河北太行山區(qū)主要水土保持林空氣負(fù)離子特征研究*

李萌萌 劉文鑫 馬長明

河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北保定 071000

空氣負(fù)離子是帶負(fù)電荷的單個(gè)氣體分子和輕離子團(tuán)的總稱［1］，具有凈化空氣的功能，且有明顯的醫(yī)療保健作用［2－4］。目前，空氣負(fù)離子已逐步成為評(píng)價(jià)環(huán)境中空氣清潔程度的重要指標(biāo)［5］。近年來，以林業(yè)和旅游業(yè)為基礎(chǔ)的森林生態(tài)旅游、森林浴等活動(dòng)相繼興起，有關(guān)空氣負(fù)離子的研究也迅速展開［6－8］。本文以太行山區(qū)主要的水土保持林為研究對(duì)象，從空氣負(fù)離子角度入手，研究其時(shí)空變換規(guī)律和影響因素，旨在為低山丘陵區(qū)開展生態(tài)旅游、生態(tài)經(jīng)濟(jì)型水土保持林的后續(xù)發(fā)展和樹種選擇奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在河北省邢臺(tái)市內(nèi)丘縣侯家莊鄉(xiāng)崗底村，位于 E113°45＇～115°50＇，N36°45＇～37°48＇。海拔518～1 134 m。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年均降水量523 mm，主要集中在每年7－9月，占全年降水量的70%。年均氣溫11.6℃。土壤種類以褐土和褐土性土為主，土壤類型為壤土或砂壤土，土壤pH值為6.0～6.5。天然植被以酸棗、荊條、胡枝子、三裂繡線菊、白羊草等灌草為主，人工植被以刺槐、油松、栓皮櫟、側(cè)柏等喬木樹種為主，果樹主要有蘋果、板栗、核桃等。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本研究選擇河北省太行山區(qū)常見的5種水土保持林為研究對(duì)象，各林分概況見表1。

表1 研究地概況

2.2 研究方法

2011年5－1 0月，采用便攜式空氣離子測(cè)試儀(TC－201A型，日本ANDES生產(chǎn))對(duì)崗底村所選蘋果、油松、刺槐、板栗、栓皮櫟5種人工林進(jìn)行空氣負(fù)離子濃度及其相關(guān)氣象因子的定位觀測(cè)。每月上、中、下旬各選大氣狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的一日進(jìn)行測(cè)定，時(shí)段為6∶00－20∶00，每隔2小時(shí)觀測(cè)1次，測(cè)定位置距地面分別為0.5 m，1.5m，2.5 m，3.5 m處。每個(gè)林分選取4個(gè)點(diǎn)，讀取6個(gè)瞬時(shí)值，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，取平均值作為該林分內(nèi)的空氣負(fù)離子觀測(cè)值。對(duì)不同觀測(cè)點(diǎn)的空氣負(fù)離子濃度日變化、月變化、空間變化等情況進(jìn)行逐時(shí)測(cè)定，同時(shí)記錄溫濕度和時(shí)間的變化情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣負(fù)離子濃度時(shí)間變化特征

3.1.1 空氣負(fù)離子濃度日變化特征

測(cè)試表明，各林分的空氣負(fù)離子濃度日變化規(guī)律總體呈現(xiàn)出“高低高”的變化趨勢(shì)，即早6時(shí)空氣負(fù)離子濃度較高，隨著輻射增強(qiáng)、溫度升高空氣負(fù)離子濃度逐步降低，在晚6時(shí)又逐步升高。但由于樹種不同，林分內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度和變化規(guī)律稍有所差異。例如，蘋果林內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度日變化低谷出現(xiàn)在12∶00，而其他林分則出現(xiàn)在14∶00，蘋果林分空氣負(fù)離子濃度變化較為劇烈。

3.1.2 空氣負(fù)離子濃度月變化特征

本文取每月的上中下旬的平均值作為每月觀測(cè)值進(jìn)行分析，結(jié)果表明，6、7、9月份空氣負(fù)離子濃度較高，5、8、10月份空氣負(fù)離子濃度較低。在各月份基本上都是蘋果林空氣負(fù)離子濃度較高，刺槐、油松、栓皮櫟和板栗林空氣負(fù)離子濃度在各月份空氣負(fù)離子濃度高低有所不同。8月份空氣負(fù)離子濃度較低，分析其原因與降雨量有一定關(guān)系，是所測(cè)定之日土壤含水量、空氣濕度降低所致。李培學(xué)，戴慧堂［9］等研究表明，雨過天晴時(shí)的空氣負(fù)離子濃度明顯高出陰天和晴天，陰天明顯低于晴天。該項(xiàng)結(jié)果也提醒在以后的研究中，時(shí)間段的選擇有非常大的影響。

3.2 不同樹種空氣負(fù)離子濃度空間變化特征

在8月9－11日連續(xù)3天對(duì)空氣負(fù)離子空間變化進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定距地面0.5～3.5m，每個(gè)林分選取4個(gè)點(diǎn)，讀取6個(gè)瞬時(shí)值，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，取平均值作為該林分內(nèi)的空氣負(fù)離子觀測(cè)值。

所測(cè)定的5個(gè)樹種林分空氣負(fù)離子濃度隨高度的變化呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，即隨著高度的增加空氣負(fù)離子的濃度逐漸減小。其中板栗、蘋果林分的空氣負(fù)離子濃度隨高度的變化最劇烈，0.5 m處的空氣負(fù)離子濃度為3.5m處的1.7倍，存在顯著性差異;而油松林的變化比較平緩，不同高度的空氣負(fù)離子濃度不存在顯著差異，0.5 m處的空氣負(fù)離子濃度僅為3.5 m處的1.1倍左右。

3.3 空氣負(fù)離子濃度影響因素

3.3.1 組成因素

不同林分類型的空氣負(fù)離子濃度的平均值總體狀況為蘋果林為690個(gè)/cm3、板栗林為589個(gè)/cm3、刺槐林為384個(gè)/cm3、栓皮櫟林為562個(gè)/cm3、油松林為497個(gè)/cm3。5種不同類型樣地空氣負(fù)離子濃度水平綜合比較的結(jié)果為蘋果林＞板栗林＞栓皮櫟林＞油松林＞刺槐林。方差分析表明，蘋果林與板栗、栓皮櫟、油松林之間無顯著差異，而與刺槐林之間存在顯著差異。

3.3.2 氣象因子

對(duì)空氣負(fù)離子濃度與溫濕度進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，空氣負(fù)離子濃度與溫度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性方程為 y= －12.542x+947.14(R2=0.8343)。式中:y為負(fù)離子濃度 (個(gè)/cm－3)，x為溫度 (℃)。空氣負(fù)離子濃度與濕度之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性方程為y=6.464 3x+224.8(R2=0.7529)。式中:y為負(fù)離子濃度 (個(gè)/cm－3)，x為濕度 (%)。顯著性檢驗(yàn)顯示回歸方程回歸性顯著(P＜0.01)，表明空氣負(fù)離子濃度與空氣溫度之間呈現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)?？諝庳?fù)離子濃度與溫濕度之間的關(guān)系目前研究結(jié)果較為統(tǒng)一。吳楚材﹑張建國等［10－14］的研究結(jié)果均表明，空氣負(fù)離子濃度與溫度呈負(fù)相關(guān)、與濕度呈正相關(guān)的關(guān)系。

3.3.3 地形因素

在2011年8月11－13日，選擇蘋果相同林齡的2個(gè)固定地點(diǎn)，在同一時(shí)間段內(nèi)對(duì)溝內(nèi)和坡上蘋果林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行測(cè)定。坡中林內(nèi)的空氣負(fù)離子濃度大于的，分析其原因?yàn)闇蟽?nèi)地勢(shì)低、風(fēng)速小、光合速率較低。但方差分析顯示，二者之間空氣負(fù)離子濃度差異不顯著。

4 結(jié)論與討論

4.1 空氣負(fù)離子時(shí)空變化規(guī)律

在一天之中，隨著輻射、溫度、濕度等因素的變化，林分空氣負(fù)離子會(huì)呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，但因植被種類、林分配置、人車環(huán)境等因素的不同表現(xiàn)會(huì)有一定差異。周斌等［15］對(duì)浙江省的13個(gè)樹種林分空氣負(fù)離子研究顯示，空氣負(fù)離子有2個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在9∶00－10∶00和18∶00。吳楚材等［10］指出，南岳衡山空氣負(fù)離子濃度一天中2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在7∶00－9∶00和22∶00－24∶00。邵海榮、倪軍等［16－17］指出，空氣負(fù)離子峰值出現(xiàn)在夜間后期、晨間早期和15∶00－16∶00。本研究針對(duì)5種林分展開空氣負(fù)離子研究，和其他研究結(jié)果類似，5種林分空氣負(fù)離子表現(xiàn)規(guī)律也不一致:蘋果、栓皮櫟林分空氣負(fù)離子濃度呈現(xiàn)“雙峰”規(guī)律，油松、刺槐林分呈“單峰”曲線，板栗林分則變化不明顯。陶寶先等［18］也指出，杉木、毛竹林呈明顯的單峰變化趨勢(shì)，麻櫟呈雙峰變化趨勢(shì)，馬尾松林變幅不大?？梢姡諝庳?fù)離子的日變化特征隨季節(jié)、地區(qū)、植被、結(jié)構(gòu)、天氣條件等不同而異，受外界環(huán)境影響較大，變化劇烈，沒有一致的規(guī)律性。

曾曙才等［19］指出，隨著海拔升高、溫度降低，濕度有所增加，輻射增強(qiáng)，會(huì)相應(yīng)影響到空氣負(fù)離子的形成。范亞民等［20］指出，隨著海拔升高，空氣負(fù)離子濃度總體呈下降趨勢(shì)。曾曙才等［19］在廣州帽峰山森林公園試驗(yàn)，在海拔188 m、242 m和245 m的3處負(fù)離子濃度無顯著差異，但顯著高于291 m、400 m和624 m處的負(fù)離子濃度，而624 m處的濃度顯著低于其他各地段。姚成勝、毛亞昆等［21－22］分別在岳麓山和雷公山試驗(yàn)，結(jié)果均呈現(xiàn)先升高再降低的特點(diǎn)。本文采用小尺度 (相對(duì)高度0.5～3.5 m)對(duì)林分垂直空間空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果顯示，隨著高度的增加空氣負(fù)離子濃度逐漸降低。這與曾曙才等［19］、姚成勝［21］和李少寧等［23］的研究結(jié)果基本一致，但尺度不一致;而對(duì)溝內(nèi)和坡上的蘋果林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度的調(diào)查結(jié)果則表明，坡上的空氣負(fù)離子濃度大于溝內(nèi) (差異不顯著)。

4.2 空氣負(fù)離子相關(guān)影響因素

自然界空氣中產(chǎn)生負(fù)離子的原因是宇宙射線、陽光紫外線、雷電激發(fā)、風(fēng)暴、瀑布、海浪沖擊磨擦等作用產(chǎn)生自由電子，附著在某些氣體分子或原子上成為空氣負(fù)離子。這是物理性產(chǎn)生方式。邵海榮等［16］指出，溪流和瀑布在增加空氣負(fù)離子方面有極為明顯的作用。另外，吳楚材等［10］也指出，森林、植物的光合作用所制造的新鮮空氣等也含有負(fù)離子，即生物性產(chǎn)生方式也是空氣負(fù)離子產(chǎn)生的一種主要途徑，不同樹種組成、不同林分類型會(huì)影響空氣負(fù)離子水平。針葉樹種的葉尖呈針狀等曲率半徑較小，具有“尖端放電”的效果，使空氣中負(fù)離子含量升高。邵海棠等［16］認(rèn)為，針葉林和闊葉林在不同季節(jié)各有優(yōu)勢(shì)，春、夏季節(jié)則闊葉林地區(qū)高于針葉林地區(qū)。曾曙才等［19］對(duì)廣州幾種綠地類型研究也得出，闊葉林＞針闊混交林＞針葉林;本研究也得出類似規(guī)律，針闊葉林產(chǎn)生空氣負(fù)離子的效應(yīng)規(guī)律并不一致，即蘋果林＞板栗林＞栓皮櫟林＞油松林＞刺槐林?？梢?，闊葉經(jīng)濟(jì)林木具有較好的改善空氣負(fù)離子效應(yīng)。因此，范亞民等［21］提出在城郊、低山丘陵區(qū)適當(dāng)發(fā)展經(jīng)濟(jì)林木，在改善經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的同時(shí)，提高城市的生態(tài)效益。

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