木蘭圍場不同林分負離子分布及其變化研究

趙渺

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃監(jiān)測院，遼寧 沈陽 110122)

空氣負離子被稱為“空氣維生素”?？諝庳撾x子不僅具有很強的殺菌、降塵和清潔空氣的作用，還對人體有很強的保健作用。當空氣負離子的濃度小于20個cm-3時，人會感到倦怠、頭昏腦漲；當空氣負離子濃度位于1 000～10 000個cm-3時，人會感到心平氣和平靜安定；當負離子濃度大于10 000個cm-3時，人會感到神清氣爽、舒適愜意；當空氣中的負離子濃度大于100 000個cm-3時，能起到鎮(zhèn)靜、止咳、除疲勞、調(diào)節(jié)神經(jīng)等防病治病的效果[1]。隨著人們對空氣負離子醫(yī)療保健及殺菌功能認識的逐漸加深，空氣負離子作為一種新的生態(tài)保健資源在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，人們利用多數(shù)森林環(huán)境中空氣負離子濃度高的特點競相開展“森林生態(tài)旅游”、“森林浴”等活動。

1 研究地區(qū)概況

圍場是河北省承德市北部的縣級城鎮(zhèn)，位于116°32′—118°14′ E，40°35′—42°40′ N，處于內(nèi)蒙古高原與華北平原的過渡地帶，海拔1 000～1 500 m，總面積9 131 km2。

1.1 氣象條件

圍場地處圍場山地西部，屬于溫帶大陸性季風氣候，春季干旱少雨；夏季溫和多雷陣雨；秋季涼爽，晝夜溫差大，霜害嚴重；冬季寒冷少雪。平均氣溫年變化特征是：1—8月溫度逐月開始升高，7月為最熱月，8月溫度開始下降，1月為最冷月。但由于四周環(huán)山，阻滯了內(nèi)蒙古高原寒流的襲擊，故溫度高于同緯度其他地區(qū)，例如張北。夏季涼爽，雨量集中，基本無炎熱期。

1.2 植被條件

圍場處于河北特有植物三大集中分布區(qū)之一，即以霧靈山為核心的冀東北山地。另外兩個集中分布區(qū)分別是以小五臺山為中心，冀西北山地地區(qū)和太行山南段的內(nèi)丘至武安一線的低山丘陵區(qū)。

圍場分布的植物群落類型主要為：

(1)華北落葉松林，多為純林。由于環(huán)境條件制約和人為干擾，群落多分布在陰坡，群落的建群種生長良好，樹齡60 a以上，平均高度可達20 m，胸徑為17～22 cm。

(2)油松林，多為純林。群落多分布于陽坡，群落種類成分少，喬木層僅油松一種，不存在樹種間的競爭，下層更新的幼苗基本上都是油松。

(3)蒙古櫟林，櫟林中比較耐寒的類型，一般發(fā)育在坡的中上位，土壤為由花崗巖類巖石風化形成的微酸性至中性的山地棕壤。受坡向和土層厚度限制，蒙古櫟林的種類組成和群落特征在空間上有所差異。在陰坡土層較厚處，群落喬木層以蒙古櫟為建群種，多度可達喬木層總數(shù)的70%以上。蒙古櫟樹齡40年以上，平均胸徑10～12 cm，樹高10～12 m。伴生樹種有白樺、紫椴、山楊、棘皮樺等。灌木層有迎紅杜鵑、錦帶花、胡枝子等。

2 材料與方法

2.1 觀測儀器

AIC1000空氣正負離子檢測儀，美國生產(chǎn)，檢測范圍：10～1 999 000離子cm-3，離子收集率：大于65%，分辨率：10離子cm-3；YGS-0006A溫、濕度測定儀，余姚儀器二廠股份責任有限公司生產(chǎn)。

2.2 測定方法

本次負離子測定實驗選擇了木蘭圍場內(nèi)分布面積比較大的華北落葉松林、油松人工林和落葉闊葉混交林作為樣地，在樣地內(nèi)布設(shè)測點。選擇晴朗無云的天氣及陰雨天，對空氣正、負離子濃度，氣溫，相對濕度，進行同步測定。從6:00—22:00間隔2 h測定1組數(shù)據(jù)。

觀測時在各個群落內(nèi)隨機選擇4個觀測點，各個觀測點取東南西北4個方向，距離地面1.5 m處分別讀數(shù)，取4個方向的平均值為此觀測點的負離子濃度的觀測值，為了定量研究群落對空氣質(zhì)量的改善作用，在測定群落附近選擇一塊空曠地同時測量作為對照，各個群落測定3 d，取平均值[2]。

3 結(jié)果與分析

3.1 負離子濃度分布與植被關(guān)系

在試驗設(shè)計中，我們選擇了承德木蘭圍場內(nèi)分布面積較大，具有一定代表性的3種植被類型：落葉闊葉混交林、油松純林、華北落葉松純林作為負離子測量的樣地。落葉闊葉林內(nèi)主要分布有棘皮樺、白樺等喬木，灌木主要有毛榛、美薔薇等，草本主要有龍牙草、輪葉沙參、唐松草、歪頭菜等。油松純林內(nèi)只有油松，林下主要分布有少量羊胡子薹草。華北落葉松純林內(nèi)的灌木主要有繡線菊、胡枝子、大葉小檗、毛榛等，草本主要分布有鼠掌老鸛草、蛇莓、土三七、細葉薹草、野山芹等。測量林內(nèi)負離子濃度，得出負離子平均值和負離子最大值，對比分析負離子與植被之間的關(guān)系。

通過表1可以看出，木蘭圍場林內(nèi)空氣負離子濃度變化存在兩個規(guī)律：(1)無論晴天、陰天，木蘭圍場內(nèi)負離子濃度分布最大值以及平均值均以落葉闊葉混交林為最高，晴天分別為790、668個cm-3，陰天分別為1 920、1 178個cm-3。而華北落葉松林內(nèi)負離子濃度最大值和均值均最低，晴天分別為670、485個cm-3，陰天分別為1 000、760個cm-3，油松人工林居中。(2)在3種林分中，陰天時林內(nèi)負離子濃度明顯高于晴天。晴天林內(nèi)負離子濃度平均在500～600個cm-3之間波動，陰天林內(nèi)負離子濃度平均在800～1 000個cm-3之間波動。

表1 木蘭圍場負離子濃度 個·cm-3

通過分析發(fā)現(xiàn)，造成負離子濃度與植被之間形成第1種分布格局的主要原因在于闊葉落葉混交林葉面積指數(shù)較大，生物量較高，而且落葉闊葉林的郁閉度大，導致群落與外部的空氣交流也閉塞很多，植物通過光合作用、氣體交換等方式能過產(chǎn)生較高濃度、較高質(zhì)量的空氣負離子。另一方面，較高的葉面積指數(shù)和郁閉度使得落葉闊葉混交林內(nèi)的光線較弱，空氣濕度較高，因而延長了負離子的生存時間，使得負離子能夠很好地積累，產(chǎn)生較高的負離子濃度。落葉松林和油松人工林由于葉面積指數(shù)小，導致光合作用不如闊葉林強烈。而且通透性較好，與群落外界的空氣交流比較容易，使得空氣相對濕度較低，而且負離子擴散到林外，故負離子濃度較低。

油松人工林的負離子濃度大于落葉松林，可能是由于植物尖端放電效應(yīng)的存在。油松的葉片呈針狀，曲率半徑較小，具有尖端放電的功能，在大氣電場的作用下，使空氣發(fā)生電離，增加空氣負離子濃度。

林內(nèi)負離子濃度分布的第2種規(guī)律，即陰天時林內(nèi)負離子濃度明顯高于晴天。其主要原因在于陰天時空氣的相對濕度高，而溫度相對降低。負離子是一種帶電的陰離子，一般是由于在很高的靜電勢的作用下，空氣電離，被擊中的電子依附于附近的水分子或氧分子上形成。故而在陰天這樣相對濕度較高的環(huán)境里，空氣中的水分子含量較高，為負離子的形成提供了很好的基礎(chǔ)，同時陰濕的環(huán)境能夠延長負離子的壽命，故負離子能夠大量積累，形成較高的濃度水平。

3.2 負離子濃度日變化特征

通過圖1、圖2，落葉闊葉混交林和油松純林兩種林分中負離子濃度日變化中分析發(fā)現(xiàn)，二者的負離子濃度日變化趨勢相同，存在如下幾個特點：一是陰天時的負離子濃度明顯高于晴天。其主要原因是陰天時環(huán)境相對濕度較高，有利于負離子的產(chǎn)生和積累，故而負離子濃度較高。二是陰天時負離子的濃度日變化幅度明顯大于晴天，晴天時負離子濃度保持相對平穩(wěn)的水平。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在木蘭圍場進行試驗過程中，所選擇的陰雨天是典型的雷陣雨天氣。在降雨過程中進行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)，空氣的相對濕度達到了100%，相對濕度猛然升高導致了負離子的迅速積累；當停止降雨后，空氣相對濕度迅速下降，保持在80%～85%，故而負離子濃度下降，因而在降雨時和雨停后，負離子的濃度相差很大，導致陰雨天時負離子日變化的巨大波動。而晴天時空氣狀況保持相對穩(wěn)定，各項指標尤其是相對濕度和溫度變化幅度較小且極具規(guī)律性，故晴天時的負離子濃度變化幅度較小。三是晴天和陰雨天時的負離子濃度日變化俱呈現(xiàn)“雙峰”規(guī)律，這是陰雨天和晴天時兩者的相同點，但不同點在于極大值和極小值出現(xiàn)時間不同。通過對兩圖的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，陰雨天時負離子濃度日變化一個極大值出現(xiàn)在10:00左右，一個極小值出現(xiàn)在16:00左右。而晴天時負離子濃度日變化的一個極大值出現(xiàn)在8:00左右，而10:00左右形成一個極小值。其他的極大值和極小值出現(xiàn)時間各不相同，這一方面反映了由于各個林分間內(nèi)部環(huán)境差異所產(chǎn)生的影響，也反映了負離子濃度日變化的一些共同性。由于數(shù)據(jù)量較少，需要通過將數(shù)據(jù)取平均值減少數(shù)據(jù)誤差，可以反映出木蘭圍場內(nèi)負離子濃度日變化的一般性規(guī)律。

將每天相同時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)取平均值對時間作圖，由圖3可發(fā)現(xiàn)，6:00左右森林中負離子濃度較低，為692個cm-3，隨著時間的推移，負離子濃度快速增加，在10:00左右第1次達到最大值，為1 156個cm-3，然后緩慢下降，在16:00左右達到極小值，為585個cm-3，再快速增加，在22:00左右第2次達到峰值。

就負離子濃度隨時間的變化曲線可以看出，木蘭圍場的負離子濃度日變化呈“雙峰曲線”，和前面一天內(nèi)數(shù)據(jù)變化曲線的規(guī)律相同。其原因在于，光合作用是植物的生存基礎(chǔ)，也是負離子產(chǎn)生的重要源泉。清晨光的輻射弱，光合作用也弱，因此空氣負離子濃度較低。隨著太陽輻射的增強，光合作用加強，加之紫外線對植物葉片的“光電效應(yīng)”，空氣負離子濃度迅速增加，在10:00左右達到峰值。隨著太陽輻射的進一步增強，氣溫升高，植物開始出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，導致植物光合作用減弱，因此空氣負離子的濃度逐漸降低，在16:00左右出現(xiàn)了極小值。之后隨著太陽輻射的減弱，植物從午休中解脫出來，光合作用加強，且空氣相對濕度增大，空氣中的負離子濃度升高。直到太陽輻射強度降為0，空氣負離子濃度開始下降，從高峰降低至早晨的低值。

為了更加清楚森林植被對空氣中負離子濃度的影響，我們選擇了一塊空曠地作為對照樣地，空曠地位于實驗基地林場辦公室的小院內(nèi)，周圍有些植物，受人為因素影響較大。通過圖3、圖4可以看出，空曠地負離子濃度日變化與林內(nèi)負離子濃度日變化存在相同與不同處。第一，空曠地的負離子濃度日變化曲線與林內(nèi)負離子濃度日變化曲線的走勢基本相同，這在一定程度上反映了林外負離子與林內(nèi)負離子的內(nèi)在聯(lián)系?？諘绲氐呢撾x子主要是通過林內(nèi)與林外空氣的交流轉(zhuǎn)移而來，即林內(nèi)負離子是空曠地的負離子的主要來源，因此林內(nèi)負離子的濃度升高，轉(zhuǎn)移到空曠地的負離子數(shù)量增加，反之減少，因此林內(nèi)與空曠地的負離子濃度日變化曲線走勢一致。第二，空曠地的負離子濃度變化劇烈，幅度遠遠大于林內(nèi)。其主要原因在于，林內(nèi)植被能夠保持林內(nèi)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定，各項環(huán)境指標穩(wěn)定。而空曠地受自然因素干擾強烈，而且缺乏植被的維護，受陽光、風、水分的影響劇烈，各項環(huán)境指標變化較大較頻繁，故而負離子濃度不穩(wěn)定。

4 結(jié)論與討論

4.1 木蘭圍場空氣負離子濃度分布與植被類型的相互影響關(guān)系：落葉闊葉混交林的負離子濃度明顯高于針葉林純林。光合作用強度、空氣的流通是主要影響因素。在針葉林類型中，油松純林又高于華北落葉松林?？諘绲氐呢撾x子變化符合林內(nèi)負離子濃度變化的基本規(guī)律，但受各種因素影響，濃度波動劇烈。

4.2 木蘭圍場的負離子濃度日變化呈現(xiàn)雙峰規(guī)律。不同的天氣對負離子濃度日變化的基本規(guī)律沒有影響，晴天和陰天的負離子濃度日變化曲線都符合“雙峰規(guī)律”，但不同林分和天氣狀況下的極大值和極小值出現(xiàn)時間略有不同，通過對負離子濃度平均值作曲線分析，在10:00和23:00左右達到峰值，在4:00和16:00左右達到極值。另外，陰天時，負離子濃度明顯高于晴天，且變化幅度較大。

通過對負離子濃度日變化的研究分析，我們發(fā)現(xiàn)，木蘭圍場的負離子濃度日變化呈雙峰規(guī)律。負離子濃度的日變化規(guī)律目前在學術(shù)界并沒有達成一定的共識。通過文獻閱讀發(fā)現(xiàn)，不同研究地的負離子濃度日變化的規(guī)律各異，主要存在單峰變化和雙峰變化。且在單峰和雙峰的變化中，達到峰值和極小值的時間又因研究地的不同而略呈變化。

在木蘭圍場的試驗地選擇中，由于時間和條件的限制，并沒有將研究地內(nèi)樹木的密度作為考慮因素。在不同密度的油松純林的對比中發(fā)現(xiàn)，油松密度的大小嚴重影響林下植被的發(fā)育。在密度很大的油松林內(nèi)，地下植被幾乎不存在；而密度小的林內(nèi)地下植被發(fā)育較好，這些因素也會影響到負離子濃度的變化。