南雄自然保護(hù)區(qū)—城鄉(xiāng)梯度空氣負(fù)離子時(shí)空分異對(duì)比研究

郭緒兵，蔡章林，邱治軍，陳志紅，周光益

1.廣東南雄小流坑—青嶂山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，廣東南雄 512421；

2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東廣州510520

空氣負(fù)離子(Negative Air Ion，NAI)，又稱(chēng)負(fù)氧離子，是由空氣中負(fù)氧離子與若干個(gè)水分子結(jié)合形成的原子團(tuán)。空氣負(fù)離子不僅具有殺菌、降塵和清潔空氣等作用，而且具有保健功效，有助于提高人體免疫力，促進(jìn)人體身心健康發(fā)展，被譽(yù)為“空氣中的維生素”[1，2]。空氣中的負(fù)氧離子數(shù)量和分布已經(jīng)成為評(píng)價(jià)空氣潔凈度與生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)之一。

自然保護(hù)地是人們戶外旅游休閑重要的去處之一。探明自然保護(hù)地空氣負(fù)離子的時(shí)空分布特征對(duì)于評(píng)價(jià)該保護(hù)區(qū)空氣質(zhì)量和促進(jìn)森林旅游發(fā)展都具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。目前，不少學(xué)者通過(guò)監(jiān)測(cè)空氣溫度、濕度、降水等氣象因子研究影響空氣負(fù)離子的環(huán)境因素，但尚未得到一致結(jié)論，仍然存在不少爭(zhēng)議[3，4]。且大多數(shù)研究采用定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法，只分析比較森林公園或自然保護(hù)區(qū)內(nèi)部的空氣負(fù)離子水平[5-8]，在森林—鄉(xiāng)鎮(zhèn)—城市梯度不同土地利用類(lèi)型的空氣負(fù)離子的時(shí)空分異特征對(duì)比上缺乏深入的監(jiān)測(cè)研究。該文選取南雄市不同土地利用類(lèi)型為研究對(duì)象，在小流坑—青嶂山自然保護(hù)區(qū)不同林分、保護(hù)區(qū)外城鄉(xiāng)不同位置設(shè)置對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)，探究不同地點(diǎn)空氣負(fù)離子時(shí)空變化特征，揭示森林植被對(duì)空氣負(fù)離子的調(diào)控作用，旨在為森林規(guī)劃、旅游資源開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

小流坑—青嶂山保護(hù)區(qū)位于廣東省北部南雄市，重點(diǎn)保護(hù)亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)及珍稀動(dòng)植物資源，由小流坑（位于帽子峰森林公園內(nèi)，面積873.8hm2）和青嶂山（面積7000.2hm2）兩部分組成。保護(hù)區(qū)總面積達(dá)7874hm2，森林覆蓋率89.1%。帽子峰森林公園位于南雄市西北部，距離南雄市42km，地處南嶺山脈與大庾嶺交界處，森林覆蓋率94.8%。青嶂山位于南雄市東南部，距離南雄市13km，是南雄市南面最高的山，也是保護(hù)區(qū)核心區(qū)所在地。

研究區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，具有四季分明、冬短夏長(zhǎng)、秋季過(guò)渡快的特點(diǎn)。冬季盛行東北季風(fēng)，夏季盛行西南和東南風(fēng)。年均氣溫19.6℃；極端最低氣溫-6.2℃，極端最高氣溫39.5℃。年均太陽(yáng)輻射111.7kcal·m-2，≥10℃的有效積溫7177.9℃，降雨量1551.1mm，蒸發(fā)量1678.7mm[9]。該地區(qū)森林為20 世紀(jì)80 年代采伐后恢復(fù)的天然次生林，喬木樹(shù)種主要有木荷(Schima superba)、米錐(Castanopsis chinensis)、小紅栲 (Castanoposis Carlesii)、青岡(Cyclobalanopsis glauca)、杉 木 (Cunninghamia lanceolata)、馬尾松(Pinus massoniana)等。林下灌木主要有楊桐 (Adinandra millettii(Hook.et Arn.)Benth.et Hook.f.ex Hance)、赤楠(Syzygium buxifoliumBook.et Arn)、杜莖山 (Maesa japonica(Thunb.)Moritzi.ex Zoll)、鼠刺(Itea chinensisHook.et Arn)等。草本植物主要有頂芽狗脊(Woodwardia unigemmata(Makino)Nakai)、芒萁(Dicranopteris dichotoma(Thunb.)Bernh)、玉葉金花(Mussaenda pubescensAit.f)等。

1.2 研究方法

根據(jù)不同林分類(lèi)型和人為活動(dòng)密集程度，在保護(hù)區(qū)內(nèi)外設(shè)置7 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（表1）。前4 個(gè)土地利用類(lèi)型為森林，人為干擾較少；雄州鎮(zhèn)和帽子峰鎮(zhèn)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域，居民點(diǎn)與農(nóng)業(yè)用地交錯(cuò)分布；汽車(chē)站為人車(chē)流量較大的城區(qū)核心區(qū)域。該研究采用移動(dòng)監(jiān)測(cè)的方法，設(shè)置2 條監(jiān)測(cè)路線，南線為南雄汽車(chē)站—雄州鎮(zhèn)—青嶂山針葉林—青嶂山闊葉林，北線為南雄汽車(chē)站—帽子峰鎮(zhèn)—帽子峰針葉林—帽子峰闊葉林。每天監(jiān)測(cè)1 條路線，在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)回監(jiān)測(cè)，各點(diǎn)監(jiān)測(cè)主要時(shí)間分布在7:00～19:00 之間。

表1 空氣負(fù)離子監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本情況Tab.1 Basic Information of Nai Monitoring Sites

該研究觀測(cè)時(shí)間為2019 年1 月至12 月。每個(gè)月選擇天氣情況較好的2d～4d 天進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中2月份數(shù)據(jù)未采集，4 月份青嶂山闊葉林因天氣條件不佳無(wú)法采集數(shù)據(jù)。檢測(cè)儀器采用空氣負(fù)離子檢測(cè)儀，型號(hào)為COM 3200 PRO II。測(cè)量前先用三角架固定空氣負(fù)離子檢測(cè)儀，三角架高1.2m，用外置的鋰電池(12V 100AH)供電。每天第1 次測(cè)量前先開(kāi)機(jī)預(yù)熱20min 后再進(jìn)行正式測(cè)量。測(cè)量前先將儀器調(diào)節(jié)水平，然后分別測(cè)定東、南、西、北4 個(gè)方向的空氣負(fù)離子濃度，取其平均值作為該次的測(cè)量值。每次監(jiān)測(cè)時(shí)間為30min 左右。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 完成數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用SPSS 25 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣負(fù)離子濃度總體特征

將2019 年全年監(jiān)測(cè)結(jié)果求平均值，得到不同監(jiān)測(cè)地點(diǎn)空氣負(fù)離子平均濃度（表2）。7 個(gè)地點(diǎn)的空氣負(fù)離子濃度從高到低依次排序?yàn)椋呵噌稚结樔~林＞帽子峰闊葉林＞青嶂山闊葉林＞帽子峰針葉林＞帽子峰鎮(zhèn)＞雄州鎮(zhèn)＞汽車(chē)站。濃度最高的青嶂山針葉林與濃度最低的汽車(chē)站之間相差928 ion·cm-3，前者是后者的3.17 倍。自然保護(hù)區(qū)內(nèi)空氣負(fù)離子最高，4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的全年平均值為1194 ion·cm-3，是帽子峰鎮(zhèn)和雄州鎮(zhèn)2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均值的1.5 倍，是城區(qū)汽車(chē)站平均值的2.8 倍。由于數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，故采用非參數(shù)檢驗(yàn)中的Kruskal-Wallis 單因素ANOVA（K 樣本）對(duì)不同地點(diǎn)的空氣負(fù)離子濃度差異進(jìn)行分析[10]。Kruskal-Wallis 檢驗(yàn)結(jié)果表明，帽子峰闊葉林與帽子峰針葉林、青嶂山闊葉林和青嶂山針葉林之間不存在顯著差異，帽子峰針葉林和帽子峰鎮(zhèn)之間也不存在顯著差異，但汽車(chē)站和雄州鎮(zhèn)及其他所有地點(diǎn)均存在顯著差異。森林各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空氣負(fù)離子濃度顯著高于雄州鎮(zhèn)和汽車(chē)站等人為活動(dòng)密集區(qū)域（P＜0.05）。

表2 2019 年不同地點(diǎn)平均空氣負(fù)離子濃度Tab.2 Averaged Nai Concentration at Different Study Sites in 2019

2.2 空氣負(fù)離子濃度月動(dòng)態(tài)變化

將保護(hù)區(qū)內(nèi)7 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 月～12 月的空氣負(fù)離子濃度按月統(tǒng)計(jì)，得到空氣負(fù)離子月變化(圖1)。不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣負(fù)離子濃度變化趨勢(shì)存在不同的模式，負(fù)離子濃度的最低值與最高值出現(xiàn)時(shí)間也不完全相同。帽子峰闊葉林、帽子峰針葉林、青嶂山針葉林和帽子峰鎮(zhèn)的空氣負(fù)離子濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，為單峰曲線，在夏季（7 月份和8 月份）達(dá)到最高值，在冬季（1 月份和12 月份）達(dá)到最低值。其中帽子峰闊葉林空氣負(fù)離子濃度月變化幅度最大。雖然青嶂山闊葉林的峰值出現(xiàn)在秋季（10 月份），但是，春秋兩季空氣負(fù)離子濃度和夏季基本一致，冬季仍然是處于最低值。雄州鎮(zhèn)和汽車(chē)站的空氣負(fù)離子濃度全年變化不大，維持在一個(gè)較低的水平。

圖1 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣負(fù)離子濃度月變化Fig.1 Monthly Variations of Nai Concentration at the Seven Sites

2.3 空氣負(fù)離子濃度日動(dòng)態(tài)變化

選取空氣負(fù)離子濃度較高的夏季（6 月、7 月和8 月），將一天當(dāng)中的監(jiān)測(cè)時(shí)間分為4 個(gè)時(shí)段，分別為上午（7:00～11:00）、中午（11:01～14:00）、下午（14:01～17:00）和傍晚（17:01～19:00），統(tǒng)計(jì)空氣負(fù)離子濃度日變化(圖2)。帽子峰闊葉林、帽子峰針葉林和雄州鎮(zhèn)空氣負(fù)離子濃度日變化趨勢(shì)相同，從大到小排序?yàn)椋喊恚旧衔纾鞠挛纾局形??？傮w而言，上午和傍晚屬于空氣負(fù)離子濃度較高水平的時(shí)間段，中午一般為最低。汽車(chē)站全天變化不大，主要受到人流量和車(chē)流量的影響，保持在一個(gè)穩(wěn)定的低水平。

圖2 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)空氣負(fù)離子濃度日變化Fig.2 Daily Variations of Nai Concentration at the Seven Sites

3 結(jié)論與討論

該研究通過(guò)南雄自然保護(hù)區(qū)—城鄉(xiāng)梯度不同土地利用類(lèi)型空氣負(fù)離子1a 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，自然保護(hù)區(qū)的空氣負(fù)離子資源豐富，顯著高于城鎮(zhèn)和汽車(chē)站等人流密集區(qū)域。此外，保護(hù)區(qū)空氣負(fù)離子濃度存在明顯的季節(jié)變化和日變化規(guī)律，而且森林質(zhì)量越好，這種變化的規(guī)律越明顯，說(shuō)明森林對(duì)空氣負(fù)離子具有明顯的調(diào)控作用。因此，自然保護(hù)區(qū)建設(shè)有利于森林質(zhì)量的提升和空氣環(huán)境的改善，為發(fā)展森林康養(yǎng)旅游奠定了良好的生態(tài)環(huán)境條件。

3.1 森林對(duì)空氣負(fù)離子的調(diào)節(jié)

森林植被的枝葉尖端放電效應(yīng)以及光合作用形成的光電效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致大氣分子電解，從而產(chǎn)生大量空氣負(fù)離子[11，12]。大氣中的負(fù)氧離子壽命從幾秒到幾分鐘不等，每一時(shí)刻都有大量的正、負(fù)離子產(chǎn)生和消失，其濃度處于動(dòng)態(tài)平衡之中[13]。植被的有無(wú)以及景觀群落的復(fù)雜性是影響空氣負(fù)離子濃度的關(guān)鍵因素[14]。該研究發(fā)現(xiàn)，帽子峰闊葉林、帽子峰針葉林、青嶂山闊葉林和青嶂山針葉林等森林環(huán)境的空氣負(fù)離子濃度顯著高于雄州鎮(zhèn)和汽車(chē)站等人為活動(dòng)密集的區(qū)域。人為活動(dòng)程度中等的帽子峰鎮(zhèn)，其空氣負(fù)離子濃度高于人為活動(dòng)程度少的雄州鎮(zhèn)，得益于前者周?chē)罅可种脖坏拇嬖凇Ｅc農(nóng)田、裸地或其他土壤類(lèi)型相比較，森林土壤的熱容量較大，有較好的通氣性和較高的滲透性，因而以氧離子或負(fù)氧離子為主的空氣負(fù)離子在森林植物根系和森林土壤微生物利用氧時(shí)被釋放并交換到空氣中也比較多[7]。大量森林植被能夠吸收空氣中的污染物，從而起到凈化空氣的作用。雄州鎮(zhèn)周?chē)霓r(nóng)田作物相比較于帽子峰鎮(zhèn)周?chē)纳寄竞兔竦戎脖?，產(chǎn)生的空氣負(fù)離子較少，而且無(wú)法有效降低鄉(xiāng)村公路所帶來(lái)的汽車(chē)尾氣和地面揚(yáng)塵等污染。此外，有研究報(bào)道負(fù)氧離子濃度與人流量、車(chē)流量均呈負(fù)相關(guān)[15]。汽車(chē)站作為小流坑-青嶂山自然保護(hù)區(qū)的交通樞紐，車(chē)輛往來(lái)密集，人為活動(dòng)干擾程度最劇烈，空氣負(fù)離子濃度也屬于最低水平。陳雷等[16]在廣州綠地植物群落的研究也發(fā)現(xiàn)，位于交通主干道綠島的喬灌群落和缺乏綠色植被的火車(chē)站廣場(chǎng)的空氣負(fù)離子濃度顯著低于公園的綠地群落。邵海榮等[17]在北京地區(qū)的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子濃度從市中心向郊區(qū)逐漸增大，人為活動(dòng)密集和汽車(chē)尾氣等干擾強(qiáng)烈的城市區(qū)域空氣負(fù)離子水平偏低。

此外，對(duì)于不同植被類(lèi)型的空氣負(fù)離子濃度差異，一直處于爭(zhēng)議之中[18，19]。該研究發(fā)現(xiàn)，兩種不同林分4 個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的空氣負(fù)離子濃度呈現(xiàn)出不同的差異（表2）。在帽子峰，闊葉林的空氣負(fù)離子濃度大于針葉林；而在青嶂山則出現(xiàn)了相反的結(jié)果，即針葉林的空氣負(fù)離子濃度大于闊葉林。對(duì)于前者，一般認(rèn)為是闊葉林的空氣相對(duì)濕度高所致；對(duì)于后者，則是因?yàn)獒樔~具有“尖端放電”的功能，進(jìn)而使空氣發(fā)生電離，能夠提高空氣中的負(fù)離子水平[15，20]。造成此種結(jié)果的原因可能有植被的因素（如植被密度、葉片形態(tài)和葉面積指數(shù)等），也可能受其他環(huán)境因素的影響(如風(fēng)速、空氣濕度、濕度等)。若要深入揭示具體因素所起的作用，需要將來(lái)開(kāi)展針對(duì)性的室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)來(lái)探究植被和環(huán)境因子對(duì)空氣負(fù)離子的影響機(jī)制[20]。

3.2 空氣負(fù)離子隨時(shí)間的變化

以往的研究表明，空氣負(fù)離子存在明顯的季節(jié)變化和日變化規(guī)律[13，21]。森林環(huán)境的空氣負(fù)離子濃度的變化通常與植物的生長(zhǎng)周期和氣象因子，如溫度和濕度等相關(guān)[22，23]。夏季大氣中的空氣負(fù)離子濃度最高，其次為春秋兩季，最低為冬季。7 月份和8月份帽子峰闊葉林，帽子峰針葉林，青嶂山針葉林和帽子峰鎮(zhèn)的空氣負(fù)離子濃度達(dá)到峰值，因?yàn)榇藭r(shí)正處于盛夏，大氣中水分和熱量等條件充足，植被生長(zhǎng)最旺盛，為空氣負(fù)離子的生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。冬季大氣溫度開(kāi)始下降，植被的生理活動(dòng)減弱，負(fù)離子產(chǎn)出不足，導(dǎo)致整體濃度下降。韓靜波等[25]的研究表明，空氣顆粒物與負(fù)離子濃度呈負(fù)相關(guān)。雄州鎮(zhèn)和汽車(chē)站可能是由于常年人為活動(dòng)和汽車(chē)揚(yáng)塵導(dǎo)致空氣中顆粒污染物過(guò)多，并與負(fù)離子相結(jié)合形成沉降進(jìn)而長(zhǎng)期維持在一個(gè)較低的水平，因而沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的月變化規(guī)律。

中午是一天當(dāng)中濃度較低的時(shí)段，因?yàn)檎鐣r(shí)分溫度很高，蒸騰作用強(qiáng)烈，植物光合作用速率下降導(dǎo)致空氣負(fù)離子濃度減少。此外，空氣負(fù)離子的日變化規(guī)律可能是與植物光合作用存在“午休”現(xiàn)象有關(guān)。這與彭琳玉等[26]在九連山國(guó)家森林公園的研究結(jié)果基本一致，即空氣負(fù)離子早晚濃度明顯高于中午。不過(guò)，青嶂山針葉林和帽子峰鎮(zhèn)表現(xiàn)為下午空氣負(fù)離子濃度顯著高于白天的其他時(shí)段。石彥軍等[24]則發(fā)現(xiàn)空氣負(fù)離子濃度存在兩個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在上午9:00 和下午16:00 前后。因此，空氣負(fù)離子的野外監(jiān)測(cè)很容易受到環(huán)境條件的干擾，尤其是不同天氣條件下，空氣負(fù)離子濃度會(huì)表現(xiàn)出不一樣的模式。