新余市森林游憩區(qū)空氣負(fù)離子與PM2.5動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及影響因子特征研究*

鄒璐,丁穎,馮慧

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心,江西 分宜 336600;2.新余學(xué)院公共衛(wèi)生與健康學(xué)院,江西 新余 338004)

空氣質(zhì)量是影響人體健康的重要因素,對(duì)城市可持續(xù)性發(fā)展意義重大[1]?？諝庵屑?xì)顆粒物PM2.5,可導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)多種疾病發(fā)生[2],已成為全球范圍內(nèi)大氣主要污染物,在我國(guó)有多個(gè)城市空氣PM2.5污染物超標(biāo),嚴(yán)重威脅著人民群眾生命健康[3]?？諝庳?fù)離子被譽(yù)為空氣中的“維生素”和“生長(zhǎng)素”,不僅可降低空氣顆粒物含量,還具有殺滅致病微生物、緩解過敏、抑制腫瘤、提高免疫力、調(diào)節(jié)情緒等多種生物學(xué)功效[4-5],在評(píng)估空氣質(zhì)量方面亦發(fā)揮著重要作用[6]。森林環(huán)境中具有較高空氣負(fù)離子和較低PM2.5濃度[7]。開展森林環(huán)境中空氣負(fù)離子與PM2.5濃度時(shí)空分布特征分析對(duì)科學(xué)指導(dǎo)森林游憩活動(dòng)具有重要指導(dǎo)作用。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)空氣負(fù)離子、PM2.5研究多集中在來(lái)源解析[8-9]、保健/損害生物學(xué)效應(yīng)與機(jī)制研究[10-11]、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)技術(shù)[12-13]、時(shí)空分布與氣象因子相關(guān)分析[14-15]以及人工調(diào)控機(jī)制機(jī)理等方面[16-17]?？諝庳?fù)離子與PM2.5是空氣中的重要有益和有害組分,可互為消長(zhǎng),開展同一環(huán)境中二者動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及交互效應(yīng)研究,對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要價(jià)值。王薇等[18]探明了合肥市城市綠地空氣負(fù)離子和PM2.5濃度分布特征,段敏杰等[19]以空氣負(fù)離子與PM2.5為重要指標(biāo)完成了對(duì)北京紫竹院公園綠地生態(tài)保健功能綜合評(píng)價(jià),但這些研究多集中于城市綠地區(qū)域,而森林環(huán)境仍以對(duì)單一指標(biāo)監(jiān)測(cè)研究為主。如吳楚材等[20]研究表明森林空氣負(fù)離子具有一定的日變化和年變化規(guī)律,空氣負(fù)離子濃度與空氣溫度呈顯著負(fù)相關(guān),與相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān),瀑布、溪流等動(dòng)態(tài)水環(huán)境空氣負(fù)離子高于靜態(tài)水。另一方面,目前對(duì)森林環(huán)境空氣負(fù)離子分布研究多集中于人體高度空氣負(fù)離子分布特征監(jiān)測(cè),如張嘉昕等[21]分析了江西大崗山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站氣象平臺(tái)距地面1.6 m處空氣負(fù)離子濃度日變化規(guī)律?，F(xiàn)有研究對(duì)森林空氣負(fù)離子、PM2.5濃度隨林分垂直高度和山體海拔變化的研究不夠系統(tǒng)。

江西省新余市是我國(guó)南方礦產(chǎn)、鋼鐵產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的中小型工業(yè)城市和國(guó)家級(jí)森林城市,處于我國(guó)亞熱帶降水徑向中心和氣溫緯向分布中心交匯處,是我國(guó)具有代表性的亞熱帶生態(tài)環(huán)境地區(qū)之一。本文通過新余市森林游憩區(qū)森林環(huán)境不同季節(jié)、不同海拔及不同林分垂直高度空氣負(fù)離子、PM2.5含量變化的測(cè)定,揭示其分布特征,交互效應(yīng)及其與主要?dú)庀笠蜃酉嚓P(guān)性,為科學(xué)指導(dǎo)亞熱帶生態(tài)城市建設(shè)與森林游憩活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江西省新余市位于江西省中部偏西(27°33′～28°05′N、114°29′～115°24′E),地處中亞熱帶中部羅霄山脈北段武功山支脈,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,低山丘陵地形地貌,年均溫16.8℃,年均降水量1 600 mm,地帶性森林土壤為紅壤、黃紅壤。森林覆蓋率達(dá)51.24%,森林植物種類有1 800余種,植被類型以天然次生林為主[22]。

1.2 研究方法

1.2.1 森林游憩區(qū)及城市綠地空氣負(fù)離子與PM2.5濃度的月變化規(guī)律研究

在新余市分宜縣的中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心樹木園與分宜縣林業(yè)局大院綠地各選擇1處代表性林分,作為新余市森林游憩區(qū)和城市綠地空氣負(fù)離子、PM2.5及氣象因子月變化觀測(cè)地點(diǎn)。前者海拔73.0 m,西北坡坡向,森林類型屬人工針闊混交林,喬木層平均高 15.4 m,平均胸徑25.6 cm,郁閉度0.9,主要植物有柏木(Cupressusfunebris)、玉蘭(Yulaniadenudata)、樟(Cinnamomumcamphora)和鵝掌楸(Liriodendronchinense)。后者海拔63.2 m,人工林林分平均高6.8 m,平均胸徑17.5 cm,郁閉度0.65,主要植物有桂花(Osmanthusfragrans)、樂昌含笑(Micheliachapensis)、紅葉石楠(Photinia×fraseri)和紅花檵木(Loropetalumchinensevar.rubrum)等。

用LJYQ-6 000空氣負(fù)離子測(cè)定儀在2個(gè)選定的觀測(cè)點(diǎn)上,進(jìn)行空氣負(fù)離子、空氣溫度、相對(duì)濕度、PM2.5、風(fēng)速、風(fēng)向和氣壓連續(xù)自動(dòng)測(cè)定,數(shù)據(jù)記錄頻次為每分鐘1次,系統(tǒng)每天自動(dòng)計(jì)算均值。共獲得2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)2022年3月—2023年2月,各月份空氣負(fù)離子、PM2.5濃度、空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和氣壓數(shù)據(jù)日均數(shù)據(jù)362組,其中3 d因供電中斷設(shè)備未能獲得數(shù)據(jù)。按照氣候?qū)W季節(jié)劃分方式,即春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月—翌年2月),開展空氣負(fù)離子與PM2.5濃度的月變化規(guī)律研究。

1.2.2 不同海拔及林分垂直高度空氣負(fù)離子與PM2.5濃度的分布特征研究

選擇新余市分宜縣中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心年珠實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)進(jìn)行空氣負(fù)離子和PM2.5濃度隨海拔高度變化觀測(cè),每上升200 m設(shè)置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn),共設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn),海拔分別為200、400、600、800和1 000 m。于2022年10月1日,于晴朗天氣10:00—12:00進(jìn)行空氣負(fù)離子和PM2.5含量測(cè)定。

選擇中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心年珠長(zhǎng)埠林場(chǎng)森林防火塔進(jìn)行空氣負(fù)離子和PM2.5濃度隨林分垂直高度變化的觀測(cè),該塔位于天然次生林山頂,海拔410 m。人工針闊混交林,主要植被有馬尾松(Pinusmassoniana)、木油桐(Verniciamontana)、木荷(Schimasuperba)、杉木(Cunninghamialanceolata)、檫木(Sassafrastzumu)、刨花潤(rùn)楠(Machiluspauhoi)、山烏桕(Triadicacochinchinensis)、鹽麩木(Rhuschinensis)等,林分平均高13.0 m,平均胸徑27.3 cm,郁閉度0.85。在防火塔距地面垂直距離1、4、7、10和13 m處各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別屬于林分林下層、林間層、林冠下層、林冠中層和林冠上層。于2023年6月18日10:30—11:00時(shí),進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)的空氣負(fù)離子和PM2.5濃度測(cè)定。

采用ONETEST-500精密負(fù)離子記錄儀和DUST MATE環(huán)境顆粒物測(cè)定儀進(jìn)行空氣負(fù)離子與PM2.5濃度測(cè)定,每個(gè)海拔和林分垂直高度均設(shè)置1處采樣點(diǎn)。測(cè)定時(shí),待儀器穩(wěn)定后,在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)相互垂直的4個(gè)方向上分別采集數(shù)據(jù),每個(gè)方向采氣1～2 min,取其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)空氣負(fù)離子采集數(shù)據(jù)60～150個(gè),PM2.5采集數(shù)據(jù)數(shù)量20～30個(gè)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用WPS Excel軟件進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計(jì),利用SPSS軟件進(jìn)行空氣負(fù)離子、PM2.5濃度和氣象因子相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)分析,采用單因素ANOVA檢驗(yàn)中Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較,利用origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 新余市森林游憩區(qū)及城市綠地空氣負(fù)離子與PM2.5濃度月變化規(guī)律

新余市森林游憩區(qū)空氣負(fù)離子與PM2.5濃度月變化規(guī)律見圖1。從圖1可以看出,1年當(dāng)中,城市綠地和森林環(huán)境中空氣負(fù)離子與PM2.5濃度均具有明顯的波動(dòng)。城市綠地與森林環(huán)境空氣負(fù)離子濃度月變化趨勢(shì)基本保持一致,但森林環(huán)境中空氣負(fù)離子月變化幅度波動(dòng)更大。在1—4月,2種環(huán)境中PM2.5濃度變化趨勢(shì)不盡相同,城市綠地PM2.5濃度表現(xiàn)出先下降后上升的較大變化幅度,而森林環(huán)境各月份間的波動(dòng)幅度較小,5月份之后,城市綠地和森林環(huán)境PM2.5濃度變化規(guī)律基本保持一致?？諝庳?fù)離子與PM2.5濃度月變化趨勢(shì)總體上是相反的,夏季6—8月空氣負(fù)離子處于峰值期時(shí),PM2.5濃度處于全年最低階段,而冬季12月—翌年2月森林環(huán)境中空氣負(fù)離子濃度最低,但此時(shí)是PM2.5濃度的最高階段。

圖1 新余市森林游憩區(qū)與城市綠地空氣負(fù)離子與PM2.5濃度的月變化特征

森林環(huán)境空氣負(fù)離子濃度年度平均值為3 072.71個(gè)/cm3,城市綠地僅為781.82個(gè)/cm3,二者相差了3.93倍。方差分析表明,在各月份,森林環(huán)境中的空氣負(fù)離子濃度均顯著高于城市綠地(P<0.05)。森林環(huán)境PM2.5濃度年度平均值為20.50 μg/m3,城市綠地為23.93 μg/m3。春季1—4月森林環(huán)境和城市綠地PM2.5濃度相差最大,該階段城市綠地PM2.5濃度比森林環(huán)境高28.95%。方差分析表明,1、3、4月森林環(huán)境與城市綠地的PM2.5濃度差異達(dá)顯著水平,而其他月份差異不顯著。

2.2 森林環(huán)境不同海拔和林分垂直高度空氣負(fù)離子與PM2.5濃度分布特征

森林環(huán)境中不同海拔空氣負(fù)離子與PM2.5濃度的測(cè)定結(jié)果見表1。由表1可以看出,隨海拔升高空氣負(fù)離子濃度呈“慢快慢”增加趨勢(shì),在海拔1 000 m達(dá)到峰值,顯著高于200～600 m海拔處空氣負(fù)離子濃度,比海拔200 m空氣負(fù)離子濃度增加了25.77%。PM2.5濃度呈先上升后下降的趨勢(shì),峰值出現(xiàn)在海拔400 m,PM2.5含量達(dá)到35.30 μg/m3,是海拔1 000 m處最低PM2.5濃度的63.04倍。方差分析表明,海拔1 000 m處空氣負(fù)離子濃度PM2.5含量顯著低于其它海拔。以上分析表明海拔1 000 m的森林環(huán)境空氣質(zhì)量最優(yōu)(空氣負(fù)離子最高,PM2.5最低)。

表1 空氣負(fù)離子與PM2.5濃度隨海拔的變化規(guī)律

隨林分垂直高度增加空氣負(fù)離子濃度呈先下降后上升的變化趨勢(shì)(表2)。林分垂直高度1 m處林下層空氣負(fù)離子濃度最高,達(dá)2 507 個(gè)/cm3,顯著高于其他高度空氣負(fù)離子濃度;林分垂直高度10 m林冠中層空氣負(fù)離子濃度次之,為2 282 個(gè)/cm3,顯著高于4、7、13 m處;林分高度4 m處空氣負(fù)離子濃度最低,僅為1 201個(gè)/cm3。隨林分垂直高度的增加,PM2.5濃度呈逐漸降低的趨勢(shì),林分高度1 m處林下層PM2.5濃度最高,為13.67 μg/m3;而林分高度10 m和13 m處PM2.5含量最低,分別為12.65 μg/m3和12.96 μg/m3。方差分析表明,林分垂直高度1 m處PM2.5濃度與其他高度的PM2.5差異達(dá)顯著水平,而其他高度間PM2.5濃度差異不顯著。以上分析表明林分高度10 m處林冠中層,具有較高的空氣負(fù)離子濃度和較低的PM2.5濃度。

表2 空氣負(fù)離子與PM2.5濃度隨距地面垂直高度的變化規(guī)律

2.3 空氣負(fù)離子和PM2.5濃度與氣象因子的相關(guān)分析

對(duì)不同季節(jié)森林游憩區(qū)空氣負(fù)離子、PM2.5及氣象因子相關(guān)分析結(jié)果見圖2。由圖2可知,不同季節(jié)空氣負(fù)離子和PM2.5濃度與各主要?dú)庀笠蜃娱g關(guān)系不完全一致。各季節(jié)空氣負(fù)離子與PM2.5濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與空氣溫度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。春季,空氣負(fù)離子濃度與氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;春、夏季,空氣負(fù)離子濃度與風(fēng)向呈顯著正相關(guān)關(guān)系,PM2.5濃度與空氣相對(duì)濕度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與風(fēng)向呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;夏季、秋季、冬季PM2.5濃度與風(fēng)速呈顯著正相關(guān)關(guān)關(guān)系;而冬季PM2.5濃度與氣壓呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

圖2 不同季節(jié)空氣負(fù)離子、PM2.5濃度及氣象因子相關(guān)分析

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

大氣中空氣負(fù)離子與PM2.5濃度具有明顯的時(shí)空差異性。通常森林環(huán)境空氣負(fù)離子濃度高于城市綠地,而PM2.5的分布與之相反。崔虎亮等[23]調(diào)查表明太岳山濕地、低山森林空氣負(fù)離子濃度均顯著高于廣場(chǎng)綠地;Cheng Manting等[24]研究表明,臺(tái)灣高森林覆蓋度地區(qū)PM2.5濃度比低覆蓋率區(qū)低1.4倍。本研究發(fā)現(xiàn)各月份新余市森林游憩區(qū)空氣負(fù)離子濃度均顯著高于城市綠地,春季(3—5月)空氣PM2.5濃度顯著低于城市綠地,其他月份差異不明顯,獲得了與上述研究相似結(jié)果。夏季(6—8月)新余森林環(huán)境空氣負(fù)離子和PM2.5濃度分別達(dá)到了全年峰值和谷值,期間空氣負(fù)離子濃度超過3 000 個(gè)/cm3,達(dá)到了森林游憩區(qū)空氣負(fù)離子Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn),具備了良好的康養(yǎng)、保健功能[25]。森林環(huán)境PM2.5濃度月均值為13.61 μg/m3,遠(yuǎn)低于我國(guó)35 μg/m3一級(jí)限值標(biāo)準(zhǔn),6月和8月與全球限值PM2.5最低的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)12.0 μg/m3基本一致[9]。因此,亞熱帶森林游憩區(qū)夏季擁有良好的森林環(huán)境空氣質(zhì)量,適宜開展森林空氣保健、療養(yǎng)活動(dòng)。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)亞熱帶森林環(huán)境空氣負(fù)離子與PM2.5濃度的海拔和林分垂直高度分布特征研究相對(duì)較少。本研究選擇新余市具明顯垂直變化的大崗山主峰地區(qū)200～1 000 m范圍內(nèi)開展空氣負(fù)離子和PM2.5濃度隨海拔和林分垂直高度分布特征分析,彌補(bǔ)了此方面研究的不足。隨海拔梯度研究結(jié)果表明空氣PM2.5濃度隨海拔升高呈先上升后下降的趨勢(shì),最高值出現(xiàn)在海拔400 m測(cè)點(diǎn),最低值出現(xiàn)在山頂海拔1 000 m,這與城市環(huán)境PM2.5隨垂直高度增加而降低的研究結(jié)果不一致[25],可能與綜合氣象因素下大氣顆粒物擴(kuò)散進(jìn)程差異有關(guān)。Wang等[27]研究表明半濕潤(rùn)大陸性氣候區(qū)秦嶺北坡海拔每升高100 m空氣負(fù)離子濃度下降108個(gè)/cm3,而本研究表明隨海拔升高空氣負(fù)離子濃度呈逐漸升高的趨勢(shì),原因可能是水熱充沛的亞熱帶高海拔山區(qū)比半干旱地區(qū)擁有更豐富的森林植被類型和適宜空氣負(fù)離子產(chǎn)生和保存的空氣溫濕度環(huán)境。因此,亞熱帶森林游憩區(qū)高海拔山區(qū)森林環(huán)境具有高空氣負(fù)離子含量、低PM2.5污染的特點(diǎn),加之高海拔森林環(huán)境擁有較低的空氣溫度,適宜作為理想的森林康養(yǎng)和休憩場(chǎng)所。

隨林分垂直高度增加,森林環(huán)境中空氣負(fù)離子含量在距地面1 m處最高,4 m處最低,呈先上升后下降的趨勢(shì),PM2.5濃度則呈逐漸下降?？赡苡捎诮孛? m處空氣相對(duì)濕度較大,此環(huán)境中空氣負(fù)離子可保存的時(shí)間更長(zhǎng)[28];7～13 m的林冠層是森林植物光合作用最強(qiáng)烈區(qū)域,植物光電效應(yīng)產(chǎn)生能形成最多的空氣負(fù)離子;而4 m高的林間層,空氣濕度較地面更低,植物葉片稀少、光合作用弱,使空氣負(fù)離子濃度在林分垂直分布上處于最低水平。PM2.5逐漸遞減原因在于隨林分垂直高度的增加,風(fēng)速會(huì)相應(yīng)增加,有利于污染物的擴(kuò)散[29]。在10 m處林冠層具有較高空氣負(fù)離子濃度和較低PM2.5濃度,因此該高度是理想的“森林休憩樹屋”建設(shè)高度。

空氣負(fù)離子與PM2.5共同決定著空氣質(zhì)量的優(yōu)劣。包紅光等[28]認(rèn)為半干旱地區(qū)城市綠地PM2.5濃度與負(fù)離子濃度相關(guān)性表現(xiàn)為春季不顯著,夏季負(fù)相關(guān),而秋季、冬季則顯著正相關(guān)。本研究表明,全年各個(gè)季節(jié)空氣負(fù)離子與PM2.5濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明亞熱帶地區(qū)森林環(huán)境空氣負(fù)離子與PM2.5比半干旱地區(qū)存在更明顯的交互效應(yīng)。其原因在于與半干旱地區(qū)落葉森林不同,亞熱帶常綠闊葉林森林植物葉片各季節(jié)均可保持一定強(qiáng)度的光合作用,此過程形成的光電效應(yīng)和植物枝葉尖端放電,均可使植物持續(xù)產(chǎn)生空氣負(fù)離子,與植物葉片滯塵作用,二者共同作用降低了空氣PM2.5顆粒物含量。

亞熱帶森林環(huán)境復(fù)雜多樣,不同林分類型、植物種類和樹種搭配產(chǎn)生空氣負(fù)離子和降低空氣中PM2.5顆粒物含量的能力差異很大。本文闡明了我國(guó)亞熱帶地區(qū)具有代表性的新余市森林游憩區(qū)空氣負(fù)離子與PM2.5濃度時(shí)空分布特征,為森林游憩提供了指導(dǎo),但沒有明晰研究地點(diǎn)不同植物種類和群落結(jié)構(gòu)對(duì)空氣負(fù)離子和PM2.5消長(zhǎng)變化貢獻(xiàn)規(guī)律及其機(jī)制,而此方面的研究將有助于通過調(diào)控森林環(huán)境提高空氣負(fù)離子濃度、降低PM2.5濃度,進(jìn)一步提高旅游環(huán)境空氣質(zhì)量,此方面研究有待于深入開展。未來(lái)可深入探討新余不同植物種類和群落結(jié)構(gòu)對(duì)空氣負(fù)離子和PM2.5濃度的影響及其機(jī)制,選擇適宜造林樹種,改善森林游憩區(qū)空氣環(huán)境質(zhì)量。

3.2 結(jié)論

新余市森林游憩區(qū)空氣負(fù)離子與PM2.5濃度具有明顯的時(shí)空變動(dòng)性,二者間存在明顯的交互效應(yīng)。夏季6—8月1 000 m海拔林分的10 m高冠層為森林環(huán)境空氣質(zhì)量最優(yōu)(空氣負(fù)離子最高,PM2.5最低),是建設(shè)森林療養(yǎng)場(chǎng)所的理想?yún)^(qū)域。