河北太行山區(qū)主要水土保持林空氣負離子特征研究*

李萌萌 劉文鑫 馬長明

河北農(nóng)業(yè)大學 河北保定 071000

空氣負離子是帶負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱［1］，具有凈化空氣的功能，且有明顯的醫(yī)療保健作用［2－4］。目前，空氣負離子已逐步成為評價環(huán)境中空氣清潔程度的重要指標［5］。近年來，以林業(yè)和旅游業(yè)為基礎(chǔ)的森林生態(tài)旅游、森林浴等活動相繼興起，有關(guān)空氣負離子的研究也迅速展開［6－8］。本文以太行山區(qū)主要的水土保持林為研究對象，從空氣負離子角度入手，研究其時空變換規(guī)律和影響因素，旨在為低山丘陵區(qū)開展生態(tài)旅游、生態(tài)經(jīng)濟型水土保持林的后續(xù)發(fā)展和樹種選擇奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

試驗地點設(shè)在河北省邢臺市內(nèi)丘縣侯家莊鄉(xiāng)崗底村，位于 E113°45＇～115°50＇，N36°45＇～37°48＇。海拔518～1 134 m。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)。年均降水量523 mm，主要集中在每年7－9月，占全年降水量的70%。年均氣溫11.6℃。土壤種類以褐土和褐土性土為主，土壤類型為壤土或砂壤土，土壤pH值為6.0～6.5。天然植被以酸棗、荊條、胡枝子、三裂繡線菊、白羊草等灌草為主，人工植被以刺槐、油松、栓皮櫟、側(cè)柏等喬木樹種為主，果樹主要有蘋果、板栗、核桃等。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

本研究選擇河北省太行山區(qū)常見的5種水土保持林為研究對象，各林分概況見表1。

表1 研究地概況

2.2 研究方法

2011年5－1 0月，采用便攜式空氣離子測試儀(TC－201A型，日本ANDES生產(chǎn))對崗底村所選蘋果、油松、刺槐、板栗、栓皮櫟5種人工林進行空氣負離子濃度及其相關(guān)氣象因子的定位觀測。每月上、中、下旬各選大氣狀態(tài)相對穩(wěn)定的一日進行測定，時段為6∶00－20∶00，每隔2小時觀測1次，測定位置距地面分別為0.5 m，1.5m，2.5 m，3.5 m處。每個林分選取4個點，讀取6個瞬時值，去掉一個最大值和一個最小值，取平均值作為該林分內(nèi)的空氣負離子觀測值。對不同觀測點的空氣負離子濃度日變化、月變化、空間變化等情況進行逐時測定，同時記錄溫濕度和時間的變化情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 空氣負離子濃度時間變化特征

3.1.1 空氣負離子濃度日變化特征

測試表明，各林分的空氣負離子濃度日變化規(guī)律總體呈現(xiàn)出“高低高”的變化趨勢，即早6時空氣負離子濃度較高，隨著輻射增強、溫度升高空氣負離子濃度逐步降低，在晚6時又逐步升高。但由于樹種不同，林分內(nèi)的空氣負離子濃度和變化規(guī)律稍有所差異。例如，蘋果林內(nèi)的空氣負離子濃度日變化低谷出現(xiàn)在12∶00，而其他林分則出現(xiàn)在14∶00，蘋果林分空氣負離子濃度變化較為劇烈。

3.1.2 空氣負離子濃度月變化特征

本文取每月的上中下旬的平均值作為每月觀測值進行分析，結(jié)果表明，6、7、9月份空氣負離子濃度較高，5、8、10月份空氣負離子濃度較低。在各月份基本上都是蘋果林空氣負離子濃度較高，刺槐、油松、栓皮櫟和板栗林空氣負離子濃度在各月份空氣負離子濃度高低有所不同。8月份空氣負離子濃度較低，分析其原因與降雨量有一定關(guān)系，是所測定之日土壤含水量、空氣濕度降低所致。李培學，戴慧堂［9］等研究表明，雨過天晴時的空氣負離子濃度明顯高出陰天和晴天，陰天明顯低于晴天。該項結(jié)果也提醒在以后的研究中，時間段的選擇有非常大的影響。

3.2 不同樹種空氣負離子濃度空間變化特征

在8月9－11日連續(xù)3天對空氣負離子空間變化進行測定，測定距地面0.5～3.5m，每個林分選取4個點，讀取6個瞬時值，去掉一個最大值和一個最小值，取平均值作為該林分內(nèi)的空氣負離子觀測值。

所測定的5個樹種林分空氣負離子濃度隨高度的變化呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即隨著高度的增加空氣負離子的濃度逐漸減小。其中板栗、蘋果林分的空氣負離子濃度隨高度的變化最劇烈，0.5 m處的空氣負離子濃度為3.5m處的1.7倍，存在顯著性差異;而油松林的變化比較平緩，不同高度的空氣負離子濃度不存在顯著差異，0.5 m處的空氣負離子濃度僅為3.5 m處的1.1倍左右。

3.3 空氣負離子濃度影響因素

3.3.1 組成因素

不同林分類型的空氣負離子濃度的平均值總體狀況為蘋果林為690個/cm3、板栗林為589個/cm3、刺槐林為384個/cm3、栓皮櫟林為562個/cm3、油松林為497個/cm3。5種不同類型樣地空氣負離子濃度水平綜合比較的結(jié)果為蘋果林＞板栗林＞栓皮櫟林＞油松林＞刺槐林。方差分析表明，蘋果林與板栗、栓皮櫟、油松林之間無顯著差異，而與刺槐林之間存在顯著差異。

3.3.2 氣象因子

對空氣負離子濃度與溫濕度進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，空氣負離子濃度與溫度之間存在負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性方程為 y= －12.542x+947.14(R2=0.8343)。式中:y為負離子濃度 (個/cm－3)，x為溫度 (℃)。空氣負離子濃度與濕度之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性方程為y=6.464 3x+224.8(R2=0.7529)。式中:y為負離子濃度 (個/cm－3)，x為濕度 (%)。顯著性檢驗顯示回歸方程回歸性顯著(P＜0.01)，表明空氣負離子濃度與空氣溫度之間呈現(xiàn)出極顯著的負相關(guān)。空氣負離子濃度與溫濕度之間的關(guān)系目前研究結(jié)果較為統(tǒng)一。吳楚材﹑張建國等［10－14］的研究結(jié)果均表明，空氣負離子濃度與溫度呈負相關(guān)、與濕度呈正相關(guān)的關(guān)系。

3.3.3 地形因素

在2011年8月11－13日，選擇蘋果相同林齡的2個固定地點，在同一時間段內(nèi)對溝內(nèi)和坡上蘋果林內(nèi)空氣負離子濃度進行測定。坡中林內(nèi)的空氣負離子濃度大于的，分析其原因為溝內(nèi)地勢低、風速小、光合速率較低。但方差分析顯示，二者之間空氣負離子濃度差異不顯著。

4 結(jié)論與討論

4.1 空氣負離子時空變化規(guī)律

在一天之中，隨著輻射、溫度、濕度等因素的變化，林分空氣負離子會呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，但因植被種類、林分配置、人車環(huán)境等因素的不同表現(xiàn)會有一定差異。周斌等［15］對浙江省的13個樹種林分空氣負離子研究顯示，空氣負離子有2個峰值，分別出現(xiàn)在9∶00－10∶00和18∶00。吳楚材等［10］指出，南岳衡山空氣負離子濃度一天中2個峰值分別出現(xiàn)在7∶00－9∶00和22∶00－24∶00。邵海榮、倪軍等［16－17］指出，空氣負離子峰值出現(xiàn)在夜間后期、晨間早期和15∶00－16∶00。本研究針對5種林分展開空氣負離子研究，和其他研究結(jié)果類似，5種林分空氣負離子表現(xiàn)規(guī)律也不一致:蘋果、栓皮櫟林分空氣負離子濃度呈現(xiàn)“雙峰”規(guī)律，油松、刺槐林分呈“單峰”曲線，板栗林分則變化不明顯。陶寶先等［18］也指出，杉木、毛竹林呈明顯的單峰變化趨勢，麻櫟呈雙峰變化趨勢，馬尾松林變幅不大。可見，空氣負離子的日變化特征隨季節(jié)、地區(qū)、植被、結(jié)構(gòu)、天氣條件等不同而異，受外界環(huán)境影響較大，變化劇烈，沒有一致的規(guī)律性。

曾曙才等［19］指出，隨著海拔升高、溫度降低，濕度有所增加，輻射增強，會相應(yīng)影響到空氣負離子的形成。范亞民等［20］指出，隨著海拔升高，空氣負離子濃度總體呈下降趨勢。曾曙才等［19］在廣州帽峰山森林公園試驗，在海拔188 m、242 m和245 m的3處負離子濃度無顯著差異，但顯著高于291 m、400 m和624 m處的負離子濃度，而624 m處的濃度顯著低于其他各地段。姚成勝、毛亞昆等［21－22］分別在岳麓山和雷公山試驗，結(jié)果均呈現(xiàn)先升高再降低的特點。本文采用小尺度 (相對高度0.5～3.5 m)對林分垂直空間空氣負離子濃度進行了測定，結(jié)果顯示，隨著高度的增加空氣負離子濃度逐漸降低。這與曾曙才等［19］、姚成勝［21］和李少寧等［23］的研究結(jié)果基本一致，但尺度不一致;而對溝內(nèi)和坡上的蘋果林內(nèi)空氣負離子濃度的調(diào)查結(jié)果則表明，坡上的空氣負離子濃度大于溝內(nèi) (差異不顯著)。

4.2 空氣負離子相關(guān)影響因素

自然界空氣中產(chǎn)生負離子的原因是宇宙射線、陽光紫外線、雷電激發(fā)、風暴、瀑布、海浪沖擊磨擦等作用產(chǎn)生自由電子，附著在某些氣體分子或原子上成為空氣負離子。這是物理性產(chǎn)生方式。邵海榮等［16］指出，溪流和瀑布在增加空氣負離子方面有極為明顯的作用。另外，吳楚材等［10］也指出，森林、植物的光合作用所制造的新鮮空氣等也含有負離子，即生物性產(chǎn)生方式也是空氣負離子產(chǎn)生的一種主要途徑，不同樹種組成、不同林分類型會影響空氣負離子水平。針葉樹種的葉尖呈針狀等曲率半徑較小，具有“尖端放電”的效果，使空氣中負離子含量升高。邵海棠等［16］認為，針葉林和闊葉林在不同季節(jié)各有優(yōu)勢，春、夏季節(jié)則闊葉林地區(qū)高于針葉林地區(qū)。曾曙才等［19］對廣州幾種綠地類型研究也得出，闊葉林＞針闊混交林＞針葉林;本研究也得出類似規(guī)律，針闊葉林產(chǎn)生空氣負離子的效應(yīng)規(guī)律并不一致，即蘋果林＞板栗林＞栓皮櫟林＞油松林＞刺槐林。可見，闊葉經(jīng)濟林木具有較好的改善空氣負離子效應(yīng)。因此，范亞民等［21］提出在城郊、低山丘陵區(qū)適當發(fā)展經(jīng)濟林木，在改善經(jīng)濟、社會效益的同時，提高城市的生態(tài)效益。

［1］Terman M，Terman J S．Treatment of seasonal affective disorder with high － output negative ionizer［J］．Journal of Alternative and Complementary Medicine，1995，1(1):87 －92．

［2］章志攀，俞益武，孟明浩，等．旅游環(huán)境中空氣負離子的研究進展［J］．浙江林學院學報，2006，23(1):103 －108．

［3］邵海榮，賀慶棠．森林與空氣負離子［J］．世界林業(yè)研究，2000，13(5):19－23．

［4］Krueger A P．Air ions and physiological function［J］．Journal of General Physiology，1962，45(4):233 －241．

［5］黃建武，陶家元．空氣負離子資源開發(fā)與生態(tài)旅游［J］．華中師范大學學報:自然科學版，2002，36(2):257 －260．

［6］賀性鵬，李安伯．空氣離子對生物體酶的影響［J］．國外醫(yī)學:國外醫(yī)學地理分冊，1991，12(2):57 －60．

［7］李志民，李安伯．大自然中的空氣離子［J］．大自然探索，1988(4):39－45．

［8］康志遙．空氣離子的生物效應(yīng)與生理機制［J］．自然雜志，1982，5(1):843－845．

［9］李培學，戴慧堂，楊懷，等．雞公山空氣負離子分布規(guī)律及其與環(huán)境因子的關(guān)系［J］．信陽師范學院學報，2011，24(1):79 －84．

［10］吳楚材，鄭群明，鐘林生，等．森林游憩區(qū)空氣負離子水平的研究［J］．林業(yè)科學，2001，37(5):75 －81．

［11］吳際友，程政紅，龍應(yīng)忠，等．園林樹種林分中空氣負離子水平的變化［J］．南京林業(yè)大學學報:自然科學版，2003，27(4):78 －80．

［12］張翔．淺析相關(guān)因子對空氣負離子水平的影響［J］．湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學院學報，2004，10(4):346 －351．

［13］韋朝領(lǐng)，王敬濤，蔣躍林，等．合肥市不同生態(tài)功能區(qū)空氣負離子濃度分布特征及其與氣象因子的關(guān)系［J］．應(yīng)用生態(tài)學報，2006，17(11):2158－2162．

［14］張建國，徐文俊，崔會平，等．柑橘純林空氣負離子水平的研究［J］．西北林學院學報，2012，27(3):31 －34．

［15］周斌，余樹全，張超，等．不同樹種林分對空氣負離子濃度的影響［J］．浙江農(nóng)林大學學報，2011，28(20):200 －206．

［16］邵海榮，賀慶棠，閻海平，等．北京地區(qū)空氣負離子濃度時空變化特征的研究［J］．北京林業(yè)大學學報，2005，27(3):35 －39．

［17］倪軍，徐瓊，石登榮，等．城市綠地空氣負離子相關(guān)研究:以上海公園為例［J］．中國城市林業(yè)，2004，2(3):30 －33．

［18］陶寶先，張金池．南京地區(qū)主要森林類型空氣負離子變化特征［J］．南京林業(yè)大學學報(自然科學版)，2012，36(2):147 －150．

［19］曾曙才，蘇志堯，陳北光．廣州綠地空氣負離子水平及其影響因子［J］．生態(tài)學雜志，2007，26(7):1049 －1053．

［20］范亞民，何平，李建龍，等．城市不同植被配置類型空氣負離子效應(yīng)評價生態(tài)學雜志［J］．2005，24(8):883－886．

［21］姚成勝，吳甫成，陳詠淑，等．岳麓山及其周圍地區(qū)空氣負離子變化初探［J］．云南地理環(huán)境研究，2004，16(3):23 －26．

［22］毛亞昆，穆彪，李靜，等．貴州省不同生態(tài)旅游區(qū)空氣負離子資源研究初報［J］．農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2012，32(2):118 －120．

［23］李少寧，王燕，張玉平，等．北京典型園林植物區(qū)空氣負離子分布特征研究［J］．北京林業(yè)大學學報，2010，32(1):131－135．