橡膠林與其他環(huán)境類型間負(fù)氧離子水平的比較研究

謝 江，張勇波，陳國云，周會(huì)平

(云南省熱帶作物科學(xué)研究所,云南 景洪 666100)

橡膠樹(Heveabrasiliensis)為大戟科高大喬木，原產(chǎn)于南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中，喜高溫高濕、土地平整、土壤肥沃的環(huán)境[1]。在我國，橡膠樹只能種植于海南、云南、廣東及廣西等省份的熱帶地區(qū)[2]，其中云南省西雙版納是最主要的種植基地之一?，F(xiàn)今，以橡膠樹為單一優(yōu)勢樹種的橡膠林已是西雙版納地區(qū)最主要的人工林類型，其與季節(jié)雨林、次生林共同組成該區(qū)域的主要森林植被類型。大規(guī)模發(fā)展的橡膠種植業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)貐^(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用，但大面積單一種植的橡膠林對(duì)于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響也引起了公眾的大量關(guān)注[3-4]。

調(diào)節(jié)區(qū)域氣候環(huán)境和空氣質(zhì)量是森林具有的一個(gè)重要功能。森林不僅會(huì)通過葉片的光合作用進(jìn)行固碳釋氧和通過林冠吸收污染物及調(diào)節(jié)氣溫，還可通過光電效應(yīng)產(chǎn)生空氣負(fù)離子調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量?？諝庳?fù)離子是指帶負(fù)電荷的氧離子，也被稱為“負(fù)氧離子”[5-6]，其含量多少可直接影響人的舒適程度和健康狀況，是反映空氣質(zhì)量和大氣環(huán)境狀況的重要指標(biāo)?？諝庵械呢?fù)氧離子有改善大腦功能、促進(jìn)人體新陳代謝、提高免疫力、調(diào)節(jié)機(jī)體平衡及消除人體疲勞等作用，同時(shí)還能抑制細(xì)菌、病毒生長和去除空氣中的煙霧、粉塵，起到降塵抑菌、凈化空氣的作用，所以被稱為“長生素”、“空氣中的維生素”[5-8]。世界衛(wèi)生組織規(guī)定：清新空氣中負(fù)離子含量不應(yīng)低于1 000個(gè)/cm3[5,9]。近年來許多研究已表明，當(dāng)負(fù)氧離子濃度達(dá)到700個(gè)/cm3以上時(shí)有益于人體健康，達(dá)到10 000個(gè)/cm3以上則可以治病[10]。

空氣負(fù)離子的來源有物理性產(chǎn)生和生物性產(chǎn)生2種，其中前者水分子裂解為主要方式，后者植物光合作用中的光電效應(yīng)是主要來源[8,10-13]。因此，下墊面類型、森林覆蓋率、天氣狀況、微粒吸附、溫度濕度等自然地理?xiàng)l件變化，都會(huì)影響空氣負(fù)離子的濃度[14]。目前，我國關(guān)于空氣負(fù)氧離子方面的研究已開展了一些，主要側(cè)重于人為干擾環(huán)境和自然環(huán)境中空氣負(fù)氧離子的濃度水平、空氣負(fù)氧離子在醫(yī)療保健中的作用及其機(jī)理、空氣負(fù)氧離子資源的開發(fā)利用等[15]。

本研究以西雙版納景洪市郊不同樹齡(幼林、成林、老林)的橡膠林為主要監(jiān)測對(duì)象，以同區(qū)域內(nèi)另兩種人工林(澳洲堅(jiān)果園和茶園)及其他典型生境類型(溝谷雨林、森林公園和市區(qū))為對(duì)照監(jiān)測對(duì)象，研究橡膠林負(fù)氧離子分布變化規(guī)律，分析各類型環(huán)境的負(fù)氧離子水平差異及其影響因素。研究結(jié)果可表明橡膠林在調(diào)節(jié)氣候方面的功能，為綜合評(píng)價(jià)橡膠林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

景洪市位于云南南部，西雙版納傣族自治州中部。地處我國西南邊陲、云南省的最南端，地跨100°25′-101°31′E，21°27′-22°36′N。屬北熱帶和南亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，長夏無冬，干濕季分明(2-4月為旱季，5-10月為雨季，11-翌年1月為霧涼季)，基本無霜。年平均氣溫18.6～21.9℃，年平均降水量1 200～1 700 mm，年平均相對(duì)濕度在80%～86%。最高海拔2 196.8 m，最低海拔485 m[16]。

1.2 研究方法

以西雙版納景洪郊區(qū)不同樹齡的橡膠人工林(2011種植的幼林YR、2005年的成林AR、1985年老林OR)樣地為主要研究對(duì)象，并選擇同區(qū)域分布面積較大的另2種人工種植園(澳洲堅(jiān)果園AM和茶園AT)及其他典型生境類型(溝谷雨林、森林公園和市區(qū)休閑區(qū)等處)為對(duì)照監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行負(fù)氧離子測定研究。

在1-12月份，每月中旬選擇天氣情況穩(wěn)定的一天到3個(gè)樹齡橡膠林、澳洲堅(jiān)果園和茶園定點(diǎn)測定負(fù)氧離子濃度。測量時(shí)間為9:00-11:00，每分鐘測量記錄1次，連續(xù)測量記錄100個(gè)以上數(shù)據(jù)的平均值代表各地一般情況下的負(fù)氧離子濃度水平。另外，對(duì)溝谷雨林、森林公園和景洪市區(qū)主要的休閑區(qū)也分別在旱季(4月)和雨季(8月)選擇天氣情況穩(wěn)定的天氣進(jìn)行1次負(fù)氧離子測量。

本研究使用日本KEC-900正負(fù)離子測試儀，測試范圍為10～1.99×106個(gè)/cm3，精度為10個(gè)/cm3。

使用SPSS19.0和SigmaPlot11.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 負(fù)氧離子濃度分布和變化特征

對(duì)3個(gè)橡膠人工林和2個(gè)其他人工種植園的全年監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，橡膠幼林、澳洲堅(jiān)果園、茶園的負(fù)氧離子濃度整體上呈現(xiàn)雨季高于霧涼季和旱季，橡膠成林、老林的負(fù)氧離子濃度整體上呈現(xiàn)霧涼季和雨季高于旱季。橡膠幼林和茶園的負(fù)氧離子濃度易受瞬時(shí)天氣影響變化幅度較大(極低值500～600個(gè)/cm3，極高值3 000～4 000個(gè)/cm3)，而橡膠成林與老林、澳洲堅(jiān)果園及茶園的負(fù)氧離子濃度通常都處于相對(duì)較高水平(一般2 000個(gè)/cm3)，屬于較高水平。

在同一季節(jié)，各人工林地之間的負(fù)氧離子濃度水平存在顯著差異(圖1)。旱季時(shí)，橡膠成林和老林的負(fù)氧離子濃度明顯高于橡膠幼林、澳洲堅(jiān)果園和茶園；橡膠幼林略低于澳洲堅(jiān)果園和茶園。雨季時(shí)，負(fù)氧離子濃度表現(xiàn)為橡膠成林高于老林高于幼林，澳洲堅(jiān)果園和茶園均高于橡膠幼林。霧涼季時(shí)，橡膠成林負(fù)氧離子濃度最高，高于老林和幼林，茶園最低。

不同林齡的橡膠林之間的負(fù)氧離子水平也有較大差異。橡膠幼林負(fù)氧離子濃度，在3個(gè)季節(jié)均為最弱，明顯低于其他人工林地；而橡膠成林和老林的負(fù)氧離子濃度往往都高于其他林地，尤其是在旱季和霧涼季時(shí)尤為明顯；橡膠老林負(fù)氧離子濃度有時(shí)(雨季和霧涼季)也要低于成林。

2.2 負(fù)氧離子與溫度、濕度的相關(guān)關(guān)系

對(duì)橡膠幼林、成林、老林、澳洲堅(jiān)果園及茶園進(jìn)行的負(fù)氧離子濃度變化與空氣溫濕度的相關(guān)性分析表明，負(fù)氧離子濃度與空氣相對(duì)濕度之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.455(P<0.01)，為顯著正相關(guān)；而負(fù)氧離子濃度與溫度之間無顯著相關(guān)關(guān)系(表1)。

注：OR，老膠林；AR，橡膠成林；YR，橡膠幼林；AM，澳洲堅(jiān)果林；AT，茶園(顯著性水平P<0.05)。

表1 負(fù)氧離子濃度與空氣溫度及相對(duì)濕度的相關(guān)性Table 1 The correlation of negative air ion concentration with the temperature and relative humidity

注：**表示置信度為0.01時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

2.3 橡膠林與其他典型環(huán)境類型間負(fù)氧離子水平比較

對(duì)橡膠林與同區(qū)域其他環(huán)境類型進(jìn)行了旱季和雨季負(fù)氧離子濃度的比較分析，結(jié)果表明，在旱季，溝谷雨林的負(fù)氧離子濃度最高，可達(dá)7 000個(gè)/cm3以上，而其他類型環(huán)境中均<2 000個(gè)/cm3；橡膠老林、成林及森林公園內(nèi)的空中花園景點(diǎn)等植物多而人較少的區(qū)域，負(fù)氧離子濃度可達(dá)>1 500個(gè)/cm3；在植物較多但人也較多的區(qū)域，如橡膠幼林、市區(qū)內(nèi)的江邊、花卉園、森林公園入口處及公園內(nèi)愛伲山寨和白塔等景區(qū)，負(fù)氧離子濃度>1 000個(gè)/cm3；而在市區(qū)孔雀湖、龍舟廣場、文化廣場等人較多植物較少的區(qū)域，負(fù)氧離子濃度往往<1 000個(gè)/cm3。在雨季，溝谷雨林和森林公園內(nèi)的負(fù)氧離子濃度均>5 000個(gè)/cm3，明顯高于橡膠林和市區(qū)(P<0.05)；橡膠林和市區(qū)各休閑場所之間的負(fù)氧離子濃度差異不顯著(P>0.05)，普遍>2 000個(gè)/cm3(圖2)。

3 結(jié)論與討論

橡膠林是西雙版納地區(qū)最主要的人工林生態(tài)系統(tǒng)，是除熱帶季雨林和次生林之外的最主要的森林類型，對(duì)本區(qū)域的氣候環(huán)境有著至關(guān)重要的影響。研究橡膠林產(chǎn)生和維持負(fù)氧離子的能力是了解橡膠林調(diào)節(jié)區(qū)域氣候和空氣質(zhì)量功能的關(guān)鍵一環(huán)。本研究通過對(duì)不同樹齡橡膠林內(nèi)負(fù)氧離子濃度的連續(xù)監(jiān)測，探明了橡膠林負(fù)氧離子濃度分布變化規(guī)律，大致表現(xiàn)為：1)從季節(jié)變化特征來看，大多數(shù)研究點(diǎn)在雨季和霧涼季的負(fù)離子濃度普遍較高且多次出現(xiàn)極高值，而在旱季負(fù)離子濃度普遍處于中等或較低水平，整體上呈雨季和霧涼季的負(fù)氧離子濃度高于旱季的趨勢；2)從林齡來看，由橡膠幼林到成林再到老林，其產(chǎn)生和保持負(fù)氧離子的能力大致呈現(xiàn)先弱后強(qiáng)再有所減弱的趨勢。

圖2 橡膠林與溝谷雨林、森林公園及市區(qū)的負(fù)氧離子濃度差異比較(顯著性水平P<0.05)Fig.2 Comparison of negative oxygen ion among rubber plantation,rainforest,forest scenic and downtown area (Significance level at P<0.05)

有研究表明，負(fù)氧離子濃度水平往往與天氣條件有密切關(guān)系[5,14]。負(fù)離子主要通過水分子裂解產(chǎn)生，空氣中的負(fù)氧離子主要以O(shè)-2(H2O)n形式相對(duì)穩(wěn)定存在[17]，當(dāng)濕度增大時(shí)，空氣中的水分子增多，O-2結(jié)合水分子的機(jī)會(huì)就增大，負(fù)氧離子濃度也隨之增大，同時(shí)空氣中的水滴對(duì)大氣中可吸入懸浮顆粒等具有清潔作用，減少了空氣中凝結(jié)核的數(shù)量，使得空氣負(fù)離子的生成速率遠(yuǎn)大于其消亡速率[18]。當(dāng)溫度較高、太陽輻射較為強(qiáng)烈時(shí)，空氣中的污染物在強(qiáng)烈紫外線的作用下會(huì)發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，加劇污染，污染物在擴(kuò)散過程中吸附大量的空氣負(fù)氧離子，導(dǎo)致空氣中負(fù)氧離子濃度降低[14]。而本研究中進(jìn)行的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，橡膠林負(fù)氧離子濃度的變化與空氣相對(duì)濕度顯著相關(guān)，而與空氣溫度之間無顯著相關(guān)性。分析認(rèn)為，這可能和西雙版納的空氣較為潔凈有關(guān)。西雙版納地區(qū)空氣潔凈，污染物較少，有利于負(fù)氧離子的積累。另外，負(fù)氧離子濃度與溫度和相對(duì)濕度的相關(guān)性不同研究報(bào)道的結(jié)論也不盡相同，這可能是由于影響空氣負(fù)氧離子的因素多種多樣，包括溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓、太陽輻射等自然因素以及污染物質(zhì)排放、人流量等人為因素。

通過與同區(qū)域另外人工種植園(澳洲堅(jiān)果園和茶園)以及其他類型環(huán)境(溝谷雨林、森林公園及市區(qū)等)的比較，確定了橡膠林在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候環(huán)境和空氣質(zhì)量方面的作用大小?？偟目磥?，植物分布的多少和人流量的大小對(duì)負(fù)氧離子的濃度有顯著影響。溝谷雨林作為最優(yōu)的生態(tài)系統(tǒng)類型，其對(duì)區(qū)域氣候的調(diào)節(jié)作用在干旱少雨的季節(jié)尤為明顯和重要；橡膠林產(chǎn)生和維持負(fù)氧離子水平的能力雖然遠(yuǎn)不如溝谷雨林，但相較于其他類型環(huán)境，尤其是成林階段以后是處于中等偏上水平的。

綜上所述，橡膠林是具有產(chǎn)生和維持相對(duì)較高水平的空氣負(fù)氧離子水平的能力的，能夠?qū)^(qū)域氣候和空氣質(zhì)量能起到一定調(diào)節(jié)作用。研究結(jié)果為科學(xué)評(píng)估橡膠林生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能提供了基礎(chǔ)依據(jù)。