森林改善空氣環境質量功能監測與評價研究

鄧成，張守攻，陸元昌*

1. 中國林業科學研究院，北京 100091；2. 廣西林業勘測設計院，廣西 南寧 530028

森林改善空氣環境質量功能監測與評價研究

鄧成1,2，張守攻1，陸元昌1*

1. 中國林業科學研究院，北京 100091；2. 廣西林業勘測設計院，廣西 南寧 530028

為全面了解森林內部屬性與森林改善空氣環境功能之間的內在關系與規律，以及不同森林在改善空氣環境質量方面的能力強弱，以中國林業科學研究院熱帶林業試驗中心為研究對象，于2014年7─8月按照2 km×2 km網格間距進行系統抽樣，設置51個樣地對森林空氣溫度、濕度、負氧離子含量等空氣環境狀況指標及林分特征因子進行了監測，并對林分類型、發展階段、郁閉度等林分因子與森林空氣溫度、濕度、負氧離子含量之間的關系進行了分析。采用溫濕指數、安培空氣質量評價系數、森林空氣負氧離子評價模型對不同類型森林的空氣環境質量進行了評價。結果表明：1）森林改善空氣環境質量功能主要與其林分類型、發展階段、林分郁閉度有關；2）在調節空氣溫濕度，改善空氣環境舒適度方面，針葉混交林最強，然后依次為針闊混交林、闊葉混交林、針葉純林、闊葉純林、灌木林，以未成林最弱。在吸附污染物、凈化空氣方面，針闊混交林最強，然后依次為闊葉混交林、闊葉純林、針葉混交林、針葉純林、灌木林，以未成林最弱；3）不同發展階段的林分在改善空氣環境舒適度方面的差異不明顯，但隨著林分發展階段的深入，森林的結構越來越復雜，森林凈化空氣的能力也逐漸增強；4）森林在調節空氣溫濕度，改善空氣環境舒適度等方面的功能隨郁閉度的增加而增強，當郁閉度大于0.4時，森林改善空氣環境舒適度的功能顯著增強。郁閉度在0.4～0.7之間的林分凈化空氣的功能較強，尤以郁閉度為0.5時最強，當林分郁閉度低于0.4或高于0.7以后，林分凈化空氣的功能均有所降低；5）總體來說混交林改善空氣環境質量的功能要顯著強于純林。研究結果對于經營單位如何通過林分狀態的調控來增強森林的空氣環境改善功能具有重要指導意義。

森林空氣環境；森林功能監測；森林功能評價；溫濕指數；空氣負氧離子

近些年來，森林作為改善生態環境的主體，其本身健康及其與環境的關系得到了重視和關注，但總的說來，世界各國對森林環境監測的重視還不夠，對森林的各項服務功能考慮不足（王彥輝等，2007），如德國等歐洲發達國家雖然對森林土壤和空氣質量狀況等方面進行了監測，但是，這些監測主要是用于分析土壤和大氣污染對森林的損害程度和趨勢預測（張會儒等，2002），而不是反映不同森林在改善空氣環境方面的作用大小及林分自身屬性與森林改善空氣環境功能之間的因果關系，對于經營單位如何通過林分狀態的調整來增強森林的空氣環境改善功能指導意義并不大。隨著經濟社會的發展及人們生活水平的提高，人類對生態環境的要求逐漸提高，這就要求我們不僅要關注外界環境對森林的影響，更要通過科學合理的經營來進一步提高森林的空氣環境改善功能，因此，對森林改善空氣環境質量功能進行監測與評價，研究林分屬性與森林改善空氣環境功能之間的關系具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域為中國林業科學研究院熱帶林業試驗中心（簡稱：熱林中心），位于廣西壯族自治區憑祥市西南部，北緯 21°57'47''～22°19'27''，東經106°39'50''～106°59'30''之間，地勢西北高，東南低，中部參差起伏，形成山地、丘陵相間而又漸向東傾斜的地貌分布，海拔多在250～800 m之間，屬南亞熱帶半濕潤-濕潤氣候，境內光照充足，雨量充沛，干濕季節明顯，年均氣溫 20.5～21.7 ℃，1月份平均氣溫 12.5～13.5 ℃，7月份平均氣溫 26.0～28.8 ℃，年降水量 1200～1500 mm，年蒸發量1261～1388 mm，相對濕度80%～84%。熱林中心森林面積15655.1 hm2，其中喬木林面積13310.6 hm2，以馬尾松（Pinus massoniana）占絕對優勢，其面積約占喬木林面積的63%，其次為杉木（Cunninghamia lanceolata）和桉樹（Eucalyptus）；灌木主要是鹽膚木（Rhus chinensis）、桃金娘（Rhodomyrtus tomentosa）、野牡丹（Melastoma candidum）及其他雜灌等；草本主要有黃茅草（Narenga fallax）、五節 芒 （ Miscanthus floridulus）、 曼 生 莠 竹（Microstegium nodosum）等。

1.2 研究方法

1.2.1 監測體系設置

按照2 km×2 km網格間距進行系統抽樣，采用群狀圓形樣地（即每個樣地由3個均勻分布的子樣圓組成），設置監測因子，對林分因子及森林所引起的空氣環境狀況進行定期監測，進而分析森林狀態及其改善空氣環境功能的大小，整個熱林中心共設置永久性觀測樣地 51個。監測因子設置主要考慮以下幾個方面的需求：1）監測目的的需求，即要能充分反映出森林空氣環境質量狀況；2）監測操作性的需求，即所設置的因子在實際調查中要便于操作，具有可執行性；3）合理費用的需求，即進行這些指標的監測費用是合理的，對于經營單位來說是可接受的。根據以上原則，選擇林分溫度、濕度、空氣負氧離子含量等作為森林空氣環境質量監測因子。

1.2.2 數據調查采集

于2014年天氣比較穩定的7─8月對觀測樣地進行調查，采集相關數據。空氣溫度、濕度數據采用浙江托普儀器公司生產的手持式農業氣象監測儀測定；空氣負氧離子含量采用日本生產的KEC-990正負離子測試儀測定。為消除風速、風向可能帶來的誤差，測量時在同一點觀測點取相互垂直的2～4個方向，每個方向讀取3～5個值，記錄其平均值。由于空氣負氧離子受氣象及林分特征等因素的影響（陶寶先，2012；王薇，2014），為便于分析，樣地調查固定在09:00—10:00、12:00—13:00、15:00—16:00 3個時間段進行，并按照林分類型順序進行調查，使同一林分類型的數據形成一個時間序列，分析時取其平均值。

1.2.3 林分因子與空氣環境質量關系分析

選擇林分類型、林分發展階段、林分郁閉度等主要林分因子，對其與空氣溫度、濕度、負氧離子含量等與森林空氣環境質量相關的因子之間的關系進行分析，以了解森林自身狀態在改善空氣環境質量功能中的作用和規律。為便于分析，根據熱林中心的森林資源特點，將其劃分為未成林、灌木林、針葉純林、針葉混交林、闊葉純林、闊葉混交林、針闊混交林共7個林分類型。同時按照多功能近自然森林經營理論，將熱林中心的森林發展階段由低到高劃分為無林地階段、林分建群階段、競爭生長階段、質量選擇階段、近自然林階段、恒續林階段共6個階段。采用SPSS 19.0軟件對相關數據進行統計分析。

1.2.4 森林改善空氣環境質量功能評價

采用溫濕指數、安培空氣質量評價系數、森林空氣負氧離子評價模型對森林空氣環境質量進行評價，進而評價森林改善空氣環境質量的功能。溫濕指數主要從生理氣候角度來評價人體對氣候環境的感覺舒適程度，它綜合考慮了溫度、濕度和日照等氣象要素對空氣環境的影響，是表征空氣環境對人體冷、暖、涼、熱感覺影響的綜合指標，常在旅游氣候環境研究、森林空氣環境評價中采用（肖以華等，2004；丁振才和黃利斌，2006）。安培空氣質量評價方法及森林空氣負氧離子評價模型是國內外應用比較廣泛的通過空氣負氧離子含量來評價森林空氣環境質量的方法（李慧，2008；熊麗君等，2012；王薇和張之秋；2014）。由于空氣負氧離子能吸附、聚集和沉降空氣中的污染物和懸浮顆粒，使空氣得到凈化（Jovani，2001；Chih和Grace，2004），其濃度與空氣清潔度及人的體感舒適度密切相關（Watanabe等，1997），能充分反映空氣環境的污染程度，體現空氣環境質量狀況。因此，常將空氣負氧離子含量的高低作為評價空氣環境質量的重要指標（邵海榮和賀慶棠，2000；周德平等，2015）。

2 結果分析

2.1 森林溫濕指數情況及空氣環境舒適度評價

常用的溫濕指數公式為：ITH=t-0.55(1-f) (t-14.4)，式中，ITH為溫濕指數，t為平均氣溫（℃），f為相對濕度（%），根據溫濕指數劃分的空氣舒適度質量分級情況如表1所示。

表1 溫濕指數分級表Table 1 The temperature-humidity index scale

通過對調查數據分析發現，溫濕指數與林分類型、林分郁閉度之間均存在著顯著的相關性，其相關系數分別為0.469、0.357（0.01顯著性水平），而與林分發展階段的相關性不明顯。這表明林分類型、林分郁閉度均會對森林溫濕指數產生影響，進而影響森林改善空氣環境質量的功能。

從林分類型來看，總體上在該季節期間（7─8月），熱林中心的林分溫濕指數為 28.7，屬于悶熱不舒適的Ⅳ級。各林分類型的溫濕指數由低到高依次為針葉混交林（25.6）<針闊混交林（27.5）<闊葉混交林（27.6）<針葉純林（28.5）<闊葉純林（28.8）<灌木林（29.3）<未成林（33.2），以針葉混交林的溫濕度最為適宜，以未成林最為悶熱，且混交林的溫濕指數明顯低于純林，在測量期間，林分空氣平均溫度為 30.8 ℃，總體上為悶熱不舒適的Ⅳ級情況下，針闊混交林和闊葉混交林均屬于稍不舒適的Ⅲ級，而針葉混交林更是屬于稍熱的Ⅱ級。

從林分郁閉度來看，總體趨勢上郁閉度越高的林分，其溫濕指數值越低，當郁閉度達到0.4時，溫濕指數降低比較明顯，當郁閉度位于0.5～0.8時，溫濕指數的變化較小，只是稍微有所波動，至 0.9時又顯著降低。不同類型、不同郁閉度林分的溫濕指數情況詳見表2、表3。

表2 不同類型林分溫濕指數及空氣環境舒適度情況Table 2 The temperature-humidity index and air environmental comfort condition of different forest type

表3 不同郁閉度林分溫濕指數及空氣環境舒適度情況Table 3 The temperature-humidity index and air environmental comfort condition of different canopy density stand

2.2 森林負氧離子含量情況及空氣環境質量評價

2.2.1 森林負氧離子含量情況

分析結果表明負氧離子含量與林分類型、林分發展階段、郁閉度之間均存在顯著相關性，其相關系數分別為0.661、0.315、0.481（0.01顯著性水平），因此，林分類型、林分發展階段、郁閉度均會通過影響森林負氧離子含量而影響森林改善空氣環境質量的功能。

各林分類型中，負氧離子平均含量由高到低依次為針闊混交林（2871個/cm3）>闊葉混交林（2345個/cm3）>闊葉純林（2122個/cm3）>針葉混交林（2106個/cm3）>針葉純林（1512個/cm3）>灌木林（1496個/cm3）>未成林（1124個/cm3），以針闊混交林的負氧離子含量最高，以未成林的負氧離子含量最低（表4）。

表4 不同類型林分負氧離子含量情況Table 4 The negative air ion content condition of different type stand

不同發展階段林分負氧離子平均含量由高到低依次為恒續林階段（2569個/cm3）>近自然林階段（2320個/cm3）>競爭生長階段（1900個/cm3）>質量選擇階段（1655個/cm3）>林分建群階段（1542個/cm3）>無林地階段（1534個/cm3），以恒續林階段最高，無林地階段最低，除質量選擇階段的負氧離子平均含量低于競爭生長階段外，總體趨勢上負氧離子含量是隨著林分發展階段的深入而遞增的。質量選擇階段是高于競爭生長階段的，但實際監測中其負氧離子含量卻低于競爭生長階段，這主要是因為經營單位近些年在森林近自然化改造時對一些處于質量選擇階段的林分通過間伐進行了人為質量選擇，從而導致其林分密度和郁閉度總體上都要低于競爭生長階段的林分。林分各發展階段的負氧離子含量情況見表5。

表5 不同發展階段林分的負氧離子含量情況Table 5 The negative air ion content condition of different developmental stage stand

從林分郁閉度來看，郁閉度在 0.4～0.7之間的林分負氧離子含量比較高，尤以郁閉度為0.5的林分最高，當林分郁閉度低于0.4或高于0.7以后，其負氧離子含量均有所降低。因此，對于追求高濃度負氧離子含量的風景游憩林來說，并不是郁閉度越高越好，太高的郁閉度可能會因為減少了太陽光的穿透和空氣的流動而導致負氧離子含量的降低。不同郁閉度林分的負氧離子情況見表6。

表6 不同郁閉度林分負氧離子含量情況Table 6 The negative air ion content condition of different canopy density stand

2.2.2 森林空氣環境質量評價

安培空氣質量評價系數CI=n-/1000×1/q，其中q=n+/n-，即單極系數，n+、n-分別為空氣中正離子濃度和負離子濃度（曾曙才等，2008），1000為人體生物學效應最低負離子濃度，即當空氣中負離子含量達到1000個/cm3以上時，其對人體健康才是有益的。采用安培空氣質量評價系數進行評價時，其評價標準如表7所示。

表7 安培空氣質量評價標準Table 7 The Ampere air quality evaluation standard

國內一些學者根據森林環境中空氣離子的特性，在安倍空氣離子評議模型的基礎上提出了森林空氣負氧離子評價模型。其森林空氣負氧離子評價指數FCI=n-/1000×p，式中：p為空氣負離子系數，p=n-/(n-+n+)；n+、n-分別為空氣中正離子濃度和負離子濃度；1000為人體生物學效應最低負離子濃度（石強等，2004）。其認為0.5為清潔空氣與污濁空氣的負離子系數臨界值，一般大于0.5為清潔空氣，而小于0.5為污濁空氣。該評價模型的評價標準見表8。

表8 森林空氣負氧離子評價標準Table 8 The forest negative air ion evaluation standard

分別采用以上兩種方法對熱林中心森林負氧離子情況進行評價，其結果如表9所示。

表9 研究區森林空氣環境質量評價結果Table 9 The study area forest air environment quality evaluation results

根據安培空氣質量評價方法，熱林中心森林總體單極系數為0.68，安培空氣質量評價系數為2.89，空氣質量達到了最清潔級別，說明熱林中心總體森林空氣環境質量非常好。各林分類型的安培空氣質量評價系數由高到低依次為針闊混交林（5.89）>闊葉混交林（4.13）>針葉混交林（3.64）>闊葉純林（3.49）>針葉純林（2.36）>灌木林（1.93）>未成林（1.50），且整體來說混交林要明顯高于純林。

根據森林空氣負氧離子評價模型，熱林中心森林總體空氣負離子系數為0.60，森林空氣負氧離子評價系數為1.09，森林空氣負氧離子評價等級為Ⅲ級，說明總體森林空氣質量好，清潔度高，這與采用安培空氣質量評價方法評價的結果是一致的，且從其FCI值同樣可以看出，混交林的空氣環境質量等級要明顯高于純林。

可見，采用兩種方法評價的空氣環境質量情況是一致的，都表明混交林中的空氣環境質量要明顯高于純林，混交林在提供負氧離子改善空氣環境質量方面的功能要顯著強于純林。

3 結論與建議

3.1 結論

1）通過對森林空氣溫度、濕度、負氧離子含量等因子及其與林分因子之間的關系研究，可全面了解森林內部屬性與森林改善空氣環境功能之間的內在規律及不同森林在改善空氣環境質量能力方面的強弱。研究表明，森林改善空氣環境功能大小主要與其林分類型、發展階段、林分郁閉度有關。

2）不同類型林分在改善森林空氣環境質量方面的功能不同。從溫濕指數來看，針葉混交林在調節空氣溫濕度，改善空氣環境舒適度等方面的功能最強，然后依次為針闊混交林、闊葉混交林、針葉純林、闊葉純林、灌木林，以未成林最弱；從負氧離子含量來看，針闊混交林的負氧離子含量最高，因此其吸附、聚集和沉降空氣中的污染物和懸浮顆粒，從而使空氣得到凈化的功能最強，然后依次為闊葉混交林、闊葉純林、針葉混交林、針葉純林、灌木林，以未成林最弱，總體來說針葉林強于闊葉林，混交林強于純林，這與吳楚材及王順利等人對森林負氧離子的研究結論是一致的（吳楚材等，2001；王順利等，2010）。

3）不同發展階段的林分在改善森林空氣環境質量方面的功能也存在差異。從溫濕指數來看，不同發展階段的林分在調節空氣溫濕度，改善空氣環境舒適度等方面的功能差異不明顯；但從負氧離子含量來看，隨著林分發展階段的深入，森林凈化空氣的能力也逐漸增強。由于隨著林分發展階段的深入，林分的群落結構也更為復雜，因此這與有關研究中群落結構復雜的森林負離子濃度比群落結構簡單的森林負離子濃度含量高的結論是一致的（陽柏蘇等，2003）。

4）不同郁閉度的林分在改善森林空氣環境質量方面的功能存在差異，從溫濕指數來看，總體上森林在調節空氣溫濕度，改善空氣環境舒適度等方面的功能隨郁閉度的增加而增強，當郁閉度大于0.4時，森林改善空氣環境舒適度的功能顯著增強，當郁閉度位于0.5～0.8時，其表現相對平穩，至0.9時又顯著增強；從負氧離子含量來看，郁閉度在0.4～0.7之間的林分凈化空氣的功能較強，尤以郁閉度為0.5時最強，當林分郁閉度低于0.4或高于0.7以后，林分凈化空氣的功能均有所降低，這與吳楚材等（1998）及朱春陽等（2014）的研究結論是一致的。

5）根據安培空氣質量評價方法及森林空氣負氧離子評價模型的結果來看，熱林中心森林改善空氣環境質量的功能非常強，且總體來說混交林在改善空氣環境舒適度及吸附污染物、凈化空氣方面的功能均要顯著強于純林，采用這兩種方法評價的結果是一致的。

3.2 建議

通過分析得知，混交林具有更好的改善空氣環境的功能，因此森林經營單位在進行多功能森林經營時，若林分經濟及其它功能相當時，建議采取混交林方式可以更加充分的發揮森林的環境改善功能。但不同類型的混交林（針葉混交林、針闊混交林及闊葉混交林）在調節空氣溫濕舒適度及凈化空氣方面又存在差異。因此，經營單位在營造風景游憩林時又要根據當地的氣候特點及環境狀況，合理搭配針闊葉樹種比例并合理調控林分發展階段和郁閉度。在森林改善空氣環境質量的監測調查時，由于1年當中森林空氣環境的溫度、濕度、空氣負氧離子濃度都會隨季節的變化而變化（吳際友等，2003；謝雪宇等，2014），因此建議在天氣比較穩定的夏秋季節進行更為合適，且以后復查時應在同樣的季節進行，以提高相關指標對比分析結果的準確性。此外，作為森林綜合監測的一部分，森林改善空氣環境質量功能監測最好結合資源監測或其他監測一起進行，既可節省時間和費用，又能將監測結果與其他監測內容結合起來，對整個森林生態系統進行更加廣泛深入的分析與研究。

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Research on the Monitoring and Evaluation of Forest Function in Air Environmental Quality Improvement

DENG Cheng1,2, ZHANG Shougong1, LU Yuanchang1
1. Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2. Guangxi Forestry Inventory and Planning Institute, Nanning 530011, China

In order to understand the inherent relationship and regularity among forest internal attributes and its improvement function to air environment, and the ability of different forest in ameliorating air environment quality, the experimental center of tropical forestry of Chinese academy of forestry was taken as the research object, we made use of the systematic sampling with 2 km×2 km grid and set 51 plots to monitor the forest temperature, humidity, negative air ions content and other factors that associated with the air environment situation in July and August, 2014. The relationship among stand type, stand development stage, stand canopy density and forest air temperature, forest air humidity, forest negative air ions content were analyzed, and the quality of air environment were evaluated according to the temperature-humidity index, Ampere air quality evaluation coefficient and the forest negative air ions evaluation model. The results showed that, 1) The ability in ameliorating air environment quality was associated with forest type, stand development stage and stand canopy density mainly. 2) In the regulation of air temperature, humidity and improve the air environment comfort, the coniferous-mixed forest was strongest, followed by coniferous-broad leaved mixed forest, broad-leaved mixed forest, coniferous pure forest, broad-leaved pure forest, shrub forest, and the immature forest was weakest. In the adsorption of pollutants and purify air, the coniferous-broad leaved mixed forest was strongest, followed by broad-leaved mixed forest, broad-leaved pure forest, coniferous-mixed forest, coniferous pure forest, shrub forest, and the immature forest was weakest. 3) The influence of different forest development stages to air environment comfort were not significant, however, the air purification capability of forest increased gradually with the stand development stage in-depth, accompanied by more and more complicated forest structure. 4) The forest functions in the regulation of air temperature and humidity, improve the air environment comfort could be enhanced with the stand canopy density increased, when the canopy density was greater than 0.4, the forest function in improving the air environment comfort was enhanced significantly. Air environment comfort was stronger when canopy density was between 0.4～0.7, which was strongest when the canopy density was 0.5. The purification function of forest to air was reduced when the canopy density was lower than 0.4 or higher than 0.7. 5) Overall, the function of mixed forest was stronger than pure forest in improving the air environment quality obviously. The results had important significance for guiding the Management units, showing how to enhance the improvement function of forest to the air environment quality through regulating the stand status.

forest air environment; forest function monitoring; forest function evaluation; the temperature-humidity index; negative air ions

X16

A

1674-5906（2015）01-0084-06

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.013

鄧成，張守攻，陸元昌. 森林改善空氣環境質量功能監測與評價研究[J]. 生態環境學報, 2015, 24(1): 84-89.

DENG Cheng, ZHANG Shougong, LU Yuanchang. Research on the Monitoring and Evaluation of Forest Function in Air Environmental Quality Improvement [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 84-89.

國際合作基于遙感和地面監測的森林經理數據集成技術（2014DFG32140）；多功能森林撫育經營創新技術研究（CAFYBB2012013）

鄧成（1981年生），男，工程師，博士研究生，主要研究方向為森林生態系統管理。Email:dengcheng6618@126.com *通訊作者：陸元昌，男，研究員，博士，博導，主要從事多功能近自然森林經理的理論與技術研究。Email: YLu@caf.ac.cn

2014-10-22