南雄自然保護區—城鄉梯度空氣負離子時空分異對比研究

郭緒兵，蔡章林，邱治軍，陳志紅，周光益

1.廣東南雄小流坑—青嶂山省級自然保護區，廣東南雄 512421；

2.中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東廣州510520

空氣負離子(Negative Air Ion，NAI)，又稱負氧離子，是由空氣中負氧離子與若干個水分子結合形成的原子團。空氣負離子不僅具有殺菌、降塵和清潔空氣等作用，而且具有保健功效，有助于提高人體免疫力，促進人體身心健康發展，被譽為“空氣中的維生素”[1，2]。空氣中的負氧離子數量和分布已經成為評價空氣潔凈度與生態環境的重要指標之一。

自然保護地是人們戶外旅游休閑重要的去處之一。探明自然保護地空氣負離子的時空分布特征對于評價該保護區空氣質量和促進森林旅游發展都具有十分重要的理論價值和現實意義。目前，不少學者通過監測空氣溫度、濕度、降水等氣象因子研究影響空氣負離子的環境因素，但尚未得到一致結論，仍然存在不少爭議[3，4]。且大多數研究采用定點監測的方法，只分析比較森林公園或自然保護區內部的空氣負離子水平[5-8]，在森林—鄉鎮—城市梯度不同土地利用類型的空氣負離子的時空分異特征對比上缺乏深入的監測研究。該文選取南雄市不同土地利用類型為研究對象，在小流坑—青嶂山自然保護區不同林分、保護區外城鄉不同位置設置對比監測點，探究不同地點空氣負離子時空變化特征，揭示森林植被對空氣負離子的調控作用，旨在為森林規劃、旅游資源開發和生態環境建設提供科學依據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

小流坑—青嶂山保護區位于廣東省北部南雄市，重點保護亞熱帶森林生態系統及珍稀動植物資源，由小流坑（位于帽子峰森林公園內，面積873.8hm2）和青嶂山（面積7000.2hm2）兩部分組成。保護區總面積達7874hm2，森林覆蓋率89.1%。帽子峰森林公園位于南雄市西北部，距離南雄市42km，地處南嶺山脈與大庾嶺交界處，森林覆蓋率94.8%。青嶂山位于南雄市東南部，距離南雄市13km，是南雄市南面最高的山，也是保護區核心區所在地。

研究區域屬亞熱帶季風氣候區，具有四季分明、冬短夏長、秋季過渡快的特點。冬季盛行東北季風，夏季盛行西南和東南風。年均氣溫19.6℃；極端最低氣溫-6.2℃，極端最高氣溫39.5℃。年均太陽輻射111.7kcal·m-2，≥10℃的有效積溫7177.9℃，降雨量1551.1mm，蒸發量1678.7mm[9]。該地區森林為20 世紀80 年代采伐后恢復的天然次生林，喬木樹種主要有木荷(Schima superba)、米錐(Castanopsis chinensis)、小紅栲 (Castanoposis Carlesii)、青岡(Cyclobalanopsis glauca)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)等。林下灌木主要有楊桐 (Adinandra millettii(Hook.et Arn.)Benth.et Hook.f.ex Hance)、赤楠(Syzygium buxifoliumBook.et Arn)、杜莖山 (Maesa japonica(Thunb.)Moritzi.ex Zoll)、鼠刺(Itea chinensisHook.et Arn)等。草本植物主要有頂芽狗脊(Woodwardia unigemmata(Makino)Nakai)、芒萁(Dicranopteris dichotoma(Thunb.)Bernh)、玉葉金花(Mussaenda pubescensAit.f)等。

1.2 研究方法

根據不同林分類型和人為活動密集程度，在保護區內外設置7 個監測點（表1）。前4 個土地利用類型為森林，人為干擾較少；雄州鎮和帽子峰鎮為鄉鎮區域，居民點與農業用地交錯分布；汽車站為人車流量較大的城區核心區域。該研究采用移動監測的方法，設置2 條監測路線，南線為南雄汽車站—雄州鎮—青嶂山針葉林—青嶂山闊葉林，北線為南雄汽車站—帽子峰鎮—帽子峰針葉林—帽子峰闊葉林。每天監測1 條路線，在各監測點來回監測，各點監測主要時間分布在7:00～19:00 之間。

表1 空氣負離子監測點基本情況Tab.1 Basic Information of Nai Monitoring Sites

該研究觀測時間為2019 年1 月至12 月。每個月選擇天氣情況較好的2d～4d 天進行監測。其中2月份數據未采集，4 月份青嶂山闊葉林因天氣條件不佳無法采集數據。檢測儀器采用空氣負離子檢測儀，型號為COM 3200 PRO II。測量前先用三角架固定空氣負離子檢測儀，三角架高1.2m，用外置的鋰電池(12V 100AH)供電。每天第1 次測量前先開機預熱20min 后再進行正式測量。測量前先將儀器調節水平，然后分別測定東、南、西、北4 個方向的空氣負離子濃度，取其平均值作為該次的測量值。每次監測時間為30min 左右。

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 完成數據處理，運用SPSS 25 對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 空氣負離子濃度總體特征

將2019 年全年監測結果求平均值，得到不同監測地點空氣負離子平均濃度（表2）。7 個地點的空氣負離子濃度從高到低依次排序為：青嶂山針葉林＞帽子峰闊葉林＞青嶂山闊葉林＞帽子峰針葉林＞帽子峰鎮＞雄州鎮＞汽車站。濃度最高的青嶂山針葉林與濃度最低的汽車站之間相差928 ion·cm-3，前者是后者的3.17 倍。自然保護區內空氣負離子最高，4 個監測點的全年平均值為1194 ion·cm-3，是帽子峰鎮和雄州鎮2 個監測點平均值的1.5 倍，是城區汽車站平均值的2.8 倍。由于數據不符合正態分布，故采用非參數檢驗中的Kruskal-Wallis 單因素ANOVA（K 樣本）對不同地點的空氣負離子濃度差異進行分析[10]。Kruskal-Wallis 檢驗結果表明，帽子峰闊葉林與帽子峰針葉林、青嶂山闊葉林和青嶂山針葉林之間不存在顯著差異，帽子峰針葉林和帽子峰鎮之間也不存在顯著差異，但汽車站和雄州鎮及其他所有地點均存在顯著差異。森林各監測點的空氣負離子濃度顯著高于雄州鎮和汽車站等人為活動密集區域（P＜0.05）。

表2 2019 年不同地點平均空氣負離子濃度Tab.2 Averaged Nai Concentration at Different Study Sites in 2019

2.2 空氣負離子濃度月動態變化

將保護區內7 個監測點1 月～12 月的空氣負離子濃度按月統計，得到空氣負離子月變化(圖1)。不同監測點空氣負離子濃度變化趨勢存在不同的模式，負離子濃度的最低值與最高值出現時間也不完全相同。帽子峰闊葉林、帽子峰針葉林、青嶂山針葉林和帽子峰鎮的空氣負離子濃度呈現先上升后下降的趨勢，為單峰曲線，在夏季（7 月份和8 月份）達到最高值，在冬季（1 月份和12 月份）達到最低值。其中帽子峰闊葉林空氣負離子濃度月變化幅度最大。雖然青嶂山闊葉林的峰值出現在秋季（10 月份），但是，春秋兩季空氣負離子濃度和夏季基本一致，冬季仍然是處于最低值。雄州鎮和汽車站的空氣負離子濃度全年變化不大，維持在一個較低的水平。

圖1 不同監測點空氣負離子濃度月變化Fig.1 Monthly Variations of Nai Concentration at the Seven Sites

2.3 空氣負離子濃度日動態變化

選取空氣負離子濃度較高的夏季（6 月、7 月和8 月），將一天當中的監測時間分為4 個時段，分別為上午（7:00～11:00）、中午（11:01～14:00）、下午（14:01～17:00）和傍晚（17:01～19:00），統計空氣負離子濃度日變化(圖2)。帽子峰闊葉林、帽子峰針葉林和雄州鎮空氣負離子濃度日變化趨勢相同，從大到小排序為：傍晚＞上午＞下午＞中午。總體而言，上午和傍晚屬于空氣負離子濃度較高水平的時間段，中午一般為最低。汽車站全天變化不大，主要受到人流量和車流量的影響，保持在一個穩定的低水平。

圖2 不同監測點空氣負離子濃度日變化Fig.2 Daily Variations of Nai Concentration at the Seven Sites

3 結論與討論

該研究通過南雄自然保護區—城鄉梯度不同土地利用類型空氣負離子1a 的監測數據分析發現，自然保護區的空氣負離子資源豐富，顯著高于城鎮和汽車站等人流密集區域。此外，保護區空氣負離子濃度存在明顯的季節變化和日變化規律，而且森林質量越好，這種變化的規律越明顯，說明森林對空氣負離子具有明顯的調控作用。因此，自然保護區建設有利于森林質量的提升和空氣環境的改善，為發展森林康養旅游奠定了良好的生態環境條件。

3.1 森林對空氣負離子的調節

森林植被的枝葉尖端放電效應以及光合作用形成的光電效應會導致大氣分子電解，從而產生大量空氣負離子[11，12]。大氣中的負氧離子壽命從幾秒到幾分鐘不等，每一時刻都有大量的正、負離子產生和消失，其濃度處于動態平衡之中[13]。植被的有無以及景觀群落的復雜性是影響空氣負離子濃度的關鍵因素[14]。該研究發現，帽子峰闊葉林、帽子峰針葉林、青嶂山闊葉林和青嶂山針葉林等森林環境的空氣負離子濃度顯著高于雄州鎮和汽車站等人為活動密集的區域。人為活動程度中等的帽子峰鎮，其空氣負離子濃度高于人為活動程度少的雄州鎮，得益于前者周圍大量森林植被的存在。與農田、裸地或其他土壤類型相比較，森林土壤的熱容量較大，有較好的通氣性和較高的滲透性，因而以氧離子或負氧離子為主的空氣負離子在森林植物根系和森林土壤微生物利用氧時被釋放并交換到空氣中也比較多[7]。大量森林植被能夠吸收空氣中的污染物，從而起到凈化空氣的作用。雄州鎮周圍的農田作物相比較于帽子峰鎮周圍的杉木和毛竹等植被，產生的空氣負離子較少，而且無法有效降低鄉村公路所帶來的汽車尾氣和地面揚塵等污染。此外，有研究報道負氧離子濃度與人流量、車流量均呈負相關[15]。汽車站作為小流坑-青嶂山自然保護區的交通樞紐，車輛往來密集，人為活動干擾程度最劇烈，空氣負離子濃度也屬于最低水平。陳雷等[16]在廣州綠地植物群落的研究也發現，位于交通主干道綠島的喬灌群落和缺乏綠色植被的火車站廣場的空氣負離子濃度顯著低于公園的綠地群落。邵海榮等[17]在北京地區的監測發現空氣負離子濃度從市中心向郊區逐漸增大，人為活動密集和汽車尾氣等干擾強烈的城市區域空氣負離子水平偏低。

此外，對于不同植被類型的空氣負離子濃度差異，一直處于爭議之中[18，19]。該研究發現，兩種不同林分4 個監測地點的空氣負離子濃度呈現出不同的差異（表2）。在帽子峰，闊葉林的空氣負離子濃度大于針葉林；而在青嶂山則出現了相反的結果，即針葉林的空氣負離子濃度大于闊葉林。對于前者，一般認為是闊葉林的空氣相對濕度高所致；對于后者，則是因為針葉具有“尖端放電”的功能，進而使空氣發生電離，能夠提高空氣中的負離子水平[15，20]。造成此種結果的原因可能有植被的因素（如植被密度、葉片形態和葉面積指數等），也可能受其他環境因素的影響(如風速、空氣濕度、濕度等)。若要深入揭示具體因素所起的作用，需要將來開展針對性的室內控制實驗來探究植被和環境因子對空氣負離子的影響機制[20]。

3.2 空氣負離子隨時間的變化

以往的研究表明，空氣負離子存在明顯的季節變化和日變化規律[13，21]。森林環境的空氣負離子濃度的變化通常與植物的生長周期和氣象因子，如溫度和濕度等相關[22，23]。夏季大氣中的空氣負離子濃度最高，其次為春秋兩季，最低為冬季。7 月份和8月份帽子峰闊葉林，帽子峰針葉林，青嶂山針葉林和帽子峰鎮的空氣負離子濃度達到峰值，因為此時正處于盛夏，大氣中水分和熱量等條件充足，植被生長最旺盛，為空氣負離子的生產創造了良好的條件。冬季大氣溫度開始下降，植被的生理活動減弱，負離子產出不足，導致整體濃度下降。韓靜波等[25]的研究表明，空氣顆粒物與負離子濃度呈負相關。雄州鎮和汽車站可能是由于常年人為活動和汽車揚塵導致空氣中顆粒污染物過多，并與負離子相結合形成沉降進而長期維持在一個較低的水平，因而沒有表現出明顯的月變化規律。

中午是一天當中濃度較低的時段，因為正午時分溫度很高，蒸騰作用強烈，植物光合作用速率下降導致空氣負離子濃度減少。此外，空氣負離子的日變化規律可能是與植物光合作用存在“午休”現象有關。這與彭琳玉等[26]在九連山國家森林公園的研究結果基本一致，即空氣負離子早晚濃度明顯高于中午。不過，青嶂山針葉林和帽子峰鎮表現為下午空氣負離子濃度顯著高于白天的其他時段。石彥軍等[24]則發現空氣負離子濃度存在兩個峰值，分別出現在上午9:00 和下午16:00 前后。因此，空氣負離子的野外監測很容易受到環境條件的干擾，尤其是不同天氣條件下，空氣負離子濃度會表現出不一樣的模式。