城市森林公园植物群落与空气负离子空间分布的关系——以武汉马鞍山森林公园为例

朱春阳

陈奕汝

郭慧娟

陈羽阳

空气负离子被誉为“空气维生素和生长素”，具有良好的杀菌、降尘作用，在提高人体免疫力、调节机能平衡等方面具有显著的医疗保健效果[1]。目前，中国气象、林业部门等已将空气负离子浓度作为气象监测站监测的重要参数，其监测结果可作为地区空气清洁度及生态健康性的依据。

城市森林公园建设是人们对自然风景游憩需求的响应，森林植被作为森林公园重要的风景资源要素，为空气负离子的产生提供良好的环境[2]，森林的树冠、枝叶的尖端放电及光合作用过程的光电效应均会促使空气电解，产生大量的空气负离子[3]。相关研究集中在森林游憩区空气质量特征与评价[4]、森林植被的群落构成及环境因子对空气质量的影响方面[5-7]，研究表明森林植被的林型[8]、郁闭度[9-10]、树高[10]、三维量[11]等因素均会影响空气负离子浓度，且相关系数显著。由高大乔木组成的近自然林空气负离子效应十分明显[12]。同时，空气负离子受森林植被立地条件的影响也表现出一定的时空差异性[13-14]，研究表明海拔[15-16]、坡向[17]、水体[8，18]等因子对空气负离子浓度均具有一定的影响。另外，空气相对湿度、温度、颗粒物浓度等因子与空气负离子浓度变化也表现出显著性的相关关系[7]。综上可见，植物群落的生物特征(如株高、冠幅、郁闭度、冠幅等)、地理特征(如海拔、坡度、坡向、距水体距离等)均会导致植物群落产生空气负离子效应的差异性，但目前相关研究多集中于植被的单一或少数特征因子对空气负离子浓度的影响。

以武汉市马鞍山森林公园为研究对象，综合考虑城市森林公园不同植物群落自身结构特征和其立地条件等多个影响因素，量化城市森林公园空气负离子浓度的空间分布特征，明确植物群落与空气负离子浓度空间分布的相关关系，研究结论可以为量化评价城市森林公园的微气候环境效应提供理论基础。

1 研究地概况与研究方法

1.1 研究地概况

马鞍山森林公园(30°30′～30°32′N，114°25′～114°27′E)隶属武汉东湖风景区的吹笛景区，森林覆盖率达80%，园内有大小山峰17座，最高海拔136.0m。马鞍山森林公园为典型的城市森林公园，周边用地具有明显的建成环境特征，包括高校、小区、商业、城市干道等，东止九峰港，西临喻家湖，南至珞瑜东路，北濒东湖，由北至南的三环线将马鞍山分为西部和东部2个部分，西部已建成并开放，东部仍处于待建状态，区域面积713.3hm2。本研究以三环线以西已建成区域为主，面积511.3hm2。武汉市马鞍山森林公园森林植物群落的类型主要为常绿落叶阔叶混交林。

1.2 样地设置及数据处理

1.2.1 样地设置

首先，采用瑞典学派典型样方法对武汉市马鞍山森林公园进行植物群落现状调查。设置20m×20m的乔木样方，在乔木样方的四角分别设置灌草样方，灌木样方面积为5m×5m，草本样方为1m×1m，共设置44个植物群落乔木样方。测量植物群落植物种、株高(MH)、胸径(DBH)、冠幅(CA)、冠层高度(CH)、郁闭度(CD)和叶面积指数(LAI)7个植物群落的生物特征因子，海拔(A)、坡度(S)、坡向(SA)、距湖边距离(DL)、距公园边界距离(DP)和距交通污染源距离(DPO)6个植物群落的地理特征因子。

其次，在植物群落现状调研的基础上进行样地设置。样地设置在马鞍山森林公园内均衡布局，原则上每座山峰的山底、山腰、山脊均设有样地，样地四周边界距离植物群落边缘的尺度均大于10m，使样地与周围环境中的植物群落、道路和建筑等其他景观类型均有10m左右的植被缓冲带，以减弱试验测定过程中的边缘效应。共设置44个样地进行空气负离子浓度测定(图1)。

样地9、11、25、26、27位于近东湖区域，样地10、20、21、22、23、24、43、44位于马鞍山森林公园西北部的毕家山、袁家山、猴山和梅山，样地15、16、17、18、19、41、42位于马鞍山森林公园东北部的太渔山，样地28、29、30、31、32、33位于马鞍山森林公园中部的平地地区，样地1、2、3、4、5、6、7、8、12、13、14、34、35、36、37、38、39、40位于马鞍山森林公园南部的许家山、马鞍山、吊鞍山、赵家山。试验样地植物群落分布信息如图1所示。

图1 马鞍山森林公园试验样地设置[数字代表样地位置编号。其中，样地1：马尾松(Pinus massoniana)-鳞毛蕨(Dryopteridaceae)；2：侧柏(Platycladus orientalis)-井栏边草(Pteris multifida)；3：马尾松-牡荆(Vitex negundo)-苔草(Carex tristachya)；4：侧柏-香樟(苗)(Cinnamomum camphora)-鳞毛蕨；5：马尾松-枫香(苗)(Liquidambar formosana)+山胡椒(Lindera glauca)-鳞毛蕨；6：马尾松-白马骨(Serissa foetida)+槲栎(苗)(Quercus aliena)-苔草；7：杉木(Cunninghamia lanceolata)-鳞毛蕨；8：马尾松-槲栎(苗)-鸡屎藤(Paederia scandens)；9：池杉+落羽杉(Taxodium distichum)+水杉(Metasequoia glyptostroboides)-鳞毛蕨；10：马尾松-白背叶(Nallotus apeltus)-络石(Trachelospermum jasminoides)；11：池杉+落羽杉+水杉-鳞毛蕨；12：山胡椒(Lindera glauca)+化香(Platycarya strobilacea)-苔草；13：槲栎(Quercus aliena)+山胡椒(Lindera glauca)-牡荆-豚草(Ambrosia artemisiifolia)；14：枫香-鳞毛蕨；15：川桂(Cinnamomum wilsonii)-大叶胡枝子(Lespedeza davidii)-苔草；16：板栗(Castanea mollissima)+檵木(Loropetalum chinensis)-鳞毛蕨；17：盐肤木(Rhus chinensis)-牡荆(Vitex negundo)+插田泡(Rubus coreanus)-苔草；18：板栗+冬青(Ilex chinensis)-苔草；19：化香-竹叶椒(苗)(Zanthoxylum armatum)-苔草；20：檵木-鳞毛蕨；21：香樟-苔草；22：檵木-络石；23：香樟+杜英(Elaeocarpus decipiens)-鳞毛蕨；24：槲栎-牡荆+插田泡-苔草；25：广玉兰(Magnolia grandiflora)；26：垂柳(Salix babylonica)-梭鱼草(Pontederia cordata)；27：红叶石楠(Photinia × fraseri)-豚草；28：深山含笑(Michelia maudiae)-络石；29：广玉兰-苔草；30：红叶石楠-车前草(Plantago asiatica)；31：桂花(Osmanthus fragrans)-杜英(苗)-马蹄金(Dichondra repens)；32：广玉兰-井栏边草；33：桂花-求米草(Alternanthera philoxeroides)；34：马尾松+香樟-香樟(苗)-海金沙(Lygodium japonicum)；35：马尾松+青冈(Cyclobalanopsis delavayi)-青冈(苗)-鳞毛蕨；36：冬青+马尾松-青冈(苗)-鸡屎藤+鳞毛蕨；37：马尾松+冬青-鳞毛蕨；38：枫香+马尾松-枫香(苗)-苔草；39：枫香+马尾松-香樟(苗)-苔草；40：侧柏+枫香-枫香(苗)-苔草；41：马尾松+冬青-鳞毛蕨；42：马尾松+冬青-苔草；43：马尾松+冬青-枫香(苗)-络石；44：马尾松+冬青-插田泡+灰白毛莓(Rubus tephrodes)-苔草；CK：对照]

1.2.2 数据测试

选择各个样地距地面1.3～1.5m(人体呼吸高度)高度对空气负离子浓度进行测定。试验测定空气负离子、正离子浓度值，并同步测量空气PM10、PM2.5浓度、相对湿度(RH)和气温(T)。春季公众风景游憩需求明显、游人量大，因此试验时间选择在2016年4月进行，连续测量3d，均选择气象条件较为稳定的晴朗、静风天气。测试时间分别为8：00、12：00和16：00，对各个样地进行同步测定。在每个观测点监测相互垂直的4个方向，每个方向待仪器显示的数值稳定后连续读取5组空气负、正离子浓度数据，取平均值进行分析[19]。空气离子的评价采用的是比较常用的单极系数和空气离子评价系数公式[20]。

1)单极系数指空气中正离子与负离子的比值，计算公式为：

q=n+/n-

式中，n-为空气中负离子数；n+为空气中正离子数。

2)空气离子评价系数，计算公式为：

CI=n-/1 000q

式中，CI为空气质量评价指数；q为单极系数。

空气负离子、正离子采用美国产AIC-1000空气负离子检测仪，测量范围：10～1 999 000ions/cm3，空气流速：200cm3/s，线性速度：40cm/s，分辨率：10ions/cm3。空气PM10、PM2.5浓度测试仪器采用崂应2025粉尘检测仪，测定范围：1～1 000ug/m3，分辨率：0.1ug/m3，误差：±10%；RH和T测试仪器采用德国产德图testo625湿度测试仪，RH测定范围：0～100%RH，分辨率：0.1%RH；T测定范围：-10～60℃，分辨率：0.1℃。本试验共用11台空气负离子监测仪器，每4个邻近测点构成一组开展测试工作，每组测试时间严格控制20min以内，基本确保了不同测点测定的同步性。

1.2.3 数据处理与分析

1)空间制图。

根据城市森林公园网格布点测试数据，采用GIS中的Kriging空间插值方法进行模拟，以获取马鞍山森林公园整个区域内各项数据的空间分布。分析过程根据GS+软件所含的Variogram下的Semivariance-h散点图，选择不同类型的模型对实测数据进行拟合，并以决定系数最大为原则确定最优的半方差函数模型。

2)统计分析。

数据统计分析采用R3.4.1软件“car”包描述变量的散点矩阵，实现植物群落特征变量的可视化分布；采用“corrr”包实现植物群落特征变量与NAI浓度之间的相关性分析；采用SPSS 19.0软件实现变量的主成分分析与多元回归分析。

2 结果分析

2.1 植物群落空气负离子浓度与植物群落特征的相关性分析

将3d植物群落空气负离子浓度平均值与植物群落特征自变量因子进行相关性分析(图2)，从R2值可以看出，空气负离子浓度与植物群落特征因子具有一定的线性相关性，植物群落特征变量间相互作用影响空气负离子浓度变化。其中空气负离子浓度与平均树高、冠层高度和坡度呈显著性正相关(P＜0.05)。

图2 植物群落特征指数散点矩阵图(其中，NAI：空气负离子；A：海拔；MH：树高；DBH：胸径高度；CA：冠幅；CH：冠层高度；CD：郁闭度；S：坡度；SA：坡向；DL：距湖泊距离；DP：距离公园边界距离；DPO：距离污染源距离；LAI：叶面积指数)

进一步分析影响空气负离子浓度的植物群落特征自变量的复杂性，从表1总方差解释可以看出，提取5个特征值大于1的主成分，达到总方差的75.7%。因此，认为5个主成分已经能够代表所有自变量的总方差解释。从旋转后的成分变量载荷可以看出，当成分变量载荷因子≥0.5时表现明显。第一主成分为植物群落生物特征变量，包括冠层高度、平均树高、胸径和郁闭度；第二主成分为植物群落地理特征变量，包括坡度和海拔；第三主成分为距污染源距离和距湖泊距离；第四主成分为坡向和距公园边界距离；第五主成分为冠幅和叶面积指数。

表1 植物群落特征变量主成分分析

将3d空气负离子浓度平均值作为因变量，与相关性显著的自变量进行多元回归分析，模型(a)：YNAI=166.777+1.660×MH+6.867×CH+1.935×S，调整R2=0.142，P=0.028，F=3.375，表现出了一定的相关性。由图3得出，植物群落空气负离子浓度与冠层高度更直接显著性相关，模型(b)：YNAI=177.291+9.534×CH，调整R2=0.146，P=0.006，F=8.330。

图3 植物群落空气负离子浓度与植物群落特征指数的相关性分析(变量间距、颜色深浅、线条宽度代表相关性强弱，蓝色线条代表正相关，红色线条代表负相关，变量间最小相关系数为0.3)

2.2 不同植物群落NAI浓度的空间差异分析

进一步分析植物群落构成对空气负离子浓度的影响，不同植物群落空气负离子浓度存在明显差异，不同植物群落配置引起的林下微环境因子变化。由图4可以看出，春季测量时间段内马鞍山森林公园最高空气负离子浓度为559个/cm3，最低空气负离子浓度为163个/cm3。样地3、14、15、16、23、38、39、44的空气负离子浓度显著高于其他样地空气负离子浓度，植物群落构成分别为马尾松群落、枫香群落、川桂群落、板栗+檵木群落、香樟+杜英群落、枫香+马尾松群落、马尾松+冬青群落。由空气质量评价指数(CI)值可以看出，CI与空气负离子浓度分布趋势相似，44个样地CI平均值为0.35，空气清洁度为D级，允许。样地CI变化区间为0.13～0.89，其中，样地3和38的CI＞0.70，空气清洁度为B级，清洁；样地31、14、16、23、25、35、33的CI＞0.50，空气清洁度为C级，中等；样地15、32、39、12、34、36、24、42、7、8、28、44、29、37、41的CI＞0.30，空气清洁度为D级，允许；其余样地空气清洁度为E级，位于中度-轻度污染区间。

图4 不同植物群落NAI浓度、CI比较(SE)

分别统计不同林型植物群落的空气负离子浓度和CI值，可以看出针叶林、阔叶林和针阔混交林间空气负离子浓度和CI差异不显著。阔叶林中样地14、15、16空气负离子浓度最高，达到494～559个/cm3；针叶林中样地3的CI值最高，为0.89。

由图5可见，高空气负离子浓度区域主要分布于森林公园北部沿湖区域和南部山体区域，沿湖近水体距离区域由于勒纳德效应会增加NAI浓度，南部山体区域植被冠层相对较高，植物光合作用和光电效应产生大量空气负离子，位于吊鞍山北坡的样地14枫香群落、太渔山北坡的样地16板栗+檵木群落、太渔山南坡的样地15川桂群落，分别高于平均值268、272、207个/cm3。低空气负离子浓度区域主要分布于公园中部平地区域，地形平坦，以农田、村庄为主，植被冠层、郁闭度相对较低，样地包括13、18、19、20、22，分别为槲栎+山胡椒群落、板栗+冬青群落、化香群落、檵木群落。CI空间分布与空气负离子浓度分布趋势相似，植物群落构成和生物、地理特征多种因素共同影响了植物群落空气负离子浓度、CI值的空间分布。

2.3 植物群落NAI浓度的分时段变化

进一步分析植物群落空气负离子浓度的分时段变化规律。分别将所有植物群落测试样地分时段的空气负离子浓度取平均值，分析植物群落空气负离子浓度的分时段变化(图6)，测试样地植物群落空气负离子浓度，8：00—10：00最高，16：00—18：00最低。空气质量评价指数(CI)最高值则出现在12：00—14：00，为0.45，接近中等清洁级别；8：00—10：00和16：00—18：00时段CI相差不大，为0.33～0.34，允许级别。

图6 植物群落NAI浓度分时段变化(SE)

3 讨论

植物群落的生物特征在一定程度上可以反映植物群落的物种情况和生长状况，是植物群落在特定环境下生存策略的重要表现。本研究得出空气负离子浓度与株高、冠层高度呈显著性正相关，株高、冠层是植物获取、利用光能最重要的方式之一，蒙晋佳等研究指出大气电场下，植株越高越容易放电产生负离子[21]；高大的乔木光合作用相对较强、蒸腾旺盛，易产生大量水汽，利于负离子的产生[22-23]，关蓓蓓等[22]研究结果认为株高为显著影响空气负离子浓度变化的间接主因子，光照度和相对湿度为主导因子；蔡春菊等[9]、吴楚才等[10]的研究也表明树龄、树高和郁闭度等因子均是影响空气负离子浓度的重要因子，可见树木的树龄、胸径、郁闭度等植物群落生物特征因子与株高具有明显的相关性，本研究未表现出与胸径、郁闭度、冠幅等因子的显著相关性，可能与植物群落的地理特征多样性有一定的关系。本研究得出植物群落空气负离子浓度与坡度具有一定的显著相关性，植物群落在具有坡度的山体条件下，地形的格局影响林下光照条件、水分截留状况，进而影响植物群落小气候环境效应的变化。吴甫成等[16]研究表明空气负离子浓度垂直变化明显，山体中部明显高于山体顶部和山麓地带，本研究中马鞍山森林公园山体中部坡度值较大，空气负离子浓度值高于低坡度值的山麓和山顶区域，因此表现出了相关研究结果的一致性；唐吕军等[15]、范亚民等[24]的研究表明随着海拔高度的增加，空气负离子浓度呈上升趋势，本研究结果虽未表现出空气负离子浓度与海拔呈显著相关，但马鞍山森林公园高海拔山体区域多数样地选点(少数山顶选点除外)的坡度值均较大，可见研究结果具有一定的相似性。同时也可以看出植物群落的空气负离子效应受植物群落海拔、坡度、坡向、距湖边距离等多个植物群落地理环境特征的综合影响。由上可见，植物群落的生物特征和地理特征共同决定了植物群落的小气候环境，因而导致了不同植物群落空气负离子浓度的空间分布差异性。本研究得出在植物群落生物特征差异背景下，植物群落的冠层高度能够更为显著地影响空气负离子浓度的正效应，植物群落的冠层、枝叶的尖端放电会促使空气电离，使其产生高浓度的空气负离子。

进一步讨论不同植物群落形成的微气象环境因子与空气负离子浓度的相关性。本研究未发现空气负离子浓度与相对湿度、气温和空气颗粒物因子呈显著性相关，但由图7可以看出，当去除负离子浓度显著高的样地3、14、15、16、23、38、39、44后，空气负离子浓度与相对湿度呈显著正相关，与空气PM10、气温呈显著负相关，与空气PM2.5相关性不显著。这一结果与关于空气温湿度[7，9，22，25-26]、空气颗粒物[7，9，27-28]相关研究结果一致。郭二果等[27]研究表明颗粒物粒径越大空气负离子与空气颗粒物的相关性越显著，本研究也表现出了空气负离子浓度与空气PM10的相关性相对于PM2.5更显著。因此，样地3、14、15、16、23、38、39、44高空气负离子浓度植物群落可能受植物群落生物特征和地理特征因子影响较大，导致微气象环境因子对该样地的影响程度弱。但由图7也可以看出空气负离子浓度与微气象因子相关性拟合的R2值较低，影响因子对林分空气负离子的变化解释较弱，森林植被空气负离子浓度是各影响因子综合表现的结果，且各影响因子间关系错综复杂。因此，更为准确地研究各小气候因子交互作用对空气负离子的作用机理还有待引入控制试验，以进一步探索植物种类、生物特征、地理特征及气象因素等单一因子的影响规律。

图7 植物群落微气象环境与空气负离子浓度间的相关性分析

同时，植物群落的空气负离子效应受分时段变化影响，8：00—10：00空气负离子浓度最高，主要由于该时段空气相对湿度较高、气温较低，植物的光合作用和光电效应较强，促进空气负离子的产生，使空气负离子浓度达到峰值，这与穆丹等[29]、吴楚材等[25]、吴际友等[26]的研究结果一致。12：00—14：00，随着太阳辐射强度的进一步增强和空气温度的上升，植物光合作用和光电效应显著下降，与此进程紧密相关的空气负离子浓度也迅速下降[30]。16：00—18：00，温度降低速度较快，随着太阳辐射强度的减弱，植物光合作用下降，空气负离子浓度下降，使其相较中午略微降低。

目前关于植物群落与空气负离子浓度的相关研究多集中于植物群落的单一或少数特征因子或微气象环境因子对空气负离子浓度的影响。潘剑彬[3，31]等分析了北京奥林匹克森林公园空气负离子空间格局特征及其影响因素，得到空气负离子浓度与植被冠层盖度[31]、空气湿度[3]呈显著正相关，同时也指出植物群落种类、层次结构和株高、叶面积等生物量指标对空气负离子分布具有一定的影响。本研究创新之处在于进一步综合考虑了植物群落的生物特征因子(植物种类、株高、胸径、冠幅、冠层高度、郁闭度和叶面积指数)和地理特征因子(海拔、坡度、坡向、距湖边距离、距公园边界距离和距交通污染源距离)，从而进一步明确植物群落生物特征和地理特征的综合作用对空气负离子浓度空间分布的影响，并分析了微气象环境因子(空气PM10、PM2.5浓度、相对湿度和气温)与空气负离子浓度的相关关系，研究表明森林植被空气负离子浓度是多影响因子综合表现的结果，在自然条件下多因子的主导性和协同性表现不同，本研究结果也将为因子间交互作用影响机理的进一步研究提供试验基础。另外，史琰、王东良、金荷仙等还指出空气负离子浓度与植物群落层次、三维量、人为干扰具有显著相关关系[5，11]，将在后续研究中进一步展开。

4 结论

1)城市森林公园森林植被的空气负离子浓度受多变量综合影响，表现为植物群落生物特征变量(平均高度、冠层高度)和地理特征变量(坡度)与空气负离子浓度效应呈显著性正相关。可见由坡地高大乔木组成的森林植被具有显著的空气负离子效应。2)基于44个植物群落样地空气负离子浓度数据分析，高负离子浓度区域主要位于森林公园北部沿湖区域和南部山体区域，植物群落组成分别为马尾松群落、枫香群落、川桂群落、板栗+檵木群落、香樟+杜英群落、枫香+马尾松群落、马尾松+冬青群落。不同植物群落空气质量评价指数(CI)变化区间为0.13～0.89，其中位于马鞍山山脊的马尾松群落和赵家山山脊的马尾松+枫香群落CI达到清洁(B)级别。3)森林公园空气负离子浓度具有分时段差异性，最高值出现在8：00—10：00，最低出现在16：00—18：00；CI最高值出现在12：00—14：00，为0.45，接近中等清洁级别；8：00—10：00和16：00—18：00时段CI相差不大，为0.33～0.34，允许级别。研究结论可为城市森林公园的功能性空间规划设计提供有效参考，公园绿地管理部门可依据空气负离子浓度效应和时空分布特征，强化森林植被的功能性空间布局与优化调控，加强高负离子浓度区域的生态康养功能集聚，提升公园绿地负离子效应对游人的生态服务功能，更好地提高城市公园绿地的综合效益。

注：文中图片均由作者绘制。