寒溫帶北極村國家森林公園典型森林生長季空氣負離子和空氣顆粒物變化特征

摘 要：研究森林公園空氣負離子和空氣顆粒物變化特征，利用森林生態功能發展康養事業，為地方經濟發展提供科學支持。選擇北極村國家森林公園興安落葉松林、白樺林、山楊林和樟子松林為研究對象，并以北極村生活區為對照，使用便攜式空氣負離子監測儀，在2021年5—10月選擇晴天和雨天進行空氣負離子、PM10與PM2. 5及其影響因子的觀測。研究表明，1）晴天，4種林型空氣負離子濃度日動態由大到小表現為展葉盛期（Leaf spreading period，LSP）、展葉初期（Leaf opening period，LOP）、落葉期（Leaf falling period，LFP），均呈單峰曲線變化趨勢，峰值出現在12：00—14：00，最高可達到4 207個/cm3，此時期的4種林型空氣負離子由大到小表現為興安落葉松林、白樺林、山楊林、樟子松林；雨天，4種林型的空氣負離子濃度呈波動式變化，最高可達6 000個/cm3，顯著高于生活區（Plt;0. 05）。晴天，4種林型PM10與PM2. 5質量濃度的日動態變化趨勢是雙峰曲線，在早晚出現峰值，中午達到谷值，但雨天的波動較小，遠遠低于晴天的PM10與PM2. 5質量濃度（Plt;0. 05）；2）5—10月4種林型（ 晴天）空氣負離子濃度月變化表現為單峰曲線的趨勢，峰值出現在7月，最高可達4 500個/cm3，顯著高于生活區（Plt;0. 05），空氣顆粒物質量濃度均呈先降低再升高的趨勢；3）4種林型空氣負離子、PM10和PM2. 5質量濃度與氣溫、空氣濕度、平均風速有顯著的相關關系。寒溫帶森林公園森林生態系統空氣負離子質量濃度在2 000～6 000個/cm3，空氣顆粒物在40 μg/m3以下，空氣質量優良，利于人們休養身心。

關鍵詞：寒溫帶； 空氣負離子； PM10； PM2. 5； 氣象因子； 相關性

中圖分類號：S719 文獻標識碼：A DOI：10. 7525/j. issn. 1006-8023. 2025. 02. 003

0 引言

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，被譽為“空氣維生素”，對空氣具有清潔殺菌的作用［1］。自然界的空氣負離子主要來源于雷電、太陽紫外線、水體沖擊［2］、植物葉片尖端放電及光合作用［3-4］等過程，空氣負離子濃度變化與林分、天氣條件、下墊面和周圍環境等密切相關［5-6］。較高的空氣負離子濃度能抑制多種病菌的繁殖，促進人體的新陳代謝與生長發育，消除疲勞，增強機體免疫力，對人的心理和生理機能產生促進作用［7］。空氣負離子濃度已經成為衡量一個地區空氣清潔度的重要指標之一［8］。隨著城市化和工業化的快速發展，空氣環境質量日益下降，嚴重威脅人們健康［9-10］。空氣環境的評價指標包括空氣顆粒物、空氣負離子等。空氣顆粒物根據粒徑（d）大小分為總懸浮顆粒物（Total particulate matter，TSP，d≤100 μm）、PM10 （可吸入顆粒物，d≤10 μm）、PM2.5 （可吸入肺細顆粒物，d≤2. 5 μm）和PM1.0 （超細顆粒物，d≤1. 0 μm），這些空氣顆粒物作為空氣的首要污染物對環境空氣質量有著重要的影響［11］。目前，有關空氣負離子的研究已有近百年的歷史，國外主要側重于空氣負離子的臨床應用及生物機體的反應［12］，也涉及環境評價。國內的研究主要集中在森林、城市綠地及市區空氣負離子的時空分布規律、影響因素及空氣質量評價等方面［13］。但森林中空氣負離子濃度不是一直保持不變，對于不同的森林類型、不同的季節和不同的天氣條件等都會影響空氣負離子濃度。空氣顆粒物的研究多集中在來源組分、時空變化、氣象因素、人體健康和植被滯納等方面［14］。黑龍江漠河北極村國家森林公園是國家級森林康養基地，位于大興安嶺北部，處于我國唯一的寒溫帶森林區。本研究選擇北極村國家森林公園內主要的森林類型，以葉片物候期為監測區間進行生長季空氣負離子、PM10與PM2. 5的監測，以揭示寒溫帶森林空氣負離子、PM10與PM2. 5質量濃度在不同物候期不同天氣情況下的變化特征及影響因素，為漠河市國家森林康養基地的發展提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1. 1 研究區概況

黑龍江北極村國家森林公園位于黑龍江省漠河市，地理位置為122°06′～122°27′E，53°17′～53°30′N，屬寒溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫-4. 9 ℃，年降水量約430 mm，降水多集中在夏季。森林植被系歐亞大陸寒溫帶明亮針葉林，以興安落葉松（Larix gmelinii）為優勢建群種，此外還有樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、白樺（Betula platy?phylla）和山楊（Populus davidiana）等森林類型，植被覆蓋率80%以上。

1. 2 研究方法

1. 2. 1 樣地選擇

通過實地勘測，選擇公園內具有代表性的森林群落類型為研究對象，即興安落葉松林、白樺林、山楊林與樟子松林，在每一林型中選擇典型地段設置3塊20 m×30 m的標準樣地，并在北極村生活區設置對照，其中興安落葉松林樣地距生活區3 km，樟子松林距生活區7 km，山楊林距生活區13 km，白樺林樣地距生活區15 km。樣地基本信息見表1。

1. 2. 2 取樣方法

2021年5—10月，每月選擇晴天和雨天2種天氣情況進行空氣負離子濃度監測，每月監測10次，采用單對角線3點法（選擇樣地的一條對角線的2個頂點以及對角線中點）布設觀測點，監測儀器為便攜式空氣負離子監測儀（ONETEST-503XP-A，深圳市萬儀科技有限公司，中國），架設高度為1. 6 m。監測時間間隔為180 s。同時進行空氣溫度、空氣濕度（儀器同上）、PM2. 5、PM10 （Dustmate手持式顆粒物檢測儀，Turnkey Instruments Ltd，美國）、風速（FTSQ2，山東風途科技有限公司，中國）、降雨量（翻斗式雨量計HOBO RG3-M，Onset，美國）的同步監測。由于觀測林分是有3種林分的落葉林（興安落葉松林、白樺林與山楊林），依據其葉片生長狀況將其劃分為展葉初期（5 月中旬至6 月中旬），展葉盛期（6月下旬至8月中旬）和落葉期（8月下旬至10月中旬），而樟子松林為常綠針葉林，不能劃分物候期，但為了便于分析，取上述對應時間的數據進行對比。

1. 2. 3 數據處理

使用excel2018進行數據的處理，將葉片在生長季的物候期分為展葉初期、展葉盛期與落葉期，做出空氣負離子濃度、空氣顆粒物質量濃度的日動態變化圖，并且做出生長季月動態變化圖。利用SPSS19軟件進行差異顯著性檢驗及影響因子的分析。

2 結果與分析

2. 1 不同林型不同物候期空氣負離子日動態變化特征

由圖1可知，晴天4種林型空氣負離子濃度由大到小表現為展葉盛期、展葉初期、落葉期，極顯著高于生活區（Plt;0. 01）。展葉初期和盛期空氣負離子濃度均值由大到小表現為興安落葉松林、山楊林、白樺林、樟子松林；落葉期的空氣負離子濃度均值由大到小表現為樟子松林、興安落葉松林、白樺林、山楊林。白樺林和山楊林日動態峰值均出現在12：00左右，分別為3 389個/cm3 和3 602個/cm3；樟子松林峰值在13：00，為3 014個/cm3；興安落葉松林峰值出現最晚，在14：00，為4 207個/cm3；生活區峰值則出現在13：00—14：00，僅有1 542個/cm3，且波動較小。展葉初期白樺林空氣負離子濃度從1：00至峰值增幅最大，為265%，展葉盛期增幅最大的也是白樺林，達156%，落葉期增幅最大的是興安落葉松林，為295%，展葉盛期和落葉期增幅最小的均是樟子松林。

雨天4種林型的空氣負離子濃度由大到小表現為展葉盛期、展葉初期、落葉期，且日動態變幅較小。展葉初期4種林型在2 000～4 000個/cm3波動，展葉盛期波動在2 000～6000 個/cm3，而落葉期在1 000～3 500個/cm3。4種林型的空氣負離子濃度顯著高于生活區（Plt;0. 05），雨天的空氣負離子濃度顯著高于晴天（Plt;0. 05）。

2. 2 不同林型不同物候期空氣PM10日動態變化特征

由圖2可知，晴天4種林型PM10質量濃度表現為展葉盛期最低，展葉初期與落葉期差異較小。PM10質量濃度由大到小表現為北極村生活區、白樺林、山楊林、興安落葉松林、樟子松林，且4種林型的質量濃度極顯著低于北極村生活區（Plt;0. 01）。4種林型PM10質量濃度的日動態變化趨勢是雙峰曲線，峰值出現在早、晚，且早上的峰值高于晚上，中午達到谷值。不同物候期4種林型PM10質量濃度的最高值均出現在落葉期的7：00—9：00，PM10質量濃度最高，為30 μg/m3，樟子松林PM10質量濃度最低，為23 μg/m3；PM10質量濃度的最低值出現在展葉盛期的12：00—13：00，其中，白樺林PM10質量濃度最高，為14 μg/m3，樟子松林最低，為7 μg/m3。針葉林PM10質量濃度在多數時間低于闊葉林，樟子松林PM10質量濃度在全部時間內低于其余3種林型，但差異不顯著（Pgt;0. 05）。

雨天4種林型的PM10質量濃度表現為展葉盛期最低，展葉初期與落葉期的質量濃度相似，與晴天規律相同。在展葉初期和落葉期4種林型的PM10質量濃度普遍處于10 μg/m3 以下，展葉盛期4種林型的PM10質量濃度普遍處于6 μg/m3以下，且無顯著的變化規律。作為對照的北極村生活區的PM10 質量濃度在10～16 μg/m3波動變化，顯著高于林內的質量濃度（Plt;0. 05）。與晴天相比，雨天的PM10質量濃度顯著低于晴天（Plt;0. 01）。

2. 3 不同林型不同物候期空氣PM2. 5 日動態變化特征

由圖3可知，4種林型PM2. 5質量濃度晴天表現為展葉盛期最低，展葉初期與落葉期的質量濃度差異小。PM2. 5質量濃度由大到小表現為北極村生活區、闊葉林、針葉林，且林內質量濃度極顯著低于生活區（Plt;0. 01）。4種林型和生活區的PM2. 5 和PM10質量濃度的日動態呈雙峰曲線。4種林型的PM2. 5質量濃度的最高值出現在7：00—9：00，山楊林落葉期PM2. 5質量濃度最高，為20 μg/m3，樟子松林展葉初期最低，為13 μg/m3；PM2. 5質量濃度日動態最低值出現在展葉盛期的13：00—14：00，樟子松林的PM2. 5質量濃度最低，為5 μg/m3。樟子松林的PM2. 5 質量濃度在全時段都低于其他3種林型，但差異不顯著（Pgt;0. 05），并且從峰值到谷值的降幅也是最大的，降幅最小的是生活區。

雨天情況下，4種林型的PM2. 5質量濃度由大到小表現為展葉盛期、展葉初期、落葉期。4種林型的PM2. 5 質量濃度顯著低于北極村生活區（Plt;0. 05）。展葉初期4種林型PM2. 5質量濃度在1～6 μg/m3波動，變幅較小；展葉盛期4 種林型PM2. 5 質量濃度在0～4 μg/m3 波動；落葉期4種林型PM2. 5 質量濃度在1～7 μg/m3波動。雨天的PM2. 5質量濃度遠遠低于晴天的質量濃度（Plt;0. 01）。

2. 4 不同林型空氣負離子和空氣顆粒物月動態變化

由圖4可知，4種林型和生活區在5—10月空氣負離子濃度的月變化均表現為先升高后降低的趨勢，均在7月到達峰值，4種林型空氣負離子濃度波動在1 800～4 700 個/cm3，生活區在1 200～2 200 個/cm3波動。空氣負離子濃度5—8月平均值表現為興安落葉松林最高，生活區最低，興安落葉松林顯著高于其他3種林型，林內顯著高于生活區（Plt;0. 05）。9—10月，空氣負離子濃度的月平均值表現為樟子松林最高，生活區最低，樟子松林顯著高于其他林型和生活區（Plt;0. 05）。

4種林型和生活區空氣顆粒物質量濃度在5—10月呈先降后升的變化趨勢，7—8月顆粒物質量濃度較低。4 種林型的PM10 質量濃度在15～40 μg/m3波動，PM2. 5質量濃度在5～30 μg/m3波動。生活區的空氣顆粒物質量濃度極顯著高于4種林型（Plt;0. 01）。針葉林內空氣顆粒物質量濃度低于闊葉林，并且樟子松林最低。

2. 5 不同林型空氣負離子和空氣顆粒物影響因子分析

由表2可知，4種林型空氣負離子濃度均與空氣溫度呈極顯著正相關（ Plt;0. 01），與空氣濕度呈極顯著負相關（Plt;0. 01），與降雨量呈極顯著正相關（Plt;0. 01），說明降雨量越大，空氣負離子濃度越高。4種林型的空氣負離子濃度與平均風速呈極顯著正相關（Plt;0. 01），與空氣顆粒物呈極顯著負相關。空氣顆粒物質量濃度與降雨量呈極顯著負相關，即降雨量越大，空氣顆粒物質量濃度越小。4 種林型PM10和PM2. 5質量濃度均與空氣溫度呈極顯著負相關，與空氣濕度呈極顯著正相關（Plt;0. 01）；PM10 與PM2. 5質量濃度與平均風速呈極顯著負相關關系，即平均風速越大，空氣顆粒物質量濃度越小。生活區空氣負離子濃度與空氣溫度、平均風速、降雨量呈顯著正相關（Plt;0. 05），與空氣濕度、空氣顆粒物呈顯著負相關（Plt;0. 05）。PM10和PM2. 5質量濃度與空氣濕度顯著正相關（Plt;0. 05），與平均風速和降雨量顯著負相關（Plt;0. 05）

3 討論

3. 1 空氣負離子變化特征及影響因子

北極村森林公園4種林型空氣負離子濃度由大到小表現為展葉盛期、展葉初期、落葉期，且呈現白天高，夜晚低的趨勢，這是由于白天光線強，紫外線豐富，植物光合作用較強，葉片在展葉盛期的數量更多，有利于空氣負離子產生［15］。天氣條件對空氣負離子濃度影響較大，即雨天大于晴天，差異達到極顯著水平（Plt;0. 01），這是因為雨天會伴隨雷電，而雷電有利于空氣電離，從而產生大量的空氣負離子，空氣會變得更加清潔［16］。5—8月空氣負離子濃度由大到小均表現為興安落葉松林、白樺林、山楊林、樟子松林，9—10月由大到小則表現為樟子松林、興安落葉松林、白樺林、山楊林，且差異達到極顯著水平（Plt;0. 05），這可能是因為不同樹種的光合作用的效率不一致，而森林植被光合作用過程中的光電效應是空氣負離子的重要來源和影響因素，一方面影響植物體內電子的轉移和傳遞，另一方面促進森林植被的樹冠、枝葉產生尖端放電效應，引發空氣電離，促進空氣負離子的產生［17-18］。

5—10月晴天4種林型和生活區空氣負離子濃度的月變化趨勢表現為單峰曲線，波動在1 890～4 700 個/cm3，遠高于對照區（1 200～2 200 個/cm3），且均在7月到達峰值，這是由于7月是生長最旺盛階段，森林的光合作用最強，這也導致了空氣負離子濃度較高。5—8月興安落葉松林空氣負離子濃度最高，樟子松林最低，而9—10 月則樟子松林最高，闊葉林則相對較低，可能由于樟子松林是常綠林，仍可以有光合作用產生，產生更多的空氣負離子。相關分析表明，4種林型空氣負離子濃度與氣溫呈正相關關系，與空氣濕度呈負相關關系，氣溫越高，光合作用越強，空氣負離子濃度越高，與侯秀娟等［19］的研究結果不一致，原因應該是研究區屬于寒溫帶，氣溫達不到光合作用的最高溫度，不會出現高溫影響植物光合作用效率的情況。空氣負離子濃度與降雨量呈正相關關系，降雨量越大，空氣中的污染物被沖刷得越干凈，有利于延長空氣負離子的壽命，與李少寧等［20］的研究結果一致。

空氣負離子在促進人體心理和生理功能方面起著至關重要的作用，是衡量特定區域空氣清潔度的重要指標［20］。空氣負離子已經被證實對人的情緒和一些疾病是有利的［21-22］。空氣負離子超過1 000個/cm3被視為新鮮空氣的閾值，研究區4種森林類型空氣負離子濃度在多數時間遠高于1 000個/cm3，在增強人體免疫系統、心理疾病的治療上等方面起著重要作用，因此可以在各個林型內建設游覽步道等旅游設施，讓人們近距離地體驗到空氣負離子的作用。

3. 2 空氣顆粒物動態變化及影響因子

北極村森林公園4種林型PM10 和PM2. 5 質量濃度表現為展葉盛期低于其他2個物候期，這是由于展葉盛期葉片面積要遠大于其他2個物候期。PM10和PM2. 5質量濃度主要呈現早晚高，中午低的趨勢；且在不同的天氣情況下，空氣顆粒物的質量濃度差異較大，即晴天大于雨天，且差異極顯著（Plt;0. 01），因為降雨的濕清除作用對大氣污染物質量濃度的影響最為直接，可以有效降低大氣污染物的質量濃度［23］；大氣中的一些氣溶膠顆粒污染物可以作為降雨粒子的凝結核隨降雨粒子下落至地面，降雨粒子在下落過程中對氣溶膠顆粒污染物的碰并、沖刷作用也會降低大氣中顆粒污染物的質量濃度［24］。不同林型的空氣顆粒物質量濃度也有較大差異，整體趨勢由大到小為山楊林、白樺林、興安落葉松林、樟子松林，差異達到極顯著水平（Plt;0. 01），這與針葉林的滯塵能力比闊葉樹的強有關。房瑤瑤等［25］研究指出針葉樹具有簇狀針葉結構，針葉樹對氣流的干擾比闊葉樹更強，更易形成湍流，從而加速空氣顆粒物的干沉降，使更多的空氣顆粒物沉降到針葉表面。同時，針葉樹葉片表面粗糙度比闊葉樹更高，更容易捕獲空氣中的顆粒物，葉表分泌的黏性物質更容易粘住空氣顆粒物，使其不易脫落，而大部分闊葉樹均無特殊分泌物［26］。

PM10 和PM2. 5 質量濃度表現為4 種林型的質量濃度遠遠低于生活區（Plt;0. 01），但是劉雙芳等［27］的研究表明，城市綠地的空氣顆粒物高于生活區的情況，這可能是因為城市森林對植被凈化空氣顆粒物有一定的閾值，超過這個凈化的閾值，空氣顆粒物會形成林內再沉降，導致空氣顆粒物質量濃度高于生活區；但是本研究選擇的研究區域本身的空氣污染就比較少，附近既沒有重工業，離城市也較遠，并不能達到森林的最大顆粒物吸附量，因此很難形成林內再沉降，就不會出現林內空氣顆粒物高于林外的情況。4種林型的PM10 和PM2. 5 質量濃度的日動態變化趨勢是雙峰曲線，在早上和晚上出現峰值，中午達到谷值，這與駱媛媛等［28］在五大連池風景區做的大氣顆粒物質量濃度日動態變化規律相似，與侯秀娟等［19］在呼和浩特城市森林公園所得出的“雙峰雙谷”變化規律不同，說明城市森林受城市的影響較大，城市會有更多的污染源如汽車尾氣、重工業等，而遠離城市的森林、景區受這些因素影響較小，所以得出了不同的變化規律。

4 結論

黑龍江北極村國家森林公園4種主要林型的空氣負離子濃度由大到小表現為展葉盛期、展葉初期、落葉期，與月動態變化規律吻合。4種主要林型晴天空氣負離子濃度日動態變化呈單峰曲線趨勢，峰值多出現在13：00—15：00，興安落葉松林可達4 500 個/cm3，落葉期樟子松林高于其他3 種林型。雨天的空氣負離子濃度波動幅度較大，顯著高于晴天（Plt;0. 01）。4種林型空氣負離子濃度月變化呈單峰曲線，峰值出現在7月。空氣負離子濃度與天氣條件顯著相關。4種主要林型的空氣顆粒物質量濃度表現為展葉盛期低于展葉初期和落葉期，與月動態變化規律吻合。4種林型的PM10 和PM2. 5 質量濃度在晴天的日動態變化趨勢是雙峰曲線，PM10 與PM2. 5質量濃度在雨天的波動較小，遠遠低于晴天的質量濃度（Plt;0. 01）。針葉林的空氣顆粒物質量濃度低于闊葉林。空氣負離子與空氣顆粒物質量濃度氣象因子有顯著的相關關系。

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基金項目：國家重點研發項目（2021YFD2200405）。