不同熱帶森林空氣負離子濃度評價研究

王一荃 ，周璋 ，李意德，陳德祥，張濤 ，楊繁

1.中國林業科學研究院熱帶林業研究所/海南尖峰嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站，廣東 廣州 510520；2.南京林業大學，江蘇 南京 210037；3.中國林業科學研究院熱帶林業研究所試驗站，海南 樂東 572542

空氣負離子NAIs（Negative Air Ions）主要是由空氣中含氧負離子與若干個水分子結合形成的原子團（黃世成等，2012），是帶負電荷單個氣體分子及其輕離子團的總稱（Pino et al.，2013）。空氣負離子具有沉降污染物和懸浮塵埃、潔凈空氣、殺菌抑菌、除臭味的作用（Marin et al.，1989；Ryushi et al.，1998；Wu et al.，2004；李安伯，2001），其濃度大小是評價空氣質量的重要指標（Tikhonov et al.，2004；邵海榮等，2005），對于空氣狀況的評價具有重要意義。空氣負離子對人體具有廣泛的生理生化效應，具有促進新陳代謝、提高免疫力、調節機能平衡的功效，被譽為“空氣維生素和生長素”（徐長松，1982；倪軍等，2004；章志攀等，2006）。自然界中空氣負離子的產生機理主要有3種：一是紫外線、宇宙射線、放射性物質、雷電、風暴等因素充當電離劑的作用使空氣發生電離從而產生空氣負離子；二是植物的尖端放電以及光合作用形成的光電效應促使空氣電離產生空氣負離子：三是水的勒納德效應（Lenard water fall effect），水自上而下，在重力的作用下高速運動使水分子裂解，產生大量空氣負離子（趙雄偉等，2007）。

在森林的光合作用和尖端放電下，森林環境中會產生大量空氣負離子，并且森林生態系統的復雜結構改變了森林中的小氣候，使其更適合于負離子的長期保留（Wang et al.，2020），因此森林中往往具有較高的空氣負離子水平。深入開展森林負離子的測定方法、變化規律以及林分屬性與森林改善空氣環境功能之間的關系，對生態環境保護、健康產業的發展以及森林城市建設等相關領域具有重要的科學意義（鄧成等，2015；朱麗娜等，2019）。

目前，國內關于空氣負離子的研究主要側重于負離子濃度的時空變化規律及影響因素、空氣負離子的評價、空氣負離子對生物機體和環境的影響、以及空氣負離子的開發與應用（吳楚材等，2001；朱麗娜等，2019；彭巍等，2020）。有關森林空氣負離子的研究主要集中在溫帶（Wang et al.，2020；邵海榮等，2005；劉雙芳等，2020）、亞熱帶（彭少麟等，1999；鄧成等，2015；任曉旭等，2016），但是對熱帶森林空氣負離子相關研究較少。本文以海南島尖峰嶺熱帶林區為研究區域進行定期監測，比較和評價各森林類型的空氣負離子濃度和空氣質量參數，探尋空氣負離子濃度的時空變化及其同環境因子和林分組成和結構之間的關系，以期為熱帶雨林空氣質量評價的研究提供科學依據，為熱帶林區發揮森林游憩和森林康養作用提供經營建議。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

尖峰嶺位于海南省西南部樂東黎族自治縣和東 方 市 交 界 處 （ 18°20′— 18°57′N ， 108°41′—109°12′E），總面積約 640 km2，包括尖峰嶺林區及周邊地區，行政上隸屬海南省樂東黎族自治縣尖峰鎮。尖峰嶺林區面積為472.27 hm2，為海南島五大林區之一（李意德，2012）。尖峰嶺林區內的熱帶雨林是中國現有面積較大、保存較完整的熱帶原始森林之一。尖峰嶺屬低緯度熱帶島嶼季風氣候區，干濕兩季明顯，雨季從5—10月，旱季從11月至次年4月。年均降雨量介于1300—3700 mm之間；年均溫度為 24.5 ℃，最冷和最熱月極端溫度分別為10.8 ℃和32.6 ℃（周璋等，2015）。該區森林類型豐富，其中熱帶常綠季雨林為本地區的地帶性植被，熱帶山地雨林則為本地區發育最為完善、結構最為復雜的類型（曾慶波等，1997；李意德，1997）。熱帶山地雨林分布在海拔700—1300 m的山體中至上部，其植物種類組成復雜，以樟科、茜草科、殼斗科和桃金娘科為優勢科（李意德等，2002）。

1.2 監測樣地建設與數據采集

在尖峰嶺熱帶山地雨林區，選擇天然起源（含原始林和次生林類型）、人工起源（雞毛松Podocarpus imbricatus和加勒比松Pinus caribaea）等林分作為研究對象，并就近選擇無林空曠地作為對照監測點，在 4個森林類型中各建立 3—4個600—10000 m2樣地。記錄的樣地基本信息包括地點、經緯度、海拔、坡度坡向坡位、土壤類型，以及組成群落的物種、胸徑、樹高等，計算群落物種多樣性和林分結構多樣性指數，并通過收集資料獲得樣地的造林年份（人工林）以及干擾歷史信息，樣地信息表（表1）。

表1 尖峰嶺熱帶山地雨林區監測樣地基本信息Table 1 Information of monitor point of tropical mountain rainforest in Jianfengling

物種多樣性指數計算采用 Shannon-Weiner指數（Strong，2016）：

式中，Pi為單個樣方內第i個物種的多度占所有物種多度之和的比例，S為單個樣方內的物種數。

林分結構多樣性指數計算采用林分結構Shannon-Weiner指數（Fahey et al.，2015）：

式中，Gi為單個樣地內第i個徑級的胸高斷面積占所有徑級胸高斷面積之和的比例，S為單個樣地內的徑級數。

在每個樣地中采用五點取樣法設置5個空氣質量觀測樣點，放置空氣負離子濃度測試儀（COM-3200PRO Ⅱ），測量空氣正負氧離子含量、空氣溫濕度等數據。2019年起每隔2個月選擇天氣晴朗的09:00—12:00間進行空氣質量監測。

為了進一步探究空氣負離子的時間連續變化特征，在次生林林內還設置全自動實時連續監測點。使用EPEX-EP100B負離子自動監測系統（固定式），從2019年1月起連續進行空氣負離子以及環境要素（溫度、濕度、PM2.5質量濃度）的監測，監測頻率為1 min。

1.3 空氣質量評價方法

空氣質量評價采用日本學者安倍（1980）提出的空氣質量分級標準，它反映了空氣中離子濃度接近自然界潔凈空氣離子化水平的程度，是國際上通行的空氣清潔度評判標準（吳楚材等，2001）；以及國內學者石強等（2004）根據森林環境中空氣離子的特性，并結合人們開展森林旅游的目的所提出的森林空氣離子評價模型為標準，進行空氣質量綜合分析和評價。

安倍空氣離子評價指數（CI）計算公式為：

式中，q為單級系數，q=n+/n?，n+和n?分別為正負離子濃度（ion·cm?3），1000為滿足人體生物學效應最低需求的空氣負離子濃度（ion·cm?3）。采用安培空氣離子評價指數（CI）進行評價時，其評價標準如表2所示。

表2 安培空氣離子評價指數（CI）評價標準Table 2 Evaluation Standards of Ampere Air Ion Evaluation Index (CI)

森林空氣離子評價模型（FCI）為：

式中，p為空氣負離子系數，p=n?/(n?+n+)，n+和n?分別為正負離子濃度（ion·cm?3）。采用森林空氣離子評價模型（FCI）進行評價時，其評價標準如表3所示。

表3 森林空氣離子評價模型（FCI）評價標準Table 3 Evaluation criteria of forest air ion assessment model (FCI)

運用Excel 2018對原始數據進行剔除離異值處理，并用Origin 2018做相應的柱狀圖、折線圖和散點圖分析各區域空氣負離子濃度的時空變化規律及與環境、林分因子之間的趨勢分析。

采用SPSS 23.0軟件對數據進行單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD），對比分析不同林分起源、林分類型、不同季節間空氣負離子濃度間的差異性。

2 結果與分析

2.1 不同類型空氣負離子濃度變化特征

2.1.1 負離子濃度日變化特征

在熱帶山地雨林次生林林內進行了負離子全天自動連續監測，將監測時間范圍內每分鐘負離子濃度求均值，得到負離子濃度的旱季、雨季日變化圖（圖1、2）。圖中可以看出，空氣負離子呈現明顯的日變化特征，旱季與雨季的負離子濃度日變化趨勢相似，但在雨季的趨勢更為平緩。旱季負離子濃度在一天中的07:00—08:00開始上升，在10:00—12:00達到峰值；然后下降，在16:00—18:00持平；然后再下降，在20:00—21:00達到最低值，隨后較為平緩。而雨季在一天中的07:00—08:00開始上升，在10:00—12:00達到峰值，然后下降，在16:00—19:00之間呈波動趨勢。

圖1 次生林旱季負離子濃度日變化Fig.1 Diurnal variation of NAIs concentration during the dry season

圖2 次生林雨季負離子濃度日變化Fig.2 Diurnal variation of NAIs concentration during the rainy season

2.1.2 負離子濃度季節變化特征

海南島尖峰嶺熱帶山地雨林區各森林類型監測所得的空氣離子濃度如表4所示，總體平均負離子濃度為 (3882±1234) ion·cm?3，為世界衛生組織規定的清新空氣的2—5倍。從季節分布上看，旱雨季存在極顯著差異（P=0.001），雨季的負離子濃度(4114±1463) ion·cm?3明顯高于旱季 (3645±1118)ion·cm?3。

表4 各類型林分季節空氣離子濃度Table 4 The concentration of NAIs and positive air ions (PAIs) during different seasons ion·cm?3

分析結果表明，負離子含量在不同林分起源、不同森林類型均存在極顯著差異（P<0.01）。從林分起源來看，空氣負離子平均濃度順序依次為：空曠地<人工林<天然林。從林分類型來看，空氣負離子平均濃度順序依次為：空曠地<加勒比松人工林<雞毛松人工林<熱帶山地雨林次生林<熱帶山地雨林原始林。

不同植被覆蓋、林分起源、林種結構、樹種組成的負離子濃度年內變化見圖 3。負離子含量在全年各月份中，有林地高于空曠地，天然林高于人工林，原始林高于次生林，雞毛松高于加勒比松，各類型林分的負離子濃度變化趨勢在不同月份略有不同。

圖3 不同植被覆蓋（a）、林分起源（b）、林種結構（c）、樹種組成（d）的負離子含量年內變化Fig.3 Seasonal changes of NAIs of different forest origins

2.2 空氣負離子濃度與環境因子相關性分析

對不同林分空氣負離子濃度與環境因子進行相關性分析，表明空氣負離子濃度同空氣溫度、相對濕度、PM2.5質量濃度具有線性相關關系（圖4）。Pearson相關性分析（表5）結果表明，空氣負離子濃度與濕度具有顯著的正相關關系，與溫度、PM2.5質量濃度具有顯著的負相關關系。偏相關分析表明負離子濃度主要受濕度主導，而與溫度、PM2.5質量濃度相關性不顯著。

表5 空氣負離子濃度與環境因子Pearson相關性系數Table 5 Pearson correlation coefficient between NAIs concentration and environmental factors

圖4 負離子濃度與環境因子相關性分析Fig.4 Correlation analysis between NAIs concentration and environmental factors

2.3 空氣負離子濃度與物種和林分結構多樣性相關性分析

對不同林分空氣負離子濃度與多樣性指數進行相關性分析，結果表明空氣負離子濃度與物種多樣性指數、結構多樣性指數具有極顯著的正相關關系（圖5）。

圖5 負離子濃度與林分多樣性相關性分析Fig.5 Correlation analysis between NAIs concentration and forest diversity

2.4 空氣環境質量評價

分別采用日本學者安倍空氣質量分級標準以及森林空氣離子評價模型兩種方法對尖峰嶺熱帶山地雨林區空氣質量進行評價，其結果如表6所示。

表6 空氣環境質量評價結果Table 6 Air environment quality evaluation results

根據安倍空氣質量分級標準評價方法，尖峰嶺熱帶山地雨林區總體單極系數為 (0.89±0.08)，安培空氣質量評價系數為 (4.35±1.57)，空氣質量達到了A級，清潔程度為最清潔級別，可見尖峰嶺熱帶山地雨林林區總體的空氣環境質量好。各樣地類型的安培空氣離子評價指數（CI）由低到高依次為：空曠地<加勒比松人工林<熱帶山地雨林次生林<雞毛松人工林<熱帶山地雨林原始林。各林分起源的CI值由低到高依次為：空曠地<人工林<天然林。

根據森林空氣離子評價模型評價方法，尖峰嶺林區總體森林空氣離子系數為 (0.53±0.02)，森林空氣離子評價指數為 (2.05±0.69)，森林空氣離子評價等級為Ⅱ級。這顯示尖峰嶺林區總體森林空氣質量好，清潔度高。各類型的森林空氣離子評價指數（FCI）由低到高依次為空曠地<加勒比松人工林<雞毛松人工林<熱帶山地雨林次生林<熱帶山地雨林原始林。各林分起源的FCI值由低到高依次為：空曠地<人工林<天然林。同安倍空氣質量分級標準評價結果一致，但前者評價方法分級更細化。

可見，采用兩種方法評價的空氣環境質量情況是一致的，都表明森林具有明顯的產生空氣負離子、改善空氣環境質量的作用，天然林在提供負氧離子改善空氣環境質量方面的功能要強于人工林，原始林要高于次生林。

3 討論

研究結果表明，無論是從空氣負離子濃度還是空氣質量指數來說，有林地都優于空曠地，這與大多數學者（邵海榮等，2005；王薇，2014；馮鵬飛等，2015；何平等，2015；趙怡寧等，2018）的研究結果一致。在森林環境中，空氣負離子濃度會比其他地方高，這是由于林下土壤疏松，巖石和土壤中的放射性元素容易逸出土壤而進入空氣；林木在光合作用過程中的光電效應以及森林的樹冠、枝葉的尖端放電都能促使空氣電離，產生負離子；一些植物釋放的揮發性物質，例如植物受傷時發出的“芬多精”等也能促進空氣電離，從而增加空氣負離子濃度，加上樹木有除塵作用，使林區的負離子不僅濃度高，而且壽命較長（曾曙才等，2006）。同時，有林地中天然林優于人工林，天然林區中原始林優于次生林，分析結果也表明負離子濃度與物種多樣性指數、結構多樣性指數呈顯著正相關關系，即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高，這與陽柏蘇等（2003）、鄧成等（2015）研究結果一致。天然林尤其是原始林相較于人工林物種多樣性指數、結構多樣性指數都更高，群落結構復雜穩定，生態功能更完備，森林產生空氣負離子的能力也更強。此外，人工林中的雞毛松也有較高的負離子濃度。實驗所選雞毛松林雖是人工造林，但由于造林樹種為鄉土樹種，適合當地氣候，物種多樣性指數與結構多樣性指數都高于加勒比松人工林，因此其負離子濃度很高。這與鄧成等（2015）得出的隨著林分發展階段的深入，森林凈化空氣的能力逐漸增強的結論一致。

監測數據顯示，在森林環境中的空氣負離子表現出一定的年變化和日變化規律。一年中負離子濃度均值最高值為旱季雨季交接的5月，最低值為雨季旱季交接的9月，推測這種變化與尖峰嶺地區干濕分明的氣候有關。從圖4和表5的結果來看，相對濕度是影響空氣負離子濃度最為重要的環境因子，尖峰嶺每年的5月開始進入雨季，空氣濕度明顯增加（周璋等，2015），同時由于雨季開始，植物生長逐漸旺盛，植物生理活動導致植物“精氣”的釋放量也能得到增加，而空氣中的PM2.5質量濃度由于濕度的增加而降低，導致了5月進入空氣負離子濃度的高峰期；在9月，尖峰嶺地區即將進入旱季，空氣濕度降低（周璋等，2015），加之溫度同時也降低，且植物生長進入緩慢期甚至是停滯期，導致了空氣負離子濃度的降低。負離子濃度在一天中的最高值出現在 10:00—12:00，與前人（倪軍等，2004；高銘聰等，2011；馮鵬飛等，2015；何平等，2015；楊春艷等，2019）所研究的雙峰型變化不同，峰值出現時間也不同，前人研究多在正午有濃度的波谷，可能是研究區域的氣候、環境等不同造成的，作者認為這與尖峰嶺地區植物在正午光合作用達到最大高峰值，而光合午休現象在14:00出現有關（陳德祥等，2003）。旱季最低值出現在20:00—21:00，雨季沒有明顯低峰，在16:00—19:00之間呈波動趨勢，總體來說，雨季變化較平緩，由于空氣負離子濃度與降雨強度具有正相關關系（司婷婷等，2014），雨季總體負離子濃度較高，但變化較平穩。此外，前人對負離子日變化的研究多集中于白天（陽柏蘇等，2003；曾曙才等，2006；司婷婷等，2014；王薇，2014），而鮮少有人在夜間進行觀測，本研究發現熱帶森林（次生林）負離子濃度在旱季夜間變化平緩，雨季夜間呈波動變化趨勢。

研究表明，空氣負離子濃度與環境要素有一定的相關關系。尖峰嶺熱帶山地雨林區監測數據皮爾森相關性分析顯示，空氣負離子濃度與濕度呈顯著的正相關關系，而與溫度、PM2.5質量濃度呈顯著的負相關關系。這與曹建新等（2017）、趙怡寧等（2018）、楊春艷等（2019）的研究結果相同；與Reiter（1985）、黃彥柳等（2004）、任曉旭等（2016）結果相反。可能是研究區域的氣候、植被種類、干擾等因素造成的。尖峰嶺地區屬低緯度熱帶島嶼季風氣候區，干濕兩季明顯，與其他學者研究地區氣候、主要植被類型有較大差異，并且尖峰嶺林區受臺風影響較大。另外，進行偏相關分析時發現負離子濃度主要受濕度主導，而與溫度相關性不顯著，這是由于熱帶山地雨林區環境潔凈、溫度變差相對較小（周璋等，2015），負離子濃度受溫度影響較濕度小。空氣負離子還和PM2.5質量濃度呈顯著的負相關關系，這與賀江華等（2014）、劉雙芳等（2020）的研究結果相同。負離子空氣可以使一些空氣顆粒物吸附、沉降減少（郭二果等，2013），具有降塵作用，尤其是對小至0.01 μm的微粒和難以去除的飄塵（Daniell et al.，1991）。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）尖峰嶺熱帶山地雨林區空氣負離子濃度平均為 (3882±1234) ion·cm?3，為世界衛生組織規定的清新空氣的2—5倍，空氣質量達到了A級，清潔程度為最清潔級別。旱季負離子濃度顯著低于雨季，負離子濃度在一天中的最高值出現在 10:00—12:00。

（2）不同類型的林分在改善空氣環境質量方面有不同的功效，空曠地<有林地，人工林<天然林，次生林<原始林，加勒比松人工林<雞毛松人工林。

（3）林內空氣負離子濃度與林分因子中的物種多樣性指數、結構多樣性指數呈顯著正相關關系；與環境因子中的相對濕度呈顯著的正相關關系，而與空氣溫度和PM2.5質量濃度呈顯著的負相關關系。

4.2 建議

熱帶天然林尤其是原始林空氣環境質量最優，當地森林經營部門應充分發揮尖峰嶺林區天然林的森林康養功能，合理開發和充分利用熱帶雨林環境中形成的空氣負離子，開展“森林浴”、“空氣離子療法”等應用項目，指導人們更好地利用空氣負離子資源強身健體、療養疾病。而在人工林中，鄉土樹種雞毛松無論從負離子含量來說還是空氣質量評價指數來說，空氣環境質量更佳，當地在造林或林分改造等生態修復工程中，應更可多選擇鄉土樹種，充分發揮人工林改善空氣環境質量的功能。