福州國家森林公園空氣負氧離子濃度變化特征與影響因素*

關昶翔 許新宇 林雙毅 董建文 闕晨曦 蘭思仁

1 福建農林大學園林學院 福州 350002

2 福建省廈門市綠化中心 福建廈門 361000

森林公園作為森林生態旅游的主要目的地,游客在出行時除了考慮游憩需求,也同樣關注目的地的生態服務效果以及從中獲取的健康收益[1-2]。負氧離子有改善空氣質量、促進身體保健等積極作用,被譽為“空氣維生素”,因此,負氧離子濃度的變化是影響森林游覽者獲取健康收益的重要因素,與森林生態服務效果息息相關[3]。研究顯示,當負氧離子濃度達到400個/cm3以上時,可以增強人體免疫力及抗菌力；達到5 000個/cm3以上時,可以起到殺菌和減少疾病傳播的作用[4]。負氧離子濃度作為評價森林環境質量的重要指標,一定條件下可以反應監測地的生態質量[5]。

森林環境溫濕度、光輻射、風速等氣象因子與負氧離子濃度變化顯著相關[6],且不同研究區域的地理差異會導致研究結果之間的差異。研究表明,森林環境下負氧離子濃度日變化總體呈現早晚高中午低的“U型”規律及上午下午高午間低的雙峰型規律,季節變化呈現夏季濃度最高,春季和秋季次之,冬季最低[7-8]的規律。葉彩華等[10-11]研究發現負氧離子濃度變化與濕度呈正相關關系,與溫度呈負相關關系；而馮鵬飛等[12-13]則發現負氧離子濃度與濕度呈負相關關系。可見,負氧離子濃度變化與氣象要素之間的關系較為復雜,需要不同區域研究者的共同努力。目前,研究多集中于城區以及遠離城市的森林公園,對城郊森林公園關注略少,并且對負氧離子濃度監測單位時間間隔較長,對氣象影響的關系研究較少。本文以分鐘為最小監測單位時間,分析福州國家森林公園負氧離子濃度的變化規律,探究氣象影響因子與負氧離子濃度的關系,研究結果可為森林公園活動策劃提供更準確數據指引,為提升游憩質量提供科學依據。

1 研究區概況

福州國家森林公園位于福州北郊新店鎮赤橋村,距福州市區僅6 km,是福建地區重要的森林生態旅游地。園內亞熱帶海洋性季風氣候特征明顯,年均降水量1 712 mm,年均日照時數1 630 h,年均氣溫19.9℃,7月月均氣溫31℃,為全年最高,2月月均氣溫12℃,為全年最低,全年無霜期326天,年均空氣相對濕度79%。園內植被以人工林和天然次生林兩種類型為主并覆蓋有部分天然灌木林[14]。

2 研究方法

2.1 數據采集

于2017年12月1日至2020年2月29日(共820天)對福州國家森林公園內的氣溫、相對濕度和負氧離子濃度進行測定,測點(119°01′08″E,29°36′50″N)位于福州國家森林公園中心的荔枝園入口處(毗鄰貫穿公園的河流),靠近森林公園主干道,周邊10 m范圍內無建筑物。采用IM800型固定式負氧離子自動測試儀(中國東創旭新測控技術有限公司)測定負氧離子濃度,進氣口離地1.5 m(與成人呼吸高度一致),檢測范圍為(0～3)×106個/cm3,每日觀測時間為0∶00-24∶00,觀測間隔為1 min(遷移率為K≥0.4 cm2)。同時,測量測點的實時溫度(±0.1℃)和相對濕度(±2%)。參照中國林科院福州國家森林公園氣象監測站每6 h監測數據判定當日天氣狀況,明確降水雷電等天氣狀況的出現時間。在參考當天狀況的情況下,結合歐洲中期天氣預報中心20 km×20 km降水量監測數據開展進一步研究。

2.2 數據分析

用R語言軟件(V3.6.0版)剔除負氧離子濃度數據的缺失和異常值,通過Excel、SPSS和R studio軟件進行以下分析:1)統計分析負氧離子濃度的年內季節及日變化規律,并依照標準對負氧離子濃度進行評級；2)分析不同季節中不同天氣狀況的負氧離子濃度日變化規律；3)分析中雨及以上規模降水天氣對負氧離子濃度變化的影響；4)分析雷雨天氣對負氧離子濃度變化的影響。

3 結果與分析

3.1 負氧離子濃度和溫濕度總體變化特征

根據分析結果,福州國家森林公園年均負氧離子濃度為4 179個/cm3,年均變化幅度為346個/cm3,年均溫度20.0℃,年均相對濕度81.5%,福州國家森林公園在監測時間范圍內空氣清新度都在I級以上[15]。相較于福州城區監測站的數據,福州國家森林公園每單位體積內負氧離子濃度更高,年均溫度更接近人體熱舒適的最優溫度25℃,年均濕度更高,表明福州國家森林公園的森林小氣候環境條件優于城市區域。

分別對研究時間范圍內負氧離子濃度及溫濕度取日平均值進行分析,結果(圖1)表明:負氧離子濃度呈現夏季、冬季高,秋季次之,春季最低的變化特征；溫度呈現春季、夏季高,秋季、冬季低的變化特征；濕度的變化趨勢呈現春季和冬季高,夏季和秋季低的變化特征。

圖1 福州國家森林公園負氧離子濃度及溫濕度年變化規律

3.2 不同季節負氧離子濃度和溫濕度的日變化特征

福州國家森林公園負氧離子年平均日變化幅度為3 659～4 684個/cm3。負氧離子濃度日均變化呈現白天低、晚上高的單峰單谷特征,,峰值出現在4∶48,谷值出現在12∶36。同時負氧離子濃度與溫度呈現明顯的負相關,與濕度呈現明顯的正相關(圖2)。在負氧離子濃度四季平均日變化中,白天的負氧離子濃度明顯低于夜晚,夏季特征更為明顯(圖3)。

圖2 福州國家森林公園負氧離子濃度日變化

圖3 福州國家森林公園四季負氧離子濃度及溫濕度日變化

3.3 不同天氣狀況負氧離子濃度的日變化特征

通過對不同天氣狀況的負氧離子濃度平均日變化規律研究,結果(圖4)發現,雨天、雷電、晴天和多云4種天氣的負氧離子濃度排序為雨天＞雷電＞晴天＞多云,其中雨天與雷電天氣的負氧離子濃度波動較另外2種天氣幅度更大。

圖4 全年不同天氣狀況負氧離子濃度平均日變化

如圖5所示:春季(2018年3—5月,2019年3—5月)雨天的負氧離子濃度變化明顯較高,尤其在凌晨1∶00-5∶00較為顯著；夏季(2018年6—8月,2019年6—8月)4種天氣狀況皆表現出單谷的變化特征,雨天峰值出現在凌晨3點,較其他天氣更早；秋季(2018年9—11月,2019年9—11月)晴天相較其他3種天氣在午后13∶00-14∶00時 段存在明顯的低谷；冬 季(2017年12月至2018年2月,2018年12月至2019年2月,2019年12月至2020年2月)沒有雷雨天氣,且雨天負氧離子濃度峰值出現在6∶00之前,與全年日變化規律相比,冬季晴天負氧離子濃度變化在13∶00多一個峰值。

圖5 四季不同天氣狀況負氧離子濃度日變化

3.4 降水量對負氧離子濃度的影響

選取研究地中雨(2018年4月14—15日,5月23—24日,6月21—22日)和大雨(2018年1月7—8日,3月19—20日,8月25—26日)天氣各3天,將降水當日0∶00至次日24∶00共48 h的降水量與負氧離子濃度進行逐小時比較,結果發現,降水量與負氧離子濃度表現出顯著正相關關系(表1)。總體相關系數達到0.68以上。同時上述案例的時間跨度包含春夏冬三季,說明較強降水因素對負氧離子濃度的影響與季節無關。

表1 2018年3次中雨與3次大雨降水量與負氧離子濃度相關系數

3.5 雷雨天氣負氧離子濃度的日變化特征

由圖6可知,雷雨天氣與負氧離子濃度值之間存在正相關關系。在閃電活動出現當日及次日,福州國家森林公園的負氧離子濃度值會明顯上升,且使該區域負氧離子濃度在閃電活動之后的24 h內保持較高水平。

圖6 雷雨天氣負氧離子濃度48 h逐小時對比

4 討論

根據2017年國家氣象行業標準規定的負氧離子濃度等級,福州國家森林公園負氧離子濃度全年均在I級以上,空氣質量達到清新水平。但是負氧離子濃度會隨著太陽輻射及溫濕度等因素在一天之中呈現一定的變化規律,并且會因為人為活動、研究地的氣候特征等原因存在差異。在以往對森林環境負氧離子濃度日變化的研究中,李萌萌等[16]發現河北太行山區負氧離子濃度日變化呈現早上較高、中午較低、晚上再次升高的趨勢,胡猛等[17]發現森林環境下負氧離子濃度變化呈現白天高晚上低的規律。本次福州國家森林公園負氧離子濃度變化規律與部分學者結果不同,總體呈現白天低晚上高的規律,這可能與研究地的特殊性有關,福州森林公園作為福建森林旅游的重要出行目的地,年接待游客超過400萬人次[14],大量游客活動使研究區域內空氣中氣溶膠含量升高,而負氧離子具有易被氣溶膠吸附的特性,導致白天濃度較晚上低的觀測結果。

負氧離子濃度變化規律受溫濕度和氣候變化等因素影響,因此也會表現出季節差異。有研究顯示,森林環境下負氧離子濃度全年呈現夏季＞秋季＞春季＞冬季的變化規律,夏季充足的水熱條件促進了植物的代謝活動和光合作用,加上強烈的紫外線、頻繁的雷雨天氣、潔凈的空氣狀況以及高濕度環境等因素,進而對負氧離子的產生起到積極作用[6,18-19]。本研究發現冬季總體負氧離子濃度高于春秋兩季,這與冬季枯落物層的作用有關,也與福州當地的氣候特征有關。何寧等[20]發現在森林環境下枯落物層延緩了長波輻射熱失散,保持了熱量與水分。而研究地亞熱帶季風氣候特征明顯,冬季風力強、降水及霜凍天氣少且時有暖冬天氣,大風天氣及暖冬現象為福州國家森林公園帶來清潔空氣環境、局部對流和充足的光熱條件,園內植物憑借充沛的水資源保持了在冬季依舊高效的光合作用,為高負氧離子濃度創造條件。

負氧離子濃度的變化也會受到天氣狀況的影響。薛愛愛等[21]研究發現雨天的負氧離子濃度顯著高于晴天。盧振禮等[22]研究發現,雷雨天氣與負氧離子濃度存在顯著正相關,且降水與負氧離子濃度變化率存在正相關。譚靜等[13]發現負氧離子濃度與閃電、中雨及以上降水活動存在顯著相關。本研究發現,福州國家森林公園的負氧離子濃度變化與降水量呈現顯著正相關,雷雨天氣與負氧離子濃度變化呈現顯著正相關,與薛愛愛等研究結果一致。因此,在閃電活動、中雨和大雨過后的24 h內負氧離子濃度達到較高水平,適合進行森林旅游、康養等相關活動。

5 結論

在2017年12月至2020年2月,福州國家森林公園的負氧離子濃度日平均值高于國家氣象行業標準中的I級水平,即福州國家森林公園的負氧離子濃度總體水平較高,且空氣質量總體上呈現清新水平。福州國家森林公園負氧離子濃度日變化特征總體呈現白天低、晚上高的單峰單谷特征,清晨和傍晚的負氧離子濃度大于中午和下午。福州國家森林公園負氧離子濃度變化呈現明顯的季節特征,夏季最高,春季最低,冬季略大于秋季。福州國家森林公園的負氧離子濃度與氣象影響因子存在相關關系,但關系較復雜。總體來說,雨天負氧離子濃度最高,雷雨天氣小于雨天,晴天次之,多云最低；中雨及以上的較強降水對負氧離子濃度變化存在顯著正相關關系；閃電活動與負氧離子濃度存在顯著的正相關關系,閃電活動后24 h的負氧離子濃度顯著提升。