北京市7种经济林空气负离子特征研究

2018-03-27李少宁鲁绍伟赵云阁

西南林业大学学报 2018年1期

李少宁鲁绍伟赵云阁丁杰刘斌陈波

(1. 北京市林业果树科学研究院，北京 100093；2. 河北农业大学林学院，河北保定 071000；3. 北京林果业生态环境功能提升协同创新中心，北京 100093)

空气负离子又称负氧离子，具有极佳的除尘、降低二手烟危害、预防呼吸道疾病、改善睡眠、防衰老、降低血液粘稠度等效果[1-2]。它可以增加空气的舒适性，并对人体生理功能有积极影响[3-5]。近年来，空气负离子因能直观反映空气质量而备受关注。森林环境中含有丰富的空气负离子，充分开发和利用空气负离子资源对丰富森林生态旅游内涵、促进生态保健旅游开展、提高人们健康水平有着重要的现实意义[6]。我国学者对其展开的大量研究表明，一般城区内空气负离子含量为300～700个/cm3，工业区仅为200个/cm3，而林区高达2 000～3 000个/cm3[7-8]。空气负离子浓度受环境因素影响较大，同时与生态结构、林分类型、郁闭度等均有一定关系[9-11]。孟祥江等[12]研究发现，不同林分类型的空气负离子分布特征表现为阔叶林 > 针阔混交林 > 竹林 > 针叶林。还有研究表明空气负离子浓度呈十分规律的日变化和季节变化特征，如邵海荣等[13]指出空气负离子浓度最大值出现在上午9:00—11:00之间，最小值出现在夜间23:00左右。吴际友等[14]研究发现，在季节变化当中，空气负离子浓度最高值出现在夏季，冬季最低。这些研究均以绿化森林生态系统为对象，而经济林生态系统同样具有提供空气负离子的作用，但有关经济林提供空气负离子的研究却较少。为此，本研究针对经济林提供负离子功能进行相关研究，并对7种经济林提供空气负离子价值量进行合理评估。

1 研究地概况

研究地位于北京市西北五环，北京市农林科学院林业果树研究所种质资源圃。地处东经116°13′13″，北纬39°59′35″，海拔63 m，为典型北温带半湿润性大陆季风气候。年均日照时数2 000～2 800 h，年均温14.1 ℃，年极端最高气温35～40 ℃，年极端最低气温-20～-14 ℃；年均降雨量483.9 mm，全年3/4的降水集中于6—8月份。资源圃内总面积13 hm2，园内有苹果 (Maluspumila)、桃 (Amygdaluspersica)、杏 (Armeniacavulgaris)、樱桃 (Cerasuspseudocerasus)、核桃 (Juglansregia)和板栗 (Castaneamollissima) 等。

2 材料与方法

2.1 研究对象

以北京常见经济林树种为选择范围，在资源圃内选取其中7种经济林作为研究对象，包括苹果、西洋梨 (Pyruscommunis)、杏、桃 (Amygdaluspersica)、樱桃、核桃和枣 (Ziziphusjujuba)，各树种基本情况详见表1。

表1 试验树种概况Table 1 Experimental tree species overview

2.2 研究方法

试验时间为2015年5—10月，其中5月计为春季，6—8月为夏季，9—10月为秋季。在距离地面1.5 m处，利用空气负离子仪 (COM-3200PRO) 测定林内负离子浓度。在7种经济林内，于每月选取天气状况良好、大气状态相对稳定、风向、风速变化平缓的3个晴天，从7:00—17:00进行全天连续监测，每2 h监测1次，共5次。监测点分别分布在7种经济林内中心处，在每个监测点按东南西北4个方向分别瞬间读数，每个方向待仪器显示的数值稳定后，读取5个波峰数值，并取5个数值平均值作为一个方向的值，取4个方向数值平均值作为该监测点的监测值。

2.3 数据处理

采用王兵等[15]、常艳等[16]的评估方法，计算7种经济林提供负离子年物质量及其年价值量，如公式 (1)～(2)。

G负离子=5.26×1015×Q负离子×H/L

(1)

式中：G负离子为单位面积年负离子量 (个/m2)；Q负离子为林内负离子浓度 (个/cm-3)；H为林分高度 (m)；L为负离子存活时间 (min)。

U负离子=5.26×1015×K负离子×H

(Q负离子-600)/L

(2)

式中：U负离子为单位面积年负离子价值量 (元/m2)；Q负离子为林内负离子浓度 (个/cm3)；K负离子为负离子生产费用 (元/个)；H为林分高度 (m)；L为负离子存活时间 (min)。

采用Excel 2003 软件对试验数据进行处理，同时应用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析。

3 结果与分析

3.1 不同经济林内空气负离子浓度日变化特征

由图1可知，各月7种经济林内空气负离子浓度日变化趋势大致相同，均在上午9:00—11:00和下午17:00左右出现一天当中的两个峰值；10月各树种的日变化较为平缓，其他各月份日变化起伏较大，但各树种在不同月份出现峰值的时间略有不同。如5月峰值出现在7:00的树种有核桃、樱桃和枣，峰值分别为968、1 153个/cm3和959个/cm3，峰值出现在9:00的树种为西洋梨和苹果，分别高达1 339个/cm3和1 353个/cm3，而桃和杏的峰值则出现在17:00左右；6月峰值出现在7:00的是西洋梨 (1 541个/cm3) 和樱桃 (1 328个/cm3)，峰值出现在9:00为苹果 (1 766个/cm3)；7、8月除苹果外，其他各树种的峰值均出现在11:00左右；进入9—10月，各树种峰值点再次出现差异。以9月为例，核桃、西洋梨、枣和苹果均在11:00前后出现峰值，分别为1 824、2 449、2 637个/cm3和1 817个/cm3，而桃、杏和樱桃峰值则出现在17:00，峰值为2 294、2 128、2 444个/cm3。

图15—10月7种经济林空气负离子日变化规律
Fig.1 Diurnal variation of negative air ions in 7 kinds of economic forests from May to October

可见，虽然7种经济林内空气负离子出现峰值时间略有差异，但绝大多数峰值均在上午7:00—11:00以及下午17:00前后出现，这可能是由于此时段内空气湿度相对较高，且植物生理作用的旺盛期，有利于植物提供空气负离子，导致这一时段前后空气负离子浓度出现一天当中的最高值。

3.2 不同月份空气负离子浓度特征

由图2可知，9月7种经济林内空气负离子浓度均较高，为1 697～2 537个/cm3。其中，10月最低 (398～1 400个/cm3)，6—8月即夏季时段，空气负离子浓度变化较为平缓，最大差距不超过200个/cm3。5—10月整体动态变化趋势呈逐渐上升后急剧下降的趋势，各月空气负离子浓度大小为9月 > 8月 > 7月 > 6月 > 5月 > 10月。这一现象是由于北京地区秋季天高气爽，且9月，温度适宜，适量的风力风速使空气负离子升高，而6—8月虽温度较高，湿度较大，但几乎处于无风状态，通过空气流动得到的负离子相对9月较小。进入10月后，经济林生长进入衰退期，林分郁闭度下降，且各气象因素也不利于空气负离子产生，使10月7种经济林内空气负离子浓度急剧下降；而5月7种经济林由于刚进入生长期，提供负离子功能尚未健全，从而导致当月负离子浓度偏低。由此可见，空气负离子浓度与温度、湿度、风等环境因素密切相关，但各因素中最重要的影响因素还须进一步研究，以此作为判定经济林不同季节产生负离子大小的依据。

图25—10月7种经济林内空气负离子日均浓度对比
Fig.2 Comparison of daily negative ion concentration of air in 7 kinds of economic forests from May to Octobe

3.3 不同经济林提供空气负离子物质量及价值量评估

由表3可知，7种经济林内全年各月平均负离子浓度为969～1 631个/cm3。其中，苹果的负离子浓度最高，是最小浓度枣的1.68倍；其次是西洋梨，与苹果相差258个/cm3，之后分别为樱桃 > 桃 > 杏 > 核桃 > 枣。可见，苹果相较于其他经济林具有较高的提供空气负离子的能力。同时，利用方差分析对7种经济林内空气负离子浓度进行分析 (表2)，发现不同经济林内空气负离子浓度差异极显著 (P< 0.01)，说明不同经济林树种提供空气负离子的能力明显不同。因此，在城区内可以考虑适当增加苹果林的种植，为大气环境提供更多空气负离子，从而净化空气环境。

表2 5—10月7种经济林内空气负离子浓度方差分析Table 2 Variance analysis of air negative ion concentration in 7 kinds of economic forests from May to October

由表3中对7种经济林提供空气负离子物质量及价值量进行粗略评估结果可知，参试经济林中苹果的评价等级较高，属于Ⅲ，而枣林内空气负离子浓度最低，属于Ⅴ，其余树种均介于前两者之间 (Ⅳ)。不同经济林年负离子物质量为2.09 × 1018～3.13 × 1018个/hm2，其物质量大小排序为核桃 > 苹果 > 西洋梨 > 樱桃 > 桃 > 杏 > 枣。其中，物质量最大的核桃提供负离子能力比位于第2位的苹果高出0.21 × 1018个/ hm2，而物质量最小的枣提供负离子能力仅为苹果的66.8%。可见，核桃林提供负离子最终物质量高于其他几个参试经济林。相比物质量，7种经济林其年价值量为7.84～18.17元/ hm2，大小排序与物质量略具不同。这是由于参试经济林林分高度存在不同，而在计算物质量和价值量时，负离子浓度和林分高度均为其主要部分。根据经济林物质量和价值量的计算结果发现，经济林每年每公顷提供负离子量相当可观，在其巨大的经济价值外，提供负离子的生态价值也丝毫不弱。

表3 7种经济林空气负离子等级、年物质量及价值量评价Table 3 Evaluation of air negative ion grade, quality and value of 7 economic forests

4 结论与讨论

本研究中，空气负离子浓度的日变化趋势整体表现为先增加再减小，随后又上升。两峰值分别在上午9:00—11:00和下午17:00左右出现，15:00左右浓度降为最低；各树种在不同月份出现峰值的时间略有不同，但所处时间范围大致相同。7种经济林月变化差异显著 (P< 0.05)，特征整体表现为9月 > 8月 > 7月 > 6月 > 5月 > 10月。不同经济林提供空气负离子能力差异显著 (P< 0.05)，其大小排序为苹果 > 西洋梨 > 樱桃 > 桃 > 杏 > 核桃 > 枣；7种经济林物质量为2.09 × 1018～3.13 × 1018个/(hm2·a)，价值量为7.84～18.17元/(hm2·a)。可见，经济林树种提供空气负离子的生态功能价值不容忽视。

空气负离子的含量及分布作为衡量一个地区空气清洁程度与生态环境的重要指标之一[17]，现已成为人们关注的焦点。因此，有关森林植被的空气负离子研究越来越多。储德裕等[18]发现柏木和杨梅2种植物群落内空气负离子浓度在早9:00和傍晚17:00前出现2个波峰，而在11:00—16:00处于较低水平；谢雪宇等[19]在寨场山森林公园中的研究显示，一天当中空气负离子浓度上午开始下降，14:00—16:00最低，随后回升；而刘欣欣等[20]对森林群落空气负离子浓度的研究表明，在夏季，6种群落内负离子浓度峰值均为9:00。这些研究结果与本试验结果所得基本一致。相比这些结果一致的研究，与吴际友等[14]的结果略具不同，这可能是地域及气象因素的不同所导致。空气负离子浓度受温度、湿度等气象因素的影响较大，并且与植被自身特性有一定关系，所以空气负离子浓度的变化趋势并没有在各地和各树种上出现完全一致的变化趋势。且就目前研究结果来看，空气负离子浓度与气象各因子之间的关系报道并不一致，需要今后在此方面多进行对比研究。

不同森林植被全年中空气负离子浓度存在明显差异。有研究表明，一年当中，空气负离子浓度夏、秋高于冬、春，且夏季最高，冬季最低[13-14,21]。本研究结果与此结论相似，但其9月7种经济林内空气负离子浓度明显最高，而这与李少宁等[22]关于北京典型园林植被区空气负离子研究结果相一致，与陶宝先等[23]在南京地区对其主要森林类型空气负离子月变化研究结果存在歧义，产生这种差异的原因可能与试验选取的研究地点及其当地气候有关。这也侧面说明气象因子(紫外线强度、温度、湿度等)是影响森林空气负离子浓度的重要因素之一，但具体哪种气象因子占据主导地位，还须进一步进行验证。此外，前人对森林空气负离子浓度时空变化的研究均发现其变化规律呈单峰趋势，这又与研究中得到7种经济林内空气负离子月变化相同。但相比冯鹏飞等[24]对北京地区不同植被区空气负离子浓度的研究，得到其浓度范围为300～1 800个/cm3，以及孙明珠等[25]关于北京不同功能区空气负离子差异性研究得到各地负离子浓度为600～933个/cm3，本研究中7种经济林树种提供负离子浓度丝毫不低 (969～1 631个/cm3)，甚至高于孙明珠等[25]的研究结果，可见经济林树种提供空气负离子的能力并不弱于园林绿化树种。

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