北京市7種經(jīng)濟(jì)林空氣負(fù)離子特征研究

李少寧 魯紹偉 趙云閣 丁 杰 劉 斌 陳 波

(1. 北京市林業(yè)果樹科學(xué)研究院，北京 100093；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；3. 北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100093)

空氣負(fù)離子又稱負(fù)氧離子，具有極佳的除塵、降低二手煙危害、預(yù)防呼吸道疾病、改善睡眠、防衰老、降低血液粘稠度等效果[1-2]。它可以增加空氣的舒適性，并對(duì)人體生理功能有積極影響[3-5]。近年來(lái)，空氣負(fù)離子因能直觀反映空氣質(zhì)量而備受關(guān)注。森林環(huán)境中含有豐富的空氣負(fù)離子，充分開發(fā)和利用空氣負(fù)離子資源對(duì)豐富森林生態(tài)旅游內(nèi)涵、促進(jìn)生態(tài)保健旅游開展、提高人們健康水平有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。我國(guó)學(xué)者對(duì)其展開的大量研究表明，一般城區(qū)內(nèi)空氣負(fù)離子含量為300～700個(gè)/cm3，工業(yè)區(qū)僅為200個(gè)/cm3，而林區(qū)高達(dá)2 000～3 000個(gè)/cm3[7-8]?？諝庳?fù)離子濃度受環(huán)境因素影響較大，同時(shí)與生態(tài)結(jié)構(gòu)、林分類型、郁閉度等均有一定關(guān)系[9-11]。孟祥江等[12]研究發(fā)現(xiàn)，不同林分類型的空氣負(fù)離子分布特征表現(xiàn)為闊葉林 > 針闊混交林 > 竹林 > 針葉林。還有研究表明空氣負(fù)離子濃度呈十分規(guī)律的日變化和季節(jié)變化特征，如邵海榮等[13]指出空氣負(fù)離子濃度最大值出現(xiàn)在上午9:00—11:00之間，最小值出現(xiàn)在夜間23:00左右。吳際友等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在季節(jié)變化當(dāng)中，空氣負(fù)離子濃度最高值出現(xiàn)在夏季，冬季最低。這些研究均以綠化森林生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象，而經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)同樣具有提供空氣負(fù)離子的作用，但有關(guān)經(jīng)濟(jì)林提供空氣負(fù)離子的研究卻較少。為此，本研究針對(duì)經(jīng)濟(jì)林提供負(fù)離子功能進(jìn)行相關(guān)研究，并對(duì)7種經(jīng)濟(jì)林提供空氣負(fù)離子價(jià)值量進(jìn)行合理評(píng)估。

1 研究地概況

研究地位于北京市西北五環(huán)，北京市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)果樹研究所種質(zhì)資源圃。地處東經(jīng)116°13′13″，北緯39°59′35″，海拔63 m，為典型北溫帶半濕潤(rùn)性大陸季風(fēng)氣候。年均日照時(shí)數(shù)2 000～2 800 h，年均溫14.1 ℃，年極端最高氣溫35～40 ℃，年極端最低氣溫-20～-14 ℃；年均降雨量483.9 mm，全年3/4的降水集中于6—8月份。資源圃內(nèi)總面積13 hm2，園內(nèi)有蘋果 (Maluspumila)、桃 (Amygdaluspersica)、杏 (Armeniacavulgaris)、櫻桃 (Cerasuspseudocerasus)、核桃 (Juglansregia)和板栗 (Castaneamollissima) 等。

2 材料與方法

2.1 研究對(duì)象

以北京常見經(jīng)濟(jì)林樹種為選擇范圍，在資源圃內(nèi)選取其中7種經(jīng)濟(jì)林作為研究對(duì)象，包括蘋果、西洋梨 (Pyruscommunis)、杏、桃 (Amygdaluspersica)、櫻桃、核桃和棗 (Ziziphusjujuba)，各樹種基本情況詳見表1。

表1 試驗(yàn)樹種概況Table 1 Experimental tree species overview

2.2 研究方法

試驗(yàn)時(shí)間為2015年5—10月，其中5月計(jì)為春季，6—8月為夏季，9—10月為秋季。在距離地面1.5 m處，利用空氣負(fù)離子儀 (COM-3200PRO) 測(cè)定林內(nèi)負(fù)離子濃度。在7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)，于每月選取天氣狀況良好、大氣狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定、風(fēng)向、風(fēng)速變化平緩的3個(gè)晴天，從7:00—17:00進(jìn)行全天連續(xù)監(jiān)測(cè)，每2 h監(jiān)測(cè)1次，共5次。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別分布在7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)中心處，在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)按東南西北4個(gè)方向分別瞬間讀數(shù)，每個(gè)方向待儀器顯示的數(shù)值穩(wěn)定后，讀取5個(gè)波峰數(shù)值，并取5個(gè)數(shù)值平均值作為一個(gè)方向的值，取4個(gè)方向數(shù)值平均值作為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用王兵等[15]、常艷等[16]的評(píng)估方法，計(jì)算7種經(jīng)濟(jì)林提供負(fù)離子年物質(zhì)量及其年價(jià)值量，如公式 (1)～(2)。

G負(fù)離子=5.26×1015×Q負(fù)離子×H/L

(1)

式中：G負(fù)離子為單位面積年負(fù)離子量 (個(gè)/m2)；Q負(fù)離子為林內(nèi)負(fù)離子濃度 (個(gè)/cm-3)；H為林分高度 (m)；L為負(fù)離子存活時(shí)間 (min)。

U負(fù)離子=5.26×1015×K負(fù)離子×H

(Q負(fù)離子-600)/L

(2)

式中：U負(fù)離子為單位面積年負(fù)離子價(jià)值量 (元/m2)；Q負(fù)離子為林內(nèi)負(fù)離子濃度 (個(gè)/cm3)；K負(fù)離子為負(fù)離子生產(chǎn)費(fèi)用 (元/個(gè))；H為林分高度 (m)；L為負(fù)離子存活時(shí)間 (min)。

采用Excel 2003 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)應(yīng)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度日變化特征

由圖1可知，各月7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度日變化趨勢(shì)大致相同，均在上午9:00—11:00和下午17:00左右出現(xiàn)一天當(dāng)中的兩個(gè)峰值；10月各樹種的日變化較為平緩，其他各月份日變化起伏較大，但各樹種在不同月份出現(xiàn)峰值的時(shí)間略有不同。如5月峰值出現(xiàn)在7:00的樹種有核桃、櫻桃和棗，峰值分別為968、1 153個(gè)/cm3和959個(gè)/cm3，峰值出現(xiàn)在9:00的樹種為西洋梨和蘋果，分別高達(dá)1 339個(gè)/cm3和1 353個(gè)/cm3，而桃和杏的峰值則出現(xiàn)在17:00左右；6月峰值出現(xiàn)在7:00的是西洋梨 (1 541個(gè)/cm3) 和櫻桃 (1 328個(gè)/cm3)，峰值出現(xiàn)在9:00為蘋果 (1 766個(gè)/cm3)；7、8月除蘋果外，其他各樹種的峰值均出現(xiàn)在11:00左右；進(jìn)入9—10月，各樹種峰值點(diǎn)再次出現(xiàn)差異。以9月為例，核桃、西洋梨、棗和蘋果均在11:00前后出現(xiàn)峰值，分別為1 824、2 449、2 637個(gè)/cm3和1 817個(gè)/cm3，而桃、杏和櫻桃峰值則出現(xiàn)在17:00，峰值為2 294、2 128、2 444個(gè)/cm3。

圖15—10月7種經(jīng)濟(jì)林空氣負(fù)離子日變化規(guī)律
Fig.1 Diurnal variation of negative air ions in 7 kinds of economic forests from May to October

可見，雖然7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子出現(xiàn)峰值時(shí)間略有差異，但絕大多數(shù)峰值均在上午7:00—11:00以及下午17:00前后出現(xiàn)，這可能是由于此時(shí)段內(nèi)空氣濕度相對(duì)較高，且植物生理作用的旺盛期，有利于植物提供空氣負(fù)離子，導(dǎo)致這一時(shí)段前后空氣負(fù)離子濃度出現(xiàn)一天當(dāng)中的最高值。

3.2 不同月份空氣負(fù)離子濃度特征

由圖2可知，9月7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度均較高，為1 697～2 537個(gè)/cm3。其中，10月最低 (398～1 400個(gè)/cm3)，6—8月即夏季時(shí)段，空氣負(fù)離子濃度變化較為平緩，最大差距不超過200個(gè)/cm3。5—10月整體動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)呈逐漸上升后急劇下降的趨勢(shì)，各月空氣負(fù)離子濃度大小為9月 > 8月 > 7月 > 6月 > 5月 > 10月。這一現(xiàn)象是由于北京地區(qū)秋季天高氣爽，且9月，溫度適宜，適量的風(fēng)力風(fēng)速使空氣負(fù)離子升高，而6—8月雖溫度較高，濕度較大，但幾乎處于無(wú)風(fēng)狀態(tài)，通過空氣流動(dòng)得到的負(fù)離子相對(duì)9月較小。進(jìn)入10月后，經(jīng)濟(jì)林生長(zhǎng)進(jìn)入衰退期，林分郁閉度下降，且各氣象因素也不利于空氣負(fù)離子產(chǎn)生，使10月7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度急劇下降；而5月7種經(jīng)濟(jì)林由于剛進(jìn)入生長(zhǎng)期，提供負(fù)離子功能尚未健全，從而導(dǎo)致當(dāng)月負(fù)離子濃度偏低。由此可見，空氣負(fù)離子濃度與溫度、濕度、風(fēng)等環(huán)境因素密切相關(guān)，但各因素中最重要的影響因素還須進(jìn)一步研究，以此作為判定經(jīng)濟(jì)林不同季節(jié)產(chǎn)生負(fù)離子大小的依據(jù)。

圖25—10月7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子日均濃度對(duì)比
Fig.2 Comparison of daily negative ion concentration of air in 7 kinds of economic forests from May to Octobe

3.3 不同經(jīng)濟(jì)林提供空氣負(fù)離子物質(zhì)量及價(jià)值量評(píng)估

由表3可知，7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)全年各月平均負(fù)離子濃度為969～1 631個(gè)/cm3。其中，蘋果的負(fù)離子濃度最高，是最小濃度棗的1.68倍；其次是西洋梨，與蘋果相差258個(gè)/cm3，之后分別為櫻桃 > 桃 > 杏 > 核桃 > 棗?？梢?，蘋果相較于其他經(jīng)濟(jì)林具有較高的提供空氣負(fù)離子的能力。同時(shí)，利用方差分析對(duì)7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行分析 (表2)，發(fā)現(xiàn)不同經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度差異極顯著 (P< 0.01)，說明不同經(jīng)濟(jì)林樹種提供空氣負(fù)離子的能力明顯不同。因此，在城區(qū)內(nèi)可以考慮適當(dāng)增加蘋果林的種植，為大氣環(huán)境提供更多空氣負(fù)離子，從而凈化空氣環(huán)境。

表2 5—10月7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度方差分析Table 2 Variance analysis of air negative ion concentration in 7 kinds of economic forests from May to October

由表3中對(duì)7種經(jīng)濟(jì)林提供空氣負(fù)離子物質(zhì)量及價(jià)值量進(jìn)行粗略評(píng)估結(jié)果可知，參試經(jīng)濟(jì)林中蘋果的評(píng)價(jià)等級(jí)較高，屬于Ⅲ，而棗林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度最低，屬于Ⅴ，其余樹種均介于前兩者之間 (Ⅳ)。不同經(jīng)濟(jì)林年負(fù)離子物質(zhì)量為2.09 × 1018～3.13 × 1018個(gè)/hm2，其物質(zhì)量大小排序?yàn)楹颂?> 蘋果 > 西洋梨 > 櫻桃 > 桃 > 杏 > 棗。其中，物質(zhì)量最大的核桃提供負(fù)離子能力比位于第2位的蘋果高出0.21 × 1018個(gè)/ hm2，而物質(zhì)量最小的棗提供負(fù)離子能力僅為蘋果的66.8%?？梢?，核桃林提供負(fù)離子最終物質(zhì)量高于其他幾個(gè)參試經(jīng)濟(jì)林。相比物質(zhì)量，7種經(jīng)濟(jì)林其年價(jià)值量為7.84～18.17元/ hm2，大小排序與物質(zhì)量略具不同。這是由于參試經(jīng)濟(jì)林林分高度存在不同，而在計(jì)算物質(zhì)量和價(jià)值量時(shí)，負(fù)離子濃度和林分高度均為其主要部分。根據(jù)經(jīng)濟(jì)林物質(zhì)量和價(jià)值量的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)林每年每公頃提供負(fù)離子量相當(dāng)可觀，在其巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值外，提供負(fù)離子的生態(tài)價(jià)值也絲毫不弱。

表3 7種經(jīng)濟(jì)林空氣負(fù)離子等級(jí)、年物質(zhì)量及價(jià)值量評(píng)價(jià)Table 3 Evaluation of air negative ion grade, quality and value of 7 economic forests

4 結(jié)論與討論

本研究中，空氣負(fù)離子濃度的日變化趨勢(shì)整體表現(xiàn)為先增加再減小，隨后又上升。兩峰值分別在上午9:00—11:00和下午17:00左右出現(xiàn)，15:00左右濃度降為最低；各樹種在不同月份出現(xiàn)峰值的時(shí)間略有不同，但所處時(shí)間范圍大致相同。7種經(jīng)濟(jì)林月變化差異顯著 (P< 0.05)，特征整體表現(xiàn)為9月 > 8月 > 7月 > 6月 > 5月 > 10月。不同經(jīng)濟(jì)林提供空氣負(fù)離子能力差異顯著 (P< 0.05)，其大小排序?yàn)樘O果 > 西洋梨 > 櫻桃 > 桃 > 杏 > 核桃 > 棗；7種經(jīng)濟(jì)林物質(zhì)量為2.09 × 1018～3.13 × 1018個(gè)/(hm2·a)，價(jià)值量為7.84～18.17元/(hm2·a)?？梢?，經(jīng)濟(jì)林樹種提供空氣負(fù)離子的生態(tài)功能價(jià)值不容忽視。

空氣負(fù)離子的含量及分布作為衡量一個(gè)地區(qū)空氣清潔程度與生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)之一[17]，現(xiàn)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，有關(guān)森林植被的空氣負(fù)離子研究越來(lái)越多。儲(chǔ)德裕等[18]發(fā)現(xiàn)柏木和楊梅2種植物群落內(nèi)空氣負(fù)離子濃度在早9:00和傍晚17:00前出現(xiàn)2個(gè)波峰，而在11:00—16:00處于較低水平；謝雪宇等[19]在寨場(chǎng)山森林公園中的研究顯示，一天當(dāng)中空氣負(fù)離子濃度上午開始下降，14:00—16:00最低，隨后回升；而劉欣欣等[20]對(duì)森林群落空氣負(fù)離子濃度的研究表明，在夏季，6種群落內(nèi)負(fù)離子濃度峰值均為9:00。這些研究結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果所得基本一致。相比這些結(jié)果一致的研究，與吳際友等[14]的結(jié)果略具不同，這可能是地域及氣象因素的不同所導(dǎo)致?？諝庳?fù)離子濃度受溫度、濕度等氣象因素的影響較大，并且與植被自身特性有一定關(guān)系，所以空氣負(fù)離子濃度的變化趨勢(shì)并沒有在各地和各樹種上出現(xiàn)完全一致的變化趨勢(shì)。且就目前研究結(jié)果來(lái)看，空氣負(fù)離子濃度與氣象各因子之間的關(guān)系報(bào)道并不一致，需要今后在此方面多進(jìn)行對(duì)比研究。

不同森林植被全年中空氣負(fù)離子濃度存在明顯差異。有研究表明，一年當(dāng)中，空氣負(fù)離子濃度夏、秋高于冬、春，且夏季最高，冬季最低[13-14,21]。本研究結(jié)果與此結(jié)論相似，但其9月7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子濃度明顯最高，而這與李少寧等[22]關(guān)于北京典型園林植被區(qū)空氣負(fù)離子研究結(jié)果相一致，與陶寶先等[23]在南京地區(qū)對(duì)其主要森林類型空氣負(fù)離子月變化研究結(jié)果存在歧義，產(chǎn)生這種差異的原因可能與試驗(yàn)選取的研究地點(diǎn)及其當(dāng)?shù)貧夂蛴嘘P(guān)。這也側(cè)面說明氣象因子(紫外線強(qiáng)度、溫度、濕度等)是影響森林空氣負(fù)離子濃度的重要因素之一，但具體哪種氣象因子占據(jù)主導(dǎo)地位，還須進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。此外，前人對(duì)森林空氣負(fù)離子濃度時(shí)空變化的研究均發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律呈單峰趨勢(shì)，這又與研究中得到7種經(jīng)濟(jì)林內(nèi)空氣負(fù)離子月變化相同。但相比馮鵬飛等[24]對(duì)北京地區(qū)不同植被區(qū)空氣負(fù)離子濃度的研究，得到其濃度范圍為300～1 800個(gè)/cm3，以及孫明珠等[25]關(guān)于北京不同功能區(qū)空氣負(fù)離子差異性研究得到各地負(fù)離子濃度為600～933個(gè)/cm3，本研究中7種經(jīng)濟(jì)林樹種提供負(fù)離子濃度絲毫不低 (969～1 631個(gè)/cm3)，甚至高于孫明珠等[25]的研究結(jié)果，可見經(jīng)濟(jì)林樹種提供空氣負(fù)離子的能力并不弱于園林綠化樹種。

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