河北太行山區主要水土保持林空氣負離子特征研究*

李萌萌 劉文鑫 馬長明

河北農業大學 河北保定 071000

空氣負離子是帶負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱［1］，具有凈化空氣的功能，且有明顯的醫療保健作用［2－4］。目前，空氣負離子已逐步成為評價環境中空氣清潔程度的重要指標［5］。近年來，以林業和旅游業為基礎的森林生態旅游、森林浴等活動相繼興起，有關空氣負離子的研究也迅速展開［6－8］。本文以太行山區主要的水土保持林為研究對象，從空氣負離子角度入手，研究其時空變換規律和影響因素，旨在為低山丘陵區開展生態旅游、生態經濟型水土保持林的后續發展和樹種選擇奠定基礎。

1 研究區概況

試驗地點設在河北省邢臺市內丘縣侯家莊鄉崗底村，位于 E113°45＇～115°50＇，N36°45＇～37°48＇。海拔518～1 134 m。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區。年均降水量523 mm，主要集中在每年7－9月，占全年降水量的70%。年均氣溫11.6℃。土壤種類以褐土和褐土性土為主，土壤類型為壤土或砂壤土，土壤pH值為6.0～6.5。天然植被以酸棗、荊條、胡枝子、三裂繡線菊、白羊草等灌草為主，人工植被以刺槐、油松、栓皮櫟、側柏等喬木樹種為主，果樹主要有蘋果、板栗、核桃等。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

本研究選擇河北省太行山區常見的5種水土保持林為研究對象，各林分概況見表1。

表1 研究地概況

2.2 研究方法

2011年5－1 0月，采用便攜式空氣離子測試儀(TC－201A型，日本ANDES生產)對崗底村所選蘋果、油松、刺槐、板栗、栓皮櫟5種人工林進行空氣負離子濃度及其相關氣象因子的定位觀測。每月上、中、下旬各選大氣狀態相對穩定的一日進行測定，時段為6∶00－20∶00，每隔2小時觀測1次，測定位置距地面分別為0.5 m，1.5m，2.5 m，3.5 m處。每個林分選取4個點，讀取6個瞬時值，去掉一個最大值和一個最小值，取平均值作為該林分內的空氣負離子觀測值。對不同觀測點的空氣負離子濃度日變化、月變化、空間變化等情況進行逐時測定，同時記錄溫濕度和時間的變化情況。

3 結果與分析

3.1 空氣負離子濃度時間變化特征

3.1.1 空氣負離子濃度日變化特征

測試表明，各林分的空氣負離子濃度日變化規律總體呈現出“高低高”的變化趨勢，即早6時空氣負離子濃度較高，隨著輻射增強、溫度升高空氣負離子濃度逐步降低，在晚6時又逐步升高。但由于樹種不同，林分內的空氣負離子濃度和變化規律稍有所差異。例如，蘋果林內的空氣負離子濃度日變化低谷出現在12∶00，而其他林分則出現在14∶00，蘋果林分空氣負離子濃度變化較為劇烈。

3.1.2 空氣負離子濃度月變化特征

本文取每月的上中下旬的平均值作為每月觀測值進行分析，結果表明，6、7、9月份空氣負離子濃度較高，5、8、10月份空氣負離子濃度較低。在各月份基本上都是蘋果林空氣負離子濃度較高，刺槐、油松、栓皮櫟和板栗林空氣負離子濃度在各月份空氣負離子濃度高低有所不同。8月份空氣負離子濃度較低，分析其原因與降雨量有一定關系，是所測定之日土壤含水量、空氣濕度降低所致。李培學，戴慧堂［9］等研究表明，雨過天晴時的空氣負離子濃度明顯高出陰天和晴天，陰天明顯低于晴天。該項結果也提醒在以后的研究中，時間段的選擇有非常大的影響。

3.2 不同樹種空氣負離子濃度空間變化特征

在8月9－11日連續3天對空氣負離子空間變化進行測定，測定距地面0.5～3.5m，每個林分選取4個點，讀取6個瞬時值，去掉一個最大值和一個最小值，取平均值作為該林分內的空氣負離子觀測值。

所測定的5個樹種林分空氣負離子濃度隨高度的變化呈現相同的變化趨勢，即隨著高度的增加空氣負離子的濃度逐漸減小。其中板栗、蘋果林分的空氣負離子濃度隨高度的變化最劇烈，0.5 m處的空氣負離子濃度為3.5m處的1.7倍，存在顯著性差異;而油松林的變化比較平緩，不同高度的空氣負離子濃度不存在顯著差異，0.5 m處的空氣負離子濃度僅為3.5 m處的1.1倍左右。

3.3 空氣負離子濃度影響因素

3.3.1 組成因素

不同林分類型的空氣負離子濃度的平均值總體狀況為蘋果林為690個/cm3、板栗林為589個/cm3、刺槐林為384個/cm3、栓皮櫟林為562個/cm3、油松林為497個/cm3。5種不同類型樣地空氣負離子濃度水平綜合比較的結果為蘋果林＞板栗林＞栓皮櫟林＞油松林＞刺槐林。方差分析表明，蘋果林與板栗、栓皮櫟、油松林之間無顯著差異，而與刺槐林之間存在顯著差異。

3.3.2 氣象因子

對空氣負離子濃度與溫濕度進行相關性分析發現，空氣負離子濃度與溫度之間存在負相關關系，相關性方程為 y= －12.542x+947.14(R2=0.8343)。式中:y為負離子濃度 (個/cm－3)，x為溫度 (℃)。空氣負離子濃度與濕度之間呈現正相關關系，相關性方程為y=6.464 3x+224.8(R2=0.7529)。式中:y為負離子濃度 (個/cm－3)，x為濕度 (%)。顯著性檢驗顯示回歸方程回歸性顯著(P＜0.01)，表明空氣負離子濃度與空氣溫度之間呈現出極顯著的負相關。空氣負離子濃度與溫濕度之間的關系目前研究結果較為統一。吳楚材﹑張建國等［10－14］的研究結果均表明，空氣負離子濃度與溫度呈負相關、與濕度呈正相關的關系。

3.3.3 地形因素

在2011年8月11－13日，選擇蘋果相同林齡的2個固定地點，在同一時間段內對溝內和坡上蘋果林內空氣負離子濃度進行測定。坡中林內的空氣負離子濃度大于的，分析其原因為溝內地勢低、風速小、光合速率較低。但方差分析顯示，二者之間空氣負離子濃度差異不顯著。

4 結論與討論

4.1 空氣負離子時空變化規律

在一天之中，隨著輻射、溫度、濕度等因素的變化，林分空氣負離子會呈現一定的變化規律，但因植被種類、林分配置、人車環境等因素的不同表現會有一定差異。周斌等［15］對浙江省的13個樹種林分空氣負離子研究顯示，空氣負離子有2個峰值，分別出現在9∶00－10∶00和18∶00。吳楚材等［10］指出，南岳衡山空氣負離子濃度一天中2個峰值分別出現在7∶00－9∶00和22∶00－24∶00。邵海榮、倪軍等［16－17］指出，空氣負離子峰值出現在夜間后期、晨間早期和15∶00－16∶00。本研究針對5種林分展開空氣負離子研究，和其他研究結果類似，5種林分空氣負離子表現規律也不一致:蘋果、栓皮櫟林分空氣負離子濃度呈現“雙峰”規律，油松、刺槐林分呈“單峰”曲線，板栗林分則變化不明顯。陶寶先等［18］也指出，杉木、毛竹林呈明顯的單峰變化趨勢，麻櫟呈雙峰變化趨勢，馬尾松林變幅不大。可見，空氣負離子的日變化特征隨季節、地區、植被、結構、天氣條件等不同而異，受外界環境影響較大，變化劇烈，沒有一致的規律性。

曾曙才等［19］指出，隨著海拔升高、溫度降低，濕度有所增加，輻射增強，會相應影響到空氣負離子的形成。范亞民等［20］指出，隨著海拔升高，空氣負離子濃度總體呈下降趨勢。曾曙才等［19］在廣州帽峰山森林公園試驗，在海拔188 m、242 m和245 m的3處負離子濃度無顯著差異，但顯著高于291 m、400 m和624 m處的負離子濃度，而624 m處的濃度顯著低于其他各地段。姚成勝、毛亞昆等［21－22］分別在岳麓山和雷公山試驗，結果均呈現先升高再降低的特點。本文采用小尺度 (相對高度0.5～3.5 m)對林分垂直空間空氣負離子濃度進行了測定，結果顯示，隨著高度的增加空氣負離子濃度逐漸降低。這與曾曙才等［19］、姚成勝［21］和李少寧等［23］的研究結果基本一致，但尺度不一致;而對溝內和坡上的蘋果林內空氣負離子濃度的調查結果則表明，坡上的空氣負離子濃度大于溝內 (差異不顯著)。

4.2 空氣負離子相關影響因素

自然界空氣中產生負離子的原因是宇宙射線、陽光紫外線、雷電激發、風暴、瀑布、海浪沖擊磨擦等作用產生自由電子，附著在某些氣體分子或原子上成為空氣負離子。這是物理性產生方式。邵海榮等［16］指出，溪流和瀑布在增加空氣負離子方面有極為明顯的作用。另外，吳楚材等［10］也指出，森林、植物的光合作用所制造的新鮮空氣等也含有負離子，即生物性產生方式也是空氣負離子產生的一種主要途徑，不同樹種組成、不同林分類型會影響空氣負離子水平。針葉樹種的葉尖呈針狀等曲率半徑較小，具有“尖端放電”的效果，使空氣中負離子含量升高。邵海棠等［16］認為，針葉林和闊葉林在不同季節各有優勢，春、夏季節則闊葉林地區高于針葉林地區。曾曙才等［19］對廣州幾種綠地類型研究也得出，闊葉林＞針闊混交林＞針葉林;本研究也得出類似規律，針闊葉林產生空氣負離子的效應規律并不一致，即蘋果林＞板栗林＞栓皮櫟林＞油松林＞刺槐林。可見，闊葉經濟林木具有較好的改善空氣負離子效應。因此，范亞民等［21］提出在城郊、低山丘陵區適當發展經濟林木，在改善經濟、社會效益的同時，提高城市的生態效益。

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