基于GIS的龍架山國家森林公園空氣負離子時空變化特征研究

吳亦菲 安 靜 佘松林 陸世偉 王 慧 張運飛 汪羽紅

(貴州師范大學地理與環境科學學院 貴陽 550000)

隨著中國城市化進程的快速發展，民眾開始關注和追求生活環境質量。城市人群對于親近自然、釋放壓力、康健養生的需求也變得越來越迫切[1]。森林公園是具有一定規模和質量的森林風景資源和環境條件，可以開展森林旅游，并按法定程序申報批準的森林地域[2]。相較受污染的城市大氣環境，森林公園內植被覆蓋率高，物種豐富，氣候溫和，空氣負離子含量高，不僅具有空氣清新的舒適環境、四季變幻的優美風景，還有康養保健作用[3]，成為人們遠離城市喧囂，擁抱大自然的首選地之一[4-5]。隨著人們保健意識的增強，森林保健資源及其功能問題受到關注并成為研究熱點。空氣負離子(NAI)具有提高免疫力、調節機能平衡的功效，被譽為“空氣維生素”或“生長素”[6]。NAI作為森林保健資源中的一項重要指標，對不同森林類型的空氣質量評估有重要意義。研究表明，森林能產生大量的NAI，一般為室內和城市平均含量的160倍[7]。其產生途徑主要有太陽紫外線輻射、雷電、水剪切力(Lenard效應)、植物葉尖端放電和光合作用等[8-9]。目前，涉及NAI的森林康養項目已在中國興起，NAI濃度已成為考量森林康養基地評定的重要因素[9]，也成為國內外學者研究的熱點。現有研究主要側重森林公園內不同林分類型的NAI濃度時空變化[10-12]、影響因素[13]，或運用GIS技術對森林公園的評價及規劃[14-15]等方面，但忽略了森林公園MAI濃度表達的整體性與公園規劃結合，特別是利用GIS技術針對森林公園NAI濃度時空變化特征的研究鮮見報道。基于此，以貴州省龍里縣龍架山國家森林公園為研究對象，選取園內不同區域具有代表性的土地利用模式為對象，通過定點觀測NAI濃度，分析不同觀測點NAI濃度的日變化、季節變化特征，并運用GIS的空間分析技術將數據進行可視化，獲得公園四季及日變化整體NAI濃度空間分布預測圖，以期為公園游客游覽時間和路線的選擇以及為公園的管理和規劃提供一定的參考。

1 研究區概況

研究區位于黔中龍里縣龍架山國家森林公園(東經106°53′37″～106°57′10″，北緯26°26′43″～26°29′09″)，以高原丘陵和高原山地為主，海拔高度在1 075.0～1 379.7 m，相對高差304.7 m。北亞熱帶季風濕潤氣候，多年平均氣溫為13.8 ℃。公園中部橫穿一條臥龍溪，長6.7 km，寬3.0～5.0 m，比降0.74%。園內林地總面積為1 446 hm2，森林覆蓋率為88.01%，森林植被以馬尾松人工林、天然闊葉林、雜灌叢為主，并建有面積為33 hm2的珍稀植物園。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

為了反映園區不同土地利用模式內NAI的變化特征，本研究選擇了：馬尾松林、針闊混交林、杜仲林、雜灌、動態水域(臥龍溪)、靜態水域(龍仙湖)、保護區域(珍稀植物園)、農用地(居住地和耕地)、對照點(公園入口、停車場)等9組典型觀測樣地。其中4組植被類型觀測樣地各設有4個觀測點，保護區域和農用地樣地各設置3個觀測點，對照點和地表動、靜水域各設2個觀測點，共計28個(圖1)。

圖1 研究區觀測點位置示意圖

2.2 試驗方法

NAI濃度測定采用AES-60空氣負離子檢測儀，測量各組樣點的NAI濃度，測定離子濃度精度為±10%，離子分辨率為10 ion·cm-3，其離子濃度檢測范圍為1～5 000 000 ion·cm-3，工作溫度在-50～70℃，工作相對濕度在0～99%。

監測時間從2021年5月～2022年1月。選擇在晴朗無風或微風的天氣情況下進行觀測，連續觀測四個季度(2021年的5、8、10月和2022年的1月)，每個季度連續觀測3天。觀測時間選定在每日8∶00～18∶00，共有3臺儀器及6名實驗人員分別對28個觀測點進行同步觀測。每個觀測點每隔兩個小時測定1次，每次在半個小時之內完成，在每個觀測點的東南西北4個方向儀器調零后各測1次，每個方向各重復3次，待儀器在樣點觀測的數據穩定后，實驗人員記錄數數據。測定高度距離地面1.5 m，與成人呼吸高度基本一致。

2.3 NAI濃度分級標準

參考張清杉[16]提出的空氣負離子保健濃度分級標準(表1)，對研究區內的NAI濃度進行評價。

表1 空氣負離子濃度評價標準

2.4 數據處理方法

利用Microsoft Excel 2013對觀測數據進行統計分析和圖表處理。利用ArcGIS 10.8進行空間插值，使用建模工具為半變異函數/協方差函數的普通克里金法[17]對觀測數據進行可視化處理，得到研究區域內的NAI濃度空間預測分布圖。

3 結果與分析

3.1 NAI濃度的季節變化和日變化特征

公園內不同樣地不同季節NAI平均濃度日變化如圖2所示，春季公園各樣地的NAI平均濃度值(單位ions·cm-3)的表現為：S6(1 768.90 )>S5(1 013.00)>S1(967.14)>S4(939.17)>S3(870.52)>S8(846.33)>S7(835.65)>S2(410.81)>CK(407.17)。植被和保護區樣地的日變化趨勢呈“W”字型，峰值均出現在8∶00、12∶00和18∶00前后，植被樣地的NAI平均濃度最高是CK的2.37倍。水域樣地的NAI濃度日變化趨勢呈“N”字型。峰值分別在10∶00～14∶00和18∶00前后，其NAI平均濃度是CK的4.34倍。

夏季公園各樣地的NAI平均濃度值(單位ions·cm-3)的表現為：S6(3 038.77)>S1(1 490.59)>S8(1 154.20)>S7(1 097.82)>S5(1 029.23)>S3(890.40)>S4(839.35)>S2(507.30)>CK(391.79)。針闊混交、馬尾松和杜仲林的變化趨勢呈“W”字型，峰值出現的時間段與春季相似。公園內NAI平均濃度最高是CK的3.80倍，且流動水域的NAI平均濃度是CK的7.76倍，遠高于植被樣地。

秋季公園各樣地的NAI平均濃度值(單位ions·cm-3)的表現為：S6(1 330.65)>S1(851.86)>S5(790.23)>S8(677.33)>S3(629.51)>S7(624.76)>S4(608.91)>S2(371.38)>CK(342.03)。秋季的NAI濃度變化趨勢多呈倒“U”字型，在12∶00或14∶00前后出現峰值；秋季農用地的NAI濃度變化趨勢與CK相反，其余季節相似，且四季的農用地NAI平均濃度普遍高于CK。

冬季公園各樣地的NAI平均濃度值(單位ions·cm-3)的表現為：S6(1 381.08)>S1(976.63)>S5(619.81)>S8(382.66)>S3(357.86)>S7(326.68)>S4(270.10)>S2(197.32)>CK(167.33)。多數樣地的變化趨勢相似，呈“W”字型，峰值分別出現在8∶00、12∶00和18∶00前后。水域樣地在16∶00到18∶00前后呈緩慢下降趨勢，流動水域的NAI平均濃度是CK的8.25倍，是植被樣地的3.70倍。

3.2 不同樣地的四季NAI濃度空間插值分析

利用克里金插值獲得NAI濃度空間分布圖(圖3)，可以看出，夏季的NAI高濃度空間分布面積最大，其次是春季和秋季，冬季的NAI低濃度分布面積最廣。比較四季NAI濃度平均值可知，不同季節間NAI濃度表現為夏季>春季>秋季>冬季。

圖3 四季NAI濃度空間插值分布圖

在春季，NAI高濃度區域主要分布在公園的西南部；在夏季，NAI低濃度區域主要分布在公園的東部，其余區域都屬于NAI高濃度分布區；在秋季，公園南部區域的NAI濃度相比于其他區域較高；在冬季，公園偏北部和西南部的NAI濃度相對于其他區域較高。四個季度里公園西南部的NAI濃度最高，其次是南部和北部邊緣區。

3.3 不同樣地的四季NAI保健濃度評級分析

公園的NAI保健濃度評級如圖4所示，在春季，公園西南區域的NAI保健濃度最高達Ⅱ級，其他區域僅達Ⅳ級，保健作用不明顯；在夏季，公園中心及東部區域的NAI保健濃度為Ⅳ級，中心偏西部和西南部的NAI保健濃度最高達Ⅰ級，保健作用明顯。在秋冬季，公園西南部部分區域的NAI保健濃度最高達Ⅲ級，其他區域NAI保健濃度僅為Ⅳ級，不具備保健作用。

圖4 四季NAI濃度分級空間插值分布圖

4 結論與討論

不同地區的NAI濃度日變化特征有明顯不同，陶雪瑩[18]、鄔昀[19]等人得出的結論是“早晚高，中午低”，而杜萬光[20]和王立君[21]等人得出的是“早、中、晚”三峰型特征，本研究結果與后者研究結果相似，公園NAI濃度日變化趨勢呈“W”型，三個峰值普遍分布在8∶00～10∶00、12∶00～14∶00和18∶00前后，其原因可能與NAI的產生途徑太陽紫外線的輻射和植物的光合作用有關。有研究表明，在太陽輻射和植物光合作用較弱，且空氣相對濕度較大時，在16∶00前后或延遲會出現一個峰值[22]。12∶00到14∶00前后，太陽輻射較強，同時植物光合作用達到極限，雙重作用下加快了NAI的產生。在夏、春季水域的日變化特征呈雙峰“N”型，峰值出現在12∶00～14∶00和18∶00前后，該與江立行[23]的研究結論“兩頭高，中間低”顯著不同，這可能與觀測地點的位置有關，動態水域觀測位置處于山谷，靜態水域周圍有植被環繞，導致升溫和濕度下降的速度減緩，首個峰值出現的時間相較于植被樣地有所延遲。

NAI濃度在不同季節變化各監測點存在明顯差異，但整體平均表現為動態水域>針闊混交林>靜態水域>馬尾松林>杜仲林>保護區域>雜灌>農用地>對照點，該與季玉凱[24]、高郯[25]、吳楚材[26]等人的研究結論相似，其報道也發現NAI濃度在不同土地類型中存在針闊葉混交林>針葉林>闊葉林、水體>綠地、動態水>靜態水的基本規律。水體是NAI的重要來源，動態水如河流、溪澗等在流淌、跌落、沖擊的過程中，由于Lenard效應水變成霧狀分割出正負電荷，促進NAI的產生[27]。同時水霧會帶走空氣中的顆粒物，使動態水體周圍空氣更加清潔，NAI的濃度高于靜態水體和其他區域。植被類型的NAI濃度變化趨勢與馮鵬飛[28]的研究結論不同，其發現NAI濃度在不同植被類型中為闊葉林>針闊葉混交林>針葉林，可能與馬尾松林的郁閉度大于杜仲林有關，森林的郁閉度對NAI濃度有重要影響，郁閉度高，林內濕度大，有利于NAI的產生[9]。

公園內NAI濃度在不同季節的大小排序為：夏季>春季>秋季>冬季。這與朱淑新[29]、馮燕珠[30]等的研究一致。與一些溫帶的研究結論相比有所不同，其監測結果表明NAI濃度季節排序為夏季>秋季>春季>冬季，可能是因為本研究區位于亞熱帶地區，氣候溫潤，春季升溫較早，植物較快進入生長過程，快速發芽生葉，光合作用增強，因此春季的NAI濃度要高于植被進入枯萎的秋冬季節。

公園的NAI濃度空間分布和保健評級結果顯示，夏季公園大部分區域的NAI保健濃度都達到了Ⅲ級以上，在靠近動態水域以及針闊混交林區域的保健濃度可以達到Ⅰ級，對身體健康有明顯的保健作用；春季公園的西南區域，NAI保健濃度最高為Ⅱ級；秋冬季節公園大面積區域的NAI保健濃度僅為Ⅳ級。公園的中、東部區域NAI保健濃度等級較低，可能是此區域有居民居住、有耕地，同時還有公路、鐵路和高鐵等交通道路穿插其中，來往的交通車輛會產生大量顆粒物，從而導致NAI濃度下降。公園東部是龍架山國家森林公園的入口，有養殖地、農家樂等娛樂設施位于入口附近，人流量大，NAI的活性降低，這可能是NAI保健濃度等級不高的原因。

本研究重點僅側重于探究公園不同樣地的NAI濃度的差異，未對NAI的影響因素如：溫濕度、顆粒物、風速、海拔和光照等進行觀測研究。同時，本研究中用于插值的NAI濃度觀測點分布范圍較廣，但從整體上來說，由于部分林區較茂密涉足困難的原因，布設點分布并不均勻，在進行插值計算時精度有待提高。插值的精度與觀測點數量的多少有關，朱會義[31]等人提出觀測點密度高、樣本容量大通常能夠增加插值的精度，但數目過多，會帶來計算上的麻煩，對空間插值也未必就有很大幫助。原則上要求充足的觀測點數據能夠較好地反映空間變異性與相關性，空間變異越大的地方觀測點數量應該越多。若想要獲取更高的精度，應該充分考慮不同因素對其結果產生的影響，適當提高觀測點的數量，以此獲取最優的插值計算，需要在后續監測工作中繼續擴展并深入研究。