千島湖姥山林場不同森林群落空氣負離子濃度的比較

劉欣欣，華 超，張明如，張建國，柳 丹

(1.浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 臨安311300；2.浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 臨安311300；3.浙江農林大學 旅游與健康學院，浙江 臨安 311300)

空氣負離子有著 “空氣維生素和生長素”的美譽，具有殺菌、降塵、清潔空氣的功效,其濃度水平已成為評價一個地方空氣清潔程度的指標。森林以其特有的森林小氣候成為產生空氣負離子的良好環境，森林中空氣負離子水平較高已被許多研究所證實。作為一項重要的森林旅游資源，空氣負離子的研究受到廣泛的重視。研究森林中空氣負離子分布狀況，對合理開展森林旅游、科學利用空氣負離子旅游資源具有重要的現實意義[1]。目前，中國對于空氣負離子方面的研究，主要側重在人為干擾環境和自然環境中空氣負離子水平、空氣負離子資源的開發利用等[2]。近幾年，中國林業工作者開始關注森林對空氣負離子的響應，并著手開展了這方面的研究[1-7]。針對浙西北地區，特別是千島湖國家森林公園空氣負離子的研究案例偏少，尚缺少多點區域定位研究和系統定量的研究。本研究通過在千島湖姥山林場進行定期監測研究，分析不同季節浙江淳安姥山林場6種類型的森林群落空氣負離子濃度的差異及其與小氣候因子的關系，以期對該地區空氣質量評價提供科學依據，并為其他區域森林空氣負離子濃度的長期研究提供借鑒。

1 研究地概況及研究方法

1.1 研究地概況

千島湖姥山林場位于29°32′34″N，119°04′04″E，屬于中北亞熱帶的東北部，氣候溫暖濕潤，雨水充沛，四季分明。地貌以低山丘陵為主。植被類型以天然林為主。總面積為3 505.27 hm2，包括天然林2 393.82 hm2，人工林918.52 hm2，經濟林121.39 hm2。其中天然林以馬尾松Pinus massoniana林占優勢地位，人工林以馬尾松人工林和杉木Cunninghamia lanceolata人工林為主。森林覆蓋率為95%。

本項研究檢測設置在浙江省千島湖的姥山林場，其地帶性植被為常綠闊葉林，建群樹種為木荷Schima superba，青岡Cyclobalanopsis glauca，甜櫧Castanopsis eyrei，苦櫧 C.sclerophylla，石櫟 Lithocarpus glaber等常綠闊葉樹種，以及由馬尾松構成的暖性針葉林[8]。

測定地段主要類型的群落為:①馬尾松構成的暖性針葉群落；②青岡-木荷常綠闊葉森林群落；③青岡-苦櫧常綠闊葉森林群落；④苦櫧-石櫟常綠闊葉森林群落；⑤人工構建的柏木Cupressus funebris森林群落；⑥人工構建的楊梅Morella rubra-茶Camellia sinensis園森林群落。研究地森林群落結構特征見表1。各群落均距離水體水平距離約80 m，垂直距離為10 m以上。

表1 森林群落特征Table 1 Characteristics of forest communities

1.2 調查研究方法

于 2010 年春季(04-15-04-16)，夏季(07-26-07-27)，秋季(09-16-09-17)和冬季(12-30-12-31)每個季節選擇有代表性的晴天，在各群落內進行連續測定。每天從9:00－17:00進行測定，隔1 h觀測1組數據；每次在距離地面約1.5 m處同步測定6種類型森林群落內空氣負離子濃度、可吸入顆粒物(PM10)含量以及氣溫、相對濕度、風速和光量子等小氣候因子。

空氣負離子采用ITC-201負離子儀測定，選擇4個方位，每個方位各記錄5個空氣正離子、負離子濃度的波峰值，共計20個數據的平均值為此觀測點的正、負空氣離子濃度值。

1.3 數據處理與空氣質量評價方法

運用Excel 2003軟件進行數據處理，采用SPSS 13.0進行統計分析，Origin 8.0作圖。

本研究采用空氣負離子濃度評價法和和空氣離子評議系數法(安培系數法)對空氣質量進行評價[9]，其計算公式為:q＝n＋/n－。其中n＋為空氣正離子濃度；n－為空氣負離子濃度。

日本學者安培通過對城市居民生活區空氣離子的研究，建立了安培空氣離子評議系數(Ic)模型[10]: 計算公式為: Ic＝(n－/1 000)×(1/q)。其中 Ic是指空氣中接近自然界空氣離子化水平的程度，Ic值越大，空氣質量越好。Ic指標將空氣負離子作為評價指標，同時考慮正、負離子構成。依據安培等提出的空氣質量評價標準，即采用空氣離子評價系數法評價空氣負離子濃度所屬等級(表2)。

表2 空氣清潔度分級評價標準Table 2 Criterion for evaluating air quality recommended

2 結果與分析

2.1 不同季節6種類型森林群落空氣負離子濃度日變化特征

對比分析圖1可知:千島湖姥山林場6種類型森林群落春季和冬季的空氣負離子濃度日變化過程呈“M”型，而夏季與秋季空氣負離子濃度日變化過程接近于 “L”型。

春季天然群落下層空氣負離子濃度峰值均出現于上午11:00左右和下午14:00－15:00，谷值出現于12:00，而人工群落中峰值滯后天然群落1 h，峰值出現于中午12:00和下午15:00－16:00，谷值出現于14:00；夏季6種森林群落空氣負離子濃度均在上午9:00達到最大值，此時青岡-木荷群落、青岡-苦櫧群落、苦櫧-石櫟群落、馬尾松群落和楊梅-茶園群落的空氣負離子濃度分別為10 332，10 636，10 824，8 060，8 468和9 093個°cm－3，中午空氣負離子濃度最低，下午有所回升，15:00均出現一較小峰值；秋季森林群落內空氣負離子濃度峰值出現于10:00－11:00，下午空氣負離子濃度在較低水平波動。冬季兩峰值分別出現于中午12:00左右和下午16:00左右，谷值出現于14:00。監測分析結果表明:千島湖姥山林場空氣負離子濃度夏季最高，秋季次之，春、冬兩季空氣負離子濃度相對較低。

2.2 6種類型森林群落空氣負離子年平均濃度的比較

基于2010年不同季節千島湖姥山林場6種類型森林群落空氣負離子濃度的測定值，取平均值近似作為6種類型森林群落空氣負離子濃度年平均推算濃度。分析表明:天然次生森林群落空氣負離子濃度高于人工森林群落，常綠闊葉森林群落內空氣負離子濃度高于暖性針葉森林群落。據監測數據統計結果，不同森林群落類型空氣負離子濃度年均值大小順序依次為:青岡苦櫧群落(1 924.3個°cm－3)＞青岡木荷群落(1 879.2 個°cm－3)＞苦櫧石櫟群落(1 806.2 個°cm－3)＞馬尾松群落(1 411.4 個°cm－3)＞柏木群落(1 320.2 個°cm－3)＞楊梅茶園群落(1 314.2 個°cm－3)。

本研究結果顯示:青岡、苦櫧、石櫟等構成的常綠闊葉群落內空氣負離子濃度高于馬尾松群落，與劉凱昌等[11]的研究結果有一定的差異，卻與邵海榮等[3]的研究結果相同。劉凱昌等研究結果表明:空氣負離子濃度大小順序為針葉林＞闊葉林＞經濟林＞草地＞居民區；邵海榮等研究北京地區不同綠地的空氣負離子濃度，認為春季、夏季針葉林的空氣負離子濃度低于闊葉林，而在秋、冬季則高于闊葉林，因此，針葉林空氣負離子濃度的年平均值高于闊葉林。很多學者還對森林群落結構與空氣負離子濃度的關系進行了研究[12－14]，普遍認為森林群落結構愈復雜，空氣負離子濃度愈高。所以，多樹種構成的復層森林群落的空氣負離子濃度高于單優森林群落。

圖1 6種類型森林群落空氣負離子不同季節日變化特征Figure 1 Diumal variation of aero-anion in different kinds of forset communities

我們測定的馬尾松、柏木等針葉樹種構成的森林群落樹種單一，林相單調，所以暖性針葉森林群落的空氣負離子濃度低于森林群落結構較復雜、郁閉度較高的常綠闊葉森林群落。推測天然森林群落與人工森林群落的空氣負離子濃度差異可能在于，天然森林群落組成樹種年齡較大，喬木層的郁閉度和群落下層植被的蓋度較高，結果天然次生森林群落的空氣負離子濃度較高。上述結論是基于不同季節大量實測數據得到的平均結果，事實上空氣負離子濃度的變化還是比較復雜的，至少與森林群落的類型、郁閉度、林齡、生長勢、空間結構等有一定的關系。

2.3 6種類型森林群落下層空氣質量的變化特征

通過分析千島湖姥山林場6種類型的森林群落不同季節空氣離子的單極系數q和空氣質量評價系數Ic(表3)可知:在不同的季節，單極系數q和空氣質量評價系數具有一定的差異。所測定森林群落的單級系數一般以夏季和秋季較高，春季和冬季較低。不同季節天然群落的單級系數變化于0.77～0.93，均小于1.00；而人工群落夏季單級系數高于1.00，秋季、冬季和春季單級系數低于1.00。

表3中數據結果還顯示:不同季節空氣質量評價系數Ic值的大小順序為夏季＞秋季＞春季＞冬季，1年中冬季空氣負離子的濃度和空氣質量明顯下降，Ic值處于最低水平。冬季天然森林群落空氣清潔度為B級，其他季節均為A級；夏季和秋季人工森林群落空氣清潔度為A級，春季為B級，而冬季為C級。分析原因冬季植物的光合速率減弱，對空氣的凈化能力相對較低，因此，導致空氣質量下降。而對于不同森林群落而言，天然森林群落空氣質量明顯要高于人工森林群落。

綜合比較不同季節的單級系數和空氣質量評價系數，表明春季、夏季和秋季天然森林群落的空氣質量較高，其單級系數小于1.00，Ic值均在1.00以上；而人工森林群落夏季和秋季空氣質量較高，春季和冬季的空氣清潔等級分別下降至B級和C級。

表3 千島湖姥山林場空氣質量季節變化特征Table 3 Seasonal variations of air quality in Laoshan Forest Farm of Qiandao Lake

2.4 空氣負離子與環境因子的相關性分析

將6種類型的森林群落空氣負離子濃度與小氣候因子(氣溫、相對濕度、風速和光量子密度)、可吸入顆粒物PM10濃度進行相關性分析，得出如下結論(表4):負離子濃度水平受林分因子、氣候因子的綜合作用影響，春季森林群落內植物生長較為緩慢，空氣負離子濃度較低，相關分析揭示氣溫、相對濕度、光照強度等氣候因子影響較小，空氣負離子濃度與氣候因子未表現出顯著的相關性；夏季空氣負離子濃度明顯升高，與氣溫呈顯著負相關，與相對濕度呈顯著正相關；秋季負離子濃度與光量子密度呈顯著性正相關，氣溫和相對濕度對空氣負離子濃度的影響作用較小，相關性不顯著；冬季負離子水平偏低，負離子濃度水平與氣溫、風速和光照的相關性不顯著，但相對濕度對負離子濃度影響較大，空氣負離子濃度與相對濕度呈顯著性正相關。

表4 空氣負離子影響因素相關性分析Table 4 Correlativity of aero-anion with other environmental factors

3 討論與結論

3.1 討論

關于針葉森林群落和闊葉森林群落對空氣負離子濃度的影響，目前得出的結論并不一致。邵海榮等[3]認為:針葉森林群落和闊葉森林群落改善空氣質量的作用明顯不同，并具有一定的差異，針葉森林群落空氣負離子的年平均濃度高于闊葉森林群落，但在春季和夏季闊葉森林群落的空氣負離子濃度較針葉森林群落高，而在秋季和冬季，針葉森林群落高于闊葉森林群落。李印穎等[15]對黃土高原植被空氣負離子濃度進行研究時認為:針葉森林群落的空氣負離子濃度以及當前強度指數(ICI值)明顯高于闊葉森林群落。本研究結果表明:由青岡、苦櫧構成的常綠闊葉森林群落內空氣負離子濃度高于由馬尾松、柏木構成暖性的單優森林群落，分析原因可能是由于所測群落空間結構不同，下墊面差異大，從而影響空氣負離子的存在時間。我們的研究結論是經不同季節大量實測數據得到的平均結果，事實上影響空氣負離子濃度變化的情況是復雜的。

已有研究[1－3]認為:動態水如噴泉、瀑布、流動的溪流能夠對空氣負離子產生很大的影響，而靜態水的影響較小。本研究中夏季空氣負離子濃度較其他季節高，其原因在于一方面夏季森林植物光合速率較高，釋放的氧氣數量較多；另一方面測定前降雨較多導致水面上升，因此，夏季空氣負離子濃度要大于其他季節。

大氣中空氣負離子與空氣正離子總是同時存在的，理論上空氣正負離子的濃度水平保持動態平衡。我們測定結果表明:空氣負離子與空氣正離子在春、夏、秋3個季節呈極顯著性正相關(表4)。此外，其他氣象因子對空氣負離子濃度水平具有重要的影響，太陽輻射為空氣中各種電離反應提供了能量,而電離反應是空氣中正負離子的來源，再加上國內外的許多研究都表明植物的光合作用對空氣負離子的產生有直接貢獻；陣風對空氣負離子濃度的影響亦較大，陣風時的空氣負離子濃度高于靜風，但張翔[16]認為:風速、風向與空氣負離子濃度無關；林金明等[17]認為:空氣中可吸入顆粒物濃度增加時，空氣負離子容易吸附在可吸入顆粒物上，變成重離子而沉降消失；部分學者認為:空氣負離子濃度與氣溫呈負相關[12，18]，也有人認為氣溫與空氣負離子濃度呈正相關[19－20]。

由表4可知:空氣負離子濃度與環境因子的相關性因不同季節而表現出一定的差異。在春季和冬季，空氣負離子濃度與氣溫呈顯著正相關；而在夏季和秋季，空氣負離子濃度與氣溫呈顯著負相關。因此，可以得出結論當氣溫＜16.0℃時，空氣負離子濃度與氣溫呈正相關關系；當氣溫變化于16.0～32.0℃時,空氣負離子濃度與溫度呈負相關關系；同樣地，當相對濕度＜64%，空氣負離子濃度與相對濕度呈負相關關系，當相對濕度變化于60%～96%時,空氣負離子濃度與相對濕度呈正相關關系。而負離子與光量子、風速和PM10濃度等其他氣象因子則未表現出明顯的相關性。關于氣象因子與空氣負離子濃度關系研究結果的差異可能是由研究地區不同所致，因此，具體的影響機制有待進一步研究。

3.2 結論

千島湖姥山林場6種類型森林群落空氣負離子濃度季節變化特征明顯，夏季空氣負離子濃度最高，秋季次之，春季和冬季較低。夏季與秋季6種類型森林群落空氣負離子濃度日變化呈現 “L”型，春季和冬季空氣負離子濃度日變化呈現 “M”型；而在1 d的測定時段內，6種類型森林群落空氣負離子濃度在上午和下午的不同時間均出現2個峰值。

6種類型森林群落空氣負離子年平均濃度均在1 000個°cm－3以上，其中天然森林群落中空氣負離子濃度高于人工森林群落，常綠闊葉森林群落樹中空氣負離子濃度高于針葉森林群落。

千島湖姥山林場不同類型森林群落的空氣質量表現出一定的時間差異，不同森林群落中單級系數一般在夏季和秋季較高，春季和冬季較低。空氣質量評價系數Ic值夏季最高，秋季次之，冬季空氣負離子數量和空氣質量明顯下降，Ic值最低。

天然森林群落冬季空氣清潔度為B級，春、夏、秋3個季節均為A級，人工森林群落夏季和秋季空氣清潔度為A級，春季為B級，冬季為C級。

空氣負離子濃度與氣象因子相關性因不同季節而表現出一定的差異，隨著季節變化，氣溫和相對濕度對于空氣負離子具有不同的影響作用。而負離子與光量子、風速和PM10濃度等其他氣象因子則未表現出明顯的相關性。

[1]章志攀，俞益武，張明如，等.天目山空氣負離子濃度變化及其與環境因子的關系[J].浙江林學院學報，2008，25(4): 481－485.ZHANG Zhipan，YU Yiwu，ZHANG Mingru，et al.Negative air ion concentration and environmental factors for Mount Tianmu of Zhejiang Province [J].J Zhejiang For Coll，2008，25 (4): 481－485.

[2]曾曙才，蘇志堯，陳北光.我國森林空氣負離子研究進展[J].南京林業大學學報:自然科學版，2006，30(5):107－111.ZENG Shucai，SU Zhiyao，CHEN Beiguang.Review on forest negative air ions in China [J].J Nanjing For Univ Nat Sci Ed，2006，30 (5): 107－111.

[3]邵海榮，賀慶棠，閻海平，等.北京地區空氣負離子濃度時空變化特征的研究[J].北京林業大學學報:自然科學版，2005，27 (3): 35－39.SHAO Hairong，HE Qingtang，YAN Haiping，et al.Spatio-temporalchanges of negative air ionconcentrations in Beijing [J].J Beijing For Univ Nat Sci Ed，2005，27 (3): 35－39.

[4]邵海榮，賀慶棠.森林與空氣負離子[J].世界林業研究，2000，13(5):19－23.SHAO Hairong，HE Qingtang.Forest and air ion [J].World For Res，2000，13 (5): 19－23.

[5]周斌，余樹全，張超，等.不同樹種林分對空氣負離子濃度的影響[J].浙江農林大學學報，2011，28(2):200－206.ZHOU Bin，YU Shuquan，ZHANG Chao，et al.Aero-anion ecological efficiency of 13 tree species in Zhejiang Province [J].J Zhejiang A ＆ F Univ，2011，28 (2): 200－206.

[6]張明如，陳建新，俞益武，等.浙西山地森林小氣候變化特征及其對休閑旅游活動的影響[J].內蒙古農業大學學報，2007，28(1): 13－18.ZHANG Mingru，CHEN Jianxin，YU Yiwu，et al.Characteristics of forest microclimate in the mountains of western part of Zhejiang and its effects on the leisure tour activity [J].J Inner Mongolia Agric Univ，2007，28 (1): 13－18.

[7]李少寧，王燕，張玉平，等.北京典型園林植物區空氣負離子分布特征研究[J].北京林業大學學報，2010，32(1): 130－135.LI Shaoning，WANG Yan，ZHANG Yuping，et al.Distribution characteristics of negative air ions in typical garden areas of Beijing [J].J Beijing For Univ，2010，32 (1): 130－135.

[8]徐高福.針葉林闊葉化改造的森林生態防火效果初報[J].浙江林業科技，2009，29(3):84－87.XU Gaofu.Experiment on ecological firebreak of broadleaved-oriented transformation of coniferous forest [J].J Zhejiang For Sci Technol，2009，29 (3): 84－87.

[9]陳佳瀛，宋永昌，陶康華，等.上海城市綠地空氣負離子研究[J].生態環境，2006，15(5):1024－1028.CHEN Jiaying，SONG Yongchang，TAO Kanghua，et al.Study on the air anions of the urban greenery patches in Shanghai[J].Ecol Environ，2006，15 (5): 1024－1028.

[10]石強，賀慶棠，吳章文.張家界國家森林公園大氣污染物濃度變化及其評價[J].北京林業大學學報，2004，24(4): 20－24.SHI Qiang，HE Qingtang，WU Zhangwen.Variations of air pollutant concentrations and their evaluation in Zhangjiajie National Forest Park，China [J].J Beijing For Univ，2004，24 (4): 20－24.

[11]劉凱昌，蘇樹權，江建發，等.不同植被類型空氣負離子狀況初步調查[J].廣東林業科技，2002，18(2):37－39.LIU Kaichang，SU Shuquan，JIANG Jianfa，et al.Investigation of anion comtent of enviroment on some types of vegetation [J].J Guangdong For Sci Technol，2002，18 (2): 37－39.

[12]吳際友，程政紅，龍應忠，等.園林樹種林分中空氣負離子水平的變化 [J].南京林業大學學報:自然科學版，2003，27 (4): 78－80.WU Jiyou，CHENG Zhenghong，LONG Yingzhong，et al.The variation of aero-anion concentration on landscape forest[J].J Nanjing For Univ Nat Sci Ed，2003，27 (4): 78－80.

[13]潘劍彬，董麗廖，圣曉，等.北京奧林匹克森林公園空氣負離子濃度及其影響因素[J].北京林業大學學報，2011，33(2): 59－64.PAN Jianbin，DONG Liliao，SHENG Xiao，et al.Negative air ion concentration and affecting factors in Beijing Olympic Forest Park [J].J Beijing For Univ，2011，33 (2): 59－64.

[14]郭圣茂，杜天真，賴勝男，等.城市綠地對空氣負離子的影響[J].城市環境與城市生態，2006，19(2):1－4.GUO Shengmao，DU Tianzhen，LAI Shengnan，et al.Relationship between air anions and urban green spaces [J].Urban Environ ＆ Urban Ecol，2006，19 (2): 1－4.

[15]李印穎，蘇印泉，李繼育，等.黃土高原植被與空氣負離子關系的研究[J].干旱區資源與環境，2008，22(1):71－73.LI Yinying，SU Yinquan1，LI Jiyu，et al.Relations between losee plateau vegetation and aero-anion concentration[J].J Arid Land Resourc Environ，2008，22 (1): 71－73.

[16]張翔.淺析相關因子對空氣負離子水平的影響[J].湖南環境生物職業技術學院學報，2004，10(4):346－351.ZHANG Xiang.On the related factors influences on air negative ions [J].J Hunan Environ-Biol Polytechnic，2004，10(4): 346-351.

[17]林金明，宋冠群，趙利霞，等.環境、健康與負氧離子[M].北京:化學工業出版社，2006.

[18]劉新，吳林豪，張浩，等.城市綠地植物群落空氣負離子濃度及影響要素研究 [J].復旦學報:自然科學版，2011，50 (2): 206－212.LIU Xin，WU Linhao，ZHANG Hao，et al.Study on the concentration of negative air ions and the influential factors in different urban plant communities [J].J Fudan Univ Nat Sci，2011，50 (2): 206－212.

[19]王繼梅，冀志江，隋同波，等.空氣負離子與溫濕度的關系[J].環境科學研究，2004，17(2):68-70.WANG Jimei，JI Zhijiang，SUI Tongbo，et al.Influence of temperature and humidity on negative ion concentration[J].Res Environ Sci，2004，17 (2): 68－70.

[20]張明如，俞益武，趙明水，等.天目山國家級自然保護區柳杉群落空氣負離子濃度日變化特征[J].浙江林學院學報，2009，26(5): 701－707.ZHANG Mingru，YU Yiwu，ZHAO Mingshui，et al.Diurnal changes in the negative ion concentration of the air for two Cryptomeria fortunei communities of National Nature Reserve of Mount Tianmu [J].J Zhejiang For Coll，2009，26(5): 701－707.