城市公園不同植物群落內(nèi)空氣負離子變異格局及影響因素

孫文 韓玉潔 殷杉

摘要：選取上海市中心城區(qū)中山公園中9個不同配置的植物群落，通過1年內(nèi)連續(xù)監(jiān)測空氣負離子濃度，分析得到了各群落中負離子的變異格局，并探索了不同群落結(jié)構(gòu)、不同郁閉度、周邊水體等因素對空氣負離子濃度的影響。結(jié)果表明：中山公園不同群落類型負離子濃度大多在200～700個/cm3，日變化呈單峰形，1年內(nèi)在7月至10月間保持較高水平且波動程度較大;群落結(jié)構(gòu)與負離子濃度的關(guān)系大致為草>喬灌≈喬草>喬灌草，群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，負離子變異性越小;負離子濃度變異系數(shù)與郁閉度間呈負相關(guān)關(guān)系，即郁閉度越高，群落中空氣負離子濃度的變異系數(shù)越低，在每日植物發(fā)生光合作用的7：00～19：00，植物郁閉度與負離子濃度變異系數(shù)的負相關(guān)性更為顯著。此外，城市公園中常見的靜態(tài)水體對負離子濃度的影響不顯著。可為城市公園中營造適宜健康的植物群落提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市公園;空氣負離子;植物群落;變異格局

中圖分類號：X835文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.015

Variationpatternsandinfluencingfactorsofairanionsindifferentplantcommunitiesofanurbanpark

SUNWen1，2，HANYujie1，2，YINShan2，3，4

（1.ShanghaiForestStation，Shanghai200072，China;2.ShanghaiUrbanForestEcosystemResearchStation，StateAdministrationofForestandGrassland，Shanghai200240，China;3.SchoolofAgricultureandBiology，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China;4.ShanghaiYangtzeRiverDeltaEcologicalandEnvironmentalChangeResearchStation，MinistryofEducation，Shanghai200240，China）

Abstract：Inthisstudy，weevaluatedthevariationpatternsofairanionsinnineplantcommunitieswithdifferentstructuresinZhongshanParkofthecentralcityofShanghai;theairanionconcentrationwasmonitoredcontinuouslyoverthecourseofayear.Inaddition，weanalyzedtheinfluenceofdifferentfactors—communitystructure，canopydensity，andthelevelofsurroundingwater—onairanionconcentration.Theresultsshowedthattheairanionconcentrationwithindifferentcommunitytypeswasmostlybetween200cm3and700cm3，andthedailyvariationshowedasinglepeak.AiranionconcentrationremainedatahighlevelbutfluctuatedsignificantlyfromJulytoOctober.Therelationshipbetweencommunitystructureandairanionconcentrationwasroughlyasfollows：herbage>arborwithshrubs≈arborwithherbage>arborwithshrubsandherbage;ingeneral，themorecomplexthecommunitystructure，thelesstheairanionvariability.Therewasanegativecorrelationbetweenthemeanvariationoftheairanionconcentrationandthecanopydensity，implyingthathighercanopydensityvalueswereassociatedwithlowermeanvariationoftheairanionconcentrationthroughoutthecommunity.Thisnegativecorrelationbecamemoresignificantinthedaytime，between7：00to19：00，whenphotosynthesiswasongoing.Inaddition，theimpactofstaticwaterontheanionconcentrationwasnotfoundtobesignificant.Theconclusionofthispapercanprovidebasicdataandascientificbasisfortheconstructionofhealthyplantcommunitiesinurbanparks.

Keywords：urbanpark;airanion;plantcommunity;spatialvariation

0引言

城市中的森林和綠地在城市居民的日常生活中不僅是休閑和娛樂的場所，同時具有降塵滅菌、固碳釋氧、緩解城市熱島效應(yīng)和改善區(qū)域小氣候等生態(tài)功能[1]。特別是，森林和城市綠地區(qū)域是城市環(huán)境中空氣負離子濃度較高的區(qū)域，通過植物的生理作用，釋放空氣負離子到大氣環(huán)境中，包括光合作用、尖端放電等形式，這些空氣負離子能夠吸附污染物，改善空氣質(zhì)量，對居民健康起到重要作用[2-4]?？諝庳撾x子是指帶有負電荷的氣體分子和輕離子團[5]。與空氣中的其他分子相比，如CO2分子，氧分子具有更強的親電性，同等條件下，氧分子將優(yōu)先于空氣中的其他分子獲得電子，形成負氧離子[6-7]。一般認為，自然形成和人為產(chǎn)生是負離子的兩種來源[8]。形成負離子的反應(yīng)機制主要可以概括為電離作用、Lenard效應(yīng)、植物的尖端放電和光電效應(yīng)等機理[9-12]?？諝庵械呢撾x子被稱為空氣的“維生素和生長素”，在醫(yī)學(xué)健康、環(huán)境衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)、生態(tài)旅游等方面都具有顯著功能[11]。空氣負離子含量是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要指標(biāo)之一，國家林業(yè)局在2013年9月發(fā)布的《推進生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃綱要（2013—2020年）》就將負離子列入其中[13-14]。

大氣負離子由許多自然和人為的原因產(chǎn)生，并且不同的環(huán)境場所下，負離子濃度差異很大[15]。不同的氣象條件，如天氣、土壤、污染物水平，不同的時間、地點和高度都有著很大差異[16-18]。研究發(fā)現(xiàn)，空氣中的負離子濃度具有較明顯的地域變化，也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性[19-21]。在城市大功能區(qū)中，王洪俊等[22]研究城市不同功能區(qū)之間的顯著差異，結(jié)果顯示城市綠地中空氣負離子水平為最高，城市街道最低;城市不同功能區(qū)中空氣清潔度差異顯著，城市綠地中空氣質(zhì)量最佳的城市綠地可提高空氣中的負離子濃度，改善環(huán)境空氣質(zhì)量。潘劍彬等[23]通過對北京奧林匹克森林公園內(nèi)的典型群落環(huán)境的空氣負離子濃度進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)空氣負離子在復(fù)雜植物群落中的濃度要高于簡單植物群落，產(chǎn)生的效果在高于單層群落的結(jié)構(gòu)中更為顯著。周德平等[24]在閭山國家級森林公園中研究發(fā)現(xiàn)，不同植被類型的負離子平均含量為闊葉林最高，其次是混交林，隨后針葉林高于草地，而山石含量最低;而在不同季節(jié)下的不同植被環(huán)境中負離子含量又不盡相同，春季灌雜樹叢濃度明顯高于其他植被，夏、秋兩季闊葉林釋放負離子的能力最強，草地在夏季強于山石，在秋季卻達到最低。周斌等[25]在研究中發(fā)現(xiàn)，空氣負離子濃度會受到林分種類和結(jié)構(gòu)的影響;同時，在一定程度上，結(jié)構(gòu)林成分也決定著空氣負離子的濃度水平，如空氣負離子在喬灌混交林中的濃度要高于灌木林，而在喬木林中的濃度最低。空氣負離子濃度與垂直距離的對數(shù)在可接受的誤差范圍之內(nèi)呈線性關(guān)系，外國學(xué)者Kondrashova[26]和Richardson[27]都通過對空氣負離子濃度的觀測和大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到了這一結(jié)論。陳京京等[28]通過對北京北四環(huán)道路邊不同距離范圍內(nèi)空氣負離子濃度監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)離道路最近的位置負離子含量最低，空氣負離子濃度隨距道路中心的距離增大而增大，在街邊花園處達到最高值，該結(jié)果在一定程度上亦反映了城市中植物數(shù)量與道路距離的分布關(guān)系。

1研究區(qū)域概況

本研究選取上海中心城區(qū)的中山公園作為試驗地點。上海市作為中國的特大型城市，是快速城市化發(fā)展的代表，位于121.29°E，31.14°N，地處長江三角洲前緣，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇、浙江兩省，北界長江入?？?，總面積6340.5km2，常住人口2400萬。中山公園坐落于上海市中心長寧區(qū)，是上海市典型城市公園的代表。占地總面積達21.42hm2，其中森林面積11.86hm2，水體面積1.22hm2，草坪面積3.69hm2.園內(nèi)有成林分布的香樟、水杉、雪松等，樹木達260多個品種，共計30000多株。經(jīng)過多年的培育和養(yǎng)護，植物長勢健康，在公園內(nèi)形成了不同的植物群落，為本研究提供了良好的試驗樣地。

2研究方法

2.1負離子觀測和植物群落的選擇

本研究選擇在中山公園內(nèi)設(shè)置9個群落樣地A—I，分布位置如圖1所示，其基本信息如表1所示。樣地的選擇按照隨機均勻分布的原則，同時依據(jù)樣地所代表的不同植物群落結(jié)構(gòu)（主要考慮群落優(yōu)勢種是喬木還是草本、喬木下層是否有灌木以及郁閉度大小等群落因素）和環(huán)境特征（主要考慮樣地附近是否有水體）的典型性進行微調(diào)，使樣地具有代表性，同時在園內(nèi)均勻分布，樣地面積設(shè)置為10m×10m。本研究在每個自然月的上半月（1—5日）和下半月（16—20日），選擇晴朗微風(fēng)的天氣情況，對9個群落樣地使用便攜式負離子濃度監(jiān)測儀連續(xù)觀測24h，共計3d，負離子濃度檢測范圍為0～30000N/cm3，每30s記錄一次負離子濃度數(shù)據(jù)，同時記錄實時溫度（±0.1℃）、相對濕度（±2%），并以圖1中中山公園生態(tài)監(jiān)測站數(shù)據(jù)為基準進行校對。同時，為了有效探究負離子濃度與植物群落郁閉度的關(guān)系，在每個自然月實驗中采用“樣線法”分別測量9個樣地當(dāng)月的群落郁閉度值。在矩形樣地中，按兩條對角線布設(shè)樣線，采用公式計算：郁閉度=對角線上樹冠冠幅總長/二對角線總長。

2.2數(shù)據(jù)處理與分析

本研究數(shù)據(jù)采集時間為2017年4月—2018年3月共1年12個月的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)用R語言（V3.3.2版）剔除缺失和異常值，過程如下。

（1）手動篩選，篩除因機器存儲中斷、故障引起的異常數(shù)據(jù);

（2）將每個數(shù)值與其前后數(shù)值進行對比，若該值小于等于前后值的3倍或1/3，則舍棄之，記錄為NA;

（3）將連續(xù)6個或以上的相同數(shù)據(jù)值判定為異常值，記錄為NA;

（4）對小于等于10的數(shù)值進行插值計算，以其前后各1min的數(shù)據(jù)（即前后2個數(shù)據(jù)）取均值并取整，作為該時刻插值后數(shù)值;

（5）賦值后再篩選，將仍小于等于10的數(shù)值記錄為NA，輸出所有有效數(shù)據(jù)。

篩選后的數(shù)據(jù)以小時為單位進行均值處理，小時均值的計算方法為：對有效數(shù)據(jù)超過1/3h（即40條數(shù)據(jù)）的時間的有效數(shù)據(jù)進行均值計算，取整作為該小時的負離子濃度小時均值。將所得數(shù)據(jù)進行篩選，在排除異常值、缺失值后整合到一起，通過Excel、SPSS和Rstudio軟件進行數(shù)據(jù)分析。

3結(jié)果與分析

3.1各植物群落內(nèi)負離子濃度日變化

通過計算9個樣地從2017年4月到2018年3月所有數(shù)據(jù)中每小時的均值，得到不同空間下負離子濃度在一天24h內(nèi)的差異變化，如圖2所示。

如圖2所示，取小時均值在對數(shù)坐標(biāo)軸中作圖對比，9個樣地在一天24h內(nèi)均值變化趨勢相近。一天中折線走勢大多呈單峰形，即從早晨開始上升，10：00～12：00維持較高濃度，到15：00下降。16：00左右各樣地間走勢呈現(xiàn)出較大的差異。整體來看，9個樣地喬灌草日均值連線最低，音樂廣場最高且波動最為顯著，各樣地夜間負離子濃度均較低。

3.2各植物群落內(nèi)負離子濃度月變化

以中山公園9個樣地實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計算9個樣地每次實驗的負離子濃度均值，得到不同空間下負離子濃度在不同月份的差異變化，如圖3所示。

如圖3所示，除音樂廣場和大草坪兩點的負離子濃度在夏季波動較大外，其余7個樣地的負離子濃度全年均在100～600N/cm3間保持平穩(wěn)波動。9個樣地的負離子濃度在7—10月保持較高水平且波動程度較大，這可能是因為夏、秋季雨熱充足植物枝繁葉茂，光電效應(yīng)等都有助于負離子的產(chǎn)生，且夏季天氣變幻無常，風(fēng)雨雷電等都會導(dǎo)致負離子的陡增。整體來看，春、冬兩季的負離子濃度較低，波動較小，夏、秋兩季濃度較高，波動也較大。

3.3不同群落結(jié)構(gòu)下負離子空間分布

根據(jù)9個樣地不同的植物群落結(jié)構(gòu)，將其分為4組：喬灌草（B/D/G）、喬灌（C/F）、喬草（A/H/E）、草（I），分別代表不同的群落層次。將全年的數(shù)值統(tǒng)計分析，作其日均值柱形圖，如圖4所示。

如圖4所示，4種群落結(jié)構(gòu)的負離子平均濃度為308.25N/cm3，草結(jié)構(gòu)的負離子濃度日均值最高達到366.22N/cm3，其次為喬灌和喬草，喬灌草最低僅為246.07N/cm3.由于草和喬灌結(jié)構(gòu)的標(biāo)準偏差線極大，對4組數(shù)據(jù)進行方差分析，得到p=0.036（<0.05），表明不同群落結(jié)構(gòu)對負離子濃度沒有顯著影響。為了進一步查看群落結(jié)構(gòu)對負離子濃度的作用，對4組數(shù)據(jù)分析不同群落結(jié)構(gòu)組負離子濃度小時均值日變化，結(jié)果見圖5.

如圖5所示，除去草結(jié)構(gòu)外，不同群落結(jié)構(gòu)下負離子濃度的日變化趨勢相同，呈現(xiàn)近單峰形，從凌晨3：00開始逐漸上升，中午12：00左右達到峰值后開始降低，在19：00左右達到谷值。綜合來看，4種群落結(jié)構(gòu)的負離子濃度在一天中的夜間保持較平穩(wěn)狀態(tài)，白天呈規(guī)律性波動，這可能與植物的光合作用相關(guān)。

綜上結(jié)果看來，群落結(jié)構(gòu)與負離子濃度的關(guān)系大致為草>喬灌≈喬草>喬灌草。雖然植物群落結(jié)構(gòu)對負離子濃度的影響并不顯著，但是會造成負離子變異性的差異。喬灌與喬草結(jié)構(gòu)對負離子濃度的影響無顯著差異，主要可能源于空氣離子存在的壽命短，并且可遷移的距離有限。植物主要通過葉片尖端放電效應(yīng)產(chǎn)生空氣負離子，所以喬灌結(jié)構(gòu)對1.5m高度上的負離子濃度影響不比喬草明顯。群落結(jié)構(gòu)不同，群落內(nèi)部的植物光合作用強度和空氣流通性也不一樣，通過測量遮擋冠層下的群落負離子濃度，發(fā)現(xiàn)其負離子濃度降低，這可能與植物光合作用強度降低有關(guān)。草結(jié)構(gòu)層次單一，負離子受環(huán)境變化及人為干擾影響大，且空氣流通性高，故負離子變異性較大且全天呈不規(guī)律波動。

3.4不同群落郁閉度下負離子空間分布

為進一步探討負離子濃度與植物群落郁閉度的關(guān)系，將9個樣地測量的郁閉度與全年負離子濃度日均值做統(tǒng)一線性回歸（見圖6（a）），由圖6（a）可以看到r2為0.0058，負離子濃度和郁閉度之間并無顯著相關(guān)關(guān)系。將郁閉度與全年負離子濃度均值的變異系數(shù)做進一步的線性擬合（見圖6（b）），由圖6（b）可知r2為0.0341，擬合程度相對更好，可見負離子濃度變異系數(shù)與郁閉度之間呈負相關(guān)關(guān)系，即郁閉度越高，群落結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，負離子濃度的變異系數(shù)越低。為進一步探究植物生長季的變異系數(shù)與郁閉度的關(guān)系，挑選出白晝具有光合效用的7：00～19：00負離子濃度均值與郁閉度做進一步的擬合（見圖6（c）），當(dāng)將負離子濃度的篩選范圍固定在全年7：00～19：00時，由圖6（c）可以看到r2為0.0829，可見負離子濃度的變異系數(shù)在植物具有光合作用的白天時段與郁閉度之間呈現(xiàn)更明顯的負相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，植物群落的郁閉度與負離子濃度無顯著的相關(guān)性，但與負離子濃度的變異系數(shù)呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，即低郁閉度條件下，負離子濃度的變異性增強，在高郁閉度的植物群落內(nèi)，負離子因葉片遮擋，消散流通受到抑制，表現(xiàn)出負離子濃度的穩(wěn)定性高，變異性小的特性。且在植物快速生長的5—10月和具有光合效應(yīng)的白天，植物與負離子濃度的變異系數(shù)相關(guān)性更為顯著。

3.5不同水系下負離子濃度的變化

根據(jù)現(xiàn)有的研究，群落中的動態(tài)水體，如瀑布等對負離子的產(chǎn)生有積極影響[29-31]。中山公園的水系皆以靜態(tài)水為主，如靜態(tài)溪水、池塘、人工湖等。為進一步研究靜態(tài)水體對負離子濃度是否有影響，選取群落結(jié)構(gòu)相似的荷花池C點（靜態(tài)池塘）、小廣場E點（無水）為群落i型;選取水杉林H點（靜態(tài)溪水）和公園大門A點（無水）為群落ii型，對兩個組別分別進行比較分析。將各樣地負離子濃度分類取小時均值作日變化，如圖7所示。

圖7中4組樣地的日變化趨勢相近，除荷花池的負離子濃度在4：00出現(xiàn)了一個陡增點外，其余都從0：00到10：00逐步上升達到一個峰值，之后出現(xiàn)下降趨勢，在傍晚19：00左右有小幅回升趨勢。將各樣地的負離子濃度分類取日均值作出柱形圖，如圖8所示。

由圖8可以看到，在兩類群落類型中4個樣地間兩兩差距都較小，對i、ii兩組分別進行顯著性檢驗，兩者沒有顯著性差別。且兩組群落類型中方差相近，用4組數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果顯示在有水和無水的條件下，空氣負離子濃度并無明顯差異（p<0.05），即靜態(tài)水對植物群落附近的負離子濃度影響較弱，只有高速流動的水體，如瀑布、暴雨等才能使得水分子裂解產(chǎn)生大量負離子。

4結(jié)論與討論

4.1城市公園植物群落內(nèi)空氣負離子變異格局

城市公園不同植物群落內(nèi)空氣負離子濃度的日變化走勢大多呈單峰形，即從早晨開始上升，10：00～12：00維持較高的濃度，到15：00下降。叢菁等[32]在大連的研究與本研究結(jié)果類似，負離子濃度一天內(nèi)只出現(xiàn)一個波峰，高峰值在上午，低谷值在下午。卓凌等[5]在北京西山國家森林公園發(fā)現(xiàn)負離子濃度高峰值出現(xiàn)在清晨的5：00～6：00，低峰值出現(xiàn)在中午的12：00～13：00，1天內(nèi)只出現(xiàn)1個波峰。在月變化上，城市公園植物群落內(nèi)負離子濃度在7—10月保持較高水平且波動程度較大，姚成勝[33]在長沙岳麓山進行的空氣負離子濃度研究也發(fā)現(xiàn)，夏、秋季的負離子濃度明顯高于春、冬季節(jié)。彭燦等[14]研究結(jié)果表明，植物群落負離子濃度在四季中由高到低依次排列為秋季、夏季、冬季、春季。研究結(jié)果說明，植物群落負離子濃度的季節(jié)變化也會隨環(huán)境的不同而存在一些差異。

4.2城市公園植物群落內(nèi)負離子濃度的影響因素

4.2.1不同群落結(jié)構(gòu)的影響

不同群落結(jié)構(gòu)樣地間的負離子日均變化趨勢存在顯著性差異，群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，負離子變異性越小。群落結(jié)構(gòu)與負離子濃度的關(guān)系大致為草>喬灌≈喬草>喬灌草，除草坪采樣點由于受光合作用和人為活動干擾巨大以外，本研究結(jié)果與吳志萍等[34]對清華大學(xué)6種城市綠地空氣負離子濃度研究結(jié)果類似。

4.2.2不同群落郁閉度的影響

負離子濃度和郁閉度之間并無顯著相關(guān)關(guān)系，這與朱春陽等[35]在北京城市帶狀綠地的研究結(jié)果類似。負離子濃度變異系數(shù)與郁閉度之間呈負相關(guān)關(guān)系，即郁閉度越高，群落結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，負離子濃度的變異系數(shù)越低。在植物快速生長的5—10月及具有光合效應(yīng)的7：00～19：00間，植物郁閉度與負離子濃度變異系數(shù)的負相關(guān)性更為顯著。

4.2.3有無水系的影響

在有水和無水的條件下，空氣負離子濃度并無明顯差異，靜態(tài)水體對負離子濃度的變異性影響效果不顯著。王薇等[36]研究也表明，動態(tài)水對負離子濃度的影響遠遠大于靜態(tài)水，水速流動量較小的溪流對于負離子濃度影響范圍很小。

綜上所述，負離子的空間變化規(guī)律與各個季節(jié)群落中優(yōu)勢樹種的郁閉度及植物生長態(tài)勢等息息相關(guān)。植物的群落結(jié)構(gòu)及郁閉度對于負離子濃度有著更為顯著的影響，并且能直接通過影響負離子的變異性從而改變其空間分布格局。

本文首次將群落結(jié)構(gòu)和郁閉度與負離子濃度及其變異系數(shù)進行相關(guān)性分析，為負離子時空變異格局提出了較為科學(xué)可靠的解釋，研究結(jié)果可為居民自主選擇休閑健身時間和場所提供參考，同時為城市森林氧吧構(gòu)建和城市森林經(jīng)營提供數(shù)據(jù)支撐。

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（責(zé)任編輯：張晶）