顆粒物及氣溶膠等對NAI的吸附作用變大，NAIC有所下降。表2分析了不同季節(jié)二者日內(nèi)小時濃度的Pearson相關(guān)性，二者在一年四季均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05），二者相關(guān)性季節(jié)變化特征由大到小依次為夏季（?0.148）、秋季（?0.214）、春季（?0.271）和冬季（?0.350）。對四季模型進(jìn)行檢驗(yàn)，F(xiàn)值均遠(yuǎn)大于1?？諝庳?fù)離子與PM2.5在不同季節(jié)的預(yù)測線性擬合模型分別為（式中PM2.5為自變量x，空氣負(fù)離子為因變量y）：

春季：y=449.282?0.453x；

夏季：y=681.428?0.733x；

秋季：y=635.088?0.423x；

冬季：y=490.608?0.231x。

圖5 中心城區(qū)四季空氣負(fù)離子與PM2.5濃度變化關(guān)系Fig.5 Relationship between air negative ions and PM2.5 concentration in four seasons in central district

表2 四季NAI與PM2.5相關(guān)分析Tab.2 Correlation analysis of NAI and PM2.5 in four seasons

3 討論

3.1 不同類型城市森林NAIC與PM2.5濃度分布及相關(guān)性特征

黃蕓茵［30］提出：遠(yuǎn)郊的NAIC要高于近郊和中心旅游區(qū)。邵海榮等［31］認(rèn)為北京地區(qū)NAIC空間分布從城市中心向近郊、遠(yuǎn)郊逐漸增加。而本研究結(jié)果表明：4個城市森林NAIC中心城區(qū)最高，遠(yuǎn)郊區(qū)次之，近郊淺山區(qū)最低。造成這種差異可能是與城市森林內(nèi)植物的種類、數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和植被類型等因素有關(guān)［32］。邵海榮等［33］研究發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)空氣質(zhì)量由市中心向近郊、遠(yuǎn)郊逐漸變好?？梢奛AIC變化與北京地區(qū)污染程度總趨勢不一致，說明與其他影響因素相比，城市污染梯度對城市森林中NAI影響較小［34］。城市化可以誘導(dǎo)空氣負(fù)離子沿城鄉(xiāng)梯度發(fā)生變化，但對植被良好的地區(qū)影響有限［35］。兩者觀點(diǎn)一致，證明了城市森林具有一定城市生態(tài)承載力，能顯著抵抗城市化對其的影響。

PM2.5按濃度由低到高排序依次是遠(yuǎn)郊區(qū)（（59.11±42.13）μg/m3）、近郊淺山區(qū)（（63.28±30.27）μg/m3）、中心城區(qū)（（68.63±27.62）μg/m3）和近郊濕地（（76.05±30.31）μg/m3）。由上文可知與城市空氣清潔程度大小排序不符但卻關(guān)系緊密，許宇星等［36］指出：森林主要通過其復(fù)雜的冠層結(jié)構(gòu)來降低顆粒物濃度，進(jìn)而凈化大氣環(huán)境；但植物凈化能力受植物類型影響。由此可見，城市森林可以一定程度上降低PM2.5濃度，但其濃度高低受多種因子綜合影響［15］。

4個城市森林NAIC與PM2.5濃度均在0.05水平上呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05）。相關(guān)系數(shù)由大到小依次為：近郊濕地（?0.363）、近郊淺山區(qū)（?0.496）、中心城區(qū)（?0.679）和遠(yuǎn)郊區(qū)（?0.838）；表明城市森林確有一定程度滯留顆粒物的能力，對PM2.5消減作用十分明顯，其中近郊濕地相關(guān)性最弱，遠(yuǎn)郊區(qū)二者相關(guān)性最強(qiáng)。研究表明，城市森林樹種組成［37］、群落結(jié)構(gòu)類型［38］、森林覆蓋率［39］、林分郁閉度［35］以及小區(qū)域內(nèi)污染源排放情況［15］和下墊面結(jié)構(gòu)［11］等都會影響城市森林對PM2.5的消減能力，致使不同城市森林內(nèi)NAI和PM2.5二者相關(guān)性出現(xiàn)差別。今后應(yīng)進(jìn)一步研究各項(xiàng)影響因子對二者的作用機(jī)制，為大氣治理和城市綠化提供理論支持，最大限度發(fā)揮城市生態(tài)效益。

3.2 NAIC時間變化分析

4種城市森林狀況，NAIC有著明顯相同的日變化規(guī)律，均呈“雙峰”型；早晨和晚上的NAIC較高，正午和下午的NAIC較低，濃度高峰值一般出現(xiàn)在早晨或者晚上，低峰值一般出現(xiàn)在中午。這與趙雄偉等［40?45］研究結(jié)果一致；主要是由于凌晨人為干擾最??；正午時氣溫升高和濕度降低以及污染物濃度等綜合影響，植物出現(xiàn)光合“午休”現(xiàn)象，導(dǎo)致濃度降低［46］。早晨太陽輻射到達(dá)一定強(qiáng)度，森林植被光合作用逐漸加強(qiáng)，人群及車輛影響逐漸削弱；傍晚過后，人類活動和污染物排放減小，NAIC逐漸升高［47］。

此外，NAIC還有明顯的季節(jié)變動特征。中心城區(qū)一年中NAIC以夏季最高，平均為564.87個/cm3，冬季最低，平均為425.46個/cm3，秋、春季次之。夏季水量充沛，溫度較高會加速分子或原子熱運(yùn)動，使相互間的碰撞幾率增高，氧分子電離作用增強(qiáng)；加之植物生長茂盛、光合作用較強(qiáng)等因素。而冬季上述作用明顯減弱，空氣污染加劇，損耗更多的NAI，致使NAIC降低。秋季與春季NAIC變化不明顯，本研究認(rèn)為主要是由于春秋兩季紫外線強(qiáng)度、溫濕度等條件相似。通常情況下，越強(qiáng)的光合作用，越復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)類型，越利于NAI產(chǎn)生［48］。

3.3 PM2.5濃度時間變化分析

一天中，PM2.5濃度變化除遠(yuǎn)郊區(qū)外，與負(fù)離子相似，基本為雙峰型。極大值出現(xiàn)在凌晨和正午，極小值則在早晨和傍晚左右。與蔣燕等［49］結(jié)果一致，可能原因是凌晨溫度低，濕度大，無益于大氣的輸散，更易積聚［50］，自上午以來，通過蔭蔽和蒸騰作用植物能夠在某些程度上增加細(xì)顆粒物的重量和黏性［51］，促使其沉降，正午氣溫升高，空氣中的物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)加快，致使PM2.5濃度升高。

本研究認(rèn)為，中心城區(qū)PM2.5濃度季節(jié)變化冬季最高，可能是北京冬季取暖燃煤、逆溫天氣使得顆粒物較難擴(kuò)散，PM2.5更容易積聚；夏季為北京的雨季，雨水對PM2.5的沖刷作用明顯，加上溫度在一年中最高，利于PM2.5的擴(kuò)散［52］，而且此時植物生理活動最盛，對懸浮在大氣中的顆粒物吸滯作用最強(qiáng)，故濃度最低；春季與秋季的情況比較相近；數(shù)值在冬季與夏季之間［53］。

4 結(jié)論

本文在對NAI及PM2.5變化特征研究的基礎(chǔ)上。分析了北京市不同類型城市森林內(nèi)部二者交互效應(yīng)及其相關(guān)性，并得出以下結(jié)論：

（1）不同類型城市森林一天中NAIC日變化均呈“雙峰型”，總趨勢為早晚高，中午較低；PM2.5濃度日變化基本為“雙峰”型，以早午高，傍晚低為主。

（2）4個城市森林NAIC與PM2.5濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05）。相關(guān)關(guān)系由大到小依次為近郊濕地（?0.363）、近郊淺山區(qū)（?0.496）、中心城區(qū)（?0.679）和遠(yuǎn)郊區(qū)（?0.838）。

（3）NAI的季節(jié)變化基本呈“M”型，夏季最高，秋季次之，冬季最低；PM2.5濃度的季均濃度變化明顯呈“W”型，冬季濃度最高，秋季次之，夏季最低。且二者在不同季節(jié)日內(nèi)小時濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），相關(guān)性季節(jié)變化特征由大到小依次為夏季（?0.148）、秋季（?0.214）、春季（?0.271）和冬季（?0.350）?？梢姵鞘猩謱M2.5確有一定程度的削減作用，因此可以通過改善森林綠地結(jié)構(gòu)、提高空氣負(fù)離子濃度，凈化大氣環(huán)境。