石門國家森林公園負離子濃度動態變化及評價*

高瑤瑤 熊詠梅 潘勇軍

經濟社會的不斷城鎮化和工業化進程加快，嚴重影響了我國的空氣質量。大氣污染造成人類的精神壓力大、身體健康指數下降等嚴重后果[1～2]，能夠使人精神放松、舒適度高、空氣清新的場所受到更多青睞。因而森林生態旅游、森林健康療養、森林負離子浴等逐漸進入人們的視野[3～4]。森林凈化大氣的生態功能主要為提供負氧離子，降低空氣中粉塵、懸浮顆粒物及氣體污染物，同時可消滅空氣中的有害細菌[4]。森林降解和凈化空氣主要通過對源頭污染物滯納、過濾、阻滯、分化，并且植物尖端效應產生的負離子能夠吸收結合空氣污染物落入土壤中[5]。因此，空氣負氧離子是反映大氣質量的主要指標。

國內對空氣負離子濃度的監測始于1980年[6～7]。李安伯等[8]認為海邊的空氣負氧離子濃度＞森林＞礦泉性質療養院。陳錫林等[9]的研究結果表明，森林負離子濃度大于城鎮。吳楚材等[10～11]監測結果表明，馬尾松純林中負氧離子濃度可達1200～2000個/cm3。蘇樹權[12]的研究則表明不同植物搭配結構的負離子濃度由大到小排序為喬灌草混合林、喬灌混合林、單層喬木、喬草混合、灌草混合、單層灌木、單層草被。但至今對華南地區城市森林公園空氣質量研究不足，尤其是負離子的探究。因此在廣州市石門國家森林公園開展負離子濃度時空變化規律及空氣質量評估研究，可為城市森林公園凈化大氣機制提供基礎數據，也為促進森林生態旅游、森林浴、森林健康療養，實現生態與經濟協調發展的新興產業途徑[13～14]提供科學依據。

1 研究區概況

石門國家森林公園位于廣州市從化區東北部（23°36′50″N ～23°39′20″N，113°46′16″E～113°49′17″E）， 東 面 與南昆山自然保護區相連，西是從化溫泉風景區，北與廣州陳禾洞省級自然保護區、流溪河國家森林公園相望，總面積2636 hm2，森林覆蓋率達98.9%。屬亞熱帶季風氣候區，雨量充沛，年平均降雨量約2000 mm，集中在4—9月，占全年降水的80% 以上，冬暖夏涼，具有明顯的山地氣候特征，年均氣溫為 21℃，夏季比廣州市區的溫度低6～8℃，年氣候舒適度達200天以上。森林公園土壤條件良好，溫濕疏松，隨海拔分布著山地紅壤、山地赤紅壤、山地黃壤、山地草甸土等。公園生物多樣性高，已知有維管植物1090種，蕨類植物106種，裸子植物976 種[15]。

2 研究方法

2.1 觀測點選擇

通過查閱石門國家森林公園相關資料并結合實地踏查篩選后，確定5種典型生境類型為監測樣地，分別是花海（草本群落）、湖心島（靠近水體）、竹林、竹闊混交林、國際森林浴場（常綠闊葉林）。各樣地面積為20 m×20 m，且坡度較緩，適合開展森林游憩活動，每塊樣地采用對角線法設置3個觀測點，作為3個重復（表1）。

2.2 觀測方法

通過分析對比廣州市近年來的氣象資料，根據歷年來的降雨量與降雨頻率，劃分旱季和雨季作為廣州市的典型天氣，跟蹤記錄天氣預報并在監測日記錄天氣實況，經篩選后將天氣實況與要選擇的天氣類型相符的觀測數據作為典型天氣的代表數據。旱季和雨季的觀測時間分別為2018年11—12月和2019年6—7月，各選擇5天典型天氣，旱季選擇“連續晴天”，雨季選擇“雨后晴天”。

觀測期間，每天同步監測5種生境空氣負氧離子。采用日本KEC-900便攜式負離子檢測儀進行監測，測定 范圍 10～1999000 個 /cm3，共3檔可調，S檔 0～2×104個 / cm3、M 檔 2×104～2×105 萬個 /cm3、L 檔2×105～199×104 個 /cm3。每個監測點取東南西北4個方向的平均值，測定時將儀器平放在高度1.3～1.5 m的三腳架上，從8:00—18:00連續監測，每個監測點每小時監測1次，全天監測11次，每次在整點前后10 min內完成，在東西南北4個方向進行4次重復，每次重復記錄30個數據。

表1 監測樣地分布概況

2.3 評價方法

根據空氣負離子濃度與負離子保健濃度等級[16]（表2）進行健康保健評價。

3 分析與評價

3.1 不同監測點空氣負離子時空動態變化

經監測，石門國家森林公園康養基地平均負離子濃度為3667個/cm3，雨季（3930個/cm3）大于旱季（3404個/cm3），且存在差異（P＜0.05）。負離子旱雨季變化主要原因有：1）植物在茂盛期與生長期光電效應強烈，尖端放電以及產生芬多精類物質與促進負離子形成有關；2）雨季（6—7月）溫度高、降雨量大，多雷電天氣，分子運動速度加快，相互之間碰撞幾率增大，氧氣被電離的能力加強，負氧離子增多，負離子濃度升高；3）在旱季，森林公園內靜風頻率相對較高，大氣層穩定，容易出現逆溫現象，這樣有礙于污染物的擴散，使得負離子濃度降低。

石門森林公園各監測點負離子濃度較高（圖1），數據均在1000個/cm3以上。在旱季，石門國家森林公園負離子濃度排序為森林浴場＞湖心島＞竹闊混交林＞花海＞竹林，且監測點之間存在顯著差異（P＜0.01）。其中森林浴場負離子濃度是竹林的4.91倍、花海的3.46倍、竹闊混交林的1.85倍、湖心島的1.71倍。在雨季，負離子濃度排序為森林浴場＞竹闊混交林＞竹林＞湖心島＞花海，且監測點之間存在顯著差異（P＜0.01）。其中森林浴場負離子濃度是花海的10.90倍、湖心島的8.30倍、竹林的6.31倍、竹闊混交林的2.58倍。森林浴場在旱季和雨季負離子濃度均最大，尤其在雨季濃度超過10000個/cm3，主要是因為森林浴場植被多樣性較高，喬灌草自然搭配，較少出現生態位空缺，植物蒸騰作用和光合作用強烈，森林浴場中氧分子較多，易于結合電子形成負離子；并且浴場隨山體分布存在數量較多的山澗溪流和地下河流，水分子在跌落、沖擊和噴濺時，因高速運動而發生斷裂，水分子被截斷后帶正電荷，周圍空氣分子帶負電荷，形成空氣負離子。花海、湖心島負離子濃度低于森林浴場是由于兩地游客量大，產生較多的較大顆粒物和CO2，負離子會對其進行吸附并在重力作用下滯塵。此外，湖心島水面平靜，雖然負離子有所增加，但難以達到動態水流的效果，而花海植被豐富度較低，都是一二年生草本花卉，植物光合作用與呼吸作用弱于喬灌木，且為“破碎狀”分布，不利于負離子產生和存活。

圖1 不同監測點空氣負離子分布

圖2 旱季不同監測點空氣負離子日變化

表2 空氣負離子保健濃度分級標準

3.2 不同監測點空氣負離子日變化規律

在旱季，各監測點整體上表現出的規律是早上負離子濃度均有增加，中午濃度下降，下午再次增加（圖2）。森林浴場負離子濃度日變化呈“M”型曲線，在9:00達到最大值11292個/cm3，11:00出現最小值為4797個/cm3，日較差為6495個/cm3；湖心島負離子濃度日變化呈“U”型曲線，在12:00出現最小值為1622個/cm3，最大值出現在17:00，為6108個/cm3，日較差為4486個/cm3；竹闊混交林負離子濃度日變化呈正弦曲線變化，最大值在16:00，為5078個/cm3，最小值在11:00，為2414個/cm3，日較差為2664個/cm3；花海負離子濃度日變化呈波動多峰曲線，最大值在17:00，為2610個/cm3，最小值在9:00，為1057個/cm3，日較差為1553個/cm3；竹林負離子濃度日變化呈波動增長曲線，增長趨勢平緩，最大值在18:00，為2560個/cm3，最小值在8:00，為481個/cm3，日較差為2079個/cm3。旱季不同監測點之間日較差排序為森林浴場＞湖心島＞竹闊混交林＞竹林＞花海。花海的日較差最小主要是因為植被以草本為主，產生負離子濃度低，游客活動頻繁降低負離子存活率。

在雨季，各監測點之間日變化規律差異較大（圖3），主要由植被種類、植被結構、地形、游客活動頻率等因素導致。森林浴場負離子濃度日變化呈“U”型曲線，在9:00達到最大值24083個/cm3，12:00出現最小值為5245個/cm3，日較差為18838個/cm3；竹闊混交林負離子濃度日變化呈波動增長曲線，最大值在18:00，為9955個/cm3，最小值在9:00，為887個/cm3，日較差為9068個/cm3；竹林負離子濃度日變化呈“M”型曲線，8:00—9:00出現最小值為609個/cm3，最大值在11:00和13:00同時出現，均為2906個/cm3，日較差為2297個/cm3；湖心島負離子濃度日變化呈波動下降曲線，在9:00出現最大值為2626個/cm3，最小值在14:00，為756個/cm3，日較差為1870個/cm3；花海負離子濃度日變化呈倒“U”型曲線，最大值在14:00，為1751個/cm3，16:00出現最小值為482個/cm3，日較差為1269個/cm3。雨季不同監測點之間日較差排序為森林浴場＞竹闊混交林＞竹林＞湖心島＞花海。

表3 石門國家森林公園空氣負離子等級評價

3.3 石門國家森林公園空氣負離子保健功能評價

石門國家森林公園監測點負離子保健濃度等級均不低于Ⅴ級（表3）。無論在旱季還是雨季，森林浴場在時段8:00—18:00的負離子等級均達到Ⅰ級，空氣清新，對健康很有利；竹闊混交林在雨季11:00—18:00負離子等級達到Ⅰ級，在旱季12:00開始也達到Ⅰ級；湖心島在旱季達到Ⅰ級的時間段有64%，在雨季的負離子指標相對較低；竹林達到Ⅲ級及以上的雨季時間段有64%，旱季時間段有55%；花海在旱季8:00—18:00的負離子等級基本達到Ⅲ級及以上，雨季達到Ⅳ級及以上的時間段占55%。

4 結果與討論

石門國家森林公園康養基地旱季和雨季負離子平均濃度為3667個/cm3，雨季＞旱季，各監測點負離子濃度較高，均在1000個/cm3以上，說明該區域負離子濃度適合康養保健。

旱季石門國家森林公園負離子濃度排序為森林浴場＞湖心島＞竹闊混交林＞花海＞竹林，雨季為森林浴場＞竹闊混交林＞竹林＞湖心島＞花海。森林浴場負離子濃度遠高于其他監測點主要是植被結構的多樣性，石門森林公園溫度和濕度都適合大部分植物雨季和旱季生長，植物與太陽輻射發生光合作用（光化學過程），為空氣電離水分（光電效應）產生負離子提供途徑。

森林浴場在景區正常開放時間負離子等級均達到最高級別，空氣清新、有利健康，可以改善神經衰弱、失眠，通暢心腦血管，降低血液粘稠度，提高人體免疫力[17]。旱季和雨季，石門國家森林公園休閑旅游路線推薦為森林浴場-竹闊混交林-竹林-花海-湖心島，均可達到享受負離子的目的。