南寧市典型森林公園空氣負氧離子特征及影響因素研究*

陳綺鍇 陸曉婧 鄧嘉麗 陸冰敏 田紅燈 甘國娟

（1.南寧師范大學，廣西 南寧 530001；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002）

空氣負氧離子被譽為“空氣維生素”，既可抑菌除塵，又可提高人體免疫力[1-2]。隨著人們生活水平的提高，對保健養(yǎng)生的追求，負氧離子的監(jiān)測和預測研究顯得尤為重要。鑒于空氣負氧離子的重要性，國內(nèi)外學者廣泛開展研究并取得重要進展，揭示了空氣負氧離子濃度的時空變化規(guī)律[3-6]。高瑤瑤等[7]發(fā)現(xiàn)不同的群落結(jié)構(gòu)、樹種以及植物種對環(huán)境內(nèi)負氧離子濃度的影響差異顯著；李巧云等[8]發(fā)現(xiàn)空氣負氧離子濃度與溫度、降雨量、相對濕度基本呈正相關(guān)，降雨量對其存在顯著影響；林錦冰等[9]發(fā)現(xiàn)黃滿寨瀑布旅游區(qū)的負氧離子濃度四季都有較明顯的日變化特征；趙文濤等[10]發(fā)現(xiàn)林芝市綠地公園空氣負離子呈現(xiàn)明顯的日變化趨勢，峰值多出現(xiàn)在11:00—14:00時之間。眾多研究顯示，植被空間分布、氣象因子及人類活動干擾等是影響空氣負氧離子濃度的主要因素[11-15]。城市公園被譽為“城市綠肺”，空氣負氧離子作為衡量綠肺功能優(yōu)劣指標之一[16]，而目前關(guān)于華南地區(qū)城市森林公園負氧離子特征研究鮮有報道。

廣西南寧市地處亞熱帶、北回歸線以南，位于中國華南地區(qū)，本文以南寧市典型森林公園為研究對象，研究不同區(qū)域空氣負氧離子濃度的變化情況，對比兩公園空氣負氧離子濃度的日均變化規(guī)律，分析不同環(huán)境因素對空氣負氧離子濃度的影響，以期發(fā)現(xiàn)其基本規(guī)律，彌補數(shù)據(jù)空白，進而為城市居民的日常生活及南寧市生態(tài)建設，如加強森林公園建設布局、植被搭配等提供數(shù)據(jù)支持和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南寧市城市公園綠地面積占城市總面積的36.2%，人均公園綠地面積達到13.22 m2[17]。南寧市地處華南，風景秀麗，是城中有林、林圍城市的綠城。石門森林公園坐落于南寧市青秀區(qū)，距南寧市市中心5 km，地處22°48′～22°49′N，108°23′～108°23′E之 間，森 林 覆 蓋 率 達94.59%，是典型的城區(qū)森林公園；獅子山公園位于南寧市武鳴區(qū)，距南寧市市中心約45 km，地處23°9′～23°9′N，108°15′～108°16′E之間，森林覆蓋率達90.7%，是典型的城郊森林公園，監(jiān)測樣地概況見表1。

表1 兩公園樣地選取概況Tab. 1 The overview of sample plots selection in two parks

1.2 數(shù)據(jù)采集與分析

武鳴區(qū)獅子山公園和青秀區(qū)石門公園監(jiān)測時段為2021年10月1日—11月31日，監(jiān)測時間為每周日，正值南寧秋季。每個公園選擇灌木區(qū)、草坪區(qū)和喬木區(qū)3個觀測區(qū)，在每個區(qū)域采用梅花形布點法布設5個監(jiān)測點，3個區(qū)域共15個監(jiān)測點。每個監(jiān)測點進行8 d的監(jiān)測，每天08:00—18:00時，每隔1 h記錄1次數(shù)據(jù)。測定前儀器進行校正，待儀器穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。每個監(jiān)測點分別進行東南西北4個方向數(shù)據(jù)的讀取，每個方向讀取3組數(shù)據(jù)，取均值得到該監(jiān)測點的負氧離子濃度，同時記錄相應的氣溫、相對濕度、PM1.0、PM2.5、PM10值。監(jiān)測采用手持式空氣負氧離子自動檢測儀，其測量原理為電容式吸入法，測量范圍是0～20萬PCs·cm-3，測量精度±15%，分辨率1 PCs·cm-3。測量時，儀器測量口離地1.5 m，并用三角支架水平放置監(jiān)測儀器。

在數(shù)據(jù)處理前，將數(shù)據(jù)異常值及缺失值進行剔除，運用Microsoft Excel 2010、SPSS Statistics 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和制圖。采用的統(tǒng)計方法主要是算數(shù)平均法以及數(shù)據(jù)顯著性檢驗。

1.3 環(huán)境區(qū)域的等級劃分標準

本文參照朱舒欣等[18]對空氣負氧離子在自然生態(tài)環(huán)境中的濃度分布與等級劃分標準（表2）進行劃分。

表2 空氣負氧離子濃度等級標準[18]Table 2 Air negative oxygen ion concentration level standards

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域空氣負氧離子濃度的變化

2.1.1 公園內(nèi)不同區(qū)域負氧離子濃度分布情況及等級評價 以南寧市典型森林公園晴天空氣負氧離子濃度為分析對象，分析公園內(nèi)各區(qū)域負氧離子濃度分布情況及等級評價，從表3可知，不同區(qū)域負氧離子的濃度表現(xiàn)為草坪區(qū)＜灌木區(qū)＜喬木區(qū)。獅子山公園喬木林區(qū)域、灌木林區(qū)域和草坪區(qū)域的負氧離子平均濃度分別為1 445、1 084、910個·cm-3，其中草坪區(qū)域和灌木林區(qū)域達到5級標準，具有增強人體免疫力、抗菌力的作用，有利于人體健康；喬木林區(qū)域的空氣負氧離子濃度可達6級標準，具有殺滅病菌、減少疾病傳染的作用，對人體健康相當有利。石門森林公園喬木林區(qū)域、灌木林區(qū)域和草坪區(qū)域的負氧離子平均濃度分別為1 000、915、850個·cm-3，其中草坪區(qū)域空氣負氧離子濃度為4級標準，具有維持人體健康基本需求的作用；灌木林區(qū)域和喬木林區(qū)域可達到5級標準，對人體健康有利。

表3 兩公園不同區(qū)域等級評價Table 3 Grade evaluation of different areas in two parks

2.1.2 負氧離子濃度與公園所處城市空間位置的關(guān)系 通過10—11月的定點監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)武鳴獅子山公園各時段各區(qū)域的負氧離子平均濃度均比石門森林公園的負氧離子平均濃度高（圖1）。由于武鳴獅子山公園遠離市中心，地處郊外，其所受到的城市因素干擾及人類影響較少，空氣負氧離子的消耗量小于石門森林公園的消耗量。

圖1 相同時刻兩公園負氧離子平均濃度對比Fig. 1 Comparison of average concentration of negative oxygen ions in two parks at the same time

2.2 兩公園空氣負氧離子濃度的日均變化規(guī)律

2.2.1 武鳴區(qū)獅子山公園空氣負氧離子濃度日變化特征 晴天武鳴區(qū)獅子山公園空氣負氧離子平均濃度在1 115～1 430個·cm-3波動，達到5級和6級標準。其濃度日變化曲線交替出現(xiàn)波峰波谷（圖2），有2個波峰，分別出現(xiàn)在12:00時（1 375個·cm-3）和16:00時（1 275個·cm-3）；有2個波谷，分別出現(xiàn)在10:00時（1 145個·cm-3）和14:00時（1 124個·cm-3）。雨天空氣負氧離子平均濃度在1 750～2 125個·cm-3范圍內(nèi)波動，其濃度變化動態(tài)與晴天有較大差異，波峰波谷出現(xiàn)的頻數(shù)相比于晴天出現(xiàn)的頻數(shù)有所減少，濃度分布主要受到降雨影響，波峰往往出現(xiàn)在降雨時段。分析發(fā)現(xiàn)，雨天負氧離子濃度基本呈U型分布，兩邊高中間低，高濃度值主要集中在08:00—10:00時和17:00—18:00時。

圖2 獅子山公園負氧離子濃度日變化Fig. 2 Daily variation of negative oxygen ion concentration in Lion Mountain Park

2.2.2 青秀區(qū)石門公園空氣負氧離子濃度日變化特征 晴天青秀區(qū)石門公園空氣負氧離子濃度日變化幅度較小，在847～1 068個·cm-3波動（圖3），達到4～5級標準。其濃度隨時間的日變化規(guī)律：08:00時空氣負氧離子濃度處于一個較高值（900個·cm-3），12:00時達到一個波峰（1 068個·cm-3），隨后逐漸波動下降，14:00時降至較低值867個·cm-3，隨后緩慢上升，在15:00時處達到一個小波峰（963個·cm-3），整體上晴天的負氧離子濃度變化幅度較小。雨天空氣負氧離子濃度日變化明顯，大致呈現(xiàn)U型分布，存在2個峰值，分別出現(xiàn)在10:00時（1 486個·cm-3）和16:00（1 498個·cm-3）。

圖3 石門森林公園負氧離子濃度日變化Fig. 3 Daily variation of negative oxygen ion concentration in Shimen Forest Park

2.3 不同環(huán)境因素對空氣負氧離子濃度的影響

2.3.1 不同天氣條件下負氧離子濃度特征 選取所測數(shù)據(jù)中晴天、陰天、雨天3種天氣類型，其中晴天有3 d，雨天有3 d，陰天有2 d，計算3種不同的天氣條件下空氣負氧離子濃度平均值（表4），比較得出負氧離子濃度大小關(guān)系：雨天＞晴天＞陰天。武鳴區(qū)獅子山公園晴天、陰天、雨天的平均負氧離子濃度分別為1 249.90、907.65、1 917.73個·cm-3；青秀區(qū)石門公園晴天、陰天、雨天的平均負氧離子濃度分別為927、609.12、1 377.18個·cm-3，可以發(fā)現(xiàn)城郊武鳴區(qū)獅子山公園和城中心青秀區(qū)石門森林公園的負氧離子濃度均為雨天＞晴天＞陰天。整體上，南寧市森林公園雨天的負氧離子濃度相對高于晴天負氧離子濃度，空氣更為清新。

表4 不同天氣條件下空氣負氧離子濃度 個·cm-3Table 4 Air negative oxygen ion concentration under different weather conditions

2.3.2 氣象因子與大氣負氧離子濃度的相關(guān)性分析 選取遠離城市中心的武鳴區(qū)獅子山公園為對象，對空氣負氧離子濃度和氣象要素數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，由表5可知，空氣負氧離子濃度與氣溫、相對濕度、PM1.0、PM2.5、PM10的相關(guān)系數(shù) 分 別 為：0.580*、0.546**、-0.613**、-0.604**、-0.596**。空氣負氧離子濃度與氣溫、相對濕度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，而與PM1.0、PM2.5、PM10呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)。

表5 獅子山公園空氣負氧離子濃度與氣象因子的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient between air negative oxygen ion concentration and meteorological factors in Lion Mountain Park

3 結(jié)論與討論

南寧市典型森林公園不同區(qū)域負氧離子濃度大小關(guān)系為：草坪＜灌木林＜喬木林，其中喬木林區(qū)域的空氣負氧離子濃度均可達5級及以上的標準，具有增強人體免疫力、抗菌力的作用，有利于人體健康?？諝庳撗蹼x子濃度與植被郁閉度存在較大關(guān)系，植被郁閉度關(guān)乎到植被類型，由于灌木樹冠和葉幕比喬木小，以及光合效率都有限，而喬木林樹冠及葉幕都比較大，陽光能夠優(yōu)先照射到樹冠層葉片上，有利于植物葉片發(fā)生光合作用和光電效應，從而增加空氣中的負氧離子濃度[19]?？諝庳撗蹼x子有利于促進人體新陳代謝、調(diào)節(jié)人體機能[20-21]，當人們進行健身療養(yǎng)活動時，選擇在喬木林區(qū)域下進行效果更佳。據(jù)此結(jié)果，南寧市在生態(tài)建設中，建議增加喬木林和灌木林的種植比例使森林康養(yǎng)效果達到較佳水平。

城郊武鳴獅子山公園各時段各區(qū)域的空氣負氧離子平均濃度比城區(qū)石門森林公園高，即城郊森林公園的負氧離子濃度顯著高于城市綠地森林公園。胡夢玲等[22]對江寧區(qū)負氧離子變化特征及其與氣象因素關(guān)系的研究結(jié)論顯示城郊森林區(qū)的負氧離子濃度顯著高于城市綠地區(qū)。本研究結(jié)果與該結(jié)論相符，由于武鳴獅子山公園遠離市中心，地處郊外，其所受到的城市干擾及人類影響比較少，空氣負氧離子受人類活動影響較小。石門森林公園距市中心近，人為干擾所致的氣溶膠較多，環(huán)境空氣質(zhì)量相對較差，再加上城市熱島效應等城市環(huán)境因子的影響，其空氣負氧離子濃度總體上低于城郊武鳴獅子山公園。建議城市市民可多到郊區(qū)森林公園開展健身療養(yǎng)活動，以獲取更佳的森林康養(yǎng)效果。

兩個典型森林公園的負氧離子濃度日變化曲線交替出現(xiàn)波峰波谷，晴天，獅子山公園峰值在12:00時和16:00時出現(xiàn)，石門森林公園峰值在12:00時和15:00時出現(xiàn)，雨天負氧離子濃度基本呈U型分布，兩邊高中間低。由于上午太陽輻射不斷增強，植物光合作用強度增加，故空氣負氧離子產(chǎn)量增大，在12:00時達到峰值。在12:00時后，由于太陽輻射達到一定強度，植物為了降低蒸騰作用而關(guān)閉部分氣孔，使得光合作用強度降低，空氣負氧離子濃度下降[22]。彭琳玉等[23]對九連山國家森林公園負氧離子濃度時空變化及影響要素研究也發(fā)現(xiàn)相似規(guī)律。但本研究進一步發(fā)現(xiàn)在兩個典型森林公園中，峰值出現(xiàn)的時間存在差異。石門森林公園的空氣負氧離子濃度下午峰值出現(xiàn)的時間比獅子山公園早，由于石門森林公園位于城市中心，附近人流和車流量大，汽車尾氣的排放等人類活動增加了空氣顆粒物濃度，而這些物質(zhì)與空氣負氧離子發(fā)生凝聚而沉降，促使空氣負氧離子未能得到相應的持續(xù)提升和積累，導致下午峰值提早出現(xiàn)，且峰值較低。

兩個典型森林公園的負氧離子濃度在不同天氣條件下均為：雨天＞晴天＞陰天。整體上，南寧市森林公園雨天的負氧離子濃度相對高于晴天，空氣更為清新。陰天濕度雖比晴天濕度大，但由于陰天氣壓低，易產(chǎn)生逆溫條件，不利于污染物擴散，晴天顆粒物含量低，有利于空氣流動，不利于污染物積累，進而出現(xiàn)陰天大氣顆粒物大于晴天[24]，由于大氣顆粒污染物濃度較大，顆粒物間分子運動的碰撞幾率增加，對空氣負氧離子的吸收增強，從而導致其濃度下降[25]。胡夢玲等[22]關(guān)于江寧區(qū)負氧離子變化特征及其與氣象因素關(guān)系的研究也發(fā)現(xiàn)城郊森林區(qū)負氧離子濃度雨天＞晴天＞陰天的相似規(guī)律。

顯著性檢驗結(jié)果顯示，氣溫、相對濕度、PM1.0、PM2.5、PM10對負氧離子濃度有顯著影響，其中與氣溫和相對濕度呈顯著正相關(guān)，與PM1.0、PM2.5、PM10呈極顯著負相關(guān)。氣溫升高可使分子或原子熱運動速度加快，相互間碰撞電離幾率增大，氧氣被電離的能力加強，因此負氧離子增多，濃度升高[26]。當相對濕度升高，植物光合作用效率提升，氧氣產(chǎn)量提高，促進了空氣負氧離子的合成進而提高了其濃度。隨著PM1.0、PM2.5、PM10的增加，顆粒物容易使空氣中的負氧離子相互碰撞，發(fā)生電荷中和，形成中性分子，從而降低了空氣負氧離子的濃度[27]。彭琳玉等[23]與朱冬梅[28]等的研究也發(fā)現(xiàn)相似規(guī)律，上述氣象因子可作為森林公園空氣負氧離子濃度的預測因子，更好地推進森林康養(yǎng)科學建設。